荔枝果品質(zhì)檢測圖像采集平臺的研制與試驗(yàn)

黃偉鋒　唐宇　王克強(qiáng)

摘要：針對傳統(tǒng)人工檢測方法費(fèi)時、耗力和精度低等問題，構(gòu)建了由電控子系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)2部分構(gòu)成的單目步進(jìn)旋轉(zhuǎn)式圖像采集平臺，并研制了1款由LED陣列組成的雙平板式散射光源，并編制了采集軟件。對散射光源的亮度和均勻性以及轉(zhuǎn)動置物臺的載荷能力進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)被測區(qū)域亮度的最大偏差為9.8 lx，置物臺承受質(zhì)量 261.89 g 的負(fù)載也不會令步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行失步，能滿足實(shí)際使用需要。研究結(jié)果將為荔枝果品質(zhì)的自動化無損檢測平臺的構(gòu)建提供參考。

關(guān)鍵詞：荔枝果；品質(zhì)檢測；圖像；采集平臺

中圖分類號： S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0381-04

荔枝起源于中國，是世界名果，我國荔枝鮮果年產(chǎn)量接近200萬t[1-2]。荔枝大量上市時間在6月至7月上旬，由于收獲期集中，加上鮮果不耐貯藏，高峰期日均上市量達(dá)3萬t以上，鮮銷和加工處理壓力大[3]。荔枝被采摘后一般需經(jīng)過品質(zhì)檢測與分級處理再進(jìn)入銷售環(huán)節(jié)，其品質(zhì)檢測與分級處理以手工操作為主，費(fèi)時耗力。因此，研制用于荔枝果品質(zhì)無損檢測的自動化設(shè)備顯得很有必要。

目前，水果品質(zhì)無損檢測有介電特性檢測技術(shù)[4]、高光譜檢測技術(shù)[5]、基于可見光波段的機(jī)器視覺圖像技術(shù)[6]等。其中，介電特性檢測、高光譜、近紅外等技術(shù)在內(nèi)部品質(zhì)的檢測精度上具有一定的優(yōu)勢，但設(shè)備昂貴；傳統(tǒng)的可見光成像設(shè)備成本更低，更易于實(shí)用化和推廣普及。本試驗(yàn)主要研究以單片機(jī)、平行散射光源、攝像頭、步進(jìn)電機(jī)為核心的圖像信息采集硬件平臺的研制，以該平臺采得的荔枝果多角度圖像可為鑒定荔枝果的各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)提供客觀依據(jù)和特征信息。

1 采集平臺的硬件部分

現(xiàn)有的水果圖像采集設(shè)備，大多為單目單角度、雙目單角度或三目單角度結(jié)構(gòu)，1次采集只能反映水果1個、2個或者3個側(cè)面的特征信息，通過人工翻轉(zhuǎn)水果進(jìn)行多次圖像拍攝才能把水果表面的所有特征信息記錄下來；有少數(shù)采集設(shè)備應(yīng)用了自動旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的置物臺[7]，用直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)1周的時間段內(nèi)，攝像頭進(jìn)行間隔性采樣拍攝。該方法受直流電機(jī)的特性影響，同一個樣品的采樣圖像之間的旋轉(zhuǎn)角度大小有可能不一致，受攝像頭快門的限制，樣本的旋轉(zhuǎn)速度高，成像清晰度必然降低；轉(zhuǎn)動速度降下來將導(dǎo)致樣本的圖像采集錄入效率低。針對上述問題，構(gòu)建了單目（單個攝像頭）旋轉(zhuǎn)式多角度圖像采集平臺，以單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度精確定位。平臺的硬件部分由電控子系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)2個部分組成。

1.1 電控部分

該部分以PC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)。PC機(jī)發(fā)出采集命令，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動置物臺旋轉(zhuǎn)一定的角度后，由攝像頭拍攝樣本圖像存儲在PC機(jī)硬盤中（圖1）。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動選用東方PK245-01A型步進(jìn)電機(jī)[8]（最大靜止轉(zhuǎn)矩為0.32 N/m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J為68×107 kg/m2，基本步進(jìn)距角為1.8°）。

步進(jìn)電機(jī)控制電路采用TB6560集成解決方案（圖2），其OSC引腳是斬波頻率控制端，這里須外接振蕩頻率調(diào)整電容（圖2，C6），根據(jù)公式1確定其容量[9]。

上式中的fosc單位為kHz，這里定為400 kHz，可算得調(diào)整電容Cosc的容量為100 pF。RESEF為芯片的復(fù)位腳，低電平有效。CLK、ENABLE和CW/CCW引腳分別是驅(qū)動脈沖、使能信號和正反轉(zhuǎn)控制信號輸入引腳，經(jīng)過光電耦合器隔離后與單片機(jī)輸出的控制信號相連，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、使能和轉(zhuǎn)向的控制。M1、M2、DCY1、DCY2、TQ1、TQ2分別為細(xì)分、電流衰減和扭矩電流的控制信號輸入引腳（表1）。綜合考慮轉(zhuǎn)動過程中的平穩(wěn)性與力矩大小并經(jīng)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)調(diào)整，將控制參數(shù)設(shè)定為1/8細(xì)分、50%扭矩電流和50%電流衰減。電流采樣電阻是與繞組線圈串聯(lián)的（阻值為1.2 Ω），電機(jī)供電壓為19 V，線圈電阻3.3 Ω，可算得繞組不間斷通電時的滿載電流約為4.2 A，經(jīng)過2次50%的衰減后，實(shí)際工作時，流過電機(jī)繞組的有效電流為1.06 A。

