摘 要：水果產(chǎn)業(yè)一直以來(lái)都是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要組成部分，其市場(chǎng)前景備受矚目，然而，隨著水果市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)，水果分級(jí)的效率和準(zhǔn)確性成為亟待改進(jìn)的重點(diǎn)。機(jī)器視覺作為一種新興科學(xué)技術(shù)，在水果分級(jí)領(lǐng)域有巨大的發(fā)展空間。本文從我國(guó)水果分級(jí)現(xiàn)狀入手，分析機(jī)器視覺技術(shù)及其對(duì)水果分級(jí)帶來(lái)的好處，對(duì)中國(guó)現(xiàn)有的機(jī)器視覺分級(jí)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)述，深入剖析現(xiàn)代化先進(jìn)的水果分級(jí)技術(shù)及其設(shè)備難以在生產(chǎn)生活實(shí)施的問題，提出相應(yīng)的解決措施，希望為我國(guó)水果市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展和水果分級(jí)領(lǐng)域的研究創(chuàng)新做出積極貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；水果分級(jí)；分級(jí)方法；供應(yīng)鏈

一、引言

在當(dāng)今“質(zhì)享”經(jīng)濟(jì)的大趨勢(shì)下，大眾消費(fèi)水平和膳食營(yíng)養(yǎng)水平都在持續(xù)提升，大眾對(duì)水果消費(fèi)行為由剛需食品消費(fèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樾蓍e零食消費(fèi)，對(duì)水果的消費(fèi)需求也從功能性需求過渡到品質(zhì)化需求。消費(fèi)者對(duì)水果價(jià)格的整體敏感度下降，水果行業(yè)從性價(jià)比競(jìng)爭(zhēng)逐漸走向品質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，消費(fèi)者更加看重水果的新鮮度、品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。然而，中國(guó)水果市場(chǎng)被進(jìn)口水果沖擊嚴(yán)重。根據(jù)聯(lián)合國(guó)商品貿(mào)易庫(kù)的數(shù)據(jù)，中國(guó)是世界上最大的水果和蔬菜生產(chǎn)國(guó)，表觀消費(fèi)量遠(yuǎn)超排名第二的國(guó)家，但是水果銷售以本國(guó)消費(fèi)為主，參與貿(mào)易的比例一直很低。

造成這樣的原因是農(nóng)民組織化程度低、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、水果采收和流通設(shè)施落后、農(nóng)產(chǎn)品流通渠道較長(zhǎng)且復(fù)雜，水果采摘之后只按照大小和重量進(jìn)行簡(jiǎn)單的分級(jí)，分級(jí)程度差、時(shí)效性低、流通周期長(zhǎng)、物流成本高、腐損浪費(fèi)嚴(yán)重。所以，將機(jī)器視覺等各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于水果分級(jí)，提升水果流通效率，減少水果浪費(fèi)，是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和市場(chǎng)擴(kuò)大的關(guān)鍵。

二、我國(guó)水果分級(jí)現(xiàn)狀

目前我國(guó)國(guó)內(nèi)水果商品化處理過程中的清潔、打蠟設(shè)備已經(jīng)比較成熟，關(guān)鍵在于分級(jí)技術(shù)比較落后，還未有十分健全的水果分級(jí)設(shè)備。

傳統(tǒng)的水果分級(jí)方式主要有人工檢測(cè)和機(jī)械檢測(cè)。人工檢測(cè)大多是由農(nóng)民自行揀選或招募工人，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢，耽誤水果最佳食用時(shí)間，而且分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，分類的效率容易受到人們的情緒、疲勞程度以及身體狀況等因素的影響。傳統(tǒng)的機(jī)械分級(jí)也只是根據(jù)水果的大小和質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，而無(wú)法對(duì)水果的成熟度、顏色、表面缺陷等指標(biāo)進(jìn)行精確檢測(cè)，也就無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)水果的品質(zhì)分級(jí)，而且會(huì)對(duì)水果造成一定程度的機(jī)械損傷，在檢測(cè)的過程中粗暴的運(yùn)輸方式容易碰傷水果，水果一旦受到損傷，其保質(zhì)期就會(huì)被縮短，慢慢變得腐爛。

