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      基于比重和圖像的核桃內(nèi)部品質(zhì)無損檢測與分選

      2021-07-30 01:38:50于大國SHIYijun陳俐華曹成茂王俊元
      關(guān)鍵詞:長軸輪廓比重

      于大國 趙 明 SHI Yijun 陳俐華 曹成茂 王俊元

      (1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 太原 030051; 2.呂勒奧理工大學(xué)機(jī)械零件部, 呂勒奧 971 87;3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 合肥 230036)

      0 引言

      核桃內(nèi)部品質(zhì)不易檢測,市場上的帶殼核桃常存在不飽滿、有病蟲害、霉?fàn)€等不合格產(chǎn)品,空癟現(xiàn)象較為嚴(yán)重[1]。

      目前,核桃篩選的方法主要有網(wǎng)式、筒式、輥軸式等[2-4],這類方法根據(jù)核桃體積對核桃進(jìn)行分類,不能識(shí)別核桃的內(nèi)部品質(zhì)。文獻(xiàn)[5-6]申請了利用超聲和CT技術(shù)檢測核桃內(nèi)部品質(zhì)的專利,但后續(xù)研究未見報(bào)道。近年來,研究人員嘗試?yán)脭?shù)字圖像技術(shù)來識(shí)別核桃的大小。文獻(xiàn)[7]以核桃投影面積為自變量,以核桃質(zhì)量為因變量,建立了一元二次多項(xiàng)式回歸質(zhì)量預(yù)測模型,以模型預(yù)測核桃質(zhì)量。文獻(xiàn)[8]利用影像檢測儀對核桃的色澤及直徑進(jìn)行檢測,以直徑和色澤為參數(shù)分選核桃。文獻(xiàn)[9-10]提出將圖像技術(shù)應(yīng)用于核桃分選檢測研究。上述研究均不夠成熟,且不能根據(jù)比重檢測核桃內(nèi)部品質(zhì)。

      在國外的相關(guān)報(bào)道中,文獻(xiàn)[11]利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識(shí)別核桃的大小。文獻(xiàn)[12]提出了破殼后的核桃仁的檢測方法。文獻(xiàn)[13]利用核桃仁與核桃殼紋理模式的不同來判斷圖像內(nèi)容。文獻(xiàn)[14]研究了光譜與核桃含水率之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[15-17]也研究了核桃殼顏色與含水率關(guān)系。在其他農(nóng)產(chǎn)品檢測與分類上,一些研究人員也應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究[18-22]。

      目前,主要基于核桃大小進(jìn)行分類,分選設(shè)備以網(wǎng)式、筒式、輥軸式為主,另有少量通過圖像識(shí)別進(jìn)行分類的理論研究,尚無能夠檢測核桃內(nèi)部品質(zhì)的實(shí)用設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高和圖像設(shè)備成本的降低,利用圖像識(shí)別工具、借鑒國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)探討基于比重的核桃無損檢測、分選方法及其設(shè)備具有研究價(jià)值。本文通過攝像工具采集核桃圖像數(shù)據(jù),并進(jìn)行處理、擬合,估算核桃體積,由傳感器獲得核桃的質(zhì)量,根據(jù)核桃的比重或比重等效參數(shù)對核桃進(jìn)行檢測和分選。

