CN1220872C - 用于记录谷物颗粒的图像以检测裂纹的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于记录小颗粒的图像的方法和设备，以分析该颗粒的质量，特别是检测在该颗粒中的任何裂纹。该方法包括如下步骤：把分别包含至少一个颗粒的颗粒样本传送(102)到用于记录图像的位置；从至少两个方向同时照亮(104)一个颗粒样本，对于每个方向以不同的光波长进行照明。该方法进一步包括如下步骤：采用图像记录装置记录(106)被照明的颗粒样本的图像，该图像记录装置在对不同波长敏感的不同频段上记录该颗粒样本的部分图像；以及把不同部分图像相比较(108)，以分析该颗粒样本，每个部分图像通过仅仅记录不同的光波长之一的频段显示被从一个方向照亮的颗粒样本。

Description

用于记录谷物颗粒的图像以检测裂纹的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于记录例如谷物颗粒这样的小颗粒的图像的方法和设备，以分析该颗粒的质量，特别是检测在该颗粒中的任何裂纹。

背景技术

目前在全世界通过对不同种类的谷物以及其他农作物的检查以在贸易和处理中确定谷物的质量。该检查的目的是检测从大量托运货物中选出的代表性样品，并且确定是否存在不令人满意的谷粒和颗粒。不被认可的谷粒和颗粒被分类并且确定每一类的质量。由于各种谷粒的分布，该样本以及托运货物将被给出一个等级，该等级是在与该托运货物的支付和处理相关的一个决定性因素。

目前大部分谷物检查是完全通过手动进行的。一个有经验的检查员通常要经过多年的全面教育。但是由于个人评定以及照明的变化条件导致在不同检查员之间在分析/分类方面具有大的偏差。例如由于疲劳程度的原因，该偏差还出现在每个检查员身上。

检测在谷物中的裂纹特别困难。一个具体的问题是检测在大米中的裂纹。一个检查员不能够用肉眼来检测有裂纹的谷粒。可以通过把谷粒置于一片在下方具有倾斜镜面的玻璃上来检测具有裂纹的谷粒。当从上方照亮该谷粒时，可以在观察在镜子中的谷粒时检测裂纹。根据另一个方法，如果该谷粒被置于一个稍微发蓝的工作台上。检查员可以通过从不同的角度来观察了该谷粒而检测裂纹。这两种方法意味着检查员必须借助于特殊的照明并且放置该谷粒使得它们能够被正确地照明。由于每个谷粒的分析需要较长时间，这意味着该分析处理明显地减慢。

希望使谷粒的分析变为自动化，以减少偏差并且创建一个更加稳定的情况，涉及一种更加明了的分级处理。这意味着需要一种以自动的方式检测谷粒中的裂纹的可靠方法。到目前为止还没有一种令人满意的检测裂纹的方法，这意味着检查员仍然具有重要的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动检测颗粒的内部破损的方法。一个具体的目的是提供快速和可靠的裂纹检测方法。

本发明的目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求15的设备而实现。本发明的其他优点从从属权利要求2-14和6-27获得。

因此，本发明提供一种用于记录例如谷物这样的小颗粒的图像的方法，以分析该颗粒的质量，特别是检测在该颗粒中的任何裂纹。该方法包括如下步骤：把分别包含至少一个颗粒的颗粒样本传送到用于记录图像的位置，从至少两个方向同时照亮一个颗粒样本，对于每个方向以不同的光波长进行照明，采用图像记录装置记录被照明的颗粒样本的图像，该图像记录装置在对不同波长敏感的不同频段上记录该颗粒样本的部分图像，并且把不同部分图像相比较，以分析该颗粒样本。每个部分图像通过仅仅记录不同的光波长之一的频段显示被从一个方向照亮的颗粒样本。

因此，本发明基于这样的思想，利用可以在不同频段记录不同光波长的彩色图像的图像记录装置以把它们一同放在一个彩色图像中。通过从不同方向用不同的波长的光照亮一个颗粒，对于在每个频段看起来该颗粒好像仅仅用一个波长的光从一个方向照亮。因此，通过在被分离使用的频段中的信息而不是一个合成的彩色图像获得从分离的不同方向同时检测该颗粒的照明。在该颗粒中的裂纹或者一些其他内部破损的两侧之间的光耦合比通过无破损的颗粒的光耦合更差，因此可以从裂纹的不同侧面比较照明。

最好从不同角度对颗粒样本进行照明和图像记录，使得基本上没有直接从该颗粒样本反射的光线到达该图像记录装置。散射光在到达该图像记录装置之前已经被分散在颗粒的内部。如果存在裂纹，则该裂纹可能影响该散射光，而对直接反射光没有任何影响。通过主要检测散射光的图像记录装置，来自裂纹的反差将更加清楚地显示。

