文/辛華健 ，楊 銓

【導(dǎo)讀】 果實(shí)商品化處理中，傳統(tǒng)的人工分級(jí)方式耗時(shí)、成本高、準(zhǔn)確率難以保證。開(kāi)發(fā)基于機(jī)器視覺(jué)條件的果品自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)果品產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

火龍果屬仙人掌科，是亞熱帶水果經(jīng)濟(jì)作物，一般分為紅皮紅肉、紅皮白肉及黃皮白肉等3種類型，紅皮紅肉、紅皮白肉在市場(chǎng)上較為常見(jiàn)[1]?；瘕埞麪I(yíng)養(yǎng)價(jià)值極其豐富，具有低熱量、高纖維及糖分少等特點(diǎn)。我國(guó)的火龍果種植面積相對(duì)較少，很大部分依靠進(jìn)口渠道來(lái)滿足國(guó)人的需求。尤其是中國(guó)—東盟雙邊貿(mào)易合作機(jī)制的建立，我國(guó)火龍果國(guó)外貿(mào)易從以往1.34億美元突飛猛進(jìn)地增長(zhǎng)至30億美元左右[2]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)政策調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，我國(guó)火龍果業(yè)在種植、采摘及深加工等方面面臨更大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

有效分級(jí)是火龍果深加工和商品化的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的人工分級(jí)，不但耗時(shí)，效率低，而且人工成本高。計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷提高和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)需求而發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，機(jī)器視覺(jué)與火龍果分級(jí)有效結(jié)合在一起，代替了傳統(tǒng)的人工分級(jí)模式，提高了工作效率[3]。因此，基于機(jī)器視覺(jué)條件的火龍果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)研究已成為當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)。

1 基于機(jī)器視覺(jué)條件的水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

機(jī)器視覺(jué)是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的新興技術(shù)。其主要原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)水果三維模型空間的感知，包括捕捉、數(shù)據(jù)分析及圖像識(shí)別等，完成自動(dòng)分級(jí)的全過(guò)程。它有效綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)、信息自動(dòng)化及智能識(shí)別等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，在各種水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[4]?；跈C(jī)器視覺(jué)條件的水果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，一般分為3個(gè)模塊：水果獲取三維模型圖像、處理并分析圖像要素、智能輸出并完成識(shí)別。

商品化處理是水果采摘后進(jìn)入市場(chǎng)的重要環(huán)節(jié)，包括清洗、打蠟、分級(jí)及包裝等?，F(xiàn)階段，清洗、打蠟和商品包裝等環(huán)節(jié)技術(shù)相對(duì)比較成熟，但在自動(dòng)分級(jí)方面比較欠缺。為了實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)化分級(jí)，20世紀(jì)中期，我國(guó)開(kāi)始研究現(xiàn)代化水果自動(dòng)分級(jí)技術(shù)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)隨之開(kāi)始推廣起來(lái)。隨著信息技術(shù)不斷提高，機(jī)器視覺(jué)在水果信息獲取、加工處理和產(chǎn)品包裝等流程取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。火龍果的分級(jí)主要從外部指標(biāo)和內(nèi)部指標(biāo)兩個(gè)角度考慮，外部指標(biāo)為尺寸外觀、色澤等，內(nèi)部可以通過(guò)糖度、酸度等指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)火龍果自動(dòng)識(shí)別分級(jí)的研究較少?；谟?jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，能有效實(shí)現(xiàn)火龍果的自動(dòng)化分級(jí)。

2 火龍果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

按照成熟度、色澤度、完整度和質(zhì)量缺陷分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)[5]，基于機(jī)器視覺(jué)條件的水果自動(dòng)分級(jí)也以這4個(gè)方面進(jìn)行（見(jiàn)表1）。

3 機(jī)器視覺(jué)的火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)具有速度快、精度高及分級(jí)系統(tǒng)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)其他水果品種分級(jí)中也被廣泛運(yùn)用，并產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于火龍果人工分級(jí)準(zhǔn)確率不高，難以滿足商品化處理的要求，國(guó)內(nèi)的相關(guān)專家開(kāi)始嘗試?yán)脵C(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行火龍果分級(jí)。常見(jiàn)的火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，包括光源、高清工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)及圖像采集智能軟件。機(jī)器視覺(jué)使用的高清相機(jī)一般是工業(yè)相機(jī)，一般只能監(jiān)測(cè)到火龍果的表面部分區(qū)域，無(wú)法全面采集火龍果的表面信息。同時(shí)，如果在分級(jí)對(duì)位過(guò)程中不準(zhǔn)確，圖像就無(wú)法保證快速有效地進(jìn)行分割，嚴(yán)重制約著火龍果分級(jí)技術(shù)的發(fā)展。因此，在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)時(shí)必須對(duì)火龍果進(jìn)行定位處理。

