CN103323457A - 水果外观缺陷实时在线检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农产品无损检测技术领域，尤其涉及一种水果外观缺陷实时在线检测***及检测方法。该检测***包括输送单元，该输送单元用于将待检测水果滚动并水平移动通过图像采集位置；图像采集单元，该图像采集单元包括设置在输送单元上并位于图像采集位置的光照箱以及位于光照箱内的CCD相机；设置在输送单元的至少一侧用于检测水果是否即将到达所述图像采集位置的传感器；计算机，在所述计算机中设置有用于控制CCD相机拍摄水果表面图像的图像采集卡，并预存有用于对采集的水果表面图像进行分析并确定所述水果是否合格的图像分选模型。该检测***通过仅对CCD相机拍摄的表面图像进行分析处理，以实现快速且准确地对水果进行检测分级。

Description

水果外观缺陷实时在线检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及农产品无损检测技术领域，尤其涉及一种对大致球形水果进行外观缺陷实时在线检测的检测***及检测方法。

背景技术

我国是一个水果生产和消费大国。目前，每年的水果产量已超过10000万吨，居世界前列。随着农村经济体制改革的深入和市场经济的发展，水果产量将逐年大幅度增加。目前，在水果进入市场前，水果加工包装企业通常要对水果的外部品质，例如大小、形状、颜色和表面缺陷等进行检测分级。现有的水果检测分级一般采用人工筛选法，该方法需要大量的劳动人员，工作效率低，且筛选结果主观判断差别大，从而导致分级不严格，不准确。因此，如何快速且准确地对水果进行检测分级，就成为亟待解决的问题。

近年来，在对水果检测分级研究领域中，光谱方法是一种很有效的方法，如高光谱技术检测苹果的外观缺陷，不仅可以得到水果表面的光谱信息，还可以得到水果表面的图像信息。对于检测研究水果分级检测来说，是一种非常好的方法。然而在实际生产应用中，光谱仪的购买成本大，采集的信息量同样也非常大，并包含了过多冗余的信息，实时在线应用的话，处理的速度非常慢，从而导致检测速度非常慢。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于机器视觉技术对苹果等大致球形的水果进行外观缺陷实时在线检测的检测***及检测方法，以提高检测速度和检测的准确度，并降低成本。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水果外观缺陷实时在线检测***，其特征在于，其包括：

输送单元，该输送单元用于将待检测水果滚动并水平移动通过图像采集位置；

图像采集单元，该图像采集单元包括设置在所述输送单元上并位于图像采集位置的光照箱以及位于所述光照箱内的CCD相机；

传感器，该传感器设置在水果输送单元的至少一侧，以用于检测水果是否即将到达所述图像采集位置；

计算机，在所述计算机中设置有用于控制所述CCD相机拍摄水果表面图像的图像采集卡，并预存有用于对采集的所述水果图像进行分析并确定所述水果是否合格的图像分选模型；

其中，所述传感器和所述CCD相机分别与所述图像采集卡连接。

优选地，所述光照箱包括固定在所述输送单元上的遮光罩以及在所述遮光罩内的光源，所述遮光罩的入口和出口处用黑布做成门帘状，所述遮光罩的底部设置有底板，所述遮光罩的内表面和所述底板的上表面都进行发黑处理。

优选地，所述CCD相机包括两个相对设置的CCD相机，所述CCD相机与聚光镜头连接，在所述聚光镜头前面设置有滤光片，所述滤光片的波长根据待检测的水果进行选取。

优选地，所述图像采集单元还包括将所述CCD相机固定在所述光照箱上的可调节装置，所述可调节装置包括设置在所述光照箱顶部平行于水果输送方向的滑道、水平调节杆和竖直调节杆，所述竖直调节杆的上端在所述滑道内滑动，所述水平调节杆的自由端与所述CCD相机连接，所述水平调节杆与所述竖直调节杆滑动连接，使得所述水平调节杆相对于所述竖直调节杆上下滑动以及在垂直于所述水果输送方向上移动。