水果分級(jí)的指標(biāo)分為外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)，傳統(tǒng)的人工與簡(jiǎn)易機(jī)械分級(jí)方式大多是對(duì)于外部品質(zhì)的分級(jí)，無(wú)法兼顧水果內(nèi)部品質(zhì)。同時(shí)，現(xiàn)行的水果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)方法應(yīng)用最多的是化學(xué)分析法，通過對(duì)少量的樣本進(jìn)行破壞和內(nèi)部檢測(cè)來(lái)判定整批水果的品質(zhì)，可靠性和穩(wěn)定性都比較低。

三、機(jī)器視覺技術(shù)概述

機(jī)器視覺是一種利用計(jì)算機(jī)和攝像機(jī)等設(shè)備，通過對(duì)圖像和視頻進(jìn)行采集、處理、分析和理解，實(shí)現(xiàn)模擬和模仿人類視覺系統(tǒng)的技術(shù)。機(jī)器視覺結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理、模式識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的方法和技術(shù)，對(duì)采集到的圖像或視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、增強(qiáng)對(duì)比度、圖像配準(zhǔn)、圖像矯正等，然后通過圖像處理算法和特征提取方法，從圖像或視頻中提取出有用的特征信息，如邊緣、紋理、顏色、形狀等，之后根據(jù)事先定義好的目標(biāo)類別，利用特定的算法和模型，在圖像或視頻中檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)物體的位置、軌跡和狀態(tài)，再將提取到的特征與事先建立好的模型進(jìn)行比較和匹配，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別與分類。

機(jī)器視覺技術(shù)的主要目標(biāo)是使機(jī)器能夠從圖像或視頻數(shù)據(jù)中獲取信息，并根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的決策或執(zhí)行特定的任務(wù)，對(duì)實(shí)時(shí)場(chǎng)景進(jìn)行感知、識(shí)別和理解，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化和高效率的應(yīng)用。

四、基于機(jī)器視覺技術(shù)的水果分級(jí)方法的優(yōu)點(diǎn)

1.提高分級(jí)的準(zhǔn)確性

基于機(jī)器視覺的水果品質(zhì)分級(jí)方法是通過深度學(xué)習(xí)等圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行水果品質(zhì)分級(jí)，可以從水果特征的多個(gè)方面提供高度準(zhǔn)確的分級(jí)，不僅可將腐爛果、傷殘果、畸形果、病蟲危害嚴(yán)重的不合格果剔除，使同一級(jí)別水果大小整齊，外形美觀，便于包裝、貯運(yùn)、稱重和銷售，而且可以對(duì)水果的內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

2.提高生產(chǎn)效率

基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化分級(jí)系統(tǒng)能夠處理大量的水果，迅速而精確地進(jìn)行分類，減少了人工操作，大大縮短了貨物送達(dá)的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。相比傳統(tǒng)的手工分級(jí)方式，基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化水果分級(jí)系統(tǒng)能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，同時(shí)減少了人為因素對(duì)分級(jí)結(jié)果的影響，降低了生產(chǎn)成本。

3.增強(qiáng)產(chǎn)品的品牌價(jià)值

消費(fèi)者在購(gòu)買水果時(shí)往往會(huì)重視品質(zhì)、新鮮度和外觀等因素，通過使用機(jī)器視覺自動(dòng)水果分級(jí)系統(tǒng)，可以向消費(fèi)者提供不同品質(zhì)的水果產(chǎn)品，并且確保這些產(chǎn)品都符合相應(yīng)品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，保證水果的質(zhì)量穩(wěn)定性和外觀美觀度，從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，有效提升品牌的價(jià)值和聲譽(yù)，吸引更多的消費(fèi)者，擴(kuò)大市場(chǎng)份額。

4.適應(yīng)市場(chǎng)需求

分級(jí)具有靈活性，將機(jī)器視覺與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)結(jié)合，可以根據(jù)市場(chǎng)需求和趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整和預(yù)測(cè)。如果某種特定等級(jí)或品質(zhì)的水果需求上升，該分級(jí)方法可以相應(yīng)地增加該等級(jí)或品質(zhì)的水果分類，以滿足消費(fèi)者的需求。同時(shí)，如果市場(chǎng)對(duì)某種品質(zhì)的水果需求下降，也可以相應(yīng)地減少該品質(zhì)的水果分類，以避免可能的庫(kù)存過剩和損失。

