CN101713747A - 基于红外热成像技术的水果表面早期缺陷检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外热成像技术的水果表面早期缺陷检测方法及装置。它由带式传送系统，红外灯，定节拍系统，分度转盘，固定底盘，步进驱动系统，托盘，电动马达，红外热像仪，计算机以及水果缺陷检测软件构成。水果在传送途中，受到受控红外灯的热光源激励；水果在检测时匀速旋转，红外热像仪竖直测温线对准水果表面中央，动态采集水果360°表面的温度信息。水果缺陷检测软件将采集到的图像和温度曲线信息去噪、增强处理后，对比热图像，根据波形推理判断水果表面早期缺陷。本发明将水果表面信息转换为一维温度信息，并结合图像信息，能很好地实现水果表面早期缺陷的检测，为水果的精细分级创造了条件。

Description

基于红外热成像技术的水果表面早期缺陷检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种红外热成像技术的水果表面早期缺陷检测方法及装置

背景技术

水果的早期缺陷检测一直是农产品加工中非常重要的步骤之一。水果早期缺陷常包括外部缺陷和内部缺陷两个方面。水果的外部缺陷一般由两种情况造成的，一种是由于受到自然条件的影响，如虫眼、疤痕、果锈、开裂等；另一种是由于人为因素造成的，如在采摘时或采摘后由于外力的作用而造成的表皮划伤、机械损伤等，特别是早期机械损伤具有轻微凹陷、色稍变暗、无汁液外溢，肉眼难于察觉，病原微生物容易入侵等特点，是导致水果霉烂的最主要原因。对于较严重的损伤(如腐烂、破损等)可以通过肉眼或机器视觉技术在可见光范围内较容易地检测出来，而对于早期轻微缺陷(如机械损伤、病虫害、表皮颜色较深的缺陷果)，目前常用的方法很难识别，因而漏检率很高，对水果日后的存储及销售造成极大的隐患。因此，对早期缺陷的检测是水果品质检测的一个重要内容。

红外热成像技术对温度具有高敏感性，是一种非接触、不破坏、实时、快速检测方法，能检测小于0.1℃的温度变化，由于水果缺陷部位与正常部位的红外辐射特性在一定热激励条件下存在明显差异，通过红外热像仪获取这种温度差异就可以进行处理分级，因而可以采用红外热成像技术进行水果的早期缺陷检测。目前，从国内外研究情况来看，基于红外热成像技术的水果早期缺陷检测主要还是离线研究，少量线检测研究也主要是多目成像，将红外摄像机作为一种辅助手段与其它摄像机结合起来使用，增加了检测系统的成本和复杂程度，并且采用辊子一边移动一边自转的传送装置，很难检测到完整果面，因此，有必要研制出一种基于单摄影成像系统的水果早期缺陷在线检测装置，以满足水果深加工技术的发展和人们对食品质量要求日益高涨的需求。

发明内容

针对传统检测手段在水果表面早期缺陷检测方面的不足及现有红外热成像技术发展基础，本发明的目的在于提供一种基于红外热图像处理技术的水果近表缺陷在线检测方法和装置，采用外部热激励后，水果近表正常部位与缺陷部位的热扩散率存在一定差异，这种差异从获取的热图温度曲线上体现出来，经过信号放大处理后，依据波形理论并结合红外热图像完成缺陷的检测。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于红外热成像技术的水果表面早期缺陷在线检测方法，步骤如下：

1)检测前，待测水果至于环境温度为26℃，相对湿度为50％的储藏室中保存1-2天；

2)检测时，待测水果依靠相互推挤和皮带摩擦力向分度转盘靠近，在此期间，安置在传送带两边的红外灯分四组逐步向水果的两个侧面同时辐射加热，保证整个水果受热均匀；

3)随后，待测水果靠定节拍系统中的调节片和汽缸调节按一定节奏依个进入分度盘，并随转盘间歇转动，当转至托盘工位时，转盘停歇，电动马达带动托盘上的水果匀速转动，与此同时，红外热像仪采集动态水果图像，由于热像仪的垂直测温线对准水果中央，托盘旋转一周，从而能保证热像仪获取整个水果360°表面的红外辐射信息；

4)水果缺陷检测软件根据获取的含有水果表面辐射差异的温度曲线信息的热图像，利用标准十字交叉相关函数，排除重叠区域影响，将多幅图像结合起来，得到待测水果表面近似的圆柱展开热图序列；

