CN101486033B - 一种小果型果品分检装置及板栗分检方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种果品分检装置，该装置包括：机架，驱动单元，输送单元，图像采集与处理单元，分检控制单元，以及分离单元。分检控制单元通过控制驱动单元驱动输送单元，将果品送于图像采集与处理单元区域，由图像采集与处理单元采集其图像信息，拍摄多幅含有果品的有效信息的图像，并通过计算机视觉技术对其综合品质进行判断，由分检控制单元跟踪检测并最终对坏果进行分离，实现果品的分检。该装置采用无接触式判断，结构简单，价格低廉，且分析准确、客观。

Description

一种小果型果品分检装置及板栗分检方法

技术领域

本发明涉及农业工程领域，具体涉及一种基于机器视觉的果品分检装置及板栗分检方法。 

背景技术

果品按品质分级分类后再进入市场流通，便于按质论价，提高其市场竞争力和商品价值，增加农民收入。目前，果品采集的后分级技术正在从机械式大小、重量分级和人工目测鉴别品质向基于机器视觉的品质分级的方向发展，如法国MAF-RODA公司的Optiscan II型高速小型水果分级生产线，中国农业大学研制的计算机视觉水果分级自动化系统等。 

目前基于机器视觉进行检测分级的应用对象主要包括苹果、柑桔、桃子、梨、芒果等大果型水果，在检测分级过程中，可以采用主要针对大型果的机械装置使水果在检测台上分开摆放，以摄取单粒水果的一幅或多幅图像，通过图像分析获取每粒水果的形状、大小、颜色、缺陷等信息，进而实现水果分级。而对于诸如板栗、冬枣等小果型的果品，现有的分检设备在灵活性，分检分级效果，算法可靠性等方面已不能满足分检的要求，尤其对于板栗的分检，它的霉变及虫眼在颜色分辨上难度更大，同时缺陷的特征尺寸更小。因此，基于机器视觉的板栗检测分检分级具有自身的特殊性和复杂性。 

目前，有关小果型的果品分级的研究成果主要是韩国金钟坤等申请的日本专利(专利号为：JP2007301545)Chestnut Sorting Apparatus，一项有关板栗分级的专利，是在获取去壳及内皮后的果肉状态下的板栗图像后，经计算机分析，进行分级。而未去壳的板栗分检专利并未见公开报道。在国内，板栗的分选分级主要机械式筛网配合人工完成，效率低下且难以做到客观准确。 

发明内容

本发明的目的是提供一种灵活性大，分检分级效果好，算法可靠性高，效率高，且客观准确的基于机器视觉的果品分检装置及板栗分检方法，以克服现有技术存在的缺陷。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种果品分检装置，该装置包括：机架，驱动单元，输送单元，图像采集与处理单元，分检控制单元，所述驱动装置包括：驱动电机，固定于所述机架底端，与所述分检控制单元相连；传动链轮，安装在所述机架上，与所述驱动电机及所述输送单元相连；所述输送单元包括：轨道，固定在所述机架的上方两侧；输送链轮，与所述传动链轮相连，在所述传动链轮带动下转动；中心轴，设置在输送链条上，所述输送链条设置于所述轨道上，在所述输送链轮的带动下传动；滚子，套在所述中心轴上，绕所述中心轴转动；所述图像采集与处理单元包括：上位计算机，用于图像信息的采集、处理以及分析；图像采集子单元，与所述上位计算机相连，固定于所述输送链条中间位置上方的机架上；光电传感器，与所述分检控制单元相连，设置在与所述图像采集子单元相对的位置的滚子下方；与所述图像采集子单元相对的位置的滚子下方还设置有橡胶板，刮动滚子自转；所述分检控制单元与所述上位计算机相连，控制图像采集，跟踪控制果品的分检。 

其中，该装置还包括分离单元，该单元包括：气缸阀门，设置在所述轨道末端，与所述分检控制单元相连；导气管，设置在所述轨道末端，与所述气缸阀门相连；导果槽，设置在所述与导气管相对的轨道一侧的位置上，末端连接有集果斗。 