5.提高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

采用現(xiàn)代技術(shù)的水果分級(jí)方式可以最大限度地減少人員介入，從而降低了潛在的衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)，使得水果更符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于提高消費(fèi)者對(duì)水果的信任度和滿意度具有重要意義。同時(shí)，安全衛(wèi)生的生產(chǎn)過程也更符合國(guó)外出口產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，有利于打開海外市場(chǎng)。

五、基于機(jī)器視覺技術(shù)的水果分級(jí)方法研究現(xiàn)狀

以下是我國(guó)學(xué)者運(yùn)用機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)從水果的外部缺陷、顏色、形狀、含糖量4個(gè)方面對(duì)水果分級(jí)的相關(guān)研究。

1.外部缺陷

馬秀麗（2011）提出應(yīng)用視覺注意力選擇機(jī)制對(duì)獲取到的水果圖像進(jìn)行缺陷檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明基于注意力選擇的檢測(cè)結(jié)果更接近人對(duì)缺陷的判定，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到97.7%。在正確檢測(cè)到水果表面缺陷的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算缺陷區(qū)域灰度共生矩和顏色矩來(lái)提取缺陷區(qū)域的紋理特征和灰度特征，并使用支持向量機(jī)的方法對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行分類，識(shí)別率能達(dá)到較滿意的效果，為95.8%。邱鵬等（2023）在香梨表面損傷識(shí)別的研究中，采用CNN和圖像分割來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷的自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別，利用平均灰度值方法、特征提取和CNN分類器的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練，進(jìn)行了表面缺陷分類檢測(cè)，準(zhǔn)確率可以達(dá)到 91%。

2.顏色

馬秀麗（2011）針對(duì)彩色空間色度分量存在不連續(xù)點(diǎn)的問題，提出了色度旋轉(zhuǎn)方法，將彩色平面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°，然后對(duì)經(jīng)過色度Hue旋轉(zhuǎn)的色度分量進(jìn)行直方圖分析，以獲取不同顏色類別水果的色度變化范圍，最后使用最小距離分類器對(duì)其進(jìn)行分類，可得到97.2%的準(zhǔn)確率。饒秀勤等（2009）提出了一種基于面積加權(quán)直方圖的水果表面顏色特征提取方法，利用水果的H分量面積加權(quán)直方圖提取水果表面顏色，補(bǔ)償水果表面曲率變化引入的檢驗(yàn)誤差，在模式識(shí)別部分采用了主成分分析方法和馬氏距離分析方法對(duì)水果表面顏色進(jìn)行分級(jí)，總的分級(jí)誤差僅為1.75%。

3.形狀

姚立健等（2012）采用數(shù)字圖像處理的方法，對(duì)RGB圖像進(jìn)行預(yù)處理，用一個(gè)與水果目標(biāo)具有同樣二階矩的橢圓來(lái)近似表示水果的形狀，然后通過RP算法訓(xùn)練，得到一個(gè)具有9個(gè)隱層神經(jīng)元的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，平均正確率為 92.5%。孫曉杰（2023）提出了一種優(yōu)化型殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蘋果外觀品質(zhì)分級(jí)方法，以ResNet-34為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，將殘差單元中的標(biāo)準(zhǔn)卷積替換為分組卷積，以降低模型的參數(shù)量和時(shí)間復(fù)雜度，加入Channel Shuffle實(shí)現(xiàn)組間混合通信和分組信息融合，使所提取的圖像特征更加豐富，同時(shí)引入通道注意力機(jī)制 ECA 模塊增強(qiáng)關(guān)鍵信息、抑制無(wú)用信息，提高模型特征表達(dá)能力，最后用并行池化替換傳統(tǒng)單一池化層，進(jìn)而最大限度地保留特征信息。

4.含糖量

李軍良（2011）通過比較發(fā)現(xiàn)，從水果的近紅外光譜數(shù)據(jù)中提取出主成分特征，采用信息融合技術(shù)，在特征層融合DSP和近紅外光譜儀兩種不同傳感器的信息，建立了與近紅外信息融合的蘋果內(nèi)部品質(zhì)糖度分級(jí)模型，其分級(jí)正確率更高。黃星奕等（2012）運(yùn)用SUV對(duì)杏干近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，分別采用偏最小二乘法（PLS）、向后區(qū)間偏最小二乘法（biPLS）和聯(lián)合區(qū)間偏最小二乘法（siPLS）建立杏干糖度的近紅外光譜模型并進(jìn)行比較，得出用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合biPLS 法能快速無(wú)損地檢測(cè)杏干糖度。