该颗粒样本最好用掠射光来照明，即，通过掠射该颗粒样本而进行照明，光线的入射角相对于图像记录装置的方向接近于形成90°。这样使得在图像记录装置中的直接反射光最小化。由于光线必须在该颗粒中散射然后才能到达该图像记录装置，因此这意味着在裂纹两侧之间的光耦合的差别更加明显。

根据一个优选实施例，在连续运动过程中传送该颗粒样本。这意味着由于颗粒样本的减速和加速对机器部件所造成的磨损最小。

本发明最好包括把包含多个颗粒的颗粒样本的图像分为每个颗粒的图像的步骤。结果，可以从一个图像分析多个颗粒。该方法不限于在任何时候总是只有一个颗粒被传送到该图像记录的情况。

最好，在图像记录装置中测量透过该颗粒样本的光线。这意味着光线在到达图像记录装置之前在该颗粒中多次散射。这增强了裂纹的效果。

根据一个优选实施例，在每个颗粒样本中仅仅传送一个颗粒。这意味着获得颗粒的物理分离。在使用普通照明技术多次分析相同的颗粒时，物理分离是优选的。

最好通过具有用于在每个样本容器中容纳一个颗粒的样本容器的载体来传送颗粒样本，该样本容器被形成为颗粒形状，使得在该样本容器中的颗粒方位被控制。由于该颗粒的长边可以对应于图像的长边，这意味着该颗粒可以被定位以尽可能地充满被记录的图像。例如在米粒的情况中已知该颗粒的方向是有利的，因为在大多数情况中在该谷粒中的裂纹具有相同的方向。如此已知可能的裂纹方向有助于照明和检测。

该颗粒样本最好用来自不同的照明装置的两种不同的波长来照明，并且两个照明装置的照明方向之间的角度基本上为180°。

在本文中例如在米粒中的裂纹通常贯通该谷粒。由于可以确定谷粒的方向，因此可以从它的宽度方向照亮该谷粒，这意味着光线在与裂纹相垂直的方向上入射。这可以使得裂纹两侧之间的低光耦合的效果变得明显。

在另一个实施例中，通过用来自3个不同的照明装置的3种不同的波长来照亮该颗粒样本，并且两个相邻照明装置的照明方向的角度基本上为120°。当颗粒的方向未知和/或当在颗粒中的裂纹的方向可能有大的变化时，该实施例是方便的。结果，该颗粒被从3个清楚分离的方向所照明，并且当把已经用最接近于与裂纹相垂直的入射光记录两个部分图像相比较时，裂纹的光学效果被增强。

比较不同部分图像的步骤最好包括从来自第二频段的部分图像减去来自第一频段的部分图像的步骤。由于一个部分图像包括从裂纹的一侧照明的颗粒并且另一个部分图像包括从裂纹的另一侧照明的颗粒，因此从另一个部分图像减去一个部分图像意味着在该颗粒中的裂纹的效果被增强。因此裂纹的效果将被加倍并且变得更加清楚。

图像记录装置最好是一个数码相机。数码相机相对较快并且以数字格式产生一个图像，这对于要被自动分析的图像来说是方便的。

在一个优选实施例中，该方法包括用一个镜面跟随颗粒样本的传送，从而该颗粒样本的镜像落在传送运动的中轴上，由于该颗粒样本的镜像位于运动的中轴上，因此在进行图像记录时从图像记录装置来看该颗粒样本的镜像基本上保持静止。

按照这种方式，颗粒可以高速地通过该图像记录装置。即使该图像记录装置没有极短的曝光时间，由于从该图像记录装置来看该颗粒看起来好像在镜面中保持静止，因此不会出现运动模糊。图像镜面基本上保持静止意味着没有出现横向运动，而由于镜面在检测器的前面运动，仅仅有小量的旋转。但是，该旋转运动如此小，从而不会出现运动模糊。另外，相对较长的曝光时间意味着光量不需要非常大。

不同光波长最好包括红光、绿光和蓝光。这在例如CCD相机这样的数码相机中是适用的，因为在数码相机中通过把精确的红光、绿光和蓝光记录在不同的频段上而记录彩色图像。

本发明的目的还通过一种用于记录例如谷物这样的小颗粒的图像的设备来实现，以分析颗粒的质量，特别是检测在该颗粒中的任何裂纹。该设备包括一个载体，其把包含至少一个颗粒的颗粒样本传送到用于图像记录的位置；至少两个照明装置，其适合于用不同的光波长从不同的方向同时照明一个颗粒样本；图像记录装置，其记录被照明的颗粒样本的图像，该图像记录装置记录在对不同波长敏感的不同频段中的颗粒样本的部分图像；以及分析装置，用于比较不同的部分图像，以分析该颗粒样本。每个部分图像通过仅仅记录不同光波长之一的频段示出从一个方向照明的部分样本。