其中，所述输送链条上设置有承载所述中心轴的附板。 

其中，所述驱动电机为交流减速电机，固定于所述机架底端的电机支座上。 

其中，所述传动链轮进一步包括：主动链轮，与所述驱动电机相连；从动链轮，通过传动链与所述主动链轮相连，且通过轴承座上的轴承安装于所述机架上，并与所述输送链轮相连。 

其中，所述轴承座，固定于所述机架上以及所述机架右侧的轴承座支架上，固定轴承，支撑传动链轮以及输送单元，张紧输送链条。 

其中，所述图像采集子单元与所述上位计算机之间还设置有图像采集卡。 

其中，所述图像采集子单元为CCD摄像机，所述CCD摄像机外设置有灯箱，所述灯箱内侧，所述CCD摄像机四周还安装有与所述分检控制单元相连的光源。 

一种基于权利要求1的果品分检装置的板栗分检方法，该方法包括步骤： 

S1.使待分检板栗滚动通过图像采集区域，采集所述板栗的图像信息； 

S2.对步骤S1采集到的图像信息进行处理、分析，根据设定的坏果条件，判断所述板栗是否为坏果，并形成分检信息； 

S3.根据所述分检信息的记载，若所述板栗为坏果，则将其分离出分检装置，否则等待进行下一待分检板栗的图像采集。 

其中，所述步骤S2进一步包括： 

S2.1基于图像中不同像素点的容差大小，以及蓝色与红色的比例，去除所述图像信息的背景； 

S2.2对步骤S2.1所获得的图像信息的绿色通道进行变化阈值的二值化，通过检查图像中是否有黑色的点来判断所述板栗是否存在虫眼； 

S2.3若有虫眼则进行步骤S2.6，否则执行步骤S2.4； 

S2.4根据设定的像素大小范围，将步骤S2.1所获得的图像信息中除去板栗头尾以及裂嘴的部分转变为白色背景，进行边缘提取，计 算剩余图像的周长，并计算整个图像的有效像素点总数，计算有效图像区域内的面积周长比，将求得的比值与所述设定的像素大小范围进行比较，判断是否为裂嘴； 

S2.5若为裂嘴，则执行步骤S2.6，否则返回步骤S2.1进行下一图像信息的处理、分析； 

S2.6判断所述待检测板栗为坏果，形成分检信息并上传。有益效果： 

1、本发明采用计算机视觉技术非接触式分检，对果品进行综合品质分检，分检准确、客观。 

2、将果品以连续自转状态输送至图像采集区，便于顺序从不同角度采集板栗的多幅图像，为计算机提供更可靠的分检依据。 

3、结构简单、投产成本低。 

附图说明

图1为本发明果品分检装置的结构示意图； 

图2为本发明驱动单元剖视图； 

图3为输送单元局部外观示意图； 

图4为输送单元剖视图； 

图5为图像采集与处理单元以及分检控制单元示意图； 

图6为分离单元结构示意图； 

图7为本发明板栗分检方法流程图； 

图8为板栗分检方法中判断板栗是否为坏果的流程示意图。 

图中：1、机架；2、滚子；3、上位计算机；4、分检控制单元；11、从动链轮；12、轴承；13、轴承座；14、传动链；15、主动链轮；17、电机支座；18、轴承座支架；21、中心轴；22、小滚动轴承；23、轨道；24、输送链条；25、输送链轮；26、滑动轴支座；27、导向辊；28、橡胶板；29、机架板；31、图像采集子单元；32、灯箱；33、光源；34、图像采集卡；35、光电传感器；51、气缸阀门；52、导气管； 53、导果槽；54、集果斗。 

具体实施方式

本发明提出的果品分检装置及板栗分检方法，结合附图和实施例说明如下。 

本实施例中的果品分检装置应用于板栗分检，由于板栗颜色较深，它的霉变及虫眼在颜色分辨上难度很大，同时缺陷的特征尺寸更小，因此对于板栗的分检具有特殊性和复杂性。 

本实施例的板栗分检装置包括：机架1，驱动单元，输送单元，图像采集与处理单元，分检控制单元4，其中机架1采用角钢型材焊接结构，用于支撑整个装置。 

如图1所示，驱动装置包括：驱动电机16，与分检控制单元4相连，为交流减速电机，可无级调速，固定于机架1底端的电机支座17上；传动链轮，与驱动电机1及输送单元相连，传动链轮进一步包括：主动链轮15以及从动链轮11，主动链轮15与驱动电机1相连，从动链轮11通过传动链14与主动链轮15相连，安装在轴承12支撑的轴上，轴承12安装在机架1上的轴承座13上，从动链轮11还与输送单元相连；轴承座13，固定于机架1上以及机架1右侧的轴承座支架18上，利用轴承座支架18上的一个螺钉，在水平方向上顶住轴承座12，保证水平方向输送链条24的张紧，以及支撑整个传动链轮。 

