徐志鵬，劉 魁，謝代梁

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 浙江省流量計(jì)量技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

提高魷魚分割效率是各水產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過程中亟待解決的問題，而魷魚表面性質(zhì)限制了生產(chǎn)人員對(duì)于分割重量的掌握。依賴智能化設(shè)備獲取魷魚表面輪廓和分割是智慧漁業(yè)的重要組成部分，對(duì)魷魚表面輪廓進(jìn)行測(cè)定是分割前的必要步驟，無損測(cè)定輪廓可為后續(xù)精準(zhǔn)分割提供數(shù)據(jù)支持。

目前并無對(duì)魷魚表面輪廓測(cè)定的有效方法，多數(shù)水產(chǎn)企業(yè)依靠工人的熟練度對(duì)魷魚進(jìn)行分割。然而，人工分割方式對(duì)工人熟練度要求較高且效率和精度達(dá)不到企業(yè)的要求，因而利用三維線激光掃描獲取數(shù)據(jù)成為測(cè)定魷魚表面輪廓的新方向。

國(guó)內(nèi)對(duì)于魷魚自動(dòng)分割仍處于空白階段，冰島的Marel公司可根據(jù)尺寸要求對(duì)三文魚進(jìn)行自動(dòng)分割切片。目前常見的三維點(diǎn)云獲取設(shè)備主要有：基于雙目相機(jī)的立體視覺系統(tǒng)，利用結(jié)構(gòu)光來獲取對(duì)象深度信息原理的Microsoft Kinect，基于激光掃描原理的FastScan、Vivid9i等。但是雙目立體視覺系統(tǒng)使用前需人工校正相機(jī)，基于結(jié)構(gòu)光的深度圖像系統(tǒng)對(duì)光照環(huán)境的要求較高。

基于多點(diǎn)激光量測(cè)的新型自動(dòng)化量測(cè)方式在國(guó)內(nèi)外逐步發(fā)展，先進(jìn)的三維線激光技術(shù)因其具有高效能、高精度和高密度的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，適用于不規(guī)則物體的檢測(cè)。目前，比較成熟的線激光掃描儀生產(chǎn)廠商比如基恩士、LMI等公司，可根據(jù)實(shí)際需要提供不同型號(hào)的掃描儀。本文提出一種利用LMI線激光掃描儀平臺(tái)獲取圖像，對(duì)魷魚表面3D表型信息進(jìn)行提取的方法。

該方法通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)使魷魚通過線激光掃描區(qū)域，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理問題，采用高度特征閾值分割算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云去噪；針對(duì)不同規(guī)格大小的魷魚，根據(jù)其分割要求，采用分割算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分割，結(jié)合魷魚密度將體積結(jié)果轉(zhuǎn)化為質(zhì)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)魷魚等質(zhì)量分割。

1 材料和方法

1.1 分割要求

原材料魷魚通常為去掉頭部和尾部、兩側(cè)平齊的塊狀產(chǎn)品。為保證魷魚產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化包裝，企業(yè)的分割要求為：將片狀產(chǎn)品分為若干片側(cè)邊對(duì)角線長(zhǎng)度和質(zhì)量相等的條狀產(chǎn)品，以進(jìn)行包裝出口，要求每片質(zhì)量誤差為±1 g。

每片分割魷魚的長(zhǎng)度即為塊狀魷魚的寬度，本次實(shí)驗(yàn)選取的魷魚產(chǎn)地為浙江舟山，長(zhǎng)約160 mm，寬110 mm。分割產(chǎn)品規(guī)格對(duì)角線長(zhǎng)度為35 mm，質(zhì)量為32 g，選取兩組。

1.2 基于線激光掃描儀的點(diǎn)云獲取

本文使用的圖像采集平臺(tái)為Gocator 2150系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以滿足設(shè)備需要較高掃描速度、獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的需求；有足夠大的視野范圍，以保證在魷魚表面較為粗糙、起伏較大的情況下，能夠獲得較為完整的數(shù)據(jù)；同時(shí)，線激光設(shè)備可以抵御一定的光照影響。

從圖1可以看出，凈距離和測(cè)量范圍決定了傳感器的架設(shè)高度，每條輪廓點(diǎn)上的激光點(diǎn)數(shù)及各個(gè)方向的分辨率與重復(fù)性可綜合表征為激光傳感器的分辨率與穩(wěn)定性指標(biāo)，分辨率及重復(fù)性越高，獲取的激光點(diǎn)數(shù)據(jù)越精準(zhǔn)。

圖1 Gocator 2150系列傳感器產(chǎn)品示意圖Figure 1 Schematic diagram of Gocator 2150 series sensor products

