基于顏色特征的雷筍切割方法研究

余筱潔 黃星奕 徐富斌

王允祥2 龐林江2 周存山1，2

（1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

雷筍是一種優(yōu)良的食用筍，筍肉粗壯潔白，甘甜鮮嫩，營(yíng)養(yǎng)豐富，是中國(guó)南方的傳統(tǒng)美味佳肴，人稱“素食第一品”［1，2］。中國(guó)竹筍產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益［3］，增加了農(nóng)民收入，加快了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是許多問(wèn)題依舊存在，竹筍加工中的剝殼、切割等環(huán)節(jié)由人工完成，機(jī)械化程度低［4］，主觀性強(qiáng)且易污染，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此研究高效率的竹筍加工機(jī)械，提高機(jī)械化程度，是生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題［5］。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)模仿人的視覺(jué)功能［6］，高效、客觀地獲取被檢測(cè)樣本的顏色［7］、大?。?］、形狀［9］、紋理［10］等圖像特征，并應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)在線檢測(cè)。利用顏色特征確定筍切割位置的方法在國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)分析雷筍的顏色特征，研究其顏色和嫩度之間的關(guān)系，探索合適的切割方法，為設(shè)計(jì)雷筍切割機(jī)械提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

雷竹（Phyllostachys praecox f.prevelnalis）鮮 筍：于2012年4月采挖自浙江省臨安市，共75根樣本。

1.1.2 計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)

拍攝去皮雷筍的圖像時(shí)，光的強(qiáng)度、反射會(huì)對(duì)圖像采集以及顏色特征的提取有影響。為了消除不良影響，試驗(yàn)采用了一套漫反射光源系統(tǒng)。相機(jī)采用尼康Coolpix 990，放置在樣品臺(tái)正上方。圖像處理軟件使用Halcon 9.0。本試驗(yàn)圖像采集系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 方法

1.2.1 原料的選擇及預(yù)處理 選擇筍體飽滿、完整，無(wú)機(jī)械損傷，帶皮筍的長(zhǎng)度為20～40cm 的雷筍。采挖后迅速加冰貯存，運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室，去除泥土和雜物后在冰箱2 ℃左右?guī)べA藏。采集圖像前人工去除筍殼。

圖1 圖像采集系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of image acquisition system

1.2.2 樣本圖像獲取 將雷筍人工去皮后，拍攝圖像，分析筍體表顏色規(guī)律。試驗(yàn)中拍攝了樣本共75根，按照去皮后樣本的長(zhǎng)度可以劃分為不同的長(zhǎng)度范圍，對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)量見(jiàn)表1。圖2是其中一個(gè)樣本的灰度圖像示例。

表1 不同長(zhǎng)度范圍的雷筍樣本數(shù)量Table 1 The amount of bamboo shoot samples in different length range

圖2 采集樣本的灰度圖像Figure 2 Gray image of a bamboo shoot sample

2 結(jié)果與分析

2.1 圖像分析

2.1.1 顏色模型 在國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定的一系列色度學(xué)系統(tǒng)中，CIE1931－RGB系統(tǒng)是最基礎(chǔ)的一種。它是在三基色學(xué)說(shuō)下建立起來(lái)的顏色系統(tǒng)，R、G、B分別表示三基色的數(shù)值，各種顏色可以由不同數(shù)值的三基色混合產(chǎn)生［11］。本試驗(yàn)選擇CIE1931－RGB系統(tǒng)的B通道分析雷筍體表的顏色變化規(guī)律，圖3是樣本在B通道下的圖像。

2.1.2 嫩度規(guī)律 雷筍從尖端到尾端，質(zhì)地從嫩逐漸變老。嫩度的變化趨勢(shì)可以通過(guò)研究筍的質(zhì)構(gòu)特征來(lái)得到。將筍的尖端作為起始點(diǎn)，在距尖端一定距離處測(cè)量穿刺硬度，每個(gè)距離處沿筍的徑向一周取3個(gè)點(diǎn)分別測(cè)量穿刺硬度，硬度平均值作為這一距離處的嫩度指標(biāo)。相對(duì)距離是距尖端距離和筍長(zhǎng)度的比值，與圖3對(duì)應(yīng)樣本的穿刺硬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。將相對(duì)距離作為橫坐標(biāo)，穿刺硬度作為縱坐標(biāo)，做出硬度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖3 樣本在B通道下的圖像Figure 3 Image of a sample in channel B

表2 樣本的穿刺硬度數(shù)據(jù)Table 2 Puncture hardness data of a sample

圖4 穿刺硬度變化趨勢(shì)Figure 4 The trend of puncture hardness data

2.1.3 顏色規(guī)律和算法實(shí)現(xiàn) 分析樣本在B通道下的圖像（圖3），發(fā)現(xiàn)從雷筍的尖端到尾端，顏色的變化是有規(guī)律的。筍的前段顏色偏亮，中段顏色偏暗，后段顏色偏亮。根據(jù)顏色變化的規(guī)律，找到合適的切割點(diǎn)或分界線，就可以在切割點(diǎn)或分界線處切割，將筍分為3段。結(jié)合筍的嫩度規(guī)律，認(rèn)為前段是雷筍最嫩的部分，后段是相對(duì)老的部分，中段介于老嫩之間。實(shí)現(xiàn)了根據(jù)顏色規(guī)律把雷筍切割為老嫩不同的3段的目的。

