方拓展 王宇翔 楊紫合

摘 要：以蘋果為研究對象，基于高光譜成像技術(shù)對蘋果的機械損傷進行檢測，設(shè)計了以挑選出的529 nm、622 nm和970 nm這3種波長的點光源半導(dǎo)體激光器作為光源，實時采集3種波長下的蘋果圖像，并檢測標(biāo)記損傷區(qū)域的采集檢測裝置。系統(tǒng)使用SVM分類算法，利用Matlab GUI制作圖像檢測界面，判斷拍攝區(qū)域是否存在損傷，并將判斷為損傷的區(qū)域標(biāo)記到蘋果圖像中。本采集檢測裝置可以實現(xiàn)3種波長下圖像的自動采集和保存，并能基本完成蘋果損傷的初步檢測。

關(guān)鍵詞：高光譜技術(shù)；蘋果損傷檢測；裝置設(shè)計

文章編號： 1005-2690（2018）03-0111-02 中圖分類號： TN215 文獻標(biāo)志碼： A

1 引言

1.1 研究目的及意義

我國蘋果出口量已居全球前列，但僅占國內(nèi)總產(chǎn)量的2.5%左右，其中一個重要原因是傳統(tǒng)的水果檢測技術(shù)很難區(qū)分蘋果在采摘及銷售過程中產(chǎn)生的機械損傷。隨著時間的積累，受損區(qū)域可嚴(yán)重影響蘋果的品質(zhì)，這就需要發(fā)展一種快速、高效、無破壞性的檢測技術(shù)來檢測蘋果損傷情況。高光譜成像技術(shù)可以對水果的內(nèi)部品質(zhì)和外部品質(zhì)進行快速、無損檢測，但價格昂貴。因此，設(shè)計了基于高光譜技術(shù)確定的探測損傷特定波長進行檢測的裝置。

1.2 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線

本文以蘋果為試驗研究對象，綜合現(xiàn)有的高光譜圖像信息采集平臺和前人的試驗研究結(jié)果，以529 nm、622 nm和970 nm這3個特征波長為光源，設(shè)計一種能夠?qū)崟r對蘋果圖像進行采集、保存的采集裝置，初步實現(xiàn)蘋果的損傷檢測。研究內(nèi)容主要包括以下幾個部分：人為制造蘋果機械損傷；搭建蘋果的高光譜信息采集試驗平臺采集信息；利用黑白校正方法進行高光譜圖像預(yù)處理；完成采集裝置的硬件設(shè)計；完成采集裝置的軟件設(shè)計；搭建人機交互界面，實現(xiàn)蘋果圖像的實時采集檢測和保存。

2 總體方案設(shè)計

2.1 裝置原理

裝置由功率為10 MW的點光源半導(dǎo)體激光器發(fā)射出相關(guān)光，經(jīng)過擴束鏡照射到試驗樣本上，由網(wǎng)絡(luò)攝像頭進行拍攝，圖像通過USB數(shù)據(jù)線傳送到計算機中，利用MATLAB軟件對圖像進行處理，檢測蘋果的損傷區(qū)域并進行標(biāo)記輸出。

2.2 設(shè)備的組成

基于高光譜的蘋果損傷檢測裝置主要包括的設(shè)備有半導(dǎo)體激光器（3個）、擴束鏡、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、上位機（PC）、下位機（單片機）、繼電器和試驗樣本（蘋果）。系統(tǒng)的實物圖如圖1所示。

3 裝置硬件方案

具體的方案如圖2所示。

本裝置選用532 nm、635 nm和980 nm的半導(dǎo)體激光器作為光源，用2節(jié)干電池供電。裝置采用羅技Logitech公司生產(chǎn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭C310。采用C#開發(fā)上位機控制界面，在控制界面中可打開攝像頭，實時拍攝并顯示圖像；上位機與單片機相互應(yīng)答；單片機通過控制繼電器使3個激光器輪流點亮，并進行拍照保存。

本裝置使用Arduino UNO單片機。選用帶光耦隔離的3V四路繼電器模塊控制激光器供電。主控芯片ATmega328內(nèi)置的UART通過數(shù)字口0（RX）和1（TX）與外部實現(xiàn)串行通信。整個主控電路模塊電路等可參考Atmega328p芯片的技術(shù)文檔和Atmega系列單片機的設(shè)計文檔。

4 裝置軟件設(shè)計

4.1 下位機硬件及軟件設(shè)計

本裝置采用Arduino編譯軟件，程序在利用Arduino軟件編譯完成之后用板載的USB線下載進單片機中。單片機在接收到上位機的指令之后，控制激光器的亮滅。裝置調(diào)試時使用ARDUINO自帶的串口監(jiān)視器作為調(diào)試工具。

4.2 上位機圖像采集及處理界面設(shè)計

上位機程序設(shè)計選用Microsoft Visual studio 2015開發(fā)平臺，程序功能如下：當(dāng)需要采集圖像的時候打開攝像頭，在對應(yīng)波長的激光燈開啟后采集圖像，保存數(shù)據(jù)；設(shè)置圖像的高度和寬度以及保存格式；實現(xiàn)上位機和單片機之間的串行通信；實現(xiàn)圖像的自動和手動保存，并且選擇保存路徑；在不需要采集圖像的時候關(guān)閉USB攝像頭，停止圖像采集。

本裝置采用Matlab作為圖像處理軟件界面的開發(fā)工具，將蘋果損傷檢測各個處理步驟的代碼封裝成庫函數(shù)。處理步驟分為圖像校正、區(qū)域分割和掩膜圖像處理、基于SVM蘋果損傷檢測進行模型搭建和損傷區(qū)域標(biāo)記。

對以上過程的代碼封裝完成后，進行損傷檢測軟件界面的設(shè)計。損傷檢測軟件界面涵蓋圖像輸入、圖像預(yù)處理、檢測輸出、數(shù)據(jù)存儲等必要功能。圖像處理軟件界面如圖3～5所示。

5 實際操作步驟

將寫好的單片機程序燒錄到單片機中，按照程序設(shè)置相關(guān)的測試條件。在運行上位機程序之后，點擊Start按鈕打開相機，點擊開串口按鈕，在下拉菜單里選擇串口號，之后點擊ON鍵點亮相應(yīng)的激光燈，點擊Save鍵將圖片保存在相應(yīng)的文檔內(nèi)，并將圖像導(dǎo)入到圖像處理GUI程序中實現(xiàn)檢測保存。

6 總結(jié)及不足

6.1 總結(jié)

通過對現(xiàn)有檢測裝置和技術(shù)的研究，提出了一種新的蘋果損傷檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案；搭建出一套完整的對蘋果損傷在3種波長下的圖像采集的裝置；根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計方案，選擇相應(yīng)的硬件和軟件平臺實現(xiàn)所需功能。

6.2 不足

控制系統(tǒng)硬件部分集成度較低；系統(tǒng)的軟件設(shè)計需要優(yōu)化，以實現(xiàn)一鍵檢測；蘋果損傷檢測算法有待優(yōu)化，否則會錯誤地將蘋果損傷區(qū)域邊緣作為損傷區(qū)域標(biāo)記出來；購買的激光器波長是近似波長，因此損傷檢測結(jié)果并不理想；本設(shè)計中的串口通信尚未做到上位機與下位機相互應(yīng)答。

（收稿日期：2018-02-06）