CN103111427A - 基于图像处理的水果分选装置 - Google Patents
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Abstract
一种农业机械技术领域的基于图像处理的水果分选装置,包括:上料机构、间歇式多通道物料传输机构、连续式单通道物料传输机构、分类箱和水果信息采集机构,其中:间歇式多通道物料传输机构的前端设置上料机构,上方设有水果信息采集机构,尾部与连续式单通道物料传输机构垂直相连,分类箱与连续式单通道物料传输机构相连;本发明通过有效的机械设计,在不降低分选效率的同时有效的避免了采集图像的重影现象,结合调度控制方法,有效的提高了分选精度和分选效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种农业机械技术领域的分类装置,具体是一种基于图像处理的水果分选装置。
背景技术
目前,机器视觉广泛应用在水果外观品质的检测中。相机采集水果的表面图像,然后传输至计算机,通过图像处理的方法获得水果图像的尺寸、颜色、缺陷等外部品质特征,进而依据国家水果分级标准对水果进行分级处理。目前比较常见的是单通道分选机装置和多通道水果分选机装置。单通道分选机是一种最为常见的分选设备,水果由上料机构自动上料,上料过程中运用机械装置使水果成单行排列,在流水线上方安装有相机,当水果从正下方经过时,采集水果的表面图像,有时为了得到水果的全表面信息,流水线上安置特定外形的滚子,由于滚子与摩擦带之间的摩擦力作用,水果会均匀翻转,通过增加流水线上方的相机数目,可以采集水果不同方位的表面信息。然而这种装置是在水果传输过程中采集的图像,由于装置的振动以及相机曝光时间的存在,采集的图像会出现重影,带有重影的水果图像,水果表面信息模糊,不仅增加了后期图像处理的难度,还降低了水果的分选精度;有时为了消除重影,在水果采集图像时,停止水果的传输,此方法虽然提高了图像质量,但是大大降低了分选效率,不利于水果的快速检测。多通道分选装置也是一种较为常见的分选设备,原理和单通道分选机一样,只不过将多个单通道分选机并联,在水果量较大的时候,可以加快水果的分选速度。然而这种分选机和单通道一样,也是在水果传输过程中采集水果图像的,同样会产生图像的重影,不利于水果的后期处理。
经过对现有技术的检索发现,中国专利文献号CN202079036,公开日2011-12-21,记载了一种水果分选机,使用托盘机构、传动输送装置、称重机构和控制器,当带有水果的托盘机构达到分级区时,控制器通过控制电源的通断来控制电磁吸盘得磁和失磁,完成托盘机构的翻转。但该现有技术只能根据水果的重量进行分选,忽视了影响水果品质最为重要的外观特征,并且托盘机构的翻转需要电磁吸盘通电失磁,因此每一个托盘必须有通电线圈、电触点、通电导线、托盘支架等部分,这样造成托盘机构的结构相对复杂。
经过对现有技术的检索发现,中国专利文献号CN201313098,公开日2009-9-23,记载了一种基于LED和数码相机的水果分选计算机图像获取装置,LED阵列板对称布置于水果支撑台两侧,成45°角倾斜放置。但该现有技术属于单通道分选机装置,然而这种装置是在水果传输过程中采集的图像,由于装置的振动以及相机曝光时间的存在,采集的图像会出现重影,带有重影的水果图像,水果表面信息模糊,不仅增加了后期图像处理的难度,还降低了水果的分选精度。