下位機(jī)是以ATmega 128 L單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，提供與上位機(jī)通信的RS-232串行口和步進(jìn)電機(jī)控制信號輸出接口（圖3）。下位機(jī)通過軟件程序控制ATMega 128 L的PG1、PF2、PF3的3個I/O口分別輸出控制步進(jìn)電機(jī)啟/停、正/反轉(zhuǎn)和步進(jìn)時鐘所需的邏輯電平信號。

為降低外界光照的影響，增強(qiáng)拍攝樣本圖像的亮度、對比度和清晰度，讓圖像信息更好地反映出荔枝果的顏色和紋理特征，本研究設(shè)計(jì)與制作了1套平板散射式白色光源（圖3）。光源由2塊矩形萬能板（尺寸：50 mm×150 mm）組成，每塊板上按照中間密集四周稀疏的原則分布有34個能發(fā)出白色光的LED（表2）。在平板LED光源的基礎(chǔ)上，增加了1副 Acrylic 材質(zhì)的散光板，以提高照射到待測樣本上的白光的均勻性。光源采用3.3 V直流電源供電，采取獨(dú)立支路限流法使每個LED的工作電流約為10 mA。

系統(tǒng)中的上位機(jī)為DELL E4300型便攜式計(jì)算機(jī)，這里通過以PL-2303芯片為核心的“USB-to-232”轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)線與下位機(jī)的RS-232接口進(jìn)行通信，通信波特率設(shè)定為 9 600 b/s。系統(tǒng)中的圖像采集設(shè)備為D881 HD720P型USB接口攝像頭（最高分辯率為1 280×720）。

1.2 機(jī)械機(jī)構(gòu)部分

平臺式的機(jī)械機(jī)構(gòu)部分由底座、擋板、電機(jī)支架、光源與攝像頭安裝支架等幾部分構(gòu)成（圖4）。平臺底座為1塊 5 mm厚 330 mm×200 mm大小的鋁質(zhì)板材。為提供白色背景，在攝像頭0°視場角方向，步進(jìn)電機(jī)支架的前、后分別用L型不銹鋼角碼固定安裝1塊250 mm×80 mm和1塊 250 mm×250 mm的白色亞力克板，厚度為4 mm。同時，在前擋板和后擋板表面貼有表面粗糙的白紙，防止反光。

為避免外界光源對采集系統(tǒng)成像質(zhì)量的不良影響，設(shè)計(jì)并采用規(guī)格為200 g的黑色卡紙制作了1個尺寸為360 mm×300 mm×300 mm遮光罩，該罩內(nèi)壁為全黑色，覆蓋于系統(tǒng)上，可屏蔽外界光。

2 采集平臺的軟件部分

采集平臺的軟件部分包括上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件、下位機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制程序和分布式系統(tǒng)通信協(xié)議3方面的內(nèi)容。

2.1 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件

上位機(jī)軟件是MATLAB R2011b軟件平臺上開發(fā)的GUI軟件（圖5），主要完成電機(jī)動作命令發(fā)送，圖像采集命令發(fā)送，圖像信息錄入、顯示和保存等工作。每個樣本均采集5幅圖像，每幅圖像的旋轉(zhuǎn)角度相隔72°，5幅圖像采集完畢時，荔枝果樣本旋轉(zhuǎn)了288°，其表面信息被全部采集完畢，能較好地全面反映荔枝果樣本表面的顏色和紋理信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和建模奠定基礎(chǔ)。

2.2 下位機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制程序

下位機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制程序是在ICC AVR 7.22集成開發(fā)環(huán)境中用C語言編寫的，主要完成對上位機(jī)下發(fā)命令的監(jiān)聽與接收、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制和向上位機(jī)回送響應(yīng)信息3項(xiàng)任務(wù)（圖6）。

2.3 分布式系統(tǒng)通信協(xié)議

分布式系統(tǒng)中的上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用10位異步串行通信幀標(biāo)準(zhǔn)格式，即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1個停止位，無奇偶校驗(yàn)和硬件數(shù)據(jù)流控制，并采用附加校驗(yàn)和的方法保證通信可靠性。同步字符定義為0x55，電機(jī)動作命令字符設(shè)定為0xAA，下位機(jī)響應(yīng)信息字符定義為0xFF。上位機(jī)發(fā)出的命令與下位機(jī)回送的響應(yīng)信息均采用3個字節(jié)的數(shù)據(jù)串格式，即：第1個字節(jié)為同步字符，第2個字節(jié)為命令（或響應(yīng)）信息，第3個字節(jié)為無符號校驗(yàn)和。經(jīng)數(shù)百個樣本的圖像數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，這樣的校驗(yàn)方式效果理想，在硬件連線無誤和硬件資源沒損壞的情況下，能保證每次均能通信成功。

