專利名稱：檢測(cè)半透明物體表面特征的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對(duì)物體表面特征和完整性進(jìn)行形貌分析并根據(jù)這種表面分析將這些物體分出等級(jí)的方法和裝置，尤其涉及一種用于對(duì)水果特別是柑桔類水果的表面進(jìn)行光學(xué)分析，使得能夠根據(jù)已選定的表面特性標(biāo)準(zhǔn)將水果分等(類)的方法和裝置。
用于根據(jù)假想的光線透光度自動(dòng)評(píng)價(jià)柑桔類水果然后根據(jù)這種評(píng)價(jià)在傳送帶系統(tǒng)中有選擇性地分開(kāi)水果的裝置和方法已由康韋(Conway)在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的同一受讓人的美國(guó)專利3,930,994(1976)-“用于內(nèi)部檢驗(yàn)制品分出等級(jí)的方法和機(jī)構(gòu)”中敘述過(guò)了。
康韋的目的是判斷水果果肉凍傷的范圍。為做到這一點(diǎn)，他將傳送帶上的水果定位在一對(duì)高強(qiáng)度光源(例如石英碘鎢燈泡、x射線發(fā)生器或激光器)和一對(duì)放置得騎跨水果核心的檢測(cè)器之間。檢測(cè)器就是光電倍增管，其對(duì)準(zhǔn)的開(kāi)口接收透過(guò)水果的(即在水果中未被吸收或散射的)光線。檢測(cè)器輸出的信號(hào)耦合到一個(gè)由定時(shí)傳感器控制的內(nèi)部分析計(jì)算機(jī)，以將兩個(gè)檢測(cè)器的瞬時(shí)輸出相比較，從而測(cè)得(假定從兩個(gè)讀數(shù)的預(yù)選差)水果的內(nèi)部損傷范圍，然后根據(jù)例如記錄的損傷范圍將水果分開(kāi)來(lái)。
考慮到水果的表皮部分具有與果肉部分不同的光學(xué)吸收和散射特性，康韋認(rèn)為當(dāng)檢測(cè)器的讀數(shù)對(duì)應(yīng)于從水果的果皮部分檢測(cè)的光線時(shí)由檢測(cè)器得到的信號(hào)是需要消除的誤差信號(hào)(參見(jiàn)第6欄，32-43行)。為避免從柑桔類水果的表皮得到任何讀數(shù)，康韋使用兩個(gè)定時(shí)傳感器，僅在一個(gè)檢測(cè)器停止接收在水果內(nèi)部散射并從果皮部分投射的光線和開(kāi)始接收透過(guò)水果的果肉部分的光線之后開(kāi)始果肉部分的損傷測(cè)定，并且隨著水果在入射光束和透射光檢測(cè)器之間順著傳送帶向下行進(jìn)，在檢測(cè)器再次接收到在果皮內(nèi)部散射的光線之前結(jié)束測(cè)定。
但是，通過(guò)上述光學(xué)機(jī)構(gòu)一致可靠地檢測(cè)柑桔類水果果內(nèi)部分的光學(xué)特性已被證明是一個(gè)極為困難的任務(wù)。大多數(shù)頻率的光線并不像透過(guò)晶體球之類的透明物體那樣簡(jiǎn)單地透過(guò)水果。相反，光線要受到水果吸收并在水果里面散射。因而，不能可靠地鑒定小的組織結(jié)構(gòu)，只有大面積凍傷才能通過(guò)使用x射線(水果對(duì)它更透明些)檢測(cè)水果內(nèi)部可靠一致地檢測(cè)出來(lái)，如在美國(guó)專利3,768,645中所一般敘述的那樣。
另外，雖然檢測(cè)和除去帶有損傷的果肉部分的水果具有重大的價(jià)值，但另一方面，甚至更大價(jià)值的分等功能則是根據(jù)水果表面結(jié)構(gòu)特征或水果表皮或果皮的完整性將水果分成若干類的能力。例如，一箱果皮完好無(wú)損的桔子在市場(chǎng)上常比一箱顯示出各種表皮疵點(diǎn)與組織結(jié)構(gòu)特征和/或缺陷的桔子賣得更高的價(jià)錢，盡管兩者的果肉部分都受歡迎并且甚至在某些水果的內(nèi)部可能輕微損傷的情形也是如此。
可用雞蛋做一個(gè)類比，通過(guò)這一類比，如像前面用康韋的參考文獻(xiàn)舉例說(shuō)明的現(xiàn)有技術(shù)和燈光照雞蛋的過(guò)程相似-即從高強(qiáng)度入射光線的對(duì)面觀察雞蛋來(lái)檢查蛋內(nèi)的血點(diǎn)或其他缺陷。最重要的是雞蛋的里面即蛋黃和蛋白而非蛋殼。通過(guò)類比，康韋試圖檢查水果的內(nèi)部而不是果皮或外表面。相反，本發(fā)明關(guān)心的不是被分類和分等級(jí)的物體里面的內(nèi)容，而是物體外層“覆蓋物”的形象外貌和完整性。
當(dāng)柑桔類水果或其他物體的外表面特征由質(zhì)量控制操作員用肉眼判斷或人工評(píng)定時(shí)，這種人工分等的費(fèi)用和可靠性因素在許多情形下會(huì)變得無(wú)法接受。而且，由于眼睛持久暴露在產(chǎn)生足夠的散射光線讓果皮放光到足以使果皮深層可見(jiàn)所需的高光強(qiáng)下所固的的健康風(fēng)險(xiǎn)，人工操作不能看見(jiàn)緊靠外表面的水果里層。并且人不能看見(jiàn)比可見(jiàn)光具有優(yōu)越的深度穿透水果果皮的紅外光。
因而，所需要的是一個(gè)用于光學(xué)檢查本質(zhì)上半透明或透明物體外表面或表面部位，判斷表面結(jié)構(gòu)特征和表面部位的完整性，進(jìn)而根據(jù)這種判斷作出篩選決定的智能化全自動(dòng)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明是一種用于將本質(zhì)上為半透明的物體分出等級(jí)的方法和裝置。水果，尤其是柑桔類水果可以根據(jù)本發(fā)明分出等級(jí)。正如下文所要進(jìn)一步討論的，許多其他型式的物體，只要這些物體對(duì)于所選特定頻率的光線本質(zhì)上是半透明或透明的，都可以由此而分出等級(jí)。為方便起見(jiàn)，本文中常常要專門提到水果(尤其是提到柑桔類水果)。盡管所有這類物體不用說(shuō)都是包括在內(nèi)的。
水果分出等級(jí)，系根據(jù)其表面部位特征進(jìn)行的。此方法包括照射每一個(gè)水果使得光線在其中散射并透過(guò)其表面部位。在水果的情形(本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例主要就涉及水果)，要如此照射每個(gè)水果，使得在水果中散射的光線引起水果發(fā)光。透射到表面部位之外的這一發(fā)光被檢測(cè)出來(lái)，從而得到整個(gè)發(fā)光圖案的圖像。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在將本發(fā)明付諸實(shí)施的過(guò)程中，外表面上或靠近外表面處的缺陷顯得比前面忽略表面缺陷的康韋所找出的內(nèi)部缺陷要清楚得多。因而，每一幅這樣的瞬時(shí)圖像都構(gòu)成一個(gè)對(duì)應(yīng)于水果表面或靠近表面處的特征的數(shù)據(jù)矩陣。每個(gè)檢得的圖像轉(zhuǎn)換成用于分析判斷是否存在要找的表面特征的數(shù)據(jù)。這一點(diǎn)可通過(guò)將該數(shù)據(jù)與所選定的標(biāo)準(zhǔn)相比較來(lái)達(dá)到，由此，基于所觀測(cè)到的表面特征數(shù)據(jù)，根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)鑒定那些落在被排選的類別之內(nèi)，可將水果進(jìn)行分類。然后，分類后的水果可根據(jù)上述類別所選定義分出等級(jí)。這就使得有可能根據(jù)其表面部位特征將水果自動(dòng)分類并分出等級(jí)。
圖像中的數(shù)據(jù)必須處理得能夠用圖案識(shí)別水果的表面特征。在上述數(shù)據(jù)處理之前，要將不是通過(guò)物體表面特征散射的光線的掃描數(shù)據(jù)除去。表面特征的統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)度被用來(lái)判斷每個(gè)水果的大體整個(gè)表面上的表面特征的充分變化是否大到足以表示一個(gè)表面缺陷。
