克服尺寸和姿态影响的水果内部品质信息采集方法及装置

摘要

本发明公开了一种克服尺寸和姿态影响的水果内部品质信息采集方法及装置。皮带环绕在主、被动轮上，编码器与主动轮相连，对照式光电开关安装在皮带两侧，升降电移台和检测光源与检测器悬挂在皮带上方；检测对象放置在多个托盘上；摄像机分别与对照式光电开关和计算机相连，升降、旋转电移台分别通过升降、旋转电移台控制器与计算机相连，编码器连接在计算机上；旋转电移台安装在升降电移台下方，检测光源与检测器安装在旋转电移台旋转轴上，并与计算机连接。采用机器视觉方法检测出检测对象的大小、姿态和形心位置，控制升降电移台和旋转电移台移动，在检测对象到达检测光源与检测器轴线时采集光谱数据，保证光谱采集位置的一致性，提高检测精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水果内部品质检测的信息采集方法及装置，尤其是涉及一种克服尺寸和姿态影响的水果内部品质信息采集方法及装置。

背景技术

分级是农产品采后商品化处理的重要手段之一，对增强农产品商品市场竞争力，提高经济效益的具有重要意义。

品质指标检测是分级的基础。在农产品品质指标检测方面，机器视觉技术已应用于外部品质的检测农产品品质指标。而近红外光谱技术在内部品质指标的检测上也得到了应用。

利用水果光谱特征检测水果内部品质指标方法可分为反射法和透射法。

反射法：检测时由检测装置向检测水果发射检测光线，检测装置在同侧检测反射光线，通过分析得到水果内部品质信息。

透射法：检测时由检测装置向检测水果发射检测光线，检测装置在另一侧检测透射光线，通过分析得到水果内部品质信息。

这些方法一般采用编码器、光电开关等装置触发采集水果的光谱信息，当检测对象尺寸变化较大时，这类方法不能保证检测部位和检测光线方向的一致性，从而引入误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服尺寸和姿态影响的水果内部品质信息采集方法及装置，采用机器视觉方法分析检测对象的大小、姿态和形心位置，控制相应的执行机构适应检测对象，保证检测部位和检测光线方向的一致性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种用于水果内部品质检测的信号采集装置：

本发明包括计算机，多个装有检测对象的托盘，摄像机，升降电移台，旋转电移台，升降电移台控制器，升降旋转电移台控制器，检测光源与检测器，编码器，主动轮，对照式光电开关，皮带和被动轮；皮带环绕在主动轮和被动轮上，编码器与主动轮相连，对照式光电开关安装在皮带两侧，升降电移台和检测光源与检测器悬挂在皮带上方；多个圆桶形的托盘分别放置在皮带上，检测对象放置在托盘上；摄像机通过电缆分别与对照式光电开关和计算机相连，升降电移台和旋转电移台分别通过升降电移台控制器和旋转电移台控制器与计算机相连，编码器连接在计算机上；旋转电移台安装在升降电移台下方，检测光源与检测器安装在旋转电移台旋转轴上，检测光源与检测器连接在计算机上。

二、一种用于水果内部品质检测的信号采集方法：

本发明主动轮在外部动力带动下沿顺时针方向旋转，带动编码器运转，并通过皮带带动被动轮一起旋转，放置在皮带上的托盘带动检测对象一起向右运动；当放有检测对象的托盘到达对照式光电开关所在的位置时，对照式光电开关产生触发脉冲，触发摄像机拍摄图像，摄像机将拍摄的图像输入计算机，计算机通过图像处理后，控制升降电移台和旋转电移台以控制检测光源与检测器的姿态，完成检测对象的光谱采集。

