JP5888639B2 - Color image capture and analysis system - Google Patents

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  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Description

本発明は、色彩画像撮像・解析システムに関する。詳しくは、色彩画像撮像システム及び/又は色彩画像解析システムに関する。さらに詳しくは、対象物の表面反射を除去又は軽減する色彩画像撮像システム及び/又はColor HistogramとCDEに基づく色彩画像解析システムに関する。 The present invention relates to a color image capturing / analyzing system. Specifically, the present invention relates to a color image imaging system and / or a color image analysis system. More specifically, the present invention relates to a color image imaging system and / or a color image analysis system based on Color Histogram and CDE for removing or reducing surface reflection of an object.

真珠等の生体鉱物の品質管理や評価、農産物の栽培・品質管理や評価等は、熟練者の経験や勘に頼ることが多く、明確な判断要因や基準を定量化することは困難である。
特に、農産物の色彩や形状、大きさ等の外観は食味・食感とともに農産物の商品価値を決める重要な品質要素である。又、少子化や食の多様化等にともなってカット品の流通・販売が盛んになっており、農産物の内観も重要視されている。上記の通り、農産物の栽培・品質管理や外観・内観評価等、生育過程の時系列モニタリングは、現場での熟練者の目視によって行われ、経験や勘に基づく判断要因や判断基準に依存しているため、客観性や再現性が課題となっている。
さらに、最近では農業の産業化が注目されており、植物工場等の導入が検討されているが、環境制御が中心となっている。農産物を製品としてとらえた場合、農産物の加工業者や消費者が希望する物理的特性(スペック)の構築、その数値化を含めた定量的評価の確立、ライン設計等が課題となっている。
The quality control and evaluation of biological minerals such as pearls and the cultivation / quality control and evaluation of agricultural products often depend on the experience and intuition of skilled workers, and it is difficult to quantify clear judgment factors and standards.
In particular, the appearance of the color, shape, size, etc. of the agricultural products is an important quality factor that determines the commercial value of the agricultural products together with the taste and texture. In addition, with the declining birthrate and diversification of foods, the distribution and sale of cut products is thriving, and the introspection of agricultural products is also regarded as important. As described above, time-series monitoring of the growth process, such as cultivation / quality control of agricultural products, evaluation of appearance / introspection, etc., is performed by visual observation of skilled workers in the field, and depends on judgment factors and judgment criteria based on experience and intuition. Therefore, objectivity and reproducibility are issues.
Furthermore, recently, the industrialization of agriculture has attracted attention, and the introduction of plant factories and the like has been studied, but environmental control is the center. When agricultural products are regarded as products, the construction of physical characteristics (specs) desired by agricultural products processors and consumers, the establishment of quantitative evaluation including their quantification, line design, and the like are issues.

そこで、光学機器を用いた管理や評価の試みがなされているが、そもそも人の目による管理や評価は、部分的な評価の足し合わせや、画像処理といったアルゴリズムによるコンピュータ・ソフトウェア上の処理ではなく、全体の印象も含めて行われることが多い。そのため、分光測色計等を用いた部分的な評価ではなく,画像解析(色彩解析や形状解析)による人の目に近い管理や評価の構築が望まれている。 Therefore, management and evaluation using optical devices have been attempted, but management and evaluation by human eyes is not a process on computer software by algorithms such as partial summation and image processing. This is often done with the overall impression. Therefore, instead of partial evaluation using a spectrocolorimeter or the like, it is desired to establish management and evaluation close to human eyes by image analysis (color analysis and shape analysis).

対象物の表面色を解析するためには、対象物の表面画像をいかに忠実に撮像するかが重要となる。このために、カメラシステム、照明システムが極めて重要で、かつ画像撮像部を外光から遮蔽することが重要である。特に、表面反射を除去又は軽減することが課題であり、そのため拡散光源が用いられてきている。拡散光源を用いた撮像方法として、直接サーキュラー型の拡散光源をカメラに取り付け撮影する方法が知られている他、発明者の一部は、もともと拡散的な光源である標準蛍光灯からの光を、拡散反射板を用いて更に拡散光の程度を高める方法を構築した(非特許文献1)。 In order to analyze the surface color of the object, it is important to faithfully capture the surface image of the object. For this reason, the camera system and the illumination system are extremely important, and it is important to shield the image capturing unit from outside light. In particular, removing or reducing surface reflections is a challenge, and therefore diffuse light sources have been used. As an imaging method using a diffused light source, there is known a method in which a direct circular diffused light source is attached to a camera for photographing, and some of the inventors have used light from a standard fluorescent lamp, which is originally a diffused light source. Then, a method of further increasing the degree of diffused light using a diffuse reflector was constructed (Non-Patent Document 1).

しかしながら、真珠等の生体鉱物は表面光沢が顕著であること、農産物は表面光沢に加え表面の色むらや凹凸も顕著であることから、上記従来技術では、対象物の表面反射を除去又は軽減した色彩画像計測は困難であった。 However, since biological minerals such as pearls have a remarkable surface gloss, and agricultural products have a remarkable surface color unevenness and irregularities in addition to the surface gloss, the above-mentioned conventional technique has eliminated or reduced the surface reflection of the object. Color image measurement was difficult.

農産物の外観・内観品質の中でも、特に色彩は、色相の質的な変異、彩度の量的な変異、色彩の空間分布等が存在し、品質を決める重要な指標であるため、様々な色彩解析手法が開発されている。発明者の一部は、HSL 色空間を用いたイチゴ表面および断面における色彩画像解析により、品種識別の可能性を示した(非特許文献2)。又、非特許文献3には、L*a*b*表色系の内、a*の値に基づきイチゴの色彩解析を行い、形状及びサイズの解析結果と組み合わせることで、イチゴの等級判定を行う方法が開示されている。 Among the appearance and introspection qualities of agricultural products, color is an important index that determines quality, especially because there are qualitative variations in hue, quantitative variations in saturation, spatial distribution of colors, etc. Analytical methods have been developed. Some of the inventors have shown the possibility of variety identification by color image analysis on the strawberry surface and cross section using the HSL color space (Non-patent Document 2). In Non-Patent Document 3, strawberry color analysis is performed based on the value of a * in the L * a * b * color system, and combined with the shape and size analysis results, strawberry grade determination is performed. A method of performing is disclosed.