优选地，所述CCD相机通过其轴线平行于水果输送方向的圆形刻度盘固定在所述水平调节杆上，所述圆形刻度盘包括刻有角度的外盘以及可相对于所述外盘转动的内盘，所述外盘与所述水平调节杆连接，所述内盘与所述CCD相机连接。

优选地，在所述传感器和所述图像采集卡之间设置有将所述传感器感知的信号转换成脉冲信号的信号处理单元。

优选地，该检测***还包括与所述计算机连接的不合格产品剔除装置。

本发明还提供了一种水果外观缺陷实时在线检测方法，其其包括以下步骤：

S1：检测准备，开启计算机、CCD相机、光源，然后启动输送单元，使水果在输送单元的传送带上滚动且水平移动；

S2：图像采集，当传感器探测到有水果通过时，将所述水果即将到达图像采集位置的信号传送给图像采集卡，然后由所述图像采集卡控制预先调节好的所述CCD相机对水果进行拍摄；

S3:图像上传，所述CCD相机将拍摄到的图像信息按照拍摄的顺序和所述CCD相机的序号上传给所述计算机；

S4：水果分级，由预存在所述计算机内的图像分选模型对采集的所述图像信息进行处理，并对该水果进行分级。

优选地，在所述步骤S4之后还包括所述计算机将分级结果发送给不合格产品剔除装置，由所述不合格产品剔除装置对不合格水果进行剔除的步骤。

优选地，所述由预存在所述计算机内的图像分选模型对所述图像信息进行处理的步骤包括：

a.图像分割，将每个CCD相机采集的同一个水果在不同滚动状态下的多幅图像信息中分别提取具有完整信息的部分区域；

b.图像融合运算，通过多维图像合成方法，分别将每个CCD相机提取的所述具有完整信息的部分图像融合为一幅图像，以获取完整水果表面的图像。

（三）有益效果

上述技术方案所提供的水果外观缺陷实时在线检测***及检测方法，该检测***包括用于将水果滚动并水平移动的输送单元、图像采集单元、传感器以及计算机，其中，该图像采集单元包括光照箱以及位于光照箱内的CCD相机，该CCD相机和传感器分别与设置在计算机上的图像采集卡连接。当水果随输送单元滚动并水平移动到达图像采集位置时，通过CCD相机对不同滚动状态下的水果表面进行拍摄，并将拍摄的表面图像上传给计算机，然后由计算机进行图像处理并分级。由于CCD相机仅拍摄水果的表面信息，数据量较小，处理速度较快，因此使得该检测***可以迅速且准确地对水果进行检测；此外，该检测***结构简单，成本较低；进一步地，通过图像分割和图像融合方法，使得该检测***对一个水果只需要分析两幅图像信息，这样大大减少了图像处理的计算量，同时也避免某些边缘信息的干扰。

附图说明

图1是根据本发明的一种水果外观缺陷实时在线检测***的实施例的结构示意图；

图2是图1示出的水果外观缺陷实时在线检测***的细节图；

图3是同一个CCD相机在不同时刻拍摄的同一个水果在不同滚动状态下的示意图。

其中：1-遮光罩；2-滚子；3-容纳器；4-底板；5-水果；6-传送带；7-传感器；8-滤光片；9-圆形刻度盘；10-CCD相机；11-可调节装置；12-聚光镜头；13-光源；14-滑道；15-锁定件；16-计算机；17-图像采集卡；18-信号处理单元；19-轨道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1和图2示出根据本发明的一种水果外观缺陷实时在线检测***的实施例。该检测***包括：用于将待检测水果（5）滚动并水平移动通过图像采集位置的输送单元；图像采集单元，其包括设置在输送单元上并位于图像采集位置的光照箱以及位于光照箱内的CCD相机（10），该CCD相机与图像采集卡（17）连接；传感器（7），该传感器（7）设置在输送单元的至少一侧，以用于检测水果（5）是否即将到达所述图像采集位置，该传感器（7）与图像采集卡（17）连接；计算机（16），其包括用于控制CCD相机（10）拍摄水果表面图像的图像采集卡（17）和用于对采集的水果表面图像进行处理并确定所述水果（5）是否合格的图像分选模型。

