采摘機(jī)器人目標(biāo)識別技術(shù)研究

0 引言

隨著電子和機(jī)械技術(shù)的快速發(fā)展,以機(jī)器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)獲得了飛速發(fā)展,已經(jīng)成為現(xiàn)代科技創(chuàng)新的一個重要標(biāo)志。現(xiàn)代水果種植迫切需要一種能夠自動采摘的自動設(shè)備,以提高采摘和分類的生產(chǎn)效率。為此,提出了一種基于機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)的采摘機(jī)器人目標(biāo)識別技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對橘柑的自動識別。

1 識別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人識別系統(tǒng)的硬件部分是整個系統(tǒng)重要組成部分,包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源和運(yùn)動控制器。

1.1 采摘機(jī)器人識別系統(tǒng)概述

采摘機(jī)器人識別系統(tǒng)由圖像采集、圖像處理識別和運(yùn)動控制3個部分組成,如圖1所示。

圖1 采摘機(jī)器人識別系統(tǒng)框架圖Fig.1 The frame diagram of picking robot recognition system

采摘機(jī)器人識別系統(tǒng)各部分功能如下:

1)圖像采集:通過調(diào)節(jié)光源,使用圖像采摘裝置獲取待識別水果目標(biāo)。

2)圖像處理識別:對圖像采集系統(tǒng)采集到的水果圖像進(jìn)行預(yù)處理,再利用圖像分析算法對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行分析處理,識別圖像上水果目標(biāo)。

3)運(yùn)動控制:根據(jù)待識別目標(biāo)位置,圖像采集裝置進(jìn)行運(yùn)動,以方便其能獲取清晰的圖像。

1.2 識別系統(tǒng)硬件組成部分

采摘機(jī)器人識別系統(tǒng)主要包括PC機(jī)、工業(yè)相機(jī)、直流電源、光源和鏡頭,如圖2所示。

圖2 采摘機(jī)器人識別系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖Fig.2 The hardware architecture of picking robot recognition system

1)光源。光源對機(jī)器視覺的圖像質(zhì)量影響非常大,為了工業(yè)相機(jī)能夠獲取質(zhì)量好的圖像,需要選擇好合適的光源,確保能獲取穩(wěn)定的高質(zhì)量圖片。另外,選擇合適的光源,可以降低周邊環(huán)境的影響及圖像處理算法的難度,從而提高整個識別系統(tǒng)的效率和精度。

經(jīng)過對整個系統(tǒng)的綜合考慮和多次打光調(diào)試,選擇了德國Basler公司的60x60-Blue Camera Light。該光源可以將光線均勻地照射在水果目標(biāo)上,沒有虛影產(chǎn)生,且圖像清晰度高,能夠明顯提高目標(biāo)和背景之間的對比度,可保證相機(jī)能夠獲取較好的圖像。光源實(shí)物如圖3所示。

圖3 Basler 60x60-Blue camera light實(shí)物圖Fig.3 The physical diagram of Basler 60x60-Blue camera light

2)工業(yè)相機(jī)。在進(jìn)行機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,工業(yè)相機(jī)是核心部件,其重要的參數(shù)是分辨率和幀率。傳感器是工業(yè)相機(jī)的核心,目前主要有CCD 和 CMOS 兩種傳感器。在此,選擇德國Basler公司的daA3840-45uc相機(jī),配備USB 3.0接口,內(nèi)部采用Sony IMX334 CMOS芯片,可在830萬像素的分辨率下提供45fps的幀速率。相機(jī)實(shí)物如圖4所示。

圖4 Basler daA3840-45uc相機(jī)Fig.4 Basler daA3840-45uc camera

2 基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理框架

深度學(xué)習(xí)框架是深度學(xué)習(xí)的工具,采用高效框架設(shè)計(jì)算法,可以提高算法處理速度。在此,采用深度學(xué)習(xí)框架對采集到的圖像進(jìn)行處理分析,主要是使用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法,常用的目標(biāo)檢測算法有R-CNN、SPPNet、Faster R-CNN、YOLO、SSD及Retina-Net等。

本文采用SSD(Single Shot MultiBox Detector,SSD)算法對水果目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)識別。SSD和其他目標(biāo)檢測算法不同,其預(yù)測真實(shí)框并不包括選取候選的目標(biāo)區(qū)域,可采用不同大小的特征圖對目標(biāo)物體進(jìn)行標(biāo)識和測量。SSD是利用小型卷積算法對目標(biāo)特征邊框偏移和分類進(jìn)行檢測和識別,通過采用非極大值抑制的算法,對重復(fù)框進(jìn)行反復(fù)篩選。而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)排在比較前面的特征圖都比較大,適合識別較小的目標(biāo),而隨著網(wǎng)絡(luò)深度的逐漸加大,算法會將尺度設(shè)置為2或利用池化層,使特征圖減小,以便檢測大目標(biāo)的特征。不同尺度的特征圖如圖5所示。

圖5 不同尺度的特征圖Fig.5 The characteristic maps of different scales

圖5中,8×8的特征圖容易識別較小的目標(biāo),而4×4的特征圖則容易識別較大的目標(biāo)。

SSD目標(biāo)檢測算法的特征提取示意如圖6所示。

圖6 SSD目標(biāo)檢測算法的特征提取示意圖Fig.6 The schematic diagram of feature extraction of SSD target detection algorithm

