专利名称：一种多通道水果视觉分级图像采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种图像数据采集装置，特别是一种用于水果视觉自动分级中的水果表面图像采集装置。该技术属于现代农业装备领域。
背景技术：
我国是水果生产大国，水果资源十分丰富，产量居世界之首，但出口量只占很小的比例。造成这种反差的其中一个原因是水果采摘后检测、分级技术落后。目前国内大部分水果在采摘后不经过商品化处理就直接上市，水果成品等级混杂，良莠不齐，影响了水果的商品价值，同时使商品在国际市场上缺乏竞争力，严重削减了其国际市场份额。
水果采摘后的商品化处理的主要环节包括挑选、清洗、打蜡、分级和包装等，其中分级是商品化处理中的核心环节。目前，我国的水果分级处理主要还是依靠人工完成，这样的处理方法需要的劳动力多，劳动强度大，而且分级的结果会因劳动者个体差异而差别较大，分级效果的一致性较差，效率也较低。国内外已经投入使用的一些机械化分级设备主要是依靠水果的尺寸、大小、重量进行分级，分级的标准比较单一，难以满足市场的需要。虽然目前该领域的技术有它的局限性，但是，利用机器作业对水果进行视觉分级具有很大的优势，可以同时对多个标准，包括水果的尺寸大小、形状、颜色、表面缺陷等外观品质一次性进行综合分级。分级的客观性强、标准稳定、一致性好、效率高，而且非接触无伤害，因而具有很好的应用前景。
在利用机器视觉进行水果的分级中，水果表面图像信息采集的准确与否关系到最终的分级结果和分级效率。水果图像采集最基本要求是在保证一定的加工效率下尽可能的获取到整个水果表面的清晰图像。国内现有的水果视觉分级系统基本都是单个通道采集的，即使是存在两个或多个通道，也主要是采用每个通道安装一个摄像头、每个摄像头负责一个通道的形式进行图像采集，系统的集成度较低。另外，在图像采集的时序上主要有两种方式一种是摄像机连续采集并输出，用软件判断图像帧数的冗余，去除冗余帧，获得有效信息；另一种是摄像机连续采集并输出，同时使用硬件的方式，即采用具有外触发模式的采集卡进行图像采集，去掉冗余的图像帧，获得有效信息。但无论哪一种采集方式，在一帧图像中都可能会出现不完整的水果图像，直接影响了水果分级的结果和效率。
实用新型内容(一)要解决的技术问题本实用新型的目的是要克服目前现有技术的缺陷，提出一种仅使用一个摄像机，而且信息冗余量低、分级速度快、分级效率高的多通道水果视觉分级装置。
(二)技术方案本实用新型提出一种多通道水果视觉分级图像采集装置，包括通用计算机和用于处理采集到的数据的图像数据采集卡，还包括用于传送水果的传送结构、位于传送结构上方的用于捕获水果表面图像数据的摄像机、用于控制摄像机动作的开关结构，其中传送结构具有多个传送通道，摄像机能同时捕捉多个传送通道上的水果图像。
本实用新型提出的多通道水果视觉分级图像采集装置，一种优选的方案是开关结构包括编码盘和接近开关，编码盘的外圈有均匀分布的槽口。槽口个数与传送结构相匹配。根据传送结构的移动，编码盘上将有一个槽口经过接近开关的检测区域，使接近开关输出一个脉冲。
上述的多通道水果视觉分级图像采集装置，另一种优选的方案是还包括电平转换器，用于连接摄像机和接近开关，满足摄像机和接近开关的电气匹配。
本实用新型提出的多通道水果视觉分级图像采集装置，一种优选的方案是传送结构具有两个传送通道。传送结构优选为两组链式传送带，由同一个轴的链轮驱动作同步运动，传送带上安装有滚子和托盘，且滚子可以绕自身的水平轴线自转。
优选地，在传送带两侧设有边板，边板上开设有滑槽，滑槽的形状可用下式表示y=r·sin(180-ω·t)x=(v·t+r)+r·cos(180-ω·t)]]>式中r为导向销12中心到滚子中心的距离，ω为滚子的转动角速度，v为传送带的速度，t为运动时间。
本实用新型提出的多通道水果视觉分级图像采集装置，一种优选的方案是还包括照明设备，照明设备作为传送结构的光源，安装在传送结构附近。这种照明设备优选为高频荧光灯。
(三)有益效果采用本实用新型，一方面通过多通道的传送结构，同时进行多个水果的分级作业，提高作业效率。
另一方面，本实用新型仅使用一个摄像机，不但节约成本，而且结构简单，系统集成度高。
由于采用编码盘和接近开关的设计，使得本实用新型能捕捉水果不同角度的图像，所得的采集数据位置精度高，而且图像数据冗余量小，便于后续的数据处理。
再者，本实用新型附加的设备例如照明设备的方案简单易于实现。
图1为系统结构示意图；图2为系统工作原理图，其中(a)为正面视图，(b)为侧面视图；图3为图像采集时序图，其中(a)为第n次触发，(b)为第n+1次触发，(c)为第n+2次触发。
其中，1、链轮；2、链式传送带；3、接近开关；4、编码盘；5、滚子；6、托盘；7、水果；8、滑槽；9、荧光灯管；10、灯箱；11、摄像机；12、导向销；13、边板；14、传送结构。
具体实施方式
