王一丁，李霽陽

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

谷物外觀品質(zhì)檢測(cè)方法的研究

王一丁，李霽陽

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有許多傳統(tǒng)的人力檢測(cè)方法可以被機(jī)器視覺和圖像處理代替;而且隨著計(jì)算機(jī)的性價(jià)比越來越高，讓機(jī)器視覺融入我們的生活也變?yōu)榭赡?；因此，通過處理谷物外觀圖像來對(duì)一批谷物的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，具有較高的理論價(jià)值和實(shí)際意義;利用了谷物長寬比的特點(diǎn)，可以有效的判斷谷物的粒型和完整性，這種方法不僅適用于大米，對(duì)紅豆、黑米、綠豆、燕麥、高粱米、紅米等谷物也有著良好的識(shí)別效果;并且文章對(duì)流域算法進(jìn)行了一定的改進(jìn)，使流域分割算法可以應(yīng)用在谷物外觀品質(zhì)檢測(cè)中；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法及程序上的設(shè)計(jì)是可靠的、高效率的，可以利用機(jī)器視覺代替人眼檢測(cè)。

數(shù)字圖像處理；機(jī)器視覺；谷物外觀；流域分割；

0 引言

我國是一個(gè)人口大國，對(duì)于糧食的產(chǎn)量和進(jìn)口自然也是重中之重，各種谷物品質(zhì)的好壞直接影響到民眾的生活，我國對(duì)農(nóng)產(chǎn)品和食品工業(yè)極為重視。但是，有些谷物外觀品質(zhì)比如谷物的殘缺程度、大米的堊白粒率等還停留在利用肉眼觀測(cè)的階段，這種方法不僅效率低，而且是一種浪費(fèi)人力資源的行為。對(duì)于谷物外觀品質(zhì)的檢測(cè)缺乏客觀性和科學(xué)性，而且無法滿足快速檢測(cè)的要求。和人工的肉眼檢測(cè)相比，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)具有速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在谷物品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。利用機(jī)器視覺分級(jí)代替人工檢測(cè)，是自動(dòng)化分級(jí)發(fā)展的必然趨勢(shì)。而且隨著計(jì)算機(jī)的性價(jià)比越來越高，讓機(jī)器視覺融入我們的生活也變?yōu)榭赡堋Ｒ虼?，?duì)圖像中谷物的外觀進(jìn)行研究，具有較高的理論價(jià)值和實(shí)際意義，如在廠家入庫時(shí)，可以用此方法對(duì)谷物進(jìn)行分級(jí)檢測(cè)，決定其如何貯存和分類，能夠極大地提高工作效率。

對(duì)于谷物外觀品質(zhì)的檢測(cè)系統(tǒng)，首先要確保谷物圖像的采集質(zhì)量，要保證在同一光源，同一環(huán)境下采集，這樣才可以使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的精確性。本文對(duì)谷物品質(zhì)檢測(cè)中常用的圖像預(yù)處理算法進(jìn)行了研究比較，確定了適合針對(duì)谷物外觀圖像的預(yù)處理算法。并且對(duì)于一系列谷物的處理都具有通用性，設(shè)定合適參數(shù)，使算法可以檢測(cè)大米、紅豆、綠豆、燕麥、高粱米等多種谷物。本文的創(chuàng)新之處在于檢測(cè)谷物時(shí)可以不受谷物粘連和擺放的制約，當(dāng)谷物擺放的角度不同或者幾粒谷物粘連在一起時(shí)，檢測(cè)出的結(jié)果也可以保證其精確性。

1 谷物檢測(cè)系統(tǒng)框架

其中CCD攝像機(jī)和圖像采集卡組成采集模塊，計(jì)算機(jī)為圖像處理模塊，光源和密封箱組成光源控制模塊。相機(jī)采用的是WATEC-902B工業(yè)相機(jī)，分辨率為640*480，此相機(jī)可以關(guān)閉自適應(yīng)功能，使采集到的谷物圖像具有穩(wěn)定性。采集卡為MINE-Vcap2860，作用主要是完成圖像的數(shù)字化，并且可以把圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。計(jì)算機(jī)采用聯(lián)想的揚(yáng)天14900-v00,其中CPU為Inter core i3-4130，內(nèi)存為4.00 GB。光源為普通白熾燈，由于在密封箱里考慮到會(huì)有重影的情況，所以把谷物托盤換成玻璃的，從下往上打光，避免光源影響到谷物檢測(cè)的質(zhì)量。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 圖像預(yù)處理

