專利名稱：基于機(jī)器視覺的高速瓜果品質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于機(jī)器視覺的高速瓜果品質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)，采用外部信號(hào)觸發(fā)控制圖像采集、雙CCD三維立體視覺和彩色圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓜果外部品質(zhì)的高速，高分辨率無損傷判別，屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
與工業(yè)產(chǎn)品不同，即使在相同的環(huán)境條件下生產(chǎn)出來的同一品種的水果，無論是大小形狀還是內(nèi)外部品質(zhì)都存在差異，不可能找到外形完全相同的個(gè)體。要根據(jù)大小、形狀、色澤、果梗完整程度、缺陷以及成熟度等要素對(duì)果實(shí)進(jìn)行全方位的綜合判別，存在很大難度，即使在工業(yè)應(yīng)用上非常成熟的各種二維檢測(cè)、識(shí)別技術(shù)和方法，也無法直接應(yīng)用于瓜果的等級(jí)判別。中國(guó)發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?2136377.3)公開了一種“水果品質(zhì)實(shí)時(shí)檢測(cè)和分級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)”，采用水果輸送翻轉(zhuǎn)部件的雙錐式滾子，使水果自動(dòng)成單行排列，并在以一定速度向前輸送的同時(shí)，又繞水平小軸均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別系統(tǒng)獲得水果整個(gè)表面的品質(zhì)信息。其說明書只是提到“通過計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別部件的識(shí)別，同時(shí)完成水果的形狀、大小、色澤、表皮光滑度、果面缺陷和損傷等全部外觀品質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)”，沒有涉及在實(shí)際應(yīng)用中高速實(shí)時(shí)地采集被檢瓜果全方位圖像的具體方法。而采用傳統(tǒng)垂直光源照射，通過被測(cè)瓜果旋轉(zhuǎn)得到全方位水果外表面圖像以及利用計(jì)算機(jī)控制圖像采集卡進(jìn)行圖像采集的方式，由于受到目前計(jì)算機(jī)處理速度和硬件成本的限制，難以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)高速地采集到高分辨率的瓜果圖像。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明采用了外部信號(hào)觸發(fā)控制圖像采集、雙CCD三維立體視覺和彩色圖像處理技術(shù)，系統(tǒng)主要包括圖像采集、光學(xué)成像和光纖傳感器三部分。光學(xué)成像系統(tǒng)包括內(nèi)壁嵌有散射磨沙玻璃的光照箱、彩色CCD攝像機(jī)和在光照箱內(nèi)部均勻分布的點(diǎn)光源，兩個(gè)CCD攝像機(jī)相互之間的夾角為120度，分別安裝在被測(cè)瓜果的左右上方，攝像機(jī)和果實(shí)表面保持一定的間隔，以保證獲得完整圖像而又避免失真。圖像采集系統(tǒng)包括工控機(jī)和圖像采集卡，兩塊圖像采集卡分別和兩個(gè)攝像機(jī)通過視頻線相連，采用了圖像采集卡的外部觸發(fā)功能，利用光纖傳感器生成的周期性電平信號(hào)控制圖像的抓取，由工控機(jī)的圖像處理單元對(duì)圖像進(jìn)行后續(xù)處理。
本發(fā)明系統(tǒng)的具體方案描述如下1、照明光源與光照箱部件由光照箱體、照明點(diǎn)光源和磨沙玻璃組成。兩個(gè)CCD攝像機(jī)、光纖傳感器和照明光源以及反射體都安裝在光照箱體內(nèi)，以避免外界光線的影響。光源照射在磨沙玻璃板上，通過漫反射照射到水果表面，光照箱的內(nèi)壁為白色，外嵌磨沙玻璃，使光照箱內(nèi)的光線散射照射，以最大限度地消除由光源引起的瓜果表面反光現(xiàn)象。