為了確定切割位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械切割，本試驗(yàn)采用閾值分割方法［12］，結(jié)合方向線找到切割點(diǎn)的坐標(biāo)。主要算法如下：

（1）方向線的確定：研究筍質(zhì)構(gòu)規(guī)律時(shí)，方向線是測(cè)量參考線，在方向線上測(cè)量距尖端的距離。通過(guò)方向線可以在筍體表定位穿刺硬度的測(cè)量位置，并且在方向線上確定切割點(diǎn)便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械切割。為了確定方向線，只需確定兩個(gè)關(guān)鍵的點(diǎn)：①尋找頂點(diǎn)。拍攝筍圖像時(shí)，盡量將筍水平放置，尖端在圖像右側(cè)，尾端在圖像左側(cè)。從圖像左上角的點(diǎn)開(kāi)始，按照從左到右，從上到下的順序逐個(gè)點(diǎn)掃描，找到縱坐標(biāo)最大的所有點(diǎn)，即位于圖像最右側(cè)的點(diǎn)。如果縱坐標(biāo)最大的點(diǎn)只有一個(gè)，那么這個(gè)點(diǎn)為頂點(diǎn)，記錄其坐標(biāo)（X1，Y1）。如果縱坐標(biāo)最大的點(diǎn)不止一個(gè)，那么這些點(diǎn)中選擇橫坐標(biāo)值為中間值的點(diǎn)為頂點(diǎn)，記錄其坐標(biāo)（X1，Y1）。②找尋第二個(gè)點(diǎn)。得到筍的中心點(diǎn)坐標(biāo)、方向、寬和高的數(shù)值，構(gòu)建筍的最小外接矩形，找到其骨骼線。骨骼線有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)靠近筍尖端，另一個(gè)靠近筍尾端，選擇靠近筍尾端的節(jié)點(diǎn)為第2個(gè)點(diǎn)，記錄其坐標(biāo)（X2，Y2）。

連接兩個(gè)點(diǎn)得到方向線，圖5的直線表示方向線。

圖5 樣本的方向線示意圖Figure 5 The directional line of a sample

（2）切割點(diǎn)的確定：B通道下，筍的3段區(qū)域的顏色灰度值有差異，且前、后段偏亮而中段偏暗，使用閾值分割方法可以將前段和后段分割出來(lái)，見(jiàn)圖6。為了在前、后段分別找到切割點(diǎn)，首先分別得到前、后段的最小外接矩形。然后將其和方向線做交集，得到兩條線段。對(duì)于前段的交集線段，取縱坐標(biāo)最小的點(diǎn)為切割點(diǎn)，記錄其坐標(biāo)（X3，Y3）。對(duì)于后段的交集線段，取縱坐標(biāo)最大的點(diǎn)為切割點(diǎn)，記錄其坐標(biāo)（X4，Y4）。

圖6 分割后的前段和后段Figure 6 The anterior，posterior segment after segmentation

2.1.4 特殊樣本 雷筍的生長(zhǎng)位置、陽(yáng)光照射等環(huán)境條件不同，會(huì)導(dǎo)致筍個(gè)體間存在差異。農(nóng)戶憑借經(jīng)驗(yàn)選擇、采挖筍，人的主觀選擇也會(huì)對(duì)樣本造成差異。特殊樣本如圖7所示，圖7（a）中樣本的前段和中段顏色相近，后段顏色偏亮，采用上述的閾值分割方法只能分割出后段筍，得到后段的切割點(diǎn)；圖7（b）中樣本恰好相反，中段和后段的顏色相近，前段偏亮，因此只有前段被分割出來(lái)，得到前段的切割點(diǎn)。

圖7 兩段切割的樣本Figure 7 Samples with two segments

圖7（a）中樣本前段和中段的嫩度相近，致使筍體表的顏色相近，因此無(wú)法分割前、中段；圖7（b）中樣本采挖時(shí)丟棄了根部，本身沒(méi)有根部，因此只分割出前段。這兩個(gè)樣本將筍切割為兩段，將不同嫩度的筍段分離，也實(shí)現(xiàn)了切割目的。

2.2 結(jié)果分析

對(duì)75根筍進(jìn)行分析，確定切割點(diǎn)坐標(biāo)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，三段切割是指實(shí)現(xiàn)將筍切成前、中、后3段，特殊切割是指將筍切割成前、中兩段或者中、后兩段，無(wú)法切割是指此算法不適用。實(shí)現(xiàn)三段切割的筍占74.67%，實(shí)現(xiàn)兩段切割的筍占17.33%，實(shí)現(xiàn)切割的筍占92%，此切割方法可行。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)切割筍能夠避免人工切割的主觀性［13，14］，還可以提高工作效率，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

表3 雷筍切割統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Bamboo shoots cutting statistical results

3 結(jié)論

利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，根據(jù)雷筍的顏色特征結(jié)合嫩度分布規(guī)律，找到算法以實(shí)現(xiàn)不同嫩度筍段的切割，能取得很好的切割結(jié)果。本試驗(yàn)的切割方法有助于指導(dǎo)雷筍切割機(jī)械的設(shè)計(jì)，進(jìn)而有助于提升竹筍加工的機(jī)械化程度。但部分樣本無(wú)法切割，因此，需要完善算法來(lái)進(jìn)一步提高切割的成功率。

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