温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统与方法

摘要

本发明提供了温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统与方法。所述系统主要包括储水槽(4)、冷却水管(5)、光源固定底座(6)、光源冷却罩(7)、工业相机固定底座(8)、工业相机冷却罩(9)、冷却罩固定法兰(10)、冷却水泵(11)、工业相机与镜头(14)、光源(15)，所述系统起到采集图像，并将干燥室与工业相机隔离开来，防止高温使工业相机、镜头与光源变性的作用。同时本发明还公布了使用上述系统的方法，所述方法用来控制工业相机采集图像的频率，实时获取物料的形态与色泽，并调控干燥室内的温、湿度。采用机器视觉在线检测形态与色泽的方法，较使用游标卡尺测量物料尺寸与使用色差仪测定物料色泽的方式，可提高测量精度与效率。

说明书

技术领域

本发明涉及农产品干燥技术领域，特别是涉及温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统与方法。

背景技术

干燥是现有技术中农产品加工与储藏的重要环节，其中热风干燥为主要的干燥方式之一。热风干燥过程中，热量通过物料表面传导到内部，而水分则从内向外传导，干燥初期，由于物料内外温差较大，往往出现表面干燥结壳而内部含水率很高的现象，此时，物料表面结壳会对于物料内部湿份的扩散产生阻力。此外,干燥过程物料蒸发出的水分随热风排出干燥室，进入干燥室的冷空气需要重新加热，存在能源利用率低的现象。

在热风干燥的基础上，结合温湿度过程控制与分阶段控制技术，可在干燥初期采用较高的空气相对湿度,以减缓物料表面的干燥速率，避免物料表面结壳以及由于物料内外温差、水分梯度较大而产生的收缩现象；同时，还可利用物料蒸发出的水分来提高干燥室内的焓值，有助于加速物料内部升温。不同于以往的热风干燥，此时的湿热空气在干燥室内循环，不排入室外环境，有效降低了加热新进入干燥室内冷空气的能耗。待物料内外温度平衡，湿份较易由内部迁移至物料表面时，逐渐降低空气相对湿度，则可以大大加速干燥过程的进行。已有研究表明，适宜的相对湿度及其保持时间有助于改善干燥产品的色泽与形态，所以为精确确定适合物料的相对湿度与保持高湿的时间，需对物料在干燥过程中的色泽与形态进行检测。

物料的色泽与形态变化是表征物料干燥品质的重要指标，当前的检测方法大多是定期将干燥物料从干燥室内取出并拍摄图像，进行图像处理，从而得到物料的色泽与形态。然而，对于温湿度过程控制的热风干燥技术，在干燥前期，干燥室内需保持高温高湿状态，若采用离线检测的方法，则会破坏高湿环境，所以需在不打开干燥室的情况下进行检测。

因此希望有温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统与方法，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明提供温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统与方法，目的在于为防止干燥室内的湿热气体对工业相机与镜头产生损害，须将工业相机、镜头与干燥室隔开，保持工业相机与镜头在可正常工作的温度70℃以下工作，降低人工劳动强度，消除开关干燥室取放物料对于干燥条件的影响。

本发明公开了温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统，包括：干燥室、扰流风机、储水槽、冷却水管、光源固定底座、光源冷却罩、工业相机固定底座、工业相机冷却罩、冷却罩固定法兰、冷却水泵、工业相机与镜头、风机和光源；

所述干燥室整体外形呈矩形结构，内部利用隔板分隔成两个腔，在所述干燥室内侧的隔板上设置有扰流风机，在所述干燥室外部的顶端的一侧设置有矩形的具有两个储存空间的储水槽，在所述干燥室外部的顶端另一侧设置有用于安装光源冷却罩和工业相机冷却罩的通孔，冷却水泵安装在通孔旁，在所述干燥室外部的下部一侧设置有风机；

所述工业相机冷却罩和光源冷却罩整体均呈圆柱形结构，在所述工业相机冷却罩和光源冷却罩的底端均采用高温防护玻璃，所述工业相机冷却罩和光源冷却罩的下部均设置有冷却罩固定法兰，所述工业相机冷却罩和光源冷却罩的上部均设置有两个冷却水管连接口，所述工业相机冷却罩的顶端设置有工业相机固定底座、所述光源冷却罩的顶端设置有光源固定底座；

