基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法與裝置的製作方法

2023-09-11 18:15:25 3

專利名稱：基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及自動化生產過程在線質量檢測領域，特別涉及一種基於機器視覺的塊 狀農產品尺寸在線測量方法與裝置。
背景技術：
機器視覺是一項集合了數字圖像處理、機械、控制、照明、光學、計算機軟硬體等技 術的一項綜合技術。機器視覺系統可以實現對產品的無損害檢測，快速獲取大量信息，因 此，機器視覺技術作為一種重要的檢測手段已經日益引起人們的重視，並廣泛地應用於成 品檢驗和質量控制等領域。生切塊狀農產品的合格率主要由塊狀農產品的尺寸和顏色兩種外觀特徵決定。在 機器視覺中，可以通過簡單的顏色空間轉換和自適應閾值法區分不同的顏色信息，因此，研 究開發能夠準確、高效、快捷的測量塊狀農產品尺寸的方法和裝置，對塊狀農產品合格率檢 測以及塊狀農產品的大批量、自動化生產加工，具有重要意義。目前塊狀農產品的分選主要 依靠感官評判的方法。感官評判是由訓練有素的專業分選人員對塊狀農產品的尺寸和顏色 等外觀特徵進行逐一評判來分選合格的塊狀農產品和不合格的塊狀農產品，但人的感覺器 官的靈敏度受到經驗、精神狀態、身體狀況以及周圍環境等因素的幹擾，並且長時間單調乏 味的重複勞動，容易使人產生視覺疲勞，從而影響分選結果的準確性。目前還沒用利用機器 視覺對塊狀農產品合格率進行自動在線檢測的方法和裝置。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是自動測量塊狀農產品的尺寸，實現塊狀農產品合格率 的在線檢測。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提出了一種基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方 法，包括步驟Si、沿塊狀農產品傳送方向，根據傳送帶的傳送速度，通過設置時鐘觸發攝像機在 一定的時間間隔內採集一幀所述塊狀農產品的圖像；S2、將所採集的所述塊狀農產品的圖像進行預處理，並將所述塊狀農產品從其背 景中分離；S3、提取連通區域，得到獨立塊狀農產品，計算塊狀農產品面積並去除面積不合格 的塊狀農產品，隨後計算包含面積合格的塊狀農產品的最小矩形，並計算矩形擬合度；S4、將擬合度與尺寸合格的塊狀農產品差別超過設定門限值的判定為尺寸不合格 的塊狀農產品，並計算塊狀農產品的合格率。其中，步驟Sl中採集一幀所述塊狀農產品的圖像的方法是使待檢測塊狀農產品 通過振動器均勻地通過所述傳送帶傳送到所述攝像機的下方，通過設置時鐘觸發所述攝像
4機採集圖像，並將採集的圖像通過光纖傳輸器傳輸至計算機。其中，步驟S2的具體過程是採用中值濾波法對所述塊狀農產品的圖像進行去除 噪聲的預處理，並採用自適應閾值算法將所述塊狀農產品從其背景中分離。其中，步驟S3的具體過程是利用形態學開閉運算對與背景分離的所述塊狀農產 品的圖像進行空洞填充，然後利用序貫算法提取連通區域，從而獲得所述塊狀農產品的面 積，並根據面積合格的塊狀農產品通過閾值法去除面積不合格的塊狀農產品，接著利用霍 夫變換計算包含所述面積合格的塊狀農產品的最小矩形、並計算矩形擬合度。本發明還提供了一種基於機器視覺的塊狀農產品在線測量裝置，其特徵在於，包 括鮮切刀具、位於所述鮮切刀具下方的振動器、與所述振動器連接的傳送帶、位於所述傳送 帶上方的攝像機，與所述攝像機的輸出連接的光纖傳輸器，所述光纖傳輸器的輸出通過數 據傳輸電纜與計算機連接，所述計算機內具有尺寸測量單元，其中，還包括用於支撐所述攝像機的支架以及均勻分布在所述攝像機周圍的LED 光源。其中，所述攝像機具有1394標準接口，並且所述信號光纖傳輸器的類型為 IEEE1394。