李順琴，陳 勇，何 嬌

(重慶城市管理職業(yè)學(xué)院，重慶 401331 )

0 引言

橙子富含各類維生素、胡蘿卜素、檸檬酸、礦質(zhì)元素和無(wú)機(jī)鹽等，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。橙子是一大類水果的總稱，包括甜橙、血橙和臍橙這3大種類及幾百個(gè)品種。其中，甜橙果實(shí)為圓形，酸含量低，是數(shù)量最多的橙子種類；血橙的果肉和果汁呈紫紅或暗紅色，是柑橘中唯一含有花青素的種類，具有很高的商業(yè)價(jià)值；臍橙的果實(shí)較大，一般無(wú)籽，適合新鮮食用。贛南地區(qū)是世界著名的臍橙產(chǎn)區(qū)，已經(jīng)成為了當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè)和重要商品基地。

我國(guó)是橙子的生產(chǎn)大國(guó)之一，近些年來(lái)的年產(chǎn)量在700萬(wàn)t左右。因?yàn)槠贩N與國(guó)外有差異，每年的鮮橙和干橙進(jìn)出口數(shù)量為8～10萬(wàn)t，貿(mào)易金額超過(guò)1億美元。橙子分布在13個(gè)省份，特殊品種酸橙的產(chǎn)量占世界的2/3。雖然不是主要水果，橙子在我國(guó)農(nóng)業(yè)中仍占有一定地位，成為一些適應(yīng)種植地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和多元化經(jīng)營(yíng)中發(fā)揮著重要作用。

分級(jí)是水果和蔬菜采摘后進(jìn)入市場(chǎng)銷售前的一道重要工序，是根據(jù)果實(shí)的大小、形狀、顏色和表面缺陷等劃分等級(jí)。通過(guò)分級(jí)可以淘汰缺陷果，并將品質(zhì)相同的果實(shí)劃分到一起，按照相應(yīng)的價(jià)格銷售。分級(jí)有利于滿足消費(fèi)者的不同需求，增加銷售的收益，并提高產(chǎn)業(yè)在國(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。橙子的種類繁多，不同品種的果實(shí)大小和形狀各異，顏色和營(yíng)養(yǎng)成分含量的差別較大，因此對(duì)橙子品種的檢測(cè)分級(jí)則顯得尤為重要。另外，橙子的各種品質(zhì)性狀之間存在關(guān)聯(lián)。例如，黃雪燕等研究了溫嶺高橙果實(shí)大小與品質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)果實(shí)大小與維生素C含量等部分品質(zhì)之間存在正相關(guān)；但尺寸的增大也會(huì)增加果皮厚度和種子數(shù)，引起品質(zhì)的下降[1]。朱春釗等研究表明：塔羅科血橙的表面色澤可以反映內(nèi)部品質(zhì)，紅色果實(shí)具有更高含量的可溶性固形物、維生素C和花青素[2]。不同橙子品種的性狀之間關(guān)系各異，對(duì)其進(jìn)行研究是準(zhǔn)確分級(jí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)橙子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，我國(guó)制定了橙子的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為橙子的分級(jí)提供了依據(jù)。例如，針對(duì)贛南臍橙所制定的《贛南臍橙無(wú)公害果品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，就對(duì)其等級(jí)進(jìn)行了定義，保證了無(wú)公害鮮果的正常生產(chǎn)和流通。目前，橙子分級(jí)主要由人工完成，即通過(guò)肉眼觀察并評(píng)判等級(jí)，然后實(shí)施分揀。人工分級(jí)操作簡(jiǎn)單，且無(wú)需特殊的儀器設(shè)備和技術(shù)培訓(xùn)，具有較廣的適用范圍。但是，這種方法的分級(jí)結(jié)果會(huì)受到人員體力和主觀情緒的影響，準(zhǔn)確性難以穩(wěn)定保持，且效率不高。另外，不同人員的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)存在差異，導(dǎo)致分級(jí)果實(shí)的一致性降低。近些年，隨著我國(guó)勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，人力資源價(jià)格上升，人工分級(jí)也不再擁有以往的成本優(yōu)勢(shì)。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們開(kāi)發(fā)出了各種果蔬的自動(dòng)化分級(jí)技術(shù)，橙子自動(dòng)檢測(cè)分級(jí)技術(shù)大多是建立在計(jì)算機(jī)視覺(jué)的基礎(chǔ)上。計(jì)算機(jī)視覺(jué)是圖像獲取、圖像分析與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的用途。計(jì)算機(jī)視覺(jué)已經(jīng)應(yīng)用于多種水果蔬菜的分級(jí)，展現(xiàn)出廣闊的前景。目前，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的橙子分級(jí)的設(shè)備類型、分析和計(jì)算方法較多，但都處于試驗(yàn)階段，還沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)[3-9]。在針對(duì)的性狀方面，主要檢測(cè)的是果實(shí)大小、顏色和表面缺陷[10-13]。以往報(bào)導(dǎo)中對(duì)果實(shí)內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)成分含量的檢測(cè)研究則較少，距離實(shí)際應(yīng)用也還有一定的距離。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的橙子分級(jí)系統(tǒng)，在傳送帶上拍攝橙子的圖像后對(duì)其大小、顏色和表面缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)評(píng)判級(jí)別并控制執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)分級(jí)。最后，對(duì)系統(tǒng)分級(jí)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，以期為橙子產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及組成

