專利名稱：一種基于機(jī)器視覺的紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水果分級(jí)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于機(jī)器視覺的紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)裝置。具體地說，本實(shí)用新型是利用機(jī)器視覺技術(shù)采集紅提葡萄的圖像，通過一系列的圖像處理，根據(jù)紅提葡萄單顆粒的大小與整串顏色進(jìn)行分級(jí)；為紅提葡萄的分級(jí)、進(jìn)入市場(chǎng)提供ー種快速有效的手段。
技術(shù)背景長(zhǎng)期以來，紅提葡萄的分類是依靠人的肉眼判斷，主觀性較強(qiáng)，分類工作枯燥而繁瑣；并且由于分類標(biāo)準(zhǔn)來自人的主觀判斷，不同的人的分辨標(biāo)準(zhǔn)更是千差萬別，因此分類誤
差較大。機(jī)器視覺方面的研究已有很多，尤其在農(nóng)產(chǎn)品無損檢測(cè)和分類方面更是廣泛，然而國內(nèi)外這ー類的研究大多都以桔子、蘋果、番茄等形狀規(guī)則的單果目標(biāo)為對(duì)象進(jìn)行研究。而對(duì)于紅提葡萄，由于其形狀不規(guī)則，圖像分割和處理難度很大，國內(nèi)外對(duì)這ー類的研究都很少，即使有也主要是對(duì)整串的大小或者形態(tài)進(jìn)行研究，而針對(duì)單粒葡萄的大小鑒別則很少見。利用機(jī)器視覺來判斷物體的大小已經(jīng)屢見不鮮。安愛琴、余澤通等通過對(duì)蘋果圖像處理，測(cè)量蘋果的直徑，從而依據(jù)大小對(duì)蘋果進(jìn)行分類(安愛琴、余澤通、王宏強(qiáng)，2008)。熊利榮、任奕林等對(duì)單粒花生的像素?cái)?shù)進(jìn)行提取和計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單?；ㄉ笮〉姆诸?熊利榮、任奕林、肖任勤，2007)。祝連海、劉木華利用最小矩形法和形心邊緣距離法實(shí)現(xiàn)了對(duì)臍橙大小的快速在線檢測(cè)分類(祝連海、劉木華，2008)。諸如此類，目前絕大多數(shù)的利用機(jī)器視覺進(jìn)行大小鑒別都是針對(duì)單個(gè)整體，而對(duì)于紅提葡萄這樣的成串物體中的單個(gè)個(gè)體的大小鑒別很少有人涉及。目前利用機(jī)器視覺對(duì)紅提葡萄的研究大多取整串為研究對(duì)象，研究方向主要集中在目標(biāo)識(shí)別和病蟲害防治。例如，田銳、郭艷玲從葡萄的顔色特征著手，實(shí)現(xiàn)了在自然場(chǎng)景下對(duì)葡萄的識(shí)別，對(duì)開發(fā)采摘機(jī)器人有一定的借鑒意義(田銳、郭艷玲，2008)。而現(xiàn)有的利用機(jī)器視覺對(duì)葡萄進(jìn)行分級(jí)的研究中，也是針對(duì)整串的形態(tài)來進(jìn)行。例如，陳英、廖濤等人使用投影面積法和果軸方向投影曲線計(jì)算葡萄整串的大小和形狀參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄的品質(zhì)分級(jí)，對(duì)顏色分級(jí)的準(zhǔn)確率高達(dá)90%，對(duì)大小形狀的分級(jí)準(zhǔn)確率則達(dá)到了 88. 3% (陳英、廖濤、林初靠等，2010)。經(jīng)檢索，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)技術(shù)及分選設(shè)備應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于機(jī)器視覺的紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)裝置。