如图2-3所示，输送单元包括：轨道23，固定在机架1的机架板29上方两侧；输送链轮25，与传动链轮11相连，在传动链轮11带动下转动；中心轴21，通过滑动轴支座26安装在输送链条24上，输送链条24设置于轨道23上，在输送链轮25的带动下传动，其上设置有国际标准GB-T 1243-2006的M2型附板用于承载中心轴21；滚子2，套在中心轴21上，绕中心轴21转动，中心轴21的两端设置有小滚动轴承22，用于制成套在中心轴上的滚子；导向辊27通过销钉安装在滑动轴承支座26的下面，经过导向辊27引导后，滑动轴支座26可在轨道23上滑动，用 于保证滚子2的位置不左右偏移；输送链条24采用标准精密滚子链。 

启动驱动电机16后，驱动电机16带动主动链轮15旋转，主动链轮15驱动传动链14运动，经从动链轮11将动力传送至输送链轮25，输送链轮25带动输送链条24运动。在输送链条24的带动下，滚子2除了随输送链条24运动外，在通过图像采集子单元31下方时，由于有下方橡胶板28的摩擦，滚子2实现自转，从而使其上的板栗转动，为图像采集提供有力的角度和位置。 

如图4所示，图像采集与处理单元包括：上位计算机3，用于图像信息的采集、处理以及分析；图像采集子单元31，固定于输送单元上方的机架1上的灯箱32内，为一CCD摄像机，该CCD摄像机通过一个图像采集卡34与上位计算机3相连，灯箱32内侧CCD摄像机四周固定有光源33，由于如板栗这样的干果颜色较暗，由分检控制单元4控制保证光源33的光强，使位于滚子2上方的CCD摄像机能够达到有效的曝光条件，采集到可提取信息的图像；与图像采集子单元31相对的位置的滚子2下方还设置有橡胶板28，通过刮动实现滚子2的自转，便于图像采集子单元31采集到足够的信息；光电传感器35，与分检控制单元4相连，设置在与图像采集单元31相对的位置的滚子2下方，当板栗输送到图像采集单元下方时，每有一个滚子2通过光电传感器35时，光电传感器35就产生一个脉冲信号，发送给分检控制单元4，触发图像采集子单元31进行图像采集。 

如图5所示，分检控制单元4，为可编程逻辑控制器(Programmable logic Controller，PLC)，与上位计算机3相连，一方面处理由光电传感器35传送的板栗位置信息，控制图像采集，另一方面经RS232串口与上位计算机3的通信，上位计算机3在对采集到的图像信息进行分析处理后形成分检信息，存入PLC内存中。 

如图6所示，本发明装置还包括分离单元，该单元包括：气缸阀门51，与PLC相连，设置于轨道23末端，在板栗运动到此区域时， PLC根据存储的板栗分检信息判断是否将其分离，由PLC控制气缸阀门51开启，通过导气管52吹送气体将判断为坏果的板栗吹入导果槽53，滚落至集果斗53，再经过软管分离出分检装置。 

如图7所示，板栗分检方法包括步骤： 

S1.使待分检板栗滚动通过图像采集区域，采集所述板栗的图像信息； 

启动分检装置，当板栗输送到CCD摄像机下方时，每有一个滚子2通过光电传感器35时，光电传感器35就产生一个脉冲信号，发送给PLC，触发CCD摄像机进行图像采集； 

S2.对步骤S1采集到的图像信息进行处理、分析，根据设定的坏果条件，判断所述板栗是否为坏果，并形成分检信息； 

CCD摄像机将采集到的图像信息经图像采集卡34送到上位计算机3进行处理，上位计算机3根据提取的信息对板栗进行分检，根据设定的坏果条件，判断作为采集对象的板栗是否为坏果，并形成分检信息通过RS232串口发送至PLC存储； 

S3.待板栗输送到分离单元所处区域时，PLC控制气缸阀门根据分检信息的记载，若分检的板栗为坏果，则将其吹落分离出分检装置，否则等待进行下一待分检板栗的图像采集。 

上位计算机3内的图像处理软件对板栗是否为坏果的判断主要取决于对板栗两类缺陷的判断，第一种是明显虫眼，第二种是明显裂嘴。基于这两种板栗缺陷，图像处理软件分别嵌入了相应的算法，并最终集成在一个程序中。 

对于任何待检测板栗，如图8所示，步骤S2进一步包括： 

S2.1基于图像中不同像素点的容差大小，以及蓝色与红色的比例，去除所述图像信息的背景。首先，在图像中找到第一个遇见的符合预先设定的条件的点，然后将这一点的各个颜色分量置为基点的RGB值；接下来，比较图像中所有点与该基点的容差大小来去除大 部分背景；剩下的图像中，有一些相对较暗的蓝色背景，在通过蓝色与红色的比例的大小将其去除。这样，背景去除的工作就算完成了。 

