專利名稱：一種多通道水果視覺分級圖像采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種圖像數(shù)據(jù)采集裝置，特別是一種用于水果視覺自動分級中的水果表面圖像采集裝置。該技術(shù)屬于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國是水果生產(chǎn)大國，水果資源十分豐富，產(chǎn)量居世界之首，但出口量只占很小的比例。造成這種反差的其中一個原因是水果采摘后檢測、分級技術(shù)落后。目前國內(nèi)大部分水果在采摘后不經(jīng)過商品化處理就直接上市，水果成品等級混雜，良莠不齊，影響了水果的商品價值，同時使商品在國際市場上缺乏競爭力，嚴重削減了其國際市場份額。
水果采摘后的商品化處理的主要環(huán)節(jié)包括挑選、清洗、打蠟、分級和包裝等，其中分級是商品化處理中的核心環(huán)節(jié)。目前，我國的水果分級處理主要還是依靠人工完成，這樣的處理方法需要的勞動力多，勞動強度大，而且分級的結(jié)果會因勞動者個體差異而差別較大，分級效果的一致性較差，效率也較低。國內(nèi)外已經(jīng)投入使用的一些機械化分級設(shè)備主要是依靠水果的尺寸、大小、重量進行分級，分級的標準比較單一，難以滿足市場的需要。雖然目前該領(lǐng)域的技術(shù)有它的局限性，但是，利用機器作業(yè)對水果進行視覺分級具有很大的優(yōu)勢，可以同時對多個標準，包括水果的尺寸大小、形狀、顏色、表面缺陷等外觀品質(zhì)一次性進行綜合分級。分級的客觀性強、標準穩(wěn)定、一致性好、效率高，而且非接觸無傷害，因而具有很好的應(yīng)用前景。
在利用機器視覺進行水果的分級中，水果表面圖像信息采集的準確與否關(guān)系到最終的分級結(jié)果和分級效率。水果圖像采集最基本要求是在保證一定的加工效率下盡可能的獲取到整個水果表面的清晰圖像。國內(nèi)現(xiàn)有的水果視覺分級系統(tǒng)基本都是單個通道采集的，即使是存在兩個或多個通道，也主要是采用每個通道安裝一個攝像頭、每個攝像頭負責一個通道的形式進行圖像采集，系統(tǒng)的集成度較低。另外，在圖像采集的時序上主要有兩種方式一種是攝像機連續(xù)采集并輸出，用軟件判斷圖像幀數(shù)的冗余，去除冗余幀，獲得有效信息；另一種是攝像機連續(xù)采集并輸出，同時使用硬件的方式，即采用具有外觸發(fā)模式的采集卡進行圖像采集，去掉冗余的圖像幀，獲得有效信息。但無論哪一種采集方式，在一幀圖像中都可能會出現(xiàn)不完整的水果圖像，直接影響了水果分級的結(jié)果和效率。
實用新型內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題本實用新型的目的是要克服目前現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種僅使用一個攝像機，而且信息冗余量低、分級速度快、分級效率高的多通道水果視覺分級裝置。
(二)技術(shù)方案本實用新型提出一種多通道水果視覺分級圖像采集裝置，包括通用計算機和用于處理采集到的數(shù)據(jù)的圖像數(shù)據(jù)采集卡，還包括用于傳送水果的傳送結(jié)構(gòu)、位于傳送結(jié)構(gòu)上方的用于捕獲水果表面圖像數(shù)據(jù)的攝像機、用于控制攝像機動作的開關(guān)結(jié)構(gòu)，其中傳送結(jié)構(gòu)具有多個傳送通道，攝像機能同時捕捉多個傳送通道上的水果圖像。
本實用新型提出的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，一種優(yōu)選的方案是開關(guān)結(jié)構(gòu)包括編碼盤和接近開關(guān)，編碼盤的外圈有均勻分布的槽口。槽口個數(shù)與傳送結(jié)構(gòu)相匹配。根據(jù)傳送結(jié)構(gòu)的移動，編碼盤上將有一個槽口經(jīng)過接近開關(guān)的檢測區(qū)域，使接近開關(guān)輸出一個脈沖。
