王守亞，吳 琰，權循忠

(淮南師范學院，安徽 淮南 232038)

0 引言

近年來，中國的蘋果產(chǎn)量逐年升高，蘋果質量參差不齊，2017年中國蘋果總產(chǎn)量達到了4.139×107t，中國是“世界蘋果產(chǎn)量”第一大國.人們在購買蘋果時，會從大小、形狀、顏色和缺陷等方面對蘋果進行挑選，這幾個方面也是進行蘋果分級的標準.目前，隨著人們生活品質的不斷進步，對蘋果等級的要求也越來越嚴格，現(xiàn)有的人工分級存在耗時、高成本、破壞性和主觀性差別大等缺點，急需要改進，近些年，越來越多的研究人員把機器視覺技術應用到蘋果無損快速分級，客觀性強.分級結果也比較理想.有一些研究人員對蘋果圖像的各個特征進行研究，綜合對蘋果進行分級，也有部分研究人員針對蘋果的某一個特征進行詳細研究來進行蘋果分級.

Varghesez等[1]人利用計算機分析技術對蘋果果形進行了研究，Leemans V等[2]人研究了水果的圓度等因素相結合來表征水果形狀，Ingrid Paul US等[3]人利用傅里葉變化法對蘋果果形進行了研究.這些方法都取得了一定的成果，為后續(xù)人員的研究提供了一些依據(jù).李慶中等[4]人設計了一套基于計算機視覺的蘋果自動分級系統(tǒng)，錢中華[5]利用計算機視覺技術對蘋果分級的正確率為88%，申翠香等[6]人利用改進粒子群算法對蘋果圓形度檢測的正確率為96%，石瑞瑤等[7]利用蘋果外部特征進行分級正確率為76.75%、利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行分級正確率為83.25%，孫斐[8]利用圓度值分析法進行蘋果果形分級正確率為91.2%.這些檢測蘋果圓度值的方法都存在正確率較低或者技術難度較大等問題.本文針對利用圓度值分析法進行蘋果果形分級進行了改進，獲取一個蘋果的任意9張圖像，進行預處理，并計算出每1張?zhí)O果圖像的圓度值，再求出9個圓度值的平均值和方差，并與設定的閾值進行比較，確定出蘋果的果形，正確率達97.5%，正確率較高，分級方法易實現(xiàn)，為蘋果果形分級提供借鑒.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用的蘋果全部采購于淮南市某批發(fā)市場，考慮到按照蘋果的圓度值分級可以分為優(yōu)等果(圓度值大于0.84)、一級果(圓度值在0.83和0.84之間)、二級果(圓度值在0.82和0.83之間)和等外果(圓度值小于0.82).本文只研究蘋果果形分級，不對蘋果的大小、顏色和缺陷進行研究，按照這一原則，只考慮果形，人工從采購的蘋果中挑選出優(yōu)等果50個，一級果50個、二級果50個和等外果50個.實驗用的蘋果樣本容易購買，無特殊要求，實驗結果適應于不同類型的蘋果.

1.2 試驗硬件系統(tǒng)

圖1 蘋果圖像采集硬件系統(tǒng)

為了采集蘋果圖像，搭建的試驗硬件系統(tǒng)如圖1所示.主要硬件有USB工業(yè)相機，500萬像素，型號為MV-UB500；光源為LED環(huán)形光源；調(diào)節(jié)架為工業(yè)相機上下調(diào)節(jié)架，型號為XW10S.可以看出，試驗所需的硬件設備價格便宜，易購買和搭建.由于本系統(tǒng)采集的蘋果圖像只用于蘋果果形分級，而不考慮按照大小、顏色和缺陷分級，所以對于采集的蘋果圖像要求不是很嚴格，相機和載物臺的距離可以根據(jù)實際情況自行調(diào)節(jié)，這里定位250 mm.對蘋果樣本采集9張圖像存于計算機，進行后續(xù)分析處理.綜合考慮計算機處理圖像的時間和實驗結果的準確度，最終確定采集1個蘋果樣本的9張圖像.