2.1 灰度化

CCD相機(jī)采集到的圖像為RGB顏色模型，經(jīng)過圖像采集卡的采樣和量化得到的24位真彩圖像。然后對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，灰度公式如下：

Gary=2.99*R+0.587*G+0.114*B

(1)

式(1)中，Gray代表灰度，R為紅色通道，G為綠色通道，B為藍(lán)色通道。圖片的灰度級(jí)為[0,255]。

2.2 中值濾波

中值濾波是一種經(jīng)典的平滑噪聲方法。首先取一個(gè)3*3或5*5的二維模板，記為W。用W遍歷圖像中每個(gè)像素點(diǎn)，將每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)的中值。

(2)

圖2(a)原圖 圖2(b)濾波處理后

中值濾波采用W為5*5的模板，模板不宜太大，否則會(huì)影響谷物邊緣的處理結(jié)果。如圖2所示，該方法可以有效的平滑圖像，并且可以保留谷物邊緣的特征。

2.3 OSTU算法

OSTU算法是我們平時(shí)常用的閾值處理算法，它不受亮度和對(duì)比度的影響，主要思想是取某個(gè)閾值，使得前景和背景兩類的類間方差最大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較，OSTU算法對(duì)谷物外觀的圖像有著良好的處理結(jié)果，可以用其對(duì)谷物外觀圖像進(jìn)行二值分割。

(3)

公式(3)中，當(dāng)分割的閾值為t時(shí)，ω0為背景比例，u0為背景均值，ω1為前景比例，u1為前景均值，u是整幅圖像的均值。經(jīng)過公式計(jì)算后，選取最大的t，即為圖像分割的最佳均值。

3 谷物圖像檢測(cè)算法

谷物外觀圖像經(jīng)過預(yù)處理后，可以對(duì)圖像進(jìn)行下一步操作。圖3為谷物算法的基本流程圖，介紹了軟件每步的基本流程。

圖3 谷物算法流程圖

3.1 連通區(qū)域標(biāo)記算法

連通區(qū)域標(biāo)記算法是數(shù)字圖像處理中一個(gè)常用的技術(shù)，它可以用來檢測(cè)二值圖像中連通的區(qū)域，并且在許多跟蹤檢測(cè)算法中充當(dāng)目標(biāo)區(qū)域檢測(cè)的作用。在谷物的外觀品質(zhì)檢測(cè)中，可以把每粒谷物當(dāng)成是一個(gè)連通域標(biāo)記出來，分別對(duì)每個(gè)連通域在進(jìn)行后一步的處理，得到想要的參數(shù)。

圖4 八鄰域圖

在圖像中，最小的單位是像素，每個(gè)像素周圍有8個(gè)鄰接像素，如圖4所示，P1-P8這9個(gè)連通的點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)區(qū)域的集合，我們稱之為一個(gè)連通區(qū)域。連通區(qū)域標(biāo)記方法要對(duì)二值圖像掃描兩次，第一次掃描首先遍歷圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)，判斷像素點(diǎn)之間相鄰的關(guān)系，看其相鄰像素的像素值為1還是0。對(duì)像素為1的點(diǎn)賦予相同的連通標(biāo)號(hào)，實(shí)現(xiàn)連通區(qū)域標(biāo)識(shí)，這就是圖像中的一個(gè)連通域。但是這種遍歷每個(gè)像素點(diǎn)的掃描方式，通常會(huì)產(chǎn)生像素點(diǎn)被重復(fù)標(biāo)記的現(xiàn)象，比如一幅圖像中同一個(gè)連通區(qū)域可能會(huì)有兩個(gè)標(biāo)記號(hào)。所以需要進(jìn)行第二次掃描來消除重復(fù)的標(biāo)記，把同一連通域中有不同標(biāo)記號(hào)的點(diǎn)找出來，然后把它們合并為一個(gè)連通域。

