基于機器視覺的茶葉分揀系統

林浩岳

【摘 要】傳統茶葉分揀工序需要依靠專業人員進行，人工分揀雖然可行性高，但是容易受到主觀因素如生產環境、身體等不確定因素的影響，很難實現大批量生產，而且專業人員工資費用較高，提高了茶葉的加工成本。為了提高茶葉質量識別的效率，減少人為的干預，提高茶葉質量識別自動化程度，推進茶葉大批量生產的進程，本文設計出一套基于機器視覺的茶葉分揀系統，解決茶葉篩選請工難請工貴的社會問題，對茶葉的批量化，自動化生產有一定的促進作用。

【關鍵詞】機器視覺;茶葉分揀;茶葉識別

中圖分類號： TP391.41;S571.1 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）21-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.005

0 前言

傳統茶葉加工速度比較慢，一直影響著茶行業生產效率的提升。隨著社會科學技術的進步與計算機視覺的發展，全自動化機械加工已經開始逐步取代手工加工，使得茶葉加工的速度有所提高。但是，由于機器加工并沒有達到完全智能的水平[1-4]。因此，開發一種能夠識別出茶梗及茶葉質量并將其分揀出來的機器變得十分重要，而該機器在實際應用中既需要在提高機選速度的同時又要保證產品的質量。

1 系統框架搭建

1.1 概述

硬件系統是茶葉分揀系統的重要組成部分，是軟件系統的載體。軟件算法的編寫要基于底層硬件系統的功能，而程序如何執行，各個部件如何協調工作也是硬件搭建必須考慮的問題。

硬件的整體性能會影響茶葉圖像采集的質量和茶葉圖像處理的速度與準確度，下面針對硬件的工作原理和功能進行重點介紹。

圖2為茶葉分揀系統框架圖，該系統包括無影照明光源、網絡工業攝像頭、路由器、嵌入式控制器、分揀執行機構、輔助檢測機構。該系統首先利用LED組合的無影光源為待檢測目標提供比較理想的照明環境，通過工業攝像頭捕獲目標圖像并無線傳輸到PC機上，再利用圖像處理、識別技術對目標茶葉進行檢測，最后根據檢測結果通過計算機通信接口傳送給嵌入式控制器，控制器根據設備的信息控制分揀執行機構，實現分類、分揀等功能，這些模塊相互協調應用構成一個完整的茶葉分揀系統。

2 網絡工業攝像頭選擇

攝像頭通過采集光的信息，將景物的光信息保留下來并通過一系列的處理，最后將處理好的數字圖像信號通過顯示器顯示出來。攝像頭的基本架構是由鏡頭、圖像傳感器和數字信號處理器組成。

網絡攝像頭是在攝像頭的基礎上衍生出來的，它能將處理后的數字圖像信號通過有線網絡或無線網絡發送出去。它采用了tcp協議進行通訊，所以我們只要能連接到網絡就可以將網絡攝像頭傳輸的圖像數據通過顯示設備顯示出來。采用網絡攝像頭連線簡單、應用方便，所有圖像數據通過網絡傳送，不需要硬件層驅動，平臺兼容性好。

3 照明光源選擇

圖像采集系統中照明光源是很重要一部分，光源選擇不好不合理會影響到圖像采集的質量，甚至會導致采集到的圖像信息出錯。茶葉外形多樣化且不規則，普通光源會使茶葉圖像產生陰影。茶葉顏色比較單一，次品茶葉顏色跟合格茶葉的顏色區分度不高，合理地選擇光源可以提高圖片顏色質量，提高識別率。

為滿足茶葉圖片信息的采集，本系統采用功率為30瓦的led平板無影燈板， 燈板要求帶均光板，無光斑無暗區，發光角度大于60度，光通量大于200Lm，顯色指數80Ra，透光率大于98%，色溫在6000-6500K之間，內部4014尺寸發光LED，光源表面光照度大于2000LUX。

對比圖片發現，單點光源的圖片茶葉本體顏色偏黑，茶葉顏色細節無法體現，對于歪曲的茶葉因不跟底部貼合，會在投影面上產生陰影，影響后期軟件對茶葉圖片的處理。在計算茶葉寬度的時候因陰影顏色跟茶葉顏色接近，處理計算得到的茶葉寬度會比實際寬度要寬，影響處理判斷結果。判斷雜葉最重要的一個依據是茶葉的顏色，該類茶葉顏色偏黃褐色，檢測到黃色像素比例偏高時會被列入雜葉范圍，采用無影燈板光源的圖片采集質量明顯改善，圖片顏色信息會更豐富，特別是偏黃的雜葉，區分度明顯提高。

