孔祥亮 湯曉華 吳星宇鄭龍安 郝方濤 安嘉強(qiáng)

(1. 北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2. 北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876)

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激光掃描糙米三維可視化數(shù)字建模

孔祥亮1湯曉華1吳星宇2鄭龍安1郝方濤1安嘉強(qiáng)1

(1. 北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2. 北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876)

糙米建模是深入研究碾白加工的基礎(chǔ)。以離散斷層截面環(huán)形掃描組合搭建原理為基礎(chǔ)，高精度激光位移傳感器為檢測(cè)儀器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)糙米數(shù)字化檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)糙米離散截面的非接觸數(shù)字化測(cè)量。針對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行了滑動(dòng)平均濾波及橢圓擬合處理，并對(duì)處理前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差對(duì)比分析。建模過(guò)程結(jié)合逆向工程領(lǐng)域的基本理論探討了糙米三維可視化數(shù)字建模方法，構(gòu)建基于橢圓參數(shù)和經(jīng)緯包絡(luò)描述的糙米數(shù)字化模型，可為研究糙米加工提供有效參考。

糙米建模；斷層截面環(huán)形掃描；激光位移傳感器；非接觸數(shù)字化測(cè)量

大米加工產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的國(guó)計(jì)民生中一直占有舉足輕重的地位，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，如何將目前中國(guó)大米加工領(lǐng)域中的“精制碾米”轉(zhuǎn)化為更營(yíng)養(yǎng)、健康的“留胚碾米”，成為糧食加工領(lǐng)域急需探索的課題之一[1]。

糙米中60%以上的營(yíng)養(yǎng)元素都積聚在占糙米重量10%的糠層和胚芽中，因此胚芽米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值遠(yuǎn)高于普通大米[2]。為實(shí)現(xiàn)大米加工產(chǎn)業(yè)中的“精制碾米”向“留胚碾米”轉(zhuǎn)型，碾白加工過(guò)程中糙米糠層去除及留胚機(jī)理成為研究分析的關(guān)鍵所在。建立較為精確的糙米數(shù)字化模型，可為分析糙米在胚芽米碾白室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程提供精確的計(jì)算依據(jù)。此外，通過(guò)分別建立糙米模型與精米模型,并對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，可對(duì)胚芽米加工的最小加工量及出米率等參數(shù)進(jìn)行分析，從而為研究新型的胚芽米加工工藝奠定基礎(chǔ)。因此，研究建立較為精確的糙米數(shù)字化模型具有理論意義及應(yīng)用價(jià)值。

合理選擇數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器是實(shí)現(xiàn)糙米精確數(shù)字化建模的基礎(chǔ)前提，目前市場(chǎng)上常用的數(shù)字化設(shè)備主要包括結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x、三維掃描儀等產(chǎn)品，其特點(diǎn)及應(yīng)用范圍各有不同。由于糙米籽粒較小且形狀不規(guī)則，現(xiàn)有設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其表面數(shù)據(jù)的精確采集。本試驗(yàn)以KEYENCE LK-G150感測(cè)頭、KEYENCE LK-GD500控制器作為核心部件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套高精度的糙米數(shù)字化檢測(cè)裝置，并結(jié)合逆向工程領(lǐng)域的基本理論，探討了糙米三維可視化建模方法。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

1.1 檢測(cè)原理及裝置開(kāi)發(fā)

糙米輪廓檢測(cè)采用離散截面掃描原理。糙米輪廓呈近似長(zhǎng)扁橢圓形。通過(guò)沿糙米長(zhǎng)軸方向多截面環(huán)形掃描獲得其各截面散點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)截面數(shù)足夠時(shí)，將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接即可獲得糙米輪廓。

為實(shí)現(xiàn)糙米表面數(shù)據(jù)的全方位采集，開(kāi)發(fā)糙米掃描設(shè)備見(jiàn)圖1。其中測(cè)量裝置需滿足如下功能：① 激光位移傳感器能夠沿OXYZ坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)軸方向移動(dòng)；② 被測(cè)物(即糙米)能夠繞X'軸轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1中1、2、3、5構(gòu)成激光位移傳感器檢測(cè)部裝，其中5為激光位移傳感器，用于檢測(cè)被測(cè)物的位移；部件1驅(qū)動(dòng)Z軸方向絲杠旋轉(zhuǎn)，用于調(diào)整傳感器激光射線與糙米回轉(zhuǎn)中心線等高，調(diào)整好后即鎖緊；部件2驅(qū)動(dòng)Y軸方向絲杠旋轉(zhuǎn)，用于調(diào)整傳感器測(cè)量范圍，聚焦調(diào)整好后即鎖緊；部件3驅(qū)動(dòng)X軸方向絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)糙米沿X軸方向間歇環(huán)掃功能。X、Y、Z軸絲杠旋轉(zhuǎn)分辨率均達(dá)到0.01 mm，可滿足精確調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)所需的進(jìn)給距離。4、6構(gòu)成糙米環(huán)形掃描檢測(cè)部裝，其中部裝4實(shí)現(xiàn)精確分度、帶動(dòng)糙米間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(Δωx')。

