CN108760759A - 一种马铃薯外部品质检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于双目视觉技术的马铃薯输送并且翻转的品质检测装置及方法。将托辊均匀间隔安装在弯板链条上，在电动机驱动下，链轮带动链条运动。托辊与摩擦板接触，在摩擦力的作用下托辊发生绕中心的自转运动。当马铃薯随托辊被传送到双目摄像头的拍摄范围内时，双目摄像头从空间不同的位置获取被测对象的两幅图像，通过计算图像对应点之间的位置偏差，对马铃薯进行连续图像采集，从而获取马铃薯的外部深度信息，与预设值进行比较，分析检测出马铃薯的品质信息。

Description

一种马铃薯外部品质检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种马铃薯输送且翻转的装置及方法，可以实现多列马铃薯匀速输送的同时发生翻转的功能，并在输送的过程中利用双目摄像头完成马铃薯的品质检测。
背景技术
目前以马铃薯为直接原料进行加工的各类食品有300多种，制成淀粉以及其他变性淀粉深加工的产品更达上千种，但是目前绝大部分马铃薯局限在简单食用或者饲料等领域。造成当下马铃薯产业加工利用率低，产业链条短的很重要的原因在于：现阶段马铃薯相关设备更多局限在马铃薯清洗或者不同大小马铃薯的分级筛选，但是马铃薯产业中对马铃薯品质要求不仅是清洗和大小这么简单，还必须要对马铃薯的形状，芽眼，表面凹陷，划痕，青皮等进行检测，才能够真正实现马铃薯的分级筛选管理，对马铃薯的外部品质检测缺乏有效的手段，或者为实现马铃薯外部品质检测而采取的技术措施过于复杂，增加了设备的成本，导致相关设备的普及率不高，市场接纳程度低。
中国是世界马铃薯生产大国,根据***粮农组织统计,目前全世界马铃薯种植面积2000万公顷(合3亿亩),总产量315亿吨。其中中国的种植面积达488万公顷(合7321万亩),占世界的25％,亚洲的60％,总产量达7086 万吨,占世界的20％和亚洲的70％,在世界均居领先地位，提高中国马铃薯产业的自动化水平对我国的马铃薯产业意义重大；本发明所采用的机器视觉技术与现有技术相比不仅能检测农产品缺陷，色泽和形状等性状，而且还具有重复性强、高效率、高精度的优点。
发明内容
本发明提供一套多列马铃薯输送和翻转的装置及方法，可以使多列马铃薯在输送带上匀速输送的同时实现马铃薯的翻转，并利用双目摄像头完成马铃薯的品质检测。
发明所采用具体技术方法如下：
检测装置支架对设备起到支撑固定作用，位于支架上的驱动装置通过传动装置带动托辊做圆周运动，实现马铃薯的运输。同时，用于使托辊绕轴心旋转的滚动发生装置与双目摄像头摄像范围内的托辊相互接触，托辊上的马铃薯随托辊的滚动而发生翻转。
其中，驱动装置可以是发动机、电动机或者步进电机，驱动装置包括联轴器、主动轮、从动轮、皮带或者链条，托辊可以为圆柱形、锥形或者V形。
双目摄像头包含有摄像头A和摄像头B，当马铃薯随托辊进入双目摄像头的摄像范围之后，摄像头A获取马铃薯第一图像信息，摄像头B获取马铃薯第二图像信息，图像处理器基于第一图像信息和第二图像信息匹配计算生成视差图，并对视差图进行分析得到马铃薯品质信息。
当控制马铃薯的输送速度为匀速时，可以基本控制不同马铃薯通过双目摄像头的摄像范围时的翻转速度为匀速，因此图像处理器可以假定马铃薯翻转速度恒定，这样有利于降低图像处理器的运算量，从而提升设备效率。
托辊有很多形状，包括但不限于圆柱形、锥形或者V形，其中圆柱形为最常见的形状；当托辊为锥形或者V形时，有利于马铃薯向特定位置移动，因此双目摄像头可以更容易确定马铃薯的位置，降低图像处理器的运算量，或者有利于实现同时对多列马铃薯进行计算。
针对马铃薯普遍的大小和实验结果显示，托辊的直径最小应该大于3厘米，最优选的范围在4厘米与30厘米之间。当托辊的直径太小，诸多马铃薯无法实现翻转，无法对马铃薯做全面的检测；当马铃薯的直径太大，不仅增加了设备的制造成本，运营成本(电费、摩擦、损耗)，还会造成畸形的马铃薯也能够实现翻转，图像处理器做不必要的计算，浪费处理器的计算资源。
滚动发生装置用于带动托辊旋转，进而对马铃薯实现翻转。滚动发生装置可以为摩擦板或摩擦带，摩擦板或摩擦带安装在托辊下方略高于托辊最低处，通过摩擦力带动托辊旋转；摩擦板具有成本低，结构简单，安装方便的优势。
当马铃薯运输到双目摄像头(20)的下方时，双目摄像头采集马铃薯深度图像进行分析，具体摄像头的校正方式和图像处理方式如下：采用Bouguet 算法对仅含马铃薯的左右视图进行校正,实现马铃薯左右图像同行共面以降低双目匹配的难度,具体算法如下：
(1)运用张正友标定方法获取相机旋转矩阵R∈R3×3和平移向量R∈R3×1, 并采用式(1)将相机旋转矩阵R划分为左右相机的合成矩阵r l和r r,以实现相机共面，
r1＝R1/2,rr＝R-1/2 (1)
