鄭雯軒

摘 要：中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，人們對(duì)食品的需求越來(lái)越多，而且對(duì)食品的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。番茄是深受人們喜愛(ài)的果蔬，我國(guó)番茄的種植量很大，但在采摘過(guò)程中存在一定問(wèn)題。傳統(tǒng)采摘用人工和簡(jiǎn)單儀器判斷其成熟度或等級(jí)，會(huì)造成判斷不準(zhǔn)采摘時(shí)間誤差，或是用儀器測(cè)定，會(huì)損傷番茄，存在很多弊端。我們嘗試用基于圖像處理的途徑，對(duì)獲取的圖像進(jìn)行中值濾波法去噪預(yù)處理和由RGB到HIS顏色空間轉(zhuǎn)化分割預(yù)處理，來(lái)獲取各種精細(xì)度較高的圖像，從而對(duì)番茄的成熟度從顏色、大小、果形三方面進(jìn)行精細(xì)等級(jí)分類及判斷，讓果農(nóng)利用我們的系統(tǒng)，根據(jù)不同的需求及時(shí)采摘，不僅減少浪費(fèi)，同時(shí)大大提高了勞動(dòng)效率。

關(guān)鍵詞：去噪;中值濾波;圖像分割;HIS顏色空間;圓形度法

中圖分類號(hào)：TB???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.087

1 引言

1.1 設(shè)計(jì)番茄成熟度檢測(cè)系統(tǒng)的重要性

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整 ，果蔬以越來(lái)越重要的姿態(tài)走進(jìn)人們的視野，產(chǎn)量也日益增加。尤其是番茄，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，世界上每年番茄的種植面積可達(dá)300萬(wàn)公頃，產(chǎn)量高達(dá)6000萬(wàn)噸，中國(guó)的番茄產(chǎn)量亦是以同樣態(tài)勢(shì)發(fā)展。然而，這中間也逐步暴露出一些問(wèn)題：在大規(guī)模番茄種植中，采摘者可能由于經(jīng)驗(yàn)不足，無(wú)法準(zhǔn)確判斷番茄是否成熟;有時(shí)購(gòu)買商因?yàn)橛猛静煌枰煌墒於鹊姆眩烧邔?duì)此更是難以把握……種種原因?qū)r(nóng)造成很大的困擾：采摘時(shí)間若太遲，會(huì)耽誤最佳采摘時(shí)間，甚至有可能太熟了爛在果樹(shù)上;若太早，因?yàn)檫_(dá)不到一定的成熟度而無(wú)法銷售。不管哪種情況，都對(duì)果農(nóng)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。不管是食品加工還是遠(yuǎn)距離輸送和保存，保持番茄的品質(zhì)首當(dāng)其沖，準(zhǔn)確判斷成熟度，并準(zhǔn)確確定采摘時(shí)間顯得尤為重要，因此，我們?yōu)楣r(nóng)們?cè)O(shè)計(jì)出了番茄成熟度檢測(cè)系統(tǒng)，讓這種系統(tǒng)用于檢測(cè)樹(shù)上每一個(gè)番茄的成熟度，以期獲得最佳采摘時(shí)間，進(jìn)行選擇性收獲，既保持了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少浪費(fèi)，又使果實(shí)在樹(shù)上就完成了等級(jí)分類。

1.2 番茄成熟度檢測(cè)的現(xiàn)狀與弊端

番茄成熟度的檢測(cè)一直有受到人們的重視，總的來(lái)說(shuō)有兩種方法：

第一種方法是傳統(tǒng)人工判斷法：番茄成熟度常根據(jù)果皮顏色來(lái)判斷，按其色澤的變化，番茄的成熟度可分為綠熟期、微熟期、半熟期、堅(jiān)熟期、完熟期和過(guò)熟期幾個(gè)階段。目前，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，水果成熟度的檢測(cè)主要靠人工進(jìn)行：一看，二聞，三捏。

