自動(dòng)分揀機(jī)器視覺(jué)算法研究

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1、自動(dòng)分揀機(jī)器視覺(jué)算法研究 自動(dòng)分揀機(jī)器視覺(jué)算法研究 2016/01/23 《浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)》2015年第十期 摘要: 柑橘罐頭生產(chǎn)過(guò)程中，脫囊衣后橘片存在囊衣、橘核殘留，橘片破損等缺陷，影響產(chǎn)品品質(zhì)。目前，生產(chǎn)中都采用人工分揀剔除，試驗(yàn)針對(duì)以上3種缺陷橘片設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的機(jī)器視覺(jué)快速檢測(cè)算法，并構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái)，檢測(cè)算法準(zhǔn)確率與效率。結(jié)果表明，采用該算法檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)到(99.10.5)%，平均耗時(shí)(175)ms，可實(shí)現(xiàn)每秒(6419)片的檢測(cè)速度。

2、 關(guān)鍵詞: LabVIEW;機(jī)器視覺(jué);自動(dòng)分揀算法;脫囊衣橘片 我國(guó)是世界上最大的柑橘罐頭生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量占世界貿(mào)易量的90%以上。新鮮柑橘經(jīng)剝皮、分瓣、脫囊衣、分揀、灌裝、殺菌等工序制成橘片罐頭。在酸堿脫囊衣工序后，有些橘片破損，帶核或囊衣未脫凈，這些橘片會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)，需要將其剔除。由于橘片大小多樣，且缺陷形態(tài)與位置各不相同，無(wú)法用簡(jiǎn)單的傳感器檢測(cè)，目前，該步驟完全由人工完成，需要耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且有一定的衛(wèi)生隱患。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是以相機(jī)等成像傳感器取代人眼，獲得圖像并由控制器處理判別的一種技術(shù)，可用于產(chǎn)品的缺陷檢測(cè)、物體判斷和尺寸測(cè)量等方面［1－2］，被廣泛用于

3、各種工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)品的檢測(cè)。隨著視覺(jué)算法的改進(jìn)，機(jī)器視覺(jué)也開(kāi)始應(yīng)用于大小形態(tài)不一的農(nóng)產(chǎn)品［3］，如劉建軍等［4］將機(jī)器視覺(jué)用于山核桃外觀與大小的等級(jí)檢測(cè)，Leemans等［5］采用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)蘋(píng)果缺陷。本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)及其視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)囊衣殘留、橘片破損、橘核殘留3種常見(jiàn)脫囊衣后橘片缺陷的機(jī)器視覺(jué)算法，以期以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)柑橘橘片的自動(dòng)分揀。 1材料與方法 1．1材料與儀器試驗(yàn)用柑橘為溫州蜜柑，采自浙江臺(tái)州黃巖地區(qū)。主要儀器設(shè)備包括:NationalInstrumentsUSB-6341數(shù)據(jù)采集卡，美國(guó)NationalInstruments公司;Bas

4、lerpiA640-210gc工業(yè)相機(jī)，德國(guó)Basler公司;Computar15mm鏡頭，日本Computar公司;HX-A00-D92-Ｒ4-W環(huán)形光源，BGL2-D100-Ｒ-24V背景光源，上海緯朗光電科技有限公司。編程軟件:LabVIEW，美國(guó)NationalInstru-ments公司;工控計(jì)算機(jī)平臺(tái):NIPXIe-8133控制器，美國(guó)NationalInstruments公司。 1．2試驗(yàn)平臺(tái)本文構(gòu)建的視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)由工業(yè)相機(jī)、透射光源、反射光源、樣品臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡、工控計(jì)算機(jī)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中，工業(yè)相機(jī)用于采集橘片圖像;透射光源采用紅色背光源，反射光源采用白色環(huán)