通过该图像记录装置在不同频段记录不同光波长，可以从多个方向分别进行对一个颗粒的照明的同时检测。因此，以不同波长从不同方向进行照明，并且一个频段仅仅识别被从一个方向照明的颗粒。通过同时记录从不同方向照明的图像，在用于比较的不同测量中该颗粒不需要被完全用相同的方式来定位。还可以通过在多次测量之间把该颗粒静止地放置在该图像记录装置的前方而避免用相同的方式来定位该颗粒。如果对于多次测量，与必须把颗粒静止地放在该图像记录装置的前方的情况相比，本发明的装置允许非常快地传送颗粒。

附图说明

下面参照附图通过举例说明描述本发明的优选实施例。

图1为描述根据本发明的方法的流程图。

图2为用于把颗粒样本传送到用于记录图像的位置的样本传送载体的透视图。

图3示出根据本发明一个实施例从两个相反方向照亮一个米粒的示意图。

图4示出根据本发明另一个实施例从3个不同方向照亮一个米粒的示意图。

具体实施方式

下面参照图1更加详细地描述根据本发明用于检测在例如米粒或者其他透明或半透明的颗粒中的裂纹或其他内部破损的方法。

从要被分析的大量产品中取出一个代表性的样本。在大多数情况中，该样本包括大约1200的谷粒或颗粒(大约30克)，但是可以多达150克。该样本被插入到一个仪器中用于分析。在此该样本被物理分离，用于在一次分析一个颗粒。按照一些常规方式来进行物理分离。在步骤102，被分离的颗粒然后被传送到用于图像记录的位置。在此，该颗粒被用掠射光来照明，步骤104，即光线相对于颗粒的法线方向的入射角接近于90°，并且该光线几乎与该颗粒相切。

从几个方向进行照明，在每个方向用不同的光波长。该光线在作为漫反射或漫透射光而射出之前，将在该颗粒中几次散射。一个图像记录装置适合于直接从上方记录该颗粒的图像。因此，该图像首先包括关于散射光的所有信息。由于来自该颗粒的光线偏转角对应于光线在该颗粒上的入射角，因此直接反射的光线不到达该图像记录装置，并且该图像记录装置记录具有较小的偏转角的光线。由于光线通过一个固体介质而没有被散射的可能性非常小，因此直接透射光线，即没有在该颗粒中散射的光线，构成透射光线中的非常小的部分。最好，在检查之前检测透射光线，这意味着更大的散射光。当检测透射光时，在该颗粒上的光线的入射角不是同样重要，但是在这种情况中也最好用掠射光来照射该颗粒。

在该颗粒中的裂纹造成该裂纹两侧之间光耦合变差。这意味着照到该裂纹的一侧上的光线在非常小的程度上透过该裂纹的另一侧。可以看出在该裂纹的不同侧面上的光强具有大的不同。为了使在该颗粒中的裂纹更加明显，入射光应当垂直于该裂纹。至少该光线应当主要照射到并且最好仅仅照射在该颗粒中的裂纹的一侧上。

该颗粒被3个光源所照亮，两个相邻光源之间具有120°的角度。从而，可以保证来自一对光源的光线入射在每个裂纹的一侧上这样的最佳方式。如果在该颗粒中该裂纹的方向已知，则可以通过用形成180°的角度的光源从每个裂纹的一侧照亮该颗粒。不用说，这会导致更好的对比度，但是需要已知裂纹的方向和该颗粒的方位。

在步骤106，在该图像记录装置中记录所照亮颗粒的图像。通过仅仅对来自各个方向的光线的光波长敏感的频段在所具有的一个频段中检测来自各个方向的照明。在一个频段中的信息被移动部分图像的形式记录在该图像记录装置中。该图像记录装置是一个常规的数码相机，例如CCD相机，其在不同的频段记录红光、绿光和蓝光，以适应相机的频段的灵敏度。如果在已知裂纹的方向时仅仅使用两个光源，则使用红光和蓝光，因为它们的波长差别最大。