在其他條件相同的情況下，X方向最高與最低分辨率每100 g可產(chǎn)生3～5 g質(zhì)量誤差，為保證運(yùn)算精確度，X方向分辨率精度設(shè)為最高即0.3 mm?？紤]到數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并能獲取足夠多的數(shù)據(jù)量進(jìn)行分析，點(diǎn)動(dòng)頻率為50 Hz，即每秒獲取被測(cè)魷魚50個(gè)斷面的數(shù)據(jù)。

1.3 分割計(jì)算

處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)魷魚分割的過程如下：1)分割背景點(diǎn)云;2)基于高度差值使用閾值分割法去除魷魚表面的噪點(diǎn)，相鄰數(shù)據(jù)差值大于4 mm認(rèn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在噪點(diǎn)，需要剔除;3)根據(jù)實(shí)際需求對(duì)點(diǎn)云的三維坐標(biāo)矩陣進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)魷魚片點(diǎn)云的分割;4)基于分割模型，借助密度將體積轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，計(jì)算分割出的每片魷魚質(zhì)量。

1.4 背景點(diǎn)云分割

針對(duì)密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)繁雜，識(shí)別魷魚輪廓的問題，將其中相鄰兩點(diǎn)高度差大于10 mm的點(diǎn)云數(shù)據(jù)視為魷魚邊緣，由此可提取魷魚的整體輪廓，用于下一步計(jì)算。

2 分割算法

為保證掃描模塊與分割模塊工作協(xié)調(diào)性，將距魷魚一側(cè)5 cm處作為基準(zhǔn)線，其中與基準(zhǔn)線對(duì)應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，提取該行數(shù)據(jù)將其作為計(jì)算參考側(cè)面，圖2為該行點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的魷魚側(cè)面示意圖。

圖2 側(cè)面示意圖Figure 2 Side view

產(chǎn)品是否合格以最后的稱重為準(zhǔn)，由于待切魷魚的底面平整，整體呈弧形，本文采用積分計(jì)算方法得出單片魷魚的質(zhì)量。

分割算法切分魷魚的運(yùn)算步驟如下。

1)確定第0分割點(diǎn)。魷魚表面厚度分布不均勻，點(diǎn)云矩陣內(nèi)高度不足整體高度的2/3部分視作廢料，繼而從滿足該條件的位置作為第0分割點(diǎn)，通常初始角度設(shè)為45°，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2)確定第n分割點(diǎn)。如圖3，建立側(cè)面平面坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)為X軸，縱坐標(biāo)為Z軸，A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。θ0為第0分割角，刀面與上表面交點(diǎn)為B點(diǎn)，以A點(diǎn)為圓心，側(cè)邊對(duì)角線L為半徑作圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行搜索，當(dāng)側(cè)邊對(duì)角線L與上表面相切時(shí)停止搜索，切點(diǎn)記為C點(diǎn)，即第n分割點(diǎn)。

3)確定第n分割角度。將A點(diǎn)與B點(diǎn)連線視作直線方程，記作f(x1)。分別過B點(diǎn)與C點(diǎn)作垂直輔助線，與底邊交點(diǎn)分別記為D點(diǎn)和E點(diǎn)。B點(diǎn)與C點(diǎn)之間數(shù)據(jù)點(diǎn)通過線性擬合得到曲線方程，記作f(x2)。以點(diǎn)E為起點(diǎn)向前搜尋，該搜尋點(diǎn)記為F點(diǎn)，C點(diǎn)與F點(diǎn)連線視作直線方程記作f(x3)。A點(diǎn)至D點(diǎn)距離記作xn，D點(diǎn)至E點(diǎn)距離記作xn+1，E點(diǎn)到F點(diǎn)的距離記作xn+2。

圖3 分割示意圖Figure 3 Segmentation diagram

最終所需分割側(cè)面由A、B、C、F四點(diǎn)圍成，其面積設(shè)為S，單位為mm2。A、B、D三點(diǎn)圍成圖形面積記為Sn，B、D、E、C四點(diǎn)圍成圖形面積記為Sn+1，C、F、E三點(diǎn)圍成圖形面積為Sn+2，三組面積有其對(duì)應(yīng)的函數(shù)積分得出，公式總結(jié)如下：

(1)

(2)

(3)

Sn+Sn+1-Sn+2=S。

(4)

如果Sn+Sn+1

4)確定第n+1分割點(diǎn)。重復(fù)上述步驟2，直至無法滿足條件即停止搜尋。結(jié)合每片魷魚的長(zhǎng)度可得出該片魷魚的體積。

將得出體積值與魷魚密度結(jié)合，最終輸出為每片產(chǎn)品質(zhì)量，分割計(jì)算程序流程圖如圖4。

圖4 程序流程圖Figure 4 Program flow chart

3 程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)程序由上位機(jī)程序和下位機(jī)程序組成。

