基于机器视觉的鸡蛋品质检测方法研究

1、浙江大学硕士学位论文基于机器视觉的鸡蛋品质检测方法研究姓名:岑益科申请学位级别:硕士专业:生物系统工程指导教师:应义斌;饶秀勤20060601 浙江大学硕士学位论文第章绪论用遍布世界各地,在国际市场上的占有率高达65%以上。 图1.9MoBAomi曩鸡蛋分级机Fig.1-9MoBA omi丑egg gr叠der美国的Di锄d syscms公司是世界上鸡蛋检测、分级和包装装备开发制造领域的另一家大型生产厂商,他们在鸡蛋打包机、鸡蛋分级机和打蛋机的研制生产方面居于世界领先地位。他们的鸡蛋分级机系统功能强大,适用范围广,能够满足大型、中型、小型鸡蛋分级用户的需求,其系列分级机产品的鸡蛋分级处理能力从

2、每小时10000枚至150000枚不等,且其分级机系统内置的每个模型都可以加以修改以适应许多特殊用户的需求。他们研制生产的鸡蛋打包机可以每小时打包22000一72000枚鸡蛋。此外,Dimd systs开发的鸡蛋自动装载机、鸡蛋清洗机与塑料蛋盘清洗机、裂纹污斑血斑电子检测系统、自动透光检测系统、鸡蛋自动装箱机与蛋盘收集系统等鸡蛋大型分级机的组成部件,以及自动打蛋机与分离系统、蛋黄扫描仪等,都具备国际领先水平。图1.10是Diamond Sys僦ns公司研制的DiN0vA200鸡蛋分级机和8400Es鸡蛋分级机。 图1.10NovA2鸡蛋分级机(a和8枷Es鸡蛋分级机(bFig.1-10INNo

3、VA200egg grader(aand8400ES egg gI喧der(b国内的科研人员在鸡蛋清选分级技术和装备的研究与应用方面,发明了系列鸡蛋制品加工、检测设备和技术,如高效的光透验蛋机、自动选蛋机、蛋盘光透翻转式验蛋机、鸡蛋质量自动检选技术、Q丌.0l型鸡蛋质量微机自动检选系统、鸡蛋品质光电检测方法以及深圳振野膜钢研制生产的zYFJ1型和zYF-J2型鸡蛋缺陷光透检测分选机系统等,这些研究发明中,许多具有很强的 浙江大学硕士学位论文第二章机器视觉系统与数字图像处理技术 1风扇2CcD摄像机3荧光灯4调光板5图像采集卡6工控机图2-l鸡蛋外部品质检测机器视觉系统Fig.2l M雠hme啊

4、si0system ofe鳃镊telmal qu蚰姆inspecHon 使用TEsl336A光度计测量,可得到光照箱内CCD摄像机视场的光照强度变化情况。开启光源30分钟后,光照强度趋于稳定,照度约为10900Ll。在把机器视觉系统布置为鸡蛋内部品质检测系统,开展鸡蛋内部品质检测试验的过程中,光源的配置选用1支PHIL口s的磨砂玻壳白炽灯,该灯透光量大,功率为60W,光通量为650llll (流明,色温为2800K左右。为保证能采集到鸡蛋内容物的透射图像,获取其内容物的颜色特征信息,在光照箱密闭以构成一个黑暗光室的同时,光照箱内的白炽灯光源用一个圆台形灯罩密闭起来,只在灯罩上底面开一比鸡蛋试验

5、样本略小的透光孔,用于放置并支撑鸡蛋样本,同时确保被测鸡蛋与透光孔间以及圆台形灯罩与光照箱下底面间无缝隙,以避免白炽灯光源发出的光未经鸡蛋试验样本透射而直接从这些缝隙进入密闭黑暗光室内,从而影响鸡蛋内容物透射图像的采集和获取的其内容物颜色特征信息的可靠性。鸡蛋内部品质检测机器视觉系统的总体构成、光照箱及光源的配置情况如图2.2所示。.17. 浙江大学硕士学位论文第二章机器视觉系统与数字图像处理技术 图2-4MahW Meteor-】1小nI由chanel图像采集卡Mete删/M眦稿.ch蛐el fhme grabberFig.2-4Ma由mxMa廿Dx Meteor-/Mc图像采集卡的主要参数

6、为:可连接2路RGB信号、6路黑白视频信号、12路复合视频信号输入,3个256×8.bit可编程u,r,且可在2路R(B信号与6路黑自信号源之间连接切换:支持NTSC、PAL、RS.170以及cCm等不同制式标准输入;采用通用32-bit,33MHz PCI总线主模式下的主/从接口,总线主控模式可以以最高恒定130MB/s的速率传输数据而不需要连续占用主机资源,即使系统同时进行采集、显示、制图、网络接收、磁盘存储以及外部输入输出,扩展的缓冲功能也可以在高速总线滞后情况下确保图像数据实时传输到主存;图像格式上图像数据可以以奇“禺像素、奇“禹行的形式同时呈现,可执行输入剪切(RoI采集、