處理該數(shù)據(jù)一般還包括借助相對(duì)一個(gè)預(yù)定的頻率閾的頻率對(duì)數(shù)據(jù)濾波來(lái)選擇由表面特征掃描的數(shù)據(jù)。在某些上述情形，數(shù)據(jù)濾波僅通過(guò)高頻數(shù)據(jù)分量。在另一些上述情形，數(shù)據(jù)濾波僅通過(guò)數(shù)據(jù)的低頻分量。
掃描水果發(fā)光圖像一般用來(lái)收集必要的數(shù)據(jù)，如果這樣的話，其步驟通常包括沿橫切物體的一個(gè)預(yù)定的直線掃描水果。也有設(shè)想可以沿多條橫切線掃描水果。每次掃描可以定位得與物體成同一個(gè)或另一個(gè)橫切角度。
本方法還可包括光學(xué)形成一個(gè)水果圖象，該圖像同時(shí)包含其表面特征的全部或一個(gè)主要部分。在水果為一般的球形的場(chǎng)合，例如在許多種柑桔類水果的情形，形成圖像包括形成一個(gè)分開(kāi)的大體各為半球形的圖像。
在所說(shuō)明的實(shí)施例中，對(duì)水果攝像是通過(guò)將被照水果的圖像(即從中放出的輝光)反射到一個(gè)背向被照水果的攝像器上來(lái)完成，以避免直接發(fā)射的光進(jìn)入攝像器。這一點(diǎn)也可以簡(jiǎn)單地通過(guò)使攝像器與入射水果的照射光線的方向相對(duì)成一個(gè)角度做到。但是，應(yīng)當(dāng)指出，因?yàn)楸粩z像器檢測(cè)的光線的大部分都已經(jīng)在水果里面散射，才產(chǎn)生出一個(gè)最后的輝光投射穿過(guò)其表面部位的關(guān)系，本發(fā)明的方法甚至在攝像器直接面向入射光線的場(chǎng)合也能使用。而在本實(shí)施例的情形，尤其是當(dāng)光線由LED(發(fā)光二極管)或激光光源構(gòu)成時(shí)，與之耦合的水果檢測(cè)和定時(shí)機(jī)構(gòu)能用來(lái)防止直接檢測(cè)光線即沒(méi)有插進(jìn)水果時(shí)可能造成的對(duì)攝像器的損害。
一般來(lái)說(shuō)，本方法根據(jù)水果的表面形貌特征對(duì)水果分類。對(duì)于具有相對(duì)原果皮的柑桔類水果，這種分類可以包括根據(jù)孔隙率、鼓包和凹坑、隆脊和低谷、挫傷、腐爛以及其他挑選因素對(duì)其果皮進(jìn)行分類。
掃描包括掃描一個(gè)二維陣列來(lái)提供水果表面形貌特征的一個(gè)二維圖形圖像。照射水果包括通過(guò)所選用的光發(fā)生機(jī)構(gòu)投射出所選擇的頻率或頻率組合的光來(lái)照射水果。
數(shù)據(jù)的處理還包括將所掃描的圖像分離成一個(gè)背景和一個(gè)物體圖像，并從所掃描的圖像中去掉背景而基本留下物體圖像。
根據(jù)果皮孔隙率對(duì)柑桔類水果分類包括用高通數(shù)據(jù)濾波器從所掃描的圖像濾出高頻數(shù)據(jù)。設(shè)置所濾圖像的象素光強(qiáng)的一個(gè)門限值。將具有光強(qiáng)高于門限值的象素?cái)?shù)字列入表格以鑒定果皮的孔隙率。
通過(guò)果皮外表面上的鼓包和凹坑對(duì)柑桔類水果進(jìn)行分類包括使用低通/平滑數(shù)據(jù)濾波器由圖像濾出低頻數(shù)據(jù)。為所濾圖像設(shè)備一個(gè)象素光強(qiáng)門限值。將具有光強(qiáng)高于門限值的象素的數(shù)字和分布列入表格以鑒定果皮外表面上的鼓包和凹坑。
根據(jù)果皮中的V形隆脊和凹谷或挫傷分類包括有選擇地掃描圖像以得出象素光強(qiáng)中的躍遷。設(shè)置象素光強(qiáng)和躍遷率的一個(gè)門限值。將連接對(duì)應(yīng)于光強(qiáng)躍遷的象素邊界的鄰域中具有高于所設(shè)置的門限值光強(qiáng)的象素的數(shù)字列入表格。這些領(lǐng)域就定為斑痕。將超過(guò)一預(yù)定特性參數(shù)的斑痕數(shù)字列入表格，以鑒定果皮中的V形隆脊和凹谷。特性參數(shù)是斑痕的一個(gè)預(yù)定最小面積，并且將斑痕的數(shù)字列入表格以鑒定果皮中的V形隆脊和凹谷包括將超過(guò)預(yù)定的最小面積斑痕數(shù)字列入表格?；蛘哒f(shuō)，特性參數(shù)可以是一定形狀的并且因而將斑痕的數(shù)字列入表鑒定V形隆脊和凹谷包括將具有遵守預(yù)定形狀定義的形狀的斑痕數(shù)字列入表格。同樣地，根據(jù)光強(qiáng)中的狹窄的銳中斷鑒定挫傷。
通過(guò)表面腐爛分類包括掃描柑桔類水果的圖像得出象素光強(qiáng)中比較平緩的躍遷。設(shè)置一個(gè)預(yù)定的門限值。將連接具有平緩躍遷的象素邊界的鄰域中具有光強(qiáng)在預(yù)定門限值之上的象素?cái)?shù)字列入表格。鄰域就定為斑痕。將超過(guò)一個(gè)給定的特性參數(shù)的斑痕數(shù)字列入表格以鑒定表面腐爛。
預(yù)定的門限值、形狀、面積、寬度和特性參數(shù)，作為前述各分等方法中的適用數(shù)字，可以有選擇地規(guī)定為柑桔類水果的尺寸(可根據(jù)已知的方法檢測(cè)和自動(dòng)輸入)的一個(gè)函數(shù)。
本發(fā)明也可以表征為一種用于根據(jù)物體表面部位的特征，將本質(zhì)上半透明的(例如柑桔類水果)或者本質(zhì)上對(duì)所選一個(gè)光頻率(或一些頻率)透明的物體分出等級(jí)的裝置。這種裝置包括一個(gè)檢驗(yàn)站和至少一個(gè)分等站。一條傳送帶將物體通過(guò)檢驗(yàn)站并移向分等站。分等站的分等機(jī)構(gòu)根據(jù)對(duì)物體表面特征的分類通過(guò)有選擇地分流傳送帶上的物體而將物體分成等級(jí)。計(jì)算機(jī)化的光學(xué)攝像器在檢驗(yàn)站生成物體的一個(gè)圖形圖像，并根據(jù)表面特征的至少一種形貌特性評(píng)價(jià)物體的表面特征。從而將物體分類并根據(jù)表面特征分出等級(jí)。
在一個(gè)將柑桔類水果分等的實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)化的光學(xué)攝像器包括檢驗(yàn)站的兩個(gè)獨(dú)立的照射/掃描光源和攝像器組合。在該實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)化的光學(xué)攝像器可以包括兩個(gè)棱鏡聚焦的鹵鎢燈光源，布置得與通過(guò)檢驗(yàn)站的垂直平面近似成120度，用來(lái)照射水果，并且相應(yīng)于每個(gè)光源有一個(gè)攝像器用于掃描水果，攝像器與任一光源都不在一直線上。在本實(shí)施例中，攝像器背對(duì)水果，并且計(jì)算機(jī)化的光學(xué)攝像器還包括多個(gè)用于將在水果內(nèi)生成并透射出果皮的發(fā)光圖像反射到攝像器的反光鏡。
更一般地說(shuō)，本發(fā)明包括一種用于根據(jù)至少用一個(gè)光源照向物體構(gòu)成的散射光強(qiáng)圖案對(duì)物體進(jìn)行分類的裝置。一個(gè)傳感元件將在物體里面散射并透射出其表面的光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。一臺(tái)數(shù)據(jù)整理計(jì)算機(jī)根據(jù)分析數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)得出的物體表面形貌特征對(duì)物體進(jìn)行分類。結(jié)果，物體被用光學(xué)方法分類，以備將它們分出等級(jí)。
現(xiàn)在，借助下面的附圖(其中同樣的元件用同樣的數(shù)字標(biāo)出)可使本發(fā)明更具體化。


圖1是根據(jù)本發(fā)明使用一臺(tái)特征模式計(jì)算機(jī)的分類和分等裝置的簡(jiǎn)化方框圖。
圖2a是用在圖1系統(tǒng)中的光學(xué)室的簡(jiǎn)化概略截面視圖。
圖2b是用在圖1系統(tǒng)中的第二實(shí)施例的簡(jiǎn)化等角平面視圖。
圖3a是用本發(fā)明生成的光滑水果果皮的計(jì)算機(jī)圖像，而圖3b則是沿著選定的掃描線掃出的水果表面的相應(yīng)直方圖。
圖4a是用本發(fā)明生成的帶有酸性腐爛的水果的計(jì)算機(jī)圖像，而圖4bj也是沿著選定的圖4a的水果的掃描線掃出的直方圖。