3 采集平臺的試驗(yàn)

光源的亮度和均勻性對樣本拍攝的成像質(zhì)量有重要影響，因此，在進(jìn)行樣本圖像采集試驗(yàn)前有必要對前述散射光源的效果進(jìn)行試驗(yàn)，并測試其照射到置物臺及附近的亮度和散射均勻性指標(biāo)。此外，置物臺的旋轉(zhuǎn)是由步進(jìn)電機(jī)帶動的，當(dāng)負(fù)載所帶來的阻力超過電機(jī)的啟動扭力時，電機(jī)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動就有可能失步，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動行程產(chǎn)生較大誤差，有必要先對置物臺轉(zhuǎn)動載荷能力進(jìn)行測試。

3.1 光源效果測試試驗(yàn)

3.1.1 材料與方法 （1）材料：方格紙（每格尺寸：30 mm×30 mm）、圖像采集平臺、散射光源、直流3.3 V電源、HT-860照度計(jì)。

（2）步驟：

① 將采集平臺后擋板處位于置物臺正上方大小為 90 mm×90 mm的區(qū)域等分成9個小方格（圖7），以左上角為原點(diǎn)，按行列編號形成方格坐標(biāo)；

② 在19：00開啟光源，預(yù)熱5 min；

③ 關(guān)閉室內(nèi)照明系統(tǒng)，用照度計(jì)測量每個小方格中心位置的照度值，重復(fù)2次并記錄數(shù)據(jù)；

④ 關(guān)閉散射光源，用照度計(jì)測量每個小方格中心位置的照度值，重復(fù)2次并記錄數(shù)據(jù)。

3.1.2 結(jié)果與分析 在夜晚關(guān)閉散射光源和室內(nèi)照明系統(tǒng)時，測得每1個小方格中心位置的照度值均為0 lx，因此可推斷：開啟散射光源時測得的光照度絕大部分是由散射光源作用產(chǎn)生的，外界光源微弱，可忽略不計(jì)（表3）。均勻性參數(shù)采用方差分析統(tǒng)計(jì)方法得到，以9個小方格2次測量的照度均值作為輸入數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算，可得到如下結(jié)論：

光照度分布較均勻，最大偏差（絕對值）僅為9.8 lx，散射效果較理想，滿足拍攝光源光照度分布要求。

3.2 置物臺轉(zhuǎn)動載荷測試試驗(yàn)（圖8）

3.2.1 材料與方法 （1）材料：圖像采集平臺、量角器、5個不同質(zhì)量的負(fù)載（2個砝碼和3個鋼球）、下位機(jī)、步進(jìn)電機(jī)電源及其驅(qū)動電路模塊、SF-400C型精密電子秤。

（2）步驟：

① 開啟電子秤，調(diào)零校準(zhǔn)，順序測量5個負(fù)載的質(zhì)量，重復(fù)2次并記錄數(shù)據(jù)；

② 將量角器安裝在電機(jī)架上方置物臺下方的位置并固定好，量角器圓心與軸心重合，量角器平面與置物臺平面平行（圖8）；

③ 將簡易角度指針粘貼在置物臺邊緣位置；

④ 取出其中1個負(fù)載放置在置物臺上，手動旋轉(zhuǎn)置物臺使指針指向0°；

⑤ 編程使單片機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)4次，每次旋轉(zhuǎn)72°，合共288°，每2次旋轉(zhuǎn)之間延時1 s；

⑥ 讀取并記錄指針?biāo)附嵌戎担?/p>

⑦ 重復(fù)步驟④、⑤和⑥，直至完成全部5個負(fù)載的旋轉(zhuǎn)行程測量；

⑧ 重復(fù)步驟④、⑤、⑥和⑦，完成第2次測量。

3.2.2 結(jié)果與分析 置物臺載荷測試數(shù)據(jù)表明，5個負(fù)載在測試中均能按既定行程到達(dá)目標(biāo)位置，重達(dá)261.89 g的負(fù)載加到置物臺上也不會令步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行失步，單顆成熟荔枝果的重質(zhì)量少有超過50 g（表4）。因此，本系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其力矩足以滿足轉(zhuǎn)動單顆荔枝果的要求。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)對荔枝果表面紋理和顏色特征信息的全方位采集，構(gòu)建了1套由電控子系統(tǒng)和機(jī)械平臺2部分構(gòu)成單目步進(jìn)旋轉(zhuǎn)式圖像采集平臺，并對散射光源的亮度和均勻性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明光照在被測區(qū)域的投射分布較均勻，能滿足樣本拍攝光源光照度分布要求；測試了置物臺的轉(zhuǎn)動行程，證明該置物臺可滿足轉(zhuǎn)動單顆荔枝果的要求，為實(shí)現(xiàn)荔枝果品質(zhì)的自動化無損檢測提供了平臺軟硬件技術(shù)參考。

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