所述的计算机进行图像处理后控制升降电移台和旋转电移台的姿态的方法如下：

以旋转电移台的旋转中心为原点、以皮带运动方向为X轴建立直角坐标系XOY，其长度单位按摄像机的分辨率设置；

设编码器的脉冲间隔对应皮带移动间距为S；

记录检测光源与检测器初始中心高度H_D0和检测光源与检测器轴线L与X轴初始夹角为θ_D0；

记录摄像机的中心位置为(x_C，y_C)；

对摄像机拍摄的图像经二值分割、滤波和边缘检测后，得到检测对象(4)的边界，对边界点采用最小外接矩形法方法计算横径和纵径，并在得到最小外接矩形时，记下旋转角度；具体方法如下：

定义自定义结构，用于存贮边界数据：

建立一个EdgeNode型的动态数组Edge，其长度等于检测对象(4)的边界点的数目NE，将检测对象(4)的边界点全部放入数组Edge中；

1)计算检测对象4的形心位置(x_F，y_F)：

$>\left(\begin{array}{c}{x}_F=\frac{\stackrel{\mathrm{NE}-1}{\underset{i=0}{\Sigma }}{x}_i}{\mathrm{NE}}\\ y_F=\frac{\underset{i=0}{\overset{\mathrm{NE}-1}{\Sigma }}{y}_i}{\mathrm{NE}}\end{array}\right)---\left(1\right)$>

2)将检测对象的边界点全部减去检测对象的形心位置(x_F，y_F)，将检测对象的形心位置(x_F，y_F)加上摄像机的中心位置(x_C，y_C)后得到(x_F+x_C，y_F+y_C)，成为检测对象在直角坐标系XOY中的坐标(x_FT，y_FT)；

3)定义变量XLeft，XRight，YTop，YBottom，MinSita；定义变量MinArea，并赋初值为计算机所能表示的最大值；分别设置XLeft，XRight，YTop，YBottom为1，-1，1，-1；

4)按照一定的角度间隔θ_j对边界数据Edge中的一个点按公式(2)计算，得到旋转后新的坐标点：

$>\left(\begin{array}{c}{x}_i^{\prime }=x_i\cos {\theta }_j+y_i\sin {\theta }_j\\ y_i^{\prime }=x_i\sin {\theta }_j+y_i\cos {\theta }_j\end{array}\right)---\left(2\right)$>

式中：

x_i，y_i-边界数据Edge中的某一点的横坐标和纵坐标，i＝1，2，...，EdgeTotal

-边界数据Edge中的某一点旋转后的横坐标和纵坐标

θ_j-旋转角度，j＝1，2，...，MR，MR为旋转次数，

5)将与XLeft，XRight，YTop，YBottom分别比较，如果大于XRight，则将的值存放到XRight变量中，如果小于XLeft，则将的值存放到XLeft变量中；如果大于YTop，则将的值存放到YTop变量中，如果小于YBottom，则将的值存放到YBottom变量中；

6)在边界数据Edge取下一点，重复步骤4)和步骤5)，直到边界数据Edge中的每一点都完成；

7)面积计算与比较：

8)将j从1到M逐点改变，以改变角度间隔θ_j，重复步骤4)～7)；执行完成后，DShort为检测对象的横径，DLong为检测对象的纵径，MinSita为检测对象短轴与X轴夹角θ_F；

检测对象对应的检测光源与检测器中心高度H_Di

$>H_D=\sqrt{{\mathrm{DShort}}^2-d^2}/2---\left(3\right)$>

计算升降电移台(5)升降值ΔH：

ΔH＝H_D-H_D0                                 (4)

当前检测对象对应的检测光源与检测器轴线L与X轴夹角θ_D：

θ_D＝θ_F                                    (5)

计算旋转电移台的旋转角度Δθ：

Δθ＝θ_D-θ_D0                               (6)

