基于計算機視覺的水果自動分級系統的設計

（南京科技職業學院 電氣與控制工程學院，江蘇南京市，210048）楊鵬仙 王惠玲＊ 宗 強 陳 琳

中國作為世界上最大的水果生產大國，水果產量和種植面積逐年提升，2019年我國的水果產量為2.84億噸，通過測算，我國果園面積今后還會進一步增大，供應規模將繼續擴大。但總體上看，我國的水果產業并不能稱之為強，其中最大的痛點是缺乏產業鏈整合，尤其是各類水果的篩選分級技術還相對落后，嚴重阻礙了我國水果產業的發展。因此，實現水果的快速有效的分級，以提升我國水果品質和競爭力已經勢在必行[1-2]。

本文介紹了一種基于計算機視覺技術的水果自動分級系統，將計算機視覺技術用于水果品質分級具有潛在的應用價值和很好的發展前景，也最適合走工業化的發展軌道。

1 系統總體設計

目前，水果篩選分級主要有人工水果分級和機械自動化分級兩種形式，其中人工分級方式需要大量的勞動力，效率低，難以滿足大批量分級需求。機械自動化分級可以分為純機械裝置分級、基于光電檢測技術分級和基于圖像/視覺技術分級三種。隨著計算機視覺技術的發展和應用，基于圖像/視覺技術的水果分級簡化了圖像分類和處理的流程，在很大程度上提升了產品品質檢測的速度和精度，降低了成本。因此，利用計算機視覺技術進行分級是自動化分級發展的必然趨勢。

本系統將綜合采用傳感器技術、電氣控制技術、計算機視覺技術等多種技術，應用智能化的控制方式實現水果的自動分級。系統的核心是以工控機為核心的控制系統，通過工業相機采集水果圖像，通過各種傳感器采集各項指標，通過LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件搭建人機界面，并進行圖像分析和處理，控制執行機構，監測設備運行狀態，實現水果的分級。

1.1 系統組成及功能

系統由機械結構、信號采集裝置、檢測與執行裝置、控制系統以及人機界面等五部分組成。

系統的機械結構包括系統支架、進料機構、傳送機構、物料臺、卸料機構以及與系統配套的托盤機構、擋板等。其中，系統支架為其他所有部件提供支撐，決定了分級系統的整體大小。進料機構和傳送裝置用于水果的在線運輸，傳送機構由電機等動力裝置帶動運行，卸料機構負責把經過檢測的水果從傳送機構上卸下，將其集中到對應等級的收集裝置中。本系統采用機械損傷小的氣動式水果分級卸料機構。分級后的水果進行卸料時，繼電器將儲氣罐閥門打開，通過高壓氣體將水果吹落，從而達到自動化卸料的目的。

信號采集裝置包括光源、工業相機、采集卡等設備組成，檢測與執行裝置包括編碼器、傳感器、電磁閥、電動機等組成。信號采集裝置可以采集圖像以及各種傳感器等信息，把采集到的信號發送給控制系統。

控制系統是水果自動分級系統的重要組成部分，也是實現水果分級的核心部分。本系統以工控機為核心，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件對各種信息進行信息信號處理，并可通過人機界面對系統進行控制。控制系統實現的功能包括運動控制功能、圖像采集與數據處理功能以及通過人機界面對各種環境參數、運行參數等進行控制調節等功能。

1.2 系統硬件選擇及功能

1.2.1 工業相機

完成水果的圖像采集，要求像素高一些，但要考慮成本以及計算機對圖像處理速度。

1.2.2 編碼器編

碼器的功能是確定每個料斗的實際位置，選擇時要兼顧編程方便。

1.2.3 各種傳感器

包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等，用于測量氣壓、溫度以及檢測物料有無等。

1.2.4 電機

包括用于傳送帶傳輸的電機、氣泵電機、振動電機等。

1.3 系統軟件設計

系統的軟件設計是基于NI公司的LabVIEW和LabVIEW Assistant，包括數據采集及其數據處理程序、控制和輸出程序、人機界面三個部分。其中，數據采集與處理程序主要包括：相機的數據采集與處理、編碼器的數據采集與轉換以及對各種傳感器數據的采集與處理等。控制和輸出程序包括對執行機構進行控制、對經處理的采集信息進行輸出以及環境、系統運行情況進行報警、提示等信息輸出。人機界面主要包括通訊設置、參數設置、系統狀態顯示、圖像處理過程顯示等[3-4]。

2 結果及分析

系統的工作過程為設備上電后，工控機啟動，此時，系統處于待機狀態。通過人機界面，點擊啟動指令后，系統根據設定好的程序，先判斷物料入口是否有料，如果沒有則繼續等待，如果有則啟動氣泵，達到預定的壓強后再進行下一步，即進料機構啟動，同時，相機實時進行拍照識別，并調用圖像采集與處理程序，進行圖像處理分析，把信息傳輸給到各動作控制元件，控制何時把水果送到預定軌道，實現水果的分級。

以蘋果為例，將計算機視覺技術用于蘋果的自動檢測和自動分級，通過提取蘋果的大小、顏色、表面缺陷等特征，從而實現蘋果的自動分級。系統的工作界面如圖1所示。

圖1 系統工作人機界面

3 結論

本文設計了一種基于計算機視覺的水果自動分級系統，采用LabVIEW和LabVIEW Vision Assistant軟件，介紹了系統的設計過程，包括硬件設計、軟件設計，并以蘋果為例進行了試驗分析，包括水果的成熟度及大小等。實驗報名，該系統實用性強，可根據不同需求，設置不同參數，進行多種水果的分級，可以拓展到大批量、多種水果分級處理。