      1 核桃無損檢測與分選原理

      1.1 基于比重的檢測與分選方案

      如圖1所示,本方案主要包括料框、取料部分、送料部分、檢測部分、控制部分(未示出)、分配部分。料框內(nèi)有核桃,核桃有中分線;取料部分有取料帶、取料輪,取料帶上有凹坑,凹坑的形狀與核桃輪廓相似,便于將料框內(nèi)的核桃?guī)С觯凰土喜糠钟袔Р蹖?dǎo)向條,導(dǎo)向條內(nèi)部光滑,其凹槽與核桃輪廓具有一致性,核桃在取料輪處落入帶槽導(dǎo)向條;檢測部分包括正面圖像采集器、側(cè)面圖像采集器、稱量平臺(tái)。兩個(gè)圖像采集器分別從垂直于核桃中分面和沿著中分面的兩個(gè)方向拍攝核桃。核桃經(jīng)帶槽導(dǎo)向條后落入稱量平臺(tái);稱量平臺(tái)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連。分配部分包括兩個(gè)以上氣嘴、兩個(gè)以上分類箱,氣嘴將核桃吹入其對面的分類箱內(nèi)。由圖像得到核桃的輪廓和體積V等幾何參數(shù),由稱量平臺(tái)獲得核桃的質(zhì)量(由平臺(tái)自動(dòng)換算成重量G或沖擊力)。由G與V兩個(gè)參數(shù)的比值得到核桃的比重,根據(jù)比重選擇氣嘴,使不同核桃落入不同分類箱。此時(shí)也可同時(shí)結(jié)合核桃體積等參數(shù)進(jìn)行分選。

      本方案的優(yōu)勢在于:求核桃比重γ,有助于判別核桃內(nèi)部品質(zhì),實(shí)現(xiàn)了無損檢測;相較于一個(gè)圖像采集器,兩個(gè)圖像采集器所獲得的信息更為全面;圖像采集器分別從垂直和沿著核桃中分面的兩個(gè)方向拍攝核桃,相較于任意兩個(gè)方向拍攝,對于檢測核桃輪廓識(shí)別精度更高;核桃落到稱量平臺(tái)時(shí),必有一側(cè)中分線與平臺(tái)上表面接觸,核桃中分面與稱量平臺(tái)上表面的夾角穩(wěn)定于60°左右,有利于正確設(shè)置圖像采集工具。

      1.2 基于比重等效參數(shù)的檢測與分選方案

      圖2為基于比重等效參數(shù)F/V的無損檢測方案。

      如圖2所示,核桃位于料框內(nèi),取料帶將其從下向上輸送。然后,核桃作自由落體運(yùn)動(dòng)。在核桃向下運(yùn)動(dòng)、軌跡變得穩(wěn)定時(shí),攝像機(jī)拍照,獲得核桃圖像。當(dāng)核桃落在帶窩水平墊的窩坑內(nèi)時(shí),力傳感器測量出核桃向下的沖擊力F。

      控制系統(tǒng)根據(jù)核桃圖像進(jìn)行擬合,求出核桃體積V。定義F/V為比重等效參數(shù),系統(tǒng)根據(jù)此值向水平氣嘴發(fā)出指令,使核桃分別落入不同的料桶。

      2 檢測與分選

      2.1 核桃圖像平滑處理與邊緣分析

      核桃圖像經(jīng)過平滑處理,每一個(gè)像素點(diǎn)的值,都由其本身值和鄰域內(nèi)的其他像素值經(jīng)過加權(quán)平均后得到,同時(shí)離中心越近的像素權(quán)重越高。因此,圖像的平滑效果柔和,邊緣保留良好。設(shè)(x,y)為點(diǎn)的坐標(biāo),H(x,y)為高斯函數(shù),f(x,y)為圖像函數(shù),G(x,y)為處理后的圖像函數(shù),計(jì)算式為[23-24]

      (1)

      G(x,y)=f(x,y)H(x,y)

      (2)

      式中σ——方差

      如果圖像的函數(shù)連續(xù),通過求函數(shù)x、y方向上的偏導(dǎo)數(shù)Gx、Gy,有助于搜索圖像的邊緣。圖像函數(shù)G滿足

      (3)

      G取最大值時(shí)對應(yīng)的點(diǎn)有可能在邊緣上。梯度方向角計(jì)算公式為

      (4)