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型利用機(jī)器視覺，使用特定的算法，對(duì)紅提葡萄的圖像進(jìn)行分割計(jì)算，對(duì)單粒葡萄的大小進(jìn)行鑒別，從而實(shí)現(xiàn)葡萄大小分類標(biāo)準(zhǔn)的客觀化，分類過程的自動(dòng)化，分類工作的高效化。采用機(jī)器視覺進(jìn)行紅提葡萄的大小分類，能夠把工人從繁瑣枯燥的葡萄分類工作中解放出來，提高工作效率和準(zhǔn)確性，有著重要意義。本實(shí)用新型主要針對(duì)紅提葡萄大小進(jìn)行鑒別，與其他現(xiàn)有的研究不同的是，本實(shí)用新型依據(jù)整串葡萄中單粒的大小進(jìn)行分類，而非整串的大小。在本實(shí)用新型中，主要完成以下幾項(xiàng)工作I、采集成串紅提葡萄的圖像，主要包括試驗(yàn)用紅提葡萄的選擇，試驗(yàn)器材的準(zhǔn)備，拍攝照片等。2、尋找合適算法，進(jìn)行圖像處理，提取特征參數(shù)；這是最為關(guān)鍵的地方，分為兩個(gè)主要的步驟，第一是圖像預(yù)處理，采用合適的算法實(shí)現(xiàn)葡萄與背景的分割；第二是特征參數(shù)的提取與計(jì)算，本實(shí)用新型利用分割后的邊界，提取邊界數(shù)組，進(jìn)而計(jì)算邊界上每一點(diǎn)的曲率角，根據(jù)曲率角的平均值來判別葡萄的大小。 3、建立不同大小等級(jí)的紅提自動(dòng)識(shí)別模型，并加以檢驗(yàn)。本實(shí)用新型的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何進(jìn)行圖像預(yù)處理以及提取哪ー種特征參數(shù)作為分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，而這二者息息相關(guān)。最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是通過機(jī)器視覺圖像技術(shù)能夠提取出合理的參數(shù)，建立紅提的大小分級(jí)模型，實(shí)現(xiàn)無損快速檢測(cè)紅提葡萄的大小。具體地說，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一、基于機(jī)器視覺的紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)裝置(簡(jiǎn)稱裝置)如圖1，本裝置由燈箱、密閉箱、環(huán)形日光燈、エ業(yè)相機(jī)和平板電腦組成；密閉箱和燈箱上下連接成ー個(gè)整體，在兩箱之間的隔板上設(shè)置有ー個(gè)圓孔；在兩箱的側(cè)壁上設(shè)置有平板電腦；在燈箱的上部中間內(nèi)置有環(huán)形日光燈，在密閉箱的下部中間內(nèi)置有エ業(yè)相機(jī)，エ業(yè)相機(jī)的攝像頭正對(duì)圓孔；エ業(yè)相機(jī)通過數(shù)據(jù)線和平板電腦相連；紅提葡萄置于燈箱中。ニ、基于機(jī)器視覺的紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)方法(簡(jiǎn)稱方法)本方法包括下列步驟①對(duì)待測(cè)的紅提葡萄進(jìn)行編號(hào)；②依次把紅提葡萄放入密閉箱中采集圖像每拍攝ー張，保存和重命名，用特定的命名序列對(duì)采集的圖像加以分類；圖像采集過程中，盡量保持背景的干凈和整潔，避免給后期的圖像與處理帶來麻煩。毎次拍攝2 4張，拍完一次后，將其翻轉(zhuǎn)，改變擺放的角度，重復(fù)拍攝，從而實(shí)現(xiàn)從一串紅提匍萄盡可能多的提取彳目息；③采集圖像完成后，記錄好圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理A、對(duì)圖像增強(qiáng)通過對(duì)圖像灰度等級(jí)的變換以達(dá)到強(qiáng)調(diào)被關(guān)注的特征，抑制不受關(guān)注的特征，使圖像質(zhì)量得到改善，信息量得到豐富；B、對(duì)圖像分割[0034]通過檢測(cè)目標(biāo)物的輪廓，將目標(biāo)物與背景分割開來；C、提取圖像的特征參數(shù)邊界曲線彎曲程度能間接反映出單粒葡萄的大小，邊界曲線彎曲程度最直觀的衡量辦法是使用曲率或者曲率角；利用計(jì)算機(jī)軟件搜索紅提輪廓，并以單個(gè)顆粒的結(jié)點(diǎn)將單個(gè)顆粒分割開來，計(jì)算平均曲率角和平均弧長(zhǎng)線；D、代入模型表達(dá)式，判斷葡萄大?。蝗鐖D2，在(紅提葡萄)弧線上選取三個(gè)點(diǎn)ΡρΡ、Ρ2，其中P1到P與P到P2的距離是相等，則P點(diǎn)的曲率角定義為向量P P1與向量P2P的夾角。