该部分图像通常被放在一起，通过在对该图像中的每个像素确定的多个颜色之间的亮度关系和新增一个彩色图像。另外，在此所用的是作为从一个方向对一个颗粒照明的图像的每个部分图像。然后在步骤108，这些部分图像被比较，以增强了裂纹的效果。效果的增强是通过从一个部分图像减去另一个部分图像而实现的。如果这些部分图像包含关于从一个裂纹的每一侧对该颗粒照明的信息，在所获得的图像中，该裂纹的效果被加倍。在效果增强之后，执行图像分析，以检查是否存在有一个分割线，其确定在该颗粒中具有较大光亮度差的区域。如果存在这样一个分割线，这表明在该颗粒中存在一条裂纹，并且该颗粒被分类为有裂纹的。

下面参照图2更加详细地描述执行上述方法的设备。该设备具有一个载体1，其适合于把颗粒传送到进行颗粒的照明和图像记录的位置。该载体1是一个圆盘，其具有沿着该盘的外围的样本容器2。一个样本容器2包括容纳一个颗粒的通孔。该载体1在一个支架内部旋转，通过旋转，颗粒连续地由样本容器2传送到用于图像记录的位置。当然，在连续运动过程中该载体不需要旋转。但是，连续运动几乎不会对机械部分造成磨损，因此是优选的。

可以通过在载体1的下侧产生的负压把该颗粒吸附到样本容器2。该通孔小到仅仅能够在一次吸附一个颗粒，并且没有颗粒能够通过该通孔。在这种情况中，该颗粒在载体1上的方位可以是任意的，因此如上文所述应当使用3个照明装置。这些照明装置被固定安装在该支架上，两个相邻的照明装置之间具有120°的夹角。在该位置中，图像记录装置也被安装在该支架上。在此，如上文所述该颗粒被照明装置所照明，并且通过图像记录装置记录被照明的颗粒。

根据另一个实施例，该样本容器2由颗粒形状的凹孔所构成。载体1然后在如此构成该凹孔的底部的颗粒容纳盘的上方旋转。因此，一个颗粒落在一个凹孔中，并且仅仅在一个方向上与该凹孔相配合从而可以控制该颗粒的方位。当载体1旋转时，该颗粒被在该颗粒容纳盘中进送。由于该颗粒的方位已知，因此可以利用在该颗粒中的通常裂纹方向的知识。例如对于米粒，裂纹方向为贯通该米粒的延长方向。结果，可以从它的宽度方向对该米粒进行照明，并且光线垂直于该米粒中的可能存在的裂纹而入射。因此把两个发光二极管，一个为红色一个为蓝色，安装在每个样本容器2的相对短边壁面上。

在图像记录装置中记录的部分图像被作为输入数据发送到在该仪器中的计算电路。在此执行图像分析，用于使一个颗粒的两个部分图像之间相减，并且确定在该颗粒中是否发现标记一条裂纹的分割线。

一个镜面支承装置3被设置为跟随该载体1的运动。该镜面支承装置3具有对应于每个样本容器2的一个镜面4。该镜面4把在样本容器中的一个颗粒投影到运动的中轴上。这意味着记录该颗粒的镜像的图像记录装置感觉该颗粒在该镜面中保持静止。颗粒的镜像总是在该中轴上，并且在该镜像中的唯一运动是绕着该颗粒的中央而旋转。该旋转程度对应于镜面支承装置3的旋转角，并且镜面4被定位在图像记录装置的正前方。该转动如此之小，以至于在所记录的图像中没有或仅仅有非常小的运动模糊。该设备可以允许图像记录装置用相对较长的时间来曝光，这可以通过常规的数码相机来控制。

图3和4示出如何结合从两个(图3)和三个(图4)方向照明来进行图像分析。在图3中，红光5和蓝光6垂直于该裂纹而入射，在从蓝光频段减去红光频段之后可以清楚地看出对比度的明显差别。在图4中，蓝光6与裂纹相垂直，而绿光7和红光5没有以相同清晰的方式来突出该裂纹。在通过一次减去两个频段之后增强该效果，但是，当分别把蓝频段和绿频段相比较，以及把蓝频段和红频段相比较时，可以看出该裂纹被清楚地增强。

应当知道在由所附权利要求定义的本发明的范围内可以有上文所述的实施例的大量变型。比如，其他波长可以用于该光线，这意味着在这种情况下该图像记录装置的频段对这些波长敏感。

根据另一个实施例，在该一个颗粒样本中的多个颗粒可以被同时传送到用于图像记录的位置。然后，被照亮的颗粒样本的图像可以被分为分别包含一个颗粒的多个图像。然后，正常地对这些图像进行分析。按照这种方式，可以同时测量多个颗粒，但是需要一些额外的图象处理。

