何 軍，馬稚昱，褚 璇，劉洪利，肖天宇，韋鴻鈺

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225）

0 引言

芒果是熱帶和亞熱帶地區(qū)的主產(chǎn)水果，其消費(fèi)形式以鮮食為主。而鮮果在上市之前需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。我國(guó)現(xiàn)有的芒果分級(jí)方式有人工分級(jí)、機(jī)械分級(jí)和機(jī)器視覺分級(jí)方式[1-5]，其中人工分級(jí)的主觀性影響大且效率低下；機(jī)械方法多是根據(jù)芒果的質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，精度不高且容易導(dǎo)致芒果損傷[6]；基于機(jī)器視覺的無損分級(jí)技術(shù)越來越顯現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)有的無損分級(jí)方法主要是根據(jù)芒果的大小、顏色、表面缺陷等進(jìn)行分級(jí)[7,8]，而對(duì)于芒果的果形這一重要指標(biāo)并未考慮。主要原因是芒果的果形非標(biāo)準(zhǔn)形，評(píng)價(jià)困難，目前已有的基于機(jī)器視覺技術(shù)的水果果形評(píng)價(jià)多是針對(duì)蘋果、柑橘等圓形品種進(jìn)行評(píng)價(jià)[9-16]，而對(duì)于芒果這種非規(guī)則形狀評(píng)價(jià)尚缺乏量化方法及標(biāo)準(zhǔn)。本文采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)芒果的果形進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，不僅可以提高分級(jí)精度還可以保證分級(jí)效率，分級(jí)后的芒果可更好地適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)，滿足消費(fèi)者的購(gòu)買需求。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)樣品為小臺(tái)農(nóng)芒果，產(chǎn)地廣東，采購(gòu)于廣州某超市，果型似雞蛋大小，呈卵圓形或長(zhǎng)卵形。本研究目的是對(duì)芒果的果形進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此不關(guān)注芒果其他表面特征。

芒果圖像采集系統(tǒng)如圖1 所示，由計(jì)算機(jī)、CCD相機(jī)、LED光源、可調(diào)節(jié)支架及載物臺(tái)組成，其中工業(yè)相機(jī)型號(hào)為MV-EM500C，分辨率為2 592×1944，相機(jī)至載物臺(tái)距離為350 mm，采用pycharm 2018.2軟件編寫python程序調(diào)用OpenCV庫(kù)，對(duì)所采集圖像進(jìn)行圖像處理提取芒果果形特征參數(shù)。

圖1 芒果圖像采集系統(tǒng)

1.2 芒果果形評(píng)價(jià)指標(biāo)

果形指數(shù)是衡量水果形狀的重要參數(shù)，能在一定程度上反映出水果的形狀，但不能體現(xiàn)水果的飽滿程度。本文提出采用果形指數(shù)和飽滿度兩個(gè)參數(shù)來衡量芒果果形，為避免由于芒果果形不端正而帶來的樣本指標(biāo)復(fù)雜性，本文采用最小外接矩形法來計(jì)算各指標(biāo)參數(shù)。圖2 為不同形態(tài)芒果的最小外接矩形。

圖2 最小外接矩形

芒果的果形指數(shù)及飽滿度具體計(jì)算方法如下：

1.2.1 果形指數(shù)

果形指數(shù)是水果的縱徑與橫徑的比例，采用最小外接矩形法來評(píng)價(jià)芒果的果形指數(shù)[17]，其計(jì)算公式為

式中 D為芒果果形指數(shù)；L為最小外接矩形長(zhǎng)度，mm；H為最小外接矩形寬度，mm。

1.2.2 飽滿度

飽滿度為芒果的面積與最小外接矩形的面積的比值。當(dāng)芒果的面積越接近最小外接矩形的面積，芒果的果形就越飽滿。芒果飽滿度計(jì)算公式為

式中α為芒果飽滿度；Smango為芒果面積，mm2；Stangls為最小外接矩形的面積，mm2。

1.3 圖像處理流程

在進(jìn)行果形特征參數(shù)提取時(shí)，具體算法實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示。先將采集到的RGB 圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換為HSV 圖像，通過比較HSV 顏色空間的3 個(gè)通道圖像（見圖4）可知，當(dāng)芒果表面有黑斑的時(shí)候，S、V 兩通道不利于芒果輪廓的提取，故采用H 通道進(jìn)行圖像自適應(yīng)閾值分割[18,19]及二值化，通過形態(tài)學(xué)開運(yùn)算消除二值化圖像中的零散噪聲，得到芒果的二值化圖像，計(jì)算芒果圖像面積即芒果圖像所占的像素總數(shù)，采用canny 算子[20,21]提取芒果輪廓并計(jì)算芒果輪廓的最小外接矩形的長(zhǎng)、寬和面積（如圖5 所示），進(jìn)而計(jì)算出芒果的果形指數(shù)和飽滿度。

圖3 芒果圖像處理流程

圖4 芒果圖像HSV各通道圖

圖5 芒果圖像提取

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)NY/T 3011-2016《中國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將其果形指數(shù)和飽滿度分為3 級(jí)。在對(duì)果形指數(shù)和飽滿度指標(biāo)的量化過程中，采用了聚類分析法中的K-means 算法[22,23]，將50 個(gè)芒果果形特征指標(biāo)（I1,I2,...I50）分成3 個(gè)簇，具體計(jì)算流程如下。