上述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，另一種優(yōu)選的方案是還包括電平轉(zhuǎn)換器，用于連接攝像機和接近開關(guān)，滿足攝像機和接近開關(guān)的電氣匹配。
本實用新型提出的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，一種優(yōu)選的方案是傳送結(jié)構(gòu)具有兩個傳送通道。傳送結(jié)構(gòu)優(yōu)選為兩組鏈式傳送帶，由同一個軸的鏈輪驅(qū)動作同步運動，傳送帶上安裝有滾子和托盤，且滾子可以繞自身的水平軸線自轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，在傳送帶兩側(cè)設(shè)有邊板，邊板上開設(shè)有滑槽，滑槽的形狀可用下式表示y=r·sin(180-ω·t)x=(v·t+r)+r·cos(180-ω·t)]]>式中r為導(dǎo)向銷12中心到滾子中心的距離，ω為滾子的轉(zhuǎn)動角速度，v為傳送帶的速度，t為運動時間。
本實用新型提出的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，一種優(yōu)選的方案是還包括照明設(shè)備，照明設(shè)備作為傳送結(jié)構(gòu)的光源，安裝在傳送結(jié)構(gòu)附近。這種照明設(shè)備優(yōu)選為高頻熒光燈。
(三)有益效果采用本實用新型，一方面通過多通道的傳送結(jié)構(gòu)，同時進行多個水果的分級作業(yè)，提高作業(yè)效率。
另一方面，本實用新型僅使用一個攝像機，不但節(jié)約成本，而且結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)集成度高。
由于采用編碼盤和接近開關(guān)的設(shè)計，使得本實用新型能捕捉水果不同角度的圖像，所得的采集數(shù)據(jù)位置精度高，而且圖像數(shù)據(jù)冗余量小，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。
再者，本實用新型附加的設(shè)備例如照明設(shè)備的方案簡單易于實現(xiàn)。


圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為系統(tǒng)工作原理圖，其中(a)為正面視圖，(b)為側(cè)面視圖；圖3為圖像采集時序圖，其中(a)為第n次觸發(fā)，(b)為第n+1次觸發(fā)，(c)為第n+2次觸發(fā)。
其中，1、鏈輪；2、鏈式傳送帶；3、接近開關(guān)；4、編碼盤；5、滾子；6、托盤；7、水果；8、滑槽；9、熒光燈管；10、燈箱；11、攝像機；12、導(dǎo)向銷；13、邊板；14、傳送結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
本實用新型提出的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，結(jié)合附圖和實施例說明如下。以下實施方式僅用于說明本實用新型，而并非對本實用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實用新型的范疇，本實用新型的專利保護范圍應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
參照圖1，本實用新型的多通道水果視覺分級圖像采集裝置主要包括以下部分通用計算機、用于處理采集到的數(shù)據(jù)的圖像數(shù)據(jù)采集卡、用于傳送水果的傳送結(jié)構(gòu)14、用于捕獲水果表面圖像數(shù)據(jù)的攝像機11、用于控制攝像機動作的編碼盤4和接近開關(guān)3，以及用于連接攝像機和接近開關(guān)的電平轉(zhuǎn)換器。