计算检测对象形心与检测光源与检测器轴线L共线所需的触发脉冲数量P：

在计算机内部设置一个脉冲计数器PC，其初始值等于P，之后，计算机每采集1幅图像，脉冲计数器PC的值减1；

当检测对象进入到检测光源与检测器回转圆半径区域内时，计算机通过升降电移台控制器和旋转电移台控制器控制升降电移台和旋转电移台分别升降ΔH和旋转Δθ；

脉冲计数器PC值减到0时，计算机启动检测光源与检测器，采集光谱数据；然后计算机再通过升降电移台控制器和旋转电移台控制器控制升降电移台和旋转电移台回到初始位置。

本发明具有的有益的效果是：

采用机器视觉方法检测出检测对象的大小、姿态和形心位置，控制相应的升降电移台和旋转电移台到达适当位置，在检测对象到达检测光源与检测器轴线时采集光谱数据，保证了光谱采集位置的一致性，提高检测精度。

附图说明

图1是本发明的装置结构原理示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是检测器相对于图1的侧视图。

图4是托盘相对于图1的俯视图。

图5是图4的侧视图。

图6是实施例图。

图中：1、计算机，2、托盘，3、摄像机，4、检测对象，5、升降电移台，6、旋转电移台，7、升降电移台控制器，8、旋转电移台控制器，9、检测光源与检测器，10、编码器，11、主动轮，12、对照式光电开关，13、皮带，14、被动轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明包括计算机1，多个装有检测对象4的托盘2，VT-EXGC1400D型摄像机3，TSMV60-1S型升降电移台5，RSA60型旋转电移台6，SC300-1A型升降电移台控制器7，SC300-1A型升降旋转电移台控制器8，LHT75型光源和USB4000型光谱组成的检测光源与检测器9，HMA-6G5F1000BM型编码器10，主动轮11，E3F-DS30C4型对照式光电开关12，皮带13和被动轮14；皮带13环绕在主动轮11和被动轮14上，编码器10与主动轮11相连，对照式光电开关12安装在皮带13两侧，升降电移台5和检测光源与检测器9悬挂在皮带13上方；多个圆桶形的托盘2分别放置在皮带13上，检测对象4放置在托盘2上；摄像机3通过电缆分别与对照式光电开关12和计算机1相连，升降电移台5和旋转电移台6分别通过升降电移台控制器7和旋转电移台控制器8与计算机1相连，编码器10连接在计算机1上；旋转电移台6安装在升降电移台5下方，检测光源与检测器9安装在旋转电移台6旋转轴上，检测光源与检测器9连接在计算机1上。

如图3所示，旋转电移台6安装在升降电移台5下方，检测光源与检测器9安装在旋转电移台6旋转轴上。

如图4和图5所示，托盘2为圆桶形结构。

本发明采集水果光谱信息的方法如下：

如图1所示，主动轮11在外部动力带动下沿顺时针方向旋转，带动编码器10运转，并通过皮带13带动被动轮14一起旋转，放置在皮带13上的托盘2上带动检测对象4一起向右运动。当托盘2到达对照式光电开关12所在的位置时，对照式光电开关12产生触发脉冲，触发摄像机3拍摄图像，摄像机3将拍摄的图像输入计算机1，计算机1通过图像处理后，控制升降电移台5和旋转电移台6以控制检测光源与检测器9的姿态，完成检测对象4的光谱采集。

计算机1进行图像处理后控制升降电移台5和旋转电移台6的姿态的方法如下：

如图6所示，以旋转电移台6的旋转中心为原点、以皮带13运动方向为X轴建立直角坐标系XOY，其长度单位按摄像机3的分辨率设置。

设编码器10的脉冲间隔对应皮带13移动间距为S。

记录检测光源与检测器9初始中心高度H_D0和检测光源与检测器9轴线L与X轴初始夹角为θ_D0。

记录摄像机3的中心位置为(x_C，y_C)。

对摄像机3拍摄的图像经二值分割、滤波和边缘检测后，得到检测对象4的边界，对边界点采用最小外接矩形法(MER)方法计算横径和纵径，并在得到最小外接矩形时，记下旋转角度。具体方法如下：