本实用新型提出的多通道水果视觉分级图像采集装置，结合附图和实施例说明如下。以下实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由各权利要求限定。
参照图1，本实用新型的多通道水果视觉分级图像采集装置主要包括以下部分通用计算机、用于处理采集到的数据的图像数据采集卡、用于传送水果的传送结构14、用于捕获水果表面图像数据的摄像机11、用于控制摄像机动作的编码盘4和接近开关3，以及用于连接摄像机和接近开关的电平转换器。
其中，本实施例选用一个支持异步复位的逐行扫描彩色摄像机(北京嘉恒中自图像技术公司的OK_AC1300)和一张彩色图像采集卡(北京嘉恒中自图像技术公司的OK-RGB10)作为图像获取设备。图像采集卡通过PCI总线接口和计算机相连。摄像机输出的模拟信号经过图像采集卡的采集处理后得到数字图像并输入到计算机进行后续处理。
上述选用的摄像机具有标准隔行扫描或逐行扫描的功能，在本实施例中，该摄像机主要工作在外触发的逐行扫描模式下。为了配合水果传送的速度，定时获得有效信息，减少数据冗余，因此设计了一个编码盘，并配合使用了一个接近开关作为触发信号发生源，控制摄像机的动作。接近开关产生的脉冲信号输入给摄像机作为触发采集的控制信号。为满足接近开关和摄像机之间的电气匹配，两者之间加入一个电平转换器。摄像机在没有触发脉冲输入的情况下一直保持等待状态，无图像信号输出。当有一个触发脉冲信号的下降沿到来时，摄像机马上执行异步复位动作并开始一帧图像的曝光和扫描，输出一帧图像，输出完成后重新处于等待状态。
参照图2，本实施例用于说明双通道的情况，即装置可以同时获取两个水果的表面图像信息。因此，在实施例中，两组结构相似的链式传送带2由同一个轴的链轮1驱动作同步运动，构成双通道传输系统。传送带上等间距安装有滚子5和托盘6，且滚子可以绕自身的水平轴线自转。在水果的传输过程中，每两个相邻的滚子之间的托盘上可以放置一个水果7。摄像机11安装在传送带的垂直正上方，位于两个通道之间，使得图像采集平面能横跨两个通道。在传输系统的从动轴上安装有编码盘4，编码盘和接近开关3配合工作以产生脉冲输出。编码盘的外圈有均布的槽口，槽口数和从动轴每转一圈传送带移动的滚子数相等。所以传送带每移动一个滚子的间距，编码盘上将有一个槽口经过接近开关的检测区域，使接近开关输出一个脉冲。
接近开关输出的脉冲经过电平转换器的转换后触发摄像机马上进行一帧图像的采集。由于采用异步复位摄像机进行图像采集，从脉冲触发信号产生到图像开始曝光之间的时间非常短达到微秒级，此间传送带运动的距离可以忽略不计，而且传送带采用链传动结构，所以水果图像在每帧图像中的位置基本不变，只要调整摄像机的位置选择合适的图像采集区域就可以保证每个图像中的每个水果都是完整的，这将非常有利于后续的图像处理。
为了采集到水果的整个表面信息，水果在经过图像采集区域时，不但随传送带前进作平动，而且在滚子的作用下作旋转运动。其旋转运动的原理是在图像采集区域中，在传送带两侧的边板13上开设有滑槽8。滑槽的形状可用下式表示y=r·sin(180-ω·t)x=(v·t+r)+r·cos(180-ω·t)]]>式中r为导向销12中心到滚子中心的距离，ω为滚子的转动角速度，v为传送带的速度，t为运动时间。当滚子经过图像采集区域时，滚子的中心沿x轴匀速运动，固定在滚子上的导向销进入滑槽中，导向销受滑槽的约束只能沿滑槽的轨迹运动，所以滚子的复合运动将是一边随传送带平动，一边绕自身水平轴旋转。在摩擦力的作用下，滚子的自转间接地带动水果作旋转运动。选择不同的ω可改变滚子在经过整个图像采集区域时所转过的角度。试验证明，滚子在经过图像采集区域的过程中旋转约240度即可采集到水果的整个表面信息。
在拍摄运动的水果的图像时，为了避免因为水果和摄像机之间的相对运动引起的图像的模糊，摄像机在采集过程使用了速度为1/1000s的电子快门以缩短曝光时间。在此情况下光照条件变得非常重要，为了避免图像曝光不足保证图像的质量需要使用附加的光照。本实施例中，在灯箱10的两侧安装了荧光灯管9。由于荧光灯会随着交流电的频率产生频闪，如果采用普通的荧光灯管，工作在50Hz的工频下会产生100Hz的频闪。由于1/1000s曝光时间比1/100s的频闪周期小得多，拍摄得到的各帧图像的平均亮度会有较大的波动，造成目标有效信息的损失或者加大了后续的图像处理难度。为了解决荧光灯频闪的影响，本实施例采用了工作频率35KHz的高频荧光灯作为光源。这样每次曝光时间包含约35个频闪周期，基本消除由于频闪引起的图像亮度波动，获得很好的光照效果。
如图3所示，上面是其中第一通道的水果在连续三次触发采集图像过程中所处的状态，下面是对应于各次采集到的水果图像在整帧图像中所处的位置。在进行图像采集时，传送带每运动一个滚子的间距，摄像机将接收到一个来自接近开关的脉冲信号，并马上开始一帧图像的曝光和扫描。如图3所示，图像采集区域在传送带的运动方向上的宽度设置为三个滚子的间距，所以每帧图像中每个通道将有三个水果被拍摄到，即每帧图像上共有六个水果的图像。
