基于等效算法的珍珠大小及圆形度分拣装置

摘要

本发明公开了一种基于等效算法的珍珠大小和圆形度分拣装置。本发明中的珍珠大小由等效直径表示，圆形度由周长与等效周长之比表示。本发发明搭建了以中值滤波、Qtsu法、开运算等处理方法对珍珠图像进行分割去噪的预处理框架，形成了面积像素计数法、边界像素计数和8链码法求周长并加权的计算体系。采用Matlab编写图像处理软件，同时，计算机使用LabVIEW作为监控平台，调用MATLAB获取珍珠的形大小和圆形度、输出分类结果，最后由PLC来控制机构动作，使机构按照设定好的分类标准对珍珠大小和圆形度进行分类。本发明能够根据设定的标准评价体系实现珍珠大小和形状的分类，并通过执行机构把珍珠送到不同的箱子里。

权利要求

1.利用基于等效算法的珍珠大小和圆形度分拣装置进行珍珠分拣的方法，本装置由系统硬件和软件组成，所述的系统硬件由机器视觉系统、PLC 控制系统和分拣系统三部分组成，其中，机器视觉系统包括CCD摄像机、光照及摄像机支架装置、进料光电传感器和含图形处理软件的计算机，PLC控制系统包括PLC 、伺服驱动器、传送装置及三相异步电机；分拣系统包括多种传感器、执行机构及相应的分类箱；所述的系统软件由 LabVIEW 和 MATLAB 组成，系统软件分别通过 MATLAB 和 PLC 实现珍珠的图像处理和自动分拣，而 LabVIEW 作为监控平台，实现两者的通信；

其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）当进料光电传感器感受到有珍珠通过时，PLC 接收到信号，经通信模块传输给计算机，计算机驱动 CCD 摄像机，通过图像采集卡将珍珠图像传入计算机；

步骤（2）计算机使用 LabVIEW 作为监控平台，调用 MATLAB 图像处理脚本进行一系列处理和分析，获取珍珠的大小和圆形度、输出分类结果；

步骤（3）PLC根据分类结果，控制执行机构运动，把珍珠放到指定的箱子里，从而完成珍珠分拣；

其中步骤（2）中的图像处理具体是：

（1）珍珠大小由等效直径表示，圆形度由投影周长与等效周长之比表示；

（2）以中值滤波、Qtsu法、开运算对图像预处理；

（3）以面积像素计数法来求取珍珠投影的面积，从而得到珍珠的等效直径；以边界像素计数法和8链码法加权求珍珠投影周长；

（4）通过标定的测量比确定珍珠实际的投影面积和投影周长，所述的测量比是通过标准圆形纸板作为测量模板来求取的，所述标准圆形纸板直径分别为6mm、10mm、14mm、28mm和

22mm，标准圆形纸板与珍珠颜色相近，采用与珍珠图像相同的图像处理算法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的执行机构包括横臂，竖臂和机械手抓取装置，由三相异步电机控制执行机构的水平和竖直运动。

说明书

基于等效算法的珍珠大小及圆形度分拣装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机器视觉及自动化分拣装置，具体涉及基于等效算法的珍珠大小和圆形度分拣装置。

背景技术

[0002] 最近几年，人们对珍珠的需求在不断增加，珍珠养殖业也越发繁荣，已然发展成为一个重要的产业，正是在这种形势下，传统的人工珍珠分拣已不能满足快速高效的珍珠分拣目标，科学和高效准确的珍珠自动分拣方法成为了当下研究的热点。珍珠大小和形状是衡量珍珠价值的重要参考指标，在有关珍珠工艺品的加工过程中，往往需要相同大小和形状的珍珠，并且，珍珠越大、圆度越高,价值也就越大，所以对珍珠大小以及圆度测量具有重要意义。

[0003] 目前，珍珠的分拣主要由人工进行的，这种分类结果受人为因素的影响很大，容易产生差错，而且劳动量大、分拣效率低，分类等级往往也难以掌控。

发明内容

[0004] 本发明基于一种等效算法的珍珠大小和圆形度分拣装置，为珍珠的工业自动化分拣提供了技术支持。

[0005] 本发明装置由系统硬件和软件组成，所述的系统硬件由机器视觉系统、PLC 控制系统和分拣系统三部分组成，其中，机器视觉系统包括光源装置、CCD 摄像头、进料光电传感器和计算机(含图形处理软件)，PLC控制系统包括PLC 、伺服驱动器、传送带及三相异步电机，分拣系统包括各种传感器、执行机构及相应的分类箱.所述的系统软件由 LabVIEW 和 MATLAB 组成，系统分别通过 MATLAB 和 PLC 实现珍珠的图像处理和自动分拣，而 LabVIEW 作为监控平台，实现两者的通信。所述的执行机构包括横臂，竖臂和机械手抓取装置，由三相异步电机控制执行机构的水平和竖直运动。