しかしながら、非特許文献2及び3では、色彩の全体値や出現頻度だけが解析対象とされており、イチゴの表面および断面における果実色の空間的な分布情報が破棄されている問題点があった。 However, in Non-Patent Documents 2 and 3, only the overall value and appearance frequency of the color are targeted for analysis, and there is a problem that the spatial distribution information of the fruit color on the surface and cross section of the strawberry is discarded. .

元永佳孝, 亀岡孝治,橋本篤, 農業機械学会誌, 59 (4), 21-28(1997).Motonaga Yoshitaka, Kameoka Koji, Hashimoto Atsushi, Journal of Agricultural Machinery Society, 59 (4), 21-28 (1997). H. Kitamura, T. Mori, A. Hashimoto, and T. Kameoka,Distinction of strawberry cultivars based on fruit characters evaluated byimage analysis, Jido Seigyo Rengo Koenkai(CD-ROM), 48, L2−15 (2005).H. Kitamura, T. Mori, A. Hashimoto, and T. Kameoka, Distinction of strawberry cultivars based on fruit characters evaluated by image analysis, Jido Seigyo Rengo Koenkai (CD-ROM), 48, L2-15 (2005). X. Liming, and Z. Yanchao, Automated strawberry grading systembased on image processing, Computers and Electronics in Agriculture, 71, S32–S39 (2010).X. Liming, and Z. Yanchao, Automated strawberry grading systembased on image processing, Computers and Electronics in Agriculture, 71, S32 – S39 (2010). J. Sun, X. Zhanng, J. Cui, L.Zhou, Pattern Recognition Letters, 27, 1122-1126 (2006).J. Sun, X. Zhanng, J. Cui, L. Zhou, Pattern Recognition Letters, 27, 1122-1126 (2006). C. E. Shannon, A mathematicaltheory of communication, Bell Syst Tech (1948).C. E. Shannon, A mathematicaltheory of communication, Bell Syst Tech (1948). A. Hashimoto, H. Kondou, Y.Motonaga, H. Kitamura, K. Nakanishi, T. Kameoka, 1st World Congress ofComputers in Agriculture and Natural Resources, Zazueta, F. and Xin, J. ed.,70-77 (2001).A. Hashimoto, H. Kondou, Y. Motonaga, H. Kitamura, K. Nakanishi, T. Kameoka, 1st World Congress of Computers in Agriculture and Natural Resources, Zazueta, F. and Xin, J. ed., 70-77 ( 2001).

本発明は、人の目に近い、生体鉱物の品質管理や評価、農産物の栽培・品質管理や評価を課題とし、色彩画像撮像・解析システムを提供する。詳細には、対象物の表面反射を除去又は軽減する色彩画像撮像システムを提供する。又、Color HistogramとCDEに基づく色彩画像解析システムを提供する。
本発明は、当該色彩画像撮像撮像・解析システムを用いた生体鉱物の品質管理・評価装置を提供する。又、当該色彩画像撮像撮像・解析システムを用いた農産物の品質管理・評価装置を提供する。更に、当該色彩画像撮像撮像・解析システムを用いた農産物の栽培診断方法をも提供する。
The present invention aims at quality control and evaluation of biological minerals and cultivation / quality control and evaluation of agricultural products that are close to human eyes, and provides a color image imaging / analysis system. In particular, a color image imaging system that removes or reduces surface reflections of an object is provided. A color image analysis system based on Color Histogram and CDE is also provided.
The present invention provides a quality control / evaluation apparatus for biominerals using the color image capturing / analysis system. In addition, a quality control / evaluation apparatus for agricultural products using the color image capturing / analysis system is provided. Furthermore, a method for cultivating agricultural products using the color image capturing / analysis system is also provided.

上記課題を解決するため、本発明の色彩画像撮像・解析システムは、
<1>(A)色彩画像撮像システム及び/又は(B)色彩画像解析システムからなる色彩画像撮像・解析システムであって、
(A)色彩画像撮像システムは、円筒型拡散光源を有し、該光源内に対象物を設置すること及び該光源の円筒底面中心部に垂直な軸の上部にカメラが設置されていること
(B)色彩画像解析システムは、CDE(Color Distribution Entropy)に基づく画像解析工程と、Color Histogramに基づく色彩解析工程とからなり、
前記画像解析工程において対象物画像の長径の両端を含むアニュラーサークルを最大アニュラーサークルとすること及びCDEの誤差を抑制するアニュラーサークルの分割数Nを決定すること
を特徴とする。
<2>生体鉱物の品質管理及び/又は品質評価システムであって、前記<1>記載の色彩画像撮像・解析システムを用いることを特徴とする。
<3>農産物の品質管理及び/又は品質評価システムであって、前記<1>記載の色彩画像撮像・解析システムを用いることを特徴とする。
<4>農産物の栽培診断装置であって、前記<1>記載の色彩画像撮像・解析システムを用いることを特徴とする。
<5>前記<3>記載の農産物の品質管理及び/又は品質評価システムであって、標準的な農産物とのCDEの類似度、形状の類似度及び大きさの類似度を評価指標とすることを特徴とする。
<6>前記<4>農産物の栽培診断装置であって、標準的な農産物とのCDEの類似度、形状の類似度及び大きさの類似度を評価指標とすることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the color image capturing / analyzing system of the present invention is:
<1> A color image imaging / analysis system comprising (A) a color image imaging system and / or (B) a color image analysis system,
(A) The color image capturing system has a cylindrical diffused light source, the object is installed in the light source, and the camera is installed on the upper part of the axis perpendicular to the center of the cylindrical bottom surface of the light source .
(B) Color image analysis system, Ri Do from an image analyzing step based on the CDE (Color Distribution Entropy), and color analyzing step based on the Color Histogram,
In the image analysis step, the annular circle including both ends of the major axis of the object image is set as the maximum annular circle, and the number N of the annular circles for suppressing the CDE error is determined .
<2> A biomineral quality control and / or quality evaluation system, wherein the color image capturing / analysis system according to <1> is used.
<3> A quality control and / or quality evaluation system for agricultural products, wherein the color image capturing / analysis system according to <1> is used.
<4> A farming diagnosis apparatus for agricultural products, wherein the color image imaging / analysis system according to <1> is used.
<5> A quality control and / or quality evaluation system for agricultural products according to the above <3>, wherein the CDE similarity, shape similarity, and size similarity with standard agricultural products are used as evaluation indices. It is characterized by.
<6> The above-mentioned <4> agricultural product cultivation diagnosis apparatus, characterized in that a CDE similarity, a shape similarity, and a size similarity with standard agricultural products are used as evaluation indexes.