1.1 設(shè)計(jì)原理

橙子被放置在傳送帶上移動(dòng)，經(jīng)過(guò)拍攝箱時(shí)由相機(jī)拍照獲取圖像，傳輸給核心計(jì)算機(jī)用視覺(jué)軟件進(jìn)行處理，提取橙子的輪廓并分析大小、顏色和表面缺陷。傳送帶前端安裝傳感器，檢測(cè)通過(guò)的橙子數(shù)量，從而控制相機(jī)的開(kāi)啟時(shí)機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橙子劃分級(jí)別，并向安裝在傳送帶末端的分級(jí)執(zhí)行裝置發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)橙子的分級(jí)，如圖1所示。

圖1 分級(jí)系統(tǒng)的工作流程

1.2 系統(tǒng)組成

分級(jí)系統(tǒng)主要由傳送分級(jí)裝置、拍攝箱和計(jì)算機(jī)視覺(jué)模塊組成。傳送分級(jí)裝置包括傳送帶和分級(jí)裝置。傳送帶長(zhǎng)2.5m、寬0.3m，表面黑色，橙子呈單列排布在傳送帶上，間距2～3cm。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定傳送帶的最佳移動(dòng)速度為0.3m/s，速度太低降低了分級(jí)效率，太高則會(huì)導(dǎo)致橙子滾動(dòng)，影響成像質(zhì)量。橙子分級(jí)裝置有4個(gè)通道，當(dāng)橙子運(yùn)行到傳送帶末端時(shí)，計(jì)算機(jī)控制執(zhí)行裝置相應(yīng)的通道移動(dòng)到接口處，實(shí)現(xiàn)橙子的分級(jí)。

拍攝箱是一個(gè)0.4m×0.35m×0.4m的長(zhǎng)方體，兩側(cè)開(kāi)孔用于傳送帶通過(guò)。拍攝箱內(nèi)壁涂成黑色，上方4個(gè)角分別安裝功率5W的照明燈，頂端安裝1臺(tái)索尼XC-ST30型CCD相機(jī)。相機(jī)拍攝的圖像經(jīng)過(guò)AD6657A型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)。拍攝箱的入口處安裝一個(gè)賽加得GL36型光電傳感器，用于檢測(cè)經(jīng)過(guò)拍攝箱的橙子數(shù)量。每個(gè)橙子經(jīng)過(guò)時(shí)傳感器都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，3個(gè)橙子進(jìn)入拍攝箱后計(jì)算機(jī)啟動(dòng)相機(jī)進(jìn)行一次拍攝。核心計(jì)算機(jī)為聯(lián)想揚(yáng)天M4900型臺(tái)式電腦，配置Intel i7中央處理器、8GB DDR3內(nèi)存和1TB硬盤，運(yùn)行快速穩(wěn)定，能夠滿足圖像處理和信息存儲(chǔ)的要求。計(jì)算機(jī)中安裝MatLab7.0軟件，用于圖像的分析處理。

2 圖像分析

拍攝時(shí)橙子處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)由于其它因素影響，拍攝獲得未經(jīng)處理的原始圖像中都存在著一定的噪音干擾。因此，首先要對(duì)原始圖像進(jìn)行平滑處理，在增強(qiáng)圖像質(zhì)量的同時(shí)，也可以強(qiáng)化目標(biāo)特征。這里采用3×3的模板，通過(guò)中值濾波法去除圖像中的噪音，如圖2所示。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理獲得的是包含R、G、B這3種基色的彩色圖像，若要識(shí)別目標(biāo)特征，則須要進(jìn)行灰度化處理。圖像的背景為黑色，目標(biāo)與背景顏色差別很大，可以用RGB色彩空間進(jìn)行處理。橙子為黃色和紅色，3基色中的B分量具有顯著的峰值特征，這里采用基于B分量的閾值分割法進(jìn)行灰度化處理，如圖3所示。

對(duì)灰度化圖像采用HIS加權(quán)方法進(jìn)行二值化計(jì)算，消除圖像中的微小陰影和噪音點(diǎn)，最后依照設(shè)定的B分量灰度化閾值進(jìn)行圖像分割，提取出橙子的輪廓，如圖4所示。