SSD算法根據(jù)不同像素點(diǎn)選擇不同尺寸的特征圖檢測框,這些檢測框包括不同大小和長寬比。在檢測算法訓(xùn)練過程中,需要采用不同的檢測框和圖像中標(biāo)注的檢測框進(jìn)行算法匹配,從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)圖像的樣本提取。

SSD的基礎(chǔ)是VGG-16網(wǎng)絡(luò),為了獲取更多的特征圖,在此基礎(chǔ)上引入了新的卷積層,從而獲得更多尺度的特征圖。經(jīng)過卷積處理后,得到了類別置信度和邊界框的位置。SSD算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

SSD算法對目標(biāo)圖像的預(yù)測流程如下:

1)過濾算法背景的預(yù)測框;

2)選擇有橘柑真實(shí)背景的矩形框,將置信度高的保留下來,并將其作為置信度值;

3)手動設(shè)置閾值為0.58,將閾值小于0.58的橘柑矩形框去掉;

4)根據(jù)橘柑果實(shí)的置信度,選擇置信度較高的前k個橘柑預(yù)測框;

5)利用非極大值抑制(Non-Maximum Suppression,NMS)算法,過濾掉重疊較大的橘柑果實(shí)的預(yù)測框;

6)最后留下的預(yù)測框,就是橘柑果實(shí)的最終預(yù)測框。

圖7 SSD算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The network structure diagram of SSD algorithm

SSD目標(biāo)檢測算法的損失函數(shù)L(x,c,l,g)是用于衡量模型所作出的預(yù)測離真實(shí)值(Ground Truth)之間的偏離程度,包括類別置信損失Lconf和定位回歸損失Lloc,為二者的分類和回歸的帶權(quán)加和,其損失函數(shù)L(x,c,l,g)表達(dá)式為

(1)

類別置信算損失函數(shù)Lconf(x,c)為多類別置信度熵的softmax loss,是基于Softmax歸一化指數(shù)函數(shù)推導(dǎo)出來的,表達(dá)式為

(2)

定位回歸損失L(x,l,g)則是基于范數(shù)平滑L1損失推導(dǎo)出來的,用來表示預(yù)測檢測框和真實(shí)標(biāo)簽框的相關(guān)性。其表達(dá)式為

(3)

范數(shù)平滑L1是為了讓loss對于離群點(diǎn)更加魯棒,可以控制整個算法模型的梯度,確保模型在訓(xùn)練過程中不易發(fā)生跑飛的情況,表達(dá)式為

(4)

采用SSD算法對目標(biāo)水果圖像進(jìn)行檢測,不需要從候選區(qū)域提取特征網(wǎng)絡(luò),使能在單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中通過小幅度降低精度來提高檢測速度,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的快速識別。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺

為了驗(yàn)證基于機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)的采摘機(jī)器人目標(biāo)識別技術(shù),對其識別效果和識別準(zhǔn)確率進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在某橘柑種植基地進(jìn)行,橘柑圖像在室外正常光線下采集。系統(tǒng)硬件環(huán)境:揚(yáng)天P600,Basler daA3840-45uc工業(yè)相機(jī),8核CPU 4.9 GHz,內(nèi)存16GB,512G固態(tài)硬盤+1T機(jī)械硬盤,采摘機(jī)器人機(jī)械手平臺。軟件環(huán)境:Visual Studio 2015,OpenCV。其部分圖片如圖8所示。

圖8 顏色篩選和目標(biāo)識別后的圖像Fig.8 The image after color filtering and target recognition

3.2 試驗(yàn)平臺

基于以上試驗(yàn)平臺,拍取200幅橘柑圖像,選擇出100幅,將其中60幅作為算法訓(xùn)練,40幅用來驗(yàn)證目標(biāo)識別算法。對提取到的顏色、形狀、輪廓半徑進(jìn)行組合后,輸入到SSD算法進(jìn)行訓(xùn)練,結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)中,分別對橘柑有枝葉和無枝葉遮擋的目標(biāo)果實(shí)進(jìn)行識別研究,且針對有枝葉遮擋的目標(biāo)增加有外部光源補(bǔ)光的試驗(yàn),對以上3種情況的識別率和識別時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2所示。

表1 SSD算法訓(xùn)練結(jié)果Table 1 The training results of SSD algorithm

表2 橘柑目標(biāo)識別試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experimental results of orange target recognition

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過試驗(yàn)分析可知:該采摘機(jī)器人目標(biāo)識別技術(shù)在室外自然光線下對無遮擋橘柑的識別準(zhǔn)確率為95%,對有枝葉遮擋的橘柑識別率為80%;在增加外部光源補(bǔ)光后,有枝葉遮擋的橘柑識別率有一定的提高;另外,3種試驗(yàn)分別處理的時間為75ms,能夠滿足系統(tǒng)要求,證實(shí)了該方法的可行性。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)水果的準(zhǔn)確識別,設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)的采摘機(jī)器人目標(biāo)識別技術(shù),結(jié)合SSD深度學(xué)習(xí)算法,可以實(shí)現(xiàn)對橘柑的精準(zhǔn)識別。試驗(yàn)結(jié)果表明:采摘機(jī)器人目標(biāo)識別技術(shù)在室外自然光線下對無遮擋橘柑的識別準(zhǔn)確率為95%,對有枝葉遮擋的橘柑識別率為80%,在增加外部光源補(bǔ)光后,有枝葉遮擋的橘柑識別率有一定的提高,證實(shí)了該方法的可行性。