洗碗機(jī)清潔度自動(dòng)評(píng)分

劉翠， 徐立軍， 文建鵬， ， 詹林其，

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370；2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 511370）

0 引言

洗碗機(jī)是自動(dòng)清洗碗、 筷、 盤(pán)、 碟、 刀、 叉等餐具的設(shè)備， 隨著國(guó)民生活水平日益提高， 洗碗機(jī)因其方便、 衛(wèi)生等特點(diǎn)而被廣泛地接受， 逐漸地普及起來(lái)； 加上疫情的影響， 讓大家對(duì)餐具清潔越來(lái)越重視， 對(duì)洗碗機(jī)這種健康家電的需求也隨之增加。

經(jīng)過(guò)了近幾年的技術(shù)革新， 現(xiàn)在的洗碗機(jī)可以說(shuō)已實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)層面的升級(jí)， 保證了超高實(shí)用性， 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 38383—2019 《洗碗機(jī)能效水效限定值及等級(jí)》， 評(píng)價(jià)洗碗機(jī)的指標(biāo)是能效指數(shù)、水效指數(shù)、 干燥指數(shù)和清潔指數(shù)。 其中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 20290—2016， 清潔度的評(píng)定方法是， 檢查每一件餐具是否有污染痕跡或殘留物， 在漫射光下檢查餐具的里面和外面， 使用光源色溫為3 500～4 500 K。 光源安裝應(yīng)保證評(píng)估時(shí)避開(kāi)光線的直接照射， 檢查位置光線強(qiáng)度在1 000～1 500 lx 之間。應(yīng)由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的試驗(yàn)人員檢查， 試驗(yàn)樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)洗碗機(jī)由同一人檢查。 每一件餐具的檢查時(shí)間不超過(guò)10 s， 包括搬運(yùn)（例如： 取出、 放回） 或確認(rèn)標(biāo)記種類(lèi)或無(wú)規(guī)律行為。 應(yīng)對(duì)每件餐具進(jìn)行評(píng)估， 并且分別標(biāo)注得分、 污染物類(lèi)型和相關(guān)餐具的總數(shù)。 以上視檢要求環(huán)境嚴(yán)格， 測(cè)試人員需先培訓(xùn)， 雖然是同一人， 但在不同的時(shí)間可能會(huì)做出不同的判斷，評(píng)估結(jié)果帶有主觀性。

圖像的結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)（SSIM） 可以反映兩張圖片的不同之處， 兩張圖像的不同之處越多， 差異就越大， SSIM 指數(shù)就越小， 也即兩張圖片的相似度越低， 依據(jù)此方法， 把碗碟的干凈圖片和污染圖片進(jìn)行對(duì)比， 計(jì)算SSIM 值， 即可對(duì)不同程度污染的碗碟進(jìn)行清潔度打分。

1 自動(dòng)檢測(cè)碗碟清潔度方案

1.1 SSIM 定義

SSIM 是一種用來(lái)衡量圖片相似度的指標(biāo)， 如圖1 所示， SSIM 測(cè)量系統(tǒng)， 可見(jiàn)相似度的測(cè)量可由3 種對(duì)比模塊組成， 分別是： 亮度、 對(duì)比度和結(jié)構(gòu)。

圖1 SSIM 測(cè)量系統(tǒng)

SSIM 的基本原理是： 給定兩個(gè)圖像x 和y， 兩張圖像的機(jī)構(gòu)相似性可按照公式（1） 求出：

式（1） 中： μx——x 的平均值；

μy——y 的平均值；

σx2——x 的方差；

σy2——y 的方差；

σxy——x 和y 的協(xié)方差。

c1= （k1L）2， c2= （k2L）2是用來(lái)維持穩(wěn)定的常數(shù)。 L 是像素值的動(dòng)態(tài)范圍。 k1=0.01， k2=0.03。

采用結(jié)構(gòu)相似性（Structural similarity） 算法，用SSIM 來(lái)評(píng)估碗碟的清潔度指標(biāo)。 SSIM 從圖像組成的角度， 基于兩個(gè)樣本之間的3 個(gè)比較衡量： 亮度、 對(duì)比度和結(jié)構(gòu)， 用均值作為亮度的評(píng)估， 標(biāo)準(zhǔn)差作為對(duì)比度的評(píng)估， 協(xié)方差作為結(jié)構(gòu)相似程度的度量。 根據(jù)以上定義公式， 用編程工具寫(xiě)出算法程序， 程序的輸入是參考圖片和待檢測(cè)圖片， 輸出是待檢測(cè)圖片的得分值。

