基于機器視覺的甘蔗段分選系統的設計

譚浩 林芝 鄭英模 陳鵬起

(南京農業大學工學院，江蘇南京 210031)お

摘要 甘蔗在我國糖料作物中有著重要的地位，針對目前甘蔗種植的現狀及存在的弊端，設計出了基于機器視覺的甘蔗段分選系統，圖像采集裝置對長60 mm的甘蔗段進行圖像采集，通過對采集到的圖像進行圖像增強、圖像邊緣檢測等處理，得到甘蔗段的邊緣灰度圖像，再根據邊緣灰度圖像的紋理特征統計值判斷出甘蔗段是否有莖節，同時通過串口通信向分選裝置發送信號，分選裝置根據接收到的信號對甘蔗段進行區分，實現了對有無莖節甘蔗段的分選。試驗證明了設計的可行性，探索了一種新的甘蔗段分選系統，對甘蔗種植業的發展有著重要的作用。

關鍵詞 機器視覺；圖像采集；串口通信；分選

中圖分類號 SB126文獻標識碼

A文章編號 0517-6611（2014）19-06462-03お

Design of Sugarcane Visual Separation System Based on Machine Vision

TAN Hao et al(School of Institute, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031)

AbstractSugarcane has an important position in sugar crops in China, in view of the present status and problems of sugarcane planting, the sugarcane stage separation system was designed based on machine vision. Image acquisition was conducted on the 60 mm length of sugarcane. Image enhancement, image processing such as edge detection was conducted on the acquired image to get an edge of the gray image of cane, and then according to the edge of gray image texture feature statistics tell cane section of the stem section, at the same time, through a serial port communication sends a signal to the sorting device, separating device according to the received signal to distinguish between sugarcane segment, realized with presence of internodes of sugarcane sorting. Experiment proves the feasibility of the design, this thesis explores a new sugarcane stage separation system, which will play an important role in the development of sugar cane plantations.

Key wordsMachine vision; Image acquisition; The serial communication; Sorting

基金項目 國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201310307069)。

ぷ髡嘸蚪 譚浩（1993- ），男，吉林四平人，本科生,專業:電子信息科學與技術。

收稿日期 20140604

甘蔗是我國最重要的糖料作物，主要分布在云南、福建、海南、廣西及廣東等省區，其種植面積占我國常年糖料種植面積的85%以上，產糖量占全國食糖總產的90%以上［1-5］。甘蔗是一種宿根作物,1年收獲1次, 普遍留宿根1~2年后因產量急劇下降而淘汰。因此，不少國營農場和種植專業戶新植面積逐年提高, 有些新植面積比例甚至高達60%。甘蔗種植屬于勞動密集型工序,人工種植工效低, 勞動強度大且很不經濟。因此，甘蔗種植機械化顯得越來越必要而迫切［6-7］。目前，世界主要產糖國如澳大利亞、巴西、古巴等已基本實現了機械化種植，所用的種植機主要有整稈式、實時切種式和預切種式3種。整稈式甘蔗種植機將蔗種整稈地擺放在由開溝器開出的溝內；實時切種式種植作業機作業時，整稈蔗種被喂入切種器，切成甘蔗段后擺放在開出的溝內；預切種式甘蔗種植機采用預先切好的甘蔗段，喂入擺種機構將蔗段擺放在溝內［8］。無論哪種種植方式，在種植過程中都使用大量的勞動力，同時，將沒有莖節的甘蔗段埋入土中，造成資源的浪費。我國從20世紀70年代開始研制甘蔗種植機，所研制機型都是實時切種式［8］，上述切種式種植的弊端依然存在。為減少勞動力使用,合理利用資源，需設計一套系統可智能識別莖節，并自動分選出有莖節甘蔗段和無莖節甘蔗段，將有效蔗種片段用于播種，無效蔗段回收用作榨糖。因此，甘蔗段視覺分選系統的研究對推動農業自動化和機械化發展有重要意義。

1 系統總體結構

該系統主要由切段裝置、圖像采集裝置、分選裝置和傳送裝置（圖1）組成。切段裝置對喂入的甘蔗進行切段，甘蔗段的長度在60mm左右。切好的甘蔗段從切段裝置出口進入傳送裝置入口。圖像采集裝置中有1個USB相機，對傳送帶上的甘蔗段進行圖像采集，同時對采集的圖像進行處理，識別出甘蔗段是否有莖節，并向分選裝置中的單片機發送信號。分選裝置由單片機進行控制，單片機控制步進電機轉動，從而帶動分選板達到分選甘蔗段的目的。