1）隨機(jī)選擇3 個(gè)芒果果形特征對(duì)象，每個(gè)對(duì)象初始地代表了一個(gè)簇的平均值或中心，即選擇3個(gè)初始質(zhì)心。

2）對(duì)剩余的每個(gè)對(duì)象，根據(jù)其與各類中心的歐式距離，將它賦給最近的類。

其中歐式距離計(jì)算方法為

采用誤差的平方和SSE 作為全局的目標(biāo)函數(shù)，即最小化每個(gè)點(diǎn)到最近質(zhì)心的歐幾里得距離的平方和。

式中 C為聚類中心的值；x為屬于這個(gè)簇的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3）重新計(jì)算每個(gè)類的平均值。這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到準(zhǔn)則函數(shù)收斂，質(zhì)心不發(fā)生明顯的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 芒果果形指數(shù)數(shù)據(jù)分析

圖6 測(cè)試集芒果果形指數(shù)分布圖

圖6 是測(cè)試集的50 個(gè)芒果果形指數(shù)的散點(diǎn)圖。由圖可知，測(cè)試集小臺(tái)芒的果形指數(shù)最小值為1.03，最大值為1.66，大部分果形指數(shù)分布在1.20～1.60之間。當(dāng)小臺(tái)芒的果形指數(shù)低于1.10，果形扁平，芒果失去了卵形或者長(zhǎng)卵形的特征。當(dāng)小臺(tái)芒的果形指數(shù)大于1.60 時(shí)，芒果呈現(xiàn)狹長(zhǎng)型，亦不符合其典型果形特征。

為確定果形指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用K-means 算法對(duì)測(cè)試集果形指數(shù)進(jìn)行聚類分析。在處理前，首先剔除果形指數(shù)高于1.60 和果形指數(shù)低于1.10 的芒果，對(duì)其余45 個(gè)芒果的果形指數(shù)作聚類分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 果形指數(shù)聚類分析

聚類1 為三級(jí)果，聚類2 為二級(jí)果，聚類3 為一級(jí)果。分析每個(gè)類中的最大值和最小值可知，聚類1 最大值為1.30，聚類2 最小值為1.32，最大值為1.41，聚類3 最小值為1.45，以其相鄰類之間的最小值和最大值的中值作為類與類之間的分界，確定芒果果形指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 果形指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 芒果飽滿度數(shù)據(jù)分析

圖8 是測(cè)試集的50 個(gè)芒果果形飽滿度的散點(diǎn)圖。由圖可知，測(cè)試集小臺(tái)芒的飽滿度最小值為0.764，最大值為0.805，數(shù)值越大芒果的飽滿度越好。

圖8 測(cè)試集芒果果形飽滿度分布圖

為確定果形飽滿度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用K-means 算法對(duì)測(cè)試集的50 個(gè)芒果飽滿度進(jìn)行聚類分析。結(jié)果如圖9 所示。

圖9 芒果飽滿度聚類分析

聚類1 為三級(jí)果，聚類2 為二級(jí)果，聚類3 為一級(jí)果。分析每個(gè)類中的最大值和最小值可知，聚類1 最大值為0.777，聚類2 最小值為0.779，最大值為0.788，聚類3 最小值為0.790，以其相鄰類之間的最小值和最大值的中值作為類與類之間的分界，確定芒果飽滿度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 飽滿度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法，隨機(jī)選取50個(gè)芒果作為驗(yàn)證集，先進(jìn)行人工分級(jí)，然后分別用果形指數(shù)，飽滿度，果形指數(shù)&飽滿度3 種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3 所示。

由表3 中結(jié)果可知，單獨(dú)采用果形指數(shù)或飽滿度對(duì)芒果果形進(jìn)行評(píng)價(jià)，錯(cuò)誤率較高，分別達(dá)到32%和52%，這主要是由于有些芒果果形指數(shù)較好，但瘦弱干癟；有些芒果雖飽滿度很好，但不具備芒果的典型形狀，因而出現(xiàn)較大的偏差，這說明單一指標(biāo)評(píng)價(jià)不夠全面。而采用果形指數(shù)和飽滿度兩個(gè)參數(shù)共同評(píng)價(jià)具有較好的評(píng)價(jià)效果，其評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率與人工相比可達(dá)92%。

表3 驗(yàn)證集各分級(jí)指標(biāo)分級(jí)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)芒果果形進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出芒果果形指數(shù)及飽滿度兩個(gè)果形評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用圖像處理技術(shù)對(duì)50 個(gè)測(cè)試集的芒果的果形信息進(jìn)行提取及聚類分析，得出芒果果形指數(shù)及飽滿度的量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并采用該方法將機(jī)器視覺分級(jí)結(jié)果與人工分級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：?jiǎn)我辉u(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，對(duì)果形評(píng)價(jià)不夠全面，綜合果形指數(shù)和飽滿度兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行果形評(píng)價(jià)具有較好的分級(jí)效果，與人工分級(jí)對(duì)比準(zhǔn)確率可達(dá)92%。