5)根据事先采集的一批(大于50个)完好水果的表面热图像，通过相关软件将水果表面的温度场转化为数字场，并由此设定一个水果正常表面平均温度值阈值。

6)提取待测水果表面垂直方向温度信息，将信号放大、滤波、平滑处理后，然后对比热图像，根据温度阈值线和温度曲线，由波形推理判断水果表面品质。并可确定缺陷范围。

二、一种基于红外热图像的水果近表缺陷在线检测装置：

包括带式输送系统，外部热激励系统，定节拍系统，水果分度系统，检测系统；其中：

1)带式输送系统包括：传送带，带轮，调速电机，变频器；水果输送带的速度通过变频器调节。

2)外部热激励系统包括：红外灯，控制器；红外灯分四组对称安放在进果传送带两侧，其辐射时间和辐射功率由控制器调节。

3)定节拍系统包括：底板，调节片和汽缸；通过控制气缸的开启节拍，实现水果按分度转盘的节拍输送到定位槽内。

4)水果分度系统包括：固定底盘，分度转盘，步进电机，驱动器，控制器，托盘，电动马达；分度转盘转动速率以及停歇时间都要靠步进电机控制，步进电机通过联轴器和一对锥齿轮与分度转盘主轴相连；固定底盘装在分度转盘下方；托盘装在固定底盘环形槽内的沉孔中间，托盘主轴与电动马达通过联轴器相连，托盘与固定底盘之间装有滚动轴承，用于将托盘及水果重量传递给固定底盘，电动马达通过法兰盘立式安装在固定底盘底部。

6)检测系统包括：红外热像仪，计算机，水果缺陷检测软件；热像仪固定在与旋转托盘水平相对的三角支架上，热像仪输出信号通过光缆连接到计算机上；水果缺陷检测软件安装在计算机内。

本发明的有益效果是：通过外部适当热激励，将水果的表面信息转换为一维温度信息，并结合红外热图像，从信号处理的角度去区别缺陷、果梗、花萼和完好表面，能够检测常规方法无法识别的缺陷，为水果的精细分级创造了条件。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图

图2是本发明的分度系统结构示意图

图3是本发明的定节拍系统结构示意图

图4是本发明检测示意图

图5是本发明固定底盘结构示意图

图6是本发明分度转盘结构示意图

图7是水果表面早期缺陷检测软件流程图

图8是水果表面缺陷热图——温度曲线图

图9是水果果梗——温度曲线图

图中，1、入料传送带；2、水果；3、红外灯；4、定节拍装置；5、调节片；6、汽缸；7、红外热像仪；8、计算机；9、控制器；10、步进驱动器；11、步进电机；12、出料传送带；13、固定底盘；14、分度转盘；15、环形槽；16、分度口；17、托盘；18、电动马达；19、滚动轴承。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括传送带1、12，红外灯3，调节片5，汽缸6，红外热像仪7，计算机8，控制器9，驱动器10，步进电机11，固定底盘13，分度盘14，托盘17，电动马达18，以及水果缺陷检测软件；外部热激励系统3安放在传送带1两侧，固定底盘13装在分度盘14下方，托盘17装在固定底盘13环形槽内的通孔中间，红外热像仪7固定在与旋转托盘17水平相对的三角支架上，红外热像仪7输出信号通过光缆与计算机8相连，计算机8内装有水果表面早期缺陷检测软件。

本发明对水果的早期缺陷检测具有通用性，针对不同种类对水果的特点，调整分度口大小即可；现以红富士苹果的表面早期缺陷检测为例说明实施过程：

检测开始前，所有水果都置于环境温度为26℃，相对湿度为50％的储藏室中保存1-2天，使水果表面温度均匀，便于后续检测；接下来，先挑选一批完好无损的红富士苹果作为模板，置于本发明装置上在线采集每一个苹果的热图像，提取苹果表面的温度信息，建立数据模型，并由此设定一个苹果正常表面温度标准值，作为后续缺陷提取分析的阈值。

开始检测，将待测苹果2置于水平传送带1上，苹果在输送过程中受到置于传送带1两侧的四组共八个红外灯3的红外辐射激励，在定节拍装置4的作用下，苹果单个依次按一定节奏进入分度转盘14的分度口16中，并随之间歇转动，当苹果转至托盘17工位时，自动停歇并在电动马达18的作用下随托盘匀速旋转，在此过程中，红外热像仪7的探测器开始采集苹果的红外热图像，热像仪7的垂直温度线对准苹果中央中心轴，苹果旋转一周，得到待测苹果表面近似的圆柱面展开辐射信息，通过图像处理系统，水果缺陷检测软件对采集的信号进行平滑去噪处理，根据设定的阈值，得到温度异常区域，然后依据波形推理判断，原则如下：

