（机械设计及理论专业论文）鸡蛋动态图像自动采集系统的研究.pdf

摘要 随着通讯技术、多媒体与计算机视觉技术的迅速发展，动态图像的实时采集已 经成为研究的热点之一，它是实现在线自动检测与分级的前提条件。本文针对禽蛋 品质检测建立了基于d i r e c t s h o w 的鸡蛋动态图像自动采集系统，主要内容包括： 1 、根据禽蛋输送翻转机构设计了鸡蛋动态图像自动采集系统的硬件设备，通过 调整摄像头和采集卡的参数、调整摄像头和载物台的高度、选择合适的光源，确保 可以拍摄到清晰完整的鸡蛋图像信息。 2 、利用d i r e c t s h o w 技术搭建了实时预览和图像采集的过滤器图表，设计了一 个用来完成对视频流提取视频帧功能的f i l t e r 。 3 、利用v i s u a lc + + 编写鸡蛋动态图像自动采集系统软件的界面和功能，其功能 主要包括实时预览和图像采集。 4 、通过试验验证了该系统的主要功能，基本达到预期目标，并且确定出与输送 翻转机构匹配的最佳采集链速和采集图像幅数。 5 、利用m a t l a b 与v i s u a lc h 混合编程技术，实现了在v i s u a lc + + 环境下对 m a t l a b 图像处理程序的调用，完成了鸡蛋动态图像的自动采集和检测功能。 关键词：鸡蛋；d i r e c t s h o w ；动态图像：图像采集；品质检测 r e s e a r c ho nd y n a m i ce g g - i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i aa n d c o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g y ，r e a l t i m ea c q u i s i t i o no fd y n a m i ci m a g e h a sb e c o m eo n eo f h o ts p o t so fr e s e a r c h ，i ta c h i e v e sp r e r e q u i s i t eo fa u t o m a t i cd e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n o n 1 i n e i nt h i sp a p e r ，d y n a m i ce g g i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nd i r e c t s h o wh a s b e e nb u i l tf o re g g s q u a l i t yo fd e t e c t i o n 1 ti n c l u d e s ： f i r s t ，a c c o r d i n gt o t h ee g g sf e e d i n ga n dr o l l i n gm e c h a n i s m ，t h eh a r d w a r eo f d y n a m i ce g g i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d b ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so f c a m e r aa n da c q u i s i t i o nc a r d s ，a d ju s t i n gh e i g h to ft h ec a m e r aa n dl o a d i n gp l a t f o r m ， c h o o s i n gas u i t a b l el i g h ts o u r c e ，i ti ss u r et h a tt h ec l e a r a n dc o m p l e t ee g g 。i m a g ei st a k e n s e c o n d ，p r e v i e wa n di m a g ec a p t u r e f i l t e rc h a r ti sb u i l tb yu s i n go fd i r e c t s h o w t e c h n o l o g y i ti su s e dt oc o m p l e t ee x t r a c t i o no fv i d e o f r a m ei nv i d e os t r e a m t h i r d ，t h ei n t e r f a c ea n df u n c t i o n o fd y n a m i ce g g i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi s p r o g r a m m e db yu