当然，该照明装置可以是任何发射具有有限的频谱内容的光源，例如一些种类的激光或气体放电灯。该光源不一定限于发射窄光束，而且还可以发出宽角度的光线，但是如上文所述，该颗粒的照明应当仅仅从该颗粒中的裂纹的一侧入射。

该图像记录装置可以是一些其他类型的数码相机，例如CMOS相减。

本发明不限于检测在该颗粒中的裂纹。还可以检测其它类型的内部破损，例如昆虫在该颗粒中钻洞这样的昆虫破坏。

Claims (23)

1.一种记录小颗粒的图像的方法，用于分析该颗粒的质量，其特征在于，该方法包括以下步骤：

把颗粒样本馈送到一个记录图像的位置(102)，每个所述的颗粒样本包括至少一个颗粒；

从至少两个方向同时照明一个颗粒样本(104)，对于每个方向以不同的光波长执行所述的照明；

采用图像记录装置记录被照明的颗粒样本的图像(106)，该图像记录装置在对不同波长敏感的不同频段上记录该颗粒样本的部分图像，其中对颗粒样本的所述照明和记录颗粒样本的图像是从不同角度执行的，使得没有直接从该颗粒样本反射的光线到达该图像记录装置；和

把不同部分图像相比较(108)，以便分析该颗粒样本，每个部分图像用记录不同的光波长其中之一的频段显示被从一个方向照明的颗粒样本。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的颗粒样本用掠射光来照明，即，通过掠射该颗粒样本而进行照明，光的入射角相对于图像记录装置的方向呈90°。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的颗粒样本是在连续运动期间馈送的。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：把包含多个颗粒的颗粒样本的图像划分为每一个颗粒的图像的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，透过所述颗粒样本的光在所述图像记录装置中测量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个颗粒在每一个颗粒样本中被馈送。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的颗粒样本由载体(1)来馈送，该载体具有样本容器(2)，在每个该载体用于承载样本容器(2)中的一个颗粒，该样本容器被形成为颗粒形状，使得在该样本容器(2)中的颗粒方位被控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的颗粒样本用来自不同的照明装置的两种不同的波长来照明，并且两个照明装置的照明方向之间的角度为180°。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的颗粒样本用来自3个不同的照明装置的3种不同的波长来照明，并且两个相邻照明装置的照明方向之间的角度为120°。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，比较不同部分图像的步骤(108)包括：从来自第二频段的部分图像减去来自第一频段的部分图像的步骤。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的图像记录装置是一个数码相机。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的不同光波长包括：红光(5)、绿光(7)和蓝光(6)。

13.一种用于记录小颗粒的图像的设备，用以分析颗粒的质量，其特征在于，所述设备包括：

一个载体(1)，把包含至少一个颗粒的颗粒样本馈送到一个图像记录位置；

至少两个照明装置，适合于用不同的光波长从不同的方向同时照明一个颗粒样本；

图像记录装置，记录被照明的颗粒样本的图像，该图像记录装置记录在对不同波长敏感的不同频段中的颗粒样本的部分图像，该照明装置和图像记录装置相对于该颗粒样本被安装在不同角度，使得没有直接从该颗粒样本反射的光线到达该图像记录装置；以及

分析装置，用于比较不同的部分图像，以分析该颗粒样本，每个部分图像通过仅仅记录不同光波长之一的频段示出从一个方向照明的部分样本。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述的颗粒样本用掠射光来照明，即，通过掠射该颗粒样本而进行照明，光的入射角相对于图像记录装置的方向呈90°。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述的载体(1)适合于在连续运动期间馈送该颗粒样本。

16.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括：用于对所记录图像进行图像分析的装置，把包括多个颗粒的颗粒样本的图像利用该用于图像分析的装置划分为每一个颗粒的图像。

17.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述的照明装置和所述的图像记录装置被安装在所述颗粒样本的相对两侧，使得透过该颗粒样本的光在所述图像记录装置中测量。

18.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述载体(1)适合于承载在每个颗粒样本中的一个颗粒。

19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述的载体(1)具有样本容器(2)，用于承载在每个样本容器(2)中的一个颗粒，所述样本容器被形成为颗粒形状，使得在该样本容器(2)中的颗粒方位被控制。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，两个不同的照明装置被设置在所述样本容器(2)的相对两侧上，两个照明装置的照明方向之间的角度为180°。

21.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，三个不同的照明装置被设置为照明该颗粒样本，两个相邻照明装置的照明方向的角度为120°。

22.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述分析装置适用于从来自第二频段的部分图像减去来自第一频段的部分图像。

23.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述图像记录装置是一个数码相机。

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