【正文】 基于多光譜圖像的水果外觀品質(zhì)檢測(cè)方法研究 浙江大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于多光譜圖像的水果外觀品質(zhì)檢測(cè)方法研究 姓名 :葉昱程 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 :碩士 專(zhuān)業(yè) :機(jī)械設(shè)計(jì)及理論 指導(dǎo)教師 :應(yīng)義斌 20200301 碩士學(xué)位論文 摘要 利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)對(duì)水果進(jìn)行品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)和自動(dòng)分級(jí)過(guò)程中 ,果梗、 花萼部分容易和碰傷、腐爛等常見(jiàn)表面缺陷混淆 ,從而被誤判而引起分級(jí)錯(cuò)誤。本文主要 針對(duì)這種情況 ,研究了碰傷、腐爛等常見(jiàn)表面缺陷的檢測(cè)方法 ,并對(duì)果梗和花萼的識(shí)別進(jìn) 行了研 究 ,主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下 : 、綜述了利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和多光譜圖像技術(shù)進(jìn)行水果品質(zhì)檢測(cè)和自動(dòng)分級(jí)的國(guó) 內(nèi)外研究進(jìn)展 ,并指出了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)研究中所存在的問(wèn)題。 、建立并完善了適合本研究的多光譜圖像系統(tǒng)。該系統(tǒng)由光照箱、吏 / 熒光燈、黑白數(shù)字?jǐn)z像頭、濾光片支架、濾光片、 /圖像采 工控機(jī)組成。 集卡及 、進(jìn)行了蘋(píng)果的分光反射特性實(shí)驗(yàn) ,采用美國(guó)分析光譜儀器公司 生產(chǎn)的光譜分析儀進(jìn)行。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)測(cè)定蘋(píng)果的完好、碰 傷、腐爛、果梗和花萼等不同表面組織的光譜反射特性曲線 ,進(jìn)而可以得出區(qū)分不同表面 組織的波段 ,然后選擇 合適的濾光片 ,有利于水果分級(jí)精度的提高。 、根據(jù)顏色模型理論 ,把在、】和 四個(gè)波段下所采集到的圖像區(qū)域分別用、和表示 ,然后作為 顏色模型中的各個(gè)分量進(jìn)行疊加 ,分別得到、和四神多光譜圖像。 從碰傷和腐爛等常見(jiàn)表面缺陷的識(shí)別結(jié)果可以看出 :利用、單色圖像和、 、多光譜圖像進(jìn)行分級(jí)時(shí)。對(duì)完好表面的識(shí)別率分別為 %、 .%、 %、 .%、 %、 %、 .%、 .%,而對(duì)有缺陷表面的識(shí)別率分別為 .%、 .%、 %、 .%、 .%、 .%、 .%、 .%。由此可見(jiàn) ,多光譜圖像的識(shí)別率要高于 單色圖像 ,而多光譜圖像的識(shí)別率則要高于、和多 光譜圖像的識(shí)別 率。 、根據(jù)圖像代數(shù)運(yùn)算的理論 ,把在177。、177。、177。 和177。四個(gè)波段下所采集到的圖像區(qū)域分別用、。、和表示 ,然 碩士學(xué)位論文 摘要 后作為圖像之間除法運(yùn)算的各個(gè)分量 ,分別得到 /、 // /、 /和 /六種比率多光譜圖像。從果梗和花萼的識(shí)別結(jié)果可以看出 :利用、 、單色圖像進(jìn)行分級(jí)時(shí) ,對(duì)缺陷的識(shí)別率分別為 .%、 .%、 .%、 %, 對(duì)果?；ㄝ嗟淖R(shí)別率分別為 .%、 .%、 .%、 .%。而利用 /比率多光譜 圖像進(jìn)行分級(jí)時(shí) ,缺陷和果?；ㄝ嗟淖R(shí)別率分別為 .%、 %。由此可見(jiàn) ,/ 比率圖像的識(shí)別率要稍高于單色圖像 ,也高于 其他幾種比率圖像的識(shí)別率。 關(guān)鍵詞 : 計(jì)算機(jī)視覺(jué) ,多光譜圖像 ,比率圖像 ,表面缺陷 ,果梗 ,花萼碩上學(xué)位論文 摘要 . , , . : 、 .,. 、 /,/, , .,.、 . .,. 177。、、 177。 士、177。 .、 ., : 塑至 里圭蘭篁堡壅 %、 %、 %、 .%、 .%,%、 %、 %、 、 % %、 .%、 .%、 .%、 .%、 .%、 .%、 、 ,、 . , 。? , 、 、 177。、 ?/、 /、 。 / /、 /、 , : “ . ?%、 %、 / .%、 .%、 .%、 %,. 、∞、 %、 .% / . .%、 .% 色 / , . , , , :本研究受 國(guó)家高技術(shù)””項(xiàng)目 資助 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 .碩士學(xué)位論文 第章緒論 第一章緒論 .本研究的目的與意義 眾所周知 ,我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó) ,但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)值卻很低。其中一個(gè)主要原因是由于我國(guó) 農(nóng)產(chǎn)品收獲后加工水平太低 ,從而制約了農(nóng)民收入的提高 ,極大地阻礙了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的 發(fā)展。