本発明によれば、対象物の表面反射を除去又は軽減する色彩画像撮像撮像・解析システムを提供することができる。又、Color HistogramとCDEに基づく色彩画像解析システムを提供する。
本発明によれば、当該色彩画像撮像撮像・解析システムを用いた生体鉱物の品質管理・評価装置を提供することができる。又、当該色彩画像撮像撮像・解析システムを用いた農産物の品質管理・評価装置を提供することができる。更に、発明によれば、当該色彩画像撮像撮像・解析システムを用いた農産物の栽培診断方法を提供することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the color image imaging imaging and analysis system which removes or reduces the surface reflection of a target object can be provided. A color image analysis system based on Color Histogram and CDE is also provided.
According to the present invention, it is possible to provide a biomineral quality control / evaluation apparatus using the color image capturing / analysis system. Also, it is possible to provide a quality control / evaluation apparatus for agricultural products using the color image capturing / analysis system. Furthermore, according to the invention, it is possible to provide a method for cultivating agricultural products using the color image imaging / analysis system.

本発明の色彩画像撮像システムの一例を示す概略図。Schematic which shows an example of the color image imaging system of this invention. 本発明の色彩画像撮像システムの一例を示す設計図。1 is a design diagram illustrating an example of a color image capturing system of the present invention. 本発明の色彩画像撮像システムの一例を示す外観図。1 is an external view showing an example of a color image capturing system of the present invention. SPIRAL VITALIGHTの可視分光スペクトル。Visible spectrum of SPIRAL VITALIGHT. 拡散円筒を構成する紙の本発明の可視分光スペクトル。The visible spectrum of the present invention of the paper constituting the diffusion cylinder. 拡散円筒内の照度分布。Illuminance distribution in the diffusion cylinder. 対象物の撮像画像。(a)本発明の色彩画像撮像システムを用いずに撮像した画像、(b)本発明の色彩画像撮像システムを用いて撮像した画像。A captured image of the object. (A) An image captured without using the color image capturing system of the present invention, and (b) an image captured using the color image capturing system of the present invention. アニュラーサークルの設定。(a)従来法、(b)本発明。Annular circle setting. (A) Conventional method, (b) The present invention. アニュラーサークルのN数決定に用いたモデル画像。(b)は(a)の70%縮小、(c)は(a)の50%縮小。Model image used to determine N number of annular circles. (B) is reduced by 70% of (a), and (c) is reduced by 50% of (a). Color binと色度変化の関係を示す図。The figure which shows the relationship between Color bin and a chromaticity change. 解析プログラムのフローチャート。The flowchart of an analysis program. 等級別の真珠の撮像画像。Images of pearls classified by grade. 等級別の真珠のColor Histogram。Color Histogram of pearls by grade. 拡散円筒の直径を変えてAランクの真珠を撮像した画像。An image of A-rank pearls taken with a different diffusion cylinder diameter. アニュラーサークルのN数決定に用いたイチゴ画像。(b)は(a)の60%縮小、(c)は(a)の150%拡大。Strawberry image used to determine N number of annular circles. (B) is 60% reduction of (a), (c) is 150% enlargement of (a). イチゴ表面の色彩画像。Color image of the strawberry surface. イチゴのCDEの類似度を示す図。The figure which shows the similarity degree of CDE of a strawberry. イチゴの形状及び大きさの類似度を示す図。(上図)形状、(下図)大きさ。The figure which shows the similarity of the shape and magnitude | size of a strawberry. (Upper figure) Shape, (Lower figure) Size. イチゴの類似度(CDE、形状及び大きさの3次元プロット)を示す図。The figure which shows the similarity (CDE, three-dimensional plot of a shape and a magnitude | size) of a strawberry. イチゴの類似度(標準からのユークリッド距離のプロット)を示す図。The figure which shows the similarity (plot of the Euclidean distance from a standard) of a strawberry. 6次元のユークリッド距離によるイチゴの総合類似度を示す図。The figure which shows the total similarity of the strawberry by 6-dimensional Euclidean distance. 3次元空間におけるコサイン尺度を示す図。The figure which shows the cosine scale in three-dimensional space. 6次元のコサイン尺度によるイチゴの総合類似度を示す図。The figure which shows the total similarity of the strawberry by a 6-dimensional cosine scale.

本発明の色彩画像撮像・解析システムは、色彩画像撮像システムと色彩画像解析システムとから構成される。それぞれを独立して使用することも可能である(例えば、本色彩画像撮像システムで撮像した画像を、任意の画像解析手法を用いて解析してもよいし、任意の装置・条件で撮像した画像を、本色彩画像解析システムに供してもよい)。色彩画像撮像システムと色彩画像解析システムとを組み合わせて使用することにより、より人の目に近い管理・評価が可能となる。 The color image capturing / analyzing system of the present invention includes a color image capturing system and a color image analyzing system. It is also possible to use each independently (for example, an image captured by the color image capturing system may be analyzed using an arbitrary image analysis method, or an image captured by an arbitrary apparatus / condition) May be provided to the present color image analysis system). By using a combination of a color image capturing system and a color image analysis system, management / evaluation closer to human eyes becomes possible.

<1.色彩画像撮像システム>
本発明の色彩画像撮像システムは、主に、(1)試料設置台、(2)拡散円筒光源、(3)カメラ、及び(4)その他構成から構成される。本発明の色彩画像撮像システムの概略図を図1に、設計図を図2に、外観図を図3に示す。
<1. Color imaging system>
The color image capturing system of the present invention mainly includes (1) a sample mounting table, (2) a diffusion cylindrical light source, (3) a camera, and (4) other configurations. FIG. 1 is a schematic diagram of the color image capturing system of the present invention, FIG. 2 is a design diagram, and FIG. 3 is an external view.