(2)为保证相机行对准,通过建立左右相机的行对准转换,将极点转换到无穷远处的方法来实现。首先创建平移向量T方向的旋转矩阵R rect，
Rrect＝[e1,e2,e3]T (2)
式中e1＝T/||T||为与平移向量T同方向的极点,
e1＝T/||T||,T＝[Tx,Ty,Tz]T,Tx,T y和T z分别为x,y和z方向的平移向量；e2为图像平面方向的向量,
e3＝e1×e2为垂直于e 1与e 2所在平面的向量，
根据上式计算出的R rect以及r l和r r,由式(3)求得左右相机的行对准转换R l和R r。
R1＝Rrectr1,Rr＝Rrectrr (3)
(3)根据摄像机成像模型,结合左右相机的行对准转换矩阵R l和R r,通过式(4)得到校正后的运输马铃薯左右图像像素坐标和
式中,Ml和Mr分别为校正前左右相机的内参；和分别为校正前左右相机的内参；(u1,v1)和(ur,vr)分别为校正前运输马铃薯左右图像像素坐标；s l和s r分别为左右图像校正的比例系数；和分别为校正后左右相机在x 方向上的焦距；分别为校正后左右相机在y方向上的焦距；(cxl,cyl) 和(cxr,cyr)分别为校正后左右相机的主点坐标；f xl和f xr分别为校正前左右相机在x方向上的焦距,f yl和f yr分别为校正后左右相机在y方向上的焦距； (cxl,cyl)和(cxr,cyr)分别为校正前左右相机的主点坐标。
当马铃薯被传送到双目摄像头的拍摄范围内时，双目视觉基于视差的原理，利用成像设备从空间不同的位置获取被测对象的第一图像和第二图像，通过图像处理器计算两幅图像中对应点之间的位置偏差，对马铃薯进行连续图像采集，从而获取马铃薯的外部深度信息，然后将得到信息与预存的信息进行对比判断，分析检测出马铃薯的品质信息，该装置投入到生产中后，可以降低马铃薯工业化成本。
附图说明
图1表示本发明装置的主视图；
图2表示本发明装置的俯视图；
图3表示本发明装置的部分剖视图；
附图标记：1支架，2链轮1(主动轮)，3链轮4(主动轮)，4主动轴， 5单边带弯板链条(1)，6单边带弯板链条(2)，7支撑板，8摩擦板，9圆柱形托辊，10轴承，11小轴，12挡板1，13挡板2，14从动轴，15链轮2 (从动轮)，16链轮3(从动轮)，17联轴器，18步进电动机，19马铃薯，20双目摄像头。
具体实施方式
基于双目摄像机的马铃薯外部品质检测装置主要包括以下特征：(1)支架、(2)链轮1(主动轮)、(3)链轮4(主动轮)、(4)主动轴、(5)单边带弯板链条(1)、(6)单边带弯板链条(2)、(7)支撑板、(8)摩擦板、(9)圆柱形托辊、(10) 轴承、(11)小轴、(12)挡板1、(13)挡板2、(14)从动轴、(15)链轮2(从动轮)、(16)链轮3(从动轮)、(17)联轴器和(18)步进电动机。(18)步进电动机通过(17)联轴器带动(4)主动轴，通过安装在主动轴两端的(2)链轮1(主动轮) 和(3)链轮4(主动轮),带动(5)单边带弯板链条1和(6)单边带弯板链条2匀速运动，从而带动(14)从动轴和安装在其两端的(15)链轮2(从动轮)和(16)链轮3(从动轮)转动。(9)圆柱形托辊通过(10)轴承和(11)小轴按一定距离均匀安装在(5)单边带弯板链条1和(6)单边带弯板链条2上，随链条方向运动。置于(7)支撑板表面的(8)摩擦板上表面略高于(9)托辊最低点，(9)圆柱形托辊水平运动时由于其与(8)摩擦板之间的摩擦力而自转。
当马铃薯运输到双目摄像头(20)的下方时，双目摄像头采集马铃薯深度图像进行分析，具体摄像头的校正方式和图像处理方式如下：采用Bouguet 算法对仅含马铃薯的左右视图进行校正,实现马铃薯左右图像同行共面以降低双目匹配的难度,具体算法如下：
(1)运用张正友标定方法获取相机旋转矩阵R∈R3×3和平移向量R∈R3×1,并采用式(1)将相机旋转矩阵R划分为左右相机的合成矩阵r l和r r,以实现相机共面，
r1＝R1/2,rr＝R-1/2 (1)
(2)为保证相机行对准,通过建立左右相机的行对准转换,将极点转换到无穷远处的方法来实现。首先创建平移向量T方向的旋转矩阵R rect，
Rrect＝[e1,e2,e3]T (2)
式中e1＝T/||T||为与平移向量T同方向的极点,
e1＝T/||T||,T＝[Tx,Ty,Tz]T,Tx,T y和T z分别为x,y和z方向的平移向量；e2为图像平面方向的向量,
e3＝e1×e2为垂直于e 1与e 2所在平面的向量，
根剧上式计算出的R rect以及r l和r r,由式(3)求得左右相机的行对准转换R l和R r。
R1＝Rrectr1,Rr＝Rrectrr (3)
(3)根据摄像机成像模型,结合左右相机的行对准转换矩阵R l和R r,通过式(4)得到校正后的运输马铃薯左右图像像素坐标和
