一種蘋(píng)果壞損檢測(cè)系統(tǒng)的研究

蘋(píng)果壞損檢測(cè)及分級(jí)不符合標(biāo)準(zhǔn)蘋(píng)果分類主要基于蘋(píng)果的形狀、大小、顏色和水果表面的缺陷。目前,國(guó)內(nèi)外普遍采用兩種比較成熟的分級(jí)方法:質(zhì)量分級(jí)和大小分級(jí)。這兩種分級(jí)方法雖部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分級(jí),但是果面壞損檢測(cè)與分級(jí)仍需人工進(jìn)行。這樣由于受到個(gè)人視力、顏色鑒別力、情緒、疲勞、光線等因素的影響,效率低,分選差異大,很難滿足高要求的分級(jí)。蘋(píng)果壞損自動(dòng)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果分級(jí)完全自動(dòng)化的關(guān)鍵一步。為此本文采用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)對(duì)蘋(píng)果壞損自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)行了研究。1整體圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)蘋(píng)果光學(xué)反射特性主要有如下性質(zhì):在近紅外波段750～1100nm內(nèi),同一品種蘋(píng)果綠色、紅色、黃綠色部分的反射系數(shù)基本相等,非壞損部分反射系數(shù)比壞損部分反射系數(shù)大。另外在波段750～880nm之間非壞損部分反射系數(shù)可認(rèn)為是一常數(shù)。蘋(píng)果花萼部分反射系數(shù)與壞損部分反射系數(shù)相差不大。由此可利用蘋(píng)果近紅外反射特性,進(jìn)行蘋(píng)果的壞損檢測(cè)。據(jù)此建立如圖1所示的蘋(píng)果壞損自動(dòng)檢測(cè)計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用封閉式光照系統(tǒng)。光源為2只在近紅外波段具有較高輻射能量的ZF220-200燈泡。攝像機(jī)采用IVG-841P黑白工業(yè)CCD攝像機(jī),其光譜響應(yīng)范圍400～1100nm。CCD為542×582點(diǎn)陣,配GDS-25鏡頭。為了消除表面顏色對(duì)圖像灰度值的影響,便于壞損檢測(cè),在鏡頭前加一窄帶帶通近紅外濾波鏡,其帶通中心波長(zhǎng)為815nm,帶寬為20nm。圖像采集卡為V256-E,空間分辨率為256×256,灰度等級(jí)為256。圖像監(jiān)視器為HS-M35B工業(yè)監(jiān)視器,計(jì)算機(jī)為COMPAQ微機(jī)。2缺陷檢測(cè)2.1b在蘋(píng)果邊緣至中心區(qū)域設(shè)圖像中僅有1只蘋(píng)果,根據(jù)蘋(píng)果光學(xué)特性、外形特征和圖像系統(tǒng)特性可知,圖像灰度分布具有如下特征:(1)當(dāng)蘋(píng)果圖像中無(wú)壞損和花萼或果梗時(shí),在理想情況下由蘋(píng)果邊緣至中心區(qū)域灰度值呈單調(diào)上升趨勢(shì),其等灰度曲線近似圓形。(2)圖像有壞損時(shí),壞損區(qū)域的灰度值較相鄰的非壞損區(qū)域灰度值小,且其差值較大;由蘋(píng)果邊緣至蘋(píng)果中心區(qū)域,在經(jīng)過(guò)壞損區(qū)域時(shí),其灰度值不再呈單調(diào)上升趨勢(shì),而是先呈下降趨勢(shì),經(jīng)過(guò)壞損區(qū)域的最小灰度值后,灰度值開(kāi)始快速上升,升至非壞損區(qū)域后,再以正常速率上升。(3)由于噪聲的影響,在蘋(píng)果正常部分其灰度值也有一些小的淺洼區(qū),但是這些洼區(qū)的深度較壞損部分所對(duì)應(yīng)的洼區(qū)要淺。2.2下降壞損點(diǎn)tp2首先將蘋(píng)果圖像分為如圖2所示的8個(gè)小區(qū)域,依據(jù)檢測(cè)像素所在的區(qū)域,將分別選擇不同的檢測(cè)判別方向。如檢測(cè)點(diǎn)在A區(qū),則檢測(cè)判別方向?yàn)?,其他依此類推。設(shè)P表示待檢測(cè)的點(diǎn),PI表示與檢測(cè)點(diǎn)P在檢測(cè)判別方向上相距I距離的比較像素,FP表示檢測(cè)點(diǎn)P的灰度值。壞損點(diǎn)檢測(cè)規(guī)則如下:(1)當(dāng)相鄰比較像素PI不是壞損點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P為蘋(píng)果正常部分。否則,當(dāng)閾值TP11≤(FPI-FP)≤閾值TP3時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為首次可疑下降點(diǎn),并建立標(biāo)志;當(dāng)閾值TP1>(FPI-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為蘋(píng)果正常部分;當(dāng)TP3≤(FPI-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為下降壞損點(diǎn)。