(1)試料設置台
撮像対象物が生体鉱物(真珠等)や農産物(サイズの小さい物としてはイチゴ、大きい物としてはスイカ、カット品を含む)等であり、様々なサイズを有するため、ジャッキによる試料の高さ調節が可能な他、下記(2)円筒が開閉可能なように設計されている。又、円筒の直径は、スイカを撮像可能とするために38[cm]に設定されている。より大きな対象物の場合、円筒の直径を大きくすることで対応できる。
(1) Sample setting table The object to be imaged is biological minerals (pearls, etc.) or agricultural products (including strawberries for small items, watermelons and cut items for large items), etc. In addition to being able to adjust the height of the sample, the following (2) is designed so that the cylinder can be opened and closed. The diameter of the cylinder is set to 38 [cm] so that the watermelon can be imaged. For larger objects, this can be accommodated by increasing the diameter of the cylinder.

(2)拡散円筒光源
拡散円筒光源は、撮像対象物にほぼ均一な光が照射されることが望ましく、電球型蛍光灯と円筒からなる。光源である電球型蛍光灯としては、特に限定されないが、高い演色性を有することが望ましく、SPIRAL VITALIGHT(LS社製、演色指数92、色温度5500[K])が例示される。又、円筒の材質としては、特に限定されないが、対象物に照射されるスペクトルパターンが顕著な分布を有さないことが望ましく、標準白色ケント紙が例示される。標準白色ケント紙としては、ルミネッセンスニュートラルホワイト(特殊紙製)、マシュマロCOC (王子特殊紙製)等が例示される。
SPIRAL VITALIGHTの可視分光スペクトルを分光光度計(i1、エックスライト社製)にて測定した結果を図4に示す。このように任意のスペクトルパターンを有する光源であっても、標準白色ケント紙を介することによって、対象物に照射されるスペクトルパターンがピーク等の顕著な分布を有していなければよい(図5)。
円筒に対して4点から照明を照射することにより、拡散円筒内部で拡散光となって対象物に照射される。光源の数は4点から増減することも可能であるし、もちろん光源自体が、LED光源等を用いることにより、円筒形状を有していてもよい。
色彩照度計(CL-200、コニカミノルタ社製)により測定した拡散円筒内の照明ムラを図6に示す。円筒内においてほぼ均一の照度分布を有することがわかる。
(2) Diffusing cylindrical light source The diffusing cylindrical light source desirably irradiates the imaging object with substantially uniform light, and includes a light bulb type fluorescent lamp and a cylinder. Although it does not specifically limit as a light bulb type fluorescent lamp which is a light source, it is desirable to have high color rendering properties, and SPIRAL VITALIGHT (LS Co., color rendering index 92, color temperature 5500 [K]) is exemplified. Further, the material of the cylinder is not particularly limited, but it is desirable that the spectral pattern irradiated to the object does not have a significant distribution, and standard white Kent paper is exemplified. Examples of standard white Kent paper include luminescence neutral white (made of special paper), marshmallow COC (made of Oji Special Paper), and the like.
The result of measuring the visible spectrum of SPIRAL VITALIGHT with a spectrophotometer (i1, manufactured by X-Rite) is shown in FIG. Thus, even if it is a light source which has arbitrary spectral patterns, the spectral pattern irradiated to a target object should not have remarkable distributions, such as a peak, through standard white Kent paper (Drawing 5).
By illuminating the cylinder from four points, the object is irradiated with diffused light inside the diffusion cylinder. The number of light sources can be increased or decreased from four points. Of course, the light source itself may have a cylindrical shape by using an LED light source or the like.
Illumination unevenness in the diffusion cylinder measured by a color illuminometer (CL-200, manufactured by Konica Minolta) is shown in FIG. It turns out that it has a substantially uniform illuminance distribution in the cylinder.

(3)カメラ
撮像を行うカメラは、特に限定されないが、デジタル一眼レフカメラが望ましく、D300(Nikon社製)、レンズはAF Zoom Nikkor ED(Nikon社製)が例示される。又、カメラを固定する撮影台は、カメラの高さの変更に対して自由度が高いL-4(KING社製)が例示される。
(3) Although the camera that performs camera imaging is not particularly limited, a digital single-lens reflex camera is desirable, and D300 (Nikon) and the lens are AF Zoom Nikkor ED (Nikon). In addition, as an imaging stand for fixing the camera, L-4 (manufactured by KING) having a high degree of freedom with respect to changing the height of the camera is exemplified.

(4)その他構成
更に外光の影響を遮断するために、撮像システム全体を暗幕で覆うことが好ましい。暗室内での暗幕の光の反射をなくすため、暗幕は、表地が遮光一級の暗幕、裏地が黒色の暗幕である二重暗幕が好適である。又、色の再現性の高いモニタを撮像システム外に設置し、上記(3)カメラと該モニタとを接続することにより、モニタリングが可能となる。色の再現性の高いモニタとしては、特に限定されないが、SyncMaster XL24(Samsung製)が例示される。
(4) Other configuration It is preferable to cover the entire imaging system with a black curtain in order to further block the influence of external light. In order to eliminate the reflection of the light of the dark curtain in the dark room, the double curtain is suitable as the dark curtain where the outer surface is a light shielding first grade dark curtain and the lining is a black dark curtain. In addition, a monitor with high color reproducibility is installed outside the imaging system, and monitoring can be performed by connecting the (3) camera and the monitor. The monitor having high color reproducibility is not particularly limited, but SyncMaster XL24 (manufactured by Samsung) is exemplified.

鉄球、真珠、トマト、ナスについて、本発明の色彩画像撮像システムを用いずに撮像した画像(図7a)と、本発明の色彩画像撮像システムを用いて撮像した画像(図7b)とを比較したところ、本発明の色彩画像撮像システムを用いることにより、表面に光沢、色むら、凹凸を有する対象物であっても、反射光の影響が除去された画像を撮像可能であることがわかる。 For iron balls, pearls, tomatoes and eggplants, an image captured without using the color image capturing system of the present invention (FIG. 7a) and an image captured with the color image capturing system of the present invention (FIG. 7b) are compared. As a result, it can be seen that by using the color image capturing system of the present invention, it is possible to capture an image from which the influence of reflected light has been removed even for an object having gloss, uneven color, and unevenness on the surface.

