基于图像处理的果蔬溯源秤系统的开发与研究

摘要

随着国家对于食品溯源体系建设的日益重视，商务部“肉类蔬菜流通追溯体系”正在紧锣密鼓的开展中。溯源秤作为集计量称重、打印凭证、无线通讯、电子结算、数据上传为一体的终端设备，通过与物联网技术的“嫁接”，已经成为了食品流通追溯体系中的关键一环。目前传统的溯源秤主要采用人工记忆输入或二维码标签、RFID标签扫描的形式来输入果蔬产品的类别信息，不仅需要耗费大量的人力物力成本，同时也不利于果蔬产品的自动售卖。为解决上述问题，本文开发研究了基于图像处理的果蔬溯源秤系统。本系统采用C/S架构模式，客户端和服务端之间采用无线网络进行数据通信，其中客户端运行在嵌入式系统平台上，负责果蔬销售功能和果蔬图像识别;服务端运行在PC机平台上，负责对客户端销售的信息进行管理。
　　本文主要工作内容和创新点如下:
　　(1)设计了果蔬溯源秤系统的整体方案，系统采用C/S架构，通过无线局域网，服务端软件可以远程管理客户端上的数据。搭建了系统开发所必须的软硬件开发环境，为开发溯源秤系统奠定了基础。
　　(2)在自制的图像采集平台上，拍摄了六种光照环境下的13种果蔬图像数据库，共计1560张果蔬图像。研究了果蔬图像预处理算法，提出了一种基于Lab颜色空间的K均值聚类图像分割算法，与经典分割算法的对比试验显示了本算法对于果蔬图像分割的准确性和光照鲁棒性。
　　(3)深入研究了果蔬图像的全局颜色直方图特征和局部二值模式特征，比较了OAO、OAA和DAG这三种多类SVM算法。在此研究基础之上，提出了一种基于颜色纹理特征的多类SVM果蔬识别算法。基于本文果蔬图像数据库的对比识别实验，验证了本文提出的GCH+LBP+OAO SVM果蔬识别算法的有效性和实用性。
　　(4)完成了溯源秤系统的客户端软件和服务端软件的开发。客户端软件开发中重点研究了基于V4L2的图像采集模块的开发、称重数据串口通信模块的开发和基于wpa_supplicant的Linux Wi-Fi通信模块开发;服务端软件开发中详细设计了溯源秤系统数据库，开发了信息管理界面，制定了服务端与客户端之间的通信协议，并且实现了基于Tcp协议的Socket通信编程。
　　(5)搭建了实地联试环境，对整个系统进行了全面的功能测试。在测试中，系统运行良好、功能实现正确，验证了本系统具有较高的实用价值。

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摘要

英文摘要

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第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题背景与意义

1．2．1 溯源秤系统发展现状

1．2．2 果蔬识别国内外发展现状

1．2．3 基于图像处理的果蔬溯源秤系统可行性分析及发展意义

1．3 系统简介及技术难题

1．3．1 基于图像处理的果蔬溯源秤系统简介

1．3．2 技术难题

1．4 论文研究内容及章节安排

第二章 系统总体设计

2．1 溯源秤系统总体设计

2．2 系统硬件开发平台

2．2．1 Tiny210V2开发板平台

2．2．2 USB摄像头选取

2．2．3 Wi-Fi模块介绍

2．3 系统软件开发环境搭建

2．3．1 溯源秤客户端软件开发环境

2．3．2 溯源秤服务端软件开发环境

2．4 本章小结

第三章 果蔬图像数据库构建及预处理算法研究

3．1 果蔬图像获取及数据库构建

3．2 图像预处理算法

3．2．1 图像切割

3．2．2 滤波

3．2．3 分割及形态学处理

3．3 本章小结

第四章 果蔬图像识别算法研究

4．1 引言

4．2 果蔬颜色及纹理特征提取算法

4．2．1 颜色特征

4．2．2 纹理特征

4．3 多类SVM分类器研究

4．3．1 一对多SVM

4．3．2 一对一SVM

4．3．3 有向无环图SVM

4．4 基于颜色纹理特征的多类SVM果蔬识别

4．4．1 三种多类SVM果蔬识别性能比较实验

4．4．2 颜色纹理特征识别性能比较实验

4．4．3 果蔬溯源秤SVM模型训练

4．5 本章小结

第五章 溯源秤系统开发与实现

5．1 溯源秤客户端开发与实现

5．1．1 图像采集模块

5．1．2 界面显示模块

5．1．3 称重模块

5．1．4 Wi-Fi网络通信模块

5．2 溯源秤服务端开发与实现

5．2．1 信息管理模块

5．2．2 网络通信模块

5．3 本章小结

第六章 系统运行与测试

6．1 系统运行配置

6．1．1 客户端运行环境配置

6．1．2 果蔬溯源秤服务端软件发布

6．2 实地联试

6．2．1 果蔬溯源秤服务端功能测试

6．2．2 果蔬溯源秤客户端功能测试

6．3 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 论文工作总结

7．2 研究方向展望

致谢

参考文献

作者简介