[0006] 图像处理方法包括：

[0007] <1>珍珠大小由等效直径表示，圆形度由周长与等效周长之比表示。

[0008] <2>以中值滤波、Qtsu法、开运算等方法对图像预处理。

[0009] <3>以面积像素计数法来求取珍珠投影的面积，以边界像素计数法和8链码法加权求珍珠投影周长。

[0010] 上述步骤<3>中求取的珍珠投影面积和周长，不是实际值，由于拍摄距离与角度不同，获得图像的几何尺寸与实际测量物体存在一定的比例关系，因此必须得标定测量环境的测量比（本发明以标准圆形纸板作为测量模板来求取测量环境测量比）。

[0011] 其工作步骤包括：

[0012] （1）当进料光电传感器感受到有珍珠通过时，PLC 接收到信号，经通信模块传输给计算机，计算机驱动 CCD 摄像机，通过图像采集卡将珍珠图像传入计算机。

[0013] （2）计算机使用 LabVIEW 作为监控平台，调用 MATLAB 图像处理脚本进行一系列处理和分析，获取珍珠的大小和圆形度、输出分类结果。

[0014] （3）PLC根据分类结果，控制执行机构运动，把珍珠放到指定的箱子里，从而完成珍珠分拣。

[0015] 本发明的有益效果：本发明装置自动化程度高，能提高分拣效率和精度，从而降低人力成本。

附图说明

[0016] 图1为本发明装置的结构示意图；

[0017] 图2为本发明图像处理算法流程图；

[0018] 图3为本发明装置的测量系统测量比计算GUI界面图；

[0019] 图4为本发明装置的工作流程图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

[0021] 图1是本装置的结构示意图，CCD摄像机1、光照及摄像机支架装置2、执行机构3、进料光电传感器4、传送装置5、退料光电传感器6、三相异步电机7、计算机8、PLC 9。

[0022] 所述的CCD摄像机选用的是大恒图像DH-HV-u系列，采用USB2.0标准接口传输图像数据，安装简单方便。根据检测需要，将4-25mm左右大小的珍珠放在检测位置，不断调整镜头与被测目标的距离（保持镜头与被测目标垂直），直到能在屏幕上得到清晰地图像为止，以此为条件找到合适的位置固定摄像机。由于拍摄距离与角度不同，获得图像的几何尺寸与实际测量物体存在一定的比例关系，必须得标定测量环境的测量比，测量比标定方法将在下文介绍。

[0023] 所述的光照及摄像机支架装置包括两部分，一：光照系统：光照的强度、光照的均匀型等直接影响了图像的质量，为了提高图像的质量选用可见光源。LED光源具有显色性好，光谱范围宽，能覆盖可见光的整个范围，而且发光强度高，稳定时间长，它既有单色性好的单色发光二极管，又有发白光的发光二极管，本发明的照明系统选择白色的LED光源。二：摄像机支架：摄像机支架是用来固定摄像机的，支架的基座固定在传送装置上。

[0024] 执行机构包括横臂，竖臂和机械手抓取装置，用来进行珍珠的分拣工作，由两个三相异步电机控制执行机构的水平和竖直运动，三相伺服电机配备有伺服驱动器。

[0025] 所述的进料和退料光电传感器是用来检测珍珠位置的。所述的传送装置是是用来传送珍珠样品的，通过三相异步电机来驱动。

[0026] 所述的计算机是整个控制系统的上位机（含图像处理软件），配备有LabVIEW和Matlab系统软件，通过Matlab完成图像处理，并由LabVIEW作为监控平台，实现Matlab与PLC的通信。同时，计算机还负责与图像采集模块之间的通信。

[0027] 所述的PLC是可编程逻辑控制器，用户可以根据自己的需要编辑运行程序，本发明采用的西门子S7-200系列PLC，用来控制机械构件的运动。

[0028] 图2是本发明图像处理算法流程图，由于采集到的珍珠图片是真彩图像，包含的信息量比较大，不利于处理，先将彩色图像灰度化。由于一幅图像可能受到各种噪声源的干扰，必须对图像做平滑去噪音处理，综合探究了模板卷积、邻域平均、中值滤波、图像平均等各种方法对图像的平滑效果后，中值滤波能够更好保持图像的边缘，因此中值滤波最适合。