第二種方法是儀器化檢測(cè)：如近紅外高光譜檢測(cè)：首先進(jìn)行不同生長(zhǎng)階段西紅柿高光譜圖像的采集，其次對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括平滑處理、變量標(biāo)準(zhǔn)化、多元散射校正、導(dǎo)數(shù)處理等，通過(guò)主成分分析法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，然后利用支持向量機(jī)建立西紅柿成熟度光譜曲線的多元回歸模型，最后比較不同模型的回歸預(yù)測(cè)效果。但是該儀器成本均較高。

1.3 本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，采用儀器數(shù)字化方法，通過(guò)對(duì)未采摘前的不同番茄采集的圖像進(jìn)行去噪、圖像分割的預(yù)處理，然后通過(guò)番茄的顏色、大小、形狀特征，對(duì)不同的番茄進(jìn)行精細(xì)分級(jí)。果農(nóng)去采摘前，利用該儀器，可以快速準(zhǔn)確判斷番茄的成熟度，以準(zhǔn)確確定采摘時(shí)間，這樣可以大大減少了不必要的浪費(fèi)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)字化番茄成熟度的檢測(cè)，已成未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 番茄成熟度檢測(cè)系統(tǒng)介紹

2.1 圖像采集與檢測(cè)

本系統(tǒng)使用的圖像采集攝像頭是PXW-X280型號(hào)。PXW-X280型號(hào)是索尼應(yīng)用于攝像機(jī)的一種攝像頭的型號(hào)。該型號(hào)能合成極其高清的圖片，并對(duì)光照強(qiáng)度有極高的辨識(shí)度，基于此特質(zhì)，這款型號(hào)攝像頭及為合適地適應(yīng)了番茄照片的采取和識(shí)別要求，使其不受光照等因素限制，且能使果農(nóng)及時(shí)查看番茄生長(zhǎng)狀況，本系統(tǒng)及時(shí)分析處理所取照片。

2.2 圖像預(yù)處理

采集的原始圖像由于光線、曝光的不均勻、電子器件的誤差等因素會(huì)使我們感興趣的信息因?yàn)閿y帶有隨機(jī)噪聲等無(wú)用信息受到各種干擾，因此要先進(jìn)行預(yù)處理除去各種因素，使對(duì)比結(jié)果等價(jià)準(zhǔn)確，從而達(dá)到提高圖像的質(zhì)量的目的。對(duì)于番茄的圖像，我們主要采用了圖像去噪和圖像分割。

2.2.1 番茄圖像的去噪

由于天氣等原因可能使得果實(shí)光照不均勻，在獲取的圖像中會(huì)出現(xiàn)陰影，這種情況一定會(huì)影響對(duì)果實(shí)成熟度的判斷，因此，對(duì)圖像中的干擾因素進(jìn)行去噪處理有重要意義。常見(jiàn)噪聲主要有高斯噪聲和椒鹽噪聲等，對(duì)圖像去噪處理主要有均值濾波算法和中值濾波算法。

均值濾波也稱為線性濾波，其采用的主要方法為鄰域平均法，求模板中所有像素的均值，再把該均值賦予當(dāng)前像素點(diǎn)（x，y）在獲取的圖像中，作為處理后圖像在該點(diǎn)上的灰度。這種算法簡(jiǎn)單，處理速度快，但它在降低噪聲的同時(shí)會(huì)使圖像產(chǎn)生模糊。而且鄰域越大，在去噪能力增強(qiáng)的同時(shí)模糊程度越嚴(yán)重。

中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)。此法將某個(gè)像素鄰域中的像素按灰度值進(jìn)行排序，最常用的是采用一個(gè)3x3窗口的濾波器模板，將9個(gè)像素值作為待排序的數(shù)值，按照從大到小的排列，取第5個(gè)數(shù)值作為該一區(qū)域的像素值，讓周圍像素灰度值的差比較大的像素改取與周圍的像素值接近的值，從而可以消除孤立的噪聲點(diǎn)。利用中值濾波算法可以很好地對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理，這種方法很適合對(duì)番茄的圖像去噪。因此，我們采用的是中值濾波法。

2.2.2 番茄圖像的分割

圖像分割是指把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過(guò)程。番茄圖像主要識(shí)別的是番茄的顏色，在圖像分割時(shí)以顏色空間作為標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的最常用的是RGB空間，即紅色（Red）、黃色（Green）、藍(lán)色（Blue）三種顏色混合，但是，這三種顏色分量都和亮度有關(guān)，圖像中番茄的顏色會(huì)受到光線的影響。