2、CCD攝像機(jī)的安裝位置兩個(gè)CCD攝像機(jī)分別安裝在被測(cè)瓜果的左右上方與瓜果成120度夾角，兩攝像機(jī)采集的圖像區(qū)域有一定的重疊，以保證不會(huì)遺漏果實(shí)的表面信息。攝像機(jī)和果實(shí)表面保持15～20cm的間隔，以避免采到的信號(hào)失真，畫面上的果實(shí)圖像變形。
3、利用硬件觸發(fā)獲取圖像的方法在計(jì)算機(jī)上裝有兩塊相同型號(hào)，可以通過外部信號(hào)直接觸發(fā)抓取圖像的圖像采集卡，每塊卡和一個(gè)CCD攝像機(jī)相連。將對(duì)射式光纖傳感器上下布置，當(dāng)分揀流水線運(yùn)動(dòng)時(shí)，托盤支架從傳感器的發(fā)射極和接收極之間通過，使傳感器產(chǎn)生周期性的電平信號(hào)。將該信號(hào)作為控制攝像機(jī)抓取圖像的觸發(fā)信號(hào)，圖像采集卡采用硬件觸發(fā)方式，控制攝像機(jī)以獲得高清晰的水果圖像。
4、被測(cè)瓜果定位和提高圖像處理效率的方法為了防止傳送裝置對(duì)瓜果的損傷，本系統(tǒng)利用托盤將瓜果傳送到攝像機(jī)下進(jìn)行檢測(cè)。通過調(diào)整對(duì)射式光纖傳感器在流水線上的位置，可以保證當(dāng)水果運(yùn)動(dòng)到最佳拍攝位置時(shí)，傳感器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)控制圖像采集卡采集圖像。為了提高圖像處理效率，利用無瓜果的托盤圖像與有瓜果托盤圖像進(jìn)行差分運(yùn)算的圖像預(yù)處理技術(shù)，即將兩幅圖像作邏輯與運(yùn)算，相同部分認(rèn)為是背景信號(hào)濾除，不同部分認(rèn)為是瓜果信號(hào)保留，今后只對(duì)該部分圖像處理以達(dá)到提高運(yùn)算速度的目的。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓜果外部品質(zhì)的高速，高分辨率無損傷判別，可以實(shí)現(xiàn)高速(每秒不小于5個(gè))、高分辨率(768×492像素)的圖像采集，有效避免計(jì)算機(jī)延時(shí)對(duì)圖像采集的影響，能夠瞬時(shí)采集被檢瓜果全方位的表面圖像信息；采用合理的光源布置，可以濾除果實(shí)表面的反光；采用高效率圖像預(yù)處理算法，大大提高了圖像處理的速度，可以滿足高速瓜果分揀系統(tǒng)的要求。
圖中，1為圖像采集系統(tǒng)，2為光學(xué)成像系統(tǒng)，3為光纖傳感器，4為工控機(jī)，5為圖像采集卡，6為光照箱外殼，7為散射磨沙玻璃，8為照明點(diǎn)光源，9為彩色CCD攝像機(jī)，10為水果托盤支架，11為水果托盤，12為光纖傳感器發(fā)射極，13為光纖傳感器接收極，14為光纖傳感器信號(hào)放大器，15為被檢測(cè)水果，16為攝像機(jī)支架。
圖2是本發(fā)明的光纖傳感器安裝位置示意圖。
圖2中，6為光照箱外殼，9為彩色CCD攝像機(jī)，10為水果托盤支架，11為水果托盤，12為光纖傳感器發(fā)射極，13為光纖傳感器接收極，15為被檢測(cè)水果，16為攝像機(jī)支架，17為傳感器支架，18為流水線機(jī)架。
圖3是本發(fā)明的圖像采集系統(tǒng)工作流程圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明的整個(gè)瓜果品質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

圖1所示，由圖像采集系統(tǒng)1、光學(xué)成像系統(tǒng)2和光纖傳感器3三部分組成。
