水果采集概述

摘要 阐述水果颜色及大小自动分选机的发展现状 并简要介绍机器视觉的基 本原理 使用 LabVIEW 和 NI Vision Assistant 对所采集的水果图像进行了处 理且做出相应分析 关键词 水果分选机 机器视觉 LabVIEW NI Vision Assistant 引言 近年来 随着生活水平的提高 水果的消费比率占日常家庭开支的比率在 逐步上升 人们对水果的品质要求也越来越挑剔 但在国际市场上 我国水果 的发展前景展现的不容乐观 我国水果产后处理能力不到总产量的 5 采后 烂果率高达 25 以上 以香港市场为例 我国出口柑桔数量占香港市场的 2 3 以上 但是我国收汇只占 1 3 单价仅为其他国家产品的 1 4 发达国家的经验 告诉我们 水果产值的大部分是由它的产后处理和加工创造出来的 因此水果 的产后加工成为如何提高市场竞争力的关键 由此我国水果产后处理和加工行 业近年来发展迅速 但多以机械式分级为主 且加工比率还是很小 为了提高 水果的加工质量和出品等级 需要对水果进行严格的外观品质分级和大小分级 目前 我国具备先进水果分选设备的企业很少 有大型生产线的企业也仅仅是 对质量和大小进行分选 装备比较落后 因此 市场上销售的水果大多数依靠机 械配合人工的方式实现分级 人工分级的主要缺点是 劳动量大 生产率低而 且分选精度不稳定 水果分选难以实现快速 准确和无损化 截止到目前为止 国内外已有不少学者及科研人员在此领域取得了重大进展 根据水果检测指标 的不同 水果分选机大致可分为大小分选机 重量分选机 外观品质分选机和 内部品质分选机 1 在众多场合下 大小和外观品质分选机应用较多 而且目前常用的大多数 是机械式大小和重量分选机 基于计算机视觉的水果大小分选机虽已用于实际 生产 但是由于价格昂贵 还未能推广使用 外部品质分选机和内部品质分选 机还在进一步研究中 研究过程还存在着一些难题 水果外部品质检测方面 水果的尺寸和颜色检测技术已比较成熟 但是果面的缺陷检测确是水果实时分 级的难点 要快速准确地测定水果表面的各种缺陷并与梗 萼凹陷区正确区分 比较困难 2 内部品质检测方面 多是就一种产品某一单项项目进行检测 对 果品多种内部品质的综合检测方面研究较少 3 同时 由于内部品质检测的方 法比较复杂 所需设备成本较高 故用于实际检测中的还很少 另外 在水果 在线检测分选机的研究中 水果品质的实时检测和分级还存在检测精度低 速 度慢等问题 这就要求图像信息的处理和识别算法必须简单而有效 以满足在 线高生产率的要求 3 8 计算机技术 数据处理技术 无损伤检测技术以及自 动化控制技术的发展为现代及未来的分级检测技术提供了广阔的空间 9 机器 视觉技术的应用已成为实现果蔬产品品质自动识别和分级的最有效的方法 可 以预见 将机械设备 人工智能技术和图像处理技术相结合 是今后应用计算 机视觉技术进行水果品质评价的重要发展方向 10 机器视觉是研究计算机或其他处理器模拟生物宏观视觉功能的科学和技术 也 就是用机器代替人眼来做测量和判断 机器视觉将图像处理 计算机图形学 模式识别 计算机技术 人工智能等众多学科高度集成和有机结合 而形成 的一门综合性的技术 具有自动化 客观 非接触和高精度等特点 基于以 上所述发展现状 本文构建了水果颜色及大小机器视觉检测自动分选系统 1 系统总体组成 本文构建的水果颜色及大小机器视觉检测自动分选系统的主要组成部分包 括输送带 继电器 旋转挡板 摄像头及光学部件 光电门 照明光源 图像 采集卡 工控机 检测软件 数字 I O 网络连接和出料口等 其中机械传送 和筛选装置总体组成如图 1 所示 输送机构由电机 带轮传动下的输送带组 成 主要完成水果的等速传送 把水果表面呈现给 CCD 摄像机 在经过设置在传 送带两侧的光电门和 CCD 摄像机时 向计算机传送一个电信号以控制 CCD 摄像 机实时摄取到水果的大小 颜色等视觉图像信息 水果颜色及大小机器视觉检 测自动分选系统的关键问题是如何把水果大小和颜色信息快速呈现给机器视觉 系统并由计算机作出快速的处理和判断 对于容易解决的前面的喂入机构本系 统没有加入 照明室提供 CCD 视区内的均匀 