所述工业相机固定底座呈圆形且顶端设置有数据线出口，所述工业相机固定底座的底端设置有工业相机与镜头；

所述光源固定底座呈圆形且顶端设置有数据线出口，所述光源固定底座的底端设置有光源；

所述储水槽中的冷却水通过所述冷却水泵经过所述冷却水管泵送到所述工业相机冷却罩和光源冷却罩中，对工业相机与镜头和光源进行冷却，再通过所述冷却水管输送到所述冷却水槽。

优选地，所述干燥室的侧端开口处设置有干燥机门合页。

优选地，所述干燥室的两侧的外侧板的内侧面沿高度方向平行设置多道料盒架，所述隔板对应设置有多道料盒架。

优选地，所述干燥室外部的顶端另一侧设置有用于安装光源冷却罩和工业相机冷却罩的所述通孔的数量为3个。

优选地，所述冷却罩固定法兰与所述光源冷却罩、工业相机冷却罩的联接方式为螺栓联接，便于在不需检测物料外观的情况下将光源冷却罩、工业相机冷却罩替换为盲盖。

优选地，所述光源冷却罩、工业相机冷却罩均采用水冷的方式降低内部温度，在所述工业相机冷却罩两侧分别设置有一个所述光源冷却罩，三者的中心位于同一条直线上，三者的高温防护玻璃与干燥室内部的顶部平齐，且玻璃前面具有除雾模块，保证机器视觉系统不受高温高湿环境的影响，可采集到清晰的图像。

优选地，两个所述光源冷却罩共用一个冷却水泵，所述工业相机冷却罩单独使用另一个冷却水泵，所述冷却水泵均为自吸泵。

一种使用上述温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统的方法，包括以下步骤：

步骤1：将物料放置在与其颜色对比度高的背景上，并开启所述在线检测系统，将图像采集分为三个阶段，并设置前两段时间的长度与每个阶段的采集频率，输入图像区域内放置物料的个数n，然后启动干燥机；

步骤2：获取当前时间所拍摄的图像，并使用基于Qt与OpenCV开发的软件对图像进行灰度化、滤波去噪处理，之后再进行二值化处理；

步骤3：遍历二值图像，判断非连通区域的个数a是否等于物料个数n,若判断结果为否，则运用形态学运算去除杂质白点直至a＝n；若判断结果为是，则进行下一步骤；

步骤4：该步骤分为两个部分：步骤4.1：提取步骤3所得的二值图像上每个非连通区域的像素点个数Atn，使用像素点个数表示每个非连通区域的面积；步骤4.2：利用步骤3所得到的二值图像与该图像的彩色图像做掩膜运算，得到物料与背景分离的图像；

步骤5：该步骤分为两部分：步骤5.1：利用当前图像所得的每个非连通区域的面积Atn与第一张图像上对应的非连通区域的面积A1n得到当前每个非连通区域的收缩率，求取此时的平均收缩率；步骤5.2：将掩膜后的图像由RGB色彩空间转换至Lab色彩空间，并计算每个非连通区域的平均L、a、b值，三者计算方法相同，以L值计算为例：

式中，Average_Ltn为t时刻第n个非连通区域的平均L值，Lt为t时刻图像的L分量，Ltn为t时刻L分量的第n个非连通区域的L值，Atn为t时刻第n个非连通区域的面积。

步骤6：利用步骤5得到的每个非连通区域的L、a、b值与第一张图像对应的非连通区域的L、a、b值计算出色差值，并求取n个非连通区域的平均色差值；

步骤7：将从干燥开始至当前状态的收缩率与色差值以曲线的形式显示于触屏显示界面上，结合物料的温度、质量变化，判断此时是否需要调控干燥温度与相对湿度，若是，则将调整指令输出给温湿度控制单元；若否，则不输出信号；将以上数据保存入EXCEL文档，直至干燥结束。