另外该装置采用了光源属于面光源,水果属于类球形生物体,故水果可以看成一个朗伯体,根据朗伯反射原理,球面上任意一点的亮度是与该点的法向量和改点与光源连线之间的夹角的余弦成正比,即ID=IL×COSθ,其中ID是反射光强度,IL是入射光强度,面光源比拱形光源具有更加明显的朗伯现象,因此采用面光源容易使所采集图像形成中间亮边缘暗的分布,增加后期图像处理难度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种基于图像处理的水果分选装置,可以避免现有技术中因为相机曝光时间的存在和传输水果的运动造成的图像重影,提高所采集的水果图像质量,降低了图像处理难度;一次性采集多个水果的RGB图像和近红外图像,利用近红外图像水果和背景的较大亮度差异所求出的水果掩模图像,一次性去除RGB图像背景;一次性完成包含多个水果表面信息图像的缺陷提取,提高了水果品质特征提取效率;通过增加相机的数量和间歇式多通道传输滚子的翻滚作用,可以采集水果绝大部分表面信息特征,提高了分选精度,实现了分选机构对批量水果的高速高效调度控制。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括:上料机构、间歇式多通道物料传输机构、连续式单通道物料传输机构、分类箱和水果信息采集机构,其中:间歇式多通道物料传输机构的前端设置上料机构,上方设有水果信息采集机构,尾部与连续式单通道物料传输机构垂直相连,分类箱与连续式单通道物料传输机构相连;
所述的水果信息采集机构包括:圆顶形光源散射装置、一对触发器、若干与计算机相连的相机和光源,其中:一对触发器设置于间歇式多通道物料传输机构上且发送脉冲信号至相机,圆顶形光源散射装置上方分别固定若干相机以记录所测水果的各个面的信息,内侧设有光源,光源为两排成线形分布的贴片LED。
所述的圆顶形光源散射装置的为拱形结构,贴片LED线性分布在拱形结构的内测,间歇式多通道物料传输机构上表面的两侧,LED发出的光经过拱形结构漫反射后形成均匀的光线,由于为水果检测时,各个反射光线方向比较均匀,因此可以最大程度的消除朗伯现象,改善了水果表面图像的亮度分布,有利于水果表面,尤其是边缘缺陷的检测。
所述的间歇式多通道物料传输机构包括:第一机架、若干水果传输支撑滚子、传送链条、棘轮、棘爪、连接挡板、摇杆和连接轴,其中:若干水果传输支撑滚子串连构成一排,若干排支撑滚子等间距分布于机架两旁的传送链条上,水果传输支撑滚子的上下两侧设置一对触发器,棘轮与传送链条相连且为其提供动力,连接挡板固定于棘轮的中心轴上,棘爪固定于连接挡板上,摇杆的一端与连接挡板为球连接,另一端与连接轴相连,连接轴与连续式单通道物料传输机构相连。
间歇式多通道物料传输机构每向前传输一定数目水果传输支撑滚子间隔的距离,所有相机被触发,采集一批水果图像,图像传输至计算机进行处理。
所述的水果传输支撑滚子为中部内凹结构,该水果传输支撑滚子的两端的半径和水果半径相当,中部内凹结构使水果在传输时保持相对平稳且保证间歇式多通道物料传输机构1每传动一次,水果旋转50-70度。
所述的相机为两台且间隔设置以分别记录水果正面、反面的信息,间隔为四个横排的水果传输支撑滚子之间的距离。
所述的连续式单通道物料传输机构包括:第二机架、主动链轮、从动链轮、链条、托盘、托盘贴板、通电磁铁、永久性磁铁和托盘支架,其中:第二机架的两端分别设置主动链轮和从动链轮,主动链轮由电机提供动力,主动链轮的主轴与间歇式多通道物料传输机构相连且带动其运动,链条的两端分别设于主动链轮和从动链轮上且链条上由支撑轴等间距均匀分布托盘,支撑轴位于距离托盘外边沿1/3处,托盘的另一端接触托盘贴板,永久性磁铁设置于托盘内部,通电磁铁位于托盘贴板上且与贴板呈水平,永久性磁铁的磁性和通电磁铁的方向相反,以保证在卸料时产生反向力,以完成卸料。
所述的通电磁铁和永久性磁铁之间的作用力为F且满足F>G/2,其中:G为水果、永久性磁铁和托盘的重力之和。
所述的分类箱的宽度等于3个托盘的宽度。
本发明涉及一种基于上述装置的水果分选方法,通过制取待检测水果的掩模图像用于消除三基色图像的分量中的背景干扰,然后通过计算待测水果缺陷面积总和实现分级筛选。
本方法具体步骤包括:
1)分离出水果的NIR图像(Near Infra-Red近红外),据此对图像进行阈值处理,获得水果图像的掩模图像;
