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1 硬件系统总体组成本文提出的苹果自动分级试验系统的硬件总体组成如图1所示。输送机构由电机带轮传动下的杯式输送带组成,主要完成等间隔输送每个苹果,并把苹果整个表面呈现给CCD摄像机,使CCD摄像机实时摄取到苹果的形状、颜色、缺陷等视觉图像信息。苹果自动分级系统的关键问题是如何把苹果的整个表面快速呈现给机器视觉系统并由计算机作出快速的处理、识别和判断,对于容易解决的前面的喂入机构和后面的分选机构本系统没有加入。照明室提供CCD视区内的均匀、恒定的光照,以得到高质量的苹果图像,为图像的后期处理和识别提供方便。成像系统和处理系统主要完成苹果多视角、多光谱图像信息的摄取和苹果外部品质参数的快速测定和识别。图1 苹果自动分级试验系统的硬件组成示意图 (a)系统组成简图 (b)横向布置图
2 苹果输送装置的设计苹果的输送装置完成输送并把水果整个表面呈现给摄像机,当水果通过时,要求视觉系统能快速摄取每个水果的整个果面。实时分级的速度至少应达到3～5个/s。为实现此目的,国外学者(Growe, 1996;Tao,1996)[4,5]都采用滚子输送机构,如图2 所示。该机构可使水果一边沿输送方向移动一边绕自身水平轴线转动,从而使安装在输送带上方的摄像机能定时采集到水果多个表面的图像,达到水果全表面检测的目的。该机构是原人工分选生产线的一部分,在上面加上计算机视觉装置就实现了自动分选的目的。虽然可以充分利用原来的生产线,但该机构有以下缺点:水果的大小和形状不规则会造成各个水果旋转速度不一致,且难以保证每个水果按同一水平轴线旋转,而摄像机是按照固定的时间间隔连续采集图像的,这会造成有些水果的表面部分被重复采集或漏采的问题;摄像机无法采集到水果旋转两端的表面部分;水果在转动状态下采集的图像容易造成模糊,给后续图像处理带来困难。总之, 以上的这些问题会带来一定的分级误差。图2 滚子输送机构简图 为克服输送机构以上的缺点,作者设计并试制成功了一种新型输送机构,其结构组成如图1所示。
其中输送带由无底的果杯组成,在输送果杯两侧装有与水平面成45°角的镜子,输送带上下方均装有 CCD摄像机,布置情况如图1b所示。果杯由黑色橡胶圈组成,口径应小于一般大小的苹果,高度为2～ 3 cm,可使苹果的下部表面在镜子中的成像尽量清楚,黑色橡胶圈由螺栓固定在12 cm×12 cm的薄铁片上,薄铁片喷涂非闪烁黑漆,以保证苹果图像的背景为黑色,薄铁片的两端固定在两侧的输送胶带上。该机构的特点是通过上下方CCD摄像机的一次摄取就可得到苹果4个面的图像,在摄像机摄取图像时,苹果只处于水平移动状态,从而避免因水果转动而造成图像模糊的问题。该输送机构和滚子输送机构一样,有两个端面的小部分区域出现CCD检测不到的问题,在假定苹果为球形的条件下,1个苹果采集4幅图像的示意图如图3所示,在前、后、左、右 4个方向由CCD摄取图像,1个方向可摄取的区域由前面采集区可看出,上下两端面的漏采区由俯视图可看出。可见只有很少的区域检测不到,100%的表面检测输送机构实现比较困难.李庆中等:基于计算机视觉的苹果自动分级系统硬件开发
3 照明系统设计照明室的设计主要应满足如下要求:CCD摄像机视区内光照要均匀,以避免镜面反射;苹果成像的背景应一致且与苹果图像有较大的对比度;光源的光谱范围、辐射能量、显色性应满足成像系统的要求且具备较好的散射性。对于图1所示的输送机构和CCD摄像机的布置情况,输送带上方的CCD可采集一个苹果3个面的图像,其中一个面的图像背景为输送果杯,另外两个面的图像在镜子中。为满足以上提出的要求,照明系统具体设计过程如下: (1)光源采用220 V、150 W的卤钨灯,该灯具有近似连续的光谱,在可见光和近红外波段都有足够的辐射能量,其色温为3 000～3 200 K,且具有较好的显色指数(大于8.5)。为保证光线柔和并具有散射性,在光源前面加制作灯箱专用的塑料散射材料。
(2)照明室采用图1所示的圆筒型结构,材料为薄铁皮,直径为65 cm,长度为40 cm,上方轴中心处开20 cm×25 cm的长方形口,以保证上方的 CCD可摄取到2个苹果的共6个面的图像,下方轴中心处开20 cm×15 cm长方形口,可使下方的 CCD摄取两个苹果的底面图像。筒两端中心位置处开宽14 cm、高10 cm的方孔以利输送带和苹果通过,筒内壁喷涂无闪烁白漆。输送带喷涂无闪烁黑漆,这样可形成均匀一致的黑色背景。CCD视区内的光照分布情况
(3)光源的布置与CCD视区内反射光线的均匀性以及镜子中图像背景的一致性有关。CCD视区内物体的反射最好是漫反射。此外,应尽量避免镜面反射。通过试验发现:光源安装在筒两端,距离中心平面15 cm的高度,照明效果最佳。图4为在CCD 视区内,一均匀白色板图像的灰度分布情况,由图可见,CCD视区内的光照基本均匀。光源的这种布置方式可避免镜子容易产生镜面反射的问题,此外,这样布置以后,可使镜子中图像的背景部分(筒内壁的上部表面)光线很暗,从而使镜子中的图像也有一个均匀一致的黑色背景,为图像的后期处理提供方便。