具体地，该输送单元包括主动轮、从动轮、传送带（6）和电机，其中，该传送带（6）由若干滚子（2）组成，该滚子（2）在主动轮和从动轮的作用下水平移动，此外，该输送单元还包括设置在图像采集位置下方的轨道（19），使得在图像采集位置处的滚子（2）在水平移动的同时且自身转动，从而带动放置在传送带（6）上的水果（5）在图像采集位置处水平移动且滚动。优选地，该输送单元为无极调速的，使得该输送单元的输送速度可根据计算机（16）对CCD相机（10）拍摄的图像的处理速度进行调整。

图像采集单元包括位于图像采集位置的光照箱以及位于光照箱内的CCD相机（10）。具体地，光照箱包括位于输送单元上的遮光罩（1）以及位于遮光罩（1）内的光源（13）。该遮光罩（1）呈大体立方形，并且沿水果输送方向（如图1中箭头所示）的宽度可容纳5个水果（5）。当然，本领域的技术人员应当理解，该遮光罩（1）的宽度也可大于或小于该宽度。遮光罩（1）的入口和出口处用黑布做成门帘状，以遮挡水果（5）在输送过程中从外界投进的光线。在遮光罩（1）的底部设置有底板（4），以阻挡外界光从输送单元下方的缝隙中投进。遮光罩（1）的内表面和底板（4）的上表面都进行发黑处理，以避免拍摄图像时表面反光。光源（13）位于图像采集区域的上方，其发出的均匀面光照射在待检测水果（5）的表面上。优选地，该光源（13）优选采用LED灯，该LED灯的光源强度是可调节的。

在光照箱内设置有两个相对的CCD相机（10），以便从相对侧同时拍摄待检测水果（5）的表面图像，且CCD相机（10）的视野范围优选同时包含3个水果（5）的图像信息。另外，该CCD相机（10）分别通过电缆与图像采集卡（17）连接，以便由图像采集卡（17）控制CCD相机（10）对水果（5）进行拍摄。进一步地，该CCD相机（10）还包括聚光镜头（12），在聚光镜头（12）的外部设置有滤光片（8），以便获得实际检测中需要的重要信息，过滤掉一些混淆的信息，在实际应用中可以根据不同的水果通过高光谱***实验分析得出最佳的波长。

传感器（7）采用设置在水果输送方向的两侧并处于遮光罩入口容纳第一个水果处的对射式光电传感器。当某水果（5）随传送带（2）进入光照箱，经过传感器（7）时，传感器（7）产生该水果（5）即将到达的信号并将信号传送给图像采集卡（17），然后由图像采集卡（17）实时地控制CCD相机（10）对该水果（5）进行拍摄。为保证对水果的检测准确性，该传感器（7）与CCD相机（10）在水果输送方向上的水平距离可以根据不同水果的实际情况进行调节。优选地，在传感器（7）和图像采集卡（17）之间设置有信号处理单元（18），该信号处理单元（18）包括与传感器（7）连接的直流固态继电器，以及分别与直流固态继电器和图像采集卡（17）连接的单片机。信号处理单元（18）将传感器感知的信号转换成脉冲信号传送给图像采集卡（17），以便触发CCD相机（10）的拍摄，因为脉冲触发的稳定性能较好，且不容易在出现意外中断时，损坏CCD相机（10），从而对相机本身起到保护作用。该检测***采用50ms的方波脉冲来触发CCD相机（10）的图像采集进程。

计算机包括用于控制CCD相机（10）拍摄图像的图像采集卡（17）和用于对采集的水果图像进行处理并确定所述水果（5）是否合格的图像分选模型。图像采集卡（17）根据水果传送的速度控制CCD相机（10），使得该CCD相机（10）在该水果到达图像采集位置时进行拍摄，并保证每个相机（10）可以拍摄同一个水果在不同滚动状态下的至少三幅图像，如图3所示，这样，两个CCD相机可拍摄6张同一水果在不同翻转状态下的图像。然后由计算机（16）的图像分选模型对CCD相机拍摄的图像进行处理。具体处理方式可通过本领域技术人员常用的图像处理方法和模式识别方法进行，即提取缺陷的大小和面积，将提取到的特征值与存储的合格水果表面图像的特征值进行比较，并根据比较结果确定该水果是否合格。