光學(xué)成像系統(tǒng)2包括光照箱外殼6、220V照明點(diǎn)光源8、散射磨沙玻璃7、彩色CCD攝像機(jī)9、攝像機(jī)支架16。兩個(gè)攝像機(jī)9對(duì)稱安裝在固定于光照箱外殼6上部的攝像機(jī)支架16上，攝像機(jī)9相互之間的夾角為120度，與被檢果實(shí)15表面的法向距離為15～20cm。在保證獲得完整水果表面圖像信息的同時(shí)，可以有效地避免因水果15與攝像機(jī)9的距離過近而造成的圖像失真現(xiàn)象。光照箱外殼6的內(nèi)壁為白色，鑲嵌有散射磨沙玻璃7，照明點(diǎn)光源8對(duì)稱均勻分布在光照箱內(nèi)。當(dāng)光源8通電時(shí)，散射磨沙玻璃7可以使由點(diǎn)光源8發(fā)出的光線向各處散射，有效地消除因?yàn)楣庠炊鸬墓麑?shí)表面的反光現(xiàn)象。
圖像采集系統(tǒng)1包括工控機(jī)4和圖像采集卡5。兩塊圖像采集卡5分別和兩個(gè)攝像機(jī)9通過視頻線相連，每塊圖像采集卡5各自負(fù)責(zé)一個(gè)攝像機(jī)9的圖像采集任務(wù)。圖像采集卡5與工控機(jī)4的圖像處理單元相連。本發(fā)明采用了圖像采集卡5的外部觸發(fā)功能，利用光纖傳感器3生成的周期性電平信號(hào)控制圖像的抓取。
光纖傳感器3包括光纖傳感器發(fā)射極12、光纖傳感器接收極13、光纖傳感器信號(hào)放大器14、傳感器支架17。光纖傳感器的發(fā)射極12和接收極13安裝在傳感器支架17的上下兩端，傳感器支架17固定于流水線機(jī)架18上，光纖傳感器的發(fā)射極12和接收極13分別經(jīng)光纖傳感器信號(hào)放大器14與兩塊圖像采集卡5相連。
本發(fā)明采用的CCD攝像機(jī)9可為Viewse公司的VC-823D彩色1/3”CCD攝像機(jī)，這款CCD攝像頭可以采用NTSC和PAL兩種制式，分辨率為756×568像素。
圖2是本發(fā)明光纖傳感器3的安裝位置示意圖。
如圖2所示光纖傳感器3包括光纖傳感器發(fā)射極12、光纖傳感器接收極13、光纖傳感器信號(hào)放大器14、傳感器支架17。光纖傳感器3的作用是當(dāng)檢測(cè)到果實(shí)托盤11運(yùn)動(dòng)到最佳拍攝位置時(shí)，向圖像采集系統(tǒng)1提供觸發(fā)信號(hào)，確保圖像采集系統(tǒng)1得到完整的果實(shí)圖像信息。光纖傳感器3的發(fā)射極12和接收極13安裝在傳感器支架17的上下兩端，傳感器支架17固定于流水線機(jī)架18上，傳感器支架17和攝像機(jī)支架16保持合適的距離，使當(dāng)信號(hào)放大器14發(fā)出觸發(fā)信號(hào)時(shí)，攝像機(jī)9能拍攝到處于最佳位置的果實(shí)圖像。當(dāng)流水線運(yùn)動(dòng)時(shí)，流水線上的托盤支架10將從發(fā)射極12和接收極13之間穿過，從而產(chǎn)生周期性的高低電平，作為圖像采集系統(tǒng)1的觸發(fā)信號(hào)。本發(fā)明選用了Keyence的FS-V11對(duì)射式光纖傳感器，它由發(fā)射極12、接收極13和NPN型信號(hào)放大器14組成。
圖像采集系統(tǒng)1包括工控機(jī)4、圖像采集卡5，工作流程如圖3所示。
光纖傳感器接收到水果的位置信息，生成周期性電平觸發(fā)信號(hào)送到圖像采集卡，由圖像采集卡給出圖像抓取信號(hào)控制彩色CCD攝像機(jī)抓取圖像，水果圖像信息被攝像機(jī)拍攝到，得到的視頻信息通過視頻線傳送到圖像采集卡，由圖像采集卡將采集到的圖像經(jīng)PCI總線傳送到工控機(jī)的圖像處理單元，進(jìn)行后續(xù)圖像處理。
本發(fā)明選用了FS-V11對(duì)射式光纖傳感器、VC-823D彩色CCD攝像機(jī)，圖像采集卡選用MATROX公司的Meteor2 Standard PCI圖像采集卡，帶有4M SGRAM片上緩存，采樣頻率可達(dá)25幀/秒，既可以采用外部電平觸發(fā)信號(hào)控制攝像頭抓取圖像，也可以采用軟件直接抓取圖像。本發(fā)明一共采用了兩塊Meteor2 Standard圖像采集卡，分別和兩個(gè)彩色CCD攝像機(jī)9通過視頻線相連，每塊卡各自負(fù)責(zé)一個(gè)攝像機(jī)的圖像采集任務(wù)。本發(fā)明采用了Meteor2 Standard圖像采集卡的外部觸發(fā)功能來控制圖像的采集，F(xiàn)S-V11對(duì)射式光纖傳感器的輸出端和Meteor2Standard圖像采集卡的觸發(fā)端相連，結(jié)果證明采用硬件觸發(fā)抓取獲得的圖像十分穩(wěn)定，沒有黑紋和抖動(dòng)現(xiàn)象，能夠滿足后續(xù)圖像處理的需要。
