基于機器視覺的家庭智能垃圾桶設(shè)計研究

◆陳佳欣 仲子鑫

（黑龍江大學(xué) 黑龍江 150086）

本文將首先針對機器視覺的概念進行分析，之后對我國垃圾分類的概念進行探究，最后對基于機器視覺的家庭智能垃圾桶設(shè)計研究方法進行討論。

1 機器視覺

在這個世界中，人類與動物為了感受這個世界，都會通過各種途徑進行外部環(huán)境的感知工作，從而有效地對各種外界的事物進行掌握，并采取相應(yīng)的行動。為了感受外界傳來的信息，人類擁有了聽覺、視覺、嗅覺、觸覺與味覺五大感知能力，這就是生物學(xué)中提到的“五感”。人類能夠通過眼耳口鼻甚至皮膚等多種器官中獲得外界的信息，但是接受外部信息最多的依舊是視覺，在進行“五感”的過程中，人們能通過眼睛獲得80%左右的外界信息，隨著工業(yè)化的發(fā)展，智能機器的科技也在日趨成熟，而智能機器的進步通常也離不開視覺技術(shù)的發(fā)展。美國制造工程師協(xié)會（SocietyofManufacturingEngineers，SME）機器視覺分會和美國機器人工業(yè)協(xié)會（RoboticIndustries Association，RIA）自動化視覺分會為機器視覺作了如下定義：“機器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置。”換成較易理解的說法，機器視覺就是一種生物感官模擬器，通過視覺技術(shù)來模擬人類眼球的工作狀態(tài)，在進行視覺技術(shù)應(yīng)用過程中，攝像頭所采集到的圖像能被轉(zhuǎn)化為一種圖形信號，這種信號會交由專用的圖像處理器進行信息的處理工作，處理系統(tǒng)會根據(jù)圖像的分布情況及物體的亮度顏色等信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，之后圖像處理系統(tǒng)會根據(jù)這些信號進行目標(biāo)特征的分析工作，例如分析圖像中物體的面積、長度等信息，這些圖像信息生成之后，信息會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的容許度及其他條件輸出結(jié)果進行判定，從而達到機器視覺應(yīng)用的目的[1]。凡是通過光學(xué)裝置獲取物體相關(guān)信息以及處理相關(guān)信息的技術(shù)都能夠被稱為機器視覺，這些視覺包含了課件視覺以及不可見視覺，人類觀察不到的物體內(nèi)部信息都能夠被機器視覺所處理。隨著視覺傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，具有視覺功能的機器已經(jīng)被人類廣泛的應(yīng)用，并逐步形成了機器視覺這一學(xué)科，賦予智能機器視覺功能是智能機器發(fā)展的重要技術(shù)手段，提高了智能機器的應(yīng)用質(zhì)量。對機器視覺的概念分析完成之后，下面將針對我國垃圾分類的概念進行探究。

2 垃圾分類

我國垃圾分類工作雖然早已開始，但是大規(guī)模的垃圾分類工作才剛剛開展，在人們生產(chǎn)生活中每天都會產(chǎn)生大量的垃圾，人們的生活垃圾一般可分為四大類：可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾。其中可回收垃圾包括了廢紙、塑料、玻璃、金屬和布料五大類。廢紙主要包括報紙、期刊、圖書、各種包裝紙、辦公用紙、廣告紙、紙盒等，值得注意的是紙巾和廁所紙由于水溶性太強不可回收。而塑料主要包括各種塑料袋、塑料包裝物、一次性塑料餐盒和餐具、牙刷、杯子、礦泉水瓶等。玻璃主要包括各種玻璃瓶、碎玻璃片、鏡子、燈泡、暖瓶等。在垃圾分類過程中金屬物主要包括易拉罐、罐頭盒、牙膏皮等。布料主要包括廢棄衣服、桌布、洗臉巾、書包、鞋等。人們生活中還會產(chǎn)生大量的廚余垃圾，廚余垃圾中的剩菜剩飯、骨頭、菜根菜葉等食品類廢物都屬于廚余垃圾[2]。有害垃圾包括廢電池、廢日光燈管、廢水銀溫度計、過期藥品等，這些垃圾不僅需要合理的分類，還要經(jīng)過專業(yè)的無害化處理工作，垃圾分類中的其他垃圾包含磚瓦陶瓷、渣土、衛(wèi)生間廢紙等。這些分類為人們的生產(chǎn)生活提供了垃圾分類的依據(jù)，提高了垃圾回收利用效率，降低了垃圾對環(huán)境的危害，但是由于一些老人及兒童無法對垃圾分類細則進行有效掌握，在垃圾分類過程中經(jīng)常出現(xiàn)垃圾分類錯誤的現(xiàn)象，為了降低這一現(xiàn)象的發(fā)生概率，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)進行家庭智能垃圾桶的設(shè)計工作，下面將針對基于機器視覺的家庭智能垃圾桶的設(shè)計方式進行探究。