s i n go fv i s u a lc + + t h ef u n c t i o n si n c l u d er e a l t i m ep r e v i e wa n d i m a g ea c q u i s i t i o n f o u n h t h ec o r ef u n c t i o n so fs y s t e ma r et e s t i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ，i tb a s i c a l l y a c h i e v e st h et a r g e t sa n dc o n f i r m st h eb e s tc o l l e c t i o nc h a i ns p e e da n da c q u i s i t i o no f i m a g en u m b e rm a t c h i n gw i t he g g sf e e d i n ga n dr o l l i n g m e c h a n i s m f i f t h ，s t u d yo fh y b r i dp r o g r a m m i n gb e t w e e n v i s u a lc + + a n dm a t l a b ，i ta c h i e v e s f o ra d d u c t i n gm a t l a bi m a g ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e su n d e rt h ev i s u a lc + + e n v i r o n m e n t a n dc o m p l e t e sd y n a m i ce g g i m a g eo fa c q u i s i t i o na n dq u a l i t yd e t e c t i o n k e yw o r d s ：e g g s ；d i r e c t s h o w ；d y n a m i cl i n a g e ；l m a g ea c q u i s i t i o n ；q u a l i t yd e t e c t i n g d ir e t t e db y ：p r o f y uz hi h o n g a p p ii c a n tf o r m a s t e rd e g r e e ：l i ux i n ( m e c h a n i c a l d e s i g n a n d t h e o r y ) ( c o l l e g eo f m a c h i n e r ya n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g , i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 插图和附表清单 图11 9 9 0 - 2 0 0 7 年的中国禽蛋产量1 图21 9 9 0 - 2 0 0 7 年的中国人均禽蛋占有量1 图3 机器视觉硬件系统示意图5 图4 照蛋箱结构尺寸示意图8 图5d i r e c t s h o w 系统框架图9 图6c o m 组件创建过程图1 1 图7 基本应用控制程序开发流程图1 2 图8图像采集系统的结构图1 4 图9 鸡蛋输送与翻转结构简图1 4 图1 0 系统软件结构图1 5 图1 1v c 工作区结构图1 6 图1 2g r a p h e d i t 用户界面1 8 图1 3f i l t e r 的注册目录1 8 图1 4 预览程序的f i l t e rg r a p h 2 1 图1 5 采集程序的f i l t e rg r a p h 2 1 图1 6 鸡蛋动态图像采集程序流程图2 2 图1 7 预览流程中对象间的交互图2 3 图1 8 采集流程中对象间的交互图2 4 图1 9 系统主界面2 4 图2 0 基本参数设置对话框2 5 图2 1 采集设备属性设置对话框2 5 图2 2 设置图片保留数目对话框2 6 图2 3 预览界面2 6 图2 4 图像采集界面：? 2 7 图2 5 设置采集间隔时间对话框2 7 图2 6 试验系统实物图2 8 图z 7 单帧图像采集样本图2 9 图2 8m a t l a b 编译器技术基本框架一3 2 图2 9m a t l a b 编译器配置图3 3 图3 0y a n s h i m 文件编译为独立可执行文件的过程图3 5 图3 1m a t l a b 编写的图像处理程序界面3 7 表1图像采集完整性测试结果2 9 表2y a n s h i 工程编辑列表：3 4 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 童：l 盟 日 期：丛! ；6 ：立 导师指导研究生学位论文的承诺 本人承诺：我的研究生 塞! j 毖丝 所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相应导师连带责任。 