為了得到更符合人眼視覺(jué)特點(diǎn)的表示方法，我們采用HIS顏色空間，我們把攝像機(jī)拍攝的原始彩色圖像RGB模型轉(zhuǎn)換為HIs模型，它反映了人的視覺(jué)系統(tǒng)感知彩色的方式。其中， H表示色調(diào)，S表示飽和度，I表示強(qiáng)度或亮度， 色調(diào)H（Hue）用顏色的波長(zhǎng)表示，能體現(xiàn)人的感覺(jué)器官對(duì)不同顏色的感受。飽和度s（Saturation）用顏色的深淺程度表示，飽和度越大，顏色看起來(lái)就會(huì)越鮮艷。其參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)（圓心）到彩色點(diǎn)的半徑的長(zhǎng)度。I（Intens畸）：表示強(qiáng)度或亮度，即對(duì)應(yīng)成像亮度和圖像灰度，表示顏色的明亮程度。我們用推導(dǎo)法，公式如下：

影響S分量的光源和光照強(qiáng)度都不變，S分量值是不變的，對(duì)番茄顏色的識(shí)別只需考慮H分量就可以，比直接用RGB彩色模型做番茄顏色識(shí)別減少了三分之二的工作量，大大提高了處理速度。

2.3 番茄成熟度等級(jí)的確定

本文根據(jù)番茄的特征進(jìn)行番茄的自動(dòng)識(shí)別，并判別番茄的成熟等級(jí)。第一是番茄的顏色特征，可以通過(guò)番茄外觀的顏色來(lái)判斷番茄成熟度;第二是番茄的大小，有利于番茄分類挑揀;第三是番茄果型分析，圓潤(rùn)的番茄等級(jí)更高。

2.3.1 番茄顏色判定

通過(guò)圖像分割中顏色空間轉(zhuǎn)換的公式，可以分別計(jì)算出H、S、V的值，并通過(guò)查閱資料和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：H值區(qū)間為11到25，S值區(qū)間為43到255，V值區(qū)間為46到255的點(diǎn)稱為橙色點(diǎn)，H值區(qū)間為0到10或156到180，S值區(qū)間為43到255，V值區(qū)間為46到255的點(diǎn)稱為鮮紅色點(diǎn)，H值區(qū)間為78到99，S值區(qū)間為43到255，V值區(qū)間為46到255的點(diǎn)稱為青色點(diǎn)。并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)所有番茄顏色進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并排名，鮮紅>95%且青色<3%的番茄分類為超優(yōu)，95%>鮮紅>90%且青色<5%的番茄分類為優(yōu)，90%>鮮紅>85%且青色<10%的番茄分類為良，橙色>50%的認(rèn)為是未成熟。

2.3.2 番茄大小分級(jí)

通過(guò)描述番茄大小來(lái)反映番茄的特征量，而半徑正能直觀、準(zhǔn)確地反映番茄的周長(zhǎng)及面積，不過(guò)能清楚分辨出番茄和背景才能達(dá)到更好的效果。

對(duì)于周長(zhǎng)求取，為了提高準(zhǔn)確度，我們可以采用8聯(lián)通計(jì)算，即奇數(shù)鏈碼長(zhǎng)度為√2，偶數(shù)鏈碼長(zhǎng)度為1，則周長(zhǎng)可以表示為C=N+√2N。

對(duì)于面積求取，可以表示為像素點(diǎn)的總和，所以根據(jù)Green（格林）定理，在x-y平面上的封閉曲線包圍的面積可表示為：

然后，由于番茄可近似看成球形，等效半徑可通過(guò)面積和周長(zhǎng)求得，根據(jù)圓半徑和周長(zhǎng)的關(guān)系

雖然番茄不可能是純圓，但是可以此為依據(jù)確定番茄的大小，并進(jìn)行大小分級(jí)，分級(jí)依據(jù)同番茄顏色的分類同理，通過(guò)番茄樣本統(tǒng)計(jì)分析，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：直徑大于7cm的為大番茄，直徑在5-7cm之間的為中等大小的番茄，直徑小于5cm的為小番茄。

