水果分拣技术

1、国际化引技术 扩大农机服务领域产业化创品牌 帮助农民增产增收在农机部门工作了十几个春秋， 来到了国外， 虽然所从事的行业远离农机， 但由于莫名 其妙的“农机情结” ，总是让我不自觉地关注着农业和农机的动态和发展。我所在的国家，是个南半球的小国，人口 420 万，大约是南京人口的一半，国土面积27 万平方公里，是江苏的两倍，比云南省还小，但却是个名副其实的农业大国。畜牧业傲 视全球、种植业技术一流、养殖业不落人后、 园艺业首屈一指。这里的遍布全国的精品连锁 店的名字就叫Farmers （农民），为什么？因为这里的农民最有钱！我先介绍两个行业的发展历史、 组织结构和经营方式， 看看他们是如何运作，

2、 如何增产 创收的。 以期能给我们江苏农机人一点启发， 开阔视野， 找出一条适合江苏具有中国特色的 为农服务新模式。Fonterra仲文名恒天然） 公司，国内的读者对他应该不陌生，震惊全国 的“三鹿奶粉”事件它也曾身陷其中。该公司虽正式成立于 2001 年，但却有 200 年的历史。Zespri （中文名佳沛）经过数年的观察了解，我发现机械化是农业增产的武器，产业化是农民增收的法宝！水果分拣技术近年来，虽然我国的水果产量已达世界第一，但由于缺乏先进的质量检测技术，我国 水果产业的发展受到严重制约。 近日，随着中国农业大学自主研发的水果质量快速无损检测 技术（下称水果检测新技术）的面世，这一局面

3、将有望得到改变。截至目前，该技术已申请 了 4 件发明专利，其中 2 件获得了授权。透视技术为水果“体检”西瓜甜不甜，一测就知道。乍一看，水果检测新技术使用的设备就像一部台式电子秤连 接着电脑及显示器。将需要检测的水果放在检测台上，立刻就可将其糖度、酸度、硬度、成 熟度和水心病、褐腐病、黑心等内部病变，以及体积、颜色、果面污染、浅层损伤等外部品 质显示在电脑屏幕上。“就像人会生病一样，水果也不例外。但对水果进行体检'却不能有任何损伤，这就需要 研发先进的无损检测技术。 ”国家自然科学基金项目水果检测新技术课题组成员、中国农业 大学博士王加华在接受中国知识产权报记者采访时表示，该检测新技

4、术， 使用近红外线和低能量X光对水果进行透视，各类水果的检测数据瞬间就可显示出来。与以前的切削、粉碎等需破坏样品进行理化指标检测的方法相比，新技术除了能保持样 品完整外，还具有分析速度快、成本低、绿色环保等优点，可实现多种类、多项目的逐个检 测，适合大规模自动化流水线检测与分拣。王加华进一步介绍说， 在利用水果检测新技术对水果进行检测时， 光电传感系统会以对角线 的方式发射穿透水果的近红外线和低能量X光并进行接收，然后转化为光谱。光谱不但可反映果品的生化特性， 同时还能反映果品的物理特点。 根据水果的光谱特性， 利用光电传感技 术、信息处理技术等可实现对水果内在质量及外观品质的快速综合分析判断

5、。而“健康”与“不健康” 的水果光谱存在显著差异， 系统会自动对光谱进行快速分析并与电脑数据库中的数据比对， 从而快速得出检测结果， 这就是该新技术的工作原理。 由于采用的是近红外线和 低能量的 X 光，且剂量远远低于对食品和人体产生影响的辐射标准，因此该技术不存在相关的辐射安全问题。此外， 为了避免新技术设备在使用中由于环境、 温度及水果外形差异等因素对检测结果 产生影响， 研发人员使用了先进的电子计算技术进行数据的修正和弥补， 并建立了一定规模 的数值对比数据库，从而最大限度地保证了检测的准确度，准确率接近100%。新利器促产业健康发展有关统计数据显示， 2008 年，我国水果产量达 1.

6、6 亿吨，居世界首位，但当年的水果出 口量仅占总产量的 2%。“问题的根源在于， 国际上只有少数发达国家掌握先进的水果无损检 测技术并对其进行技术垄断， 同时以此为依据制订进口标准， 从而形成贸易壁垒， 导致我国 水果出口和产业发展受到阻碍。 ”中国食品科学技术学会韩东海教授向记者表示，水果检测 新技术的问世，无疑为我国水果产业摆脱出口难的困境找到了出路。王加华表示， 由于技术垄断， 国外先进的检测技术与设备是禁止向我国出口的， 而可以向我 国销售的检测设备则漫天要价， 动辄数百万、 上千万，而且， 进口的设备在我国丰富的水果 品种面前往往“水土不服” ，检测效果并不理想。而自主研发的水果检测