其中，所述測量單元包括圖像輸入設備控制模塊、圖像預處理模塊、圖像特徵提 取模塊以及塊狀農產品合格率輸出模塊，其中，所述圖像輸入設備控制模塊用於採集塊狀農產品圖像，所述圖像預處理模塊用於將所採集的塊狀農產品的圖像進行預處理，並將所述塊 狀農產品從其背景中分離，所述圖像特徵提取模塊用於提取連通區域，得到獨立塊狀農產品，計算塊狀農產 品面積並去除面積不合格的塊狀農產品，隨後計算包含面積合格的塊狀農產品的最小矩 形，並計算矩形擬合度，所述塊狀農產品合格率輸出模塊用於將擬合度與尺寸合格的塊狀農產品差別超 過設定門限值的判定為尺寸不合格的塊狀農產品，並計算塊狀農產品的合格率。(三)有益效果本發明的上述技術方案具有如下優點基於機器視覺的塊狀農產品在線測量方法 模仿人的信息處理功能，利用高精度在線模式識別系統處理圖像數據，並通過與標準的塊 狀農產品特徵信息比較、判別，區分合格的塊狀農產品和不合格的塊狀農產品，並得到塊狀 農產品的合格率。本發明與人工檢測相比，結果更客觀公正，並且不會對人的健康和塊狀農產品的 衛生情況造成損害，將機器視覺用於塊狀農產品分選過程中，既可以解放勞動力，使人脫離 重複乏味的簡單勞動，又可以排除人的主觀因素幹擾，提高檢測的可信度，該發明可以應用 於塊狀農產品的自動化生產、檢測過程。


圖1是本發明基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量裝置實施例的裝置示意 圖；圖2是本發明基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量裝置的測量單元的示意圖；圖3是本發明基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法的流程示意圖。其中1、鮮切刀具；2、振動器；3、傳送帶；4、LED光源；5、攝像機；6、數據傳輸電 纜；7、信號光纖傳輸器；8、計算機；9、支撐架。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。如圖1所示為本發明的基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量裝置，以土豆丁 為例，其工作過程如下土豆在鮮切刀具1中被切成土豆丁，經過振動器2，讓土豆丁均勻地 通過傳送帶3傳送到攝像機5的CXD下方，調整支撐架9的高度和攝像機5的焦距，使攝像 機5鏡頭的上邊緣與傳送帶保持在一個水平面上，並使待測土豆丁在攝像機5中的大小合 適，同時根據當前的光照環境調整LED光源4的亮度，為測量提供穩定可靠的光照條件，通 過設置時鐘觸發攝像機在一定的時間間隔內採集圖像，具有IEEE1394標準接口的信號光 纖傳輸器7通過數據傳輸電纜6將攝像機5和計算機8連接，將攝像機5採集到的土豆丁 圖像傳輸給計算機8，攝像機5也具有IEEE1394標準接口，因為選用具有IEEE1394標準接 口的工業數字攝像機，在數據傳輸過程中佔有資源較少，適合於一臺計算機與多臺數字攝 像機同時使用，能夠對多條生產線進行在線檢測；計算機8內的土豆丁尺寸測量單元模擬 人的大腦對圖像數據進行模式識別處理，最後由計算機8計算出被測土豆丁的合格率，並 輸出顯示。如圖2所示，塊狀農產品尺寸測量單元包括圖像輸入設備控制模塊、圖像預處理 模塊、圖像特徵提取模塊和塊狀農產品合格率輸出模塊等四大模塊，其中圖像輸入設備控 制模塊的功能為控制相關設備在線採集土豆丁圖像，圖像預處理模塊的功能為進行圖像預 處理以及把土豆丁從背景中分割出來，圖像特徵提取模塊的功能為提取連通區域及其面 積、用最小矩形擬合每個連通區域並計算其擬合度，並通過融合這兩個特徵區分合格的土 豆丁和不合格的土豆丁，塊狀農產品合格率輸出模塊的功能為計算並輸出塊狀農產品的尺 寸和合格率。