      以上是計(jì)算原理,實(shí)際圖像是離散的,以差分代替求導(dǎo)??捎肅anny算子或其他算子實(shí)現(xiàn)以上邊緣搜索。

      2.2 核桃輪廓擬合

      圖3a所對應(yīng)的核桃,其圖像的輪廓可擬合為橢圓。圖3b所對應(yīng)的核桃,其圖像的輪廓可擬合為圓;或者擬合為圖3c所示的阿基米德螺線,設(shè)r為極徑,θ為極角,則相應(yīng)極坐標(biāo)方程為:r=kθ;還可將圖3b圖像的輪廓擬合為圖3d所示的心形線,相應(yīng)坐標(biāo)方程為

      r=a′(1-cosθ)

      (5)

      將核桃圖像擬合為橢圓的過程如下:

      橢圓平移m、n,并旋轉(zhuǎn)α后的方程為

      (6)

      由式(6)可得到橢圓的一般方程為

      Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0

      (7)

      (8)

      式中N——離散點(diǎn)的數(shù)量

      由此可得一個(gè)線性方程組,然后解線性方程組,就可以求得系數(shù)A、B、C、D、E、F的值。進(jìn)而可以求出橢圓的長軸2a、短軸2b、面積πab。但是,現(xiàn)有數(shù)學(xué)手冊或國內(nèi)外橢圓研究文獻(xiàn)一般只討論了橢圓長軸、短軸平行于坐標(biāo)軸時(shí)的長軸2a、短軸2b和面積πab[23-25],而對于橢圓長軸、短軸不平行于坐標(biāo)軸,且橢圓中心不在坐標(biāo)系原點(diǎn)的一般情況,討論很少。圖像處理文獻(xiàn)中一般也未提供計(jì)算橢圓長軸、短軸參數(shù)的公式[26-27],因此,本文給出相關(guān)公式如下:

      橢圓幾何中心為

      (9)

      橢圓長軸長度2a、短軸長度2b滿足公式

      (10)

      當(dāng)A≠C時(shí),橢圓長軸與坐標(biāo)系x軸的夾角θ′滿足

      (11)

      當(dāng)A=C時(shí),橢圓長軸與坐標(biāo)系x軸的夾角θ′為

      (12)

      當(dāng)A=C,B=0時(shí),橢圓退化為圓。

      通過上述方法,得到了所擬合橢圓的參數(shù),為估算核桃體積奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)將核桃圖像的輪廓擬合為阿基米德螺線r=kθ,或心形線r=a′(1-cosθ)時(shí),同理可以求得兩個(gè)極坐標(biāo)方程中的參數(shù)k和a′,作為計(jì)算核桃體積的依據(jù)。

      2.3 根據(jù)擬合的輪廓求取核桃體積

      將核桃擬合為球體時(shí),核桃體積的計(jì)算公式為:V=4πR3/3,R表示球體半徑。將核桃的輪廓擬合為橢圓時(shí),核桃體積為

      (13)

      式中c——橢球體長第三軸半徑

      將核桃輪廓擬合為r=a′(1-cosθ)的心形線時(shí)(圖3),核桃的體積為

      (14)

      式中φ——矢徑與z軸正向夾角

      F′——球面坐標(biāo)系

      將核桃輪廓擬合為r=kθ的阿基米德螺線時(shí)(圖3),核桃的體積為

      (15)

      2.4 核桃分級

      以下給出按比重對核桃進(jìn)行分級的公式。設(shè)n1、n2、…、nk為臨界值,是依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或本批核桃的統(tǒng)計(jì)結(jié)果或人群需求確定的數(shù)值。一等品對應(yīng)于:n1≤r;二等品對應(yīng)于:n2≤r

      同理,也可按照比重等效參數(shù)F/V對核桃進(jìn)行分類。

      3 實(shí)驗(yàn)

      3.1 核桃著落實(shí)驗(yàn)

