KR100400861B1 - Machine vision system for on-line extraction and qualification of appearance quality factors of fruit and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 과실 외관품질 인자의 온라인 검출 및 정량화를 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 프레임부(20)에 제공된 컨베이어부(10)와; 상기 컨베이어부 (10)에 의해 이송되는 과실을 감지하도록 제공된 광센서(37)와; 상기 광센서(37)의 감지신호에 따라 선택된 과실의 전체적인 색, 결점 및 형상에 관한 영상을 획득하도록 각기 제공된 과실의 상부 영상을 획득하는 제1영상획득부(31)와 과실의 좌우측부 영상을 각기 획득하는 제2 및 제3영상획득부(33)(35)를 갖는 영상획득수단(30)과; 상기 컨베이어부(10), 광센서(37), 영상획득수단(30)과 각기 전기적으로 연결되어 있으며, 과실의 등급판정 프로그램이 내장되어 있어 전송된 다중영상을 판독하여 과실의 등급을 판정하고, 전송된 다중영상 및 과실등급 판정값을 표시하는 모니터(90)를 구비한 컴퓨터 시스템(COM)을 포함하여 상품성을 결정하는 과실의 외부품질인자 중 색, 결점 및 형상에 따른 선별과정을 정량화하여 과실의 정지상태 또는 이송상태에서 등급판정을 실시간적으로 수행함으로써 선별자의 주관에 의해 선별되던 종래에 비하여 과실의 엄격한 선별관리를 통한 과실의 품질을 향상시켜 소비자로 하여금 과실의 품질에 대한 신뢰도를 개선할 수 있는 특징이 있다.The present invention relates to a system and method for online detection and quantification of fruit appearance quality factors, comprising: a conveyor unit (10) provided in a frame unit (20); An optical sensor (37) provided to detect the fruit carried by the conveyor unit (10); The first image acquisition unit 31 and the left and right side images of the fruit are respectively acquired to acquire an upper image of each provided fruit so as to acquire an image related to the overall color, defect and shape of the selected fruit according to the detection signal of the optical sensor 37. Image acquisition means (30) having second and third image acquisition units (33, 35), respectively; The conveyor unit 10, the optical sensor 37, and the image acquisition means 30 are electrically connected to each other, and a rating program of fruits is built therein to read the transmitted multiple images to determine the grade of the fruits, Including the computer system (COM) having a monitor (90) displaying the transmitted multiple images and the fruit grading determination value, the selection process according to the color, defect and shape among the external quality factors of the fruit determining the merchandise By performing grading in real time in the stopped state or in the transport state, it is possible to improve the quality of fruit through the strict screening of fruit compared to the conventional sorting by the selector's supervision. There are features that can be.
Description
본 발명은 과일 외관품질 인자의 온라인 검출 및 정량화를 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사과의 주요 외관품질인자인 색, 결점(病斑, 打傷, 刺傷) 및 형상을 정량화하도록 광학적 특성을 구명하여 온라인으로 품질인자를 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for on-line detection and quantification of fruit appearance quality factors, and more particularly, to optically quantify the color, defect (점, 打傷, 刺傷) and shape of the main appearance quality factors of apples. A system and method for evaluating characteristics and measuring quality factors online.
사과의 학명은 Malus pumila Miller로서 낙엽과수를 대표할 만큼 모양과 맛에서 뛰어난 과실로 먹기에 간편하고 맛도 좋을 뿐만 아니라 영양적 가치와 효능이 널리 알려져 있다. 우리나라는 자연적 기후조건이 과실 재배에 적합하여 농산물 생산의 감소에도 불구하고 농업에서 사과가 차지하는 비중은 증가하는 추세를 보이고 있으며, 생산량 또한 '85년 556,160톤에서 '97년 651,000톤으로 17%나 증가하였다. 그러나, 국내적으로 재배면적이 증가하여 공급과잉을 보이고 있고, 국제적으로는 UR 협상의 타결로 미국 등 주요 사과 생산국과 국내외에서 경쟁이 불가피하게 되어 국내 사과산업에 커다란 위기로 받아들여지고 있다.Apple's scientific name is Malus pumila Miller, which is representative of the deciduous fruit, and its fruit is excellent in shape and taste. In Korea, the natural climatic conditions are suitable for fruit cultivation, and despite the decline in agricultural production, the share of apples in agriculture is increasing, and the production also increased by 17% from 556,160 tons in '85 to 651,000 tons in '97. It was. However, domestically grown cultivation area is showing oversupply, and UR negotiations are internationally inevitable competition with major apple producers such as the United States at home and abroad.
과실의 품질인자에 대한 선호도를 분석한 이계임(1998) 등은 소비자의 구매 행위를 크게 가정 소비용과 선물용으로 나누고 각각의 경우에 대해서 품질인자의 선호도를 분석한 결과 가정 소비용과 선물용에 대한 소비자의 품질 인자에는 차이가 있음을 보고하였다. 이는 소비자의 과실에 대한 요구가 매우 주관적이고 소비 형태에 따라 선호 품질인자가 달라진다는 것을 의미하는 것으로 품질에 대한 요구도를 만족하기 위해서는 무엇보다도 다양한 품질인자별 선별작업이 수행될 필요가 있다.Lee Gye-im (1998), who analyzed the preferences for fruit quality factors, divides consumer buying behavior into household consumption and gifts, and analyzes the preferences of quality factors in each case. Reported differences in quality factors. This means that the consumer's demand for fruit is very subjective and the preferred quality factor varies according to the type of consumption. In order to satisfy the demand for quality, above all, various sorting by quality factors need to be performed.