如圖3所示，塊狀農產品尺寸測量單元計算土豆丁的合格率的具體過程如下1、首先由圖像輸入設備控制模塊如上所述控制相關設備在線採集一幀土豆丁圖 像；2、圖像預處理模塊採用中值濾波法對所採集的土豆丁圖像進行預處理，這是由於 圖像信息在採集過程中會受到很多噪聲源的幹擾，若不經過去噪，會對後續的背景分割帶 來影響。中值濾波法是一種基於排序統計理論的能有效抑制噪聲的非線性平滑技術，其基 本原理是把數字圖像或數字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周 圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點，即可做到噪聲抑制、濾波脈衝幹擾及圖 像掃描噪聲，又可以克服線性濾波器帶來的圖像細節模糊，保持圖像邊緣信息。3、接著圖像預處理模模塊採用自適應閾值法將土豆丁從背景中分離出來，這是由 於當背景發生變化，如照明不均勻、有突發噪聲，或者背景灰度變化較大、土豆丁灰度變化 時，把土豆丁從背景中分割的閾值也可能發生變化，並且整幅圖像用單一閾值不可能很好的分割，因此需要用自適應閾值的方法進行背景分割，使分割更加魯棒。計算思路是，把圖 像分成一個個小區域，針對每一個小區域，選取一個閾值進行分割。4、然後，圖像特徵提取模塊採用形態學開閉運算進行二值圖像空洞的填充並採用 序貫算法進行連通區域的提取，這是由於背景分割之後的二值圖像，很明顯的存在一些空 洞，如果直接進行連通區域的提取，將會對計算連通區域的面積產生較大的影響，直接影響 了後期土豆丁尺寸的測量結果，因此，採用數學形態學的開閉運算進行孔徑的填充。由於一幀圖像中有很多土豆丁，為了測量土豆丁的尺寸，需要把土豆丁分割開來， 因此，採用序貫算法提取連通區域。序貫算法通過對圖像的二次掃描完成，其思路是在第一 次掃描圖像時，給像素值為1的鄰點分配一個已經使用過的標記，如果像素的鄰點有兩種 不同的標記，則用一個等價表記錄所有的等價標記，在第二次掃描時，使用這一等價表來給 某一連通成分中所有像素點分配唯一標記。5、接下來，圖像特徵提取模塊根據提取的連通區域計算土豆丁的面積，並採用閾 值法選擇面積合格的土豆丁，去除面積不合格的土豆丁。6、接著圖像特徵提取模塊通過多邊形擬合計算面積合格的土豆丁的尺寸，這是由 於通過連通區域的提取得到了獨立的土豆丁的連通區域，由於噪聲、背景分割和土 豆丁本身形狀的不規則及不確定性，使得到的連通區域形狀差異較大，因此需要用多邊形 擬合每個連通區域，以便得到最終的土豆丁尺寸。計算方法是針對每個連通區域，計算其重心，然後通過霍夫變換的方法得到該連 通區域的擬合矩形，並計算矩形擬合度。7、最後，塊狀農產品合格率輸出模塊將擬合度與尺寸合格的土豆丁差別超過設定 門限值的判定為尺寸不合格的土豆丁。8、再由塊狀農產品合格率輸出模塊計算土豆丁的合格率，並通過計算機8顯示。下面進行土豆丁圖像的下一幀的採集，然後重複進行上述過程。本發明對瓜果、塊狀農產品的切塊尺寸測量具有通用性，但由於產品種類很多，因 此本發明只舉一個用於土豆丁尺寸測量的實施實例，其它瓜果和塊狀農產品的切塊尺寸測 量可以參照該實施實例的方法，具體針對所測瓜果、塊狀農產品的切塊特徵，改變相關參 數，就可以對新的切塊尺寸進行測量了。以上所述僅是本發明的實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法，其特徵在於，包括步驟S1、沿塊狀農產品傳送方向，根據傳送帶(3)的傳送速度，通過設置時鐘觸發攝像機(5)在一定的時間間隔內採集一幀所述塊狀農產品的圖像；S2、將所採集的所述塊狀農產品的圖像進行預處理，並將所述塊狀農產品從其背景中分離；S3、提取連通區域，得到獨立塊狀農產品，計算塊狀農產品面積並去除面積不合格的塊狀農產品，隨後計算包含面積合格的塊狀農產品的最小矩形，並計算矩形擬合度；S4、將擬合度與尺寸合格的塊狀農產品差別超過設定門限值的判定為尺寸不合格的塊狀農產品，並計算塊狀農產品的合格率。