由于球形水果(以红富士苹果为例)在传送途中相互推挤滚动，最终达到环形槽内15时，固定位置有两种情形：一种是苹果沿垂直于中心轴线的面竖着停放，另一种是苹果沿平行于中心的面轴线的表面卧着停放。

(1)当出现第一种情形时，由于果梗和花萼处分别于上下两表面，这时竖直测温线基本不用考虑果梗和花萼的干扰，只要曲线中出现明显低于设定的温度阈值的波谷，就可以判断水果存在表面缺陷(如图8)。

(2)当出现第二种情形时，由于水果要随托盘沿匀速转动，因此果梗和花萼一定会在某一时刻出现在红外热像仪设定的竖直温度线中央附近，当然二者不可能同时出现，这时，只要将水果热图和温度曲线结合起来就可以消除果梗或花萼的影响，方法是果梗或花萼出现时一般处于水果中间位置，且无论是果梗还是花萼都会形成类似“晕轮效应”，即在中心一点温度最低(热图上显示一蓝色小点)，周围一圈温度值则较高，这与苹果的早期缺陷尤其是早期机械损伤(如碰伤、挤压)形成的热图像特征存在明显的不同，早期缺陷在热图上一般较模糊，区域温度值变化不大。以上差异反映到温度曲线上时，则更加容易识别，即果梗或花萼会出现急剧的突变，波谷位置一般较低，形成一尖峰，左右成近似对称分布；而早期缺陷则不会出现那么明显的突变，波谷相对较平坦，有时甚至会持续水平线状。依此原理即可完成缺陷、梗、萼的检测。

随着分度盘14的步进转动，下一个苹果将进入托盘17工位，完成同样的操作，依此类推，逐个完成所有待测苹果的早期缺陷的在线检测。

Claims (9)

1.一种基于红外热成像技术的水果早期缺陷检测方法，其特征在于：在外部合适热源激励下，由于水果缺陷部位与正常部位的热扩散程度存在差异，通过热像仪获取差异热图像，采集竖直方向的水果表面温度曲线，将水果的二维表面图像信息转化为一维温度信息，并结合红外热图像，从信号处理的角度来进行水果表面及近表缺陷检测。

2.一种基于红外热成像技术的水果早期缺陷在线检测装置，其特征在于：它包括带式输送系统，外部热激励系统，定节拍系统，固定底盘，分度盘，步进驱动系统，托盘，电动马达，红外热像仪，计算机，以及水果缺陷检测软件；外部热激励系统安放在传送带两侧，定节拍系统位于传送系统和分度系统之间，固定底盘装在分度转盘下方，旋转托盘装在固定底盘环形槽内的通孔中间，热像仪固定在与旋转托盘水平相对的三角支架上，热像仪输出信号通过光缆与计算机相连。

3.根据权利要求2所说的在线检测装置，其特征在于：所述的带式输送系统装置包括进果传送机和出果传送机，由传送带，带轮，调速电机以及变频器组成；水果靠相互推挤和皮带摩擦力以一定速度水平移动。

4.根据权利要求2所说的在线检测装置，其特征在于：所述的外部热激励系统采用四组共八个红外灯。

5.根据权利要求2所说的在线检测装置，其特征在于：所述的定节拍系统包括底板，调节片和汽缸，通过控制气缸的开启节拍，实现水果按分度转盘的节拍输送到定位槽内。

6.根据权利要求2所说的在线检测装置，其特征在于：所述的分度盘开有8个分度口，每两个分度口之间成45°角，沿圆周方向分布，分度盘靠步进电机驱动，步进电机通过联轴器和一对锥齿轮与分度盘主轴相连。

7.根据权利要求2所说的在线检测装置，其特征在于：所述的固定底盘，其水平面沿圆周方向开有一个跨度大于水果直径的环形槽，用于支撑水果并防止水果因离心力脱离分度盘；槽内开有一个直径大于水果直径的沉孔。

8.根据权利要求2所说的在线检测装置，其特征在于：所述的水果托盘安装在固定底盘环形槽内的沉孔中间，托盘主轴通过联轴器与电动马达相连，托盘与固定底盘之间装有滚动轴承，用于将托盘及水果重量传递给固定底盘，电动马达通过法兰盘立式安装在固定底盘底部。

9.根据权利要求2所说的在线检测装置，其特征在于：所述的计算机内装有水果表面早期缺陷检测软件。

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