한편, 과실을 수출하는 경우 크기와 색이 균일해야 하는데 현재 우리나라에서는 생산자에 따라 주관적인 등급결정을 함으로써 경쟁력 면에서 외국의 청과물에 떨어질 수 밖에 없다. 따라서, 생산된 과실의 부가가치를 높이기 위해서는 현재 사용되고 있는 중량선별 이외에 다른 선별작업이 추가되어야 한다. 현재 과실 선별작업체계는 대부분 중량선별만이 이루어지고 있고 일부 기계시각장치에 의한 색 선별이 수행되고 있으나 형상이나 결점과 같은 기타 품질인자에 대해서는 대부분 1차 선별대에서 인력에 의해 수행되고 있다.On the other hand, when exporting fruits, the size and color should be uniform. Currently, in Korea, subjective grading by producers is inevitable in foreign fruits and vegetables. Therefore, in order to increase the added value of the fruits produced, other sorting operations must be added in addition to the currently used weight sorting. Currently, the fruit sorting system is mostly made of weight screening and color sorting by some mechanical visual devices, but most of the other quality factors such as shapes and defects are performed by manpower at the primary sorting table.
또한, 선별과 같은 단순 반복작업을 인력에 의해 수행할 경우 선별자의 주관이 개입될 가능성이 매우 높고 선별 결과 또한 재현성이 떨어지는 등 출하되는 농산물의 품질관리는 사실상 불가능하다. 이는 공산품의 경우 엄격한 품질관리를 통해서 제품의 질을 향상시킴으로써 소비자에게 제품에 대한 신뢰도를 심어주기 위해 노력하는 것과는 매우 대조된 현상이라고 할 것이다. 또한, 농가의 입장에서는 인력선별을 할 경우 생산된 과실의 품위에 대한 수치화 된 자료를 얻을 수 없으므로 생산한 과실에 대한 특성을 파악할 수 없으며, 차후 보다 향상된 농산물을 출하하기 위한 재배기술의 향상도 기대하기 어렵다. 이처럼 선별작업은 단순히 과실을 고르는 작업이 아니라 부가가치 향상과 소비자에 대한 신뢰도를 부여한다는 점에서 매우 중요한 작업체계라고 할 것이다.In addition, if a simple repetitive task such as sorting is performed by a human being, the quality control of agricultural products that are shipped is virtually impossible because the sorter's subjectivity is very likely to be involved and the sorting result is also less reproducible. This is in stark contrast to the effort to instill confidence in the product by improving the quality of the product through strict quality control. In addition, farmers cannot obtain numerical data on the quality of the produced fruit when selecting a manpower, so the characteristics of the produced fruit cannot be grasped, and further improvement of the cultivation technology for shipping more improved agricultural products is expected. Difficult to do As such, the screening work is not only a task of picking fruit, but also a very important work system in that it provides added value and gives confidence to consumers.
선별작업은 과실의 상품성을 높일 수 있는 핵심작업으로 선별인자에 따라 크기, 무게, 형상, 색 및 상처유무와 같은 외부품질에 대한 선별과 당도, 산도, 맛, 향기와 같은 내부품질에 대한 선별로 나눌 수 있다. 국내의 선별작업은 전자식 센서에 의한 중량선별만이 보편화된 실정이며 최근 색선별을 위한 시작기가 제작되어 전시회 출품 및 일부 현장에서 사용된 바 있다. 선진 외국의 경우 다양한 품질인자에 대한 선별이 이루어지고 있으나 이것을 수입하여 국내에서 사용하기에는 과실의 모양, 크기, 색깔, 등급규격 등이 다르기 때문에 국내에서 생산되는 과실에 적합하지 않은 단점이 있다.The sorting work is the core work to improve the commerciality of fruits. The sorting process is based on sorting factors for the external quality such as size, weight, shape, color, and the presence of scars, and for the internal quality such as sugar, acidity, taste, and aroma. Can be divided. In Korea, only the screening by the electronic sensor is used for screening in general, and recently, a starter for color screening has been produced and used in exhibitions and at some sites. In advanced countries, various quality factors are screened, but it is not suitable for the fruits produced in Korea because the shape, size, color, grade, etc. of the fruits are different for importing and using them in Korea.
기계시각장치를 이용한 선별기는 선별기는 과실의 크기와 색에 대한 선별이 가능하고 최근 전자산업의 발달로 가격이 하락하고 있어 과거에 비해 보급이 용이하다고 판단된다. 국내에는 외국의 기계시각장치를 이용한 과실 선별시스템이 도입되어 사용되고 있으며 이들은 과실을 이송 로울러에 의해 굴리면서 이송시키는 방식과 접시에 과실이 놓여진 상태에서 접시를 이송시키는 방식 그리고 자유 이송접시에 의해 개체를 이송시키는 방식으로 나눌 수 있다. 이송 로울러에 의해 과실을 굴리는 방식은 과실의 전 표면을 관찰할 수 있다는 장점이 있으나 이송시 과실이 충격을 받을 가능성이 있고 특히, 배출시 낙하 운동에 의해 어느 정도 충격을 받게 되는 단점이 있다. 접시에 의한 이송 방식은 과실을 이송시킬 경우에 충격은 없으나 배출시에 마찬가지로 충격을 받게 되며, 자유이송접시에 의한 이송방식은 이송에서 배출에 이르기까지 과실이 충격을 거의 받지 않는 장점이 있으나, 시스템이 복잡해지고 이송접시에 의해 과실의 전표면을 관찰할 수 없다는 단점이 있다. 국내에서 생산되는 과실 예를 들면, 사과는 과피의 두께가 얇고 조직이 연하여 충격에 매우 민감하므로 개체를 굴리는 방식을 채택하는 경우 선별 과정에서 물리적인 충격에 의해 멍이 들 가능성이 높으며 이에 따른 상품성이 떨어질 우려가 있다.The sorting machine using the mechanical visual device can sort the size and color of the fruit, and the price is falling due to the development of the electronic industry. In Korea, fruit sorting system using a foreign machine visual system has been introduced and used, and they are conveyed by rolling the fruit by a conveying roller, by conveying the plate while the fruit is placed on the plate, and by the free conveying plate. Can be divided in a way. The method of rolling the fruit by the transfer roller has the advantage of observing the whole surface of the fruit, but there is a possibility that the fruit may be shocked during the transfer, and in particular, the impact may be somewhat impacted by the drop motion during the discharge. The conveying method by the dish has no impact when transferring the fruit, but it is similarly impacted upon discharging. The conveying method by the free conveying plate has the advantage that the fruit is hardly impacted from conveying to discharging. This becomes complicated and the disadvantage of not being able to observe the whole surface of the fruit by a feed plate. Fruits produced in Korea, for example, are very sensitive to impact due to their thin skin and soft tissue, so if the object is rolled, it is more likely to be bruised by physical impact during the selection process. There is a risk of falling.