4 嵌入式控制器

在系統框架中加入一個嵌入式控制器用于獲取計算機識別到結果，并結合相關輔助信號來有效控制分揀結構。該控制器不但需要獲取相關信號，還需要對信號進行分解處理，分配好控制周期，確?？梢詫τ嬎銠C識別到的茶葉進行有效分類。該控制器采用意法單片機STM32f103，其內核是Cortex-M3，Flash容量128K，工作頻率72Mhz，具有多路定時器控制器及中斷系統，接口豐富，簡化了該系統外圍電路需求。在該系統中用單片機的USB通信接口跟計算機進行通信，兩路中斷捕獲引腳來檢測編碼計數器的信號脈沖，一路串口接口控制分揀執行機構，多路內部定時器做任務協調管理。并留有多個異常信號輸入端口，用于急停等異常信號快速處理。

5 輔助機構

由于機械結構限制，圖像處理環節和茶葉分揀環節不能做在同一個位置。待分揀茶葉經過圖像識別處理后，需要通過傳送機構將其送到下一級的分揀機構進行分揀篩選，這樣就會存在一個處理延時的問題。識別到的茶葉到達分揀機構時間，分揀機構啟動和回收的耗時，這些信息都需要獲取到才能有效地對識別到的茶葉進行分揀，如果沒有位置反饋裝置，分揀效果就會有誤差。

為解決以上問題，在系統傳送帶中加入一個旋轉增量式位置編碼計數器，其原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。編碼計數器自帶傳動輪，輪子壓在傳送帶上，用來記錄傳送帶運行的距離。編碼計數器每轉一圈有400個輸出脈沖，通過記錄編碼器的數量，再結合傳動輪子的直徑就可以通過程序計算出傳送帶運動的距離。因為圖像識別的位置和分揀機構的位置是固定不變的，同記錄距離即可獲取到茶葉是否已經達到制定的分揀位置，從而實現較好的分揀效果。

編碼計數器采集電路如圖6所示，輸出信號直接接入系統的嵌入式控制系統，由里面的程序來完成采集和計算功能。

6 分揀執行機構

分揀是本系統的最終目標，常規的執行結構動力一般采用氣缸驅動、電磁鐵驅動或伺服電動機驅動。氣缸驅動需要配備空氣壓縮機及空氣干燥機，設備稍顯復雜。氣缸動作快，成本低，壽命高，但是重復精度差，控制精度低，運動速度和角度都不好控制，故本方案不采用氣缸作為動力來源。電磁鐵驅動電路簡單，控制方便，執行速度快，但是不能精確控制運行距離和角度，控制量單一，控制行程短，后期擴展性不好，所以不適合本系統。工控級別的伺服電機是電氣設備重要的執行動力源，行程速度和距離都可以精密控制重復精度高，但是價格昂貴，體積較大，根據本系統的要求，最后選用精密數字舵機。該執行部件屬于伺服電機的一種，自帶DIP反饋控制電路，具有體積小，精度高，價格低等有點，相對工業伺服電機更有優勢。為了確保控制精度和設備壽命，采用的數字舵機要求傳動齒輪全部為金屬材料，舵機外殼也采用合金鋁材，有利于散熱，減少傳動部件膨脹比例，保證控制精度。

7 小結

在目前機械化、智能化的時代，人工分揀方法因其效率低下將會逐步被機器所代替，而像茶葉色選機這種高效率但精準不高的方法也將逐步被改進。本文設計了一套基于圖像視覺的茶葉分揀系統，該系統在實際應用中已經可以初步分揀雜葉，茶梗，合格茶葉。因為茶葉的外形復雜，在分揀過程中容易纏繞，所以實際處理過程會存在誤檢的情況，需要在前期茶葉分離預處理上繼續改進，確保茶葉的分離性，有助于提高分揀正確率。

【參考文獻】

[1]譚詩淼.基于推進和近紅外光譜的茶葉品質分析研究[D].華中師范大學，2012.

[2]陳培俊.基于圖像處理和模式分類的茶葉雜質識別研究[D].南京航空航天大學，2014.

[3]付貝貝.可視化傳感體系構建及在茶葉檢測中的應用研究[D].重慶大學，2016.

[4]Kumar， P.V.S.， Basheer， S.， Ravi， R. et al. J Food Sci Technol（2011）48：440.