由于计算机（16）只需要处理CCD相机（10）拍摄的水果表面图像数据，该数据量相对较少，因此使得该检测***可以迅速且准确地对水果进行检测；此外，CCD相机（10）的成本相对较低，从而降低了该检测***的制造成本。

优选地，该检测***还包括将CCD相机固定在光照箱上的相机可调节装置（11）。该相机可调节装置（11）包括设置在光照箱的顶部平行于水果输送方向的滑道(14)、滑动连接的水平调节杆和竖直调节杆，水平调节杆的自由端与CCD相机（10）连接。竖直调节杆的上端可在该滑道（14）中滑动，以带动CCD相机（10）在平行于水果输送方向的方向上移动。水平调节杆与竖直调节杆滑动连接，使得水平调节杆可相对于竖直调节杆上下滑动以及在垂直于水果输送方向的方向上移动，从而调整CCD相机（10）与传送带（6）的水平和垂直距离，从而使得该检测***具有良好的通用性。当将CCD相机（10）调节到合适的位置时通过锁定件（15）将水平调节杆与竖直调节杆保持锁定。

该相机固定组件（11）由铝制成，以减轻其重量，并能够支撑CCD相机（10）的重量。在该实施例中，该相机可调节装置（11）采用直径为25mm的铝制圆柱杆。

更进一步地，CCD相机（10）和水平调节杆之间设置有其轴线平行于水果输送方向的圆形刻度盘（9），该圆形刻度盘（9）包括标记有角度的外盘以及可相对于外盘转动的内盘，CCD相机（10）固定在内盘上，因此使得CCD相机（10）可相对于外盘旋转，从而使该CCD相机（10）可根据不同的水果选择合适的倾斜角度。当转动到合适的角度时将内盘与外盘固定，以将CCD相机（10）保持固定。

优选地，该检测***还包括与所述计算机连接的不合格产品剔除装置（未示出）。该不合格产品剔除装置根据计算机（16）的分选结果，将不合格的水果剔除收集在容纳器（3）中，合格的水果随传送带（6）继续前进，并在卸料位置被收集。

本发明还公开了一种利用上述技术方案所提供的水果外观缺陷在线检测***的检测方法，包括以下步骤：

S1：检测准备，开启计算机（16）、CCD相机（10）、光源（13），然后启动输送单元，使水果（5）在输送单元的传送带（6）上滚动且水平移动；

S2：图像采集，当传感器（7）探测到有水果（5）通过时，将该水果（5）即将到达图像采集位置的信号传送给图像采集卡（17），然后由图像采集卡（17）控制预先调节好的CCD相机（10）对水果（5）进行拍摄；

S3:图像上传，CCD相机（10）将拍摄的图像按照拍摄的顺序和CCD相机（10）的序号上传给计算机（16）；

S4：水果分级，由预存在计算机（16）内的图像分选模型对采集的图像信息进行处理，并对该水果（5）进行分级。

优选地，上述水果外观缺陷实时在线检测方法在所述步骤S4之后还包括计算机（16）将分级结果发送给不合格产品剔除装置，由所述不合格产品剔除装置对不合格水果进行剔除的步骤。

优选地，所述步骤S4包括以下步骤。

（1）图像分割，将每个CCD相机采集的同一个水果在不同滚动状态下的多幅图像信息中分别提取具有完整信息的部分区域。在该检测***中，由于水果大致是球形的，因此在水果随传送带滚动并水平移动的过程中，每个相机（10）可以拍摄同一个水果在不同滚动状态下的至少三幅图像，然后分别将每个CCD相机采集的同一个水果的至少三幅图像信息中提取具有完整信息的部分区域，如在图3中示出的A、B、C三个区域，并且使得通过两个CCD相机的配合采集，可以完整地获取水果表面的信息。