과실은 상품성이 높은 작물로서 외관에 의해 상품가치가 좌우되고 있다. 즉 과실의 맛을 평가하기에 앞서 눈으로 보아 피해가 없는 건전한 과실이 높은 가격을 받게 된다.Fruit is a highly commercial crop, and its value depends on its appearance. In other words, before evaluating the taste of fruit, healthy fruit without damage is seen high price.
이에 본 발명은 전술된 문제점을 극복하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 상품성을 결정하는 과실의 외부품질인자 중 색, 결점 및 형상에 따른 선별과정을 정량화하여 과실의 정지상태 또는 이송상태에서 등급판정을 실시간적으로 수행할 수 있는 과실 외관품질 인자의 온라인 검출 및 정량화를 위한 시스템 및 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention was created to overcome the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to quantify the sorting process according to color, defect and shape among the external quality factors of fruit to determine the merchandise. The present invention provides a system and method for online detection and quantification of fruit appearance quality factors capable of performing grading in real time.
도 1은 본 발명에 의한 과실 외관품질 인자의 온라인 검출 및 정량화를 위한 시스템을 나타내는 사시도.1 is a perspective view showing a system for on-line detection and quantification of fruit appearance quality factors according to the present invention.
도 2는 도 1 시스템의 개략도.2 is a schematic representation of the FIG. 1 system.
도 3은 도 1의 제1영상획득부를 나타내는 개략도.FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a first image acquisition unit of FIG. 1. FIG.
도 4는 도 1의 제2 및 제3영상획득부를 나타내는 개략도.FIG. 4 is a schematic diagram illustrating second and third image acquisition units of FIG. 1; FIG.
도 5는 본 발명의 시스템에 의해 획득된 과실의 7채널 영상을 나타내는 사진.Figure 5 is a photograph showing a seven-channel image of the fruit obtained by the system of the present invention.
도 6은 각 파장대역에서 후지과실의 정상 부위와 결점 부위의 Mahalanobis 거리를 나타내는 그래프.FIG. 6 is a graph showing Mahalanobis distances between normal and defect areas of Fuji fruit in each wavelength band. FIG.
도 7은 본 발명의 시스템에 의한 등급선별방법을 나타내는 흐름도.7 is a flowchart showing a grading method according to the system of the present invention.
도 8은 본 발명의 시스템에 의한 색등급 판정단계를 나타내는 흐름도.8 is a flowchart showing a color grade determination step by the system of the present invention.
도 9는 본 발명의 시스템에 의한 결점판정단계를 나타내는 흐름도.9 is a flow chart showing the defect determination step by the system of the present invention.
<<도면의 주요부분에 대한 설명>><< Description of main part of drawing >>
10 : 컨베이어부 20 : 프레임부10: conveyor portion 20: frame portion
30 : 영상획득수단 31,33,35 : 영상획득부30: image acquisition means 31, 33, 35: image acquisition unit
37 : 광센서37: light sensor
312,313,314,333,334,353,354 : 카메라 90 : 모니터312,313,314,333,334,353,354 Camera 90 Monitor
COM : 컴퓨터 시스템COM: Computer System
이러한 목적을 가지는 본 발명의 시스템은, 프레임부에 설치되어 과실을 이송하는 컨베이어부와, 상기 컨베이어부에 의해 이송되는 과실이 영상획득위치에 위치하는지를 감지하는 광센서와, 상기 광센서의 감지신호에 따라 제1영상획득부가 영상획득위치에 위치한 과실의 상부를 하나의 칼라 카메라와 2개의 흑백 카메라로 촬영하여 하나의 칼라 영상과 2개의 근적외선 흑백영상을 획득하고 제2 및 제3영상획득부가 과실의 좌측부와 우측부를 2개의 흑백 카메라로 촬영하여 각기 2개의 근적외선 흑백영상을 획득하는 영상획득수단과, 상기 컨베이어부, 광센서, 영상획득수단과 각기 전기적으로 연결되고 상기 영상획득수단이 획득한 과실의 영상들을 저장된 등급판정 프로그램에 따라 판독하여 과실의 등급을 판정하고, 과실의 영상 및 과실등급 판정값을 모니터에 표시하는 컴퓨터 시스템을 포함하여 구성된 과실 외관품질 인자의 온라인 검출 및 정량화를 위한 시스템에 의해 달성될 수 있다.The system of the present invention having such an object includes a conveyor unit installed in the frame unit for conveying fruit, an optical sensor for detecting whether the fruit conveyed by the conveyor unit is located at an image acquisition position, and a detection signal of the optical sensor. The first image acquisition unit captures the upper part of the fruit located at the image acquisition position with one color camera and two monochrome cameras to acquire one color image and two near infrared monochrome images, and the second and third image acquisition units Image acquisition means for acquiring two near-infrared monochrome images by photographing the left side and the right side of the camera with two black and white cameras, and an object electrically connected to the conveyor unit, the optical sensor, and the image acquiring means, respectively, and obtained by the image acquiring means. The images of the fruits are read according to the stored grading program, and the grade of the fruits is determined. It can be achieved by a system for on-line detection and quantification of the fruit appearance quality factor configured, including a computer system to display on the monitor.
