錢柏英，劉志剛

（1.江西工程學院，江西 新余 338000；2.新余市博物館傅抱石紀念館，江西 新余 338000）

雙孢蘑菇（Agaricus bisporus） 是世界性栽培和消費的食用菌[1]。最早栽培于法國，有悠久的栽培歷史，而且在世界各地分布十分廣泛，深受世界各族人民的喜愛，已經(jīng)成為了食用菌商品貿(mào)易的主力品種[2]。鮮品、罐裝和鹽漬等多種商品形式的雙孢蘑菇成為了人們餐桌上的美食[3]。雙孢蘑菇不僅含有多種氨基酸和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有多糖等活性物質(zhì)，在醫(yī)藥保健領域也有廣泛的應用[4]。雙孢蘑菇在我國福建、河南、山東等多地都有栽培，而且工廠化栽培日趨普及，一年四季均可以大批量規(guī)模化生產(chǎn)，一些大的雙孢蘑菇工廠日產(chǎn)量可達到百噸[5]。

工廠化生產(chǎn)要對商品雙孢蘑菇進行等級劃分，然后才能貯藏銷售，以便獲得更高的利潤[6]。但目前雙孢蘑菇的分組檢測多采用人工分揀，工人勞動強度大，長時間工作容易產(chǎn)生視覺疲勞，人工判斷也有一定的誤差，造成商品菇的規(guī)格不統(tǒng)一、存在等級差別，而且工作效率低下。近年來隨著計算機視覺和數(shù)字圖像技術的不斷發(fā)展，自動分揀系統(tǒng)在許多領域得以應用[7]。通過利用計算機視覺和圖像識別、測量技術對雙孢蘑菇的大小進行檢測，并對雙孢蘑菇的破損缺陷進行自動識別，從而實現(xiàn)雙孢蘑菇的在線自動等級劃分。

1 雙孢蘑菇在線自動分級系統(tǒng)的設計

1.1 雙孢蘑菇的等級劃分

雙孢蘑菇的等級根據(jù)加工方式的不同，分級標準也不相同。新鮮雙孢蘑菇根據(jù)NY/T 1790-2009雙孢菇等級規(guī)格標準執(zhí)行[8]，分為特級、一級和二級菇，主要從菇體顏色（主要指標是顏色、損傷和色斑）、菇體形狀（主要是外觀形狀、菇柄長度和開傘度）來區(qū)分。新鮮雙孢蘑菇的規(guī)格劃分主要根據(jù)菌蓋直徑分為大、中、小3種，分別要求直徑為“＞4.5 cm” “2.5 cm～4.5 cm”“＜2.5 cm”，其中大、中規(guī)格要求直徑差異要“≤0.8 cm”，小規(guī)格差異“≤0.7 cm”，同時也規(guī)定了各等級和規(guī)格的允許誤差范圍。

而加工成罐頭的雙孢菇按GB/T 14151-2006蘑菇罐頭標準執(zhí)行，并分為整菇、片菇和碎菇3類，主要依據(jù)指標是菌蓋直徑、形狀等，詳見表1。

表1 雙孢蘑菇罐頭分級標準Tab.1 Grading standards for canned Agaricus bisporus

由表1可以看出，雙孢蘑菇的等級劃分主要是針對“菌蓋”部分，因此，自動分組系統(tǒng)的設計也主要從菌蓋大小和損傷來進行等級劃分和設計。

1.2 雙孢蘑菇在線自動分級系統(tǒng)的設計

雙孢蘑菇自動分級系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 雙孢蘑菇自動分級系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of Agaricus bisporus automatic grading system

如圖1所示，雙孢蘑菇自動分級系統(tǒng)主要模塊包括以下幾個部分：

1）等待檢測的雙孢菇，需要進行分級檢測的商品菇。

2）雙孢菇上線輸送機構，用于將“等待檢測的雙孢菇”從分揀生產(chǎn)線上輸送到待檢區(qū)。

3） 電荷耦合元件CCD（charge-coupled device，CCD）拍照裝置，對通過檢測區(qū)的雙孢菇進行拍照，為保障圖像質(zhì)量，采用統(tǒng)一的“輔助光照”設備為攝像頭采光補光。