1.Z軸絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)(實(shí)現(xiàn)傳感器高度位置調(diào)節(jié)) 2.Y軸絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)(實(shí)現(xiàn)糙米與傳感器相對(duì)位置調(diào)節(jié)) 3.X軸絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)(實(shí)現(xiàn)沿糙米長(zhǎng)度方向進(jìn)給) 4. 分度盤(實(shí)現(xiàn)環(huán)形分度掃描) 5. 激光位移傳感器 6. 糙米

圖1 糙米表面數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置原理圖

Figure 1 Schematic diagram of surface data detecting device for brown rice

1.2 傳感器原理分析

激光位移傳感器是一種基于激光三角法的非接觸式精密激光測(cè)量系統(tǒng)[3-5]，其原理是：用一束激光以某一角度聚焦在被測(cè)物體表面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD或PSD(位敏探測(cè)器)測(cè)出光斑像的位置，即可計(jì)算出物體表面激光照射點(diǎn)的位置。當(dāng)物體沿激光線方向發(fā)生移動(dòng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果就將發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)用激光測(cè)量物體的位移[6-7]。其測(cè)量原理見(jiàn)圖2。

圖2 激光位移傳感器測(cè)量原理

1.3 傳感器選擇

根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)及儀器性能選擇KEYENCE LK-G150感測(cè)頭、KEYENCE LK-GD500控制器作為測(cè)量裝置的核心部件。此傳感器使用CCD作為光接收原件，CCD檢測(cè)每個(gè)像素上光點(diǎn)的光量分布峰值并將此確定為目標(biāo)物位置，因此CCD能夠提供穩(wěn)定的高精度位移測(cè)量，而不考慮光點(diǎn)光量分布狀況。

KEYENCELK-G150感測(cè)頭可檢測(cè)不透明或半透明材料，在漫反射模式下進(jìn)行測(cè)量的參考距離為150 mm，在鏡面反射模式下進(jìn)行測(cè)量的參考距離為147.5 mm，參考距離下光點(diǎn)直徑約120 μm，再現(xiàn)性達(dá)0.1 μm，重復(fù)精度達(dá)0.5 μm，采樣周期可在等級(jí)20，50，100，200，1 000 μs中選擇，其性能完全滿足測(cè)量要求。

2 糙米表面數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)獲取被測(cè)物糙米表面的三維點(diǎn)云信息。測(cè)量點(diǎn)的分布和數(shù)量直接影響曲面重建的方法和效果[8]。因此，在實(shí)施掃描前制定合理的掃描方案對(duì)于后續(xù)的模型構(gòu)建至關(guān)重要。

糙米模型近似于扁橢球體，因此可將糙米看成回轉(zhuǎn)體，將糙米固定在分度盤中心軸頂端，使其長(zhǎng)軸與圖1檢測(cè)裝置X方向一致。用高精度激光位移傳感器間隔一定的軸向距離掃描糙米截面輪廓，并將每個(gè)截面細(xì)分為360°，每度設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)各測(cè)量點(diǎn)采集100個(gè)數(shù)據(jù),并求其均值用于描述該點(diǎn)，由此可實(shí)現(xiàn)糙米表面數(shù)據(jù)的全方位精確測(cè)量。

依據(jù)KEYENCE LK-G150感測(cè)頭使用說(shuō)明書完成相關(guān)硬件安裝及LK-Navigator數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件安裝調(diào)試。運(yùn)行環(huán)境符合其使用要求。其中KEYENCE LK-G150感測(cè)頭對(duì)被測(cè)物材質(zhì)和反射方式敏感。糙米主要成分為淀粉，因此本研究將測(cè)量模式設(shè)置為“半透明”；反射方式設(shè)置為“漫反射”。其測(cè)量流程見(jiàn)圖3。按照?qǐng)D3流程完成完整糙米點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、保存。

圖3 測(cè)量流程圖

3 糙米表面數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

為檢驗(yàn)傳感器測(cè)量模式選擇的正確性及測(cè)量精度，此處以第13個(gè)截面上0～2°檢測(cè)點(diǎn)各100個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，由表1可知，傳感器工作狀態(tài)穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍在±0.5 μm之內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)糙米表面數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量。

