荔枝果品質檢測圖像采集平臺的研制與試驗

黃偉鋒　唐宇　王克強

摘要：針對傳統人工檢測方法費時、耗力和精度低等問題，構建了由電控子系統和機械機構2部分構成的單目步進旋轉式圖像采集平臺，并研制了1款由LED陣列組成的雙平板式散射光源，并編制了采集軟件。對散射光源的亮度和均勻性以及轉動置物臺的載荷能力進行了測試，發現被測區域亮度的最大偏差為9.8 lx，置物臺承受質量 261.89 g 的負載也不會令步進電機運行失步，能滿足實際使用需要。研究結果將為荔枝果品質的自動化無損檢測平臺的構建提供參考。

關鍵詞：荔枝果；品質檢測；圖像；采集平臺

中圖分類號： S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0381-04

荔枝起源于中國，是世界名果，我國荔枝鮮果年產量接近200萬t[1-2]。荔枝大量上市時間在6月至7月上旬，由于收獲期集中，加上鮮果不耐貯藏，高峰期日均上市量達3萬t以上，鮮銷和加工處理壓力大[3]。荔枝被采摘后一般需經過品質檢測與分級處理再進入銷售環節，其品質檢測與分級處理以手工操作為主，費時耗力。因此，研制用于荔枝果品質無損檢測的自動化設備顯得很有必要。

目前，水果品質無損檢測有介電特性檢測技術[4]、高光譜檢測技術[5]、基于可見光波段的機器視覺圖像技術[6]等。其中，介電特性檢測、高光譜、近紅外等技術在內部品質的檢測精度上具有一定的優勢，但設備昂貴；傳統的可見光成像設備成本更低，更易于實用化和推廣普及。本試驗主要研究以單片機、平行散射光源、攝像頭、步進電機為核心的圖像信息采集硬件平臺的研制，以該平臺采得的荔枝果多角度圖像可為鑒定荔枝果的各項品質指標提供客觀依據和特征信息。

1 采集平臺的硬件部分

現有的水果圖像采集設備，大多為單目單角度、雙目單角度或三目單角度結構，1次采集只能反映水果1個、2個或者3個側面的特征信息，通過人工翻轉水果進行多次圖像拍攝才能把水果表面的所有特征信息記錄下來；有少數采集設備應用了自動旋轉式結構的置物臺[7]，用直流電機控制轉臺，旋轉1周的時間段內，攝像頭進行間隔性采樣拍攝。該方法受直流電機的特性影響，同一個樣品的采樣圖像之間的旋轉角度大小有可能不一致，受攝像頭快門的限制，樣本的旋轉速度高，成像清晰度必然降低；轉動速度降下來將導致樣本的圖像采集錄入效率低。針對上述問題，構建了單目（單個攝像頭）旋轉式多角度圖像采集平臺，以單片機控制步進電機實現旋轉角度精確定位。平臺的硬件部分由電控子系統和機械機構2個部分組成。

1.1 電控部分

該部分以PC機為上位機，單片機為下位機。PC機發出采集命令，單片機控制步進電機驅動置物臺旋轉一定的角度后，由攝像頭拍攝樣本圖像存儲在PC機硬盤中（圖1）。旋轉驅動選用東方PK245-01A型步進電機[8]（最大靜止轉矩為0.32 N/m，轉子轉動慣量J為68×107 kg/m2，基本步進距角為1.8°）。

步進電機控制電路采用TB6560集成解決方案（圖2），其OSC引腳是斬波頻率控制端，這里須外接振蕩頻率調整電容（圖2，C6），根據公式1確定其容量[9]。

上式中的fosc單位為kHz，這里定為400 kHz，可算得調整電容Cosc的容量為100 pF。RESEF為芯片的復位腳，低電平有效。CLK、ENABLE和CW/CCW引腳分別是驅動脈沖、使能信號和正反轉控制信號輸入引腳，經過光電耦合器隔離后與單片機輸出的控制信號相連，以實現對電機轉速、使能和轉向的控制。M1、M2、DCY1、DCY2、TQ1、TQ2分別為細分、電流衰減和扭矩電流的控制信號輸入引腳（表1）。綜合考慮轉動過程中的平穩性與力矩大小并經實際運行試驗調整，將控制參數設定為1/8細分、50%扭矩電流和50%電流衰減。電流采樣電阻是與繞組線圈串聯的（阻值為1.2 Ω），電機供電壓為19 V，線圈電阻3.3 Ω，可算得繞組不間斷通電時的滿載電流約為4.2 A，經過2次50%的衰減后，實際工作時，流過電機繞組的有效電流為1.06 A。