2)提取水果的RGB图像(Red Green Blue红绿蓝三基色)中的G分量(绿色分量)图像;
3)利用掩模图像去除G分量图像中和缺陷相同亮度值的背景干扰;
4)单阈值完成分割背景后的G分量图像,获得水果的缺陷图像;
5)对水果存在区域进行位置标号,区域以1、2、…n表示,将同一批水果图像进行融合,即为相同标号处水果不同方位的缺陷面积之和,根据水果等级划分准则,完成各个区域的等级划分,等级以1、2、…i表示;
6)当水果从连续式单通道物料传输机构的托盘的起始处处输送至相应等级的分类箱时,触发该通电磁铁,导电磁铁产生磁性,与永久性磁铁产生相互排斥力,该力所产生的力矩与水果、托盘的重力矩相反,托盘绕支撑轴上的支点顺时针旋转,完成卸料;
所述的步骤1)中的阈值处理是指:确定一个灰度值作为标准阈值,低于此值的像素为水果的缺陷部分,高于此值的像素则为正常水果表面。
所述的步骤5)中的区域位置标号是指:将记录同一个水果各个面而设置的相机之间的各个水果所在区域依次分别标号。
本发明通过有效的机械设计,在不降低分选效率的同时有效的避免了采集图像的重影现象,结合调度控制方法,有效的提高了分选精度和分选效率。
附图说明
图1为本发明的总体装配图;
图2为间歇式多通道物料传输机构前视图;
图3为间歇式多通道物料传输机构俯视图;
图4为棘轮连接机构的局部装配图;
图5为水果传输支撑滚子示意图;
图6为连续式单通道物料传输机构的前视图和左视图;
图7为托盘三维图;
图8为托盘和托盘贴板左视图;
图9为图像处理流程图;
图10为本发明装置一次采集的NIR图像;
图11为本发明装置一次采集的RGB图像;
图12为利用掩模去除背景的水果图像;
图13为缺陷分割图像;
图14对水果存在区域进行位置标号示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示,本实施例包括:间歇式多通道物料传输机构1、连续式单通道物料传输机构2、分类箱3、上料机构4和水果信息采集机构6,其中:间歇式多通道物料传输机构1的前端设置上料机构4,上方设有水果信息采集机构6,尾部与连续式单通道物料传输机构2垂直相连,分类箱3与连续式单通道物料传输机构2相连;
所述的水果信息采集机构6包括:圆顶形光源散射装置5、一对触发器(未示出)、若干与计算机相连的相机7和光源20,其中:一对触发器设置于间歇式多通道物料传输机构1上且发送脉冲信号至相机7,圆顶形光源散射装置5上方分别固定若干相机7以记录所测水果的各个面的信息,内侧设有光源20,光源为两排成线形分布的高亮度贴片LED。
所述的圆顶形光源散射装置5的为拱形结构,贴片LED线性分布在拱形结构的内测,间歇式多通道物料传输机构上表面的两侧,LED发出的光经过拱形结构漫反射后形成均匀的光线,由于为水果检测时,各个反射光线方向比较均匀,因此可以最大程度的消除朗伯现象,改善了水果表面图像的亮度分布,有利于水果表面,尤其是边缘缺陷的检测。
如图2、图3和图4所示,所述的间歇式多通道物料传输机构1包括:第一机架、若干水果传输支撑滚子9、传送链条(未示出)、棘轮14、棘爪16、连接挡板17、摇杆18和连接轴19,其中:若干水果传输支撑滚子9串连构成一排,若干排支撑滚子9等间距分布于机架两旁的传送链条上,水果传输支撑滚子9的上下两侧设置一对触发器,棘轮14与传送链条相连且为其提供动力,连接挡板17固定于棘轮14的中心轴上,棘爪16固定于连接挡板17上,摇杆18的一端与连接挡板17为球连接,另一端与连接轴19相连,连接轴19与连续式单通道物料传输机构2相连。
间歇式多通道物料传输机构1每向前传输一定数目水果传输支撑滚子9的间隔的距离,所有相机7被触发,采集一批水果图像,图像传输至计算机进行处理。
