張櫻飄，于亞萍※，衡 耿，李留安，趙 喆

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384；2.天津農(nóng)學(xué)院動物醫(yī)學(xué)與動物科學(xué)學(xué)院，天津 300384；3.金洼農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，天津 300273）

0 引言

雞蛋的大小、清潔度、新鮮度是評價雞蛋的重要指標(biāo)[1]。散養(yǎng)雞場因母雞活動范圍廣、蛋窩不夠用等因素，由于母雞下蛋時間主要集中在上午的9：00～11：00時，因此，在散養(yǎng)雞場容易產(chǎn)生窩外蛋，因而很難保證窩外蛋表面的清潔。雞蛋表面沾染污染物，不僅外觀不好看、不衛(wèi)生且易發(fā)出難聞的味道[2]，而且，蛋殼上沾染的細菌易感染堆放在一起的其他雞蛋。對于雞蛋的售賣者，會影響到雞蛋的售賣價格而產(chǎn)生經(jīng)濟損失[3]。為了降低經(jīng)濟損失，需要對雞蛋表面的污染物面積進行分類。采用人工分類的方法，一方面由于工作時間長，易引起視覺疲勞，浪費大量的人力物力；人為地去分類會導(dǎo)致沒有一個分類標(biāo)準(zhǔn)。采用圖像處理區(qū)分雞蛋表面污染物面積，從而評判雞蛋的清潔度顯得非常重要。本文從自然光、直射光和透射光3種情況進行分析，確定最佳的雞蛋污染物面積測試條件。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設(shè)備

有污染物的雞蛋；黑色幕布、光源、自制圖像采集暗室；LND-AL40 手機相機、像素1 300 萬攝像頭、計算機及Matlab軟件。

1.2 圖像采集過程

將雞蛋分別放在處于光源透射、直射、自然光下的3 種情況中進行采集圖像。在這3組對比實驗中，只有雞蛋處在的光源環(huán)境不同，其余雞蛋擺放的方向以及相機距離雞蛋的高度都是一致的[4]。接著通過電腦中Matlab軟件對采集的圖像進行處理，進而得到雞蛋表面污染物的面積[5]，并對3種情況得到的結(jié)果進行分析，得出判別雞蛋表面污染物面積較好的方法。采用自然光、光源直射和光源透射對雞蛋進行照射，將雞蛋沿軸中線分別轉(zhuǎn)動180°，對雞蛋進行圖像采集。

2 圖像處理

2.1 雞蛋在透射情況下采集的圖像

2.1.1 圖像灰度化、均衡化

圖像灰度化處理如圖1 所示。在黑暗環(huán)境下，通過光源透射得到的原圖如圖1（a）所示。圖像識別污染物，最關(guān)鍵的因素是不同顏色的梯度，需要將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，灰度化后的圖像，計算機進行處理的計算量會減少，因而提高了圖像處理速度。圖1（b）所示為對雞蛋進行灰度處理圖，為確定污染物與蛋殼之間的合適閾值，需要圖像更清晰。圖1（c）所示為將灰度圖進行直方圖顯示，這樣可以將各個不同的灰度值及出現(xiàn)的概率更直觀地展現(xiàn)出來。由圖中的灰度直方圖可以看出黑色出現(xiàn)的概率集中，但是其余的灰度值不明顯。

圖1 圖像灰度化處理

圖像均值化處理如圖2 所示?？梢钥闯?，均衡化后的圖像灰度值不同分布區(qū)域的區(qū)分度明顯，提高了對比度，使不同級別的灰度區(qū)分更清晰，對于之后的圖像二值化，更容易突出目標(biāo)區(qū)域，使計算面積更加準(zhǔn)確。