其中，本實施例選用一個支持異步復(fù)位的逐行掃描彩色攝像機(北京嘉恒中自圖像技術(shù)公司的OK_AC1300)和一張彩色圖像采集卡(北京嘉恒中自圖像技術(shù)公司的OK-RGB10)作為圖像獲取設(shè)備。圖像采集卡通過PCI總線接口和計算機相連。攝像機輸出的模擬信號經(jīng)過圖像采集卡的采集處理后得到數(shù)字圖像并輸入到計算機進行后續(xù)處理。
上述選用的攝像機具有標準隔行掃描或逐行掃描的功能，在本實施例中，該攝像機主要工作在外觸發(fā)的逐行掃描模式下。為了配合水果傳送的速度，定時獲得有效信息，減少數(shù)據(jù)冗余，因此設(shè)計了一個編碼盤，并配合使用了一個接近開關(guān)作為觸發(fā)信號發(fā)生源，控制攝像機的動作。接近開關(guān)產(chǎn)生的脈沖信號輸入給攝像機作為觸發(fā)采集的控制信號。為滿足接近開關(guān)和攝像機之間的電氣匹配，兩者之間加入一個電平轉(zhuǎn)換器。攝像機在沒有觸發(fā)脈沖輸入的情況下一直保持等待狀態(tài)，無圖像信號輸出。當有一個觸發(fā)脈沖信號的下降沿到來時，攝像機馬上執(zhí)行異步復(fù)位動作并開始一幀圖像的曝光和掃描，輸出一幀圖像，輸出完成后重新處于等待狀態(tài)。
參照圖2，本實施例用于說明雙通道的情況，即裝置可以同時獲取兩個水果的表面圖像信息。因此，在實施例中，兩組結(jié)構(gòu)相似的鏈式傳送帶2由同一個軸的鏈輪1驅(qū)動作同步運動，構(gòu)成雙通道傳輸系統(tǒng)。傳送帶上等間距安裝有滾子5和托盤6，且滾子可以繞自身的水平軸線自轉(zhuǎn)。在水果的傳輸過程中，每兩個相鄰的滾子之間的托盤上可以放置一個水果7。攝像機11安裝在傳送帶的垂直正上方，位于兩個通道之間，使得圖像采集平面能橫跨兩個通道。在傳輸系統(tǒng)的從動軸上安裝有編碼盤4，編碼盤和接近開關(guān)3配合工作以產(chǎn)生脈沖輸出。編碼盤的外圈有均布的槽口，槽口數(shù)和從動軸每轉(zhuǎn)一圈傳送帶移動的滾子數(shù)相等。所以傳送帶每移動一個滾子的間距，編碼盤上將有一個槽口經(jīng)過接近開關(guān)的檢測區(qū)域，使接近開關(guān)輸出一個脈沖。
接近開關(guān)輸出的脈沖經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后觸發(fā)攝像機馬上進行一幀圖像的采集。由于采用異步復(fù)位攝像機進行圖像采集，從脈沖觸發(fā)信號產(chǎn)生到圖像開始曝光之間的時間非常短達到微秒級，此間傳送帶運動的距離可以忽略不計，而且傳送帶采用鏈傳動結(jié)構(gòu)，所以水果圖像在每幀圖像中的位置基本不變，只要調(diào)整攝像機的位置選擇合適的圖像采集區(qū)域就可以保證每個圖像中的每個水果都是完整的，這將非常有利于后續(xù)的圖像處理。
為了采集到水果的整個表面信息，水果在經(jīng)過圖像采集區(qū)域時，不但隨傳送帶前進作平動，而且在滾子的作用下作旋轉(zhuǎn)運動。其旋轉(zhuǎn)運動的原理是在圖像采集區(qū)域中，在傳送帶兩側(cè)的邊板13上開設(shè)有滑槽8?；鄣男螤羁捎孟率奖硎緔=r·sin(180-ω·t)x=(v·t+r)+r·cos(180-ω·t)]]>式中r為導(dǎo)向銷12中心到滾子中心的距離，ω為滾子的轉(zhuǎn)動角速度，v為傳送帶的速度，t為運動時間。當滾子經(jīng)過圖像采集區(qū)域時，滾子的中心沿x軸勻速運動，固定在滾子上的導(dǎo)向銷進入滑槽中，導(dǎo)向銷受滑槽的約束只能沿滑槽的軌跡運動，所以滾子的復(fù)合運動將是一邊隨傳送帶平動，一邊繞自身水平軸旋轉(zhuǎn)。在摩擦力的作用下，滾子的自轉(zhuǎn)間接地帶動水果作旋轉(zhuǎn)運動。選擇不同的ω可改變滾子在經(jīng)過整個圖像采集區(qū)域時所轉(zhuǎn)過的角度。試驗證明，滾子在經(jīng)過圖像采集區(qū)域的過程中旋轉(zhuǎn)約240度即可采集到水果的整個表面信息。