<2.色彩画像解析システム>
本発明の色彩画像解析システムは、主に、(1)CDEに基づく画像解析と(3)Color HistogramとCDEに基づく色彩解析からなる。表面の色・分布・形状等が複雑な対象物については、(1)と(3)の間に、(2)アニュラーサークルの最適N数決定の工程を挿入することが望ましい。又、色彩画像解析システムはコンピュータ等の計算機上で実行される。
<2. Color image analysis system>
The color image analysis system of the present invention mainly comprises (1) image analysis based on CDE and (3) color analysis based on Color Histogram and CDE. For an object with a complex surface color, distribution, shape, etc., it is desirable to insert (2) an optimal N number determination step for the annular circle between (1) and (3). The color image analysis system is executed on a computer such as a computer.

(1)CDEに基づく画像解析
CDE(Color Distribution Entropy)は、非特許文献4に記載のNSDH(Normalized Spatial Distribution Histogram)と非特許文献5に記載の情報エントロピーに基づく、画像中の色の空間情報を求める手法である。
AiをColor bin iの集合、|Ai|をAiの個数とし、CiをAiの重心としたとき、Ciを同心とするN個の円を等間隔に描く。このとき、j番目のアニュラーサークルの中に含まれているColor bin iのピクセル数を|Aij|とする。PiをColor bin iのNSDHとすると、Piは式1(数1)、式2(数2)のように定義される。
又、EiをColor bin iのCDEとすると,Eiは式3(数3)のように定義される.
式3より、画像中に任意の色がどの程度分散しているかが与えられる。Eiの値が大きいほど,Color bin iのピクセルは分散しているといえる。
更に、CDEを改良したI-CDE(Improved CDE)も提案されている。I-CDEではまず、重み関数(式4(数4))を用いることで、重心に近いアニュラーサークルに対して重み付けを行う。
これにより、式3は式5(数5)のようになる。
又、エントロピーの対称性によって、異なるヒストグラムが同じエントロピーを持つ場合が生じる。即ち、全く異なる画像が同じエントロピーで表現されてしまう場合がある。この問題を解決するために、ヒストグラムエリアを用いた重み関数が提案されている。Hをヒストグラム{p1, p2, ・・・ ,pn}とすると、 HのヒストグラムエリアA(H)は式6(数6)のように定義される.
ヒストグラムエリアを用いた重み関数g(H)は、式7(数7)のように定義される。
これにより,式3は式8(数8)のようになる.
式3、式5、式8から、I-CDEは式9(数9)のように定義される。
上記のCDE は、画像全体の特徴化を行う。したがって、画像の特徴化を行うにあたり、図8(a)に示すように各色でそれぞれ重心座標と直径が異なるアニュラーサークルを基にして、情報エントロピーを計算するため、対象物のサイズに不適な結果となってしまう問題点があった。本発明では、8(b)に示すように対象物の長径を基にアニュラーサークルの大きさを決定し、色の分布情報が対象物のサイズにより正規化される。
(1) Image analysis based on CDE
CDE (Color Distribution Entropy) is a technique for obtaining color spatial information in an image based on NSDH (Normalized Spatial Distribution Histogram) described in Non-Patent Document 4 and information entropy described in Non-Patent Document 5.
If Ai is a set of Color bin i, | Ai | is the number of Ai, and Ci is the center of gravity of Ai, N circles with Ci concentric are drawn at equal intervals. At this time, the number of pixels of Color bin i included in the j-th annular circle is assumed to be | Aij |. If Pi is NSDH of Color bin i, Pi is defined as in Equation 1 (Equation 1) and Equation 2 (Equation 2).
If Ei is the CDE of Color bin i, Ei is defined as shown in Equation 3 (Equation 3).
Equation 3 gives how much an arbitrary color is dispersed in the image. The larger the value of Ei, the more dispersed the pixels of Color bin i.
Furthermore, I-CDE (Improved CDE) with improved CDE has also been proposed. In I-CDE, first, an annular circle close to the center of gravity is weighted by using a weighting function (Equation 4 (Equation 4)).
Thereby, Formula 3 becomes Formula 5 (Formula 5).
Also, different histograms may have the same entropy due to entropy symmetry. That is, a completely different image may be expressed with the same entropy. In order to solve this problem, a weight function using a histogram area has been proposed. If H is a histogram {p 1, p 2,..., P n }, H histogram area A (H) is defined as in Equation 6 (Equation 6).
The weight function g (H) using the histogram area is defined as shown in Equation 7 (Equation 7).
As a result, Equation 3 becomes Equation 8 (Equation 8).
From Equation 3, Equation 5, and Equation 8, I-CDE is defined as Equation 9 (Equation 9).
The above CDE characterizes the entire image. Therefore, when characterizing an image, information entropy is calculated based on an annular circle having a different centroid coordinate and diameter for each color as shown in FIG. There was a problem that would become. In the present invention, as shown in FIG. 8B, the size of the annular circle is determined based on the major axis of the object, and the color distribution information is normalized by the size of the object.

(2)CDEに基づく画像解析(アニュラーサークルの最適N数決定)
デジタル画像解析を行う際には、画像取得やプログラムによる計算の過程で様々な誤差が生じるため、理論的に導かれた解析手法を採用しても、実際の色彩解析結果にはこれらの誤差が含まれることになる。特に、農産物を対象にした場合、解析対象に併せて決定される最大アニュラーサークルのサイズと、アニュラーサークルの分割数が解析結果の精度に影響を与えることがある。
そこで、図9に示す、同じ色彩特徴を有する相似な画像、画像サイズが同じで色彩の空間分布が異なる画像およびベースの色相が異なる画像を作成した。表1にモデル画像のColor Histogramを示したが、(f)の図以外は赤と黒の色彩バランスはほぼ同じで(a)、(d)、(e)は色彩の空間配置が異なるもの、(a)、(b)、(c)は100%、70%、 50%の相似画像である。又、(a)と(f)は背景画像の色相が赤と青の画像である。これらの画像に対してそれぞれアニュラーサークルの分割数Nを10分割、20分割及び30分割と変えて色彩解析を施し、実際の画像解析作業における誤差評価を行い、アニュラーサークルの分割数NとCDE 値について検討した。
(2) Image analysis based on CDE (determining the optimal N number of annular circles)
When digital image analysis is performed, various errors occur in the process of image acquisition and program calculation, so even if a theoretically derived analysis method is adopted, these errors are not included in the actual color analysis results. Will be included. In particular, when targeting agricultural products, the size of the maximum annular circle determined in accordance with the analysis target and the number of divisions of the annular circle may affect the accuracy of the analysis result.
Therefore, similar images having the same color characteristics, images having the same image size and different color spatial distribution, and images having different base hues as shown in FIG. 9 were created. Table 1 shows the color histogram of the model image. Except for the figure (f), the color balance of red and black is almost the same, and (a), (d), and (e) are different in the spatial arrangement of colors. (A), (b), and (c) are similar images of 100%, 70%, and 50%. Also, (a) and (f) are images whose background images have red and blue hues. Each of these images is subjected to color analysis by changing the number of divisions N of the annular circles into 10 divisions, 20 divisions and 30 divisions, and an error evaluation is performed in the actual image analysis work, and the number N of annular circle divisions and the CDE value are evaluated. Was examined.