또한, 본 발명의 방법은, 컨베이어부에 의해 이송되는 과실이 영상 획득위치에 위치할 경우에 영상획득수단이 과실의 상부를 촬영하여 하나의 칼라 영상과 2개의 근적외선 흑백영상을 획득하고 과실의 좌측부와 우측부를 각기 2개의 흑백 카메라로 촬영하여 각기 2개의 근적외선 흑백영상을 획득하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에서 획득한 과실 상부의 칼라영상으로 과실의 색등급을 판정하는 제 2 단계와, 상기 제 1 단계에서 획득한 과실 상부의 2개의 근적외선 흑백영상으로 병반결점, 타상결점 및 자상결점을 검출하고 형상 등급을 판정하는 제 3 단계와, 상기 제 1 단계에서 획득한 좌측부 및 우측부의 각기 2개씩의 근적외선 흑백영상으로 병반결점, 타상결점 및 자상결점을 검출하는 제 4 단계와, 상기 제 2 단계 내지 제 4 단계에서 검출한 색등급, 병반결점, 타상결점 및 자상결점과 형상등급을 모니터상에 표시하는 제 5 단계로 이루어진 과실 외관품질 인자의 온라인 검출 및 정량화 판정방법에 의해 달성될 수 있다.In addition, in the method of the present invention, when the fruit conveyed by the conveyor unit is located at the image acquisition position, the image acquisition means photographs the upper part of the fruit to acquire one color image and two near infrared monochrome images, and the left part of the fruit. A first step of acquiring two near-infrared monochrome images by respectively photographing the right and the second parts with two black-and-white cameras; and a second step of determining the color grade of the fruit by using the color image of the upper part of the fruit obtained in the first step; A third step of detecting pathologic defects, contusion defects and autologous defects and determining a shape grade using two near infrared black and white images of the upper part of the fruit obtained in the first step, and each of the left part and the right part obtained in the first step; A fourth step of detecting pathologic defects, bruising defects, and autologous defects using a near-infrared monochrome image of each dog; and the color grade and the disease detected in the second to fourth steps. It can be achieved by on-line detection and quantification determination method of fruit appearance quality factor consisting of the fifth step of displaying the half defect, the other defect and the auto defect and the shape grade on the monitor.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 의한 과실 외관품질 인자의 온라인 검출 및 정량화를 위한 시스템은 컨베이어부(10)에 의해 연속적으로 이송되는 과실중에서 측정위치에 도달한 과실을 상부와 좌우 양측에서 실시간적으로 촬영하여 다중영상을 획득하도록 프레임부(20)의 임의 위치에 영상획득수단(30)을 설치하고, 각각의 획득된 영상자료를 모니터(90)에 표시하는 한편, 획득된 영상을 판독하여 과실의 등급을 결정하도록 프로그램이 내장된 컴퓨터 시스템(COM)으로 구성되어 있다.The system for on-line detection and quantification of fruit appearance quality factor according to the present invention is to take a picture of the fruit in real time from the upper and left and right sides to reach the measurement position in the fruit continuously transported by the conveyor unit 10 to take a multi-image Install the image acquisition means 30 at any position of the frame portion 20 to acquire, display each acquired image data on the monitor 90, and read the acquired image to determine the grade of the fruit. It consists of an embedded computer system (COM).
프레임부(20)는 본 발명 시스템의 전체적인 중량을 감안하여 다수 개의 철재바에 의해 지주골조(21)가 형성되어 있고, 전술된 영상획득수단(30)과 컨베이어부(10)가 설치될 수 있도록 지주골조(21)의 상부면에 베이스 프레임(23)이 설치되어 있다.Frame portion 20 is a strut frame 21 is formed by a plurality of steel bars in consideration of the overall weight of the system of the present invention, the strut so that the above-described image acquisition means 30 and the conveyor unit 10 can be installed The base frame 23 is provided on the upper surface of the frame 21.
그리고, 영상획득수단(30)에 의해 과실의 실시간적 촬영이 이루어질 경우에 최적의 조도를 구현하도록 베이스 프레임(23)의 상부면에 설치된 지지골조(25)에 조명수단(50)이 설치되어 있다. 또한, 상기 영상획득수단(30)은 과실의 상부면, 예를 들면, 과실꼭지부를 촬영하는 제1영상획득부는 전술한 지지골조(25)의 상단부에 설치된 지지 플레이트(27)의 상부면에 설치되어 있다. 그리고, 상기 지지 플레이트 (27)의 중심부분에는 제1영상획득부(31)의 카메라 렌즈가 과실의 꼭지부분을 촬영할 수 있도록 개구부가 형성되어 있다.In addition, the lighting means 50 is installed in the support frame 25 installed on the upper surface of the base frame 23 so as to realize the best illuminance when the real-time shooting of the fruit is made by the image acquiring means 30. . In addition, the image acquisition means 30 is installed on the upper surface of the support plate 27 installed on the upper surface of the upper surface of the fruit, for example, the upper surface of the support frame 25, for example, the first image acquisition unit It is. In addition, an opening is formed in the central portion of the support plate 27 so that the camera lens of the first image acquisition unit 31 can photograph the top of the fruit.
조명수단(50)은 균일한 조명을 얻기 위하여 텅스텐-할로겐등(51;200W)을 지지골조(25)에 소정의 각도로 다수 개가 설치되어 있으며, 이는 과실의 타상 및 자상 검출을 위한 970nm에 대한 카메라의 응답특성이 매우 낮으므로 이를 보상하기 위하여 매우 강한 조명이 요구되기 때문이며 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.The luminaire 50 is provided with a plurality of tungsten-halogen lamps (51; 200W) at a predetermined angle to the support frame 25 in order to obtain uniform illumination, which is about 970nm for the detection of bruises and streaks of fruit. Since the response characteristic of the camera is very low, very strong illumination is required to compensate for this, and a detailed description thereof will be described later.