1.3 算法實現(xiàn)過程

1.3.1 圓度值分析法

如果需要購買蘋果，人們會對蘋果的外觀進行挑選，優(yōu)先選擇購買圓形度較好的蘋果，圓形度的程度對應的經(jīng)濟價值也不同，圓形度越高，果形越接近圓形，通常價格越貴.國內(nèi)外許多相關研究人員提出了不同的方法對蘋果的圓形度進行研究，也取得了許多成果，其中，有研究人員提出，圓形度可以用圓度值衡量，并經(jīng)試驗證明這種方式是可行的.圓度值metric的表達式如公式(1)所示：

(1)

式中，S為圓的面積，rs為對應求得的圓半徑；L為圓的周長，rL為對應求得的圓半徑.對于同一個圓，有rS=rL，求得的圓度值應為1，但蘋果并不是1個標準的圓，求得的圓度值小于1.試驗發(fā)現(xiàn)，蘋果的圓形度越好，果形越接近圓形，對應求得的圓度值也越接近于1，所以，可以根據(jù)蘋果的圓度值來對蘋果的圓形度進行分級.

1.3.2 改進的圓度值分析法

圖2 改進的圓度值分析法

改進的圓度值分析法主要是在原方法的基礎上求圓度值的方差，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，求出一個蘋果多張圖像的圓度值，再對圓度值求平均值和方差，圓度值的平均值越大、方差越小，蘋果的圓形度越好.具體實現(xiàn)步驟如圖2所示，首先對樣本圖像進行二值化和中值濾波預處理，中值濾波的平滑效果好，其次計算出二值化圖像的面積和周長，求出圓度值，再次求出圓度值的平均值和方差，圓度值的平均值與果形等級圓度值比較，方差與設定的閾值進行比較，最后得出蘋果果形分級結果.這里結合方差對圓度值分析法進行改進，由于方差是用來衡量一批數(shù)據(jù)波動大小的，如果一個蘋果的圓形度越好，越接近圓，那么這個蘋果每個面的圖像的圓度值越大越接近并更靠近1，此時，圓度值的方差越接近0.此方法求得蘋果的圓度值平均值越大、方差越小，圓形度越高，果形分級的等級越高，反之圓度值平均值越小、方差越大，圓形度越低，果形分級的等級越低.

2 試驗分析

采集蘋果樣本圖像，進行預處理，如圖3-a，3-b所示，分別為蘋果樣本圖像和預處理后的二值圖像.計算出圖3-b的面積S=2.121 13×106和周長L=5 539，單位為像素，并求出圓度值metric=0.868 5.

對一蘋果樣本，采集其任意9個面的圖像，如圖4所示，對這9個面的圖像進行二值化和中值濾波預處理，計算出預處理后的9個面圖像的周長、面積，求出圓度值的平均值及對應的方差，結果如表1所示，表1的數(shù)據(jù)是對應圖4中從左到右、從上到下9個面圖像的數(shù)據(jù).

圖3 蘋果樣本圖像和預處理后的二值圖像圖4 蘋果樣本任意9個面圖像

按照上述方法，對預先人工按照果形分級的200個蘋果樣本進行果形分級，分級結果如表2所示，正確率達97.5%.因為是為了得到改進的圓度值分析法對蘋果果形分級結果的正確率，所以把人工分級結果作為標準來計算分級正確率的.

表2 蘋果樣本在果形方面人工和機器分級結果表

3 結論

文中在圓度值分析法的基礎上，結合機器視覺技術，提出的改進的圓度值分析法，易于實現(xiàn)，易于理解，分級結果正確率高，試驗證明這種果形分級法是可行的，分級正確率為97.5%.為蘋果果形的分級提供了參考依據(jù).