在拍攝運動的水果的圖像時，為了避免因為水果和攝像機之間的相對運動引起的圖像的模糊，攝像機在采集過程使用了速度為1/1000s的電子快門以縮短曝光時間。在此情況下光照條件變得非常重要，為了避免圖像曝光不足保證圖像的質(zhì)量需要使用附加的光照。本實施例中，在燈箱10的兩側(cè)安裝了熒光燈管9。由于熒光燈會隨著交流電的頻率產(chǎn)生頻閃，如果采用普通的熒光燈管，工作在50Hz的工頻下會產(chǎn)生100Hz的頻閃。由于1/1000s曝光時間比1/100s的頻閃周期小得多，拍攝得到的各幀圖像的平均亮度會有較大的波動，造成目標有效信息的損失或者加大了后續(xù)的圖像處理難度。為了解決熒光燈頻閃的影響，本實施例采用了工作頻率35KHz的高頻熒光燈作為光源。這樣每次曝光時間包含約35個頻閃周期，基本消除由于頻閃引起的圖像亮度波動，獲得很好的光照效果。
如圖3所示，上面是其中第一通道的水果在連續(xù)三次觸發(fā)采集圖像過程中所處的狀態(tài)，下面是對應(yīng)于各次采集到的水果圖像在整幀圖像中所處的位置。在進行圖像采集時，傳送帶每運動一個滾子的間距，攝像機將接收到一個來自接近開關(guān)的脈沖信號，并馬上開始一幀圖像的曝光和掃描。如圖3所示，圖像采集區(qū)域在傳送帶的運動方向上的寬度設(shè)置為三個滾子的間距，所以每幀圖像中每個通道將有三個水果被拍攝到，即每幀圖像上共有六個水果的圖像。
另一方面，由于圖像采集區(qū)域的寬度為三個滾子的距離，所以每個水果在通過整個采集區(qū)域的過程中將會被采集到三次，即整個水果的全部信息分布在三幀連續(xù)的圖像中。圖3中，在攝像機的第n次觸發(fā)時，采集到通道一的A、B、C和通道二的A′、B′、C′一共六個水果的圖像。在第n+1次觸發(fā)時，采集區(qū)的每個水果向前移動了一個滾子的間距距離，同時在滾子自轉(zhuǎn)的作用下翻轉(zhuǎn)過一定的角度，其中水果A和A′已經(jīng)移出采集區(qū)域，相應(yīng)的緊跟在水果C和C′后面的水果D和D′進入采集區(qū)域，水果B、C和B′、C′被采集到另一個角度的圖像。同理，在n+2第觸發(fā)時，B和B′移出采集區(qū)域，E和E′進入采集區(qū)域，水果C和C′被第三次采集到圖像。根據(jù)上述，經(jīng)過三次連續(xù)的觸發(fā)后，水果C和C′被采集到三個不同表面的圖像。
上述圖像經(jīng)過圖形數(shù)據(jù)采集卡進行相關(guān)處理后，由通用計算機配合圖像處理軟件對所得到的水果圖像進行處理和判斷，獲得挑選水果的信息依據(jù)。通用計算機及所需的圖像處理軟件均為相關(guān)技術(shù)人員熟悉的現(xiàn)代常用技術(shù)，在此不作贅述。
采用本實用新型的多通道水果視覺分級圖像采集裝置進行水果圖像采集，并用所獲得結(jié)果作為此后水果分級的數(shù)據(jù)依據(jù)，對比現(xiàn)有技術(shù)，其優(yōu)點非常充分(1)裝置同時工作在多通道條件下，大大提高了水果分級的效率；(2)用一個攝像機解決多個通道的圖像采集，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)集成度高；(3)采用編碼盤和接近開關(guān)的設(shè)計，捕捉水果不同角度的圖像，所得的采集數(shù)據(jù)位置精度高，而且圖像數(shù)據(jù)冗余量小，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理；(4)光照環(huán)境方案簡單易于實現(xiàn)；(5)硬件成本低，適于批量加工。
權(quán)利要求1.一種多通道水果視覺分級圖像采集裝置，包括通用計算機和用于處理采集到的數(shù)據(jù)的圖像數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于還包括用于傳送水果的傳送結(jié)構(gòu)、位于傳送結(jié)構(gòu)上方的用于捕獲水果表面圖像數(shù)據(jù)的攝像機、用于控制攝像機動作的開關(guān)結(jié)構(gòu)，其中傳送結(jié)構(gòu)具有多個傳送通道，攝像機能同時捕捉多個傳送通道上的水果圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于開關(guān)結(jié)構(gòu)包括編碼盤和接近開關(guān)，編碼盤的外圈有均勻分布的槽口。