六、水果分級(jí)技術(shù)應(yīng)用的問題分析及解決措施

雖然我國(guó)已有很多關(guān)于水果分級(jí)方面的研究，但是大多都停留在理論層面，受諸多因素的限制，難以做到真正落地實(shí)施，以下是關(guān)于用機(jī)器視覺及相關(guān)技術(shù)在水果分級(jí)中應(yīng)用的問題分析及解決措施。

1.問題分析

（1） 相關(guān)設(shè)施設(shè)備建設(shè)成本高

實(shí)施水果分級(jí)需要一系列先進(jìn)的設(shè)備和設(shè)施，如光電分選機(jī)、傳輸帶、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等，這些設(shè)備的采購(gòu)、安裝和維護(hù)費(fèi)用均較高，對(duì)于一些規(guī)模較小或經(jīng)濟(jì)薄弱的水果種植戶而言負(fù)擔(dān)較大。此外，大規(guī)模的設(shè)施建設(shè)還需要消耗大量的人力、物力資源，導(dǎo)致實(shí)施難度增加。

（2） 運(yùn)行實(shí)施需要專業(yè)化知識(shí)

水果分級(jí)涉及復(fù)雜的光學(xué)識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理和數(shù)據(jù)分析等方面的知識(shí)，需要專業(yè)人士進(jìn)行操作和維護(hù)。然而，我國(guó)在這方面的人才儲(chǔ)備相對(duì)較少，從事人工水果分級(jí)的大多為農(nóng)村剩余勞動(dòng)力，缺乏具備專業(yè)知識(shí)的技術(shù)人員、農(nóng)民和經(jīng)營(yíng)者，難以有效地操作和管理分級(jí)設(shè)備，這也限制了水果分級(jí)實(shí)施的范圍和效果。

（3） 分級(jí)的設(shè)施設(shè)備存在適應(yīng)性問題

水果的大小、形狀、顏色和品質(zhì)各不相同，現(xiàn)在的分級(jí)研究大多是針對(duì)單一品種或外觀相似品質(zhì)的水果，難以適應(yīng)眾多水果品種的分級(jí)要求。分級(jí)過程中，水果的外觀可能受到光照、濕度和其他環(huán)境因素的影響，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)的性能受到波動(dòng)，分級(jí)結(jié)果不準(zhǔn)確。

（4） 初期使用時(shí)數(shù)據(jù)標(biāo)注困難

機(jī)器視覺等多種技術(shù)組合的水果分級(jí)系統(tǒng)通常依賴大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)學(xué)習(xí)識(shí)別和分級(jí)，數(shù)據(jù)的標(biāo)注過程是耗時(shí)且昂貴的，在分級(jí)系統(tǒng)正式投入使用之前還需要經(jīng)過多次調(diào)試，不適宜保鮮期較短的水果。

（5） 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不一致

水果分級(jí)必須確保分級(jí)的準(zhǔn)確性，以滿足市場(chǎng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但是我國(guó)還沒有關(guān)于水果的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系，各地區(qū)、各企業(yè)甚至各個(gè)環(huán)節(jié)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，極大地限制了水果的流通。

2.解決措施

（1） 提供資金或設(shè)備租賃計(jì)劃

政府可以通過農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼計(jì)劃、農(nóng)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目或資金援助，以協(xié)助農(nóng)民和農(nóng)業(yè)企業(yè)購(gòu)買智慧化水果分級(jí)設(shè)備或技術(shù)。農(nóng)業(yè)合作社和農(nóng)業(yè)企業(yè)可以建立共享設(shè)備或設(shè)備租賃計(jì)劃，將設(shè)備成本分?jǐn)偨o多個(gè)農(nóng)戶，降低每個(gè)農(nóng)戶的成本，減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。金融機(jī)構(gòu)可以提供農(nóng)民和農(nóng)業(yè)企業(yè)購(gòu)買先進(jìn)的水果分級(jí)技術(shù)所需的融資支持。

