基于機器視覺的家庭智能垃圾桶設計研究

◆陳佳欣 仲子鑫

（黑龍江大學 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，隨著工業化的發展，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的發展。美國制造工程師協會（SocietyofManufacturingEngineers，SME）機器視覺分會和美國機器人工業協會（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，通過視覺技術來模擬人類眼球的工作狀態，在進行視覺技術應用過程中，攝像頭所采集到的圖像能被轉化為一種圖形信號，這種信號會交由專用的圖像處理器進行信息的處理工作，處理系統會根據圖像的分布情況及物體的亮度顏色等信息轉化為數字信號，之后圖像處理系統會根據這些信號進行目標特征的分析工作，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，信息會根據預先設定的容許度及其他條件輸出結果進行判定，從而達到機器視覺應用的目的[1]。凡是通過光學裝置獲取物體相關信息以及處理相關信息的技術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部信息都能夠被機器視覺所處理。隨著視覺傳感技術的不斷發展，具有視覺功能的機器已經被人類廣泛的應用，并逐步形成了機器視覺這一學科，賦予智能機器視覺功能是智能機器發展的重要技術手段，提高了智能機器的應用質量。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，但是大規模的垃圾分類工作才剛剛開展，在人們生產生活中每天都會產生大量的垃圾，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，還要經過專業的無害化處理工作，垃圾分類中的其他垃圾包含磚瓦陶瓷、渣土、衛生間廢紙等。這些分類為人們的生產生活提供了垃圾分類的依據，提高了垃圾回收利用效率，降低了垃圾對環境的危害，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常出現垃圾分類錯誤的現象，為了降低這一現象的發生概率，相關人員應當進行家庭智能垃圾桶的設計工作，下面將針對基于機器視覺的家庭智能垃圾桶的設計方式進行探究。

3 智能垃圾桶設計難點

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分類錯誤的現象，所以智能垃圾桶的設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計工作進行探究。

3.1 智能垃圾桶概念

隨著識別技術的不斷發展，垃圾桶中運用識別分類技術能夠降低垃圾分類過程中的錯誤分類現象，國內外出現了許多較為優秀的智能垃圾桶設計團隊，在這些垃圾桶中裝入了傳感器、攝像頭與人工智能技術，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。中國作為傳統農業大國生產大國，正在向自動化、智能化大國邁進，中國的智能垃圾桶生產能力較弱，所以在進行智能垃圾桶設計過程中遇到了許多問題，出現了許多科技難點，下面針對這些難點進行分析[3]。

3.2 設計難點

在進行設計過程中，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，智能垃圾桶的概念僅存在于理論實驗之中，并未出現大批量生產的現象，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計難點給出相應的涉及策略，提高我國智能垃圾桶的研發應用能力。

4 技術突破創新

我國智能垃圾桶技術的發展較慢，在發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效率。

4.1 垃圾分類選取標準

想要科學合理地進行智能垃圾桶研發工作，科研人員首先應當設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文獻進行制定，通過前文的垃圾分類標準探究中可以得知，我國垃圾分類標準較為精細，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準成了家庭智能垃圾桶垃圾分類的標準，也為智能垃圾桶的垃圾分類工作進行了規范[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、木質梳子、臟污衣服、籃球、衛生紙、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 系統設計方案制定

基于機器視覺的智能垃圾桶在設計過程中，應當滿足以下幾個條件：首先，智能垃圾桶能夠在有穩定光源的情況下進行圖像數據的獲取工作，能夠對丟棄的垃圾進行拍照處理，并且系統用當具有較強的穩定性，在進行垃圾桶設計過程中，非核心部件應當進行可替換設計，為后續的研究提供足夠的硬件加裝空間。其次，還應當針對視覺系統進行設計工作，在進行視覺系統設計過程中，視覺自動分類系統應當包含四個模塊，即圖像采集、圖像處理、垃圾分類、控制四個模塊，圖像采集模塊的設計過程中，應當安裝相應的攝像設備、光源設備，在條件成熟的情況下，光源設備可以直接替換為紅外攝像設備，減少垃圾桶中零件數量，使智能垃圾桶更加輕便，在進行圖像處理設備設計過程中，相關人員應當嵌入提前設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確。最后，還應當安裝信號處理系統，使信號能夠在短時間內被系統控制程序識別處理。垃圾分類模塊主要是一種硬件設備，在進行垃圾分類的過程中，垃圾圖像被處理完畢之后，垃圾桶會根據不同的垃圾進行不同的指令傳輸工作，通過垃圾桶內舵機的旋轉完成不同垃圾桶蓋的開啟，對垃圾進行準確的投放工作[5]。控制模塊不僅要擁有相對應的系統，還要擁有電源等多種控制機關，提高智能垃圾桶的使用效果。

4.3 硬件設計

進行智能垃圾桶硬件設計過程中，設計人員應當根據垃圾桶使用場景的不同進行設計，家庭垃圾桶應當小巧，并且應當保證垃圾桶的密封性能，降低垃圾所產生的異味，在進行硬件選擇過程中，設計人員應當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之中，使垃圾桶能夠智能區分垃圾的不同。為了提高垃圾桶的圖像識別效率，設計人員還應當對智能垃圾桶中的攝像設備進行選擇，攝像設備應當保持較高的像素，同時能夠在無光源或光源環境較差的環境內正常工作，考慮到實際的應用問題，攝像設備只需要捕捉區域內的靜止圖像即可。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 結束語

通過基于機器視覺的家庭智能垃圾桶設計研究可以得知，智能垃圾桶在我國實際應用范圍較小，在進行設計過程中，工作人員應當在智能垃圾桶的系統程序設計工作的同時，提高智能垃圾桶的硬件設備質量，提升智能垃圾桶的設計研發水準。