指导教师签名：瘤臣筮! 茏 日 期：勉i ：i 一 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文。 论文作者签名： 主：1 邀 指导教师签名： 煎隧! 当 日 期：超! ：厶：三： 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 研究背景及意义 我国人民自古就有食用鲜蛋的传统，鸡蛋营养价值高、容易吸收、烹饪方法简 单，早已成为千家万户餐桌上的一道美食1 ，如今虽然人们把卫生、安全食品放在 首要位置，并且对饮食结构、食品营养的要求也越来越苛刻，但是还有许多人对鲜 蛋的消费津津乐道。目前，我国是禽蛋生产和消费大国，从1 9 8 5 年至今，禽蛋产量 一直位居世界第一，人均占有量也大大超过了世界平均水平啪。据有关资料统计口一， 近几年我国禽蛋总产量和人均占有量分别如图1 、图2 所示： 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 蓄2 0 0 0 r1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o 2 5 2 0 慑1 5 1 0 6 0 i - ，j 旷j 一j - ，1 d ，i ：，” l 一- 一i 一一- 一一 ! j ， 1 7 r 二。，。i ： 。，j ，h ，n，。v 磊 宝高裂昌苫蜜昌g ；器衣8 舌g 窖苫害錾g 2 222 2 2 2 2 22 品品蠹昌品品 年 图11 9 9 0 2 0 0 7 年的中国禽蛋产量 矽一躐。”i 囊”，“7 铲4 “_ “7 一 k 一 一 i - 二一。翟 i i 。一一- 。 7， 司 o 、：善 如铂“一划矗毋o 、篇撬。n ，础。二，k o 。巍鱼中盘盘，o 够。矗和：，i 。z 。 。之。，。 j 测 量蚕茧蔡荟誊誊容蚕量量蓉鐾誉蓍誊誊窘 22222 22 窖窖要蠹寓蠹窝高 年 图21 9 9 0 - 2 7 年的中国人均禽蛋占有量 从上图可以看出我国禽蛋产量每年都有增长，已经连续多年位居世界第一，然 而出口量却一直下滑，2 0 0 1 年的出口量不足5 万吨。美国鲜蛋年产量虽位居世界第 二位，禽蛋产量仅为我国产量的z 5 ，然而出口量却占到世界出口总量的2 2 ；荷兰、 马来西亚等国的鲜蛋生产量虽不在世界前1 0 位之列，但出口已占到世界总量的3 1 2 鸡蛋动态图像自动采集系统的研究 和7 1 。他们成功的秘诀在于形成了标准的市场经营模式，即在质量控制下，注重 产品规格和包装的统一化。我国入世后，禽蛋生产和经营都要适应国际和国内市场 的安全性、营养性以及对现代流通的适应性。目前，我国要想满足消费的要求，扩 大禽蛋销售量，增加禽蛋出口额，就必须加快技术发展，尽快形成新型生产经销模 式，即从养殖到鲜蛋分级、清洗、消毒、涂抹、包装一条龙的技术保障下的集约化 生产模式。因此，提高我国禽蛋产后加工能力和技术水平，利用机器视觉来实现禽 蛋品质的在线自动检测和分级势在必行。 机器视觉是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像 处理及模式识别等多个领域的交叉学科 1 。它的应用已经渗透到国防、工业、医学、 商业、农业等各个领域。目前在农业中的应用主要有以下4 个方面： ( 1 ) 农产品的品质检测 ( 2 ) 精细农业 ( 3 ) 生物生长状态的监控技术 ( 4 ) 农业机器人的应用 根据调查得知，目前国内外在机器视觉方面的研究主要是针对农产品品质检测， 尤其是对水果品质的检测。水果的分级指标包括颜色、大小、形状、重量以及表面 缺陷等，它与鸡蛋的分级指标非常相似。因此，我们可以借助于国内外对水果品质 检测的一些经验，研制开发基于计算机视觉技术的鸡蛋品质在线自动检测与分级系 统。 1 2 机器视觉技术 机器视觉是用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进 行加工处理，最终根据实际需要进行测量和控制。机器视觉技术是2 0 世纪7 0 年代 发展起来的，是图像处理的一个分支学科阻1 。它分为获取、分析、识别等过程，综 合了光学、计算机科学、自动化技术、模式识别技术、人工智能技术等多门学科的 内容。 近年来，随着计算机及图像处理技术的成熟，机器视觉技术在农产品品质检测 与分级领域得到了广泛的应用，如对农产品颜色的识别、尺寸与面积的检测、表面 缺陷及损伤的检测、以及水果果形果梗识别等。国内外学者都做了大量的研究与试 验，取得了较大的成效，如柑橘水果外形识别嗍、鸭梨品质检测们和稻种品种识别n 等。其中，计算机图像处理技术发挥了巨大作用。此外，遗传算法、人工神经网络 等高新技术也开始逐步引入到机器视觉的检测与分级系统中来。