7、新技术及设备不仅 在性能上优于国外设备， 同时价格也要低很多。 如果进行批量化生产， 每台设备的价格仅为 10 万元左右。“目前，我国本土水果产品的商品化处理率不到10%，大多不经检测和分类就直接上市销售，品质良莠不齐，无法以质论价，也不利于出口创汇。 ”王加华表示，使用水果检测新 技术， 可方便实现优选与分级， 从而提高水果产品在国内外的市场竞争力， 增加果农的经济 收入。据测算，使用水果检测国产设备，每斤水果的检测分级成本仅为 0.5 元左右，但分级 后的产品价格却可成倍增长。 在市场上， 记者看到， 贴有糖度标签的水蜜桃一个最高可以卖 到近百元，而没有检测的普通水蜜桃每斤只能卖 10 元

8、左右。目前，检测设备的便携化是国内外研究的重点与发展趋势，便携式设备不但可以检测成 品，还可方便地对正在生长中的“未成年”水果进行检测，获得其“健康”状况数据，及时 对其生长所需的水份、 营养等要素进行调控， 确保其健康成长， 这对于水果产业的精细化发 展具有现实意义。 王加华表示， 当前和今后一段时间的研究重点， 就是实现水果检测新技术 设备的便携化，为我国水果产业的发展提供现代化的技术保障。欧洲鲜货市场广泛使用食品分拣器， 主要因为劳动人员的老龄化和雇用工人成本越来越 高，这就使以机器视觉为基础的分拣技术在欧洲越来越多地应用。 一些以欧洲为基地的公司 提供专用机器视觉系统，用于鲜货或食品加

9、工细分市场，包括 Aweta B.V 公司、 Barco 机 器视觉公司、 比利时电子分拣技术公司 (BEST) 、MAF 实业公司、 Odenberg 工程公司、 Qsort 和 Sortex 公司等。这个市场上以美国为基地的公司包括 Delta 技术公司、 Durand-Wayland, 公司、 Ensco 公司、 FMC 食品技术公司、 Focused 技术公司、 Sunkist 公 司、 TTI/Exeter 工程公司和 Woodside 电子器件公司等。日本的 Satake 公司也在美国市场上 运作，这家公司几年前兼并了总部设在美国的 ESM 公司。同时，新西兰的 Compac 公司

10、也 在美国市场上有自己的业务。虽然并非所有公司的样品都以颜色为基础， 但是在这个市场上， 几乎所有公司目前都提 供基于颜色的版本。 就影像捕获而言， 尽管所有公司都提供根据常规线扫描或区域扫描方法 设计的产品，但是，其中一些公司同时还提供以激光扫描为基础的版本，这种以激光扫描为基础的设备与常规机器视觉技术进行竞争。 其中还有一些公司提供基于红 外影像的设备， 这些设备经常作为检测产品凹坑的手段或作为分拣产品等级的手段。 几乎所有公司都能提供采用进行散货传输的传送带；有的公司还能提供通道分拣器。 以上这些公司中的有擅长处理干式产品或处理湿式产品的，有可以处理这两种产品的， 也有专门处理水果或蔬菜

11、的。一般采用多台摄像机捕获产品整个表面影像。 当产品基本为圆形时， 在漏洞内设有机构， 让产品在摄像机下进行旋转。 形状可以根据最大直径和最小直径、 比例关系等进行分选。 颜 色一般根据已扫描的整个表面情况来决定。 鉴定方法如简单百分比、 强度值直方图、 定义最 大面积或最小面积等。机器视觉技术的进步得益于微处理器和 DSP 技术，得益于线扫描和区域扫描高分辨率 摄像机的进步， 得益于彩色摄像机的进步，还得益于光源的发展。 由于光源的发展，具备独 特光谱输出的灯得以问世； 另外， 美国以及欧洲等进行的研究工作也推动了机器视觉技术的 发展。于是，今天的机器视觉系统才可以满足食品工业的各种苛刻的要

12、求。机器视觉系统中， 许多系统都是特殊定制的， 即配备的光源光谱经常是专用于某种待检 产品，目的在于强化异物的分拣或根据外观进行分等定级，一般外观问题包括虫害和疾病、 霜害、锈斑或其他表皮瑕疵或疾病。并非所有产品都是一样的， 即使是同一应用级别的产品。 例如， 分等定级的根据可能是 颜色分布、形状、尺寸、表面状况 （擦伤、凹坑或沟痕、虫咬 ）等。有几家公司，除了由视觉 系统提供分选产品的物理尺寸之外， 还配备称重工作站， 提供产品尺寸的信息。 一些公司还 提供基于 x 光的机器视觉系统， 可检测内部缺陷或状态， 而这些内部缺陷或状态仅靠扫描产 品外部表面是无法检测到的。尽管几乎所有公司都可以提