1.2 參考取樣

將米飯碗、 面碗、 玻璃杯、 馬克杯、 筷子、 佐料碟、 小湯勺、 深盤(pán)、 淺盤(pán)、 大湯碗、 蒸魚(yú)盤(pán)、 飯勺和湯勺等干凈的清潔餐具拍照片取樣， 每樣多個(gè)角度拍攝參考樣本， 并按種類(lèi)命名， 按序號(hào)區(qū)分，保存參考樣本圖片， 圖片格式可以是JPG、 PNG、BMP 等， 但圖片格式要統(tǒng)一。

1.3 檢測(cè)方案

方案流程如圖2 所示： 將碗碟拍照， 導(dǎo)入算法程序， 運(yùn)行程序， 返回圖片得分。 詳細(xì)的流程如下所述。

圖2 方案流程圖

a） 拍照， 待測(cè)碗碟需采用和參考樣本同樣的位置拍照， 可以用固定支架固定照相機(jī)位置， 用測(cè)試板確定被拍物品的幾何中心位置和4 個(gè)固定點(diǎn)的位置， 保證被拍物品的幾何中心和照相機(jī)的幾何中心的位置不變。

b） 導(dǎo)入， 將不同餐具的照片放置不同的文件夾， 全部導(dǎo)入算法程序。

c） 得分設(shè)計(jì)， 根據(jù)GB 38383—2019 《洗碗機(jī)能效水效限定值及等級(jí)》 中附錄F 清潔指數(shù)評(píng)定表， 得分?jǐn)?shù)字是0， 1， 2， 3， 4， 5， 而SSIM 指數(shù)范圍是-1～1， 我們的參考樣本圖片都是干凈樣品圖片， 測(cè)試圖片都是有污染圖片， 圖片結(jié)構(gòu)比干凈樣品圖片是有多出結(jié)構(gòu)組成， 所以SSIM 指數(shù)范圍是0～1； 根據(jù)GB 38383—2019， 污染物有牛奶、茶葉、 肉碎、 雞蛋、 燕麥片、 菠菜和植物黃油， 根據(jù)不同的污染物， 對(duì)大量的測(cè)試圖片運(yùn)行程序， 獲得圖片得分， 根據(jù)視檢判別， 設(shè)計(jì)不同的得分規(guī)則， 比如表1 是菠菜的得分設(shè)計(jì)表。

表1 菠菜的得分設(shè)計(jì)表

2 測(cè)試舉例

2.1 杯子

杯子的參考樣本圖片如圖3 所示， 沒(méi)有污染物的杯子如圖4 所示， 放入不同份量的污染物（茶葉） 如圖5-8 所示， 污染物份量依次地增多。 將6張圖， 導(dǎo)入算法程序， 運(yùn)行程序， 分別得到每張圖的SSIM 指數(shù)， 如表2 所示。

表2 圖3-8 的SSIM 指數(shù)值

圖3 杯子參考圖

圖4 沒(méi)有茶葉的杯子

圖5 有茶葉的杯子（一）

圖6 有茶葉的杯子（二）

圖7 有茶葉的杯子（三）

圖8 有茶葉的杯子（四）

從表2 中可以看出， 污染物越多， 測(cè)試圖片與參考圖片就越不相似， SSIM 指數(shù)越低。

2.2 盤(pán)子

盤(pán)子的參考樣本圖片如圖9 所示， 干凈盤(pán)子圖片如圖10 所示， 菠菜污染的盤(pán)子如圖11 所示。

圖9 盤(pán)子參考圖

圖10 的SSIM 指數(shù)是0.81， 對(duì)應(yīng)到表1 的清潔度得分是5 分； 圖11 的SSIM 得分是0.35， 對(duì)應(yīng)表1 中的清潔度得分是0 分。

圖10 干凈盤(pán)子圖片

圖11 菠菜污染的盤(pán)子

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)GB 20290—2016， 為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性， 建議實(shí)驗(yàn)室規(guī)定自己內(nèi)部的污染和清潔評(píng)估導(dǎo)則。 內(nèi)部評(píng)估導(dǎo)則不僅應(yīng)提供水跡和印跡評(píng)定導(dǎo)則， 還應(yīng)包括洗滌性能評(píng)價(jià)， 任何塵埃、 印跡或者污點(diǎn)均認(rèn)為是污染。 使用內(nèi)部評(píng)估導(dǎo)則主要是有助于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)達(dá)到一致的手段， 也是對(duì)新檢驗(yàn)工程師的培訓(xùn)方法。 杯子和盤(pán)子的測(cè)試結(jié)果表明，SSIM 指數(shù)值所對(duì)應(yīng)的清潔度有表征意義， 采用SSIM 算法對(duì)洗碗機(jī)的清潔度自動(dòng)地評(píng)分， 不僅能保證清潔度評(píng)估結(jié)果的一致性， 還能免去培訓(xùn)新檢驗(yàn)工程師， 能客觀地評(píng)價(jià)清潔度指標(biāo)。