因此，应用该技术 有利于研制自动检测与分级流水线，从而大大提高农产品品质检测与分级的工作效 率。 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 1 3 研究现状及存在问题 1 3 1 国外研究现状 利用机器视觉系统实现农产品品质检测与分级方法主要是通过c c d ( c h a r g e c o u p l ed e v i c e ，电荷耦合器件) 摄像头来采集图像，再通过计算机对采集到的数字 信号进行处理，从而得到所需的各种目标图像特征值，再经过灰度变换、图像增强、 边缘检测等一系列图像预处理得到最终需要的目标图像信息。根据图像显示的结果 配合执行机构完成对农产品的品质检测与分级，实现自动化，从而提高生产效率。 目前，国外禽蛋生产场都具有整套自动化禽蛋采集设备和鲜蛋处理系统：禽 蛋产出后落入传送带，送至验蛋机，剔除破壳蛋，然后进入洗蛋机自动清洗，再送 向禽蛋处理机，自动涂膜、干燥等，最后进入选蛋机进行自动检数、分级和包装， 为鲜蛋销售和蛋品加工提供优质原料奠定了基础。 1 9 8 8 年，d a v e n e l 等人采用黑白c c d 摄像系统，利用机器视觉技术检测水果 大小、表面缺陷，但在试验中发现，果梗与花萼部分很容易被误判为缺陷，导致分 级的误差较大，无法应用于实践。 1 9 8 8 年，m a r c h a n t “3 1 等人研制成功了一种根据尺寸对马铃薯进行分级的计算机 视觉系统，该系统配备有并行处理器和数据采集卡，每秒可对4 0 个马铃薯进行分级， 但分级的速度和精度还不能满足实际生产的需要。 1 9 9 5 年，n 。o z e r 帕等研制了一种适应水果自动分级的机器视觉系统，利用水果 的颜色、尺寸、形状和重量等参数组合成待分级水果的一个特征向量，并将其输入 到一个训练好的b p 神经网络进行分级，实验选取甜瓜作为样品，其正确分级率为 8 5 1 5 。 1 9 9 6 年，c h o h k n 朝等人应用机器视觉进行蛋壳破损检测的研究，他们利用c c d 摄像头获取禽蛋蛋壳表面图像，用s o b e l 算法滤波后的图像轮廓的圆滑度和几何形 状作为检测蛋壳破损的标准，好壳蛋的检测率为9 0 5 ，损壳蛋检测率为9 7 5 。 2 0 0 1 年，j e n s h i r ml 。等研究并开发了一套鸡蛋蛋壳全自动检测系统，检测装 置先对被检测的鸡蛋施加一定压力，再通过摄像头采集受压鸡蛋图像送入计算机进 行分析，判断是否是损壳蛋并进行分级，好壳蛋检测的准确率为8 6 ，损壳蛋检测 的准确率为8 0 。 1 3 2 国内研究现状 国内在机器视觉方面的研究起步较晚，目前还处于试验和理论探索的研究阶段。 国内许多高校也已经开始了机器视觉系统的研究，无论是软件还是硬件与国外相比 还有一定的差距。 目前国内禽蛋清洗与分级加工处理设备种类很少，据统计有9 x d j 7 2 0 型洗蛋 机和青岛兴仪电子设备有限公司研制的新型自动洗蛋设备。我国的分级加工处理设 4 鸡蛋动态图像自动采集系统的研究 备还不太健全，对于禽蛋的分级加工设备的研究最早是借鉴于水果的自动分级加工 设备。 2 0 0 0 年，中国农业大学的李庆中n 力研究了基于机器视觉技术的水果自动分选系 统，对高品质水果的增值和创汇，提高农业国际竞争能力有重要的意义。 2 0 0 2 年，浙江大学的黄永林町进行了水果动态图像实时采集与分级自动控制系 统的研究，研究着重于动态图像实时采集和分级控制系统的软、硬件以及自动控制 功能的实现。达到了对动态图像实时采集和分级控制的速度和精度要求，可用于水 果在线自动检测和分级。 2 0 0 3 年，文友先、丁幼春n 耵等人应用机器视觉技术，研究出鸭蛋大小及蛋心颜 色自动分级系统。 2 0 0 5 年，中国农业大学的白菲阻3 等人研究了基于机器视觉的柑橘水果外形识别 的方法，建立了柑橘自动分级系统。 2 0 0 6 年，河北农业大学的齐晓娜n 们等人对鸭梨品质检测与分级的计算机视觉系 统进行了大量的研究，建立了鸭梨分级的软硬件系统。 2 0 0 6 年，华中农业大学的王树才3 等人对机器视觉在鸭蛋品质检测中的应用进 行了大量的研究，研制了鸭蛋品质自动检测与分级设备。 2 0 0 6 年，浙江大学的岑益科妲”等人进行了基于机器视觉鸡蛋品质检测方法的研 究，对鸡蛋的内部品质和外部品质分别进行检测，并建立了回归方程。 2 0 0 7 年，浙江大学的饶秀勤恤等人对基于机器视觉的水果品质实时检测与分级 生产线的关键技术进行了研究。 1 3 3 存在的问题 虽然国外已经有了比较成熟的一整套自动化禽蛋检测装备，但是由于价格太高， 我国的中小型禽蛋生产加工企业难以承受。而国内的分级加工处理设备种类很少， 功能比较单一，自动化程度不高，并且没有一个完整的像国外那样即从养殖到鲜蛋 检测、分级j 清洗、消毒、涂抹、包装等功能强大的成套设备，跟国外相比，我国 还有较大的差距。