5、形光源;數(shù)據(jù)采集卡用于控制光源開(kāi)關(guān)，并觸發(fā)工業(yè)相機(jī)采集圖像，每次檢測(cè)依次點(diǎn)亮透射光源與反射光源，采集兩張圖像;工控計(jì)算機(jī)用于對(duì)采集圖像的處理。 1．3程序設(shè)計(jì) 1．3．1檢測(cè)流程檢測(cè)流程如圖2所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡控制透射光源與反射光源依次點(diǎn)亮，并觸發(fā)采集兩張圖像。采集透射圖像用于橘核殘留檢測(cè)，采集反射圖像用于囊衣殘留檢測(cè)與橘片破損檢測(cè)，圖像經(jīng)3種檢測(cè)算法處理，3者結(jié)果均為通過(guò)的橘片為合格橘片。 1．3．2檢測(cè)與控制程序采用LabVIEW編寫(xiě)檢測(cè)與控制程序，控制程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集觸發(fā)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，當(dāng)按下觸發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)執(zhí)行圖像采集與檢測(cè)程序，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出

6、控制信號(hào)，依次控制背景光源與環(huán)形光源點(diǎn)亮，同時(shí)觸發(fā)相機(jī)采集透射與反射圖像，執(zhí)行橘核殘留檢測(cè)、囊衣殘留檢測(cè)、橘片破損檢測(cè)3種缺陷檢測(cè)算法，將結(jié)果進(jìn)行“與”運(yùn)算后，輸出為最終檢測(cè)結(jié)果。 1．3．3缺陷檢測(cè)算法采集的彩色圖像首先經(jīng)灰度化處理，通過(guò)提取紅色Ｒ、藍(lán)色B分量，以及亮度分量L將彩色圖像轉(zhuǎn)化為3種灰度圖像。其中，Ｒ分量圖像用于計(jì)算橘片輪廓，B分量圖像用于提取囊衣殘留特征，L分量圖像用于在背光圖像中提取橘核殘留特征。ＲGB圖像由紅綠藍(lán)3個(gè)8-bit值構(gòu)成［6］，通過(guò)將每個(gè)值與特定系數(shù)相乘后求和轉(zhuǎn)化為灰度值。二值化后的圖像通過(guò)形態(tài)學(xué)過(guò)濾去除貼邊的物體和過(guò)小的物體，最終保留所需的缺陷圖像，通過(guò)

7、顆粒分析將圖片中保留的缺陷特征量化，計(jì)算物體面積、直徑等，通過(guò)與預(yù)設(shè)的缺陷閾值對(duì)比得到檢測(cè)結(jié)果。取3種缺陷橘片各1000片，用于算法與檢測(cè)程序的運(yùn)算耗時(shí)與準(zhǔn)確率測(cè)試，將橘片依次放入檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)5次，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果。 2結(jié)果與分析 2．1橘核殘留檢測(cè)結(jié)果橘核殘留檢測(cè)各步驟圖像處理結(jié)果如圖4所示。采集的透射圖像用于橘核殘留識(shí)別，由于橘片厚薄不均勻，外緣較厚，在圖像中會(huì)形成陰影影響橘核判別(圖4-A)。完整橘片外緣為弧形，因此，可通過(guò)檢測(cè)圓弧確定內(nèi)外緣，而橘核處于橘片內(nèi)緣，由此可將較厚的外緣陰影分離。經(jīng)圖像增強(qiáng)(圖4-B)與二值化處理(圖4-C)，獲得輪廓圖像，計(jì)算外緣圓弧半徑r