7、独立的水平垂直双方向可从2至16倍单独抽样采集,格式上支持RGB8:8:8、YUv5:6:5或5:5;5格式输出,像素抖动为+/.1.5lls,信噪比为47dB;支持光电隔离外部触发,Rs-232接口支持Rx,Tx,Iu、s和cTs信号,软件可通过MILAPI接口控制与操作系统无关,采样频率最高可达30MHz输入低通滤波器为10MHz;运行环境要求为工作温度O55,相对湿度<95%(不结雾。用于Ma觚x Meteor.II,MC编程的函数库Ma仃ox hnaging Library(MIL/AcnveMIL、MILLie/ActiveMIL.L沁和Ma昀xInsctor包括图像识别、数据

8、操作、图形编辑和显示控制等方面的应用,可以编写和调试程序,监视图像采集运行的状态。M支持windows98、willddwsMe、wmdowsNT4.O、windows2000和windows口操作系统,支持Visll“C+和visualBasic编程语言。用户可以在这些程序设计语言环境下编写自己的应用程序。本研究选用的工控机为研华科技公司出品的ADVANTECH NDUSTRIAI.COMPuTER610工控机,其cPu为IIltel P/2G,256M内存,80G硬盘,工作在wiIldows2000操作系统环境下,并安装了MicrosoR Visllal c+6.0、MatIab6.5、M

9、a虹Dx hnaging Products(包括M几7.5与Insptor.20. 浙江大学硕士学位论文第三章鸡蛋外部品质图像采集及其预处理 (a(a红壳蛋彻白壳蛋图3-1采集到的鸡蛋图像Fig.3-1The acquired egg image3_3鸡蛋外部品质图像预处理鸡蛋图像分割是鸡蛋外部品质检测的一个非常关键的步骤。图像分割把图像分割成不同属性的若干部分或若干实体,这是图像分析的首要步骤,图像通常要被分割至我们感兴趣的部分被从背景中隔离开来为止。目前常用的图像分割方法大致可分为四类,即阈值分割方法及聚类,利用边缘检测分块法,统计学分割方法以及结合区域和边界信息的方法。阈值分割就是简单地

10、根据灰度阈值将图像分成不同的区域,它的缺陷在于忽略了图像的空间信息。边缘检测试图通过检测包含不同区域的边缘进行图像分割,其出发点是图像的灰度在边缘上往往变化较大。从统计学出发的图像分割方法则将图像的像素看成是具有概率分布的随机变量,比较复杂。区域增长法易造成过度分割,故常和边缘检测结台使用。在鸡蛋图像被机器视觉实验系统获取之后,一种能够把鸡蛋实体从蓝色背景中提取出来的算法被选择和尝试。阈值分割方法是一种非常常用的图像分割分块方法,分割采用的阚值通常依据图像的直方图分析结果来选定,且其一般对于同一实验条件下的所有图像均保持恒定。在本研究中,鸡蛋图像的直方图基于0(黑到255(白级的每一灰度级上的

11、像素点个数来构建。鸡蛋图像在RGB颜色模型中像素的R、G、B值的直方图如图3-2所示。-29.浙江大学硕士学位论文第三章鸡蛋外部品质图像采集及其预处理l J I J I-IIJ I01_m m M e%1_i&4m ln m m R G B图3-2鸡蛋图像的R、G、B值直方图Fi害32The egg images RG,B valuers histogram从鸡蛋图像每个像素的R、G、B颜色等级,HSI颜色模型中每个像素的H(hue、s(saturation、I(intensity值能够根据式(2-4、式(2.5、式(26计算得到。鸡蛋图像每个像素的H、S、I值的直方图如图3-3所示。

12、JJ I.1l_IlI_-um m日em m m目m258图3-3鸡蛋图像的H、S、I值直方图Fig.33The egg images H,S,I values histogram根据R、G、B、H、S、I值直方图分析的结果,可以发现鸡蛋目标的H值与背景的H值相离较远,以鸡蛋图像的H值直方图为依据选择一个H值为阈值尝试把鸡蛋目标从蓝色背景中分割出来。被H值阈值分割后的鸡蛋图像如图3.4所示。图3.4H值阈值分割后的鸡蛋图像Fig.3-4The egg image segmented with the threshold of H value -30-浙江大学硕士学位论文第三章鸡蛋外部品质图像采

13、集及其预处理从被H值阈值分割后的鸡蛋图像中可以发现,该分割方法的分割效果并不好,鸡蛋目标中的许多像素,特别是靠近边缘处的像素,被错误地判定为了背景,即在使用H值阈值进行分割的过程中产生了较多噪声。为了增强农作物在大田图像中的颜色特征,Sdgaard等(1999口4】曾为大田中的农作物分割设计了一个由R、G、B值组合而成的指示值:Indicator2G RB。但该指示值并不能增强鸡蛋目标与背景颜色特征的差异性,因为鸡蛋图像的R、G、B强度值与大田农作物图像大不相同。要适用于本研究中鸡蛋图像的分割,必须参考Sggaard等人的设计原则,重新设计一个新的指示值以适用于鸡蛋图像的分割。综合分析鸡蛋图像的R、G、B强度值,可以发现在鸡蛋图像中,构成鸡蛋目标的像素点的B值和G值均小于构成背景的像素点,而相反地,构成鸡蛋目标的像素点的R值大于构成背景的像素点。为了增强构成鸡蛋目标和构成背景的像素点在颜色特征上的差异性,一个新的基于像素点颜色特征强度的指示值被设计为如下式所示:Indicator=B+GkR (3-1式中,k=(R+G/B (32式中的指示值在Visual C+6.0开发环境下编写程序由鸡蛋图像每个像素点的R、G、B值