下位機是以ATmega 128 L單片機為核心的嵌入式系統，提供與上位機通信的RS-232串行口和步進電機控制信號輸出接口（圖3）。下位機通過軟件程序控制ATMega 128 L的PG1、PF2、PF3的3個I/O口分別輸出控制步進電機啟/停、正/反轉和步進時鐘所需的邏輯電平信號。

為降低外界光照的影響，增強拍攝樣本圖像的亮度、對比度和清晰度，讓圖像信息更好地反映出荔枝果的顏色和紋理特征，本研究設計與制作了1套平板散射式白色光源（圖3）。光源由2塊矩形萬能板（尺寸：50 mm×150 mm）組成，每塊板上按照中間密集四周稀疏的原則分布有34個能發出白色光的LED（表2）。在平板LED光源的基礎上，增加了1副 Acrylic 材質的散光板，以提高照射到待測樣本上的白光的均勻性。光源采用3.3 V直流電源供電，采取獨立支路限流法使每個LED的工作電流約為10 mA。

系統中的上位機為DELL E4300型便攜式計算機，這里通過以PL-2303芯片為核心的“USB-to-232”轉接數據線與下位機的RS-232接口進行通信，通信波特率設定為 9 600 b/s。系統中的圖像采集設備為D881 HD720P型USB接口攝像頭（最高分辯率為1 280×720）。

1.2 機械機構部分

平臺式的機械機構部分由底座、擋板、電機支架、光源與攝像頭安裝支架等幾部分構成（圖4）。平臺底座為1塊 5 mm厚 330 mm×200 mm大小的鋁質板材。為提供白色背景，在攝像頭0°視場角方向，步進電機支架的前、后分別用L型不銹鋼角碼固定安裝1塊250 mm×80 mm和1塊 250 mm×250 mm的白色亞力克板，厚度為4 mm。同時，在前擋板和后擋板表面貼有表面粗糙的白紙，防止反光。

為避免外界光源對采集系統成像質量的不良影響，設計并采用規格為200 g的黑色卡紙制作了1個尺寸為360 mm×300 mm×300 mm遮光罩，該罩內壁為全黑色，覆蓋于系統上，可屏蔽外界光。

2 采集平臺的軟件部分

采集平臺的軟件部分包括上位機數據采集軟件、下位機步進電機控制程序和分布式系統通信協議3方面的內容。

2.1 上位機數據采集軟件

上位機軟件是MATLAB R2011b軟件平臺上開發的GUI軟件（圖5），主要完成電機動作命令發送，圖像采集命令發送，圖像信息錄入、顯示和保存等工作。每個樣本均采集5幅圖像，每幅圖像的旋轉角度相隔72°，5幅圖像采集完畢時，荔枝果樣本旋轉了288°，其表面信息被全部采集完畢，能較好地全面反映荔枝果樣本表面的顏色和紋理信息，為后續的數據分析和建模奠定基礎。

2.2 下位機步進電機控制程序

下位機步進電機控制程序是在ICC AVR 7.22集成開發環境中用C語言編寫的，主要完成對上位機下發命令的監聽與接收、步進電機驅動控制和向上位機回送響應信息3項任務（圖6）。

2.3 分布式系統通信協議

分布式系統中的上位機與下位機之間的通信采用10位異步串行通信幀標準格式，即1位起始位、8位數據位、1個停止位，無奇偶校驗和硬件數據流控制，并采用附加校驗和的方法保證通信可靠性。同步字符定義為0x55，電機動作命令字符設定為0xAA，下位機響應信息字符定義為0xFF。上位機發出的命令與下位機回送的響應信息均采用3個字節的數據串格式，即：第1個字節為同步字符，第2個字節為命令（或響應）信息，第3個字節為無符號校驗和。經數百個樣本的圖像數據采集試驗，這樣的校驗方式效果理想，在硬件連線無誤和硬件資源沒損壞的情況下，能保證每次均能通信成功。