表2にモデル画像(図9)のCDE 解析の結果を示す。図9(a)〜(C)は同じ色彩特徴を有する相似な画像であるため、画像の色彩分布の複雑さに対応する最適なアニュラーサークルの分割数Nを与えた場合には、理論的には画像のサイズに関わらず、一定のCDE 値が得られると考えられる。表2に示すように、分割数を10、あるいは30とした際には、i=15(赤)とi=36(黒)におけるCDE 値のばらつきが最大で4.1%確認された。しかし、分割数を20とした場合、i=15(赤)とi=36(黒)におけるCDE 値のばらつきが1%以内に収まり、このモデル画像では分割数としてN=20
が適していることが示された。
このように、CDE 手法を用いた色彩解析においてはアニュラーサークルの分割数Nが極めて重要なパラメータとなることが分かる。このことから、アニュラーサークルの分割数N は色彩特徴を基に解析対象ごとに決定する必要があり、又、このパラメータは画像の色彩特徴の複雑さを表す指標として用いることができる。
又、画像のサイズが同じで色彩の空間分布が異なる図9(a)、図9(d)、及び図9(e)のCDE 値を比較すると,i=15
ではそれほど大きな差は見られなかったものの、i=36 において37%以上の差が確認された。この結果から、図9のモデル画像においては、CDE
値に1%以上の差が認められれば、物体の大きさに関係なく有意な色彩の差が存在するとみなすことができると考えられた。又、ベースの色相が異なる図9(a)と図9(f)のColor Histogram 解析の結果を比較すると、図9(a)の代表色がi=15であるのに対し、図9(f)ではi=174 であったことから、Color Histogram の結果からは画像の全体的な色合いの差異を評価できる。
Table 2 shows the results of CDE analysis of the model image (Fig. 9). Since FIGS. 9A to 9C are similar images having the same color characteristics, theoretically, when the optimum number N of annular circles corresponding to the complexity of the color distribution of the image is given, Is considered to give a constant CDE value regardless of the size of the image. As shown in Table 2, when the number of divisions was set to 10 or 30, the CDE value variation at i = 15 (red) and i = 36 (black) was confirmed to be 4.1% at maximum. However, if the number of divisions is set to 20, the CDE variation at i = 15 (red) and i = 36 (black) is within 1%. In this model image, N = 20
Was shown to be suitable.
Thus, it can be seen that the number N of annular circles is an extremely important parameter in color analysis using the CDE technique. Therefore, the number N of divisions of the annular circle needs to be determined for each analysis object based on the color feature, and this parameter can be used as an index representing the complexity of the color feature of the image.
Further, when the CDE values in FIGS. 9A, 9D, and 9E having the same image size and different color spatial distribution are compared, i = 15
Although not so large, a difference of 37% or more was confirmed at i = 36. From this result, in the model image of FIG.
If a difference of 1% or more was recognized, it was considered that there was a significant color difference regardless of the size of the object. Further, comparing the results of Color Histogram analysis in FIGS. 9A and 9F with different base hues, the representative color in FIG. 9A is i = 15, whereas FIG. ), I = 174, so the overall color difference of the image can be evaluated from the Color Histogram results.

(3)Color HistogramとCDEに基づく色彩解析
次に、Color HistogramとCDEを用いて画像の色彩解析を行う。この2つの解析手法を用いることで、Color
Histogramで色の出現頻度を比較して大まかな画像の評価ができ,更によく似たColor Histogramを持つ画像をCDEで比較することで、より細かな画像の評価が可能になる。解析に用いる画像の色空間をRGBからHSVに変換し256色に減色することで、コンピュータへの負荷を軽減し、解析結果の評価を容易にする。減色後の色は0〜255の値で表し、これをColor
bin iとする。Color bin iと色度変化の関係を図10示す。
(3) Color analysis based on Color Histogram and CDE Next, color analysis of the image is performed using Color Histogram and CDE. By using these two analysis methods, Color
By comparing the appearance frequency of colors with Histogram, rough images can be evaluated, and by comparing images with similar Color Histograms with CDE, more detailed images can be evaluated. By converting the color space of the image used for analysis from RGB to HSV and reducing it to 256 colors, the load on the computer is reduced and the analysis results can be easily evaluated. The color after color reduction is represented by a value between 0 and 255.
Let bin i. FIG. 10 shows the relationship between Color bin i and chromaticity change.

以上の解析をプログラム化することによって大幅な効率化が可能となる。様々な環境での使用を考慮し、画像解析プログラムはプラットフォームに依存しないソフトウェアを作成できるJava(登録商標)での開発が好ましい。開発した解析プログラムのフローチャートを図11に示す。 By making the above analysis into a program, significant efficiency can be achieved. In consideration of use in various environments, the image analysis program is preferably developed in Java (registered trademark), which can create software independent of the platform. A flowchart of the developed analysis program is shown in FIG.

以下に本発明の好適な一実施の形態を実施例によって具体的に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施形態によって限定されるものでなく、本発明の範囲で様々に改変して実施することができる。 One preferred embodiment of the present invention will be specifically described below by way of examples. However, the technical scope of the present invention is not limited by the following embodiments, and various modifications may be made within the scope of the present invention. Can be implemented.