圖1 系統總體結構示意

1.1 切段裝置 切段裝置將從入口送入的長甘蔗切成甘蔗段，采用了對輥切段的方式，即切段裝置中對輥和切刀對輥之間設有供甘蔗通過的間隙，切刀設于對輥上，切刀將通過對輥的甘蔗切成甘蔗段。切段裝置包括外殼以及甘蔗傳送入口和甘蔗段出口，甘蔗段出口設于傳送裝置的入口處。

1.2 系統圖像采集裝置

系統圖像采集裝置長為330 mm、寬為330 mm、高為864 mm，兩條鋼管之間的距離為290 mm，與傳送裝置的寬度相符。相機固定在裝置中的升降桿上，可調節升降桿使相機與傳送帶之間的距離為合適的采集高度，升降桿調節的最大距離為30 cm。搭建的圖像采集裝置是在MATLAB 環境下開發的，采用easyvxin YX0612工業鏡頭和型號為U130M的CMOS相機［有效像素為1280H*1024V(1.3M)，采集的圖像為灰度圖像，格式為bmp］，并配合環形光源，進行甘蔗段圖像的采集，采集的甘蔗段原始圖像如圖2、3所示。

圖2 有莖節甘蔗段

圖3 無莖節甘蔗段

1.3 系統分選裝置

系統分選裝置長為330 mm、寬為200 mm、高為710 mm，采用循環旋轉移推方法進行分選。分選板長為400 mm、寬為100 mm，固定在步進電機的驅動軸上，初始狀態與傳送帶保持平行。步進電機由單片機和驅動器控制，單片機根據接收到MATLAB發送的信號，對步進電機進行控制。當接收到采集的圖像為無莖節甘蔗段的信號時，單片機向電機驅動器發送PWM脈沖，驅動器驅動步進電機旋轉180°，分選板將甘蔗段推送出去。當接收到采集的圖像為有莖節甘蔗段的信號時，單片機不發送脈沖，即步進電機不做任何動作，甘蔗段在傳送帶末端與其分離。

1.4 系統傳送裝置

系統傳送裝置為流水線皮帶輸送機，具有變頻調速和馬達調速功能。可根據圖像采集和處理的速度調節相應的轉速，保證圖像處理準確的同時還具有較高的效率。

2 系統軟件設計

相機通過USB數據線與筆記本電腦相連，通過用MATLAB軟件編寫好的上位機軟件對相機進行控制并采集甘蔗段圖像。步進電機通過單片機進行控制，MATLAB與單片機之間通過串口通信實現信號的發送與接收，單片機根據接收到的不同的信號對步進電機進行控制。圖4為系統整體的流程圖。

圖4 系統整體流程

2.1 上位機軟件界面

該上位機界面（圖5）可控制相機開始拍照和停止拍照，同時對采集到的甘蔗段圖像和處理后的圖像特征值進行實時顯示，并根據特征值判斷出是否為有莖節的甘蔗段。

該上位機界面使用MATLAB軟件編寫，開始按鍵下的代碼是在while循環中調用MATLAB軟件中圖像獲取工具箱提供的函數對相機進行控制，并通過圖像處理得到甘蔗段紋理特征統計值以及甘蔗段是否有莖節顯示在界面上。停止按鍵下的代碼是設置停止位變量（stopbit）為0，使得while循環停止，即相機停止拍照。

圖5 上位機界面

2.2 甘蔗段圖像預處理

2.2.1 圖像增強。

為了增強圖像各個部分之間的明暗對比度，利用灰度變換的手段增強圖像目標與背景間的對比度，以便突出圖像的目標部分。

灰度變換增強是在空間域內對圖像進行增強的一種簡單而有效的方法。灰度變換增強不改變原圖像中像素的位置，只改變像素點的灰度值，并逐點進行，和周圍的其他像素點無關［9］。

2.2.2 圖像分割。

圖像分割是圖像處理、模式識別和人工智能等多個領域中一個十分重要且又十分困難的問題，是計算機視覺技術中首要的、重要的關鍵步驟，其中邊緣檢測是圖像分割中的的經典研究課題之一［9］。圖像邊緣含有形狀、方向、階躍性等有價值的信息，通過它可以描畫出目標物體的輪廓，它是圖像局部特征間斷性在視覺上的刺激。該研究采用高斯拉普拉斯（LOG）算子對甘蔗段圖像的邊緣進行提取，得到甘蔗段的邊緣灰度圖像。