优选地，所述软件系统的操作界面与显示界面为基于Qt与OpenCV搭建的软件平台，运行环境为WINDOWS操作系统。

优选地，所述步骤1的软件系统可分段采集图像，每阶段设置不同的采集频率与采集时间。

本发明提出的适于热风干燥机，尤其是温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统与方法的有益效果为：本发明所提供的机器视觉在线检测系统可解决高温高湿环境下不易采集到清晰图像的问题，并提供一种实时自动获取物料形态与色泽信息的方法。与离线检测方法相比，除降低人工劳动强度外，还可消除开关干燥室取放物料对于干燥条件的影响。分段控制相机采集频率，可解决全程采用高频率图像采集造成的冗余图像占用内存高的问题。温湿度过程控制热风干燥机的机器视觉在线检测系统，有助于在精确的温湿度条件下获取物料的色泽与形态信息，从而建立物料的形态、色泽、能耗等指标与相对湿度、温度、高湿保持时间等影响因素的相关关系，为精确确定适合物料的相对湿度与高湿保持时间，从而优化干燥工艺、改善干燥品质、降低能耗提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统的结构示意图。

图2是本发明的温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统的相机冷却装置的结构示意图。

图3是本发明的温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统的光源冷却装置的结构示意图。

图4是本发明使用温湿度过程控制热风干燥机机器视觉在线检测系统软件系统的方法的实现步骤。

附图标记：1、干燥室 2、料盘架 3、扰流风机 4、储水槽 5、冷却水管 6、光源固定底座 7、光源冷却罩 8、工业相机固定底座 9、工业相机冷却罩 10、冷却罩固定法兰 11、冷却水泵 12、干燥机门合页 13、风机 14、工业相机与镜头 15、光源。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种适于热风干燥机，尤其是温湿度过程控制热风干燥机的机器视觉在线检测系统，包括：干燥室1、扰流风机3、储水槽4、冷却水管5、光源固定底座6、光源冷却罩7、工业相机固定底座8、工业相机冷却罩9、冷却罩固定法兰10、冷却水泵11、工业相机与镜头14、风机13和光源15；

所述干燥室1整体外形呈矩形结构，内部利用隔板分隔成两个腔，在所述干燥室1内侧的隔板上设置有扰流风机3，在所述干燥室1外部的顶端的一侧设置有矩形的具有两个储存空间的储水槽4，在所述干燥室1外部的顶端另一侧设置有用于安装光源冷却罩7和工业相机冷却罩9的通孔，冷却水泵11安装在通孔旁，在所述干燥室1外部的下部一侧设置有风机13；

所述工业相机冷却罩9和光源冷却罩7整体均呈圆柱形结构，在所述工业相机冷却罩9和光源冷却罩7的底端均采用高温防护玻璃，所述工业相机冷却罩9和光源冷却罩7的下部均设置有冷却罩固定法兰10，所述工业相机冷却罩9和光源冷却罩7的上部均设置有两个冷却水管5连接口，所述工业相机冷却罩9的顶端设置有工业相机固定底座8、所述光源冷却罩7的顶端设置有光源固定底座6；

所述工业相机固定底座8呈圆形且顶端设置有数据线出口，所述工业相机固定底座8的底端设置有工业相机与镜头14；

所述光源固定底座6呈圆形且顶端设置有数据线出口，所述光源固定底座6的底端设置有光源15；

所述储水槽4中的冷却水通过所述冷却水泵11经过所述冷却水管5泵送到所述工业相机冷却罩9和光源冷却罩7中，对工业相机与镜头14和光源15进行冷却，再通过所述冷却水管5输送到所述冷却水槽4。