圖5a用本發(fā)明生成的示出純腐爛水果的計(jì)算機(jī)圖像，而圖5b則是沿著選定的圖5a的水果的掃描線掃出的直方圖。
圖6a是具有如本發(fā)明所判斷的顆粒果皮的水果的計(jì)算機(jī)圖像，而圖6b則是沿著所選的掃描押線掃出的圖6a的水果的表面形貌特征的直方圖。
圖7a是呈現(xiàn)如像本發(fā)明檢測(cè)到的軟鼓包和凹坑的水果的計(jì)算機(jī)圖像，而圖7b則是沿著選定的掃描線掃出的圖7a的水果表面形貌特征的直方圖。
圖8a是帶有如像本發(fā)明判斷的隆脊和低谷缺陷的水果的計(jì)算機(jī)圖像，而圖8b則是沿著圖8a的水果的選定的掃描線掃出的直方圖。
圖9a果皮中具有根據(jù)本發(fā)明判斷的裂口或割傷的水果的計(jì)算機(jī)圖像，而圖9b則是沿著選定的掃描線掃出的圖9a的水果的特征的直方圖。
圖10a是帶有如像根據(jù)本發(fā)明判斷的純鼓包和凹坑的水果的計(jì)算機(jī)圖像，而圖10b則是沿著圖10a的水果的所選掃描線掃出的直方圖。
現(xiàn)在，可以借助以下的詳細(xì)敘述來(lái)理解本發(fā)明及其各種不同的實(shí)施例。
在這個(gè)時(shí)候，闡明某些在上文中可能已經(jīng)用到以及在下文中可能會(huì)用到的專門術(shù)語(yǔ)，相信是重要的。
因此，“透射光”是本質(zhì)上以光束的形式穿過(guò)介質(zhì)的光，它通過(guò)介質(zhì)的結(jié)果可能有也可能沒(méi)有“發(fā)散”。也可設(shè)想，這個(gè)專用名詞的內(nèi)涵就是入射光線的剩余部分，它在入射光束中存在的一些光強(qiáng)被散射或吸收之后，繼續(xù)“前行”穿過(guò)介質(zhì)。
為了本論述的目的，“散射”光是已經(jīng)從入射光束的方向散開(kāi)的光?；旧暇褪沁@個(gè)散射光造成了半透明物體中的輝光。
“吸收”光的意思是入射光束中既不透過(guò)介質(zhì)也不在介質(zhì)里面散射，但其能量則由介質(zhì)代替保持的光。
本文中引用了“半透明”物體一詞。這些引用詞指的是一些物體，其中入射光束的選定頻率或頻譜的光可以有一部分被吸收以及一部分發(fā)散，不過(guò)從中至少有一些發(fā)散光由于穿出物體的表面部位而能夠從外部檢測(cè)出來(lái)。典型的例子有水果(例如南瓜、香瓜或柑桔類水果)、石蠟、某些陶瓷、某些塑料與復(fù)合材料(用可鑄性樹脂復(fù)合的纖維材料)，這里所選定的頻率一般可以是可見(jiàn)光譜、近紅外線，或者也許是別的頻率。
“透明”物體指的是允許一個(gè)選定頻率或多個(gè)頻率的入射光以光束的形式(可以發(fā)散)大體自由透射的物體，其透射光在物體中基本不被吸收和散射。一個(gè)典型的例子是普通的窗戶玻璃，其中的頻率為可見(jiàn)光譜和某些別的頻率。
至少其一部分表面部位是半透明或者吸收光線的透明物體，為了解釋本文的說(shuō)明書、權(quán)利要求書以及摘要的目的，被認(rèn)為是透明物體，這是因?yàn)槟承┥⑸浠蛭展饩€可能會(huì)出現(xiàn)在這樣的物體中，至少會(huì)出現(xiàn)在它的表面部位，這就使得有可能應(yīng)用本發(fā)明的方法的裝置。這樣一種物體的一個(gè)例子可以是塑料球，其內(nèi)部-空氣-對(duì)可見(jiàn)光是透明的，而表面部位-塑料-對(duì)可見(jiàn)光則是半透明的。另一個(gè)例子可以是一張?jiān)诒砻鎺в腥毕堇鐒澓?、凹凸不平或疵點(diǎn)的玻璃。這類缺陷會(huì)散射和/或吸收一些透過(guò)玻璃的光線。這就使得能夠根據(jù)本發(fā)明的理論將玻璃分類和分出等級(jí)。
因而，一般說(shuō)來(lái)，比較熟悉本發(fā)明適合的技術(shù)的那些人員將會(huì)理解到，有許多類型的物體可以根據(jù)這些理論分類和分出等級(jí)。就我們的目的來(lái)說(shuō)，一切這類物體都被認(rèn)為包括在專用名詞“半透明”之內(nèi)，并由此最后明確。
因而，文中提到物體均可理解為包括屬于前述定義的任何物體，包括但并不局限于柑桔類水果。同樣地，文中提及的水果或柑桔類水果均可理解為是指可以根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置進(jìn)行分類和分等級(jí)的一切物體。
物體的“表面部位”是指在其外周邊的物體部位，它可以有相當(dāng)?shù)暮穸?例如柑桔類水果的果皮)，并且還包括這類物體的上表面。由此，“表面”和“表面部位”在本質(zhì)上是同義的。實(shí)際上，一個(gè)水果的缺陷是僅存于外表面還是在表面“以里”，只要其證據(jù)能用肉眼在外表面上檢查得出來(lái)，在水果的市場(chǎng)價(jià)值上不會(huì)產(chǎn)生多少實(shí)際差別。
專用名詞“鼓包”、“凹坑”、“純腐爛”、“酸性腐爛”、“顆粒狀表面”、和其他形貌特征以及與本文使用的有關(guān)果皮完整性的特征在柑桔產(chǎn)業(yè)中是眾所周知的，僅作為可以檢測(cè)的特征的例子給出，并且可以根據(jù)本發(fā)明用它對(duì)水果(或其他物體)進(jìn)行分類。
對(duì)物體的表面形貌特征，尤其是象帶果皮的柑桔類水果這樣的球形物體的表面形貌特征掃描和計(jì)算處理，使得有可能根據(jù)其表面特征對(duì)物體分等級(jí)。在柑桔類水果的情形，果皮的粗糙度或表面粒度、鼓包和凹坑、隆脊和低谷、割傷、刺傷、擦傷和裂口、純腐爛和酸性腐爛被用來(lái)通過(guò)象素掃描的數(shù)字分析進(jìn)行光學(xué)鑒定并根據(jù)果皮表面部位的質(zhì)量分出等級(jí)。
通過(guò)將所拍攝的物體圖像分離為背景圖像和物體本身的圖像將物體分類。然后去掉背景圖像。然后對(duì)作為包括兩個(gè)半球的一個(gè)整體物體的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算處理，以判斷是否有任何表面特征的變化可以看作一個(gè)缺陷或者是可作出分類評(píng)判的一個(gè)適當(dāng)基礎(chǔ)。如果有，則物體圖像要受到高頻或低通濾波以及象素光強(qiáng)的門限值處理以導(dǎo)出一個(gè)凈化的圖像，然后將凈化圖像列成表格或者編進(jìn)連接銳躍遷或平緩躍遷的鄰域以鑒定定義為斑痕的特定面積，當(dāng)將斑痕與一個(gè)選定的最小面積、形狀要求和/或?qū)挾缺容^時(shí)，可被鑒定為一個(gè)前面所述的表面缺陷。
圖1是一個(gè)分類和分等級(jí)裝置的方框圖，它將特征計(jì)算機(jī)與本發(fā)明的方法結(jié)合起來(lái)。分類和分等級(jí)裝置-本文中有時(shí)稱為“系統(tǒng)”并用標(biāo)號(hào)10一般表示-包括一個(gè)常規(guī)的傳送帶12，多個(gè)物體14在帶上傳送。正如上面所指出的，所示實(shí)施例中的物體14可以是水果，或者說(shuō)尤其是柑桔類水果、或者是任何型式的本質(zhì)上半透明或透明的物體。任何這類物體，尤其是具有表面形貌特征的任何上述球形物體都可通過(guò)系統(tǒng)10同等處理。
傳送帶12將水果14輸送到一個(gè)光學(xué)室16，水果14在光學(xué)室16里的檢驗(yàn)站18受到照射。傳送帶12輸送并將水果定位，控制水果的姿態(tài)以供攝像。傳送帶設(shè)計(jì)得能在檢驗(yàn)站18提供水果14的最大曝光。所示的實(shí)施例中的傳送帶系統(tǒng)12包括旋轉(zhuǎn)水果14的驅(qū)動(dòng)軸。在所示實(shí)施例中，水果14隨著移動(dòng)通過(guò)攝像站18而反向旋轉(zhuǎn)，目的是至少部分地補(bǔ)償其順著傳送帶12向前的移動(dòng)。換句話說(shuō)，水果如此旋轉(zhuǎn)，使得在持續(xù)時(shí)間的曝光期間，同一個(gè)表面趨向于保持面對(duì)攝像器30，以提供完整可靠的成像條件。當(dāng)然，這一點(diǎn)也可通過(guò)從所周知的技術(shù)進(jìn)行時(shí)間同步。