恒定的光照 以得到高质量的水果 图像 为图像的后期处理和判断提供方便 成像系统和处理系统主要完成颜色的 图像信息的摄取和水果大小参数的快速测定和识别 并及时向继电器发送信号 使继电器能够在在水果经传送带运动到旋转挡板前交替工作 以控制挡板运动 把水果输送到预定地点 图 1 2 系统的工作流程 水果经喂料口以一定的小间距送至传送带上 在传送带的带动下以匀速运 动 当水果经过光电门时光电门会向计算机发送一个电信号 此信号的作用是 控制 CCD 摄像机实时摄取到水果的大小 颜色等视觉图像信息 机器视觉系统 对水果大小和颜色信息作出快速的处理和判断 并同时与预先设定好的水果的分 级标准 包括大小和颜色 进行比较 若水果大小和颜色标准在预定标准范围 内 则控制继电器 1 工作 继电器 2 不工作 拉动旋转挡板是水果滚落 到指定出料口内 若水果大小不在预定标准范围内则继电器 2 工作 继电器 1 不工作 使水果滚至下级的分级系统中 以后的分级流程与此类似 3 水果输送装置的设计 常用的传动机构有带传动 链传动 摩擦轮传动 齿轮传动等 这里初选 带传动和链传动 下面比较链传动和带传动的优缺点 1 带传动 带传动是具有中间挠性件的一种传动 其优点是 1 缓和载荷冲击 2 运 行平稳 无噪音 3 过载时引起带轮打滑 可防止其他零件的损坏 4 适应 中心距较大的工作条件 其缺点在于 1 有弹性滑动和打滑 效率较低不能保 持准确的传动比 2 带寿命较短 2 链传动 与带传动相比较 链传动的主要优点是 1 没有滑动 2 工况相同时 传动尺寸比较紧凑 3 不需要很大的张紧力 作用在轴上的载荷较小 4 效 率较高 5 能在温度较高 湿度较大的环境中使用等 因链传动有中间元件 链 需要时轴间距离可以很大 链传动的缺点是 1 只能用于平行轴之间的 传动 2 瞬时速度不均匀 高速运转时不如带传动平稳 3 不宜在载荷很大 和急促反向的传动中应用 4 工作时有噪音 5 制造费用比带传动高 这里考虑到分选机传送的工作效率 匀速性和使用寿命 综合决定选用链 传动机构 这样就能保证水果在传送的过程中能够平稳匀速的行进 以利于信 息的采集 3 照明系统设计 照明室的设计主要应满足如下要求 CCD 摄像机视区内光照要均匀 以避免 镜面反射 苹果成像的背景应一致且与苹果图像有较大的对比度 光源的光谱 范围 辐射能量 显色性应满足成像系统的要求且具备较好的散射性 对于图 1 所示的输送机构和 CCD 摄像机的布置情况 输送带两侧的 CCD 可采集一个 苹果 2 个面的图像 其中照明系统设计如下 光源采用 220V 150W 的卤钨灯 该灯 具有近似连续的光谱 在可见光和近红外波段都有足够的辐射能量 其色 3000 3200 K 且具有较好的显色指数 大于 815 为保证光线柔和并具有散射性 在 光源前面加制作灯箱专用的塑料散射材料 4 图像采集处理系统设计 说明 CCD 摄像机的放置位置要经过计算 在水果经过 CCD 摄像机后但落下的 过程所用的时间要稍大于机器视觉系统处理水果的大小 颜色等视觉图像信息 及控制继电器工作至完成挡板转动的时间 参考文献 1 曹其新 吕恬生 永田雅辉 日本蔬菜和水果拣选机器人的发展状况 J 机械设计与研究 1998 4 9 11 2 李庆中 汪懋华 基于计算机视觉的水果实时分级技术发展与展望 J 农 业机械学报 1999 30 6 1 7 3 郭文川 朱新华 郭康权 果品内在品质无损检测技术的研究进展 J 农 业工程学报 2001 17 5 1 4 4 徐惠荣 应义斌 盖玲 双锥式滚子水果输送翻转机构的研究 J 农业机 械学报 2003 34 6 100 103 5 李庆中 汪懋华 基于计算机视觉的苹果自动分级系统硬件开发 J 农业 机械学 2000 31 2 56 59 6 郭峰 曹其新 全方位高速瓜果图像采集系统的研究 J 农业工程学报 2004 20 2 148 151 7 应义斌 饶秀勤 机器视觉技术在农产品品质自动识别中的应用研究进展 J 农业工程学报 2000 16 3 4 8 8 应义斌 饶秀勤 马俊福 柑橘成熟度机器视觉无损检测方法研究 J 农 业工程学报 2004 20