3 智能垃圾桶設(shè)計難點

通過前文的分析可以得知，我國的垃圾分類原則較為細化，人們對于垃圾進行分類的過程中難免會出現(xiàn)分類錯誤的現(xiàn)象，所以智能垃圾桶的設(shè)計成了提高垃圾分類效率的必要工作，下面將針對智能垃圾桶的設(shè)計工作進行探究。

3.1 智能垃圾桶概念

隨著識別技術(shù)的不斷發(fā)展，垃圾桶中運用識別分類技術(shù)能夠降低垃圾分類過程中的錯誤分類現(xiàn)象，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多較為優(yōu)秀的智能垃圾桶設(shè)計團隊，在這些垃圾桶中裝入了傳感器、攝像頭與人工智能技術(shù)，通過智能判斷，對丟棄的垃圾進行識別，從而幫助垃圾丟棄人員判斷垃圾種類，使垃圾得到合理的分類。中國作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國生產(chǎn)大國，正在向自動化、智能化大國邁進，中國的智能垃圾桶生產(chǎn)能力較弱，所以在進行智能垃圾桶設(shè)計過程中遇到了許多問題，出現(xiàn)了許多科技難點，下面針對這些難點進行分析[3]。

3.2 設(shè)計難點

在進行設(shè)計過程中，其難點主要在于我國市場中還沒有成熟的智能垃圾桶出現(xiàn)，智能垃圾桶的概念僅存在于理論實驗之中，并未出現(xiàn)大批量生產(chǎn)的現(xiàn)象，并且由于垃圾種類繁多，在這種情況下如何提高垃圾桶的識別準(zhǔn)確性也成了擺在科技工作者面前的難題。在垃圾識別之后，采用人工投放垃圾的方式還是采用智能垃圾桶自動分類的方式進行垃圾分類，也曾為困擾科技工作者的難題，下面針對我國智能垃圾桶設(shè)計難點給出相應(yīng)的涉及策略，提高我國智能垃圾桶的研發(fā)應(yīng)用能力。

4 技術(shù)突破創(chuàng)新

我國智能垃圾桶技術(shù)的發(fā)展較慢，在發(fā)展過程中科技工作者還面臨著多重科技難題，下面將針對這些難題進行探究，提高我國智能垃圾桶的研發(fā)效率。

4.1 垃圾分類選取標(biāo)準(zhǔn)

想要科學(xué)合理地進行智能垃圾桶研發(fā)工作，科研人員首先應(yīng)當(dāng)設(shè)計智能垃圾桶的垃圾分類原則，垃圾分類原則參照我國垃圾分類的相關(guān)文獻進行制定，通過前文的垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)探究中可以得知，我國垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)較為精細，通過近些年來的垃圾分類工作分析可以得知，我國居民垃圾分類主要為三種，干垃圾、濕垃圾、有害垃圾，這三種垃圾分類的標(biāo)準(zhǔn)成了家庭智能垃圾桶垃圾分類的標(biāo)準(zhǔn)，也為智能垃圾桶的垃圾分類工作進行了規(guī)范[4]。常見的濕垃圾有，馬鈴薯、菜葉、西瓜皮、魚骨頭、甘蔗、蛋糕、蝦殼、玉米、面包、草莓、香蕉皮、辣椒、蟹殼、巧克力、茄子、豌豆皮、蘋果、樹葉、蛋殼、番茄醬等等。常見的干垃圾有：壇子、舊浴缸、杯子、核桃、一次性筷子、壞的花盆、木質(zhì)梳子、臟污衣服、籃球、衛(wèi)生紙、陶瓷碗、垃圾袋、瓦片、掃把等。知道干濕垃圾分類的由來對智能垃圾桶的垃圾分類工作更有幫助，在我國居民的生活垃圾中，廚余和果皮垃圾等水分含量高的垃圾占比極高，這些水分含量大的垃圾非常不利于垃圾的回收和最終處置工作，因此，相關(guān)部門才提出了“干濕分類”這一種簡單實用的垃圾分類方式。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計方案制定

