淺談淡水珍珠品質快速自動化鑒定裝置系統設計與應用

李月樵，涂王平，施秧，王學武，趙德

（1.金華市質量技術監督檢測院，浙江 金華 321000；2.浙江科技學院，浙江 杭州 310000）

珍珠的價值根據其大小、形狀、光澤、瑕疵、顏色等特性進行分級，特別是珠寶級淡水珍珠的價值非常高，所以對珍珠進行等級鑒別分選顯得尤為重要。作為珍珠生產的一個重要環節，淡水珍珠的快速等級評判和自動分選一直缺乏科學、有效的技術方法，目前，淡水珍珠的顏色、光澤、形狀、瑕疵等等級評判主要依靠檢驗人員的目視鑒別。這種鑒別方式很大程度上受人為主觀因素的影響，導致鑒別誤差大、分選質量差、人工成本高、分選效率低，從而給整個珍珠生產加工業帶來巨大的拖累。所以，迫切需要一套自動化檢測系統來提高效率。本文根據淡水珍珠固有特點建立詳細的分級標準，并研制高精度珍珠自動鑒定設備將對我國珍珠業的發展起到重要的促進作用，有利于提升我國珍珠業的國際地位、對提高產業效益、走出珍珠生產加工業的“高產陷阱”，將帶來明顯的社會和經濟效益提升。

1 淡水珍珠品質快速自動化鑒定裝置系統設計

現階段淡水養殖珍珠等級主要從顏色、大小、形狀、光澤、光潔度、珠層厚度（有核珍珠）6 個方面進行判定。國家標準GB/T18781-2002《養殖珍珠分級》和行業協會制定的《中國淡水珍珠標準樣品3SLC 質量評價體系圖解》為這6 個方面的等級分級提供了量化的判斷依據和實物標準。目前國內對珍珠等級的確定需要經驗豐富的人員手工分揀確定（淡水珍珠直徑需在9mm 以上），通過將待分級珍珠與標準珍珠樣品仔細比對進行確定，費時費力，并且手工分揀的準確度和一致性難以保證。為解決企業實際需求，設計了一套珍珠自動分級裝置，其系統設計工作流程如圖1 所示。

圖1 淡水珍珠自動分級系統設計流程圖

2 淡水珍珠品質快速自動化鑒定裝置的硬件設計

2.1 主要組成部件

該淡水珍珠品質快速自動化鑒定裝置由以下幾個主要部件組成：照明系統（光源采用標準A 光源），光譜儀，工業相機，光學積分球，計算機以及檢測附件等。

2.2 工作步驟

打開儀器開關后，儀器自動進行參數初始化：標準白板校正、暗背景校正和機器視覺初始化。初始化完畢后進行信號采集預處理，包含圖像灰度化處理和光譜數據預處理。預處理完成后即對圓度、瑕疵、顏色、光澤度進行自動化檢測。檢測完畢后自動生成等級鑒定報表。全過程除了拿取珍珠以外，全部由機器自動檢測，實現高效、準確。

圖2 淡水珍珠自動分級系統設計圖

2.3 硬件結構設計

本裝置利用機器視覺分析技術和光譜分析模式識別技術對珍珠進行分級檢測研究。在合理有效的硬件系統的配合下，使用光學設備獲取所需分選珍珠的圖像和光譜信息，并進行特征信號提取和分析，最后根據形狀、瑕疵、顏色和光澤度檢測結果參數，對珍珠進行合理的鑒定和分級，其設計結構如圖2 所示。

3 工作原理

3.1 形狀檢測

本系統依靠機器視覺識別系統對淡水珍珠的圓度檢測。珍珠機器視覺識別系統在二維圖片基礎上，能夠對360 度各個觀察面的直徑和整體圓度做出快速而準確的評估，目前機器視覺對類圓形狀判定算法已經十分成熟可靠。

3.2 瑕疵檢測

珍珠上的紋理難有規律可循，可分為無暇、微暇、小暇、瑕疵和重疵五類，更細分還可以分成小花點、小花皮、隱螺紋、中花點、中花皮、淺螺紋、大花點、大花皮、深螺紋、花點花皮等，此外還有毛片、烏心、白帶、剝皮、白頭等情況。某些紋理特征在珍珠圖像中的表現非常接近，很難區分，比如，花皮和毛片。除了紋理檢測本身困難外，照明環境對獲取均勻清晰的珍珠圖像有很大的影響，不均勻的照明會使珍珠表面各部分反光不一致，造成局部強光現象，在珍珠的表面形成高光區很容易被檢測出來，而被誤判成珍珠的瑕疵。考慮淡水珍珠是半透明體的，本裝置檢測系統光照部分采用透射照明檢測方式，使珍珠檢測面轉變為一個近似的自發光體，以降低高光區的不良影響。

3.3 顏色和光澤檢測

目前在對復雜樣品的顏色檢測時，例如，曲面的顏色、有凹凸圖形、結構色的樣品（如珍珠、鸚鵡羽毛）時，通常不適用直接用常規色差計等顏色檢測設備。而工業機器視覺相機是一個面陣探測器（CMOS/CCD）需要在前面增加三原色濾光片獲得RGB 信息，但也是有限的，不能準確測量顏色與光澤。而通過光譜分析技術顏色檢測方式可以獲得更大色域空間的XYZ 值，Y 值同時表征了珍珠反射光強度，與珍珠光澤度存在確定的相關性關系。所以，珍珠顏色和光澤檢測采用可定量分析的光譜分析法，測試結果實現比人眼更加精確和客觀。同時，珍珠顏色和光澤進行檢測時,必須保證照明光源為國際顏色檢測標準光源，否則，會嚴重影響珍珠顏色的識別準確度，所以系統采用顏色檢測CLEDs-全波段均衡LED 光源，色溫為2856K。珍珠快速分等分級檢測儀如圖3 所示。

圖3 淡水珍珠品質快速自動化鑒定裝置實物圖

其中圓度和瑕疵檢測由機器視覺圖像處理技術完成，而系統主要的關鍵技術在于珍珠的顏色和光澤檢測，珍珠表面色彩可分為白色系列、紅色系列、黃色系列、黑色系列等色系，顏色識別模塊要求能夠按照白色、紅色、黃色、黑色等色系進行自動分選，同時，在同一色系內的珍珠按照光澤度差異再度分選。本系統中，采取光譜分析技術統計學習分類作為珍珠顏色與光澤度的分級方法。圖4 為相同圓形直徑不同顏色和光澤珍珠的光譜對比圖。

圖4 淺紅色（左）和青白色（右）淡水珍珠光譜分析對比圖

如上對比圖所示，系統檢測光譜的波長范圍是380nm-1100nm,可以明顯看出不同顏色珍珠在光譜圖上有著明顯的差異。檢測系統通過采用CIE 國際標準顏色XYZ 色域算法得出對應的標準的XYZ 色域空間值xyY。其中Y 值表示反射光的強度，與光澤度有著密切的聯系。

4 結語

本套淡水珍珠品質快速自動化鑒定裝置除了采用機器視覺技術進行珍珠的大小、形狀和瑕疵分級方法，還采用了自己的專利技術，將光譜分析技術統計學習分類作為珍珠顏色與光澤度的分級方法，檢測波長380 ～1100nm，通過多次測量不同部位的反射光譜，再做建模分析得到修正預測模型，將修正預測模型與各光澤度等級光譜做比對，從而確定光澤度等級，可以高效、精確地對淡水珍珠進行分等分級。