首先用8鄰域模板遍歷圖像中每個(gè)像素點(diǎn)，當(dāng)該像素的左鄰像素(P8)和上鄰像素(P2)為無效值時(shí)，給該像素置一個(gè)新的標(biāo)記號(hào)，標(biāo)記號(hào)自增1；當(dāng)該像素左鄰像素或者上鄰像素為一個(gè)有效值時(shí)，將有效值像素的標(biāo)記號(hào)賦給該像素的標(biāo)記號(hào)；當(dāng)該像素的左鄰像素和上鄰像素都為有效值時(shí)，選取其中較小的標(biāo)記號(hào)作為該像素的標(biāo)記號(hào)值，統(tǒng)計(jì)出圖像里的所有連通域，等待后續(xù)處理。

3.2 粒型檢測(cè)算法

粒型檢測(cè)就是對(duì)谷物籽粒的完成程度的檢測(cè)，即谷物的長寬比。每種谷物的標(biāo)準(zhǔn)長寬比不同，比如優(yōu)質(zhì)大米的長寬比必須大于等于2.8，優(yōu)質(zhì)的紅豆的長寬比大約在1.2左右。如果在直角坐標(biāo)系下進(jìn)行粒型檢測(cè)，會(huì)有一種情況，把谷物灑在檢測(cè)平臺(tái)上，不能保證每一粒谷物都是橫平豎直并且沒有任何角度的，如果在直角坐標(biāo)系下檢測(cè)谷物長寬比，不同角度可能導(dǎo)致同一粒谷物的長寬比相去甚遠(yuǎn)，若想在直角坐標(biāo)下快速的實(shí)現(xiàn)，并不是很容易。所以我們可以采用極坐標(biāo)下的長短軸檢測(cè)算法來檢測(cè)谷物的長寬比。

圖5

如圖5所示，原點(diǎn)O為谷物籽粒的形心，坐標(biāo)為(Cx,Cy)，直角坐標(biāo)系下P點(diǎn)(a,b)到極坐標(biāo)下P點(diǎn)(ρ,θ)的轉(zhuǎn)換公式如下：

(4)

如圖6所示，當(dāng)往谷物托盤中擺放谷物時(shí)，不可能全是像圖6(a)中所示，沒有任何角度的谷物籽粒。如果使用直角坐標(biāo)系檢測(cè)長短軸時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。然而使用極坐標(biāo)時(shí)，是以谷物的形心為中心點(diǎn)，檢測(cè)形心到邊緣的距離。圖6(b)中的谷物籽粒無論旋轉(zhuǎn)任何角度，其長寬比均是1.47。

圖6(a)谷物長短軸 圖6(b)旋轉(zhuǎn)45度后

3.3 堊白度檢測(cè)算法

堊白度檢測(cè)算法是一種針對(duì)大米質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的檢測(cè)算法。當(dāng)大米出現(xiàn)堊白說明大米的胚芽發(fā)育不良，這個(gè)指標(biāo)也是衡量大米質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。判斷大米堊白程度通常由兩個(gè)重要參數(shù)決定:堊白度和堊白粒率。按照國家發(fā)布的GB 1354-2009大米評(píng)價(jià)指標(biāo)給大米分級(jí)。兩種參數(shù)的定義如下：

堊白度：堊白是指稻米胚乳中白色不透明的部分，為胚乳淀粉粒之間存在空隙引起透光性改變所致。堊白度是稻米中堊白部位的面積占米粒投影面積的百分比，見式(5)：

(5)

堊白粒率：堊白粒率是指一批米粒中有堊白米的比率，這個(gè)參數(shù)指標(biāo)直接影響到大米蒸煮后的口感。見式(6)：

(6)