式中,M l和M r分别为校正前左右相机的内参；和分别为校正前左右相机的内参；(u1,v1)和(ur,vr)分别为校正前运输马铃薯左右图像像素坐标；s l和s r分别为左右图像校正的比例系数；和分别为校正后左右相机在x 方向上的焦距；分别为校正后左右相机在y方向上的焦距；(cxl,cyl) 和(cxr,cyr)分别为校正后左右相机的主点坐标；f xl和f xr分别为校正前左右相机在x方向上的焦距,f yl和f yr分别为校正后左右相机在y方向上的焦距； (cxl,cyl)和(cxr,cyr)分别为校正前左右相机的主点坐标。
当马铃薯被传送到双目摄像头的拍摄范围内时，双目视觉基于视差的原理，利用成像设备从空间不同的位置获取被测对象的第一图像和第二图像，通过图像处理器计算两幅图像中对应点之间的位置偏差，对马铃薯进行连续图像采集，从而获取马铃薯的外部深度信息，然后将得到信息与预存的信息进行对比判断，分析检测出马铃薯的品质信息，该装置投入到生产中后，可以降低马铃薯工业化成本。

Claims (10)

1.一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征部件包括：支架、驱动装置、传动装置、托辊、用于使托辊绕轴心旋转的滚动发生装置、双目摄像头、图像处理器，其特征在于，双目摄像头包含有摄像头A和摄像头B，摄像头A获取马铃薯第一图像信息，摄像头B获取马铃薯第二图像信息，图像处理器基于第一图像信息和第二图像信息匹配计算生成视差图，并对视差图进行分析得到马铃薯品质信息。
2.根据权利要求1所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于马铃薯的输送速度是匀速的。
3.根据权利要求1所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于托辊的形状为圆柱形、锥形或V型。
4.根据权利要求1所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于托辊的直径大于3厘米，优选的范围在4厘米至30厘米之间。
5.根据权利要求1所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于滚动发生装置为摩擦带或摩擦板，摩擦带或摩擦板与双目摄像头摄像范围内的托辊相互接触。
6.根据权利要求1或2所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于该装置能够同时输送多列马铃薯。
7.根据权利要求6所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于其传动装置为皮带传动装置，包括联轴器、滑轮、主动轴、从动轴和皮带。
8.根据权利要求6所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于其传动装置为链条传动装置，包括联轴器、链轮、主动轴、从动轴和链条。
9.根据权利要求8所述的一种能实现马铃薯输送并且翻转的品质检测装置，其特征在于链条为弯板链条，托辊与弯板链条上的支撑板相互连接。
10.一种用于马铃薯品质检测的双目视觉校正方法：
第一步：运用张正友标定方法获取相机旋转矩阵R∈R3×3和平移向量R∈R3×1,并采用式(1)将相机旋转矩阵R划分为左右相机的合成矩阵rl和r r,以实现相机共面，
r1＝R1/2,rr＝R-1/2 (1)
第二步：通过建立左右相机的行对准转换,将极点转换到无穷远处的方法来实现相机行对准：首先创建平移向量T方向的旋转矩阵Rrect，
Rrect＝[e1,e2,e3]T (2)
式中e1＝T/||T||为与平移向量T同方向的极点，
e1＝T/||T||,T＝[Tx,Ty,Tz]T,Tx,Ty和Tz分别为x,y和z方向的平移向量，e2为图像平面方向的向量,
e3＝e1×e2为垂直于e1与e2所在平面的向量，
根据上式计算出的Rrect以及rl和rr,由式(3)求得左右相机的行对准转换R l和Rr，
R1＝Rrectr1,Rr＝Rrectrr (3)
第三步：根据摄像机成像模型,结合左右相机的行对准转换矩阵Rl和Rr,通过式(4)得到校正后的运输马铃薯左右图像像素坐标(u^l,v^l)和(u^r,v^r)，
式中Ml和Mr分别为校正前左右相机的内参，和分别为校正前左右相机的内参，(u1,v1)和(ur,vr)分别为校正前运输马铃薯左右图像像素坐标，sl和sr分别为左右图像校正的比例系数，和分别为校正后左右相机在x方向上的焦距，分别为校正后左右相机在y方向上的焦距，(cxl,cyl)和(cxr,cyr)分别为校正后左右相机的主点坐标，fxl和fxr分别为校正前左右相机在x方向上的焦距，fyl和fyr分别为校正后左右相机在y方向上的焦距，(cxl,cyl)和(cxr,cyr)分别为校正前左右相机的主点坐标。
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