李月樵，涂王平，施秧，王學(xué)武，趙德

（1.金華市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江 金華 321000；2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310000）

珍珠的價值根據(jù)其大小、形狀、光澤、瑕疵、顏色等特性進(jìn)行分級，特別是珠寶級淡水珍珠的價值非常高，所以對珍珠進(jìn)行等級鑒別分選顯得尤為重要。作為珍珠生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，淡水珍珠的快速等級評判和自動分選一直缺乏科學(xué)、有效的技術(shù)方法，目前，淡水珍珠的顏色、光澤、形狀、瑕疵等等級評判主要依靠檢驗人員的目視鑒別。這種鑒別方式很大程度上受人為主觀因素的影響，導(dǎo)致鑒別誤差大、分選質(zhì)量差、人工成本高、分選效率低，從而給整個珍珠生產(chǎn)加工業(yè)帶來巨大的拖累。所以，迫切需要一套自動化檢測系統(tǒng)來提高效率。本文根據(jù)淡水珍珠固有特點(diǎn)建立詳細(xì)的分級標(biāo)準(zhǔn)，并研制高精度珍珠自動鑒定設(shè)備將對我國珍珠業(yè)的發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用，有利于提升我國珍珠業(yè)的國際地位、對提高產(chǎn)業(yè)效益、走出珍珠生產(chǎn)加工業(yè)的“高產(chǎn)陷阱”，將帶來明顯的社會和經(jīng)濟(jì)效益提升。

1 淡水珍珠品質(zhì)快速自動化鑒定裝置系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)階段淡水養(yǎng)殖珍珠等級主要從顏色、大小、形狀、光澤、光潔度、珠層厚度（有核珍珠）6 個方面進(jìn)行判定。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18781-2002《養(yǎng)殖珍珠分級》和行業(yè)協(xié)會制定的《中國淡水珍珠標(biāo)準(zhǔn)樣品3SLC 質(zhì)量評價體系圖解》為這6 個方面的等級分級提供了量化的判斷依據(jù)和實物標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)對珍珠等級的確定需要經(jīng)驗豐富的人員手工分揀確定（淡水珍珠直徑需在9mm 以上），通過將待分級珍珠與標(biāo)準(zhǔn)珍珠樣品仔細(xì)比對進(jìn)行確定，費(fèi)時費(fèi)力，并且手工分揀的準(zhǔn)確度和一致性難以保證。為解決企業(yè)實際需求，設(shè)計了一套珍珠自動分級裝置，其系統(tǒng)設(shè)計工作流程如圖1 所示。

圖1 淡水珍珠自動分級系統(tǒng)設(shè)計流程圖

2 淡水珍珠品質(zhì)快速自動化鑒定裝置的硬件設(shè)計

2.1 主要組成部件

該淡水珍珠品質(zhì)快速自動化鑒定裝置由以下幾個主要部件組成：照明系統(tǒng)（光源采用標(biāo)準(zhǔn)A 光源），光譜儀，工業(yè)相機(jī)，光學(xué)積分球，計算機(jī)以及檢測附件等。

2.2 工作步驟

打開儀器開關(guān)后，儀器自動進(jìn)行參數(shù)初始化：標(biāo)準(zhǔn)白板校正、暗背景校正和機(jī)器視覺初始化。初始化完畢后進(jìn)行信號采集預(yù)處理，包含圖像灰度化處理和光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理。預(yù)處理完成后即對圓度、瑕疵、顏色、光澤度進(jìn)行自動化檢測。檢測完畢后自動生成等級鑒定報表。全過程除了拿取珍珠以外，全部由機(jī)器自動檢測，實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確。

圖2 淡水珍珠自動分級系統(tǒng)設(shè)計圖

2.3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置利用機(jī)器視覺分析技術(shù)和光譜分析模式識別技術(shù)對珍珠進(jìn)行分級檢測研究。在合理有效的硬件系統(tǒng)的配合下，使用光學(xué)設(shè)備獲取所需分選珍珠的圖像和光譜信息，并進(jìn)行特征信號提取和分析，最后根據(jù)形狀、瑕疵、顏色和光澤度檢測結(jié)果參數(shù)，對珍珠進(jìn)行合理的鑒定和分級，其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 工作原理

3.1 形狀檢測

本系統(tǒng)依靠機(jī)器視覺識別系統(tǒng)對淡水珍珠的圓度檢測。珍珠機(jī)器視覺識別系統(tǒng)在二維圖片基礎(chǔ)上，能夠?qū)?60 度各個觀察面的直徑和整體圓度做出快速而準(zhǔn)確的評估，目前機(jī)器視覺對類圓形狀判定算法已經(jīng)十分成熟可靠。