<実施例1:真珠の色彩解析>
(1)ランク別の真珠の比較
専門家によってA、B、Cとランク付けされた真珠を色彩画像撮像システムにて撮像し、色彩解析をおこなうことでランクの違いの検出を行った。真珠画像撮像時のカメラの設定を表3に示す。
撮像した画像を図12、色彩画像解析システムによる解析結果を図13に示す。出現するColor
binの数はAで40、Bで27、Cで24となり、本発明の色彩画像撮像・解析システムを用いて真珠を等級別に分類できた。
(2)最適拡散円筒
拡散円筒の直径を変えて撮像した真珠画像を図14に示す。円筒の直径が変わると、出現するColor
binの数が変化することがわかった(表4)。特に円筒の直径が37[cm]のとき、ランクの違いが解析結果に顕著に表れていることから、真珠の分類を行うためには直径37[cm]の円筒が最適であると判断できる。
<Example 1: Color analysis of pearls>
(1) The pearls ranked A, B, and C by pearl comparison specialists by rank were imaged by a color image imaging system, and color analysis was performed to detect a difference in rank. Table 3 shows the camera settings during pearl image capture.
FIG. 12 shows the captured image, and FIG. 13 shows the analysis result by the color image analysis system. Appearing Color
The number of bins was 40 for A, 27 for B, and 24 for C, and pearls could be classified by grade using the color image capturing / analysis system of the present invention.
(2) Optimal diffusion cylinder FIG. 14 shows a pearl image captured by changing the diameter of the diffusion cylinder. Color that appears when the diameter of the cylinder changes
It was found that the number of bins changed (Table 4). In particular, when the diameter of the cylinder is 37 [cm], the difference in rank is noticeable in the analysis result. Therefore, it can be determined that the cylinder with the diameter of 37 [cm] is optimal for classifying the pearls.

<実施例2:イチゴの色彩解析>
色彩画像撮像システムにてイチゴの色彩画像を撮像し、品種の違いの検出を行った。
試料としてのイチゴは、野菜茶業研究所にて栽培されている3種類の栽培条件の下で育てられた34品種のイチゴを2010年1月から2月に採取し、冷蔵庫で保存した上で、採取から72時間以内のものを使用した。使用したイチゴの品種一覧を表5に、イチゴ画像撮像時のカメラの設定を表6に示す。
<Example 2: Color analysis of strawberry>
Color images of strawberries were picked up by a color image pickup system, and the difference in variety was detected.
Strawberries as samples were collected from January to February 2010 from 34 kinds of strawberries grown under the three types of cultivation conditions cultivated at the Vegetable Tea Industry Research Institute and stored in the refrigerator. The one within 72 hours after collection was used. Table 5 shows the list of strawberry varieties used, and Table 6 shows the camera settings when capturing strawberry images.

まず、標準的なイチゴ画像を選び出し、イチゴのサイズのバリエーションを考慮し、この画像と同じ色彩特徴を有する2種類の相似な画像として、60%画像および150%画像を作成した。図15 にこれらのイチゴ画像を示す。これらの画像に対してアニュラーサークルの分割数Nをそれぞれ10分割、20分割、30分割、40分割及び50分割と変えて色彩解析を施し、実際の画像解析作業における誤差評価を行い、イチゴ画像の解析に最適と考えられるアニュラーサークルの数の決定と、その際に生ずる誤差を検討した。
拡大率を変えた標準イチゴ画像の色彩解析の結果を表7と表8に示す。表8から、標準イチゴの色彩解析ではアニュラーサークルの分割数を40としたときに、CDE値のばらつきが0.01%以内と最も小さくなり、これより分割数を増減させると、誤差が大きくなることが確認できる。
First, a standard strawberry image was selected, and variations of the strawberry size were taken into consideration, and 60% and 150% images were created as two similar images having the same color characteristics as this image. FIG. 15 shows these strawberry images. These images are subjected to color analysis by changing the number of divisions N of the annular circles to 10, 20, 30, 40 and 50, respectively, and error evaluation in actual image analysis work is performed. The determination of the number of annular circles considered to be optimal for the analysis and the error that occurred at that time were examined.
Tables 7 and 8 show the results of color analysis of the standard strawberry image with different magnification rates. Table 8 shows that in the color analysis of standard strawberries, when the number of divisions of the annular circle is 40, the CDE value variation is the smallest within 0.01%, and when the number of divisions is increased or decreased, the error increases. I can confirm.

次に、色彩画像解析システムによるイチゴの表面画像を図16に示す。表面画像では、色彩評価に悪影響を及ぼす種周辺のてかりが消え、表面テクスチャが正確に記録されていることが確認できた。 Next, the surface image of strawberry by a color image analysis system is shown in FIG. In the surface image, it was confirmed that the shining around the species that adversely affects the color evaluation disappeared and the surface texture was recorded accurately.

<実施例3:イチゴの栽培診断>
色彩画像撮像システムにて撮像したイチゴ(久留米16号)の色彩画像について、色彩画像解析システムにより全試料の画像から標準的なイチゴのCDE、形状、大きさを算出し、全試料と標準的なイチゴとのCDE、形状、大きさの類似度を求めた。
イチゴのCDEの算出方法を式10(数10)に、全試料と標準的なイチゴとのCDEの類似度を表す図を図17に示す。
次に、イチゴの形状の算出を非特許文献6に記載の方法により行った。全試料と標準的なイチゴとの形状の類似度を表す図を図18上図に示す。
更に、イチゴの大きさ(長径及び短径)の算出方法を式11(数11)に、全試料と標準的なイチゴとの大きさの類似度を表す図を図18下図に示す。
以上により求めた全試料と標準的なイチゴとのCDE、形状、大きさを3次元プロット(図19)し、全試料のプロットについて、標準的なイチゴからの類似度のユークリッド距離を求めた(図20)。栽培過程のイチゴの色彩画像を撮像し、図20と比較することにより、栽培過程のイチゴと標準的なイチゴの類似度を検出することができる。即ち、栽培過程のイチゴと標準的なイチゴの類似度から栽培過程の診断が可能となる。
<Example 3: Cultivation diagnosis of strawberry>
For the color image of the strawberry (Kurume No. 16) imaged by the color image imaging system, the color image analysis system calculates the standard strawberry CDE, shape, and size from the image of all the samples. The degree of similarity of CDE, shape and size with strawberry was calculated.
FIG. 17 shows a calculation method of the strawberry CDE in Formula 10 (Equation 10), and shows the CDE similarity between all samples and standard strawberry.
Next, the shape of the strawberry was calculated by the method described in Non-Patent Document 6. A diagram showing the similarity in shape between all samples and a standard strawberry is shown in the upper diagram of FIG.
Furthermore, the calculation method of the size (major axis and minor axis) of the strawberry is shown in Equation 11 (Equation 11), and a diagram showing the similarity in size between all samples and a standard strawberry is shown in the lower diagram of FIG.
The CDE, shape, and size of all the samples obtained as described above and the standard strawberry were plotted three-dimensionally (FIG. 19), and the Euclidean distance of the similarity from the standard strawberry was obtained for the plots of all the samples ( FIG. 20). By capturing a color image of the strawberry in the cultivation process and comparing it with FIG. 20, the similarity between the strawberry in the cultivation process and a standard strawberry can be detected. That is, the cultivation process can be diagnosed from the similarity between the strawberry in the cultivation process and the standard strawberry.