컨베이어부(10)는 과실의 연속적인 이송을 위해 베이스 프레임(23)의 상부면에 설치된 것으로, 본 도면에서는 구동수단인 모터와 컨베이어간의 기계적 연결관계가 명확하게 나타나 있지 않다. 또한, 본 발명의 시스템이 실제 과실등급판정을 위한 출하장등에 설치되는 경우에는 컨베이어부(10)가 그에 대응한 길이를 갖는다.여기서, 컨베이어부(10)의 이송속도는 최대 50cm/sec까지 조절되는 것이 바람직하다.Conveyor unit 10 is installed on the upper surface of the base frame 23 for the continuous transport of the fruit, the mechanical connection between the motor and the conveyor as a driving means is not clearly shown in this figure. In addition, when the system of the present invention is installed in a shipping place for determining the actual fruit grade, the conveyor unit 10 has a corresponding length. Here, the conveying speed of the conveyor unit 10 is adjusted up to 50 cm / sec. It is desirable to be.
상기 영상획득수단(30)은 이송되는 과실을 실시간적으로 촬영하여 다중영상을 획득하도록 베이스 프레임(23)의 상부면에 설치된 것으로, 과실의 꼭지부분인 상부를 촬영하는 제1영상획득부(31)과, 컨베이어부(10)의 좌우 양측에 설치되어 과실의 좌우측부를 각기 촬영하는 제2 및 제3영상획득부(33)(35)로 구성된다. 여기서, 컨베이어부(10)에 의해 이송되는 과실은 컴퓨터 시스템(COM)에 제어되는 광센서(37)에 의해 감지되고, 과실이 영상 획득위치에 위치되었음을 광센서(37)가 감지할 경우에 영상획득부(31)(33)(35)에 의한 영상획득이 시작된다.The image acquisition means 30 is installed on the upper surface of the base frame 23 so as to capture the transferred fruit in real time to obtain multiple images, the first image acquisition unit 31 for capturing the upper portion of the fruit ) And second and third image acquisition units 33 and 35 which are provided on both left and right sides of the conveyor unit 10 and photograph the left and right sides of the fruit, respectively. Here, the fruit conveyed by the conveyor unit 10 is detected by the optical sensor 37 controlled by the computer system COM, and the image when the sensor 37 detects that the fruit is located at the image acquisition position Image acquisition by the acquisition units 31, 33, 35 is started.
먼저, 도 3을 참조하여 제1영상획득부(31)의 구조를 설명하면, 제1영상획득부(31)는 광분할기(311)를 통해 입사된 광을 3방향으로 분할하여 각 방향에 한대의 칼라 카메라(312)와 근적외선 영상획득을 위한 두 대의 흑백카메라 (313)(314)가 스텐드(317)에 각기 설치되어 있다.First, referring to FIG. 3, the structure of the first image acquisition unit 31 will be described. The first image acquisition unit 31 divides the light incident through the light splitter 311 into three directions, one in each direction. Color camera 312 and two black and white cameras 313 and 314 for near-infrared image acquisition are respectively installed in the stand 317.
여기서, 광분할기(311)는 카메라를 한 면에 장착할 경우에 각각의 카메라가 차지하는 공간으로 인하여 실제 측정되는 과실의 영역이 서로 다르게 나타나기 때문에 2개의 광분할편(311a)(311b)을 연속적으로 내장하여 한 면에서 3대의 카메라에 의해 3개의 영상을 획득할 수 있도록 구성되어 있다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, 광분할기(311)는 하우징(311c)의 상하부면의 일정부분이 개구된 구조로서 하부의 개구부를 통해 광이 입사되면 그 입사된 광을 분할하여 각기 대응된카메라(314)(313)(312)에 의해 과실의 영상을 획득하도록 광분할판(311a)(311b)이 경사지게 수직이격되어 내장되어 있다. 이 때, 입사된 광을 일정한 비율로 분할하기 위해 투과율과 반사율이 각각 7:3과 6:4인 2개의 광분할판(311a)(311b)이 내장되어 있어 각 카메라(314)(313)(312)의 렌즈에 대해 각기 30%, 28%, 42%의 비율로 광이 입사되도록 되어 있다.In this case, when the camera is mounted on one surface of the light splitter 311, two light splitting pieces 311a and 311b are continuously connected because the area of the fruit measured differently appears due to the space occupied by each camera. It is built so that three images can be acquired by three cameras on one side. In more detail, the light splitter 311 has a structure in which a predetermined portion of the upper and lower surfaces of the housing 311c is opened, and when light is incident through the lower opening, the light splitter 311 divides the incident light into a corresponding camera 314. The optical splitter plates 311a and 311b are inclined vertically spaced apart so as to acquire an image of the fruit by 313 and 312. At this time, two light splitting plates 311a and 311b having a transmittance and a reflectance of 7: 3 and 6: 4, respectively, are built in to divide the incident light into a constant ratio. 30%, 28%, and 42% of light is incident on the lens of the lens.
도 3에 나타나 있는 바와 같이, 각각의 광분할판(311a)(311b)에 의해 분할된 광은 각기 전술된 바와 같이 일정비율로 각기 대응된 카메라(313)(314)에 입사되는데, 이 때 분할된 광이 입사되는 하우징(311c)의 입사면에는 각기 720nm 필터 (311d)와 970nm 필터(311e)가 설치되며, 전술된 파장대역의 필터(311d)(311e)를 사용하는 이유에 대해서는 후술하기로 한다.As shown in FIG. 3, the light divided by each of the light splitting plates 311a and 311b is incident on the corresponding cameras 313 and 314 at a constant ratio as described above, respectively. 720 nm filter 311 d and 970 nm filter 311 e are respectively provided in the entrance surface of the housing 311 c to which light is incident, and the reason for using the above-mentioned wavelength band filter 311 d and 311 e will be described later. .