（2）图像融合运算，通过多维图像合成方法，分别将每个CCD相机提取的部分区域融合为一幅图像，以获取完整水果表面的图像。也就是说，对提取的A、B、C三个区域的图像信息进行融合，将三幅图像中的重要信息合并到一幅图像中，这样大大减少了图像处理的计算量，同时也避免某些边缘信息的干扰。使得水果外观缺陷检测单元对一个水果只需要分析两幅图像信息，就可以判断其外观缺陷。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种水果外观缺陷实时在线检测***，其特征在于，其包括：

输送单元，该输送单元用于将待检测水果滚动并水平移动通过图像采集位置；

图像采集单元，该图像采集单元包括设置在所述输送单元上并位于图像采集位置的光照箱以及位于所述光照箱内的CCD相机；

传感器，该传感器设置在所述输送单元的至少一侧，以用于检测水果是否即将到达所述图像采集位置；

计算机，在所述计算机中设置有用于控制所述CCD相机拍摄水果表面图像的图像采集卡，并预存有用于对采集的所述水果图像进行分析并确定所述水果是否合格的图像分选模型；

其中，所述传感器和所述CCD相机分别与所述图像采集卡连接。

2.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述光照箱包括固定在所述输送单元上的遮光罩以及在所述遮光罩内的光源，所述遮光罩的入口和出口处用黑布做成门帘状，所述遮光罩的底部设置有底板，所述遮光罩的内表面和所述底板的上表面都进行发黑处理。

3.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述CCD相机包括两个相对设置的CCD相机，所述CCD相机与聚光镜头连接，在所述聚光镜头前面设置有滤光片，所述滤光片的波长根据待检测的水果进行选取。

4.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述图像采集单元还包括将所述CCD相机固定在所述光照箱上的可调节装置，所述可调节装置包括设置在所述光照箱顶部平行于水果输送方向的滑道、水平调节杆和竖直调节杆，所述竖直调节杆的上端在所述滑道内滑动，所述水平调节杆的自由端与所述CCD相机连接，所述水平调节杆与所述竖直调节杆滑动连接，使得所述水平调节杆相对于所述竖直调节杆上下滑动以及在垂直于所述水果输送方向上移动。

5.根据权利要求4所述的检测***，其特征在于，所述CCD相机通过其轴线平行于水果输送方向的圆形刻度盘固定在所述水平调节杆上，所述圆形刻度盘包括刻有角度的外盘以及可相对于所述外盘转动的内盘，所述外盘与所述水平调节杆连接，所述内盘与所述CCD相机连接。

6.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，在所述传感器和所述图像采集卡之间设置有将所述传感器感知的信号转换成脉冲信号的信号处理单元。

7.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，该检测***还包括与所述计算机连接的不合格产品剔除装置。

8.一种水果外观缺陷实时在线检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1：检测准备，开启计算机、CCD相机、光源，然后启动输送单元，使水果在输送单元的传送带上滚动且水平移动；

S2：图像采集，当传感器探测到有水果通过时，将所述水果即将到达图像采集位置的信号传送给图像采集卡，然后由所述图像采集卡控制预先调节好的所述CCD相机同时对水果进行拍摄；

S3:图像上传，所述CCD相机将拍摄到的图像信息按照拍摄的顺序和所述CCD相机的序号上传给所述计算机；

S4：水果分级，由预存在所述计算机内的图像分选模型对采集的所述图像信息进行处理，并对该水果进行分级。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，在所述步骤S4之后还包括所述计算机将分级结果发送给不合格产品剔除装置，由所述不合格产品剔除装置对不合格水果进行剔除的步骤。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述由预存在所述计算机内的图像分选模型对所述图像信息进行处理的步骤包括：

a.图像分割，将每个CCD相机采集的同一个水果在不同滚动状态下的多幅图像信息中分别提取具有完整信息的部分区域；

b.图像融合运算，通过多维图像合成方法，分别将每个CCD相机提取的所述具有完整信息的部分图像融合为一幅图像，以获取完整水果表面的图像。

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