更に、イチゴ断面についても、全試料と標準的なイチゴとのCDE、形状、大きさの類似度を求め、図20の結果と合わせてプロットした(図21)。この6次元のユークリッド距離による総合類似度により、外観品質だけでなく、内観品質に関する管理・評価が可能となる。即ち、栽培過程のイチゴの色彩画像を撮像し、図21と比較することにより、栽培過程のイチゴと標準的なイチゴの類似度から、内部品質も含めた栽培過程の診断が可能となる。 Furthermore, similarities of CDE, shape and size of all the samples and standard strawberry were obtained for the strawberry cross section and plotted together with the results of FIG. 20 (FIG. 21). The overall similarity based on the 6-dimensional Euclidean distance enables management / evaluation regarding not only the appearance quality but also the interior quality. That is, by taking a color image of a strawberry in the cultivation process and comparing it with FIG. 21, the cultivation process including the internal quality can be diagnosed from the similarity between the strawberry in the cultivation process and a standard strawberry.

上記は、ユークリッド距離による類似度を用いた農産物の管理・評価システムであるが、標準イチゴからのユークリッド距離ではなく、標準イチゴからのコサイン尺度(図22)を用いてもよい。
イチゴ表面及び断面について、全試料と標準的なイチゴとのサイズ類似度、色彩類似度、形状類似度をプロットし、標準的なイチゴからのコサイン尺度を求めた。図23に示す6次元のコサイン尺度による総合類似度により、イチゴの順列においてより一致し、有効性が示された。
The above is an agricultural product management / evaluation system using the similarity based on the Euclidean distance, but instead of the Euclidean distance from the standard strawberry, a cosine scale from the standard strawberry (FIG. 22) may be used.
About the strawberry surface and cross section, the size similarity, color similarity, and shape similarity of all the samples and standard strawberry were plotted, and the cosine scale from standard strawberry was calculated | required. The overall similarity based on the 6-dimensional cosine scale shown in FIG. 23 is more consistent in the permutation of strawberries, indicating effectiveness.

以上より、本発明の色彩画像撮像・解析システムにより、農産物の栽培過程、収穫過程、加工・流通・販売過程において、CDE、サイズ、色彩、形状、大きさ等のパラメータを任意に選択・抽出し、各過程における撮像画像と標準的な農産物画像との類似度を用いて、外観・内観品質を管理・評価できる。
From the above, the color image imaging / analysis system of the present invention arbitrarily selects / extracts parameters such as CDE, size, color, shape, size, etc. in the cultivation process, harvesting process, processing / distribution / sales process of agricultural products. The appearance / introspection quality can be managed and evaluated using the similarity between the captured image and the standard agricultural product image in each process.

Claims (6)

(A)色彩画像撮像システム及び/又は(B)色彩画像解析システムからなる色彩画像撮像・解析システムであって、
(A)色彩画像撮像システムは、円筒型拡散光源を有し、該光源内に対象物を設置すること及び該光源の円筒底面中心部に垂直な軸の上部にカメラが設置されていること
(B)色彩画像解析システムは、CDE(Color Distribution Entropy)に基づく画像解析工程と、Color Histogramに基づく色彩解析工程とからなり、
前記画像解析工程において対象物画像の長径の両端を含むアニュラーサークルを最大アニュラーサークルとすること及びCDEの誤差を抑制するアニュラーサークルの分割数Nを決定すること
を特徴とする色彩画像撮像・解析システム。
A color image capturing / analyzing system comprising (A) a color image capturing system and / or (B) a color image analyzing system,
(A) The color image capturing system has a cylindrical diffused light source, the object is installed in the light source, and the camera is installed on the upper part of the axis perpendicular to the center of the cylindrical bottom surface of the light source .
(B) Color image analysis system, Ri Do from an image analyzing step based on the CDE (Color Distribution Entropy), and color analyzing step based on the Color Histogram,
A color image capturing / analyzing system characterized in that in the image analysis step, an annular circle including both ends of the major axis of the object image is set as a maximum annular circle, and the number N of divisions of the annular circle that suppresses CDE errors is determined. .
請求項記載の色彩画像撮像・解析システムを用いてなる生体鉱物の品質管理及び/又は品質評価システム。 A quality control and / or quality evaluation system for biominerals using the color image capturing / analysis system according to claim 1 . 請求項記載の色彩画像撮像・解析システムを用いてなる農産物の品質管理及び/又は品質評価システム。 A quality control and / or quality evaluation system for agricultural products using the color image capturing / analysis system according to claim 1 . 請求項記載の色彩画像撮像・解析システムを用いてなる農産物の栽培診断装置。 A cultivation diagnostic apparatus for agricultural products using the color image imaging / analysis system according to claim 1 . 標準的な農産物とのCDEの類似度、形状の類似度及び大きさの類似度を評価指標とすることを特徴とする請求項3に記載の農産物の品質管理及び/又は品質評価システム。The quality control and / or quality evaluation system for agricultural products according to claim 3, wherein the evaluation index is a CDE similarity, a shape similarity, and a size similarity with a standard agricultural product. 標準的な農産物とのCDEの類似度、形状の類似度及び大きさの類似度を評価指標とすることを特徴とする請求項4に記載の農産物の栽培診断装置。5. The agricultural cultivation diagnostic apparatus according to claim 4, wherein the CDE similarity, the shape similarity, and the size similarity with a standard agricultural product are used as evaluation indexes.
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