基于機器視覺的智能垃圾桶在設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個條件：首先，智能垃圾桶能夠在有穩(wěn)定光源的情況下進行圖像數(shù)據(jù)的獲取工作，能夠?qū)G棄的垃圾進行拍照處理，并且系統(tǒng)用當(dāng)具有較強的穩(wěn)定性，在進行垃圾桶設(shè)計過程中，非核心部件應(yīng)當(dāng)進行可替換設(shè)計，為后續(xù)的研究提供足夠的硬件加裝空間。其次，還應(yīng)當(dāng)針對視覺系統(tǒng)進行設(shè)計工作，在進行視覺系統(tǒng)設(shè)計過程中，視覺自動分類系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含四個模塊，即圖像采集、圖像處理、垃圾分類、控制四個模塊，圖像采集模塊的設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)安裝相應(yīng)的攝像設(shè)備、光源設(shè)備，在條件成熟的情況下，光源設(shè)備可以直接替換為紅外攝像設(shè)備，減少垃圾桶中零件數(shù)量，使智能垃圾桶更加輕便，在進行圖像處理設(shè)備設(shè)計過程中，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)嵌入提前設(shè)計好的垃圾分類模型，使智能垃圾桶的分類更加智能化，對不同垃圾的判斷更加準(zhǔn)確。最后，還應(yīng)當(dāng)安裝信號處理系統(tǒng)，使信號能夠在短時間內(nèi)被系統(tǒng)控制程序識別處理。垃圾分類模塊主要是一種硬件設(shè)備，在進行垃圾分類的過程中，垃圾圖像被處理完畢之后，垃圾桶會根據(jù)不同的垃圾進行不同的指令傳輸工作，通過垃圾桶內(nèi)舵機的旋轉(zhuǎn)完成不同垃圾桶蓋的開啟，對垃圾進行準(zhǔn)確的投放工作[5]。控制模塊不僅要擁有相對應(yīng)的系統(tǒng)，還要擁有電源等多種控制機關(guān)，提高智能垃圾桶的使用效果。

4.3 硬件設(shè)計

進行智能垃圾桶硬件設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)垃圾桶使用場景的不同進行設(shè)計，家庭垃圾桶應(yīng)當(dāng)小巧，并且應(yīng)當(dāng)保證垃圾桶的密封性能，降低垃圾所產(chǎn)生的異味，在進行硬件選擇過程中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)首先選擇垃圾桶的主板，主板能迅速地處理圖像信號，之后將信號傳輸至垃圾桶的控制系統(tǒng)之中，使垃圾桶能夠智能區(qū)分垃圾的不同。為了提高垃圾桶的圖像識別效率，設(shè)計人員還應(yīng)當(dāng)對智能垃圾桶中的攝像設(shè)備進行選擇，攝像設(shè)備應(yīng)當(dāng)保持較高的像素，同時能夠在無光源或光源環(huán)境較差的環(huán)境內(nèi)正常工作，考慮到實際的應(yīng)用問題，攝像設(shè)備只需要捕捉區(qū)域內(nèi)的靜止圖像即可。通過一系列的硬件選擇能夠完善加強智能垃圾桶的工作效率提高垃圾分類水平。

5 結(jié)束語

通過基于機器視覺的家庭智能垃圾桶設(shè)計研究可以得知，智能垃圾桶在我國實際應(yīng)用范圍較小，在進行設(shè)計過程中，工作人員應(yīng)當(dāng)在智能垃圾桶的系統(tǒng)程序設(shè)計工作的同時，提高智能垃圾桶的硬件設(shè)備質(zhì)量，提升智能垃圾桶的設(shè)計研發(fā)水準(zhǔn)。