2.3.3 番茄果形分級(jí)

若把番茄近似為橢球形，其果形可用最大縱徑L1與最大橫徑L2之比表示，令圓形度為e。

e= L1/L2

求得e越接近1，表示番茄越圓，外觀等級(jí)越高。

NY/T 940-2006標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家規(guī)定番茄外觀等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定如表1。

等級(jí)要求

特級(jí)外觀一致，果形圓潤(rùn)無(wú)筋角（具棱品種除外）：成熟適度、一致;色澤均勻;表皮光滑;果腔充實(shí)，果實(shí)堅(jiān)實(shí)，富有彈性，無(wú)損傷，無(wú)裂口，無(wú)疤痕

一級(jí)外觀基本一致，果形基本圓潤(rùn)，稍有變形;已成熟或欠成熟;成熟度基本一致，色澤較均勻;表皮有輕微的缺陷，果腔充實(shí)，果實(shí)堅(jiān)實(shí)，富有彈性，無(wú)損傷，無(wú)裂口，無(wú)疤痕

二級(jí)外觀基本一致，果形基本圓潤(rùn)，稍有變形;稍欠成熟或稍過(guò)熟;色澤較均勻;果腔基本充實(shí)，果實(shí)較堅(jiān)實(shí)，彈性稍差，有輕微損傷，無(wú)裂口，果皮有輕微的無(wú)疤痕，但果實(shí)商品性未受影響

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，在果園中選取6組形態(tài)各異的樣本，通過(guò)圖像處理對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如下圖所示，經(jīng)過(guò)圖像處理之后，背景和葉子部分已完全去除，可有效對(duì)番茄的大小以及果型進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)本文的番茄成熟度檢測(cè)。

圖1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3 可實(shí)現(xiàn)的功能

該系統(tǒng)在果農(nóng)大面積采摘或是普通民眾小面積采摘，都有一定的實(shí)用性和可操作性。

第一，減少浪費(fèi)。傳統(tǒng)情況下，番茄原始產(chǎn)出最后到消費(fèi)者購(gòu)買消費(fèi)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在巨大的、不可忽視的浪費(fèi)，本系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)番茄成熟度分級(jí)幫助人們及時(shí)、準(zhǔn)確做出判斷。可實(shí)現(xiàn)利用率大大提高，浪費(fèi)減少的功能。

第二，利潤(rùn)最大化。不同成熟度的番茄可用于不同類型的食品加工，比如不同甜度的番茄醬可以利用不同甜度的番茄制作，從這一角度，該技術(shù)能準(zhǔn)確分辨出成熟度，便于果農(nóng)分揀，準(zhǔn)時(shí)采摘，達(dá)到利潤(rùn)最大化的目的。

第三，提高勞動(dòng)率。機(jī)器操作較人工操作而言有較高的準(zhǔn)確性，機(jī)器操作可以減少由肉眼判斷造成的失誤，還可以及時(shí)提醒果農(nóng)進(jìn)行采摘，提高了農(nóng)業(yè)活動(dòng)的勞動(dòng)率，即以更少的人做更多的事。大大解放了勞動(dòng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

番茄成熟度檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)中值濾波、顏色空間的轉(zhuǎn)化等數(shù)字化處理，將番茄的圖像信息轉(zhuǎn)化為文字等級(jí)信息，可幫助人們快速判定其成熟度，給我們的采摘提供了很大的便利，但是，由于自己知識(shí)水平有限，本系統(tǒng)還有很大的改善空間，如圖像的預(yù)處理中僅用中值濾波不能完全排除條件干擾，成熟度等級(jí)的確定還可以加上果形的剛面等等，期待進(jìn)入大學(xué)后能有更多的研究空間。在物質(zhì)生活快速發(fā)展的今天，農(nóng)業(yè)的數(shù)字化越來(lái)越成為人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?。希望番茄成熟度檢測(cè)的方面可以引起更多關(guān)注，利用圖像處理技術(shù)提高農(nóng)產(chǎn)品利用率的應(yīng)用技術(shù)還方興未艾。

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