基于機(jī)器視覺的西瓜體積估測算法

胡波 覃溪 龍先子

【摘 要】針對西瓜體積是西瓜檢測中重要的指標(biāo)，提出引如機(jī)器視覺對西瓜體積進(jìn)行檢測。首先通過分割、閉運(yùn)算后獲得西瓜截面二值圖像，然后通過圖像得出西瓜想素點(diǎn)個(gè)數(shù)，最后通過最小二乘法估西體積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明西瓜體積估測平均誤差為7.89%，這對于大批量西瓜體積估測具有一定意義。

【關(guān)鍵詞】西瓜；視覺；體積

西瓜是重要的經(jīng)濟(jì)水果，一般為提高西瓜質(zhì)量都需要對西瓜進(jìn)行品質(zhì)檢測。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用機(jī)器視覺進(jìn)行西瓜品質(zhì)檢測逐漸成為未來的發(fā)展方向[1][2]。體積是西瓜品質(zhì)檢測中的重要指標(biāo)，應(yīng)用機(jī)器視覺進(jìn)行水果體積的估測已有相關(guān)研究[3][4]，所以針對可以考慮因如機(jī)器視覺進(jìn)行西瓜體積的估測。

1.西瓜圖像的處理

采集到西瓜圖像后，首先需要對西瓜圖像進(jìn)行處理。機(jī)器視覺技術(shù)一般通過圖像處理獲得西瓜的二值圖像從方便提取西瓜特征進(jìn)行體積估測，并據(jù)此進(jìn)行圖像處理。西瓜圖像的圖像處理一般包括圖像分割、去噪聲。

現(xiàn)有機(jī)器視覺技術(shù)中圖像的多是采用RGB顏色空間表達(dá)，即每個(gè)像素點(diǎn)是由三基色R，G，B的情況合成后構(gòu)成的。RGB顏色空間的原理是西瓜圖像采集時(shí)任何一種顏色都可以由3個(gè)互相獨(dú)立的顏色按一定的比例混合而成，這就是三基色原理。在RGB空間中選擇R（紅），G（綠），B（藍(lán)）作為三基色，這樣每一個(gè)像素的顏色就可以用R，G，B 三個(gè)基色的濃密程度來表示。一般以灰度值為單位（0～255）級，代表了各自顏色的飽和度——顏色的濃密程度。這樣得到的西瓜圖像如圖1（a）所示。

西瓜原始圖像一般首先需要進(jìn)行圖像分割，圖像分割就是需要得到一個(gè)二值圖像。即將西瓜在圖像中對應(yīng)的區(qū)域與背景區(qū)域分離開，分別用不同的數(shù)值表示。最常見的圖像分割方法是閾值分割方法。該方法是通過設(shè)定一個(gè)閾值，然后通過某個(gè)特征計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B值，再判斷結(jié)合閾值判斷每個(gè)像素點(diǎn)是屬于西瓜還是屬于背景。顯然，閾值分割中，閾值的選取是關(guān)鍵，一般采用OSTU法選取閾值。采用OSTU法選取閾值，利用閾值分割后圖1（a）得到的分割結(jié)果如圖1（b）所示。圖像中白色的區(qū)域表示西瓜，黑的區(qū)域表示背景。

由于受西瓜表皮花紋的影響，在分割后，分割圖像存在一定的誤差。在西瓜的區(qū)域中存在一定的白色斑紋。這樣有可能影響西瓜圖像中西瓜特征的提取，因此，需要對西瓜的分割圖像進(jìn)行去噪聲。在機(jī)器視覺技術(shù)中，可以采用腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等形態(tài)學(xué)操作去噪聲。圖1（b）采用閉操作得到的去噪聲二值圖像如圖1（c）所示。

2.基于最小二乘法的西瓜體積估測

獲得西瓜圖像后需要獲取西瓜圖像進(jìn)行體積估測的基礎(chǔ)就是從中提取圖像特征，由于西瓜體積與西瓜截面積存在一定的關(guān)系，因此可以考慮采用西瓜的截面積作為一個(gè)特征。西瓜二值圖像中像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)就可以表示西瓜的截面積，因此采用這一特征作為西瓜特征。

為了通過像素點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)算西瓜的截面積，采用了參照物等距測量的方法。因?yàn)榕c小攝象頭同一距離下得西瓜像素點(diǎn)和參照物像素點(diǎn)與實(shí)際的比例一致。實(shí)驗(yàn)中采用乒乓球作為參照物，而國際標(biāo)準(zhǔn)的乒乓球的直徑為4cm。這就可以進(jìn)行相關(guān)換算。

由于西瓜近似球體，可以近似認(rèn)為西瓜體積與截面積成線性相關(guān)，因此可以采用最小二乘法進(jìn)行西瓜體積的估測。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)拍攝了15個(gè)西瓜的彩色圖像，在拍攝過程中始終保持?jǐn)z像頭高度位置不變的情況下拍攝完成15張西瓜彩色圖片和乒乓球的圖像。采用最小二乘法估測西瓜體積與排水法測量實(shí)際體積的結(jié)果如表所示。

如表1所示引如機(jī)器視覺進(jìn)行西瓜體積測量的平均誤差為7.89%，在實(shí)際操作中可用于大批量西瓜體積的估測，該方法具有無損非接觸的特點(diǎn)，可以快速高效的進(jìn)行西瓜體積的測量。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁挺，紀(jì)超，張震華等. 基于近紅外圖像的溫室小型西瓜采摘信息獲取技術(shù). 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（7）.

[2]劉萬輝，楊曄. 溫室場景下成熟西瓜的圖像識別研究. 福建電腦，2013（5）.

[3]石玉秋，馬兆敏. 臍橙可食率自動估測研究. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（19）.

[4]黃玲，馬兆敏. 基于機(jī)器視覺的臍橙可食率的研究. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2011（25）.

作者簡介：

胡波（1981.8-），男，廣西柳州人，碩士，講師，從事優(yōu)化設(shè)計(jì)、人工智能、圖像處理研究

基金項(xiàng)目：

2010年度廣西教育廳科研項(xiàng)目（201010LX235）