（2） 提供培訓(xùn)和技術(shù)支持

由技術(shù)供應(yīng)商安排具有豐富技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)培訓(xùn)師，根據(jù)不同用戶群體的需求進(jìn)行培訓(xùn)計(jì)劃的定制，包括農(nóng)民、工人和技術(shù)維護(hù)人員。建立涵蓋操作設(shè)備的基本培訓(xùn)、維護(hù)和故障排除的培訓(xùn)以及安全培訓(xùn)等全面的培訓(xùn)計(jì)劃。提供易于理解的培訓(xùn)材料，如用戶手冊(cè)、視頻教程和圖形說明等，這些材料可以幫助用戶在培訓(xùn)結(jié)束后繼續(xù)參考和學(xué)習(xí)。設(shè)立熱線電話或在線支持渠道，以便用戶能夠在需要時(shí)獲得技術(shù)支持。培訓(xùn)內(nèi)容也需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展定期更新，反映最新的技術(shù)和最佳應(yīng)用方法。政府和農(nóng)業(yè)組織可以提供財(cái)政支持，盡量減少或減免培訓(xùn)費(fèi)用，以確保培訓(xùn)的普及性。

（3） 將基于機(jī)器視覺的水果分級(jí)作為供應(yīng)鏈的一環(huán)

水果在收獲后，經(jīng)過采集后立即送入分級(jí)設(shè)備，根據(jù)市場(chǎng)需求，設(shè)備根據(jù)水果的大小、重量、顏色和質(zhì)量等參數(shù)將水果精確、高效地劃分為不同等級(jí)，加快供應(yīng)鏈的響應(yīng)速度，減少等待時(shí)間，確保高質(zhì)量的產(chǎn)品進(jìn)入高端市場(chǎng)，而次級(jí)產(chǎn)品則可以用于加工或其他用途，最大限度地提高收益，減少浪費(fèi)。同時(shí)水果分級(jí)系統(tǒng)記錄和存儲(chǔ)每個(gè)水果相關(guān)的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)地、收獲日期和分級(jí)結(jié)果，這有助于供應(yīng)鏈追溯和質(zhì)量控制，提高了產(chǎn)品的安全性和可追溯性。還可以對(duì)供應(yīng)商的產(chǎn)品信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，經(jīng)市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)和調(diào)研后，收購(gòu)商可根據(jù)需求信息選擇合適的供應(yīng)商，以適應(yīng)市場(chǎng)變化，減少因產(chǎn)品不符合市場(chǎng)需求而造成的浪費(fèi)。

（4） 繼續(xù)深入對(duì)水果分級(jí)方式方法的研發(fā)

開發(fā)通用的水果分級(jí)算法和系統(tǒng)，不只針對(duì)單一的水果品種，甚至可以開發(fā)對(duì)于各類蔬菜的分級(jí)系統(tǒng)。提高水果分級(jí)系統(tǒng)的適應(yīng)性，在不同光照、溫度、濕度的環(huán)境條件下都能實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的分級(jí)。不僅要注重外部品質(zhì)的分級(jí)，內(nèi)部品質(zhì)也同等重要，加強(qiáng)對(duì)于水果內(nèi)、外部品質(zhì)相結(jié)合的水果分級(jí)系統(tǒng)的研發(fā)。

（5） 制定相對(duì)統(tǒng)一的水果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范

我國(guó)政府機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)、行業(yè)組織應(yīng)共同努力協(xié)調(diào)，制定統(tǒng)一的水果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并大力推廣實(shí)施。鼓勵(lì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，以確保國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品符合國(guó)際市場(chǎng)的需求，擴(kuò)大產(chǎn)品的出口機(jī)會(huì)。政府和相關(guān)組織提供培訓(xùn)和教育，以確保生產(chǎn)者、包裝廠和果蔬分級(jí)設(shè)備的操作員乃至消費(fèi)者了解和遵守標(biāo)準(zhǔn)。建立質(zhì)量認(rèn)證體系，對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證，提高產(chǎn)品的信譽(yù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。加強(qiáng)監(jiān)督和執(zhí)法，確保水果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得到有效執(zhí)行，對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品進(jìn)行處罰，確保市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量和安全。

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