[0029] 为了提取出珍珠的投影部分，采用Qtsu法（最大类间方差法）来自动确定最佳阀值。由于采用单阈值分割，还存在较明显的误分割现象，导致图像中出现面积比较大的噪点。可采用形态学上的开运算来实现这些噪点的去除，相当于先进行形态学上的腐蚀操作，然后再作膨胀操作。通过大量珍珠样本的实验观察，将二值化后的图像与半径为5个像素的圆进行开运算，可以很好的去除噪点。

[0030] 图像区域的面积，由区域包含的像素个数决定，而与其内部灰度级的变化无关，通过像素计数面积计算珍珠投影的面积。

[0031] 区域的周长即为区域边界长度，为了获取边界长度需要提取珍珠轮廓边缘，采用8连通方向码来提取珍珠轮廓边界。投影周长可以用边界像素数目表示，由8连通方向码搜索边界点可以计算出其周长。投影周长也可以用链码表示，链码用于表示由顺序连接的具有指定长度和方向的直线段组成的边界，从边界上任意选取某个起始点坐标开始，跟踪边界并赋予给每两个相邻像素的连线一个方向值，最后按照逆时针方向沿着边界将这些方向链码连接起来，得到图像的周长。轮廓分为4连通链码周长和8连通链码周长，由于8连通链码周长在计算周长时还计算了对角线的像素长度，计算结果更接近实际周长，因此选用8连通链码法计算二值图像轮廓的周长。当链码值为奇数时，其长度记为 ；当链码值为偶数时，其长度记为1。本发明采用上述两种方法的平均加权计算周长。

[0032] 淡水无核养殖的珍珠形状通常为形状不规则的非球形，难以用直径的表示其大小，因此，在珍珠大小测定中，对非球形珍珠以等效当量直径来表征珍珠的大小。在同一物理现象中与之有相同效果的球形珍珠直径来表示，例如有相同表面积、相同体积、相同投影面积等。通过对珍珠的投影区域进行面积提取，通过圆的面积可以得到珍珠的等效直径：

[0033] 式中：A -珍珠的投影面积；d -珍珠的等效直径。

[0034] 珍珠的圆形度能够很好地体现出珍珠形状特征，可以通过面积和周长的关系函数来确定并且，圆形度在反映轮廓的形状特征时，具有无量纲、对轮廓大小和轮廓的摆放角度不敏感等优点，因而，把圆形度作为衡量珍珠形状特征参数的一个重要指标。对于圆形的轮廓，其圆形度的值1，这是由于边界上任一点曲率是相等的。形状越复杂，圆形度的值也就越大，圆形度可以粗略体现了边界轮廓的复杂性。其计算公式为：

[0035] 式中：C -圆形度；P -珍珠的投影边缘周长；A -珍珠的投影面积。

[0036] 根据珍珠的大小和圆形度的计算结果，珍珠大小分为五个等级：d≤5mm；5＜d≤10mm；10＜d≤15mm；15＜d≤20mm；d＞20。珍珠圆形度分为三个等级：C≤1.15；1.15＜C≤
1.30；C＞1.30。

[0037] 图3为本发明装置的测量系统测量比计算GUI界面图，为了对测量系统的测量比进行标定，采用标准圆形测量模板（直径d=6、10、14、28、22mm），其中，圆形纸板与珍珠颜色相近，采用与珍珠图像相同的图像处理算法。该测量平台操作简单、直观明了，点击“打开”按钮或菜单即可一次性导入采集到的5组标准圆形纸板图片，点击“图1 图5计算按钮”即可获~得相关数据，点击“测量比计算”按钮即可得到测量比 和 ，点击“保存”按钮或菜单即可保存处理后的数据。

[0038] 图4为本发明装置的工作流程图，珍珠样品由传送装置进行输送，当通过进料光电传感器时，PLC接收到信号后暂停传送电机并把信号传入计算机，由计算机驱动CCD摄像机采集珍珠图像，通过图像采集卡传入计算机，计算机使用LabVIEW作为监控平台，调用Matlab图像处理脚本进行处理和分析，并把分类结果传给PLC，由PLC启动传送电机，当通过退料光电传感器时，PLC暂停传送带电机，并控制执行机构动作，从而完成一次珍珠分拣。