3.如權(quán)利要求2所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于還包括電平轉(zhuǎn)換器，用于連接攝像機和接近開關(guān)，滿足攝像機和接近開關(guān)的電氣匹配。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于傳送結(jié)構(gòu)具有兩個傳送通道。
5.如權(quán)利要求4所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于傳送結(jié)構(gòu)為兩組鏈式傳送帶，由同一個軸的鏈輪驅(qū)動作同步運動，傳送帶上安裝有滾子和托盤，且滾子可以繞自身的水平軸線自轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于在傳送帶兩側(cè)設(shè)有邊板(13)，邊板(13)上開設(shè)有滑槽(8)，滑槽(8)的形狀可用下式表示y=r·sin(180-ω·t)x=(v·t+r)+r·cos(180-ω·t)]]>式中r為導(dǎo)向銷(12)中心到滾子中心的距離，ω為滾子的轉(zhuǎn)動角速度，v為傳送帶的速度，t為運動時間。
7.如權(quán)利要求1、2、3或6所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于還包括照明設(shè)備，照明設(shè)備作為傳送結(jié)構(gòu)的光源，安裝在傳送結(jié)構(gòu)附近。
8.如權(quán)利要求4所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于還包括照明設(shè)備，照明設(shè)備作為傳送結(jié)構(gòu)的光源，安裝在傳送結(jié)構(gòu)附近。
9.如權(quán)利要求5所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于還包括照明設(shè)備，照明設(shè)備作為傳送結(jié)構(gòu)的光源，安裝在傳送結(jié)構(gòu)附近。
10.如權(quán)利要求7所述的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，其特征在于照明設(shè)備是高頻熒光燈。
專利摘要本實用新型涉及一種圖像數(shù)據(jù)采集裝置，特別是一種用于水果視覺自動分級中的水果表面圖像采集裝置。本實用新型提出的多通道水果視覺分級圖像采集裝置，包括通用計算機和圖像數(shù)據(jù)采集卡，還包括用于傳送水果的傳送結(jié)構(gòu)、位于傳送結(jié)構(gòu)上方的用于捕獲水果表面圖像數(shù)據(jù)的攝像機、用于控制攝像機動作的開關(guān)結(jié)構(gòu)，其中傳送結(jié)構(gòu)具有多個傳送通道，攝像機能同時捕捉多個傳送通道上的水果圖片。采用本實用新型的有益效果是信息冗余量低、分級速度快、分級效率高，而且同時對多通道數(shù)據(jù)進行處理時僅使用一個攝像機，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
文檔編號B07C5/34GK2923067SQ20062011774
公開日2007年7月18日 申請日期2006年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月21日
發(fā)明者李偉, 張俊雄, 荀一 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)