光學(xué)室16也許在圖2a的簡(jiǎn)化橫截面視圖中被描述得更清楚些，圖2示出傳送帶12將水果14載入光學(xué)室16中的檢驗(yàn)站18，在檢驗(yàn)站18用一對(duì)高強(qiáng)度光源22和24照射水果14。光源22和24從下方聚焦到水果14上，并且還可配備常規(guī)光源協(xié)助提供水果14表面的最佳照明。
另一方面，高強(qiáng)度光源22和24可以代之以兩根或多根光纖，或者側(cè)照水果14，或者放置得成一個(gè)較低的傾角向上伸出照射盡可能小的水果外表面。
作為另一個(gè)替代方案，光源24和24可以是激光光束或者是由LED形成的光束。此外，可以使用單一的光源，并且可用光學(xué)方法分成兩個(gè)光源22和24或更多?？傊?，不言而喻，這些光源22和24或者單一的光源都提供將在水果內(nèi)部散射的入射光，使得水果發(fā)光。而且，正如前面所提出的，根據(jù)被檢驗(yàn)的物體的光學(xué)特性選擇光的頻率或者頻譜，以在物體內(nèi)產(chǎn)生所要求的散射以及最終投射出穿越水果表面的那種輝光。對(duì)柑桔類水果來(lái)說(shuō)，普通的可見(jiàn)光譜就足夠了。
對(duì)于某些應(yīng)用，可能會(huì)要求特定的入射光波長(zhǎng)或頻譜，以使一種所要求的光學(xué)效應(yīng)能增強(qiáng)監(jiān)測(cè)的那種型式的物體中的特殊型式的缺陷。面對(duì)特殊型式的物體和缺陷，留給比較熟練的專業(yè)人員去決定入射光的正確頻率或頻譜。
檢驗(yàn)站18按要求適當(dāng)遮護(hù)，或者提供無(wú)反差的黑色不反射表面以避免虛假圖像，或者在要求增加對(duì)水果的入射光強(qiáng)時(shí)包括進(jìn)反射面。在任何情況下，在圖2a所示的實(shí)施例中，水果內(nèi)部散射并穿過(guò)果皮投射的輝光均從下部的鏡面26a和26b反射到上部的鏡面28a和28b。正如圖2a中所進(jìn)一步示出的那樣，一個(gè)CCD矩陣或攝像器30得到其靠上反射鏡28a和28b聚焦的光，拍攝出一個(gè)單一的計(jì)算機(jī)圖像，實(shí)際上就是水果14的一個(gè)半球的整個(gè)外表面，如圖3a-10a所示。
如圖2b所示，實(shí)際上有兩個(gè)攝像器30a和30b。每個(gè)攝像器拍攝兩個(gè)半球之一的圖像。例如，正如在圖2b所看到的，水果14的第一半球圖像被在下方的鏡面27a反射到左上鏡面29a，隨后再到第一攝像器30a。該第一半球的圖像也通左下方的鏡面27b反射到右上方的鏡面29b進(jìn)入第一攝像器30a。
于是，當(dāng)水果繼續(xù)順傳送帶行進(jìn)并經(jīng)過(guò)同步旋轉(zhuǎn)露出其另一個(gè)半球之后，水果14的那個(gè)第二半球的圖像被右下方的鏡面27c反射到左上方的鏡面29c，并由左下方的鏡面27d反射到右上方的鏡面29d，兩者合成的圖像被反射到另一攝像器30b中。
如圖1所示，攝像器30耦合到一個(gè)特征模式計(jì)算機(jī)34。特征模式計(jì)算機(jī)34是一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，耦合到運(yùn)行必要的傳送帶功能與分等級(jí)功能的遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)和一臺(tái)為用戶提供輸入和輸出訪問(wèn)系統(tǒng)10的輸入/輸出計(jì)算機(jī)38。水果14的特征分析在特征模式計(jì)算機(jī)34里進(jìn)行。根據(jù)用戶指令，通過(guò)輸入/輸出計(jì)算機(jī)38向遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)36的輸入將隨著特征模式計(jì)算機(jī)34發(fā)出的命令在多個(gè)分等級(jí)站40執(zhí)行分等級(jí)操作，分等級(jí)站可包括驅(qū)動(dòng)排放閥門(水果14就靠它動(dòng)作)的電磁線圈，水果14通過(guò)閥門被從傳送帶12排放到適當(dāng)?shù)姆值葍?chǔ)放器或二級(jí)傳送帶。這種排放已由拉瓦爾斯(Lavars)等人在美國(guó)專利號(hào)5,174,429(1992)-“傳送帶卸料裝置和方法”中敘述過(guò)了。
于是，通過(guò)觀察圖1就可明白，系統(tǒng)10的特征模塊由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括燈光和光學(xué)系統(tǒng)(包括光學(xué)室16、攝像器30與鏡面26a和26b以及28a和28b構(gòu)成的成像系統(tǒng))以及在特征模式計(jì)算機(jī)里的圖像處理。
中央輸入/輸出計(jì)算機(jī)38和遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)36都是普通的基本上與現(xiàn)有技術(shù)分類和分等級(jí)裝置中使用的是同一樣的計(jì)算機(jī)。為此，對(duì)系統(tǒng)10的這些部分，除了提供背景支持?jǐn)⑹鎏卣髂Ｊ接?jì)算機(jī)34的工作之外，將不進(jìn)一步作任何詳細(xì)的敘述。中央輸入/輸出計(jì)算機(jī)38提供系統(tǒng)控制包括控制各種用戶接口、選擇輸入和輸出各種分類參數(shù)，在比圖1所示簡(jiǎn)單的直線圖更復(fù)雜的陣列中傳送帶12配備有多條傳輸通道的場(chǎng)合決定系統(tǒng)10中的傳送帶路徑。
燈光系統(tǒng)使用兩只鹵鎢投射燈泡22和24，放在水果14兩側(cè)且位于水果的中心線以下。系統(tǒng)10的設(shè)計(jì)要求既不限制使用任何特殊型式的燈泡或照射系統(tǒng)，也不限制燈泡數(shù)量。唯一的要求就是燈泡(一只或多只)發(fā)射適當(dāng)頻率或頻譜的光線入射到水果上，透射過(guò)水果14的果皮產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光效應(yīng)，能夠被攝像器檢測(cè)出來(lái)。換句話說(shuō)，只要光線的定位、強(qiáng)度和頻率/頻譜使得有光線穿透水果14的果皮或表皮并在其中散射，提供一個(gè)穿過(guò)果皮的發(fā)光效應(yīng)。
攝像器上沒(méi)有特別的濾光器，并且用電子學(xué)方法控制成像的曝光時(shí)間。電子控制曝光時(shí)間能補(bǔ)償由于水果尺寸和果皮厚度的不同而造成的發(fā)光強(qiáng)度的差別。這一補(bǔ)償可在運(yùn)行開(kāi)始階段確定，并且可通過(guò)輸入/輸出控制器38自動(dòng)或人工輸入適當(dāng)?shù)男Ｕ龜?shù)據(jù)。
自動(dòng)控制可以通過(guò)使用一只光敏二極管44安裝在每個(gè)攝像器30上借助于一個(gè)頻率發(fā)生器(未示出)產(chǎn)生一個(gè)依賴于每個(gè)光敏二極管檢測(cè)到的光總量的輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使用受光敏二極管44控制的頻率發(fā)生器的輸出頻率，就控制了攝像器30中CCD芯片上的曝光時(shí)間。
不僅有大量的方法可以使水果14受到照射，而且有大量的方法可以用于拍攝水果14的計(jì)算機(jī)圖像，既可使用一架攝像器也可使用多架攝像器以及各種不同的光學(xué)系統(tǒng)和配置?，F(xiàn)在只限于所示的光學(xué)系統(tǒng)、照射系統(tǒng)或成像系統(tǒng)并不意味著限制本發(fā)明范圍。相反，特意考慮了許多其他的變例和手段都可等效地用于得到本發(fā)明所要求的結(jié)果。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所要的一切就是提供每個(gè)水果14的一個(gè)大體完整的計(jì)算機(jī)圖像，使得下面討論的特征特性不致忽略水果表面的任何重要部分。實(shí)際上，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用單個(gè)攝像器和簡(jiǎn)化的光這系統(tǒng)，僅用一個(gè)半球的圖像就可能足夠了。