上位機(jī)程序采用LabView軟件編程，通過人機(jī)交互界面控制，程序由以下幾個(gè)模塊組成。

1)參數(shù)設(shè)置模塊。輸入目標(biāo)魷魚的側(cè)邊對(duì)角線長(zhǎng)度，所需質(zhì)量等信息。

2)掃描控制模塊。由OPC通信控制掃描模塊運(yùn)動(dòng)，協(xié)調(diào)掃描模塊中運(yùn)動(dòng)部件的作業(yè)，記錄原始數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)無效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，保留魷魚表面有效輪廓數(shù)據(jù)，輸出優(yōu)化后點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4)結(jié)果計(jì)算模塊。得出分割點(diǎn)位于基準(zhǔn)線的位置及分割角度，顯示每塊魷魚可切片數(shù)及每片重量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 裝置介紹

該裝置分為掃描模塊和分割模塊，掃描裝置由支架主體、LMI Gocator 2150線激光掃描儀、歐姆龍CP1H型PLC、匯川IS620N系列伺服、傳動(dòng)皮帶、人機(jī)交互界面組成。其中支架主體為鋁合金材質(zhì)，具有較高的強(qiáng)度，抗變形能力強(qiáng)。傳動(dòng)皮帶負(fù)責(zé)搭載魷魚，線激光掃描儀通過端面連接板固定在皮帶上方500 mm處，方向與傳動(dòng)皮帶方向一致。伺服電機(jī)由PLC控制，PLC通過串口連接到人機(jī)交互界面，通過OPC標(biāo)準(zhǔn)使用LabView軟件控制電機(jī)啟停。掃描裝置如圖5。

圖5 掃描裝置Figure 5 Scanning device

分割模塊由分割刀具、固定條、伺服電機(jī)、氣缸和傳動(dòng)皮帶組成，伺服電機(jī)控制分割刀具的角度。氣缸控制分割刀具的下切，固定條用來分割時(shí)固定魷魚，保證精確度。通常魷魚采用冷凍儲(chǔ)存的方式，保鮮的同時(shí)利于切割，選取刀具帶有一定弧度，以保證作業(yè)時(shí)刀具不會(huì)粘連魷魚，影響產(chǎn)品重量和工作效率。

4.2 魷魚模型重建

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，原始數(shù)據(jù)共1 049×563點(diǎn)云數(shù)，行列差值與分辨率和激光點(diǎn)動(dòng)頻率相關(guān)。首先采用閾值分割法去除其中噪點(diǎn)，去噪前的點(diǎn)云數(shù)量為590 100，去噪后的數(shù)量為536 148。去噪處理后，噪聲減少，點(diǎn)云更加平滑。

去噪后魷魚表面重建結(jié)果如圖6，得到更精確的魷魚表面模型。

圖6 魷魚模型重建Figure 6 Squid model reconstruction

4.3 結(jié)果分析

經(jīng)上述方法計(jì)算得出魷魚的分割位置及最終分割質(zhì)量，輸出最后計(jì)算結(jié)果。表1為單片魷魚輸出結(jié)果。

從表1可以看出，原材料魷魚的規(guī)格較為一致，算法計(jì)算出的切分位置和切分角度較為接近。為了滿足對(duì)角線長(zhǎng)度和重量的要求，最后一刀的角度與前面的切割角度相差較大。

表1 單片魷魚分割結(jié)果Table 1 Results of single slice squid segmentation

分割對(duì)角線長(zhǎng)度的最大誤差為0.3 mm，即0.86%；最大質(zhì)量誤差為0.3 g，即0.94%?？蓾M足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求。結(jié)果表明，在不直接接觸魷魚的前提下，本方法成本低，實(shí)現(xiàn)了魷魚的精確分割，符合企業(yè)的生產(chǎn)需求，為魷魚生成自動(dòng)化提供了技術(shù)支持。

5 結(jié) 論

文中研究了基于三維點(diǎn)云的魷魚分割算法，針對(duì)魷魚表面不平整，不利于自動(dòng)化分割的問題，采用閾值分割法進(jìn)行去噪，得到更為精確的魷魚重建模型。根據(jù)魷魚側(cè)邊對(duì)角線長(zhǎng)度和質(zhì)量要求，采用積分法確定每次分割點(diǎn)的位置。

相對(duì)于目前普遍的人工分割魷魚的方法，本文魷魚片分割質(zhì)量最大誤差0.3 g，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，保證了算法分割魷魚的準(zhǔn)確性。本方法解決了人工分割效率低與精度低的問題，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化提供了技術(shù)支持。

同時(shí)，由于水產(chǎn)通常采用冷凍儲(chǔ)存的方式，不同魷魚的含水率不同，同時(shí)，點(diǎn)云矩陣數(shù)據(jù)受掃描分辨率影響，與實(shí)際結(jié)果存在偏差，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際重量仍有一定的誤差，后續(xù)需要根據(jù)實(shí)際情況加以改進(jìn)，進(jìn)一步縮小誤差。