因此，根据禽蛋的特性，借鉴国外的先进技术，并且结合我国企 业规模，研究快速、高效、精确的禽蛋品质检测与分级技术，开发禽蛋自动清洗分 级设备，提高产品的档次和价位，对于对推动我国养禽业、蛋品加工业的发展，具 有十分重要的实用价值和现实意义。 1 4 研究内容 从2 0 0 4 年开始，内蒙古农业大学机电工程学院开始研究基于机器视觉技术的鸡 蛋外部品质检测与分级技术，其中包括张莉的改进模糊聚类算法、冯俊青的支持向 量机、李阳的专家系统等。以上研究都是在静态图像采集的基础上进行的，检测效 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 率低，为了适应在线自动检测分级技术，需要实现动态图像的采集功能。因此，本 文结合禽蛋输送翻转机构开展了对鸡蛋动态图像自动采集系统的研究。借鉴国内外 的研究成果，并且针对我国已有禽蛋品质检测与分级系统的不足，建立基于 d i r e c t s h o w 技术的鸡蛋动态图像自动采集系统，该系统将硬件与软件完美结合，减 少与硬件接触的麻烦，使操作更加方便灵活。本文主要内容如下： ( 1 ) 鸡蛋动态图像自动采集系统的硬件设计，使其与禽蛋输送装置相协调，能 够合理安装，并保证摄像机能拍摄到传输带上鸡蛋清晰完整的图像信息。包括光照 箱的尺寸设计、光源选择、拍摄高度及焦距的调节等。 ( 2 ) 利用d i r e c t s h o w 技术搭建了实时预览和图像采集的过滤器图表，设计了 一个用来完成对视频流提取视频帧功能的f i l t e r 。 ( 3 ) 利用v i s u a lc + + 编写鸡蛋动态图像自动采集系统软件运行界面及相应功 能。 ( 4 ) 通过试验验证该系统的主要功能，确定与输送翻转机构匹配的最佳采集链 速和采集图像幅数。 ( 5 ) 结合m a t l a b 与v i s u a lc + + 混合编程技术，实现在v i s u a lc + + 环境下对 m a t l a b 图像处理程序的调用，实现鸡蛋动态图像自动采集和检测功能。 2 鸡蛋动态图像自动采集系统的硬件设计 鸡蛋动态图像自动采集系统的硬件设备包括c c d 摄像机、图像采集卡、光照 箱、光源、计算机等。如图3 所示： 1 计算机2 图像采集卡3c c d 摄像机4 光源5 光照箱 图3 机器视觉硬件系统示意图 2 1c c d 摄像机 在机器视觉理论基础上发展起来的检测技术具有非接触、速度快、精度适中、 6 鸡蛋动态图像自动采集系统的研究 可实现在线自动检测等优点，已经广泛地应用于工农业产品的在线自动检测与分级， 以及三维数字化应用等方面。在计算机视觉检测技术中c c d 摄像机是一个重要的 部件，其参数是否准确将直接影响检测的精度。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是电荷耦合器件的缩写，是2 0 世纪7 0 年代初 期由b e l l 实验室发明的，它是一种半导体成像器件，具有灵敏度高、畸变小、体积 小、抗强光、抗震动、寿命长等优点1 。现在，c c d 摄像机已经广泛应用于各个领 域，并且在许多方面发挥着重要的作用。 2 1 1c c d 摄像机的主要技术指标 上面提到的c c d 摄像机所具有的一些特点正是它相比以前的摄像管式摄像机 所具有的最大优点1 ，衡量c c d 摄像机性能的技术指标主要有以下几个方面： ( 1 ) 灵敏度：也称最低照度，用l x 表示。灵敏度一般在0 1l x 以上的摄像机 为普通型，灵敏度在0 1 l x 以下的摄像机为高灵敏度型。 ( 2 ) 分辨率：是指摄像机对物像中明暗细节的分辨能力。它通常用镜头所成光 像在单位长度上能分辨的黑白条纹数来表示，单位是线对毫米，其值越大成像越清 晰。对不同成像规格的摄像镜头有一个最低分辨率要求，成像尺寸越小，对镜头分 辨率的要求也就越高。 ( 3 ) 信噪比：摄像机的图像信号与它的噪声信号之比用s n ，s 表示摄像机在 假设无噪声时的图像信号值，n 表示摄像机本身产生的噪声值，两者的比值为信噪 比，用分贝( d b ) 表示，信噪比越高越好。 2 1 2c c d 摄像机的分类 c c d 摄像机大致可分为下列几大类汹1 ： 1 、按成像颜色划分为： ( 1 ) 黑白摄像机：是用于光线不足地区或夜间无法安装照明设备的地区，适用 于监控系统等。 ( 2 ) 彩色摄像机：适用于景物细部辨识，工业c c d 彩色摄像机常用来对产品 外部品质进行检测，如玻璃、水果、禽蛋等。因为有颜色而使信息量增大，其信息 量一般为黑白摄像机的1 0 倍。 2 、按摄像机分辨率分为： ( 1 ) 低档型：影像像素在2 5 万像素左右、彩色分辨率为3 3 0 线、黑白分辨率 为4 0 0 线左右 ( 2 ) 中档型：影像像素在2 5 万到3 8 万像素之间、彩色分辨率为4 2 0 线、黑白 分辨率为5 0 0 线左右。 ( 3 ) 高分辨率型：影像像素在3 8 万像素以上、彩色分辨率大于或等于4 8 0 线、 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 黑白分辨率为6 0 0 线以上。 