基于高光譜技術的蘋果損傷檢測裝置設計

方拓展 王宇翔 楊紫合

摘 要：以蘋果為研究對象，基于高光譜成像技術對蘋果的機械損傷進行檢測，設計了以挑選出的529 nm、622 nm和970 nm這3種波長的點光源半導體激光器作為光源，實時采集3種波長下的蘋果圖像，并檢測標記損傷區域的采集檢測裝置。系統使用SVM分類算法，利用Matlab GUI制作圖像檢測界面，判斷拍攝區域是否存在損傷，并將判斷為損傷的區域標記到蘋果圖像中。本采集檢測裝置可以實現3種波長下圖像的自動采集和保存，并能基本完成蘋果損傷的初步檢測。

關鍵詞：高光譜技術；蘋果損傷檢測；裝置設計

文章編號： 1005-2690（2018）03-0111-02 中圖分類號： TN215 文獻標志碼： A

1 引言

1.1 研究目的及意義

我國蘋果出口量已居全球前列，但僅占國內總產量的2.5%左右，其中一個重要原因是傳統的水果檢測技術很難區分蘋果在采摘及銷售過程中產生的機械損傷。隨著時間的積累，受損區域可嚴重影響蘋果的品質，這就需要發展一種快速、高效、無破壞性的檢測技術來檢測蘋果損傷情況。高光譜成像技術可以對水果的內部品質和外部品質進行快速、無損檢測，但價格昂貴。因此，設計了基于高光譜技術確定的探測損傷特定波長進行檢測的裝置。

1.2 主要研究內容和技術路線

本文以蘋果為試驗研究對象，綜合現有的高光譜圖像信息采集平臺和前人的試驗研究結果，以529 nm、622 nm和970 nm這3個特征波長為光源，設計一種能夠實時對蘋果圖像進行采集、保存的采集裝置，初步實現蘋果的損傷檢測。研究內容主要包括以下幾個部分：人為制造蘋果機械損傷；搭建蘋果的高光譜信息采集試驗平臺采集信息；利用黑白校正方法進行高光譜圖像預處理；完成采集裝置的硬件設計；完成采集裝置的軟件設計；搭建人機交互界面，實現蘋果圖像的實時采集檢測和保存。

2 總體方案設計

2.1 裝置原理

裝置由功率為10 MW的點光源半導體激光器發射出相關光，經過擴束鏡照射到試驗樣本上，由網絡攝像頭進行拍攝，圖像通過USB數據線傳送到計算機中，利用MATLAB軟件對圖像進行處理，檢測蘋果的損傷區域并進行標記輸出。

2.2 設備的組成

基于高光譜的蘋果損傷檢測裝置主要包括的設備有半導體激光器（3個）、擴束鏡、網絡攝像頭、上位機（PC）、下位機（單片機）、繼電器和試驗樣本（蘋果）。系統的實物圖如圖1所示。

3 裝置硬件方案

具體的方案如圖2所示。

本裝置選用532 nm、635 nm和980 nm的半導體激光器作為光源，用2節干電池供電。裝置采用羅技Logitech公司生產的高清網絡攝像頭C310。采用C#開發上位機控制界面，在控制界面中可打開攝像頭，實時拍攝并顯示圖像；上位機與單片機相互應答；單片機通過控制繼電器使3個激光器輪流點亮，并進行拍照保存。

本裝置使用Arduino UNO單片機。選用帶光耦隔離的3V四路繼電器模塊控制激光器供電。主控芯片ATmega328內置的UART通過數字口0（RX）和1（TX）與外部實現串行通信。整個主控電路模塊電路等可參考Atmega328p芯片的技術文檔和Atmega系列單片機的設計文檔。

4 裝置軟件設計

4.1 下位機硬件及軟件設計

本裝置采用Arduino編譯軟件，程序在利用Arduino軟件編譯完成之后用板載的USB線下載進單片機中。單片機在接收到上位機的指令之后，控制激光器的亮滅。裝置調試時使用ARDUINO自帶的串口監視器作為調試工具。

4.2 上位機圖像采集及處理界面設計

上位機程序設計選用Microsoft Visual studio 2015開發平臺，程序功能如下：當需要采集圖像的時候打開攝像頭，在對應波長的激光燈開啟后采集圖像，保存數據；設置圖像的高度和寬度以及保存格式；實現上位機和單片機之間的串行通信；實現圖像的自動和手動保存，并且選擇保存路徑；在不需要采集圖像的時候關閉USB攝像頭，停止圖像采集。

本裝置采用Matlab作為圖像處理軟件界面的開發工具，將蘋果損傷檢測各個處理步驟的代碼封裝成庫函數。處理步驟分為圖像校正、區域分割和掩膜圖像處理、基于SVM蘋果損傷檢測進行模型搭建和損傷區域標記。

對以上過程的代碼封裝完成后，進行損傷檢測軟件界面的設計。損傷檢測軟件界面涵蓋圖像輸入、圖像預處理、檢測輸出、數據存儲等必要功能。圖像處理軟件界面如圖3～5所示。

5 實際操作步驟

將寫好的單片機程序燒錄到單片機中，按照程序設置相關的測試條件。在運行上位機程序之后，點擊Start按鈕打開相機，點擊開串口按鈕，在下拉菜單里選擇串口號，之后點擊ON鍵點亮相應的激光燈，點擊Save鍵將圖片保存在相應的文檔內，并將圖像導入到圖像處理GUI程序中實現檢測保存。

6 總結及不足

6.1 總結

通過對現有檢測裝置和技術的研究，提出了一種新的蘋果損傷檢測系統的設計方案；搭建出一套完整的對蘋果損傷在3種波長下的圖像采集的裝置；根據系統硬件設計方案，選擇相應的硬件和軟件平臺實現所需功能。

6.2 不足

控制系統硬件部分集成度較低；系統的軟件設計需要優化，以實現一鍵檢測；蘋果損傷檢測算法有待優化，否則會錯誤地將蘋果損傷區域邊緣作為損傷區域標記出來；購買的激光器波長是近似波長，因此損傷檢測結果并不理想；本設計中的串口通信尚未做到上位機與下位機相互應答。

（收稿日期：2018-02-06）