圖2 圖像均值化處理

2.1.2 圖像二值化

將256 個亮度等級的灰度圖像通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。圖像的二值化使圖像變得簡單，而且使待處理的數(shù)據(jù)量減小，能凸顯出感興趣目標(biāo)的輪廓[6]。圖像二值化處理如圖3 所示。圖3（a）所示為二值化圖像。如果直接對灰度圖進行二值化，會產(chǎn)生多余的黑色連通域，所以在本實驗，先采用了迭代法去尋找圖像的最合適閾值，因為均衡化后的圖片目標(biāo)區(qū)域更加明顯，所以對均衡化后的圖像進行迭代法二值化處理，得到如圖4所示的均衡化后二值圖。迭代法的主要思想是圖像分割后的兩部分A 和B 的均值和基本保持穩(wěn)定，隨著迭代的進行，取[mean（A）+mean（B）]/2 最終的收斂值作為分割閾值，經(jīng)過多次實驗去改變收斂的閾值參數(shù)，最終得到合適的二值化閾值。圖3（b）所示為經(jīng)過迭代法找到最合適的閾值二值化圖。通過實驗對比，發(fā)現(xiàn)合適閾值的二值化圖像比之前二值化的圖像效果更加明顯，更真實地體現(xiàn)雞蛋表面污染物的多少。

圖3 圖像二值化處理

圖4 均衡化后的二值圖

圖5 填充污染物后的圖像

均衡化后的二值圖如圖4 所示。由圖可以看出，對于一些小的細節(jié)部分，均衡化處理后得到的二值化圖像更較為準(zhǔn)確一些，因此采用圖4均衡化后的二值圖進行污染物面積計算。

2.1.3 計算污染物面積

經(jīng)過上面的預(yù)處理后，蛋殼圖像只含有黑、白兩種，即對應(yīng)的值只有0、1，因為圖片的背景顏色是黑色，和污染顏色相同，所以接著對目標(biāo)區(qū)域進行白色填充，填充后如圖5所示，填充后可以計算蛋殼面積。首先計算二值化圖像中的白色面積，然后填充后計算蛋殼的面積，蛋殼的面積減去圖像二值化的白色干凈部分面積，得出污染物的面積。具體計算過程如圖6所示。由于雞蛋的另一面無污染物，經(jīng)過計算，可得到均衡化后雞蛋污染物的面積比例為14.15%。

圖6 計算污染物面積框圖

2.2 雞蛋在直射情況下

保持相機拍攝雞蛋的高度以及雞蛋的擺放位置不變，將本來透射的雞蛋光源改為在上方照射雞蛋，即為直射情況下采集雞蛋圖像，接著用電腦對采集的圖像進行分析。圖像分析過程方法與雞蛋透射方法一致。直射情況下的雞蛋圖如圖7所示。

圖7 直射情況下的雞蛋圖

2.3 雞蛋在自然光情況下

保持相機拍攝雞蛋的高度以及雞蛋的擺放位置不變，將雞蛋放置在自然光下，可采集的雞蛋圖像如圖8所示。計算自然光下的雞蛋污染物面積方法同上，可得到污染物的面積比為11.6%。

圖8 自然光情況下的雞蛋圖

3 結(jié)束語

雞蛋在透射（均衡化后）、直射、自然光下得到的表面污染物面積的所占比例依次為14.15%、9.2%、11.6%。采集雞蛋在透射情況下的圖像時，雞蛋表面的污染物基本都能很好地呈現(xiàn)出來，而直射的效果不太好，是因為有光源直射時，雞蛋表面會產(chǎn)生亮的光源，即雞蛋外表面反射了一部分光[7-8]，這樣對后續(xù)的灰度化處理以及二值化處理都有影響，最終計算污染物面積會產(chǎn)生較大的誤差。自然光計算的雞蛋表面污染物的面積介于其余兩者之間，沒有直射光源大的影響，但整體亮度的提高會影響后續(xù)的二值化處理。對比雞蛋處于3種不同情況下所得到的雞蛋表面污染物面積的比例，透射得出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文的研究為實現(xiàn)雞蛋表面污染物等級的自動化區(qū)分采用測試條件奠定了基礎(chǔ)。