容差的公式是： 

Rongcha＝sqrt(B-b)(B-b)+(G-g)(G-g)+(R-r)(R-r)； 

(其中B、G、R分别为几点的蓝、绿、红颜色分量的值，b、g、r为其他点的蓝、绿、红颜色分量的值。) 

S2.2对步骤S2.1所获得的图像信息的绿色通道进行变化阈值的二值化，通过检查图像中是否有黑色的点来判断板栗是否存在虫眼。第一步是计算板栗绿色通道的平均像素大小；第二步，根据事先设计的像素区间，判断选定一个固定阈值，这样就可以将图像二值化；第三步，检查图像中是否有为黑色的点，有的话则判为有虫眼，如果没有则进行下面的判断。 

S2.3若有虫眼则进行步骤S2.6，否则执行步骤S2.4； 

S2.4检测是否有裂嘴。这是基于形态学的算法，根据设定的像素大小范围，将步骤S2.1所获得的图像信息中除去板栗头尾以及可能裂嘴的部分转变为白色背景，进行边缘提取，接下来，计算剩余图像的周长，并计算整个图像的有效像素点总数，计算有效图像区域内的面积周长比，将求得的比值与设定的像素大小范围进行比较，判断是否为裂嘴。 

Rate＝area/perimeter 

S2.5若为裂嘴，则执行步骤S2.6，否则返回步骤S2.1进行下一图像信息的处理、分析； 

S2.6判断待检测板栗为坏果，形成分检信息并上传。 

其中，步骤S3中，PLC的控制算法如下： 

在进行分检之前需要确定装置的以下两个结构参数，输送链条的长度m、导果槽入口相对于图像采集子单元3所对区域最靠近输送链条运动前方两滚子之间用于承载板栗的果杯位置A的偏移量d、(这 里的m、d都用果杯个数表示)，这两个参数由装置结构确定，装置安装完成后即写入PLC的内存中。以一个分检通道为例，在装置开始被置于分检状态时，建立一个长度等于传送带长度m的单字节数组M(元素标号从1～m)，并将所有元素值初始化为0，传送带上的每一个果杯都和数组中的元素一一对应，图像采集区域中A位置果杯对应数组中的第一个元素M[1]，B位置果杯对应第二个元素M[2]，后续各个果杯分别对应于元素M[3]，M[4]，......，M[m-1]，M[m]，由于传送带是环型封闭的，所以M[1]与M[m]相接。PLC程序同时建立一个指针p，在后续的分检时始终指向图像采集区域中A位置果杯对应的数组元素。在分检过程中，传送带每运动一个果杯间距的距离后，光电传感器35产生一个脉冲。当脉冲下降沿到来时，PLC程序将指针P在数组中后移一位，同时PLC将光电传感器35的脉冲信号转换成一个扫描周期宽度的脉冲信号触发摄像机采集一帧图像。上位计算机3采集一帧图像，并在处理完图像数据后发送A位置果杯上的等级信息给PLC。PLC接收到水果等级信息后将其存储到指针P当前所指向的位置，并由接收完成中断调用分级子程序来完成出口气缸电磁阀51的开启/关闭动作控制。子程序首先根据指针P指向的位置，计算与数组首地址的偏移量δ，通过δ判断当前指针是否越界。如果越界，则表明传送带已经运动了一周，此时将指针指向的数组元素强制定义为数组第一个元素，并使δ＝0。由δ、m、d，根据式(1-1)和式(1-2)即可求得当前时刻位于出口处的果杯对应于数组中的位置out。 

out＝δ-d    (1-1) 

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{out}=\mathrm{out}+m& \mathrm{out}\≤0\\ \mathrm{out}=\mathrm{out}& \mathrm{out}>0\end{array}\right.---(1-2)$

如果数组元素M[out]＝1则表示当前位于出口处的水果正好为坏果，需要从传送带分离出来。程序通过将该等级出口处的气缸阀门51的I/O存储位置1，在PLC扫描的刷新输出缓冲区时驱动气缸阀门51 动作，从而实现板栗的分检。 

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范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。 

Claims (9)