3 采集平臺的試驗

光源的亮度和均勻性對樣本拍攝的成像質量有重要影響，因此，在進行樣本圖像采集試驗前有必要對前述散射光源的效果進行試驗，并測試其照射到置物臺及附近的亮度和散射均勻性指標。此外，置物臺的旋轉是由步進電機帶動的，當負載所帶來的阻力超過電機的啟動扭力時，電機機軸的轉動就有可能失步，導致轉動行程產生較大誤差，有必要先對置物臺轉動載荷能力進行測試。

3.1 光源效果測試試驗

3.1.1 材料與方法 （1）材料：方格紙（每格尺寸：30 mm×30 mm）、圖像采集平臺、散射光源、直流3.3 V電源、HT-860照度計。

（2）步驟：

① 將采集平臺后擋板處位于置物臺正上方大小為 90 mm×90 mm的區域等分成9個小方格（圖7），以左上角為原點，按行列編號形成方格坐標；

② 在19：00開啟光源，預熱5 min；

③ 關閉室內照明系統，用照度計測量每個小方格中心位置的照度值，重復2次并記錄數據；

④ 關閉散射光源，用照度計測量每個小方格中心位置的照度值，重復2次并記錄數據。

3.1.2 結果與分析 在夜晚關閉散射光源和室內照明系統時，測得每1個小方格中心位置的照度值均為0 lx，因此可推斷：開啟散射光源時測得的光照度絕大部分是由散射光源作用產生的，外界光源微弱，可忽略不計（表3）。均勻性參數采用方差分析統計方法得到，以9個小方格2次測量的照度均值作為輸入數據，統計并計算，可得到如下結論：

光照度分布較均勻，最大偏差（絕對值）僅為9.8 lx，散射效果較理想，滿足拍攝光源光照度分布要求。

3.2 置物臺轉動載荷測試試驗（圖8）

3.2.1 材料與方法 （1）材料：圖像采集平臺、量角器、5個不同質量的負載（2個砝碼和3個鋼球）、下位機、步進電機電源及其驅動電路模塊、SF-400C型精密電子秤。

（2）步驟：

① 開啟電子秤，調零校準，順序測量5個負載的質量，重復2次并記錄數據；

② 將量角器安裝在電機架上方置物臺下方的位置并固定好，量角器圓心與軸心重合，量角器平面與置物臺平面平行（圖8）；

③ 將簡易角度指針粘貼在置物臺邊緣位置；

④ 取出其中1個負載放置在置物臺上，手動旋轉置物臺使指針指向0°；

⑤ 編程使單片機驅動步進電機旋轉4次，每次旋轉72°，合共288°，每2次旋轉之間延時1 s；

⑥ 讀取并記錄指針所指角度值；

⑦ 重復步驟④、⑤和⑥，直至完成全部5個負載的旋轉行程測量；

⑧ 重復步驟④、⑤、⑥和⑦，完成第2次測量。

3.2.2 結果與分析 置物臺載荷測試數據表明，5個負載在測試中均能按既定行程到達目標位置，重達261.89 g的負載加到置物臺上也不會令步進電機運行失步，單顆成熟荔枝果的重質量少有超過50 g（表4）。因此，本系統中的旋轉機構，其力矩足以滿足轉動單顆荔枝果的要求。

4 結束語

為實現對荔枝果表面紋理和顏色特征信息的全方位采集，構建了1套由電控子系統和機械平臺2部分構成單目步進旋轉式圖像采集平臺，并對散射光源的亮度和均勻性進行了測試，結果表明光照在被測區域的投射分布較均勻，能滿足樣本拍攝光源光照度分布要求；測試了置物臺的轉動行程，證明該置物臺可滿足轉動單顆荔枝果的要求，為實現荔枝果品質的自動化無損檢測提供了平臺軟硬件技術參考。

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