另一方面，由于图像采集区域的宽度为三个滚子的距离，所以每个水果在通过整个采集区域的过程中将会被采集到三次，即整个水果的全部信息分布在三帧连续的图像中。图3中，在摄像机的第n次触发时，采集到通道一的A、B、C和通道二的A′、B′、C′一共六个水果的图像。在第n+1次触发时，采集区的每个水果向前移动了一个滚子的间距距离，同时在滚子自转的作用下翻转过一定的角度，其中水果A和A′已经移出采集区域，相应的紧跟在水果C和C′后面的水果D和D′进入采集区域，水果B、C和B′、C′被采集到另一个角度的图像。同理，在n+2第触发时，B和B′移出采集区域，E和E′进入采集区域，水果C和C′被第三次采集到图像。根据上述，经过三次连续的触发后，水果C和C′被采集到三个不同表面的图像。
上述图像经过图形数据采集卡进行相关处理后，由通用计算机配合图像处理软件对所得到的水果图像进行处理和判断，获得挑选水果的信息依据。通用计算机及所需的图像处理软件均为相关技术人员熟悉的现代常用技术，在此不作赘述。
采用本实用新型的多通道水果视觉分级图像采集装置进行水果图像采集，并用所获得结果作为此后水果分级的数据依据，对比现有技术，其优点非常充分(1)装置同时工作在多通道条件下，大大提高了水果分级的效率；(2)用一个摄像机解决多个通道的图像采集，结构简单，系统集成度高；(3)采用编码盘和接近开关的设计，捕捉水果不同角度的图像，所得的采集数据位置精度高，而且图像数据冗余量小，便于后续的数据处理；(4)光照环境方案简单易于实现；(5)硬件成本低，适于批量加工。
权利要求1.一种多通道水果视觉分级图像采集装置，包括通用计算机和用于处理采集到的数据的图像数据采集卡，其特征在于还包括用于传送水果的传送结构、位于传送结构上方的用于捕获水果表面图像数据的摄像机、用于控制摄像机动作的开关结构，其中传送结构具有多个传送通道，摄像机能同时捕捉多个传送通道上的水果图像。
2.如权利要求1所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于开关结构包括编码盘和接近开关，编码盘的外圈有均匀分布的槽口。
3.如权利要求2所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于还包括电平转换器，用于连接摄像机和接近开关，满足摄像机和接近开关的电气匹配。
4.如权利要求1、2或3所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于传送结构具有两个传送通道。
5.如权利要求4所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于传送结构为两组链式传送带，由同一个轴的链轮驱动作同步运动，传送带上安装有滚子和托盘，且滚子可以绕自身的水平轴线自转。
6.如权利要求5所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于在传送带两侧设有边板(13)，边板(13)上开设有滑槽(8)，滑槽(8)的形状可用下式表示y=r·sin(180-ω·t)x=(v·t+r)+r·cos(180-ω·t)]]>式中r为导向销(12)中心到滚子中心的距离，ω为滚子的转动角速度，v为传送带的速度，t为运动时间。
7.如权利要求1、2、3或6所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于还包括照明设备，照明设备作为传送结构的光源，安装在传送结构附近。
8.如权利要求4所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于还包括照明设备，照明设备作为传送结构的光源，安装在传送结构附近。
9.如权利要求5所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于还包括照明设备，照明设备作为传送结构的光源，安装在传送结构附近。
10.如权利要求7所述的多通道水果视觉分级图像采集装置，其特征在于照明设备是高频荧光灯。
专利摘要本实用新型涉及一种图像数据采集装置，特别是一种用于水果视觉自动分级中的水果表面图像采集装置。本实用新型提出的多通道水果视觉分级图像采集装置，包括通用计算机和图像数据采集卡，还包括用于传送水果的传送结构、位于传送结构上方的用于捕获水果表面图像数据的摄像机、用于控制摄像机动作的开关结构，其中传送结构具有多个传送通道，摄像机能同时捕捉多个传送通道上的水果图片。采用本实用新型的有益效果是信息冗余量低、分级速度快、分级效率高，而且同时对多通道数据进行处理时仅使用一个摄像机，结构简单，易于实现。
文档编号B07C5/34GK2923067SQ20062011774
公开日2007年7月18日 申请日期2006年6月21日 优先权日2006年6月21日
发明者李伟, 张俊雄, 荀一 申请人:中国农业大学