為迅速解決這一瓶頸問(wèn)題 ,我國(guó)把“農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與設(shè)備研究開(kāi)發(fā)”列為“十五” 霓大科技攻關(guān)項(xiàng)目的第項(xiàng) ,由此可見(jiàn)我國(guó)政府和有關(guān)部對(duì)這一目題的重視程度。 水果在我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品中占有很人的比 重 ,但目前我國(guó)水果采后加工處理的水平仍很 低 ,檢測(cè)和分級(jí)手段也根落后 ,致使我國(guó)水果的外觀質(zhì)量較差 ,減弱了在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng) 爭(zhēng)力 ,影響了農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的提高。我國(guó)加入后 ,進(jìn)一步降低關(guān)稅和開(kāi)放農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)是 必然趨勢(shì) ,我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)所面臨的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更加激烈。睦 ?！看?,提高我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品 的產(chǎn)后處理水平 ,提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量 ,從而提高其國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力是當(dāng)務(wù)之急 , 隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件的飛速發(fā)展 ,計(jì)算機(jī)應(yīng)用也逐步由數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域向 信息處理和知識(shí)處理領(lǐng)域拓展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中 ,以農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化、信息化為基 礎(chǔ)的“精 細(xì)農(nóng)業(yè)”變革正是計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用的典范?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的 水果分級(jí)技術(shù)研究正是這聃“精細(xì)化”思想在加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)踐的一體現(xiàn) ,具有很重要 的現(xiàn)實(shí)意義。 ..水果分級(jí)的需求 中國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó) ,水果總產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 %,居世界之首。蘋(píng)果和梨的產(chǎn) 犀居世界第一 ,柑橘產(chǎn)量排在巴崩和美國(guó)之后 ,位列第三。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒 編輯委員會(huì)統(tǒng)計(jì) :年、年、年、年、年和年 ,我國(guó)水果產(chǎn) 量分別為萬(wàn)噸、萬(wàn)噸、萬(wàn)噸、萬(wàn)噸、萬(wàn)噸和萬(wàn)噸。如圖 ?所示 ,在年里 ,水果產(chǎn)最翻了近倍。但近年我國(guó)經(jīng)過(guò)采后處理的水累比例只有 %左右 ,而發(fā)達(dá)國(guó)家水果采斤處理比例達(dá)到 ~%,由此可以看出我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家間的 差距較大。近年來(lái) ,我國(guó)水果的出口量譬顯蔫增長(zhǎng)趨勢(shì) ,如圖所示 ,但其年出口量?jī)H碩 :學(xué)位論文 第一章緒論 占總 ,“量的 %左右 ,而售價(jià)只有國(guó)際平均售價(jià)的 /≯ :也 ,這與我國(guó)世界水果第一王 國(guó)的地位極不相稱(chēng)。 圖一水果年生產(chǎn)量圖 . 圉‘水果年出口量囤 其實(shí) ,我國(guó)大多水果質(zhì)量并不比洋水果差 ,但始終面臨著銷(xiāo)售難、價(jià)格低的困境 ,究 其原因 ,除了品種、品質(zhì)等因素外 ,還有一個(gè)易被絕大多數(shù)生產(chǎn)者和中間商忽略的環(huán)節(jié)一 一采后處理。落后的水果采后處理技術(shù)已 經(jīng)成為制約我國(guó)水果出口創(chuàng)匯的瓶頸問(wèn)題。面對(duì) 當(dāng)前入世后水果銷(xiāo)售方面的嚴(yán)峻形勢(shì) ,提高我國(guó)水果產(chǎn)后的加工能力和技術(shù)水平迫在眉 睫 ,而研究提離水果品質(zhì)的檢測(cè)和分選技術(shù)就具有了尤為重要的現(xiàn)實(shí)意義。 . 水果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)與分級(jí)技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代分級(jí)檢測(cè)技術(shù)提供『’碩學(xué)位嗆文 第一氍緒論 闊的空間 ,使分級(jí)檢測(cè)技術(shù)正在由半自動(dòng)化向全自動(dòng)化、外部品質(zhì)檢測(cè)向內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)、 復(fù)雜化向簡(jiǎn)單化和方便化、機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化向簡(jiǎn)單化、數(shù)據(jù)的人管理向計(jì)算機(jī)管 理方向轉(zhuǎn)化。