為了提高圖像處理算法的效率，本發(fā)明采用了對(duì)采集到的圖像進(jìn)行差分處理的預(yù)處理技術(shù)，即首先采集一幅不存在果實(shí)的背景圖像，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，將實(shí)時(shí)采集到的存在果實(shí)的圖像和背景圖像做邏輯與運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為1的被認(rèn)為是背景圖像消除，運(yùn)算結(jié)果為0的被認(rèn)為是果實(shí)圖像保留，后繼算法只對(duì)果實(shí)圖像的區(qū)域進(jìn)行處理，大大減少了運(yùn)算量，提高了處理速度。
本發(fā)明能清晰地抓取以每秒1米的速度經(jīng)過瓜果的全方位圖像信號(hào)，抓取到的瓜果圖像信號(hào)基本上消除了瓜果光滑表面的反光影響，圖像處理和識(shí)別的效率提高3倍左右，確保了對(duì)瓜果進(jìn)行高速、高分辨率的品質(zhì)判別。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)器視覺的高速瓜果品質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)，包括圖像采集系統(tǒng)(1)、光學(xué)成像系統(tǒng)(2)和光纖傳感器(3)，其特征在于光學(xué)成像系統(tǒng)(2)中，兩個(gè)攝像機(jī)(9)對(duì)稱安裝在固定于光照箱外殼(6)上部的攝像機(jī)支架(16)上，攝像機(jī)(9)相互之間的夾角為120度，光照箱外殼(6)的白色內(nèi)壁鑲有散射磨沙玻璃(7)，照明點(diǎn)光源(8)對(duì)稱均勻分布在光照箱內(nèi)，圖像采集系統(tǒng)(1)包括工控機(jī)(4)和圖像采集卡(5)，兩塊圖像采集卡(5)分別和兩個(gè)攝像機(jī)(9)通過視頻線相連，圖像采集卡(5)與工控機(jī)(4)的圖像處理單元相連，光纖傳感器(3)的發(fā)射極(12)和接收極(13)安裝在傳感器支架(17)的上下兩端，傳感器支架(17)固定于流水線機(jī)架(18)上，光纖傳感器的發(fā)射極(12)和接收極(13)分別經(jīng)光纖傳感器信號(hào)放大器(14)與兩塊圖像采集卡(5)相連。
全文摘要
一種基于機(jī)器視覺的高速瓜果品質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)，包括圖像采集系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)和光纖傳感器。光學(xué)成像系統(tǒng)包括內(nèi)壁嵌有散射磨沙玻璃的光照箱、彩色CCD攝像機(jī)和在光照箱內(nèi)部均勻分布的點(diǎn)光源，兩個(gè)攝像機(jī)相互之間的夾角為120度，分別安裝在被測(cè)瓜果的左右上方，圖像采集系統(tǒng)中兩塊圖像采集卡分別和兩個(gè)攝像機(jī)通過視頻線相連，采用圖像采集卡的外部觸發(fā)功能，利用光纖傳感器生成的周期性電平信號(hào)控制圖像的抓取，由工控機(jī)的圖像處理單元對(duì)圖像進(jìn)行后續(xù)處理。本發(fā)明采用了外部信號(hào)觸發(fā)控制圖像采集、雙CCD三維立體視覺和彩色圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓜果外部品質(zhì)的高速，高分辨率無損傷判別。
文檔編號(hào)B07C5/342GK1462875SQ0312938
公開日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2003年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)明者曹其新, 郭峰, 付莊, 趙言正 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)