如图5所示,所述的水果传输支撑滚子9为两端粗、中间向内凹陷的结构,这样保证水果可以处于两个滚子9之间,并且滚子9可以和所贴面摩擦,进而带动水果旋转,滚子两端的半径r和水果半径相当,一般选取5-6cm,中间凹陷可以使水果在传输时保持相对平稳,同时保证间歇式多通道物料传输机构1每传动一次,水果大约沿中心轴旋转50-70度,优选为60度。
如图6、图7和图8所示,所述的连续式单通道物料传输机构2包括:第二机架8、主动链轮15、从动链轮11、链条(未示出)、托盘23、托盘贴板22、通电磁铁27、永久性磁铁26和托盘支架25,其中:第二机架8的两端分别设置主动链轮15和从动链轮11,主动链轮15由电机提供动力,电机由计算机控制,主动链轮15的主轴与间歇式多通道物料传输机构1相连且带动其运动,链条的两端分别设于主动链轮15和从动链轮11上且链条上由支撑轴25等间距均匀分布托盘23,支撑轴25位于距离托盘23外边沿1/3处,托盘23的另一端接触托盘贴板22,永久性磁铁26设置于托盘23内部,通电磁铁27位于托盘贴板22上且与贴板22呈水平,永久性磁铁26的磁性和通电磁铁27的方向相反,以保证在卸料时产生反向力,以完成卸料。
所述的通电磁铁27和永久性磁铁26之间的作用力为F且满足F>G/2,其中:G为水果12、永久性磁铁26和托盘23的重力之和。
所述的分类箱3的宽度等于3个托盘23的宽度。
所述的上料机构4包括:料箱和滚轴10。其中:滚轴10由电机带动,位于料箱中的水果,在滚轴10滚动下,向下一级处理机构传送。
上料机构4输送水果至间歇式多通道物料传输机构1时,在滚轴10和水果传输支撑滚子9之间的作用下,水果可以分成多列,在本实施例中,分为3列,并排在间歇式多通道物料传输机构1上传送。
间歇式多通道物料传输机构1的动力由棘轮14提供,棘轮14的动力则有连续式单通道物料传输机构2的主动链轮11的中心轴提供,棘轮14和主动链轮11通过连接轴19、连接挡板17、摇杆18连接,主动链轮11每旋转一周,位于连续式单通道物料传输机构2上的托盘23向前运动指定托盘23数目,数目由间歇式多通道物料传输机构1上方一排水果传输支撑滚子9所传送的水果数目决定,同时棘轮14在棘爪16的推动下旋转一定的角度,保证间歇式多通道物料传输机构1上方的滚子向前滚动一个间距,即相邻两排滚子之间的距离,在间歇式多通道物料传输机构1和连续式单通道物料传输机构2的配合下,一排水果传输支撑滚子9传输的水果由多通道一排,加入到连续式单通道物料传输机构2上的一列进行传送。
为了采集水果的不同方位的表面图像,间歇式多通道物料传输机构1上方的水果传输支撑滚子9在水果和其自身的重力作用下,和所紧贴的平面具有一定的摩擦力,在摩擦力作用下,水果传输支撑滚子9可以带动水果翻转,水果则在翻滚时呈平躺状,如图3所示,间歇式多通道物料传输机构1运动一次,水果向前传送一个间距(相邻两排滚子之间的距离),同时,水果均匀翻转约60°,间歇式多通道物料传输机构1运动三次,水果则翻转到另一面。由此可以间隔三个间距布置相机7,保证可以采集水果不同表面处的图像信息。
如图8所示,在正常传输时,由于支撑轴25和位于连续式单通道物料传输机构2机架上的托盘贴板22的支撑作用,位于托盘23上的水果,可以保持平稳运行,托盘23和水果12的中心位置在托盘23中心附近,距离支撑轴25的距离为1/6托盘23的宽度。在卸料时,卸料区布置的通电磁铁27和待卸料托盘23内部的永久性磁铁26贴近,此时给通电磁铁27通电,通电磁铁产生极性,极性与永久性磁铁相反,产生一个相排斥的作用力F,相对于支撑轴25的力矩为F*2L/3,由于永久性磁铁宽度的存在,力矩略小于此值,水果12、永久性磁铁26和托盘23的反向力矩则为G*1L/6,其中L为托盘23的宽度,F为永久性磁铁26和通电磁铁27的作用力,G为水果12、永久性磁铁26和托盘23的重力。根据力学知识,F>G/4时,在理论上就可以完成卸料,但考虑到托盘23在运动,和通电磁铁27接触时间有限,故需要保证通电磁铁27和永久性磁铁26之间的作用力F>G/2,这样可以及时完成卸料动作。