4） 數(shù)字圖像采集卡，獲取雙孢菇數(shù)字圖像信息，并存儲到相應的特征值數(shù)據(jù)庫中。

5） ARM控制器，也稱ARM處理器（advanced RISC machines，ARM），是一種帶有精簡指令集RISC （reduced instruction set computing，RISC） 的處理器架構，是自動分級系統(tǒng)的核心控制設備，采用嵌入式系統(tǒng)設計，可以控制數(shù)字圖像存儲器的輸入/輸出方式。在本系統(tǒng)中，可以從鍵盤輸入雙孢菇分級的標準數(shù)據(jù)（如菌蓋直徑、規(guī)格等），在顯示器等輸出設備上直觀顯示；并與雙孢菇特征值數(shù)據(jù)庫中采集到的雙孢菇圖像數(shù)據(jù)進行比較，從而對雙孢菇進行對比檢測。

6）上位機，用于發(fā)出分級操控命令，其控制信號來自ARM控制器發(fā)出的指令。

7）驅(qū)動模塊，通過驅(qū)動電路放大控制信號，從而驅(qū)動電機、繼電器或揚聲器等設備工作，利用生產(chǎn)線上的機械裝置對不同等級雙孢菇進行分離，從而完成雙孢菇的等級劃分。該系統(tǒng)利用ARM控制器進行控制，系統(tǒng)運行安全可靠，而且功耗低、精度高，可以單獨安裝在原有的雙孢菇生產(chǎn)線上，結構簡單，安裝、調(diào)試和維修都十分方便。

2 雙孢菇數(shù)字圖像處理

在雙孢菇分級系統(tǒng)中，對雙孢菇數(shù)字圖像的處理是關鍵。由于分級的主要依據(jù)是雙孢蘑菇的菌蓋直徑、顏色和損傷這3組數(shù)據(jù)。因此，圖像的處理是雙孢菇圖像區(qū)域的整體輪廓信息，以獲取雙孢菇圖像的邊界信息，提取出雙孢菇菌蓋輪廓進行測量以得到直徑數(shù)據(jù)，主要流程見圖2。

由圖2可知，雙孢菇圖像的采集系統(tǒng)由CCD攝像機和圖像采集卡來完成，并由采集卡讀取到計算機中保存?zhèn)溆茫瑘D像處理流程主要包括以下幾個方面。

圖2 雙孢菇數(shù)字圖像處理流程Fig.2 Digital image processing flow of Agaricus bisporus

2.1 圖像的灰度化處理

采集到的雙孢菇圖像是真彩色的高質(zhì)量圖像，但等級劃分只需要用到其大?。ňw直徑）的信息，無需顏色信息。彩色圖像處理費時費力，需要將其轉化為灰度圖像以便于劃分出雙孢菇的輪廓進行計算。主要采用RGB（red，green，blue） 分量等值化處理，每一個像素的顏色可以由RGB三原色來進行表示。例如紅色為RGB（255，0，0），黃色為RGB（255，255，0）。將這些彩色分量轉換為灰色的具體操作是將每一個像素的參數(shù)設置為相同數(shù)值，這時彩色圖像就能轉換為灰色圖像。由于雙孢菇的顏色相對比較單一，因此采用最大值法進行灰度處理，取RGB分量的最大值，按下列公式計算灰度圖像中每個像素的灰度值。

式中：R，G，B分別為紅、綠、藍三原色的分量。

可以設計如下程序完成灰度化處理。首先，定義RGB分量的3個浮點型常量進行權值的儲存；其次再依次對圖像中的每一個像素點進行循環(huán)歷遍，將圖像像素點的R，G，B三個顏色分量數(shù)值分別進行轉換，取其最大值進行計算，最終得到的灰度圖像含有（0～255）共256種顏色，將轉換后的像素點再輸出即可得到灰度圖像，示例見圖3、圖4。

圖3 RGB彩色圖像Fig.3 The RGB image

圖4 灰度圖像Fig.4 The grey image

如圖3、圖4所示，彩色圖像經(jīng)灰度化處理后轉換成灰度圖像。

2.2 圖像二值化處理

得到雙孢菇的灰度圖像后，為了更容易識別雙孢菇圖像的邊緣輪廓，讓邊緣更加清楚，需要將灰度圖像進一步轉化為二值化圖像，降低成黑白（0，1） 2種顏色的圖像，見圖5。

圖5 灰度圖像轉換為二值化圖像Fig.5 Conversion of gray image to binary image

如圖5所示為如將圖4中的灰度圖像二值化后可以得到的二值化圖像。這時，原來的彩色雙孢菇圖像就從三通道RGB（t，t，t）變?yōu)榱藛瓮ǖ赖腃（0） 或C（255） 圖像。