여기서, 등급판정은 광센서(37)에 의해서 이송 상태의 과실이 칼라 카메라(312)의 하단인 영상획득위치에 도달하였다는 신호가 입력되면 영상을 획득하게 되는데, 칼라 카메라(312)에 의한 칼라 영상에서 색 등급을 판정하고 제2흑백 카메라(314)는 결점을 검출하며 제1흑백 카메라(313)는 형상 등급을 판정하도록 되어 있다. 특히, 형상 판정을 970nm 제1흑백 카메라(313)에서 수행한 이유는 상대적으로 과실과 카메라 사이의 거리가 가장 근접하여 공간해상도가 다른 영상보다 크기 때문이다.Here, the grading is obtained by receiving an image when a signal indicating that the fruit in the conveying state has reached the image acquisition position, which is the lower end of the color camera 312, by the optical sensor 37. The color grade is determined in the image, the second monochrome camera 314 detects a defect, and the first monochrome camera 313 is configured to determine the shape grade. In particular, the shape determination is performed in the 970nm first monochrome camera 313 because the distance between the fruit and the camera is relatively close and the spatial resolution is larger than other images.
칼라 카메라(312)로 획득한 영상에서의 세부적인 측정내용은 과일 화소수, 착색 화소수이며 제1흑백 카메라(313)에서는 장단축 길이, 도심과 꼭지의 거리, 면적이 측정된다.The detailed measurement contents in the image acquired by the color camera 312 are the number of fruit pixels and the number of colored pixels. In the first black and white camera 313, the length and length of short and short axis, the distance between the center and the nipple, and the area are measured.
본 시스템에 적용된 칼라 카메라(312)는 LG-305G(LG Honeywell사)이고, 흑백카메라(313)(314)는 LG-145E(LG Honeywell사)를 사용했으며, 초점거리 16mm인 고정초점렌즈(f 1.4, Avenir)이고, 영상획득을 위한 칼라영상처리보드는 FlashBus MV-Pro (Integral tech. USA)를 사용하였으며, 펜티엄 MMX 233MHz의 CPU를 장착한 컴퓨터 시스템(COM)을 등급판정을 위한 주 컴퓨터로 사용하였다.The color camera 312 applied to this system is the LG-305G (LG Honeywell), and the monochrome cameras 313 and 314 used the LG-145E (LG Honeywell), and a fixed focal length lens having a focal length of 16 mm (f). 1.4, Avenir), and the color image processing board for image acquisition was using FlashBus MV-Pro (Integral tech. USA), and the computer system (COM) equipped with Pentium MMX 233MHz CPU was used as the main computer for grading. Used.
도 4를 참조하면, 제2 및 제3영상획득부(33)(35)는 각 광분할기(331)(351)에 내장된 광분할판(331a, 331b)(351a, 351b)에 의해 분할된 광이 각기 대응된 제1 및 제2흑백 카메라(333, 334)(353, 354)에 입사되어 각기 사과의 좌우측부를 촬영하여 영상을 획득하게 되어 있다. 여기서, 제2 및 제3영상획득부(33)(35)의 카메라들 (333, 334)(353, 354)들은 전술된 제1영상획득부(31)의 제1 및 제2카메라(313)(314)들과 동일한 기능 및 성능을 갖는 카메라이며 필터들(331d, 351d ; 720nm)(331e, 351e ; 970nm) 또한 동일한 파장 대역 필터들이다.Referring to FIG. 4, the second and third image acquisition units 33 and 35 divide the light divided by the light splitters 331a and 331b and 351a and 351b built into the light splitters 331 and 351. The first and second black and white cameras 333 and 334 and 353 and 354 respectively correspond to the left and right sides of the apple to acquire an image. Here, the cameras 333, 334, 353, and 354 of the second and third image acquisition units 33 and 35 may include the first and second cameras 313 of the first image acquisition unit 31 described above. A camera having the same function and performance as 314 and filters 331d, 351d; 720nm and 331e, 351e; 970nm are also the same wavelength band filters.
전술된 제1 내지 제3영상획득부(31)(33)(35)에 의해 획득된 영상은 각기 대응된 멀티플렉서(50)(60)에 의해 컴퓨터 시스템(COM)에 전송되어 모니터(90)에 표시된다. 이때, 제1멀티플렉서(50)는 제1영상획득부(31)에 획득된 1개의 칼라 영상과 2개의 흑백 영상을 그리고, 제2멀티플렉서(60)는 제2 및 제3영상획득부(33)(35)에서 각기 획득된 흑백 영상 2개씩을 컴퓨터 시스템(COM)에 전송한다.The images acquired by the first to third image acquisition units 31, 33, 35 described above are transmitted to the computer system COM by the corresponding multiplexers 50, 60, respectively, to the monitor 90. Is displayed. In this case, the first multiplexer 50 draws one color image and two black and white images acquired by the first image acquisition unit 31, and the second multiplexer 60 receives the second and third image acquisition units 33. Each of the two black and white images obtained at 35 is transmitted to the computer system COM.
도 5는 본 발명의 시스템에 의해 실제 과실의 색, 결점 및 형상을 판정하도록 7대의 카메라에서 획득된 영상이 모니터(90)에 표출된 사진으로서, 1,2,3사분면은 과실의 상부면에 칼라와 근적외선 흑백 영상을, 4사분면은 좌우 측면 근적외선 영상을 보여주고 있다. 사진에서 보듯이 측면 제2 및 제3영상획득부(33)(35)의 카메라를 사용할 경우 상부면에서는 보이지 않는 측면의 결점 부위를 영상으로 획득할 수 있었다.5 is a photograph in which images obtained from seven cameras are displayed on the monitor 90 so as to determine the color, defect and shape of the actual fruit by the system of the present invention. Color and near infrared black and white images are shown, and quadrant 4 shows left and right lateral near infrared images. As shown in the photograph, when using the cameras of the second and third image acquisition units 33 and 35, the defects of the side surfaces not visible from the upper surface could be obtained as images.