在以下的说明检测方法时，均以C语言为例。

定义自定义结构，用于存贮边界数据：

建立一个EdgeNode型的动态数组Edge，其长度等于检测对象4的边界点的数目NE，将检测对象4的边界点全部放入数组Edge中。

①计算检测对象4的形心位置(x_F，y_F)：

$>\left(\begin{array}{c}{x}_F=\frac{\stackrel{\mathrm{NE}-1}{\underset{i=0}{\Sigma }}{x}_i}{\mathrm{NE}}\\ y_F=\frac{\underset{i=0}{\overset{\mathrm{NE}-1}{\Sigma }}{y}_i}{\mathrm{NE}}\end{array}\right)---\left(1\right)$>

②将检测对象4的边界点全部减去检测对象4的形心位置(x_F，y_F)，将检测对象4的形心位置(x_F，y_F)加上摄像机3的中心位置(x_C，y_C)后得到(x_F+x_C，y_F+y_C)，成为检测对象4在直角坐标系XOY中的坐标(x_FT，y_FT)。

③定义变量XLeft，XRight，YTop，YBottom，MinSita。定义变量MinArea，并赋初值为计算机所能表示的最大值；分别设置XLeft，XRight，YTop，YBottom为1，-1，1，-1；

④按照一定的角度间隔θ_j对边界数据Edge中的一个点按公式(2)计算，得到旋转后新的坐标点：

$>\left(\begin{array}{c}{x}_i^{\prime }=x_i\cos {\theta }_j+y_i\sin {\theta }_j\\ y_i^{\prime }=x_i\sin {\theta }_j+y_i\cos {\theta }_j\end{array}\right)---\left(2\right)$>

式中：

x_i，y_i-边界数据Edge中的某一点的横坐标和纵坐标，i＝1，2，...，EdgeTotal

-边界数据Edge中的某一点旋转后的横坐标和纵坐标

θ_j-旋转角度，j＝1，2，...，MR，MR为旋转次数，

⑤将与XLeft，XRight，YTop，YBottom分别比较，如果大于XRight，则将的值存放到XRight变量中，如果小于XLeft，则将的值存放到XLeft变量中。如果大于YTop，则将的值存放到YTop变量中，如果小于YBottom，则将的值存放到YBottom变量中；

⑥在边界数据Edge取下一点，重复④和⑤，直到边界数据Edge中的每一点都完成；

⑦面积计算与比较：

⑧将j从1到M逐点改变，以改变角度间隔θ_j，重复④～⑦。执行完成后，DShort为检测对象4的横径，DLong为检测对象4的纵径，MinSita为检测对象4短轴与X轴夹角θ_F。

检测对象4对应的检测光源与检测器9中心高度H_Di

$>H_D=\sqrt{{\mathrm{DShort}}^2-d^2}/2---\left(3\right)$>

计算升降电移台5升降值ΔH：

ΔH＝H_D-H_D0                                 (4)

当前检测对象4对应的检测光源与检测器9轴线L与X轴夹角θ_D：

θ_D＝θ_F                                    (5)

计算旋转电移台6的旋转角度Δθ：

Δθ＝θ_D-θ_D0                              (6)

计算检测对象4形心与检测光源与检测器9轴线L共线所需的触发脉冲数量P：

在计算机内部设置一个脉冲计数器PC，其初始值等于P，之后，计算机每采集1幅图像，脉冲计数器PC的值减1。

如图6所示，当检测对象4进入到检测光源与检测器9回转圆半径区域内时，计算机通过升降电移台控制器7和旋转电移台控制器8控制升降电移台5和旋转电移台6分别升降ΔH和旋转Δθ。

脉冲计数器PC值减到0时，计算机启动检测光源与检测器9，采集光谱数据。然后计算机再通过升降电移台控制器7和旋转电移台控制器8控制升降电移台5和旋转电移台6回到初始位置。