实施例2
如图9所示,本实施例步骤包括:
1)分离出水果的NIR图像,据此对图像进行阈值处理,获得水果图像的掩模图像;
2)提取水果的RGB图像中的G分量图像;
3)利用NIR图像得到的掩模图像可以去除G分量图像中的背景,消除和缺陷相同亮度值的背景干扰;
4)单阈值完成分割背景后的G分量图像,获得水果的缺陷图像;
5)对水果存在区域进行位置标号,区域以1、2、…n表示,将同一批水果图像进行融合,即为相同标号处水果不同方位的缺陷面积之和,根据水果等级划分准则,完成各个区域的等级划分,等级以1、2、…i表示;
6)当水果从连续式单通道物料传输机构2的托盘23的起始处处输送至相应等级的分类箱时,触发该通电磁铁27,导电磁铁产生磁性,与永久性磁铁26产生相互排斥力,该力所产生的力矩与水果、托盘23的重力矩相反,托盘23绕支撑轴25上的支点顺时针旋转,完成卸料;
所述的步骤1)中的阈值处理是指:由于缺陷部分和正常水果表面的灰度值不同,因此所采集图像的灰度直方图呈现“两峰一谷”的分布,正常表面灰度值较大,而水果缺陷部分灰度值较小,选取直方图谷底的一个灰度值作为分割阈值,对采集的图像进行阈值分割,低于此值的像素为水果的缺陷部分,高于此值的像素则为正常水果表面。
所述的步骤5)中的区域位置标号是指:将记录同一个水果各个面而设置的相机之间的各个水果所在区域依次分别标号。
本实施例设置两台相机7分别记录水果正面、反面的信息。
所述的水果从连续式单通道物料传输机构2的托盘23的起始处处输送至相应等级的分类箱时间为(Ni+k)*L/v,其中:Ni为区域n到达i级分类箱的托盘数目,i为水果等级,L为连续式单通道物料传输机构2中托盘23之间的间距,v为链轮的运动速度,k由水果的位置决定。以3通道转单通道为例,设水果位置编号记为Label,则k值的具体确定方法为,首先根据水果所在支撑滚子所在通道划分水果存在区域,不同区域k值不同,但同一通道有一定规律,水果处于1、4、7区域位置时,k=Label-1;水果处于2、5、8区域位置时,k=Label-3;水果处于3、6、9区域位置时,k=Label-5。
如图10、图11、图12及图13所示,为本装置图像采集处理过程中的图像。
如图14对水果存在区域进行位置标号,分别标记为1-9个区域。然后根据前一个相机采集的同一批水果图像进行融合,即为相同标号处水果不同方位的缺陷面积之和,根据水果等级划分准则,完成各个区域的等级划分。
如下表所示,以水果分为1、2、3等级为例,假设连续式单通道物料传输机构2中托盘23之间的间距为L,链轮的运动速度为v,区域1到达1级分类箱的托盘数目为N1,区域1到达2级分类箱的托盘数目为N2,区域1到达3级分类箱的托盘数目为N3,则各个区域水果等级、水果区域位置和电磁线圈通电时间关系之间的映射表如图14所示。以区域4为例,假如水果等级判断为2级,则此水果在(N2+3)*L/v时间到达2级分类箱,此时通电磁铁27和其所在托盘永久性磁铁26相贴,触发该通电磁铁27,导电磁铁产生磁性,与永久性磁铁26产生相互排斥力,该力所产生的力矩与水果、托盘23的重力矩相反,托盘23绕支撑轴25上的支点顺时针旋转,完成卸料。
本实施例中所涉及的图像处理方法均可以采用现有已知的采集及计算方式进行实现。
Claims (10)
1.一种基于图像处理的水果分选装置,其特征在于,包括:上料机构、间歇式多通道物料传输机构、连续式单通道物料传输机构、分类箱和水果信息采集机构,其中:间歇式多通道物料传输机构的前端设置上料机构,上方设有水果信息采集机构,尾部与连续式单通道物料传输机构垂直相连,分类箱与连续式单通道物料传输机构相连;