特征模式計(jì)算機(jī)34執(zhí)行圖像并將分類信息送到系統(tǒng)的其他部分，用于按照眾所周知的方式進(jìn)行最后的排料選擇。實(shí)施圖像處理的實(shí)際方法或運(yùn)運(yùn)算并不苛刻，可以根據(jù)特征模式計(jì)算機(jī)34中所用的處理器的能力和容量及其控制軟件廣泛變化。在所示實(shí)施例中，特征模式計(jì)算機(jī)34使用得克薩斯儀器公司制造的TMS 320 C40型微處理器，借助使用通用圖像處理開(kāi)發(fā)包產(chǎn)生的運(yùn)算來(lái)提供圖像處理。該圖像處理開(kāi)發(fā)包系由馬里蘭州的亞美利尼克期(Amerinex)人工智能公司使用商標(biāo)KB的版本銷售。
敘述過(guò)系統(tǒng)10的基本硬件之后，我們現(xiàn)在一般地研究一下如何處理所拍攝的圖像來(lái)提供表面形貌特征分等。在所示實(shí)施例中，處理的第一步是排除諸如來(lái)自光源22和24的反射光強(qiáng)度(它不構(gòu)成來(lái)自水果14里面的散射光并射出果皮的輝光)之類的無(wú)用信息。轉(zhuǎn)到圖3a的例子，繪出了光滑水果果皮的實(shí)際計(jì)算機(jī)圖像的明亮部分46。水果14的兩個(gè)圖像示于大體上繪出了水果兩個(gè)半球的景像的圖3a。于是，圖形圖像的部位46，由于其顯然較高強(qiáng)度的電平，可作為不載有有關(guān)表面形貌特征信息的圖形信息信號(hào)區(qū)去除掉。
下一步，整個(gè)掃描水果表面以提供構(gòu)成圖像的整個(gè)象素圖案的最大、最小以及標(biāo)準(zhǔn)的光強(qiáng)離差，提供指示圖像中是否存在可能構(gòu)成要求進(jìn)一步檢查的表面缺陷(例如鼓包和凹坑、割傷、扎傷或腐爛)的光強(qiáng)變化。
柑桔類水果的鼓包是果皮稍稍脫離下面果肉因而稍稍鼓起或膨脹的區(qū)域。凹坑則相反，其果皮表面的一部分較鄰近區(qū)域凹陷進(jìn)去。
如果沒(méi)有檢測(cè)出缺陷，則圖形圖像受到例如表示水果表面粒度的高頻數(shù)據(jù)檢查。然后，由水果14得出的數(shù)據(jù)可反饋回到遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)36用于按照用戶標(biāo)準(zhǔn)分類的目的。
在一個(gè)例子中，水果表面球形統(tǒng)計(jì)分析表明存在果皮缺陷，缺陷的類型則可通過(guò)應(yīng)用一系列的數(shù)據(jù)濾波器鑒定。高通數(shù)據(jù)濾波器可用于查找割傷和扎傷。帶斑痕分析、描跡和大光強(qiáng)面積縱橫比的低通濾波器對(duì)于鑒定鼓包和凹坑以及識(shí)別腐爛是很有用的。本文中斑痕被定義為具有一類表面形貌特征的果皮的鄰接區(qū)域。
分離出鼓包和凹坑數(shù)據(jù)之后，顯示超出標(biāo)準(zhǔn)離差數(shù)值的峰值光強(qiáng)的一系列檢查可用來(lái)鑒定一類缺陷(例如鼓包和凹坑)的缺陷程度。做完這一切處理之后，隨即將整個(gè)水果的尺寸與受損面積相比較以產(chǎn)生出受損表面的缺陷的百分比數(shù)值。其他的缺陷，例如腐爛和表皮破裂可以不計(jì)算百分比，不過(guò)不管水果受損面積的百分比率如何，都構(gòu)成立即剔出該水果的一個(gè)原因。
這一處理的效果如何，現(xiàn)在可通過(guò)觀察圖3a-10a、比較其取自選定的掃描線上的象素光強(qiáng)直方圖(如在相應(yīng)的圖3b-10b中分別所示)更好地評(píng)價(jià)。我們首先轉(zhuǎn)到圖3a，其中繪出了光滑桔子表皮的計(jì)算機(jī)圖像，示出由反射圖象提供給攝像器的兩個(gè)圖像。正如前面所討論的，來(lái)自照射源的明亮區(qū)46由于不含有關(guān)果皮狀況特性的信息而消除掉了。
然后，統(tǒng)計(jì)整個(gè)圖形圖像的信息，得出最大、最小以及標(biāo)準(zhǔn)離差來(lái)表示圖像象素的光強(qiáng)變化。在這一情形，統(tǒng)計(jì)離差表示水果光滑并且完全在合格范圍之內(nèi)。此刻，進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析成為不必要，并且水果位置被示蹤在系統(tǒng)10里，并順著選定路線的傳送帶12被載到適當(dāng)分等級(jí)儲(chǔ)放器42或二級(jí)傳送帶，或者用于根據(jù)附加的方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和分類。
為了說(shuō)明的目的，典型的掃描線48橫切圖3a中二個(gè)半球圖像的一部分。然后，掃描線光強(qiáng)被繪成圖3b的直方圖，其中光強(qiáng)系對(duì)垂直軸作圖并沿順著水平軸的掃描線布置，使端50對(duì)應(yīng)于圖3b直方圖的左端，掃描線48的端52對(duì)應(yīng)于圖3b直方圖的右端。目視檢查圖3b的直方圖表明象素光強(qiáng)的變化維持在距平均值相當(dāng)有限的離差數(shù)值范圍之內(nèi)，提供一個(gè)完全不同于在圖4b-10b中所繪直方圖(其中示出各種不同的水果缺陷)的圖案。借助常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法。圖3b-10b的直方圖可用有意義的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)表征，通過(guò)那些分成各個(gè)類別的參數(shù)來(lái)可靠地鑒定水果14的表面形貌特征。
此外，雖然圖3a中在水果14的一個(gè)半球圖像上繪出了一根掃描線，但不用說(shuō)，完全可以使用在不同方向和位置橫切每個(gè)半球圖像的多根掃描線48，來(lái)求得水果14的表面形貌特征的平均統(tǒng)計(jì)定義。
圖4a示出一個(gè)受到稱作酸性腐爛的表面腐爛(在表面形貌特征上可看得出來(lái))損害的水果14的計(jì)算機(jī)圖像。仍然是，明亮照射區(qū)46由于沒(méi)有關(guān)系而從圖像中除去。作全面的統(tǒng)計(jì)分析指出，在表面形貌特征當(dāng)中存在有足夠的象素變化，要求對(duì)表皮損傷作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。因此，用一根典型的掃描線48橫切水果14的一個(gè)半球圖像，其相應(yīng)的光強(qiáng)直方圖(畫在圖4b中)示出從圖4a中掃描線的下底(即圖4b的直方圖的左端)在圖4a中掃描線48的上頂52(即圖4b中直方圖的右端)的光強(qiáng)變化。
比較圖3b和4b的象素光強(qiáng)直方圖，立刻顯出一個(gè)清楚明確的圖案特性差別。最大值和最小值之間存在一個(gè)更寬的變化，對(duì)平均值的離差比圖3b中大得多。對(duì)圖像進(jìn)行處理以鑒定象素光強(qiáng)中的平穩(wěn)躍遷區(qū)。自動(dòng)地(基于統(tǒng)計(jì)測(cè)度)或者由用戶通過(guò)中央輸入/輸出計(jì)算機(jī)38設(shè)置一個(gè)預(yù)定的門限值。將在連接帶平穩(wěn)躍遷的象素邊界的鄰域中具有高于預(yù)定門限值的充強(qiáng)的各象素的數(shù)字列入表格。這些鄰域就定義為斑痕。然后將超過(guò)用于鑒定表面缺陷的給定特性參數(shù)的斑痕數(shù)字列入表格。如果這一數(shù)字超過(guò)給定的果皮面積的最大百分?jǐn)?shù)，水果就被打上標(biāo)記并被分以便剔除。
直方圖的圖案形狀的識(shí)別也可借助常規(guī)的曲線符合技術(shù)在特征模式計(jì)算機(jī)34中進(jìn)行。酸性腐爛直方圖的特征在于巨大的中央尖峰急刀劇跌向臺(tái)肩。需要的話可以采用多根掃描線48通過(guò)水果14的兩個(gè)半球圖像。然后對(duì)檢驗(yàn)位置18上具有這一形狀的直方圖的水果可以打上酸腐爛損傷的標(biāo)記，由傳送帶12運(yùn)載并適當(dāng)分等放進(jìn)一個(gè)收集儲(chǔ)放器42或者在遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)36的控制下進(jìn)到二級(jí)傳送帶上，遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)則根據(jù)中央輸入/輸出計(jì)算機(jī)的命令按照特征模式計(jì)算機(jī)34的特征模式特征給出的參數(shù)集合動(dòng)作。