본 발명에서는 근적외선 파장을 결정하기 위하여 샘플 시료를 대상으로 15개의 근적외선 대역에서의 화소치를 구하고 Mahalanobis 거리를 사용하여 판별가능성을 조사하였다. 도 6은 각 파장대역에서 정상 부위와 결점 부위의 Mahalanobis 거리를 나타낸 것으로서, 각 파장별 결점 검출 가능성을 분석하였다. 먼저 타상과 자상에 대한 Mahalanobis 거리는 파장이 증가함에 따라 미약하지만 증가하는 특성을 보여주었으며 수분 흡수 파장인 970nm 파장에서 가장 큰 거리 차이를 보여주었다. 이에 비해 병판에 대한 Mahalanobis 거리는 720nm 파장에서 최대 거리 차이를 보여 주었으며 파장이 증가할 수록 거리가 감소하는 특성을 보여주어 타상 및 자상과는 상반되는 특성을 갖는 것으로 나타났다.In the present invention, in order to determine the near-infrared wavelength, pixel values in 15 near-infrared bands were obtained from sample samples and the discriminatibility was investigated using the Mahalanobis distance. Figure 6 shows the Mahalanobis distance between the normal region and the defect region in each wavelength band, and analyzed the defect detection possibility for each wavelength. First, the Mahalanobis distance to the bruise and the magnetic field was weak but increased as the wavelength was increased, showing the largest distance difference at the water absorption wavelength of 970nm. On the other hand, Mahalanobis distance to the lesion showed the maximum distance difference at the wavelength of 720nm, and the distance decreased as the wavelength was increased.
한편, 3가지 결점에 대한 Mahalanobis 거리의 역수를 취한 값을 합하여 정상과 결점을 구분하기 위한 판별값을 계산하였다. 여기서 판별값은 거리의 역수를 취하였으므로 값이 작을수록 판별율이 높다는 것을 의미하며 분석 결과 3가지 결점에 대한 일정한 거리 차이를 갖는 920nm가 가장 낮은 판별값을 갖는 것으로 나타났다.On the other hand, the sum of the inverses of the Mahalanobis distances for the three defects was summed to calculate the discriminant to distinguish between normal and defects. In this case, since the inverse value is taken as the inverse of the distance, the smaller the value, the higher the discrimination rate. The analysis result shows that 920nm having the constant distance difference for the three defects has the lowest discrimination value.
이상의 결과를 종합해보면, 각각의 결점을 검출하기 위한 파장으론 병반에 대해서 720nm, 타상 및 자상에 대해서 970nm가 유의하며 병반이 타상과 자상보다는 상대적으로 검출이 용이할 것으로 판단되며 이들 결점을 동시에 검출하기 위한 단일 파장으로는 920nm가 가장 적합한 것으로 나타났다.Taken together, the wavelength for detecting each defect is 720nm for lesions and 970nm for bruises and cuts, and the lesions are easier to detect than bruises and scratches. As a single wavelength for 920nm was found to be the most suitable.
도 7를 참조하여 본 발명의 시스템에 의한 등급선별 단계를 설명하면, 먼저 컨베이어부(10)에 이송되는 과실이 광센서(37)에 의해 제1영상획득부(31)의 칼라 카메라(312)의 하부에 도달된 것으로 감지되면(S10) 영상을 획득한다(S11). 그런 다음, 칼라 카메라(312)에 의해 획득된 1번 채널 영상을 판독하여 색 등급을 판정한다(S12).Referring to FIG. 7, the grading step according to the system of the present invention is described. First, the fruit transferred to the conveyor unit 10 is the color camera 312 of the first image acquisition unit 31 by the optical sensor 37. If it is detected that the bottom of the (S10) to obtain an image (S11). Then, by reading the first channel image obtained by the color camera 312 to determine the color grade (S12).
제1영상획득부(31)의 근적외선 제2흑백 카메라(314)에 의해 획득된 2번 채널 영상을 판독하여 과실의 상부 결점을 검출하고(S13), 제1영상획득부(31)의 근적외선 제1흑백 카메라(313)에 의해 획득된 3번 채널 영상을 판독하여 과실의 결점 및 형상등급을 검출한다(S14). 이어서, 제2 및 제3영상획부(33)(35)의 각 카메라(333, 334)(353, 354)에 의해 획득된 4-7번 채널 영상으로부터 과실의 좌우측부 결점을 검출한 후(S15) 모니터(90)에 판정결과를 표시한다(S16).The near-infrared defect of the first image acquisition unit 31 is detected by reading the channel 2 image acquired by the near-infrared second monochrome camera 314 of the first image acquisition unit 31 (S13), and the near-infrared ray of the first image acquisition unit 31 is detected. The channel number 3 acquired by the 1 monochrome camera 313 is read to detect faults and shape grades of the fruit (S14). Subsequently, the left and right side defects of the fruit are detected from the channel images 4-7 obtained by the cameras 333, 334 (353, 354) of the second and third image capturing units 33, 35 (S15). The determination result is displayed on the monitor 90 (S16).
도 8을 참조하여 등급선별 단계중, 색 등급의 판정단계를 상세하게 설명하면, 먼저 컨베이어부(10)에 이송되는 과실이 광센서(37)에 의해 제1영상획득부(31)의 칼라 카메라(312)의 하부에 도달된 것으로 감지되면(S20) 과실의 윤곽선의 시작 위치를 탐색하고 시작점에서 체인코딩을 수행하여 배경과 과실을 분리한다(S21).Referring to FIG. 8, the color grading step of the grading step is described in detail. First, the fruit transferred to the conveyor unit 10 is the color camera of the first image acquisition unit 31 by the optical sensor 37. When it is detected that the lower portion of the 312 (S20) to detect the start position of the contour of the fruit and performs a chain coding at the starting point to separate the background and the fruit (S21).