所述干燥室1的侧端开口处设置有干燥机门合页12。所述干燥室1的两侧的外侧板的内侧面沿高度方向平行设置多道料盒架2，所述隔板对应设置有多道料盒架2。

结合附图1-4对本发明的实施例进行详细说明：

本发明的实施案例提供了一种适于热风干燥机，尤其是温湿度过程控制热风干燥机的机器视觉在线检测系统与方法。为更详细的说明本机器视觉在线检测系统的硬件设备，请参考图1，硬件设备主要包括储水槽4、冷却水管5、光源固定底座6、光源冷却罩7、工业相机固定底座8、工业相机冷却罩9、冷却罩固定法兰10、冷却水泵11、工业相机与镜头14、光源15。冷却罩固定法兰10与干燥室1焊接在一起，便于在不需检测物料形态与色泽时，将三个冷却罩替换为盲盖。冷却罩固定法兰10与两个光源冷却罩7和一个工业相机冷却罩9使用螺栓联接，冷却罩固定法兰10、工业相机冷却罩9、工业相机固定底座8、工业相机与镜头14间相对位置如图2所示。为了降低三个冷却罩对干燥室1内气流流动的影响，三个冷却罩的下端与干燥室顶部平齐。为保证机器视觉在线检测系统采集到清晰的图像，在工业相机冷却罩9两侧分别放置一个光源冷却罩7用来放置光源，避免单侧光源导致的物料表面亮度不均的现象。为了消除高温高湿气体对该系统的影响，三个冷却罩均采用水冷降温的方式保护内部光源、工业相机与镜头，冷却水的流动方向为：储水槽4—冷却罩—水泵11—储水槽4。三个冷却罩前端的隔热玻璃装有除雾模块，利用热风吹向隔热玻璃来消除冷凝水。为降低机器视觉在线检测系统的能耗，对环境温度要求相对较低的光源所使用的两个光源冷却罩7共用一个冷却水泵11，对环境温度要求高的相机与镜头所使用的工业相机冷却罩9单独使用一个冷却水泵11。储水槽4分为两格，一格用于储存机器视觉在线检测系统的冷却水，另一格用于储存干燥室内湿度调控用水。

本机器视觉在线检测系统的软件系统开发基于Qt与OpenCV，其运行环境为WINDOWS操作系统，该软件系统的主要作用是控制工业相机采集图像的频率，实时自动获取物料的形态与色泽信息，并结合干燥过程物料的温度与质量变化，判断是否需要调控干燥室的温湿度，并将调整指令输出给温湿度控制单元。实现获取物料形态与色泽信息的主要步骤如图4所示。

所述方法，包括以下步骤：

步骤1：将物料放置在与其颜色对比度高的背景上，并开启所述在线检测系统，将图像采集分为三个阶段，并设置前两段时间的长度与每个阶段的采集频率，输入图像区域内放置物料的个数n，然后启动干燥机；

步骤2：获取当前时间所拍摄的图像，并使用基于Qt与OpenCV开发的软件对图像进行灰度化、滤波去噪处理，之后再进行二值化处理；

步骤3：遍历二值图像，判断非连通区域的个数a是否等于物料个数n,若判断结果为否，则运用形态学运算去除杂质白点直至a＝n；若判断结果为是，则进行下一步骤；

步骤4：该步骤分为两个部分：步骤4.1：提取步骤3所得的二值图像上每个非连通区域的像素点个数Atn，使用像素点个数表示每个非连通区域的面积；步骤4.2：利用步骤3所得到的二值图像与该图像的彩色图像做掩膜运算，得到物料与背景分离的图像；

步骤5：该步骤分为两部分：步骤5.1：利用当前图像所得的每个非连通区域的面积Atn与第一张图像上对应的非连通区域的面积A1n得到当前每个非连通区域的收缩率，求取此时的平均收缩率；步骤5.2：将掩膜后的图像由RGB色彩空间转换至Lab色彩空间，并计算每个非连通区域的平均L、a、b值，三者计算方法相同，以L值计算为例：

式中，Average_Ltn为t时刻第n个非连通区域的平均L值，Lt为t时刻图像的L分量，Ltn为t时刻L分量的第n个非连通区域的L值，Atn为t时刻第n个非连通区域的面积。

步骤6：利用步骤5得到的每个非连通区域的L、a、b值与第一张图像对应的非连通区域的L、a、b值计算出色差值，并求取n个非连通区域的平均色差值；

步骤7：将从干燥开始至当前状态的收缩率与色差值以曲线的形式显示于触屏显示界面上，结合物料的温度、质量变化，判断此时是否需要调控干燥温度与相对湿度，若是，则将调整指令输出给温湿度控制单元；若否，则不输出信号；将以上数据保存入EXCEL文档，直至干燥结束。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。