3 、按摄像机灵敏度划分为： ( 1 ) 普通型：正常工作所需照度为1 3l x ； ( 2 ) 星光型：正常工作所需照度为0 0 11 x 以下； ( 3 ) 月光型：正常工作所需照度为o 11 ) ( 左右； ( 4 ) 红外照明型：原则上可以为零照度，采用红外光源成像。 2 1 3c c d 摄像机的工作原理 c c d 基本阵元是金属氧化物半导体( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 容，或称为 m o s 结构，其基本结构是一种密排的m o s 电容器，能够存储由入射光在c c d 像 敏单元激发出的光电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷 包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。这种电信号 通常是符合电视标准的视频信号，可以在电视屏幕上复原成物体的可见光像，也可 以将信号存储在磁带机内或输入到电脑里，从而进行图像增强、识别、存储等处理 【棚 本实验用到的c c d 摄像机是德国产b a s l a r a l 0 1 f c 彩色面阵c c d 摄像机。该摄 像机体积小、清晰度高、性能可靠，可以一次性获取整幅图像，有利于提高图像的 处理和分析速度，满足本实验的要求。 2 2 图像采集卡 一般认为，采集卡是模拟信号进行数字信号转换的接口卡，它接收摄像录像设 备的输出的模拟信号，将其处理转换为数字信号。采集卡大致分为图像采集卡和视 频采集卡两种。图像采集卡是用来采集d v 或其它视频信号到电脑里进行编辑、刻 录的板卡硬件；视频采集卡又叫视频捕捉卡，用它可以将视频信息数字化并将其储 存或播放出来，绝大部分的视频捕捉卡可以在捕捉视频信息的同时录制伴音，还可 以同步保存、同步播放。 本实验中所使用的采集卡是1 3 9 4 卡，1 3 9 4 卡可以是c c d 摄像机与计算机之间 的一个数字通道，它起到一个接口转换的作用。 2 3 其它硬件部分 2 3 1 光照箱 摄像机的优劣及其参数的准确设定直接影响到图片的拍摄质量，拍摄环境对图 片质量的影响也是至关重要的。本实验对光照箱有如下要求：摄像机视场内光照强 度应稳定一致，避免镜面反射在鸡蛋表面产生光斑：内壁表面均匀，涂成白色，以 形成均匀的漫反射，而不产生镜面反射。为消除环境光变化产生的干扰，本系统采 8 鸡蛋动态图像自动采集系统的研究 取封闭式箱体，以便提供一个密闭且亮度均匀的图像采集环境。 本实验参考文献 2 7 和同门王栓巧一起设计出在禽蛋输送输送翻转机构上使用 的光照箱如下图4 所示： 箱子上半部分是一个边长为2 5 c m 的立方体，箱子顶部有一个边长5 5 r a m 的方 孔用于固定摄像机；前后两侧开了一个长9 5 r n m 、宽8 0 m m 的长方形孔用来使传输 带和鸡蛋通过： 2 5 0 图4 照蛋箱结构尺寸示意图 2 3 2 光源 在机器视觉系统中，合适的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键。实 验要求在光照箱内形成均匀的漫反射，不能有阴影，尽量保证采集到的图片接近于 物体真实颜色。 参考文献 4 4 ，环形日光灯的发热量小于白炽灯和卤钨灯，色调偏青白，属冷 色，具有光效高、光色好、发热量小、寿命长等特点。因此，本实验中选择金陵牌 的2 2 w 环形日光灯。 2 3 3 计算机 实验所用计算机配置为：c p u 是a m ds e m p r o n3 0 0 0 ，主频1 8 4 g h z ，i g 内存， 1 2 0 6 硬盘，r a d e o n9 5 5 0 显卡，内部加装了1 3 9 4 卡，作为b a s l a ra 1 0 1 f c 彩色面阵 c c d 摄像机与计算机之间的一个数字通道。计算机在w i n d o w sx p 操作系统下工作。 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 3 鸡蛋动态图像自动采集系统的软件设计 软件通常分为系统软件和应用软件：系统软件包括操作系统和程序设计系统； 应用软件是根据执行的具体任务而编制的用户程序，因控制对象的不同而不同，编 写应用程序的语言取决于控制系统的软件配备情况和整个系统的要求。 3 1d ir e c t s h o w 技术简介 d i r e c t s h o w 是d i r e c t x 家族中的一位成员，是微软公司提供的一套在w i n d o w s 平台上处理流媒体的软件开发包，为w i n d o w s 平台处理各种格式的媒体文件播放、 音视频采集等高性能要求的多媒体应用提供了完整的解决方案。实际上，d i r e c t s h o w 是一个开放性的应用框架，也是一套基于c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 组件对 象模型标准的编程接口。 