橙子的大小、顏色和表面缺陷是目前人工分級(jí)主要觀察的品質(zhì)性狀。橙子的形態(tài)比較規(guī)則，一般都呈橢球形，因此大小可以用果徑來(lái)反映。果徑的測(cè)量方法是對(duì)輪廓圖像進(jìn)行掃描，統(tǒng)計(jì)橙子輪廓內(nèi)的像素點(diǎn)；然后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的像素點(diǎn)數(shù)和實(shí)際測(cè)量值，確定二者之間的關(guān)系為y=0.001 32N。其中，y為果徑(mm)，N為像素點(diǎn)數(shù)。橙色是橙子的主要顏色，是由紅R和綠G這兩種基色按一定的比例混合而成。系統(tǒng)以R、G和R-G這3個(gè)分量作為橙子的顏色特征。其中，R所占比例高的橙子具有更好的品質(zhì)，在圖像中用灰色顯示。橙子的表面缺陷有兩種：一是蟲(chóng)害導(dǎo)致的白色條紋；二是病害和損傷造成的黑色爛點(diǎn)。兩者雖然顏色不同，但都可以用HIS顏色空間中的S分量展示出來(lái)。系統(tǒng)先提取橙子的輪廓，然后采用Sobel算子從中分離出S分量并進(jìn)行Ostu閾值分割，得到表面缺陷的二值化圖像并計(jì)算缺陷面積，用黑色展示，如圖5所示。

圖2 橙子的預(yù)處理圖像

圖3 橙子的灰度化圖像

圖4 橙子的輪廓提取

圖5 橙子的顏色和表面缺陷檢測(cè)

最后，以大小、顏色和表面缺陷為特征參數(shù)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式對(duì)橙子進(jìn)行判別分級(jí)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將橙子劃分為特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)和等外共4個(gè)等級(jí)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的分級(jí)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，使用的橙子為秭歸夏橙，產(chǎn)于湖北省宜昌市秭歸縣，屬于甜橙類。用人工分級(jí)的方法選擇4個(gè)等級(jí)的橙子各40個(gè)并編號(hào)；果徑大小用游標(biāo)卡尺測(cè)量，顏色和表面缺陷通過(guò)目測(cè)鑒定。將上述160個(gè)橙子通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)，統(tǒng)計(jì)分級(jí)結(jié)果，計(jì)算識(shí)別的準(zhǔn)確率。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

表1 橙子分級(jí)的準(zhǔn)確率

系統(tǒng)對(duì)特級(jí)橙子的識(shí)別準(zhǔn)確率為87.5%，分別有3個(gè)和2個(gè)被誤判為1級(jí)和2級(jí)；對(duì)1級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率為82.5%，分別有3個(gè)和4個(gè)被誤判為特級(jí)和2級(jí)；對(duì)2級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率為85.0%，分別有1個(gè)、3個(gè)和2個(gè)被誤判為特級(jí)、1級(jí)和等外；對(duì)等外的識(shí)別準(zhǔn)確率為90.0%，分別有1個(gè)和3個(gè)被誤判為1級(jí)和2級(jí)。系統(tǒng)對(duì)橙子分級(jí)的整體準(zhǔn)確率很高，達(dá)到86.3%。計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理單張圖片平均耗時(shí)0.6s，可以滿足對(duì)分級(jí)執(zhí)行裝置的實(shí)時(shí)控制要求，實(shí)現(xiàn)180個(gè)/s的分級(jí)效率。

4 結(jié)論

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，建立了一個(gè)橙子的實(shí)時(shí)分級(jí)系統(tǒng)。拍攝的橙子圖像用計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件進(jìn)行預(yù)處理和灰度化后提取目標(biāo)輪廓，然后分別對(duì)橙子的大小、顏色和表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式劃分等級(jí)。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：系統(tǒng)對(duì)各級(jí)橙子的識(shí)別準(zhǔn)確率為82.5%～90.0%，平均為準(zhǔn)確率86.3%。計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件處理單張圖像平均用時(shí)為0.6s，分級(jí)效率達(dá)到180個(gè)/s，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橙子的自動(dòng)化檢測(cè)和分級(jí)。

準(zhǔn)確性的驗(yàn)證僅用了一個(gè)甜橙品種，若要應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，還需要在各種類型的品種上進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)對(duì)1級(jí)和2級(jí)果實(shí)的檢測(cè)精度相對(duì)較低，說(shuō)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的部分參數(shù)設(shè)定需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。同時(shí)，隨著消費(fèi)需求的改變，橙子的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量等內(nèi)在品質(zhì)將會(huì)受到更多重視，這也是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)分級(jí)的發(fā)展方向。