表1 第13截面部分測(cè)量數(shù)據(jù)分析

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)前處理

激光位移傳感器的測(cè)量結(jié)果為被測(cè)物(即糙米)相對(duì)于參照物的位移值。本試驗(yàn)選擇直徑為4 mm的光軸作為參照物，當(dāng)傳感器激光射線調(diào)整至與該參照物軸線處于同一水平面時(shí)，將傳感器顯示數(shù)值清零，此后將糙米表面各點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)按式(1)計(jì)算，得到糙米截面上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極徑。

ρ=R+Δ，

(1)

式中：

ρ——極徑，mm；

R——參照物半徑，2 mm；

Δ——測(cè)量值，mm。

表2為糙米第13截面上0～5°所對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)及其極徑。

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)圖形顯示

MATLAB作為功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件，集數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算、算法開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)可視化等功能于一體，具有完備的圖形處理顯示功能，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化[9]，故本研究采用MATLAB對(duì)測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及圖形顯示。

表2 第13截面部分測(cè)量數(shù)據(jù)及其極徑

首先按點(diǎn)讀取糙米各截面掃描數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)組合并加以顯示。在MATLAB中選用textscan函數(shù)循環(huán)讀取各截面的測(cè)量數(shù)據(jù)。由于測(cè)量時(shí)對(duì)各截面中的每個(gè)點(diǎn)均采集100個(gè)數(shù)據(jù)，因此對(duì)讀入的每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)用mean函數(shù)求均值，并將均值分別存入3個(gè)行矩陣M1×10，N1×90，P1×260中，形成各截面的點(diǎn)描述數(shù)據(jù)矩陣。其中M1×10存放每個(gè)截面中0～9°對(duì)應(yīng)的10個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，N1×90存放10～99°對(duì)應(yīng)的90個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，P1×260存放100～359°對(duì)應(yīng)的260個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。合并3個(gè)行矩陣得到截面點(diǎn)描述數(shù)據(jù)矩陣A=[M,N,P]，對(duì)矩陣A中的數(shù)據(jù)按式(1)計(jì)算,可得到糙米截面上所有點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極徑，由每個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的極徑和角度，即可使用Polar命令在極坐標(biāo)系下繪制糙米截面輪廓圖。第13～22個(gè)截面的程序運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖4。

3.4 數(shù)據(jù)后處理及誤差分析

圖4 糙米部分截面輪廓

3.4.2 糙米截面橢圓擬合 根據(jù)3.3可知糙米多數(shù)截面輪廓形狀近似于橢圓，為實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行明確的函數(shù)表示，以方便對(duì)糙米截面的長(zhǎng)短軸尺寸等特征進(jìn)行定量分析，本研究采用最小二乘法對(duì)形狀近似于橢圓的截面輪廓進(jìn)行橢圓擬合。

最小二乘擬合是最早的橢圓擬合方法，其思想為考慮數(shù)據(jù)受隨機(jī)噪聲的影響進(jìn)而追求整體誤差的最小化[11]。設(shè)橢圓的隱式方程F=(a·x)=0，其中a=(A,B,C,D,E,F)為橢圓方程的系數(shù)，將誤差距離定義為隱式方程在給定離散點(diǎn)與擬合點(diǎn)之間的偏差，取橢圓隱式方程為：

F(x,y)=Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0。

(2)

將測(cè)量值(xi,yi),i=1,2,……,k代入橢圓隱式方程時(shí)，因存在誤差，F(xiàn)(xi,yi)一般不等于0，認(rèn)為F(xi,yi)是點(diǎn)(xi,yi)到擬合橢圓的代數(shù)距離，由此可通過(guò)使給定離散點(diǎn)與擬合橢圓的代數(shù)距離平方和為最小來(lái)求橢圓隱式方程系數(shù)[12]。

此處以第14、25截面數(shù)據(jù)為例，濾波前后的橢圓擬合程序運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖5。

表3、4分別列出了上述兩典型截面數(shù)據(jù)濾波前后橢圓擬合誤差及橢圓方程系數(shù)對(duì)比結(jié)果。由表3可知，第14個(gè)截面數(shù)據(jù)濾波前后最大擬合誤差點(diǎn)的誤差值分別占該點(diǎn)對(duì)應(yīng)橢圓極徑的11.05%，7.65%，誤差平均值分別占橢圓半短軸的3.74%，2.96%，數(shù)據(jù)濾波前后擬合橢圓長(zhǎng)軸相對(duì)減小了0.06%，短軸相對(duì)增大了0.01%，最大誤差、誤差平均值、誤差方差分別相對(duì)減小了32.26%，20.88%，49.23%。第25個(gè)截面數(shù)據(jù)濾波前后最大擬合誤差點(diǎn)的誤差值分別占該點(diǎn)對(duì)應(yīng)橢圓極徑的15.23%，12.41%，誤差平均值分別占橢圓半短軸的5.69%，5.12%，數(shù)據(jù)濾波前后擬合橢圓長(zhǎng)軸相對(duì)減小了0.08%，短軸相對(duì)增大了0.02%，最大誤差、誤差平均值、誤差方差分別相對(duì)減小了20.37%，10%，19.01%。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)濾波效果明顯，有效減小了橢圓擬合誤差。