拉普拉斯(Laplacian)算子是一種不依賴于邊緣方向的二階微分算子，表達式為：

í2f=躬2f 箈2+躬2f 箉2オ

LOG算子是在經典算子的基礎上發展起來的邊緣檢測算子，根據信噪比求得檢測邊緣的最優濾波器。首先采用Gaussian函數對圖像進行平滑，然后采用Laplacian算子根據二階導數過零點來檢測圖像邊緣，稱為LOG算子。LOG算子有很多的優點，如邊界定位精度高，抗干擾能力強，連續性好等。圖6為采用LOG算子得到的甘蔗段邊緣灰度圖像，通過甘蔗段邊緣灰度圖像的紋理特征統計值，可區分甘蔗段是否有莖節。

2.3 串口通信

根據圖像處理判斷出甘蔗段是否有莖節，通過MATLAB與單片機之間的串口通信，向單片機發送相應的信號。單片機根據接收到的信號向驅動器發送PWM脈

沖，使得驅動器控制步進電機做出相應的動作，對甘蔗段進

圖6 有莖節甘蔗段邊緣灰度圖像

行分選。MATLAB與單片機之間的串口通信具體實現方式如下：

用serial()函數為指定串口創建一個串口對象。調用格式為：obj=serial(‘port)。

對串口屬性進行設置：

obj.BaudRate=9600; 設置波特率為9600

obj.Parity=none; 設置無奇偶校驗

obj.DataBits=8; 設置傳送數據位數為8位

obj.StopBits=1; 設置數據傳送的停止位位數為1位

其他屬性采用默認值。

用fopen()函數打開串口，連接串口對象到外圍設備。調用格式為：fopen(obj)。

用fwrite()函數寫二進制數據到設備中。調用格式為：fwrite(obj,1)。

用fclose()函數斷開串口與設備的連接［10-12］。調用格式為：fclose(obj)。

3 結論

該系統結構簡單，實用性強，結合了圖像處理和串口通信技術，實現了對甘蔗段的視覺分選，該系統主要有以下幾個特點：①通過相機采集圖像并自動識別出甘蔗段是否有莖節，并通過分選裝置進行區分，減少了人力物力投入，提高了工作效率。②將無莖節的甘蔗段篩選出來，送往制糖工廠作為制糖的原料，大大地減少了資源的浪費。

該系統可以有效地識別出甘蔗段是否有莖節并進行區分，解決了農業上運送甘蔗勞動力大和資源浪費的問題，在甘蔗種植業中有著重要的作用，對推動我國農業自動化和機械化發展有重要意義。

參考文獻

［1］ 曾志強,袁成宇,區穎剛，等.甘蔗生產機械化發展現狀分析與對策研究［J］.廣東農業科學,2012(19):196-199.

［2］ 齊永文,鄧海華,李奇偉.我國大陸甘蔗種質資源利用進展［J］.作物研究,2012,26(5):443-446.

［3］ 羅凱.我國的甘蔗資源及其利用［J］.廣西熱作科技,1998(2):26-29.

［4］ 李俚,夏鵬,周曉蓉.整稈式甘蔗收獲機械收獲效果試驗研究與分析［J］.農機化研究,2014(3):174-177.

［5］ 姚煒.我國甘蔗剝葉機械技術的發展現狀與思考［J］.農機化研究,2007(10):232-234.

［6］ 梁棟,李明,鄧干然.我國甘蔗種植機械的現狀及對策［J］.熱帶作物機械化,1998(2):1-4.

［7］ 黃志華.甘蔗聯合種植機械化技術［J］.廣西農業機械化,2014(1):20-21.

［8］ 劉慶庭,莫建霖,李廷化，等.我國甘蔗種植機技術現狀及存在的關鍵技術問題［J］.甘蔗糖業,2011（5）:52-58.

［9］ 楊丹,趙海濱,龍哲，等.MATLAB圖像處理實例詳解［M］.北京:清華大學出版社,2013:165-235.

［10］ 羅華飛.MATLAB GUI設計學習手記［M］.2版.北京:北京航天航空大學出版社,2011:346-398.

［11］ 蘭紅莉,羅文廣.基于MATLAB的PC機與單片機串行通信實現［J］.計算機應用與軟件,2006,23(6):73-76.

［12］ 謝芳芳,王焱玉.MATLAB與單片機的串行通信接口設計［J］.湖南工業職業技術學院學報,2013,13(6):4-8.