3.2 瑕疵檢測

珍珠上的紋理難有規(guī)律可循，可分為無暇、微暇、小暇、瑕疵和重疵五類，更細(xì)分還可以分成小花點(diǎn)、小花皮、隱螺紋、中花點(diǎn)、中花皮、淺螺紋、大花點(diǎn)、大花皮、深螺紋、花點(diǎn)花皮等，此外還有毛片、烏心、白帶、剝皮、白頭等情況。某些紋理特征在珍珠圖像中的表現(xiàn)非常接近，很難區(qū)分，比如，花皮和毛片。除了紋理檢測本身困難外，照明環(huán)境對獲取均勻清晰的珍珠圖像有很大的影響，不均勻的照明會使珍珠表面各部分反光不一致，造成局部強(qiáng)光現(xiàn)象，在珍珠的表面形成高光區(qū)很容易被檢測出來，而被誤判成珍珠的瑕疵?？紤]淡水珍珠是半透明體的，本裝置檢測系統(tǒng)光照部分采用透射照明檢測方式，使珍珠檢測面轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€近似的自發(fā)光體，以降低高光區(qū)的不良影響。

3.3 顏色和光澤檢測

目前在對復(fù)雜樣品的顏色檢測時，例如，曲面的顏色、有凹凸圖形、結(jié)構(gòu)色的樣品（如珍珠、鸚鵡羽毛）時，通常不適用直接用常規(guī)色差計等顏色檢測設(shè)備。而工業(yè)機(jī)器視覺相機(jī)是一個面陣探測器（CMOS/CCD）需要在前面增加三原色濾光片獲得RGB 信息，但也是有限的，不能準(zhǔn)確測量顏色與光澤。而通過光譜分析技術(shù)顏色檢測方式可以獲得更大色域空間的XYZ 值，Y 值同時表征了珍珠反射光強(qiáng)度，與珍珠光澤度存在確定的相關(guān)性關(guān)系。所以，珍珠顏色和光澤檢測采用可定量分析的光譜分析法，測試結(jié)果實現(xiàn)比人眼更加精確和客觀。同時，珍珠顏色和光澤進(jìn)行檢測時,必須保證照明光源為國際顏色檢測標(biāo)準(zhǔn)光源，否則，會嚴(yán)重影響珍珠顏色的識別準(zhǔn)確度，所以系統(tǒng)采用顏色檢測CLEDs-全波段均衡LED 光源，色溫為2856K。珍珠快速分等分級檢測儀如圖3 所示。

圖3 淡水珍珠品質(zhì)快速自動化鑒定裝置實物圖

其中圓度和瑕疵檢測由機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)完成，而系統(tǒng)主要的關(guān)鍵技術(shù)在于珍珠的顏色和光澤檢測，珍珠表面色彩可分為白色系列、紅色系列、黃色系列、黑色系列等色系，顏色識別模塊要求能夠按照白色、紅色、黃色、黑色等色系進(jìn)行自動分選，同時，在同一色系內(nèi)的珍珠按照光澤度差異再度分選。本系統(tǒng)中，采取光譜分析技術(shù)統(tǒng)計學(xué)習(xí)分類作為珍珠顏色與光澤度的分級方法。圖4 為相同圓形直徑不同顏色和光澤珍珠的光譜對比圖。

圖4 淺紅色（左）和青白色（右）淡水珍珠光譜分析對比圖

如上對比圖所示，系統(tǒng)檢測光譜的波長范圍是380nm-1100nm,可以明顯看出不同顏色珍珠在光譜圖上有著明顯的差異。檢測系統(tǒng)通過采用CIE 國際標(biāo)準(zhǔn)顏色XYZ 色域算法得出對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)的XYZ 色域空間值xyY。其中Y 值表示反射光的強(qiáng)度，與光澤度有著密切的聯(lián)系。

4 結(jié)語

本套淡水珍珠品質(zhì)快速自動化鑒定裝置除了采用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行珍珠的大小、形狀和瑕疵分級方法，還采用了自己的專利技術(shù)，將光譜分析技術(shù)統(tǒng)計學(xué)習(xí)分類作為珍珠顏色與光澤度的分級方法，檢測波長380 ～1100nm，通過多次測量不同部位的反射光譜，再做建模分析得到修正預(yù)測模型，將修正預(yù)測模型與各光澤度等級光譜做比對，從而確定光澤度等級，可以高效、精確地對淡水珍珠進(jìn)行分等分級。