圖5 數(shù)據(jù)濾波前后橢圓擬合

對(duì)比項(xiàng)目截面號(hào)長(zhǎng)軸短軸最大誤差誤差平均值誤差方差濾波前142.80112.07640.12150.03887.17e-04252.35391.72120.14730.04909.52e-04濾波后142.79932.07660.08230.03073.64e-04252.35201.72150.11730.04417.71e-04相對(duì)變化量/%140.06 0.01 32.26 20.88 49.23 250.080.0220.3710.0019.01

表4 數(shù)據(jù)濾波前后橢圓擬合方程系數(shù)

4 糙米表面包絡(luò)線建模

將原始測(cè)量數(shù)據(jù)作濾波處理后進(jìn)而繪制糙米表面經(jīng)緯包絡(luò)線，可以更加真實(shí)地還原糙米外觀特征并為后續(xù)研究提供處理依據(jù)。經(jīng)向包絡(luò)線指不同截面上對(duì)應(yīng)同一角度點(diǎn)的連線；緯向包絡(luò)線指同一截面上點(diǎn)的連線(即截面輪廓線)。經(jīng)緯線分割形成的矩形網(wǎng)格將對(duì)后續(xù)研究糙米外表曲面擬合具有重要意義。

繪制包絡(luò)線需提供各測(cè)量點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)值，根據(jù)各離散截面之間的采樣間隔可計(jì)算出各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的立標(biāo)zi，將zi與經(jīng)濾波處理后的截面數(shù)據(jù)(xi,yi)相匹配便可得到各測(cè)量點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)(xi,yi,zi)，再把每個(gè)截面上各測(cè)量點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)分量所對(duì)應(yīng)的列矩陣xi=1～M(N×1)、yi=1～M(N×1)、zi=1～M(N×1)分別組合，得到3個(gè)矩陣Ex(N×M)，Ey(N×M)，Ez(N×M)，其中N為每個(gè)截面上的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，M為測(cè)量截面數(shù)，Ex、Ey、Ez中第j行分別存放第1～M截面上對(duì)應(yīng)同一角度點(diǎn)的坐標(biāo)分量x、y、z。運(yùn)用plot3函數(shù)即可繪制出糙米表面包絡(luò)線，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 糙米包絡(luò)線模型

5 結(jié)論

以上分析表明，使用高精度激光位移傳感器測(cè)量糙米表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)的方法可行。在數(shù)據(jù)處理及擬合后，經(jīng)分析可知，可以用橢圓描述大部分糙米截面，糙米總體上呈扁橢球形。上述工作為后續(xù)建立更加精確的糙米數(shù)字化模型提供了可靠的測(cè)量手段和數(shù)據(jù)處理方法，但糙米胚芽部分凹陷處的曲率變化較大，數(shù)據(jù)采集效果有待進(jìn)一步改善。構(gòu)建糙米三維數(shù)字化模型可為今后研究碾白加工提供基礎(chǔ)模型和依據(jù)。

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Three-dimensional visual digital modeling of brown rice based on laser scanning

KONG Xiang-liang1TANG Xiao-hua1WU Xing-yu2ZHENGLong-an1HAOFang-tao1ANJia-qiang1

(1.BeijingTechnologyandBusinessUniversity,SchoolofMaterialsScienceandMechanicalEngineering,Beijing100048,China; 2.BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,SchoolofAutomation,Beijing100876,China)

The modeling of brown rice is the basis of the further research on rice milling process. Based on the principle of the combined building of discrete fault annular section, by using high precision laser displacement sensor as detecting instrument, digital detecting device for brown rice was designed and developed to achieve a non-contact digital measurement of the discrete section of brown rice. Moving average filter and ellipse fitting were adopted according to the characteristics of the original measurement data, and the error analysis of data before and after treatment were compared and investigated. The modeling process was based on the basic theory of reverse engineering, and then three-dimensional visual digital modeling method of brown rice was discussed. It was found that the digital model based on ellipse parameters and the envelope of latitude and longitude could provide an effective reference for the study of brown rice processing.

brown rice modeling; fault section circular scanning; laser displacement sensor; non-contact digital measurement

孔祥亮，男，北京工商大學(xué)在讀碩士研究生。

湯曉華(1963—)，男，北京工商大學(xué)教授，博士。 E-mail: tangxiaohua@th.btbu.edu.cn

2017—04—20

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.017