表1 火龍果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)的火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械傳送裝置，一般采用雙錐滾子結(jié)構(gòu)?；瘕埞S錐滾子結(jié)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，自主完成轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合高清相機(jī)進(jìn)行圖像采集，然后得到火龍果表面多次的三維圖像。由于在高清相機(jī)多次進(jìn)行圖像采集時(shí)容易造成部分火龍果圖像的遺漏；火龍果果梗與其表面質(zhì)量缺陷相似度極高，需要多次重復(fù)采集，降低了分級(jí)效率。對(duì)此，設(shè)計(jì)出一種機(jī)器視覺(jué)條件的火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，主要由4個(gè)部分組成，即傳輸水果機(jī)構(gòu)、火龍果定向裝置、視覺(jué)處理系統(tǒng)及分送組件（見(jiàn)圖1）。

4 機(jī)器視覺(jué)的火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

一是光源選擇。光源對(duì)火龍果圖像采集質(zhì)量的好壞有很大的影響，是決定火龍果高效分級(jí)的重要因素。合適的光源能夠提高采集圖像的清晰度，有效降低機(jī)器視覺(jué)處理數(shù)據(jù)的難度，提高計(jì)算速度，進(jìn)而充分保證分級(jí)精確度。光源的影響因素有照度、魯棒性、勻稱性。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)多種光源進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)不同光源試驗(yàn)對(duì)比，最終選定了LED光源 （見(jiàn)表2）。LED光源顏色種類多、形狀樣式豐富、帶電效率高、耗電量低及發(fā)光穩(wěn)定，在水果分級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中普遍應(yīng)用，可根據(jù)不同分級(jí)狀況，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的LED光源。

二是圖像采集技術(shù)設(shè)計(jì)。在火龍果自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的傳輸、定位、圖像采集機(jī)分組等環(huán)節(jié)中，圖像采集技術(shù)是該系統(tǒng)的核心?；瘕埞麍D像采集過(guò)程受多方面因素的影響。比如光源在火龍果表面會(huì)反射不規(guī)則光線，影響火龍果圖像采集的清晰度和穩(wěn)定性。因此，應(yīng)盡量避免光線對(duì)火龍果分級(jí)指標(biāo)的影響，提高自動(dòng)分級(jí)效率和精度。圖像采集技術(shù)編程語(yǔ)言主要是用VC++6.0實(shí)現(xiàn)，圖像采集的圖片大小規(guī)格為768×576。試驗(yàn)過(guò)程中的圖像采集系統(tǒng)，一般有火龍果載物平臺(tái)、CCD攝像機(jī)、光源箱、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、分級(jí)控制裝置等。在智能識(shí)別條件下，火龍果被傳輸裝置輸送至載物平臺(tái)，CCD攝像機(jī)被放置在火龍果載物臺(tái)上方及左右兩側(cè)，將采集到的火龍果圖像傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，對(duì)圖像進(jìn)一步處理分析（見(jiàn)圖2）。CCD照相機(jī)采集的火龍果圖像質(zhì)量好壞，直接影響其自動(dòng)分級(jí)。

三是傳輸火龍果機(jī)構(gòu)和定向裝置設(shè)計(jì)。火龍果傳輸機(jī)構(gòu)主要由傳輸帶和若干滾動(dòng)小滑輪組成?；瘕埞S著傳輸帶向前滑動(dòng)，同時(shí)受滾動(dòng)小滑輪的導(dǎo)向作用，在輸出通道內(nèi)依次排列成帶狀形式被輸出。因此，傳輸火龍果機(jī)構(gòu)、定向裝置及分送組件之間，對(duì)火龍果的輸送要求基本一致?；瘕埞ㄏ蜓b置包括第二支架、傳動(dòng)鏈條、定位器和定向驅(qū)動(dòng)單元。傳輸過(guò)程結(jié)束后，定向裝置將火龍果有序地通過(guò)第二支架固定在傳動(dòng)鏈條的鏈載平臺(tái)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定向裝置與傳動(dòng)鏈條的同步傳輸。

表2 常見(jiàn)光源選擇

表3 火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

5 火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

為了充分驗(yàn)證基于機(jī)器視覺(jué)的火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的可行性，選取300個(gè)紅皮紅肉火龍果進(jìn)行試驗(yàn)。300個(gè)火龍果分為3組，即處理1、處理2、處理3，且以人工分級(jí)為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中看出，機(jī)器視覺(jué)的火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)所分級(jí)的火龍果個(gè)數(shù)，與人工分級(jí)個(gè)數(shù)無(wú)顯著性差異（P＞0.05），但分級(jí)時(shí)間具有顯著性差異（P＜0.05）；火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)不同處理間無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。表明該火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)精確度高且穩(wěn)定性好，與人工分級(jí)相比，分級(jí)效率有了很大程度地提高，能有效地替代人工分級(jí)。

6 小結(jié)

綜上所述，基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研發(fā)了火龍果自動(dòng)分級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由傳輸水果機(jī)構(gòu)、火龍果定向裝置、視覺(jué)處理系統(tǒng)及分送組件構(gòu)成。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的人工分級(jí)方式相比，該火龍果自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)精確度高且穩(wěn)定性好，能有效縮短分級(jí)時(shí)間，有利于促進(jìn)火龍果產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。