13、供彩色摄像机， 但是并非所有应用都实际需要基于色彩的分 析。在某些应用中， 照明布局可获得足够的对比度， 单色摄像机就可容易识别和区分这种对 比度。人们可设法让基于颜色同一系统适应于不同产品的检测，从而增加投资回报。自上世纪 30 年代以来，分拣机就一直被用于食品行业。早期版本使用比较简单的检测 装置。上世纪 90 年代，许多提供较为简单机器的公司开始开发机器视觉技术。直到彩色摄 像机的价格下降并在要求苛刻的应用中取代了单色摄像机， 人们才使摄像机获得了极其精密 的性能。由于采用了数字线扫描技术和配备曝光控制和异步扫描等功能的数字区域摄像机， 用于鲜货和食品加工市场的专用机器视觉系统的性能才能

14、够不断地改进和提高。应用于鲜货产品这些系统中， 人们已经开发出用于鲜货市场的不同版本， 可用于检验苹果等水果 （柠檬、 橙、柚、桔子、柑桔 ）、西红柿、桃、李子、柿子、猕猴桃梨、石榴、木瓜、芒果、洋葱、 土豆、白薯、黄瓜等。用于食品加工处理的各种版本也可用于检验坚果、谷物制品、快餐食 品、葡萄干、 玉米、绿豆、胡萝卜、 菠菜、 虾等。一些被改造了的系统还可以用于分拣烟草、 棉花和塑料，供回收行业及纸浆造纸行业使用。使用这些系统可极大地强化定级的一致性。 在从事检验外表非常相似的产品时， 人工检 验的效率是极其低下的。 在相对短的一段时间， 即使只涉及简单的分拣工作 （将好坏产品分 开或将异类产

15、品挑选出来 ），他们的视觉敏锐度也会变得迟钝。与人工分选相比，机器视觉 所能达到的效果就非常好了。尽管基于机器视觉的光学分拣器和分级机在食品行业中的应用最普遍， 但它们还有其他 应用方式。 今天， 不少公司提供的水射流切割计量系统， 使用三维机器视觉系统以确定计量 切割产品的容积，用于海鲜、火鸡、猪肉和牛肉的切割计量作业。提供这种产品的公司有 FMC 技术公司和 Marel 公司。此外，食品工业中的其他应用包括鸡蛋检验、家禽检验和分 割家禽部件的分拣以及烘烤食品的检验等。 金刚石自动化公司为此开发了基于机器视觉的用 于检验鸡蛋上裂缝的系统。 Qsort 公司除了提供蔬菜分拣系统外，还提供用于检

16、查家禽部件 （胸脯、腿或翅膀 ）上斑点的视觉系统。应用于烘烤食品机器视觉也正在迅速应用于另一个食品工业一一烘烤食品。Dipix技术公司可以提供采用三维和基于彩色的系统，用于监测面包、甜点、饼干和甜饼等产品。随着食品行业采用自动包装机械的普遍，为了避免由于出现怪异形状产品而发生卡塞的问题，机器视觉变得更加重要。生产线速度越来越快，要使产品的一致性得到改善，在产品分层堆码和装入专用尺寸包装的地方，三维技术尤为重要。依靠监控各个产品的高度，可以确定产品的堆码高度，从而保证堆码好的产品精确装入包装袋中。在食品行业中，机器视觉能否成功应用， 这就要求最终用户和机器视觉供应商非常熟悉 应用过程可能出现的问

17、题。最为重要的是，设备供应商应该理解整个系统最终是由工人操作。 当一线工人觉得系统是为了加强他们的能力，以便他们可以更容易将工作做好时，安装的系统将会获得成功机器视觉系统机器视觉技术 是计算机学科的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。自起步发展至今，已经有20多年的历史，其功能以及应用范围随着工业自动化的发展逐渐完善和推广，其中特别是目前的数字图像传感器、CMOS和CCD摄像机、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技术、图像处理和模式识别等 技术的快速发展，大大地推动了机器视觉的发展。简而言

18、之，机器视觉就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断。在生产线上，人来做此类测量和判断会因疲劳、个人之间的差异等产生误差和错误，但是机器却会 不知疲倦地、稳定地进行下去。一般来说，机器视觉系统包括了照明系统、镜头、摄 像系统和图像处理系统。对于每一个应用，我们都需要考虑系统的运行速度和图像的 处理速度、使用彩色还是黑白摄像机、检测目标的尺寸还是检测目标有无缺陷、视场 需要多大、分辨率需要多高、对比度需要多大等。从功能上来看，典型的机器视觉系 统可以分为：图像采集部分、图像处理部分和运动控制部分。一个完整的机器视觉系统的主要工作过程如下：1、工件定位检测器探测到物体已经运动至接近摄像系统的视野中心，向图像采 集部分发送触发脉冲。2、图像采集部分按照事先设定的程序和延时，分别向摄像机和照明系统发出启 动脉冲。3、摄像机停止目前的扫描，重新开始新的一帧扫描，或者摄像机在启动脉冲来 到之前处于等待状态，启动脉冲到来后启动一帧扫描。4