卜一 I所述模型表達(dá)式為Θ = arccos
a · O
VJ本實(shí)用新型的工作原理是將紅提葡萄00從燈箱10的側(cè)門11置于燈箱10中，開亮環(huán)形日光燈30，為紅提葡萄00提供光源，調(diào)節(jié)エ業(yè)相機(jī)40的攝像頭41通過圓孔K對(duì)準(zhǔn)紅提葡萄00，采集紅提葡萄00的圖像；平板電腦50內(nèi)置有圖像采集卡和圖像處理軟件，判斷成串紅提葡萄00的單粒大小，從而把各種級(jí)別的紅提葡萄00檢測(cè)出來。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果I、采用機(jī)器視覺技木，能夠完成自動(dòng)分級(jí)；2、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，分級(jí)準(zhǔn)確；3、利用計(jì)算機(jī)處理圖像，效率高；4、能實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)分級(jí)；5、用機(jī)器代替人眼，能夠適應(yīng)現(xiàn)代化自動(dòng)檢測(cè)行業(yè)，具有良好的應(yīng)用推廣前景。
圖I是本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中00-紅提葡萄，10-燈箱， 11-燈箱側(cè)門；20-密閉箱，12-密閉箱頂門；30-環(huán)形日光燈；40-エ業(yè)相機(jī)，41-攝像頭；50—平板電腦。圖2是紅提葡萄的模型說明圖；圖3是圖像處理軟件的工作流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明一、裝置I、總體如圖1，本裝置由燈箱10、密閉箱20、環(huán)形日光燈30、エ業(yè)相機(jī)40和平板電腦50組成；密閉箱20和燈箱10上下連接成ー個(gè)整體，在兩箱之間的隔板上設(shè)置有一個(gè)圓孔(約40mm) K ;在兩箱的側(cè)壁上設(shè)置有平板電腦50 ；在燈箱10的上部中間內(nèi)置有環(huán)形日光燈30，在密閉箱20的下部中間內(nèi)置有エ業(yè)相機(jī)40，エ業(yè)相機(jī)40的攝像頭41正對(duì)圓孔K ;エ業(yè)相機(jī)40通過數(shù)據(jù)線和平板電腦50相連；紅提葡萄00置于燈箱10中。2、功能塊I)環(huán)形日光燈30環(huán)形日光燈30是ー種通用外購件。如選用Philips TLSC型環(huán)形日光燈；其功能是為紅提葡萄00提供光源。2 )エ業(yè)相機(jī)40エ業(yè)相機(jī)40是ー種通用外購件。如選用UI-2210RE-C-HGエ業(yè)相機(jī)；其功能是采集紅提葡萄的圖像數(shù)據(jù)。3)平板電腦50平板電腦50是ー種通用外購件。選用D525, cpu 主頻 IGHz,內(nèi)存 1G, Lan/com/12_28v Adaptor。平板電腦50中內(nèi)置有圖像采集卡和圖像處理軟件。