同樣地，圖5a是水果14的兩個(gè)半球的計(jì)算機(jī)圖像，水果的特征在于純腐爛表皮損傷。相應(yīng)的直方圖示于圖5b，其特征在于巨大尖峰急速跌向掃描線上純腐爛以外其他地方的平均象素光強(qiáng)。而且，這一圖像與圖3b和4b的圖像截然不同，可通過(guò)常規(guī)的圖案識(shí)別清楚地識(shí)別出來(lái)，因而水果在系統(tǒng)10中打上標(biāo)記并分出等級(jí)。對(duì)于純腐爛圖像的處理類似于上面對(duì)酸性腐爛所敘述的處理。
圖6a是具有高孔隙率或顆粒表面的水果14(在某些市場(chǎng)上可能會(huì)被消費(fèi)者認(rèn)為不大完美)的計(jì)算機(jī)圖像。相應(yīng)的直方圖示于圖6b，它說(shuō)明高象素光強(qiáng)的散射變化，其結(jié)果如像是林立的細(xì)寬度高煙囪被深谷隔開(kāi)。圖6b的直方圖與圖3b-5b的圖案截然不同，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和圖案識(shí)別，可對(duì)它做出鑒定并在系統(tǒng)10中將水果14適當(dāng)分類并分出等級(jí)。尤其是，用一個(gè)高通數(shù)據(jù)濾波器將掃描圖像濾波并留下高頻數(shù)據(jù)。為所述濾波圖像的象素光強(qiáng)設(shè)置一個(gè)門限值，并將具有高出這一門限的光強(qiáng)的象素?cái)?shù)字列入表格以評(píng)估果皮的孔隙率。
圖7a示出水果14的計(jì)算機(jī)圖像，其表面特征在于表面損傷是所謂的軟鼓包和凹坑，或者說(shuō)其特征在于果皮形貌中的小山包和低谷。相應(yīng)的直方圖示于圖7b(如像順著圖7a的典型掃描線48所看到的)。直方圖形狀與圖3b-6b截然不同，其特征在于多個(gè)高峰，一些帶有中間寬度的高峰被中間深度的低谷隔開(kāi)。而且，圖7b的直方圖可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)和圖案識(shí)別使得有可能將帶有軟鼓包和凹坑缺陷的水果14打上標(biāo)記，從而允許選擇分等放入適當(dāng)?shù)氖占瘍?chǔ)放器42或系統(tǒng)10的二級(jí)傳送帶。尤其是，使用低通濾波器或者任何平滑并軟化象素?cái)?shù)據(jù)光強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算由圖像濾出低頻數(shù)據(jù)。為已濾得的圖像設(shè)置一個(gè)象素光強(qiáng)門限值，將具有高于那個(gè)門限值的象素?cái)?shù)字列入表中，以鑒定果皮中的小山包和低谷。
圖8a示出水果14的兩個(gè)半球的圖形圖像，其表皮受到所謂隆脊和低谷缺陷的損害。這些都是生長(zhǎng)期間在果皮外表面上形成的縱向低谷和隆脊。相應(yīng)的直方圖示于8b，仍然是與圖3b-7b的直方圖截然不同的圖案，其特征在于又寬又高的尖峰之間帶有深谷，對(duì)應(yīng)于形成在果皮中的隆脊和低谷。水果根據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖案識(shí)別被相應(yīng)分類并被系統(tǒng)10分出等級(jí)。尤其是，圖像被有選擇地掃描以得出象素光強(qiáng)的銳躍遷。設(shè)置象素光強(qiáng)的一個(gè)門限值。將在連接相應(yīng)于銳躍遷的象素邊界的鄰域中具有高出所設(shè)門限值的光強(qiáng)的象素?cái)?shù)字列入表格。鄰域被定為斑痕。然后將超過(guò)有于鑒定果皮中V形隆脊和凹谷的預(yù)定特性參數(shù)的斑痕數(shù)字列入表格。而且，如在圖3a-10a的所有情形一樣，對(duì)斑痕的絕對(duì)數(shù)字或斑痕中總果皮面積所占百分?jǐn)?shù)提供一個(gè)判決標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)決定水果合格、剔出或作其他處理。
圖9a對(duì)一個(gè)呈現(xiàn)“挫傷”(一般定義包括裂口、割傷、扎傷和擦傷)的水果示出水果14的圖像。相應(yīng)的直方圖示于圖9b，其特征在于很大很寬的尖峰帶有又深又寬的鄰接低谷，直方圖經(jīng)目驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析，圖案與圖3a-8a所示的直方圖截然不同，使得有可能將水果14分類并在系統(tǒng)10中適當(dāng)?shù)胤殖龅燃?jí)。尤其，圖像被掃描得出象素光強(qiáng)銳躍遷。提供一個(gè)預(yù)定的門限值。將連接帶銳躍遷的象素邊界的鄰域中具有光強(qiáng)在預(yù)定門限值之上的象素?cái)?shù)字列入表格。鄰域被定為斑痕。將超過(guò)預(yù)定面積的斑痕數(shù)字列入表格以鑒定所述果皮中的挫傷。
圖10a是水果14的兩個(gè)半球的計(jì)算機(jī)圖像，其特征于純鼓包和凹坑型表皮缺陷。相應(yīng)的直方圖示于圖10b，提供了與眾不同的被深谷隔開(kāi)的多個(gè)帶有窄項(xiàng)的中間寬度的高峰圖案，其統(tǒng)計(jì)和圖案與圖3b-9b所示的截然不同。因而，帶純鼓包和凹坑的水果14可被選擇分類并在系統(tǒng)10中分出等級(jí)。圖像處理基本上與上述對(duì)軟鼓包和凹坑所作的一樣。
系統(tǒng)10的硬件和圖像數(shù)據(jù)的處理現(xiàn)在都已經(jīng)敘述了，我們來(lái)考慮用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的總體軟件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)10的操作，尤是特征模式計(jì)算機(jī)34的軟件控制用圖11的軟件結(jié)構(gòu)圖來(lái)說(shuō)明。圖11的軟件構(gòu)造示出了特征模式計(jì)算機(jī)34用來(lái)完成上述操作的主模塊。
實(shí)時(shí)核54提供所述的實(shí)施例的操作系統(tǒng)。主特征模塊56完成起動(dòng)任務(wù)，管理耦合到特征模式計(jì)算機(jī)34的各種資源，對(duì)付要求特別處理的事件中斷，大量提出或指定必須執(zhí)行的系統(tǒng)任務(wù)，在特征模式計(jì)算機(jī)34里的眾多各不相讓的軟件請(qǐng)求中指定優(yōu)先權(quán)。
主特征模塊與多個(gè)其他模塊或資源并行通信。例如模塊56通過(guò)并行通信端口58控制并和遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)36數(shù)據(jù)通信。與中央輸入/輸出計(jì)算機(jī)38的通信通過(guò)一個(gè)局域網(wǎng)模塊60操縱。傳送帶12的移動(dòng)和同步通過(guò)一個(gè)皮帶同步模塊62跟蹤，模塊62也與遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)36通信以接信有關(guān)傳送帶速度和位置的信息。
攝像器30在模塊64的控制下按一個(gè)高效圖形幀捕捉協(xié)議與特征模式計(jì)算機(jī)34通信，模塊64用于起動(dòng)并監(jiān)視視頻幀捕捉卡的工作，在所示實(shí)施例中，該卡是加拿大不列顛哥倫比亞州(British Co1umlia)的頻譜信號(hào)處理公司制造的SPECTRUM視頻卡。
已處理的圖形數(shù)據(jù)通過(guò)模塊66從視頻卡讀出，并在數(shù)據(jù)處理模塊68的控制下存到硬盤上歸檔。已處理的圖像數(shù)據(jù)(例如在圖3a-10a中所看到的)通過(guò)局域網(wǎng)轉(zhuǎn)移模塊70轉(zhuǎn)移到中央輸入/輸出計(jì)算機(jī)38作為用戶信息。這就使得操作員能夠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)看到與系統(tǒng)10中的特征模塊所見(jiàn)一樣的處理圖像。