1.一种小果型果品分检装置，该装置包括：机架，驱动单元，输送单元，图像采集与处理单元，分检控制单元，其特征在于，

所述驱动单元包括：

驱动电机(16)，固定于所述机架(1)底端，与所述分检控制单元(4)相连；

传动链轮，安装在所述机架(1)上，与所述驱动电机(16)及所述输送单元相连；

所述输送单元包括：

轨道(23)，固定在所述机架(1)的上方两侧；

输送链轮(25)，与所述传动链轮相连，在所述传动链轮带动下转动；

中心轴(21)，通过滑动轴支座(26)设置在输送链条(24)上，所述输送链条(24)设置于所述轨道(23)上，在所述输送链轮(25)的带动下传动；

滚子(2)，套在所述中心轴(21)上，绕所述中心轴(21)转动，滑动轴支座(26)下面安装有导向辊(27)，经过导向辊(27)引导后，滑动轴支座(26)可在轨道(23)上滑动，用于保证滚子(2)的位置不左右偏移；

所述图像采集与处理单元包括：

上位计算机(3)，用于图像信息的采集、处理以及分析；

图像采集子单元(31)，与所述上位计算机(3)相连，固定于所述输送链条(24)中间位置上方的机架(1)上；

光电传感器(35)，与所述分检控制单元(4)相连，设置在与所述图像采集子单元(31)相对的位置的滚子(2)下方；

与所述图像采集子单元(31)相对的位置的滚子(2)下方还设置有橡胶板(28)，刮动滚子(2)自转；

所述分检控制单元(4)与所述上位计算机(3)相连，控制图像采集，跟踪控制果品的分检。

2.如权利要求1所述的小果型果品分检装置，其特征在于，该装置还包括分离单元，所述分离单元包括：

气缸阀门(51)，设置在所述轨道(23)末端，与所述分检控制单元(4)相连；

导气管(52)，设置在所述轨道(23)末端，与所述气缸阀门(51)相连；

导果槽(53)，设置在与所述导气管(52)相对的轨道(23)一侧的位置上，末端连接有集果斗(54)。

3.如权利要求1所述的小果型果品分检装置，其特征在于，所述输送链条(24)上设置有承载所述中心轴(21)的附板。

4.如权利要求1所述的小果型果品分检装置，其特征在于，所述驱动电机(16)为交流减速电机，固定于所述机架(1)底端电机支座(17)上。

5.如权利要求1所述的小果型果品分检装置，其特征在于，所述传动链轮进一步包括：

主动链轮(15)，与所述驱动电机(16)相连；

从动链轮(11)，通过传动链(14)与所述主动链轮(15)相连，且通过轴承座(13)上的轴承(12)安装于所述机架(1)上，并与所述输送链轮(25)相连。

6.如权利要求5所述的小果型果品分检装置，其特征在于，所述轴承座(13)，固定于所述机架(1)上以及所述机架(1)右侧的轴承座支架(18)上，固定轴承(12)，支撑传动链轮以及输送单元，张紧输送链条(24)。

7.如权利要求1所述的小果型果品分检装置，其特征在于，所述图像采集子单元(31)与所述上位计算机(3)之间还设置有图像采集卡(34)。

8.如权利要求1或7所述的小果型果品分检装置，其特征在于，所述图像采集子单元(31)为CCD摄像机，所述CCD摄像机外设置有灯箱(32)，所述灯箱(32)内侧，所述CCD摄像机四周还安装有与所述分检控制单元(4)相连的光源(33)。

9.一种基于权利要求1的小果型果品分检装置的板栗分检方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.使待分检板栗滚动通过图像采集区域，采集所述板栗的图像信息；

S2.对步骤S1采集到的图像信息进行处理、分析，根据设定的坏果条件，判断所述板栗是否为坏果，并形成分检信息；

S3.根据所述分检信息的记载，若所述板栗为坏果，则将其分离出分检装置，否则等待进行下一待分检板栗的图像采集；

所述步骤S2进一步包括：

S2.1基于图像中不同像素点的容差大小，以及蓝色与红色的比例，去除所述图像信息的背景；

S2.2对步骤S2.1所获得的图像信息的绿色通道进行变化阈值的二值化，通过检查图像中是否有黑色的点来判断所述板栗是否存在虫眼；

S2.3若有虫眼则进行步骤S2.6，否则执行步骤S2.4；

S2.4根据设定的像素大小范围，将步骤S2.1所获得的图像信息中除去板栗头尾以及裂嘴的部分转变为白色背景，进行边缘提取，计算剩余图像的周长，并计算整个图像的有效像素点总数，计算有效图像区域内的面积周长比，将求得的比值与所述设定的像素大小范围进行比较，判断是否为裂嘴；

S2.5若为裂嘴，则执行步骤S2.6，否则返回步骤S2.1进行下一图像信息的处理、分析；

S2.6判断所述待检测板栗为坏果，形成分检信息并上传。

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