國家制定標(biāo)準(zhǔn)為：一級(jí)優(yōu)質(zhì)大米的堊白粒率必須在10%以下，而堊白粒率在30%以上的為劣質(zhì)大米。

3.4 改進(jìn)后的流域分割算法

針對(duì)谷物粘連在一起的情況，我們要對(duì)谷物圖像進(jìn)行分割。流域分割算法也叫做分水嶺(Watershed)算法，這種算法是一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，該算法有定位精確，計(jì)算速度比較快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也有不足之處，如分割過度，經(jīng)常把一個(gè)籽粒區(qū)域分割成兩塊。而經(jīng)過本文對(duì)算法的改進(jìn)，可以有效的避免這種情況出現(xiàn)。首先介紹一下流域算法的基本思想：將圖像看成是被水覆蓋的自然地貌，圖片每個(gè)像素的灰度級(jí)代表其在自然地貌中的海拔高度，灰度級(jí)越高代表海拔越高，不同的區(qū)域稱其為流域，可以把每個(gè)不同的區(qū)域看作為一個(gè)“集水盆”。每個(gè)集水盆的分界線就是流域的分界線。通常描述分水嶺變換的方法為“浸沒法”，即假設(shè)在極小區(qū)域內(nèi)開一個(gè)洞，水從這些洞中不斷涌出，逐漸由下至上浸沒與極小區(qū)域相同的流域，當(dāng)水面不斷升高并且要匯合時(shí)，就筑起堤壩(分界線)，將不同流域分開。在分割谷物圖像時(shí)，圖像中的每個(gè)單獨(dú)的谷物就是一個(gè)連通域，粘連在一起的谷物也是一個(gè)連通域，把它們分別賦予不同的標(biāo)記號(hào)。

具體步驟如下：設(shè)f為一幅被輸入的灰度圖像，f(i)表示圖像中任意一點(diǎn)像素的灰度值，fmax和fmin分別為圖像中灰度的最大值和最小值。使溢流(遞歸)過程從fmin到fmax按單灰度級(jí)增長。假設(shè)現(xiàn)在已經(jīng)溢流到第h步，并且h為此時(shí)的灰度值，所有已經(jīng)被浸沒的集水盆地的區(qū)域極小值小于或等于h，標(biāo)記每個(gè)區(qū)域，給每一個(gè)區(qū)域一個(gè)唯一的標(biāo)記值。接下來訪問灰度級(jí)為h+1的像素點(diǎn)，并給予其一個(gè)特殊的標(biāo)記M。檢查標(biāo)記為M的像素，如果其鄰域已經(jīng)被標(biāo)記，則將該像素保存在隊(duì)列中。讀取隊(duì)列中像素，把與當(dāng)前讀取像素相鄰的且有M標(biāo)記的像素也標(biāo)記為與該像素相同的標(biāo)記值，實(shí)現(xiàn)浸沒，集水盆地此時(shí)慢慢外擴(kuò)，但是不會(huì)超過邊界線。此外還有一些有M標(biāo)記但是沒有歸入其他集水盆地的像素，出現(xiàn)的新的局部極小值區(qū)域，其灰度為h+1。標(biāo)記為M的像素就是這些新集水盆地最小值像素點(diǎn)，他們和已經(jīng)標(biāo)記出來的集水盆地并不連通。此時(shí)，需再進(jìn)行一次掃描，檢測(cè)灰度值為h+1的仍然標(biāo)記為M的像素，給他們一個(gè)新的標(biāo)記值，這就是新發(fā)現(xiàn)的集水區(qū)域。

圖7(a)谷物原圖 圖7(b)流域分割后

如圖7(b)所示，我們可以看出，直接使用流域分割算法對(duì)圖像分割的效果并不好。雖然每一粒谷物都確實(shí)被分割開了，但是也出現(xiàn)了許多過度分割的情況，有些谷物被分割成了2粒甚至3粒。這是由于算法的迭代過程中是在整幅圖像的極小值區(qū)域進(jìn)行，任意兩個(gè)極小區(qū)域的交界處都將作為流域的分界線，因?yàn)檎尺B的情況很復(fù)雜，算法可能會(huì)把單個(gè)籽粒區(qū)域分割成多個(gè)區(qū)域，嚴(yán)重影響了后續(xù)的處理結(jié)果。

所以我們對(duì)流域算法進(jìn)行了改進(jìn)。首先加入一個(gè)合適的閾值T作為單粒區(qū)域的面積，遍歷圖像，如果連通域的面積小于T，則此連通域被認(rèn)為是單個(gè)籽粒區(qū)域，直接被標(biāo)記出來，不參與后續(xù)的分割。然后對(duì)圖像進(jìn)行距離變換。距離變換是二值圖像處理與操作中常用的手段，在骨架提取，圖像窄化中常有應(yīng)用。我們可以在這里應(yīng)用距離變換，求得二值圖像中零值到非零值的距離，這個(gè)距離也就是“集水盆”到“分水嶺的距離”，并且距離變換可以起到一個(gè)腐蝕作用，使谷物粘連的復(fù)雜情況變得簡(jiǎn)單化，可以讓直接通過分水嶺變換得到的局部極小值數(shù)量變少，最后得到的結(jié)果是一張與輸入圖像類似的灰度圖像，并且越遠(yuǎn)離背景邊緣的像素灰度值越大。具體結(jié)果見圖8。