外加的輔助性軟件任務(wù)通過(guò)配置模塊72管理，模塊72建立和監(jiān)控與計(jì)算機(jī)36和38以及可能與系統(tǒng)10聯(lián)用的其他系統(tǒng)的通信。例如系統(tǒng)10的分類和分等級(jí)就可能與如像在美國(guó)專利5,164,795中所述的柑桔類水果的顏色和損傷分類系統(tǒng)聯(lián)用，與顏色和損傷分類機(jī)的通信就通過(guò)使用模塊72來(lái)建立。模塊74提供視頻卡的初始化并確認(rèn)其可操作性。通用模塊76則類似地建立和確定局域網(wǎng)控制和操作。
不言而喻，軟件系統(tǒng)及其構(gòu)造可以廣泛改變，而仍然完成同樣的收集圖形數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理以表征表面形貌特征的類別或特性，以及將此特性數(shù)據(jù)提供中央計(jì)算機(jī)38和遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)36用于根據(jù)用戶的選擇標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)判斷和確定分類路線。
一般熟悉這一技術(shù)的那些人員都可作出許多變例和修改，而不需脫離本發(fā)明的精神和范圍。因而必須明白，上面擺出的說(shuō)明實(shí)施例僅僅是為了舉例，不應(yīng)當(dāng)作像下面的權(quán)利要求書規(guī)定的那樣限制本發(fā)明。
在敘述本發(fā)明及其各個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明書中所使用的單詞不僅應(yīng)從其一般的意義上理解，而且應(yīng)包含一般意義的范圍以外特別定義的結(jié)構(gòu)、材料和行為動(dòng)作。因而，下面權(quán)利要求書的單詞或要素的定義不僅是在本說(shuō)明書中規(guī)定的包含逐字提出的要素的組合，而且包括用于以大體同樣的方式執(zhí)行大體同樣的功能達(dá)到大體同樣的結(jié)果的一切等效結(jié)構(gòu)、材料和行為動(dòng)作。
除了所要求的要素的等效含義以外，一般熟悉這一技術(shù)的人員現(xiàn)在或以后知道的明顯替代詞也規(guī)定在其定義要素的范圍之內(nèi)。
于是，權(quán)利要求書被理解為包括上面特別仔細(xì)說(shuō)明和敘述的，在概念上等效的，顯然能夠替代的以及還有在本質(zhì)上體現(xiàn)本發(fā)明的基本思想的東西。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)物體至少一種選定的表面特征將半透明物體分類的方法，包括的步驟是照射物體使得光線在物體里面散射；檢測(cè)透射出物體表面的上述散射光；將上述所檢出的光轉(zhuǎn)換為表示透過(guò)表面多個(gè)定義區(qū)域的每一區(qū)的光線的相對(duì)光強(qiáng)的數(shù)據(jù)；分析上述數(shù)據(jù)以判斷所選表面特征的存在；以及根據(jù)上述判斷將物體分類。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述分析步驟包括對(duì)物體的表面特征執(zhí)行圖案識(shí)別的步驟。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在執(zhí)行所述圖案識(shí)別步驟前，還有一個(gè)去掉不是來(lái)源于由物體內(nèi)部透出其表面的光的數(shù)據(jù)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述分析數(shù)據(jù)的步驟包括導(dǎo)出數(shù)據(jù)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)測(cè)度來(lái)判斷是否有表明存在表面特征的足夠強(qiáng)光變化。
5.權(quán)利要求3的方法，其中所述分析數(shù)據(jù)的步驟包括導(dǎo)出數(shù)據(jù)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)i度來(lái)判斷是否有表明存在表面特征的足夠光強(qiáng)變化。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的步驟還包括相對(duì)于一個(gè)選定的截止頻率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率濾波的步驟。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述頻率濾波的步驟包括僅通過(guò)高頻數(shù)據(jù)分量。
8.權(quán)利要求6的方法，其中所述頻率濾波的步驟包括僅通過(guò)低頻數(shù)據(jù)分量。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述檢測(cè)步驟還包括光學(xué)形成一個(gè)從物體透射的散射光的圖像的步驟。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所述檢測(cè)步驟包括掃描沿著一條橫截上述圖像的選定的線所形成的圖像的步驟。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述掃描步驟沿著多條橫截圖像的掃描線進(jìn)行。
12.權(quán)利要求9的方法，其中所述物體為一般球形，并且光學(xué)形成所述圖像包括形成所述物體的大體兩個(gè)半球的圖象。
13.權(quán)利要求9的方法，其中所述光學(xué)形成圖像的步驟包括用光學(xué)方法將從物體透出的散射光的圖像反射到背向物體的攝像器。
14.權(quán)利要求1的方法，其中考慮多個(gè)表面特性，并且所述分析步驟包括判斷在物體上是否存在任何上述表面特性。
15.權(quán)利要求14的方法，其中物體是帶果皮的柑桔類水果，并且其中所述分析步驟包括判斷柑桔類水果果皮中孔隙率的范圍。
16.權(quán)利要求14的方法，其中物體是帶果皮的柑桔類水果，并且其中所述分析步驟包括判斷柑桔類水果果皮中鼓包和凹坑的范圍。
17.權(quán)利要求14的方法，其中物體是帶果皮的柑桔類水果，并且其中所述分析步驟包括判斷柑桔類水果果皮中隆脊和低谷的范圍。
18.權(quán)利要求14的方法，其中物體是帶果皮的柑桔類水果，并且其中所述分析步驟包括判斷柑桔類水果果皮中挫傷的范圍。
19.權(quán)利要求14的方法，其中物體是帶果皮的柑桔類水果，并且其中所述分析步驟包括判斷柑桔類水果果皮中表面腐爛的范圍。
20.權(quán)利要求9的方法，其中所述檢測(cè)步驟包括掃描一個(gè)二維陣列的圖像以提供至少一部分物體表面的二維圖形圖像的步驟。
21.權(quán)利要求1的方法，其中照射步驟包括以可見(jiàn)光照射物體。
22.權(quán)利要求1的方法，其中照射步驟包括以可見(jiàn)光譜以外的光照射物體。
23.權(quán)利要求22的方法，基中光線包括近紅外光。
24.權(quán)利要求9的方法，其中所述分析步驟包括將圖像分離為背景圖像和物體圖像；以及去掉背景圖像，留下物體圖像。
25.權(quán)利要求24的方法，其中物體是帶果皮的水果，并且其中所述分析步驟包括判斷所述果皮的孔隙率范圍，并且還包括掃描物體圖像；使用高通數(shù)據(jù)濾波器對(duì)所掃押的圖像濾波以得到高頻數(shù)據(jù)；設(shè)置所濾圖像象素光強(qiáng)的一個(gè)門限值；以及將具有高出門限值的光強(qiáng)的象素?cái)?shù)定列入表格。
26.權(quán)利要求24的方法，其中物體是帶果皮的水果，并且其中所述分析步驟包括判斷果皮中小山包和低谷的存在，并且還包括掃描物體圖像；使用低通/平滑數(shù)據(jù)濾波器對(duì)所掃描的圖像濾波以得到低頻數(shù)據(jù)；設(shè)置所濾圖像象素光強(qiáng)的一個(gè)門限值；以及將具有高出門限值的光強(qiáng)的象素?cái)?shù)字列入表格。