所述的水果信息采集机构包括:圆顶形光源散射装置、一对触发器、若干与计算机相连的相机和光源,其中:一对触发器设置于间歇式多通道物料传输机构上且发送脉冲信号至相机,圆顶形光源散射装置上方分别固定若干相机以记录所测水果的各个面的信息,内侧设有光源,光源为两排成线形分布的贴片LED。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的水果分选装置,其特征是,所述的间歇式多通道物料传输机构包括:第一机架、若干水果传输支撑滚子、传送链条、棘轮、棘爪、连接挡板、摇杆和连接轴,其中:若干水果传输支撑滚子串连构成一排,若干排支撑滚子等间距分布于机架两旁的传送链条上,水果传输支撑滚子的上下两侧设置一对触发器,棘轮与传送链条相连且为其提供动力,连接挡板固定于棘轮的中心轴上,棘爪固定于连接挡板上,摇杆的一端与连接挡板为球连接,另一端与连接轴相连,连接轴与连续式单通道物料传输机构相连。
3.根据权利要求2所述的基于图像处理的水果分选装置,其特征是,所述的相机为两台且间隔设置以分别记录水果正面、反面的信息,间隔为四个横排的水果传输支撑滚子之间的距离。
4.根据权利要求2或3所述的基于图像处理的水果分选装置,其特征是,所述的水果传输支撑滚子为中部内凹结构,该水果传输支撑滚子的两端的半径和水果半径相当,中部内凹结构使水果在传输时保持相对平稳且保证间歇式多通道物料传输机构1每传动一次,水果旋转50-70度。
5.根据权利要求1所述的基于图像处理的水果分选装置,其特征是,所述的连续式单通道物料传输机构包括:第二机架、主动链轮、从动链轮、链条、托盘、托盘贴板、通电磁铁、永久性磁铁和托盘支架,其中:第二机架的两端分别设置主动链轮和从动链轮,主动链轮由电机提供动力,主动链轮的主轴与间歇式多通道物料传输机构相连且带动其运动,链条的两端分别设于主动链轮和从动链轮上且链条上由支撑轴等间距均匀分布托盘,支撑轴位于距离托盘外边沿1/3处,托盘的另一端接触托盘贴板,永久性磁铁设置于托盘内部,通电磁铁位于托盘贴板上且与贴板呈水平,永久性磁铁的磁性和通电磁铁的方向相反,以保证在卸料时产生反向力,以完成卸料。
6.根据权利要求5所述的基于图像处理的水果分选装置,其特征是,所述的通电磁铁和永久性磁铁之间的作用力为F且满足F>G/2,其中:G为水果、永久性磁铁和托盘的重力之和。
7.一种基于权利要求1-6中任一所述装置的水果分选方法,通过制取待检测水果的掩模图像用于消除三基色图像的分量中的背景干扰,然后通过计算待测水果缺陷面积总和实现分级筛选。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征是,所述方法包括:
1)分离出水果的NIR图像,据此对图像进行阈值处理,获得水果图像的掩模图像;
2)提取水果的RGB图像中的G分量图像;
3)利用掩模图像去除G分量图像中和缺陷相同亮度值的背景干扰;
4)单阈值完成分割背景后的G分量图像,获得水果的缺陷图像;
5)对水果存在区域进行位置标号,将同一批水果图像进行融合,即为相同标号处水果不同方位的缺陷面积之和,根据水果等级划分准则,完成各个区域的等级划分;
6)当水果从连续式单通道物料传输机构的托盘的起始处处输送至相应等级的分类箱时,触发该通电磁铁,导电磁铁产生磁性,与永久性磁铁产生相互排斥力,该力所产生的力矩与水果、托盘的重力矩相反,托盘绕支撑轴上的支点顺时针旋转,完成卸料。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征是,所述的步骤1)中的阈值处理是指:确定一个灰度值作为标准阈值,低于此值的像素为水果的缺陷部分,高于此值的像素则为正常水果表面。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征是,所述的步骤5)中的区域位置标号是指:将记录同一个水果各个面而设置的相机之间的各个水果所在区域依次分别标号。
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