如圖8(b)所示，大米中的“白點(diǎn)”就是我們所說的極小值區(qū)域。當(dāng)使用浸沒法時(shí)，這些區(qū)域就像是谷底，往極小值區(qū)域加水后，這個(gè)區(qū)域會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)大，當(dāng)擴(kuò)大到流域邊界線時(shí)，分割結(jié)束。得到圖8(c)中的最終分割結(jié)果。

圖8 結(jié)果圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，分別采用目測(cè)識(shí)別法和本文方法對(duì)大米進(jìn)行粒型和堊白度的檢測(cè)。隨機(jī)取200粒大米，其中混有煤渣和石子等雜質(zhì)。結(jié)果如表1所示。

表1 大米檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法雖然不及目測(cè)方法的成功率高，但是在很大程度上縮短了檢測(cè)時(shí)間，并且節(jié)省了人力資源。由表1得知，用本文方法檢測(cè)堊白大米的準(zhǔn)確率達(dá)到97.22%，篩選雜質(zhì)可達(dá)到93.33%，應(yīng)用長寬比檢測(cè)不完善顆粒的準(zhǔn)確率達(dá)到92.59%。并且本文的方法沒有受到大米粘連的制約，所以在檢測(cè)時(shí)，不必太拘泥于谷物擺放的位置。

表2 紅豆檢測(cè)結(jié)果

取20粒優(yōu)質(zhì)紅豆、20粒不完整紅豆和10粒雜質(zhì)進(jìn)行長寬比檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。從中我們可以得出優(yōu)質(zhì)紅豆與不完整紅豆的長寬比相差很大?？梢岳眠@一點(diǎn)對(duì)這一批紅豆的不完善粒進(jìn)行篩選，以便給紅豆分級(jí)。雜質(zhì)一般都比普通的谷物小很多并且是不規(guī)則的。但是當(dāng)雜質(zhì)和被檢測(cè)谷物差不多大小的時(shí)候，本文方法就有待改進(jìn)了?？梢栽谔幚砘叶葓D像時(shí)先做一次灰度標(biāo)定處理，把谷物和雜質(zhì)優(yōu)先分離出來。

表3 黑米檢測(cè)結(jié)果

取20粒優(yōu)質(zhì)黑米、20粒不完整黑米和10粒雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，從表3中可以得出，檢測(cè)結(jié)果顯示本文檢測(cè)方法的正確率達(dá)到95%以上，證明了本文方法針對(duì)不同類型的谷物具有良好的通用性。

5 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法對(duì)谷物的粒型，完整程度具有通用性。針對(duì)不同的谷物可以適當(dāng)?shù)母淖児任锵到y(tǒng)軟件中的參數(shù)和閾值。并且本系統(tǒng)可以對(duì)谷物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)。與人工檢測(cè)相比，本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，準(zhǔn)確度良好等特點(diǎn)，用本系統(tǒng)代替人眼對(duì)谷物的檢測(cè)是可行的。

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Research on the Detection Method of Cereal Grains Appearance Quality

Wang Yiding, Li Jiyang

(College of Electronic Information Engineering, North University of Industry,Beijing 100144,China)

Using image processing technology to replace manual testing is an inevitable trend of automatic classification development. With the considerably increasing of the computers high cost-effective, it is possible to make practical application of machine vision technology. Accordingly, it has high theoretical value and practical significance by processing the cereal grain image to evaluate the quality of the cereal grains. In this essay we use the characteristics of the aspect ratio of cereal grain. It can effectively determine the size and the shape of grain and integrity. This method is not applicable only for the rice, red beans, black rice, mung beans, oats, sorghumrice, red rice, but other cereal grains also have good recognizable results.In addition, there are some improvements of watershed algorithm in this essay, which can be applied in cereal grains appearance quality checking. As the result, the algorithm and the design of program are effective and reliable, which proves that machine vision can be used instead of human vision.

digital image processing; machine vision; cereal appearance; watershed segmentation

2016-08-16；

2016-09-05。

王一丁(1967-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事模式識(shí)別與圖像處理、工業(yè)無損檢測(cè)、無線電定位技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0035-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.009

TP3

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