2.3 圖像預處理

因為光照等環(huán)境的影響，數(shù)字圖像上存在有一些噪聲，如紅眼、反光、粉塵斑點等。需要對這些噪聲進行處理，以提高圖像質(zhì)量。圖像去噪算法有小波變換，傅里葉變換等頻率域濾波；也有均值、中值、最大值和最小值濾波等空間域濾波算法。高斯低通濾波是一種空間域濾波算法，用正態(tài)分布的高斯函數(shù)作為傳遞函數(shù)進行線性平滑濾波，從而去除服從正態(tài)分布的噪聲。由于雙孢菇的數(shù)字圖像是二維信號，因此圖像去噪使用二維高斯函數(shù)作為傳遞函數(shù)，通過高斯濾波將二維高斯函數(shù)降為一維高斯濾波，從而去除噪聲。

2.4 圖像分割

圖像分割的方法主要有邊緣檢測法、閾值、區(qū)域分割法等，由于分級系統(tǒng)采用了輔助照明的方式拍攝，因此得到的雙孢菇圖像各部分特征比較明顯，這就使得雙孢菇圖像的紋理比較清楚。而且在計算菌蓋直徑時只需要關注雙孢菇圖像的邊界而不是圖像紋理，因此選擇閾值分割法對雙孢菇圖像像素灰度進行分割，由于雙孢菇圖像內(nèi)部具有相近的灰度級，而與背景圖像的灰度級差較大，可以很快進行分割，變相地達到去除雙孢菇圖像紋理的目的，而且圖像分割的實時性較好，可以快速檢測完成雙孢菇圖像的分割。

2.5 雙孢菇菌蓋直徑和破損計算

雙孢菇菌蓋直徑和破損情況采用像素法進行計算。對于無破損的雙孢菇圖像來說，統(tǒng)計雙孢菇圖像邊界像素點之間的距離，取其中兩兩像間最大的距離做為菌蓋直徑；而對于菇體有損傷的也可以采用該方法先進行計算，再對比最大距離和最小距離的差值，如果差值超過設定的閥值則認為菇體有破損。由于雙孢菇圖像的邊緣點存在噪聲，圖像二值化處理后獲得的邊緣點有可能是不連續(xù)的，因此需要根據(jù)邊緣點順序來得到雙孢菇圖像的連續(xù)邊緣。

3 雙孢蘑菇圖像的比對匹配

系統(tǒng)中已經(jīng)錄入了雙孢菇分級的標準模版圖像（即菌蓋直徑、規(guī)格的標準圖像），下面需要對分級標準圖像與CCD采集并進行過處理的雙孢菇圖像進行歸一化，記錄標準圖像和待檢測雙孢菇圖像的特征信息，通過特征信息的對比和匹配來確定待檢測的雙孢菇圖像屬于那個等級。

3.1 標準圖像與待檢測圖像的歸一化

歸一化處理是為了將這兩類大小不一致的圖像使用統(tǒng)一的標準進行比對，將這兩類圖像統(tǒng)一設置為大小50×50像素的圖像，以方便快速比對確定等檢測雙孢菇的等級，核心代碼如下。

3.2 特征信息的匹配

歸一化后分別將標準圖像和待檢測圖像的特征信息提取并儲存，然后對兩類圖像的提取后的特征信息進行比對和匹配。具體比對的采用逐行特征值匹配算法，每行特征值相減，相差數(shù)值的絕對值越大表明匹配度越低，反之則越高。設定一個閥值后，就可以自動區(qū)劃分出待檢測的雙孢菇圖像在標準圖像數(shù)據(jù)庫中的范圍，從而確定該雙孢菇的等級。

4 結論

國家對商品雙孢蘑菇的標準和等級劃分有著十分嚴格的規(guī)定，主要強調(diào)了菇體要色澤潔白、氣味正常、無破損等，等級的劃分主要依據(jù)是菌蓋直徑大小和損傷缺陷。采用先進的圖像識別技術設計的雙孢蘑菇自動分級檢測系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ葒业燃墑澐謽藴剩瑢﹄p孢菇的菌蓋直徑和破損情況進行檢測，確定雙孢菇等級。該自動分級系統(tǒng)對雙孢蘑菇的識別準確率高、識別速度快，大大提高了分揀系統(tǒng)的工作效率。后期還需要在雙孢菇的褐變程度、菌柄長短和開傘程度等自動化檢測方面進行研究，進一步提高雙孢菇造化分級系統(tǒng)的適應性。