27.權(quán)利要求24的方法，其中物體是帶果皮的水果，并且其中所述分析步驟包括判斷果皮中V形隆脊和凹谷的存在，并且還包括有選擇地掃描圖像以得到象素光強(qiáng)的銳躍遷；設(shè)置象素光強(qiáng)的門限值；將連接對(duì)應(yīng)于銳躍遷的象素邊界的鄰域中具有高過(guò)門限值的光強(qiáng)的象素?cái)?shù)字列入表格，所述鄰域定為斑痕；以及將超過(guò)用以鑒定果皮中V形隆脊和凹谷的預(yù)定特性參數(shù)的斑痕數(shù)字列入表格。
28.權(quán)利要求27的方法，其中特性參數(shù)包括一個(gè)選定的最小斑痕面積，并且所述將斑痕數(shù)字列入表格的步驟包括將超過(guò)所選最小面積的斑痕數(shù)字列入表格。
29.權(quán)利要求27的方法，其中特性參數(shù)包括一個(gè)選定的斑痕形狀，并且所述將斑痕數(shù)字列入表格中的步驟包括將遵守所選形狀定義的斑痕數(shù)字列入表格。
30.權(quán)利要求24的方法，其中物體是帶果皮的水果，并且其中所述分析步驟包括判斷果皮表面中存在挫傷，并且還包括掃描物體圖像以得到象素光強(qiáng)和銳躍遷；設(shè)置物體圖像的象素光強(qiáng)的一個(gè)選定的門限值；以及將連接帶有銳躍遷的象素邊界的鄰域中具有高過(guò)所選門限值的光強(qiáng)的象素?cái)?shù)字列入表格，上述鄰域就定為斑痕；以及將超過(guò)用以鑒定果皮中的挫傷的所選面積和寬度的上述斑痕數(shù)字列入表格。
31.權(quán)利要求24的方法，其中物體是帶果皮的水果，并且其中所述分析步驟包括判斷表面腐爛的存在，并且還包括掃描物體圖像以得出象素光強(qiáng)中的平緩躍遷；設(shè)置象素光強(qiáng)的一個(gè)選定門限值；將連接帶有平緩躍遷的象素邊界的鄰域中具有高過(guò)門限值的光強(qiáng)的象素?cái)?shù)字列入表格，上述領(lǐng)域就定為斑痕；以及將超過(guò)用以鑒定表面腐爛的給定特性參數(shù)的上述數(shù)字列入表格。
32.權(quán)利要求31的方法，其中特性參數(shù)包括選定的上述斑痕的最小面積，并且所述列入表格的步驟包括將超過(guò)所選最小面積的斑痕數(shù)字列入表格。
33.權(quán)利要求31的方法，其中特性參數(shù)包括一個(gè)選定的形狀，并且所述列入表格的步驟包括將具有遵守所選形狀定義的形狀的斑痕數(shù)字列入表格。
34.權(quán)利要求1的方法，其中物體系由水果、塑料物品、石蠟物品、陶瓷物品、復(fù)合材料以及玻璃物品構(gòu)成的組合中選出。
35.權(quán)利要求1的方法，其中將多個(gè)物體分類，并且還包括根據(jù)其類別將上述物體分成等級(jí)的步驟。
36.一種用于判斷半透明物體上存在至少一種選定的表面特征的裝置，包括用于照射物體使得光線在其里面散射的機(jī)構(gòu)；用于檢測(cè)透過(guò)物體表面的上述散射光線的機(jī)構(gòu)；用于將上述檢出的光線轉(zhuǎn)換為表示透過(guò)表面多個(gè)規(guī)定區(qū)域的每一區(qū)的相對(duì)光強(qiáng)的數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)；以及用于分析上述數(shù)據(jù)以判斷所選表面特征的存在的機(jī)構(gòu)。
37.權(quán)利要求36的裝置，其中所述檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)包括用于建立一個(gè)透射散射光圖像的機(jī)構(gòu)。
38.權(quán)利要求37的裝置，還包括用于拍攝h述圖像的光學(xué)攝像機(jī)構(gòu)。
39.權(quán)利要求37的裝置，其中所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。
40.權(quán)利要求39的裝置，其中每個(gè)所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)都包括用于拍攝上述圖像的光學(xué)攝像機(jī)構(gòu)，所述光學(xué)攝像機(jī)構(gòu)用于拍攝上述圖像的不同部分。
41.權(quán)利要求40的裝置，其中物體大體是球形，并且每一個(gè)所述光學(xué)拍攝機(jī)構(gòu)被用于拍攝大體相應(yīng)于物體的一個(gè)半球的圖像。
42.權(quán)利要求38的裝置，還包括響應(yīng)所述拍攝機(jī)構(gòu)的輸出，將其輸出轉(zhuǎn)換為表示圖像的多個(gè)區(qū)域里面的相對(duì)光強(qiáng)的數(shù)據(jù)。
43.權(quán)利要求42的裝置，還包括用于分析數(shù)據(jù)以判斷物體的所選特征的存在的機(jī)構(gòu)。
44.權(quán)利要求43的裝置，其中所述分析數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)包括數(shù)字計(jì)算機(jī)機(jī)構(gòu)。
45.權(quán)利要求43的裝置，還包括響應(yīng)所述數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu)用于根據(jù)上述判斷將物體分類的機(jī)構(gòu)。
46.權(quán)利要求45的裝置，其中所述分類機(jī)構(gòu)包括數(shù)字計(jì)算機(jī)機(jī)構(gòu)。
47.權(quán)利要求43的裝置，其中所述數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu)包括用于將上述相對(duì)光強(qiáng)與一個(gè)選定的標(biāo)準(zhǔn)圖案相比較的機(jī)構(gòu)。
48.權(quán)利要求47的裝置，其中所述比較機(jī)構(gòu)包括用于將所述相對(duì)光強(qiáng)與多個(gè)選定的標(biāo)準(zhǔn)圖案相比較的機(jī)構(gòu)。
49.一種用于判斷半透明物體上存在所選表面特征的裝置，包括至少一個(gè)朝著物體的光源；用于將在物體里面散射并透過(guò)物體表面的光轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的傳感機(jī)構(gòu)；以及用于判斷上述特征是否存在的計(jì)算機(jī)構(gòu)。
50.權(quán)利要求49的裝置，其中所述計(jì)算機(jī)構(gòu)包括數(shù)字計(jì)算機(jī)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
拍攝半透明物體例如帶果皮的柑桔類水果的表面形貌特征以根據(jù)其表面特征進(jìn)行分類。在柑桔類水果的情形，果皮的粗糙性或粒度、鼓包和凹坑、隆脊和低谷、割傷、扎傷、擦傷和裂口、純腐爛或酸性腐爛都可通過(guò)象素掃描的數(shù)字分析來(lái)鑒定和根據(jù)果皮的表面質(zhì)量分出等級(jí)。通過(guò)將拍攝的水果圖像與背景圖像分開(kāi)并去掉背景圖像而將水果分類。對(duì)整個(gè)物體圖像作統(tǒng)計(jì)分析，以判斷是否有可以當(dāng)作缺陷或適于作分類評(píng)定基礎(chǔ)的任何表面特征變化。如果有，則物體圖像要受到高頻或低通濾波以及象素光強(qiáng)的門限值處理以得出一個(gè)凈化圖像。然后將凈化圖像列入表格或編為連接銳躍遷或平緩躍遷的鄰域以將特定的區(qū)域定為斑痕。將斑痕與給定的最小面積、形狀要求和/或?qū)挾认啾容^就可被鑒定為一個(gè)被找的表面缺陷。
文檔編號(hào)G01N21/88GK1142205SQ95191836
公開(kāi)日1997年2月5日 申請(qǐng)日期1995年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月3日
發(fā)明者理查德·D·赫克, 亨利·A·費(fèi)爾特 申請(qǐng)人:新奇士種植者公司