d i r e c t s h o w 的主要组成部分包括：过滤器( f i l t e r ) 和过滤器图表管理器( f i l t e r g r a p hm a n a g e r ) 。它使用过滤器图表( f i l t e rg r a p h ) 的模型来管理整个数据流的处 理过程，参与数据处理的各个功能模块叫做过滤器，各个过滤器在过滤器图表中按 一定的顺序连接成一条“流水线”协同工作。d i r e c t s h o w 系统的框架图如图5 所示 【剐。 应用程序 命令： 事件 d i r e c t s h o w l e g a c y 过滤图标管理器 v c m a c m ! 文件系统h编码器 i n t e r n e tf 。源过滤器i 变换过滤器 ；提交过滤器卜一文件系统 l r i n 9 3 硒n 9 0 d i r e e t s o u n dd i r e c t d r a w 核心串流 1 模式结构 i4 i l e g a c y 声卡 视频采集卡 w d m v f m n 巾e g 2 捕获设备 捕获设备 硬件编码器 图50 i r e c t s h o w 系统框架图 下面简要介绍一下d i r e c t s h o w 技术当中的几个重要的概念： l 、过滤器( f i l t e r ) 过滤器是d i r e c t s h o w 中最基本的概念。d i r e c t s h o w 是基于模块化的，每个功能 模块都采用c o m 组件的方式，而过滤器就正是这种c o m 组件，即d i r e c t s t i o w 的 1 0 鸡蛋动态图像自动采集系统的研究 功能模块单元。按照功能来分，过滤器大致可以分为3 类： 源过滤器( s o u r c ef i l t e r s ) ：主要负责数据的获取，数据源可以是文件、因特网 计算机里的采集卡( w d m 驱动的或v f w 驱动的) 或数字摄像机等，然后将数据往 下传： 变换过滤器( t r a n s f o mf i l t e r s ) ：主要负责数据的格式转换，例如解码编码、 数据流分离合成等，然后将数据往下传输； 渲染过滤( r e n d e r i n gf i l t e r s ) ：主要负责数据的最终去向将数据送给显卡、 声卡进行多媒体的演示，或者输出到文件进行存储。 过滤器具有三个状态：运行、停止和暂停。当一个过滤器运行时，它就开始处 理媒体数据流；当它停止时，过滤器就不再处理数据；暂停状态常用来给运行状态 之前进行数据检查，之后暂停状态就可转为运行状态。 2 、p i n ( 引脚) 过滤器一般是由一个或多个引脚组成( 分为输入引脚和输出引脚) ，过滤器之间 通过引脚相互连接，构成一条顺序的链路，d i r e e t s h o w 中很多功能实际上都是在引 脚上调用相应的方法来实现。源过滤器仅含有输出引脚，没有输入引脚；变换过滤 器既有输出引脚又有输入引脚；渲染过滤器仅有输入引脚，没有输出引脚。 3 、过滤器图表( f i l t e rg r a p h ) 在应用程序中，为了执行一个特定的任务，需要把不同的过滤器根据其特性通 过引脚连接起来。在连接过滤器引脚时需要注意，只能是输出过滤器引脚与输入过 滤器引脚相连，两个输出过滤器或两个输入过滤器引脚是不能相连的口。这样多媒 体数据流就通过引脚从一个过滤器传递到另一个过滤器。所有这些过滤器和他们之 间的连接所组成的图表被称为过滤器图表。 4 、过滤器图表管理器( f i l t e rg r a p hm a n a g e r ) 过滤器图表管理器是d i r e c t s h o w 中的关键组件，应用程序使用它来创建和管理 过滤器图表，过滤器图表管理器也用于协助过滤器间的状态转换，建立参考时钟， 把事件传送给应用程序，为应用程序提供建立过滤器图表的方法。 3 2 c o m 技术简介 d i r e c t x 采用了c o m 标准，而d i r e c t s h o w 是一套完全基于c o m 的应用系统。 d i r e c t s h o w 应用程序实际上是c o m 组件的客户程序，只是c o m 组件的使用问题。 包括如何创建c o m 组件、如何得到组件对象上的接口及调用接口方法、如何管理 组件对象等。过滤器的开发设计到了c o m 组件的实现问题。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 即微软组件开发模型，是开发软件组件的一 种方法。c o m 本身是一种规范，而不是实现。当使用c + + 类来实现时，c o m 组件 就是一个c + + 类，而接口都是纯虚类。c o m 规范规定，任何组件或接口都必须从 内蒙古农业大学硕士学位论文 11 i u n k n o w n 接口中继承而来。