그런 다음, 직반사와 조명 불균일에 의한 영향을 배제하기 위해서 과실 윤곽선에서 10개 화소 폭만큼을 분석, 화소에서 제외시키고 과실의 꼭지는 그의 중심에서 최대반경의 20%에 해당하는 범위를 꼭지 부위로 간주하고 이 영역에 대해서는 착색 화소 판정을 수행하지 않는다(S22). 과실의 착색 화소 판정(24)은 화소의 RGB값에 대한 LUT(Look-up Table)값을 참조하여(S23) b*/a*값에 대한 기울기를 계산하는 방식을 사용하여 이 때 기울기 각도가 71도 이내인 경우는 착색화소로, 그 이상인 경우에는 지색 화소로 간주하여 착색 비율을 결정한다(S28). 여기서, 착색 화소 판정(24)은 도 8에 나타나 있는 바와 같이 화소단위로 이루어지기 때문에 해당 화소에 대해 판정이 수행되고 계속해서 다른 화소(S26)에도 동일한 방법에 의해 판정이 수행되다가 영상의 단부, 즉 색채 화소가 없는 것으로 확인되면(S27) 전술된 바와 같이 착색 비율이 결정되어 과실의 색채등급이 판정된다(S28).Then, in order to rule out the effects of direct reflection and illumination unevenness, 10 pixel widths are analyzed and excluded from the pixel, and the nipples of the fruit should be 20% of the maximum radius from the center. In this case, the color pixel judgment is not performed on this area (S22). The color pixel determination 24 of the fruit refers to a look-up table (LUT) value with respect to the RGB value of the pixel (S23) and calculates the slope for the b * / a * value. If it is within 71 degrees, it is regarded as a colored pixel, and if it is larger than that, it is regarded as a color pixel and the coloring ratio is determined (S28). Here, since the colored pixel determination 24 is made in pixel units as shown in FIG. 8, the determination is performed on the corresponding pixel, and the determination is subsequently performed on the other pixels S26 by the same method. That is, when it is confirmed that there are no color pixels (S27), the coloring ratio is determined as described above, and the color grade of the fruit is determined (S28).
전술된 LUT는 L*a*b*값이 저장된 것으로 본 발명에 의한 시스템이 가동되면 컴퓨터 시스템(COM)의 주메모리에 상주되는 값이다. 또한, 최종적인 등급판정은 국내 후지사과의 경우 색 요구에 따라 착색비율 60% 이상은 1등급으로, 40-60%는 2등급으로, 40% 미만은 3등급으로 결정하였다.The LUT described above is a value of L * a * b * and is a value resident in the main memory of the computer system COM when the system according to the present invention is operated. In the case of Fuji apple, the final grade was decided as 1 grade, 40-60% grade 2, and less than 40% grade 3, depending on the color requirement.
도 9를 참조하여 등급선별 단계중, 결점판정단계를 상세하게 설명하면, 먼저 본 단계는 제1영상획득부(31)의 근적외선 제2흑백 카메라(314)에 의해 획득된 2번 채널로부터 시작된다(S31). 그런 다음, 채널 영역의 Area Of Interest(분석영역)를 설정하고(S32) 과실의 시작 위치를 탐색하고 NIR 영상을 체인코딩한다(S33).Referring to FIG. 9, the defect determination step will be described in detail with reference to FIG. 9. First, this step starts from the second channel acquired by the near-infrared second monochrome camera 314 of the first image acquisition unit 31. (S31). Then, the area of interest (analysis area) of the channel area is set (S32), the start position of the fruit is searched, and the NIR image is chaincoded (S33).
과실의 꼭지가 보이는 상부 영상(2번 또는 3번 채널)인가를 검증하여(S34) 상부 영상이면 과실과 배경을 분리하고 과실꼭지를 제거하고(S37) 과실의 꼭지가 없는 좌우측부 영상인 경우에는 배경으로부터 과실영역을 구분한 다음(S35) 과실을 수직으로 3등분한다(S36) 그런 다음, 과실의 평균 그레이(gray)값을 획득하고 결점화소를 계수한다(S38). 이러한 과정은 2번 채널에서 한 채널씩 채널수를 증가시켜(S40) 7번 채널까지 반복적으로 수행되며(S39), 7번 채널까지 완료되면 총 결점화소의 개수를 측정하여 결점 문턱값(결점 화소수 70개) 이상일 경우에는 과실내에 결점이 존재한 것으로 판단하여 비정상과로 판정하고(S43), 결점 문턱값 이하인 경우에는 과실내에 결점이 없는 것으로 간주하여 정상과로 판정한다(S42).Verify that the top image (channel 2 or 3) of the fruit faucet is visible (S34). If the top image is separated from the fruit and background, remove the fruit faucet (S37). After dividing the fruit area (S35) and dividing the fruit vertically into three (S36), the average gray value of the fruit is obtained and the defect pixels are counted (S38). This process is repeatedly performed to channel 7 by increasing the number of channels by one channel in channel 2 (S40), and when the channel 7 is completed, the defect threshold value (defective pixel) is measured by measuring the total number of defective pixels. 70 or more), it is determined that there is a fault in the fruit and is determined to be an abnormal fruit (S43). If it is less than the fault threshold, it is determined that there is no fault in the fruit and is determined to be a normal fruit (S42).
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 구조에 의하면, 상품성을 결정하는 과실의 외부품질인자 중 색, 결점 및 형상에 따른 선별과정을 정량화하여 과실의 정지상태 또는 이송상태에서 등급판정을 실시간적으로 수행함으로써 선별자의 주관에 의해 선별되던 종래에 비하여 과실의 엄격한 선별관리를 통한 과실의 품질을 향상시켜 소비자로 하여금 과실의 품질에 대한 신뢰도를 제고할 수 있도록 하는 장점이 있다.As described above, according to the structure of the present invention, by quantifying the sorting process according to the color, defect and shape of the external quality factors of the fruit to determine the merchandise by performing the grading in real time in the stationary state or transport state of the fruit Compared with the prior art screened by the selector's supervision, there is an advantage to improve the quality of the fruit through strict screening of the fruit to enable consumers to improve the reliability of the fruit.
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