(2)當(dāng)相鄰比較像素PI是首次可疑下降點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P與相鄰比較像素PI都為蘋(píng)果正常部分,并取消PI的首次可疑下降點(diǎn)標(biāo)志。否則,當(dāng)閾值TP1≤(FPI-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為第2可疑下降點(diǎn),并建立相應(yīng)標(biāo)志;當(dāng)TP1>(FPI-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P與相鄰比較像素PI都為蘋(píng)果正常部分,取消PI的首次可疑下降點(diǎn)標(biāo)志。(3)當(dāng)相鄰比較像素PI是第2可疑下降點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P為第1可疑上升點(diǎn),并建立標(biāo)志。否則,當(dāng)閾值TP2≤(FPI-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為下降壞損點(diǎn),同時(shí)檢查相鄰像素PI、PI-1是否為可疑下降點(diǎn),若是,則PI、PI-1為下降壞損點(diǎn);當(dāng)TP2>(FPI-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為第3可疑下降點(diǎn)。(4)當(dāng)相鄰比較像素PI是第3可疑下降點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P為第2可疑上升點(diǎn),并建立標(biāo)志。否則,當(dāng)閾值TP3≤(FPI-3-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為下降壞損點(diǎn),同時(shí)檢查像素PI、PI-1、PI-2、PI-3是否為可疑下降點(diǎn),若是,則相應(yīng)的像素為下降壞損點(diǎn),記下該方向上最邊緣壞損點(diǎn)的灰度值為Fei1;當(dāng)TP3>(FPI-3-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為第4可疑下降點(diǎn)。(5)當(dāng)相鄰比較像素PI是第4可疑下降點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P為第3可疑上升點(diǎn),并建立標(biāo)志;否則檢測(cè)點(diǎn)P為第5可疑下降點(diǎn)。(6)當(dāng)相鄰比較像素PI是第5可疑下降點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P為第4可疑上升點(diǎn),并建立標(biāo)志。否則,當(dāng)閾值TP4≤(FPI-4-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為下降壞損點(diǎn),同時(shí)檢查像素PI、PI-1、…、PI-4是否為可疑下降點(diǎn),若是,則相應(yīng)的像素為下降壞損點(diǎn);當(dāng)TP4>(FPI-4-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為蘋(píng)果正常部分,同時(shí)檢查像素PI、PI-1、…、PI-4是否為可疑下降點(diǎn),若是,取消其可疑下降點(diǎn)標(biāo)志。(7)當(dāng)相鄰比較像素PI是第1可疑上升點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P為蘋(píng)果正常部分,取消PI的第1可疑上升點(diǎn)標(biāo)志;否則檢測(cè)點(diǎn)P作為第3可疑下降點(diǎn)處理。(8)當(dāng)相鄰比較像素PI是第2可疑上升點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P作為第1可疑上升點(diǎn)處理,取消PI的第2可疑上升點(diǎn)標(biāo)志;否則檢測(cè)點(diǎn)P作為第4可疑下降點(diǎn)處理。(9)當(dāng)相鄰比較像素PI是第3可疑上升點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P作為第2可疑上升點(diǎn)處理,取消PI的第3可疑上升點(diǎn)標(biāo)志;否則檢測(cè)點(diǎn)P作為第5可疑下降點(diǎn)處理。(10)當(dāng)相鄰比較像素PI是第4可疑上升點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P作為第3可疑上升點(diǎn)處理,取消PI的第4可疑上升點(diǎn)標(biāo)志。否則,當(dāng)閾值TP4≤(FPI-4-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為下降壞損點(diǎn),同時(shí)檢查像素PI、PI-1、…、PI-4是否為可疑下降點(diǎn),若是則相應(yīng)的像素為下降壞損點(diǎn);當(dāng)TP4>(FPI-4-FP)時(shí),檢測(cè)點(diǎn)P為蘋(píng)果正常部分,同時(shí)檢查像素PI、PI-1、…、PI-4是否為可疑下降點(diǎn),若是,取消其可疑下降點(diǎn)標(biāo)志。