8、與圓心坐標(biāo)p(x，y)，在p點(diǎn)繪制半徑r=kr(k為半徑系數(shù)，定義為橘核檢測(cè)區(qū)域半徑與橘片外緣圓弧半徑的比值)的圓形蒙版，去除圓形區(qū)域外的圖像(圖4-D)。從圖4-D中可見(jiàn)分離的橘核特征圖像，當(dāng)陰影面積大于200pixels時(shí)，判定存在橘核殘留缺陷。橘核殘留檢測(cè)耗時(shí)(73)ms。圖5為不同半徑系數(shù)k下橘核殘留檢測(cè)準(zhǔn)確率，可見(jiàn)，在半徑系數(shù)為0.4時(shí)準(zhǔn)確率最高，準(zhǔn)確率可達(dá)到(99.50.3)%。 2．2囊衣殘留檢測(cè)結(jié)果圖6所示為囊衣殘留檢測(cè)各步驟圖像處理結(jié)果。囊衣是柑橘橘片表面的一層白色薄膜狀組織，為了降低橘片食用時(shí)的殘?jiān)校a(chǎn)中通過(guò)酸堿脫囊衣處理去除橘片表面囊衣，部分橘片囊衣未除盡，仍有

9、部分囊衣殘留在橘片表面。采集的反射圖像通過(guò)提取紅色分量(圖6-A)可以獲得橘片輪廓，從而將橘片區(qū)域與背景分離(圖6-A)。囊衣殘留呈現(xiàn)白色，與橘片本身的橘色有較大反差，通過(guò)提取藍(lán)色分量，可以獲得對(duì)比度較高的圖像(圖6-C)，經(jīng)過(guò)二值化與顆粒過(guò)濾，去除較小的干擾點(diǎn)后可提取囊衣殘留圖像(圖6-D)，統(tǒng)計(jì)殘留區(qū)域像素?cái)?shù)判定是否存在囊衣殘留，若面積大于100pixels，則判定存在囊衣殘留缺陷。圖6-D所示為分離的囊衣殘留特征。囊衣殘留檢測(cè)耗時(shí)(21)ms，檢測(cè)準(zhǔn)確率(99.80.2)%。 2．3橘片破損檢測(cè)結(jié)果圖7所示為橘片破損檢測(cè)各步驟圖像處理結(jié)果。采集反射圖像提取紅色分量，可以獲得與背景對(duì)

10、比度較大的灰度圖像(圖7-A)，二值化后提取橘片區(qū)域。常見(jiàn)的破損橘片有碎塊與缺裂兩類(lèi)，橘片碎塊通常面積較小，低于合格要求，若橘片區(qū)域總像素低于30000pixels，判定橘片不合格。橘片缺裂在二值化的圖像上表現(xiàn)為輪廓上大塊凹陷(圖7-B)，通過(guò)凸包算法處理，產(chǎn)生一個(gè)囊括橘片圖像中所有點(diǎn)的凸多邊形，填充凹陷缺口(圖7-C)，可用減法算子將填充的部分分離出來(lái)，即為缺裂特征圖像(圖7-D)，此特征面積超過(guò)1000pixels時(shí)，橘片不合格。橘片破損檢測(cè)耗時(shí)(31)ms，準(zhǔn)確率(99.70.2)%。 2．4缺陷橘片檢測(cè)樣品橘片依次采集透射與反射圖像，經(jīng)上述橘核檢測(cè)、囊衣殘留檢測(cè)、破損檢測(cè)，最終判

11、斷橘片是否合格，經(jīng)測(cè)試，檢測(cè)程序平均耗時(shí)(175)ms，可實(shí)現(xiàn)(6419)片s－1的檢測(cè)速率，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)(99.10.5)%。 3小結(jié) 本研究基于LabVIEW，設(shè)計(jì)了一種脫囊衣橘片檢測(cè)算法，可檢測(cè)囊衣殘留，橘核殘留，橘片破損3種常見(jiàn)缺陷類(lèi)型，檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)(99.10.5)%，檢測(cè)程序完成對(duì)囊衣殘留、橘核殘留、橘片破損3種檢測(cè)平均總耗時(shí)(175)ms，具有較高的識(shí)別度和識(shí)別效率。后續(xù)需要進(jìn)一步研究能夠?qū)崿F(xiàn)橘片分揀剔除的裝置，以實(shí)現(xiàn)橘片自動(dòng)分揀。 參考文獻(xiàn): ［1］SonkaM，HlavacV，BoyleＲ．Imageprocessing，analysis，andma

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