基于混沌多宇宙算法的蘋果表面缺陷檢測研究

李紅娟　楊穎輝

摘要：采用混沌多宇宙算法，提高蘋果表面缺陷檢測的質(zhì)量。首先建立單宇宙、多宇宙結(jié)構(gòu)，多個單宇宙群組成超單宇宙群；接著超單宇宙群信息交流通過自適應(yīng)策略選擇宇宙?zhèn)€體，Logistic映射對選中的宇宙?zhèn)€體進行混沌優(yōu)化；然后采用改進OTSU算法進行蘋果缺陷區(qū)域目標(biāo)分割，分割區(qū)域內(nèi)像素紋理信息作為蘋果提取特征；最后給出了算法流程。試驗仿真顯示，該算法對蘋果表面缺陷檢測效果清晰，各種缺陷檢測準(zhǔn)確率比較高。

關(guān)鍵詞：混沌；多宇宙；蘋果表面；缺陷檢測；仿真試驗；檢測準(zhǔn)確率

中圖分類號： TP391文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0202-04

蘋果在生長、運輸、存儲過程中，表面難免會產(chǎn)生各種缺陷，易造成蘋果深程度病變，因此蘋果表面缺陷檢測是確保蘋果制品安全的基礎(chǔ)[1]。目前，蘋果表面缺陷檢測依靠傳統(tǒng)的人工檢測，但是人工檢測存在效率低下等弊端。Leemans等采用K均值聚類算法（K means clustering，KMC）提取RGB圖像中蘋果缺陷的特征，然后采用二次判別分析方法實現(xiàn)缺陷的檢測[2]，但是算法復(fù)雜，需要事先進行訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本。馬曉丹等采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（fuzzy neural network，F(xiàn)NN）對蘋果表面缺陷進行檢測，采用缺陷和物理特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的輸入?yún)?shù)訓(xùn)練樣本，此方法存在分級過程復(fù)雜、效率低等缺點[3]。Linker等通過蘋果色差對比算法（color difference contrast，CDC）對缺陷區(qū)域檢測，格式化具有同樣特點的區(qū)域，分割這些區(qū)域，但是不能有效分割背景與提取目標(biāo)[4]。Keresztes等采用基于支持向量機算法（support vector machine，SVM）對蘋果表面缺陷進行檢測，將圖像分為缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域2類，對各區(qū)域分別采集一定數(shù)量樣本進行分析，但難以實施大規(guī)模訓(xùn)練樣本[5]。本研究采用混沌多宇宙算法（chaotic multi universe，CMU）檢測蘋果表面缺陷，建立單宇宙、多宇宙空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多個單宇宙群組成超單宇宙群；采用改進OTSU算法分割蘋果缺陷區(qū)域目標(biāo)，以分割區(qū)域內(nèi)像素紋理信息作為蘋果提取特征，旨在為快速檢測蘋果表面缺陷提供依據(jù)。

1算法模型

1.1多宇宙算法

1.1.1多宇宙?zhèn)€體

多宇宙將整個宇宙群劃分為多個單宇宙，每個單宇宙只與自己周圍的單宇宙進行單向連接[6]，多個單宇宙又可以組成相對單宇宙群，如圖1所示，U11、U12、U13、U14各代表1個單宇宙，U11、U12、U13、U14又組成相對其他單宇宙的單宇宙群U1；當(dāng)宇宙數(shù)目較多時，多個單宇宙群又可組成超單宇宙，每個單宇宙群可與自己周圍的單宇宙群進行雙向連接，U1、U2、U3、U4代表單宇宙群，U1、U2、U3、U4又組成相對其他單宇宙群U5、U6、U7、U8的超單宇宙群。

式中：G（i，j）為灰度共生矩陣元素，k為灰度共生矩陣的維數(shù)。

對提取的特征量數(shù)據(jù)通過混沌多宇宙算法尋優(yōu)，即可獲得缺陷區(qū)域的最佳特征值。

算法流程：（1）輸入待檢測蘋果圖像，進行平滑、濾波處理；（2）利用OTSU算法進行蘋果缺陷目標(biāo)分割；（3）分割閾值滿足t>1.25t*時，進行步驟（4），否則進行步驟（2）；（4）提取缺陷區(qū)域的特征量；（5）按混沌優(yōu)化多宇宙算法過程進行特征量數(shù)據(jù)尋優(yōu)；（6）滿足f[X（h+1）]→fbest（X*）時，把X*作為混沌最優(yōu)搜索結(jié)果輸出，進行步驟（7），否則進行步驟（5）；（7）輸出檢測結(jié)果。

3試驗仿真

在試驗中，依次進行KMC算法、FNN算法、CDC算法、SVM算法、本研究CMU算法對比試驗，試驗PC配置為 CPU 2.0 GHz、內(nèi)存4 GB、Intel主板、集成顯卡，利用MATLAB軟件實現(xiàn)仿真。試驗中單宇宙50個，單宇宙群9個，單宇宙群里最多含有單宇宙8個，超單宇宙群最多6個，算法最大迭代次數(shù)為30次。水果表面缺陷包括碰壓傷、刺傷、疤痕、腐爛、蟲咬、裂傷、果銹等。

3.1蘋果表面缺陷檢測

從圖2、圖3可以看出，其他算法檢測出的缺陷區(qū)域不完整，視覺效果不好，本研究算法能夠完整檢測出缺陷區(qū)域，邊緣[CM（25]沒有間斷現(xiàn)象，這是因為采用改進OTSU算法進行蘋果缺陷區(qū)域目標(biāo)分割，提高了CMU算法精度。

3.2檢測準(zhǔn)確率分析

對碰傷、刺傷、暗斑、蟲傷、干裂、萎縮進行正確率檢測識別，數(shù)據(jù)樣本為700張有缺陷的蘋果圖像，其中碰傷679張、刺傷665張、暗斑658張、蟲傷654張、干裂660張、萎縮650張，存在1張圖片上有多個缺陷的樣本數(shù)據(jù)，為了提高分析數(shù)據(jù)的可信性，各進行10次蒙特卡羅試驗仿真，取其均值，如圖4所示。

從圖4可以看出，本研究算法能夠有效檢測出蘋果常見的各類缺陷，檢測準(zhǔn)確率最少為93%，高于其他算法，是一種非常有效的蘋果缺陷無損檢測方法，有利于蘋果在線分級。

4結(jié)論

本研究采用混沌多宇宙算法進行蘋果表面缺陷檢測，Logistic映射對選中的單宇宙?zhèn)€體進行混沌優(yōu)化，改進OTSU算法進行蘋果缺陷區(qū)域目標(biāo)分割。試驗仿真顯示，該算法對蘋果表面缺陷檢測效果清晰，各種缺陷檢測準(zhǔn)確率比較高，檢測正確率最少為93%，為蘋果缺陷智能檢測提供了一種新方法。

參考文獻：

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