      依上文所述,核桃落到圖1中的稱量平臺(tái)時(shí),必有一側(cè)中分線與平臺(tái)上表面接觸,核桃中分面與稱量平臺(tái)上表面的夾角相對穩(wěn)定于60°左右。圖4為驗(yàn)證這一結(jié)論的實(shí)驗(yàn)圖像。圖4a~4d按時(shí)間先后順序排列,圖4d顯示核桃中分面的傾角。核桃著落后具有穩(wěn)定的傾角,為正確設(shè)置圖像采集工具的方位提供了依據(jù)。當(dāng)兩個(gè)攝像工具分別垂直于核桃中分面和沿中分面拍照時(shí),有利于準(zhǔn)確獲得核桃的輪廓和估算核桃體積,能提高分選精度。

      3.2 圖像處理流程

      核桃圖像處理流程如圖5所示。

      3.3 核桃圖像處理及其參數(shù)

      通過核桃圖像求核桃體積,需要確定物理尺寸與像素間的換算關(guān)系。利用帶有固定間距圖案陣列的平板即標(biāo)定板可完成標(biāo)定。圖6a為標(biāo)定板,圖6b為標(biāo)定板mark亞像素輪廓,每行圓心距有6個(gè),共7行,因此共有42個(gè)圓心距。同理,每列圓心距有6個(gè),共7列,因此共有42個(gè)圓心距。行、列合計(jì)有84個(gè)圓心距。圖6c以像素表示圓心距(間距),84個(gè)間距實(shí)際距離在98.90~99.25像素范圍內(nèi),不完全一致,將間距細(xì)分為7個(gè)尺寸段后,各尺寸段的個(gè)數(shù)由圖6c縱坐標(biāo)表示。因此,圖6c是標(biāo)定板圓心距(間距)的直方圖。通過拍攝標(biāo)定板,經(jīng)過標(biāo)定算法的計(jì)算,可以得出物理尺寸與像素間的換算關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)高精度測量。

      圖7是處理核桃圖像以及將其輪廓擬合為橢圓的部分截圖,顯示主要過程及圖像擬合結(jié)果。從圖7f中可見:橢圓長軸半徑23.574 mm,橢圓短軸半徑16.246 mm,橢圓長軸傾角5.183 5°,橢圓面積1 203.16 mm2。

      分別根據(jù)核桃不同方位圖像進(jìn)行擬合,依據(jù)所獲得的參數(shù),可求出核桃橢球體的體積,圖8a中,形狀擬合為橢球體的核桃體積為25 549.05 mm3。容易測量出核桃的重量或沖擊力,因此可計(jì)算核桃的比重或比重等效參數(shù)。當(dāng)將核桃圖像輪廓擬合為其他曲線時(shí),同理可得所擬合曲線的參數(shù),進(jìn)而求出核桃體積。圖8b中核桃的體積為28 852.59 mm3。在此基礎(chǔ)上,可求出此核桃比重或比重等效參數(shù),作為對核桃進(jìn)行分類的依據(jù)。

      4 結(jié)論

      (1)研究了核桃無損檢測與分選原理。將攝像工具所采集的核桃圖像進(jìn)行處理、擬合,并估算核桃體積V,由傳感器獲取換算得到核桃的重量。根據(jù)核桃的比重使核桃落入不同容器中,或者按照比重等效參數(shù)對核桃進(jìn)行檢測和分選。

      (2)現(xiàn)有圖像處理技術(shù)能夠識(shí)別核桃輪廓,進(jìn)而可較準(zhǔn)確地估算核桃的體積,現(xiàn)有傳感器能夠測量核桃重量或沖擊力。實(shí)驗(yàn)中,在核桃下落到平面時(shí),一側(cè)中分線與平面接觸,中分面與平面的夾角穩(wěn)定在60°左右,利用這一特點(diǎn)分別設(shè)置正面、側(cè)面圖像采集工具,能較準(zhǔn)確地獲取核桃的輪廓,從而提高分選精度。

      (3)所設(shè)計(jì)的方案可間接檢測核桃的內(nèi)部品質(zhì),檢測方案對核桃殼仁、工作環(huán)境、操作人員均無不良影響。

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