2.如權利要求1所述的基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法，其特徵在於， 步驟Sl中採集一幀所述塊狀農產品的圖像的方法是使待檢測塊狀農產品通過振動器(2) 均勻地通過所述傳送帶(3)傳送到所述攝像機(5)的下方，通過設置時鐘觸發所述攝像機 (5)採集圖像，並將採集的圖像通過光纖傳輸器(7)傳輸至計算機(8)。
3.如權利要求2所述的基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法，其特徵在於， 步驟S2的具體過程是採用中值濾波法對所述塊狀農產品的圖像進行去除噪聲的預處理， 並採用自適應閾值算法將所述塊狀農產品從其背景中分離。
4.如權利要求3所述的基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法，其特徵在於， 步驟S3的具體過程是利用形態學開閉運算對與背景分離的所述塊狀農產品的圖像進行 空洞填充，然後利用序貫算法提取連通區域，從而獲得所述塊狀農產品的面積，並根據面積 合格的塊狀農產品通過閾值法去除面積不合格的塊狀農產品，接著利用霍夫變換計算包 含所述面積合格的塊狀農產品的最小矩形、並計算矩形擬合度。
5.一種基於機器視覺的塊狀農產品在線測量裝置，其特徵在於，包括鮮切刀具(1)、位 於所述鮮切刀具(1)下方的振動器(2)、與所述振動器(2)連接的傳送帶(3)、位於所述傳 送帶(3)上方的攝像機(5)，與所述攝像機(5)的輸出連接的光纖傳輸器(7)，所述光纖傳 輸器⑵的輸出通過數據傳輸電纜(6)與計算機⑶連接，所述計算機⑶內具有尺寸測 量單元。
6.如權利要求5所述的基於機器視覺的塊狀農產品在線測量裝置，還包括用於支撐所 述攝像機(5)的支架(9)以及均勻分布在所述攝像機(5)周圍的LED光源(4)。
7.如權利要求6所述的基於機器視覺的塊狀農產品在線測量裝置，其特徵在於，所述 攝像機(5)具有1394標準接口，並且所述信號光纖傳輸器(7)的類型為IEEE1394。
8.如權利要求5所述的基於機器視覺的塊狀農產品在線測量裝置，其特徵在於，所述 測量單元包括圖像輸入設備控制模塊、圖像預處理模塊、圖像特徵提取模塊以及塊狀農產 品合格率輸出模塊，其中，所述圖像輸入設備控制模塊用於採集塊狀農產品圖像，所述圖像預處理模塊用於將所採集的塊狀農產品的圖像進行預處理，並將所述塊狀農 產品從其背景中分離，所述圖像特徵提取模塊用於提取連通區域，得到獨立塊狀農產品，計算塊狀農產品面 積並去除面積不合格的塊狀農產品，隨後計算包含面積合格的塊狀農產品的最小矩形，並 計算矩形擬合度，所述塊狀農產品合格率輸出模塊用於將擬合度與尺寸合格的塊狀農產品差別超過設 定門限值的判定為尺寸不合格的塊狀農產品，並計算塊狀農產品的合格率。
全文摘要
本發明公開了一種基於機器視覺的塊狀農產品尺寸在線測量方法與裝置，所述方法包括步驟沿塊狀農產品傳送方向，根據傳送帶的傳送速度，通過設置時鐘觸發攝像機在一定的時間間隔內採集一幀塊狀農產品的圖像；將所採集的塊狀農產品的圖像進行預處理，並將塊狀農產品從其背景中分離；提取連通區域，得到獨立塊狀農產品，計算塊狀農產品面積並去除面積不合格的塊狀農產品，隨後計算包含面積合格的塊狀農產品的最小矩形，並計算矩形擬合度；將擬合度與尺寸合格的塊狀農產品差別超過設定門限值的判定為尺寸不合格的塊狀農產品，並計算塊狀農產品的合格率。本發明的方法具有結果更客觀公正，並且不會對人的健康和塊狀農產品的衛生情況造成損害的優點。
文檔編號G01B11/28GK101907453SQ20101023772
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優先權日2010年7月23日
發明者劉忠強, 張水發, 王開義, 趙春江 申請人:北京農業信息技術研究中心