i u n k n o w n 定义了3 个重要函数，分别是q u e r y i n t e r f a c e 、 a d d r e f 和r e l e a s e 。其中，q u e r y i n t e r f a c e 负责组件对象上的接口查询，a d d r e f 用 于增加引用计数，r e l e a s e 用于减少引用计数。引用计数是c o m 中的一个非常重要 的概念，它很好地解决了组件对象的生命周期问题，即c o m 组件什么时候被销毁， 由谁来销毁的问题。 每个c o m 组件都使用一个全局唯一标识符g u i d 来标识。当创建一个c o m 组 件时，总是首先通过这个标识符来调用g o g e t c l a s s o b j e c t 方法来获得创建这个组件 对象的类工厂。然后调用类工厂的接口方法i c l a s s f a c t o r y ：c r e a t e l n s t a n c e ，就可以真 正地创建一个组件对象了。图6 是c o m 组件的创建过程口捌。 图6c 0 m 组件创建过程图 g o g e t c l a s s o b j e e t 方法调用了d l l 中的d 1 1 g e t c l a s s o b j e c t 方法，这个方法创建 一个类厂对象，并返回一个类厂对象的接口。d i r e c t s h o w 已经完成了 d l l o e t c l a s s o b j c o t 方法的实现。 类厂也是一个c o m 对象，它可以用来创建其他的c o m 组件。每个类厂只能 用来创建特定的c o m 组件对象。在d i r e c t s h o w 中，每一个类厂都是c + + 类工厂的 一个实例，类厂是通过一个叫做类厂模板c f a c t o r y t e m p l a t e 来实现的。每个类厂类 都有一个指向类厂模板的指针，类厂模板包含了要创建的组件的信息，比如c l s i d 12 鸡蛋动态图像自动采集系统的研究 和一个指向创建对象函数的指针。 d l l 中定义了一个全局的类厂模板的数组，每一个动态的d l l 中都有这么一 个全局模板数组。当d l l g e t c l a s s o b j e c 创建组件对象的时候，它就搜索全局数组里 的匹配的c l s i d ，如果它找到匹配的数组，它就创建一个包含一个指向匹配模板指 针的类厂对象。当客户端调用i c l a s s f a c t o r y ：c r e a t e l n s t a n e e 方法的时候，类厂就 调用模板中的函数来创建组件对象。 3 3d ir e c t s h o w 应用程序开发流程 d i r e c t s h o w 应用程序的开发包括两个部分：一个是应用程序界面框架的创建； 另一个是过滤器图表的构建。由于d i r e c t s h o w 是基于c o m 组件技术框架的，它的 主要功能都是通过c o m 接口来实现的，系统模型是基于接口完成应用程序的开发。 应用程序中主要用到的接口有： 1 、i g r a p h b u i l d e r 接1 2 ：用来构造过滤器图表管理器的接口，建立和管理过滤 器，用来过滤和处理媒体流； 2 、i m e d i a c o n t r o i 接口：用来控制多媒体流在过滤器图表中的流动，如多媒体 流的启动和停止： 3 、i m e d i a e v e n t 接口：用来捕获播放过程中发生的事，然后到应用程序中进行 处理，比如播放完成等处理： 4 、i v i d e o w i n d o w s 接口：用来控制视频窗口的属性； 5 、i b a s e f i l t e r 接口：它是从i m e d i a f i l t e r 接口继承而来，用来定义一个具体的 处理多媒体数据的过滤器指针； 6 、礤i n 接口：用来管理两个过滤器之间的针脚，从而连接过滤器。 基本应用控制程序的开发流程如图7 所示汹： 创建过滤器 图表管理器 创建捕获 过滤器图表 初始化 过滤器图表 查找相应源过滤器、转 换过滤器、渲染过滤器 加入过滤器图表 连接各过滤器相应 输入输出引脚 图7 基本应用控制程序开发流程图 渲染过滤器 输出引脚 在d i r e c t s h o w 系统之上是应用程序，应用程序要按照一定的意图建立相应的过 滤器图表，然后通过过滤器图表管理器来控制整个数据的处理过程。d i r e c t s h o w 能 在过滤器图表运行的时候接收到各种事件，并以消息方式发送给特定的应用程序。 内蒙古农业大学硕士学位论文 13 这样，就实现了d i r e c t s h o w 系统与应用程序之间的交互。 开发d i r e c t s h o w 应用程序，一般需要3 个阶段： 第一个阶段是创建一个过滤器图表管理器组件( f i l t e rg r a p hm a n a g e r ) ，代码如 下：i g r a p h b u i l d