所述的圖像處理軟件的工作流程是①讀取圖像I ;②求補(bǔ)，提取RGB分量，灰度圖運(yùn)算，直方圖均衡化處理，檢測(cè)邊緣，閉運(yùn)算2 ；③檢測(cè)區(qū)域面積是否大于50003，是則進(jìn)入步驟④，否則繼續(xù)步驟③；④只保留大于5000的區(qū)域，膨脹運(yùn)算，重寫讀取RGB分量，自適應(yīng)調(diào)整，檢測(cè)邊緣，閉運(yùn)算，填充空洞4;⑤檢測(cè)區(qū)域面積是否大于20005，是則進(jìn)入步驟⑥，否則繼續(xù)步驟⑤；⑥只保留大于2000的區(qū)域，閉運(yùn)算，填充空洞，去除毛刺，提取邊界信息6 ；⑦分為兩類計(jì)算計(jì)算曲率角A ;計(jì)算突變點(diǎn)B ；計(jì)算曲率角A①檢測(cè)所求曲率角是否為無窮大Al，是則重復(fù)步驟①Al，否則進(jìn)入步驟②A2 ；②存儲(chǔ)該點(diǎn)曲曲率角A2 ;③檢測(cè)是否結(jié)束A3，是則進(jìn)入步驟④A4，否則轉(zhuǎn)跳到步驟①Al ；④求平均，輸出結(jié)果A4;⑤建立并檢驗(yàn)分類模型C ；計(jì)算突變點(diǎn)B①檢測(cè)相鄰三點(diǎn)所成角是否大于閾值BI，是則重復(fù)步驟①BI，否則進(jìn)入步驟②B2 ；②存儲(chǔ)該點(diǎn)存儲(chǔ)該點(diǎn)突變點(diǎn)B2 ；③檢測(cè)是否結(jié)束B3，是則進(jìn)入步驟④B4，否則轉(zhuǎn)跳到步驟①BI ；④提取邊界總長(zhǎng)度，計(jì)算平均弧線長(zhǎng)B4 ；[0095]⑤建立并檢驗(yàn)分類模型C。3、檢測(cè)結(jié)果本實(shí)施例的試驗(yàn)樣品購自于華農(nóng)超市，將紅提葡萄按顏色分為兩類紅色的、紫紅 色；按大小分為三類特大、偏大、偏小。顏色判斷準(zhǔn)確率為96%，大小判斷正確率為85%。
權(quán)利要求1.一種基于機(jī)器視覺的紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)裝置，其特征在于 由燈箱(10)、密閉箱(20)、環(huán)形日光燈(30)、エ業(yè)相機(jī)(40)和平板電腦(50)組成；密閉箱(20)和燈箱(10)上下連接成ー個(gè)整體，在兩箱之間的隔板上設(shè)置有一個(gè)圓孔(K);在兩箱的側(cè)壁上設(shè)置有平板電腦(50)； 在燈箱(10)的上部中間內(nèi)置有環(huán)形日光燈(30)，在密閉箱(20)的下部中間內(nèi)置有エ業(yè)相機(jī)(40)，エ業(yè)相機(jī)(40)的攝像頭(41)正對(duì)圓孔(K)； エ業(yè)相機(jī)(40)通過數(shù)據(jù)線和平板電腦(50)相連； 紅提葡萄(00)置于燈箱(10)中。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于機(jī)器視覺的紅提葡萄自動(dòng)分級(jí)裝置，涉及水果分級(jí)技術(shù)領(lǐng)域。本裝置的結(jié)構(gòu)是密閉箱和燈箱上下連接成一個(gè)整體，在兩箱之間的隔板上設(shè)置有一個(gè)圓孔；在兩箱的側(cè)壁上設(shè)置有平板電腦；在燈箱的上部中間內(nèi)置有環(huán)形日光燈，在密閉箱的下部中間內(nèi)置有工業(yè)相機(jī)，工業(yè)相機(jī)的攝像頭正對(duì)圓孔；工業(yè)相機(jī)通過數(shù)據(jù)線和平板電腦相連；紅提葡萄置于燈箱中。本實(shí)用新型采用機(jī)器視覺技術(shù)，能夠完成自動(dòng)分級(jí)；標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，分級(jí)準(zhǔn)確；利用計(jì)算機(jī)處理圖像，效率高；能實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)分級(jí)；用機(jī)器代替人眼，能夠適應(yīng)現(xiàn)代化自動(dòng)檢測(cè)行業(yè)，具有良好的應(yīng)用推廣前景。
文檔編號(hào)G01N21/25GK202599818SQ20122024765
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者王巧華, 丁幼春, 羅俊, 許堃瑞, 李敏 申請(qǐng)人:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)