這些高新技術(shù)的發(fā)展同樣 電為農(nóng)業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了強(qiáng)人的 技術(shù)保障。 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)無(wú)損檢測(cè)方法是研究用計(jì)算機(jī)模擬生物外顯或宏觀視覺(jué)功能的科學(xué) 和技術(shù)。它不僅是人眼的延伸 ,更重要的是具有人腦的部分功能 ,其在水果品質(zhì)檢損日上的 應(yīng)用滿(mǎn)足了水果品質(zhì)差異較大、難以整弄?jiǎng)澮坏囊蟆＠?。計(jì)算機(jī)視覺(jué) ,可對(duì)舶紅柿、蘋(píng) 果等的大小、形狀、顏色和表面損傷與缺陷進(jìn)行識(shí)別 ,有利于水果品質(zhì)自動(dòng)分級(jí)。水糶分 級(jí)內(nèi)容 ?般分為等級(jí)和大小兩項(xiàng) ,涉及多項(xiàng)物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)。 我國(guó)現(xiàn)有的水果分選技術(shù)還處于手上和半機(jī)械階段。手工分選住很大程度上依靠分選 工 人的個(gè)人經(jīng)驗(yàn) ,這種主觀評(píng)定受到個(gè)人視力、顏色鑒別力、情感、疲勞、光線條件等的 影響 ,分選速度慢 ,勞動(dòng)強(qiáng)度大 ,而且人眼很難精確估汁著色、損傷等面積 ,大多數(shù)停留 丁定性評(píng)判 ,分選的精度和可靠性得不到保證。機(jī)械分選的主要分選指標(biāo)是水果的火小和 重量 ,對(duì)水果損傷犬 ,效率低 ,分選結(jié)果達(dá)不到國(guó)際要求。隨著我國(guó)貿(mào)易的迅速增加 , 年代以來(lái)我國(guó)先后沒(méi)計(jì)制造了些分級(jí)設(shè)備 ,但其中大部分還是采用機(jī)械式尺寸分絨 , 分級(jí)精度低 ,而且不能對(duì)水果形狀、顏色、缺陷等分級(jí)。我國(guó)也引進(jìn)了國(guó)外的部分先進(jìn)分 級(jí)設(shè)備 ,但一般僅有技術(shù)示范作用 ,并沒(méi)有真 正廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。 .國(guó)內(nèi)外研究概況 年代以后國(guó)外開(kāi)始研究計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù) ,在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用主要包括農(nóng)業(yè)機(jī)器人、 農(nóng)業(yè)遙感分析、糧食及水果的品質(zhì)檢測(cè)等技術(shù)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)是七十年代初期在遙感幽 片和生物醫(yī)學(xué)圖片分析兩項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)取得卓有成效的成果后開(kāi)始嶄露頭角的。計(jì)算機(jī)視覺(jué) 就是對(duì)二維空間的感知 ,包括獲取、分析、識(shí)別等過(guò)程。它綜合了光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自 學(xué)科 ,以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為基礎(chǔ)的機(jī)器智能漢 動(dòng)化技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、人Ⅲ『智能技術(shù)等多 圳代替人的肉眼視覺(jué)識(shí)別 ,具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和良好的發(fā)展前景。以計(jì)算機(jī)視覺(jué) 為基礎(chǔ) 第一章緒論 的水果智能分級(jí)技術(shù)具有分級(jí)精度高 ,分級(jí)結(jié)果客觀準(zhǔn)確 ,動(dòng)化程度高 ,對(duì)水果損傷少 等優(yōu)點(diǎn) ,必將取代現(xiàn)有的人上分級(jí)、機(jī)械分級(jí)技術(shù) ,是當(dāng)前水果實(shí)時(shí)榆測(cè)與自動(dòng)化分級(jí)技 術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 .計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)研究概況 國(guó)內(nèi)外目前主要通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)水果按大小、形狀、色澤、表面缺陷等特征進(jìn) 行品質(zhì)檢測(cè) ,并進(jìn)行自動(dòng)化分級(jí)和包裝 ,大大提高了其商品價(jià)值。隨著圖像處理技術(shù)的專(zhuān) 業(yè)化與計(jì)算機(jī)硬件成本的降和軟什性能的提高 ,計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)己廣”泛應(yīng)用于水果、裔 禽品等農(nóng)產(chǎn)品的品