(11)當(dāng)相鄰比較像素PI是下降壞損點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,則檢測(cè)點(diǎn)P為上升壞損點(diǎn);否則檢測(cè)點(diǎn)P為下降壞損點(diǎn)。(12)當(dāng)相鄰比較像素PI是上升壞損點(diǎn)時(shí)若FP≥FPI,同時(shí)滿足檢測(cè)點(diǎn)P的灰度值與預(yù)估值的絕對(duì)差大于一閾值Te,則檢測(cè)點(diǎn)P是上升壞損點(diǎn);否則檢測(cè)點(diǎn)P為蘋(píng)果正常部分,并記下該點(diǎn)的灰度值為Fei2。該值為壞損區(qū)域在i方向上的另一邊緣灰度值。上述條件都不滿足,則檢測(cè)點(diǎn)P作為上升壞損點(diǎn)處理。上述預(yù)估值是指與壞損邊緣點(diǎn)相鄰的且在同一判別方向上的蘋(píng)果非壞損處的灰度值的預(yù)估值。在蘋(píng)果圖像中如無(wú)壞損和果梗、花萼時(shí),其灰度值的空間分布可用式(1)近似表示-(i-a)22p′-(j-b)22q′+c=F(i?j)(p′＞0?q′＞0)(1)?(i?a)22p′?(j?b)22q′+c=F(i?j)(p′＞0?q′＞0)(1)式中F(i,j)——像素在圖像上i行j列的灰度值用最小二乘法,通過(guò)一系列數(shù)據(jù),可求出用上式進(jìn)行曲面擬合的a、b、c、p′、q′參數(shù)的最佳估計(jì)?a、?b、?c、^p′、^q′。這樣可用式(1)作蘋(píng)果非壞損部位在相應(yīng)空間的灰度值預(yù)估計(jì)。樣本數(shù)據(jù)選取的原則是在判別方向上選取一組非壞損點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為參數(shù)估計(jì)的樣本數(shù)據(jù),本系統(tǒng)選樣本數(shù)N=300。2.3判別違規(guī)行為的bn的特點(diǎn)首先,將檢測(cè)出的壞損點(diǎn)依據(jù)壞損點(diǎn)標(biāo)記使圖像中的壞損點(diǎn)匯聚成若干個(gè)不相聯(lián)的可疑壞損區(qū)域Bn。定義區(qū)域的最小深度Dpmin為Dpmin=Feimin-Fmin(2)式中Feimin——最小邊緣灰度值,Feimin=min{Feik,k=1,2,…,m}m——壞損區(qū)域邊緣像素個(gè)數(shù)Feik——第k個(gè)壞損邊緣灰度值Fmin——壞損區(qū)域中的最小灰度值在壞損區(qū)域生成過(guò)程中,同時(shí)求取該區(qū)域的最小深度Dpmin。當(dāng)Dpmin>Dpt閾值,且區(qū)域面積S>St閾值時(shí),該區(qū)域初步判定為壞損區(qū)域。這樣可消除一些由于各種原因造成的蘋(píng)果圖像上小洼區(qū)的影響。注意:如果閾值Dpt和閾值St選擇過(guò)小,會(huì)影響判別的準(zhǔn)確度,即將噪聲干擾所產(chǎn)生的小洼區(qū)誤判為壞損區(qū)域,但是閾值選擇過(guò)大,則會(huì)產(chǎn)生壞損區(qū)域漏檢。故閾值選擇應(yīng)慎重,一般要通過(guò)大量試驗(yàn)選之。壞損區(qū)域Bn的p、q階統(tǒng)計(jì)矩定義為Μn(p?q)=∑(i?j)ipjqBn(i?j)(3)在這里,Bn(i,j)為第n塊可疑壞損區(qū)域的二值圖像,那么,由式(3)可求得Bn相應(yīng)的Mn(1,0)、Mn(0,0)、Mn(0,1)統(tǒng)計(jì)矩,這樣相應(yīng)的可疑壞損區(qū)域的形心(In,Jn)為{Ιn=Μn(1?0)Μn(0?0)Jn=Μn(0?1)Μn(0?0)(4)為了避免將果梗區(qū)和花萼區(qū)判為壞損區(qū)域,采用如下判別方法:為了檢測(cè)整個(gè)蘋(píng)果表面情況,采用0°、90°、180°角度的圖像(即F1、F2、F3)。設(shè)可疑壞損區(qū)域Bn所在的圖像為F1(或F3)。(1)當(dāng)可疑壞損區(qū)域Bn的面積大于閾值Tm1時(shí),需進(jìn)行下面判別,否則為壞損區(qū)域。(2)在F3(或F1)中無(wú)可疑壞損區(qū)域,如果Bn的面積大于閾值Tm,并且其形心靠近圖像處理窗口的頂部,則進(jìn)行第(3)判別,否則可疑壞損區(qū)域Bn是壞損區(qū)域。(3)如形心位于接近圖像處理窗口的頂部邊緣,則Bn為果梗區(qū)域或花萼區(qū)域。否則F2中的蘋(píng)果圖像上部的邊緣作一直線擬合i=Aj+B(如圖3所示)。當(dāng)擬合直線的斜率大于Tz,則Bn為果梗區(qū)域或花萼區(qū)域;否則Bn為壞損區(qū)域。(4)在F3或(F1)中有可疑壞損區(qū)域Bn′,當(dāng)其相應(yīng)的形心滿足下列條件之一{|Ιn-Ιn′|＜Ιt1和|Jn-Jn′|＜Jt1|Ιn-Ιn′|＞Ιt2和|Jn-Jn′|＜Jt2Ιt1＜Ιt2?Jt1＞Jt2則Bn和Bn′為果梗區(qū)和花萼區(qū),否則Bn和Bn′都為壞損區(qū)域。上式中的(In,Jn)為Bn的形心,(In′,Jn′)為Bn′的形心。其判據(jù)的主要依據(jù)是果梗區(qū)和花萼區(qū)的形心距離不會(huì)太遠(yuǎn)。3閾值參數(shù)選擇對(duì)壞損檢測(cè)性能的影響試驗(yàn)分兩組:一組為壞損檢出率試驗(yàn),一組為壞損區(qū)域判別試驗(yàn)。試驗(yàn)樣本為國(guó)光蘋(píng)果