基于机器视觉的淡干海参复水监控方法

沈 建，徐文其，刘世晶

（1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092；2.农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海200092）

基于机器视觉的淡干海参复水监控方法

沈 建1，2，徐文其1，2，刘世晶1，2

（1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092；2.农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海200092）

就传统淡干海参复水技术进行了讨论，在此基础上结合机器视觉技术，提出了一种新的基于机器视觉技术的淡干海参复水可视化监控方法，利用图像处理技术采集海参复水的实时体型数据，采用曲线拟合方法，拟合淡干海参复水的体型变化曲线，以此判断淡干海参的复水状态。通过实验我们发现，该方法可以提高淡干海参的复水精度，降低复水成本。

机器视觉，曲线拟合，淡干海参，复水

淡干海参在制作食品时需要在水中进行复水，复水过程需时较长，同时需要有经验的技术人员不断目测淡干海参的复水状况，过程较为辛苦，然而人工目测的精确度不高，经常造成海参复水过度或者不足。一种基于机器视觉的淡干海参复水监控方法，将淡干海参放置在温度可控的水箱里，调节水温至适宜复水的温度，利用摄像机实时采集淡干海参的复水图像，由计算机对图像进行分析处理，通过提取图像中的海参目标，计算出海参复水的实时面积，拟合海参的复水体型变化曲线，以此作为判断海参复水是否成功的标准。

1 研究背景

1.1 淡干海参介绍

由于海参的本身特性，活体不能长时间的保存，需要将活体海参进行处理，制成淡干海参，在需要时进行复水得到食材。2003年我国海参产量达到了5万t，其中的80%会制成淡干海参。因此如何有效地对淡干海参进行复水非常重要。目前我国淡干海参复水主要依靠人工，需要经验丰富的工人长时间观察监视，判别海参的体型变化状况，劳动强度较大。

1.2 机器视觉基础

机器视觉主要研究如何使用计算机来模拟人的视觉功能［1］，通过采集目标物体的图像来还原现实世界模型，以用于实际检测、测量或控制［2］。

在国外，机器视觉技术在水产品加工方面已经得到了相当广泛的应用，比如三文鱼片上的黑点检测，其特点是检测成功率高、速度快，可以节省大量人力资源。在扇贝的生产过程中需要将其按大小分级［3-4］。传统方法采用筛子和分级机筛分，会使扇贝受到振动、碰撞，影响扇贝生长发育，造成病贝、死贝，且机械筛分分级精度低、人工劳动强度大、效率低。

在我国，水产品养殖方面，徐建瑜［5］提出了一种基于机器视觉技术的量化鱼体色明暗度的方法，来判断鱼的健康与应激状况。在水产品深加工方面应用较少，在农业上有了较多的应用，主要用于一些水果的成熟度监测和大小分级。基于机器视觉的海参复水自动监控系统的研究成功可填补机器视觉在水产品深加工方面的技术空白。

1.3 原理

淡干海参复水成功的标准是淡干海参的长度增大到原来的2～2.5倍，体积变化约为原来的10倍，此时的海参具有较好的口感，适合食用。在复水过程中，淡干海参的体型随时间增加而逐渐增大，当复水达到一定程度后，海参对水的吸收趋于一个平衡，体型的变化就逐渐趋缓，从食用的角度考虑，体型变化达到一定程度，即可认为复水成熟，因此可以对淡干海参的复水体型变化进行曲线拟合，以拟合曲线来考量复水程度，以拟合曲线的切线斜率达到一定数值作为复水成功的标准。

本方法中使用摄像头采集目标海参的图像，传输给计算机进行分析与处理，将海参目标从背景图像中提取出来，计算图像中海参的面积，作为海参实时体型数据。

实验中，我们使用型号为SV1410C（北京大恒公司）的图像摄像机，图像的分辨率设置为1440900，采集频率为每分钟一次。

对采集到的图像使用高斯低通滤波器进行降噪处理，采用自动阈值二值化方法，用来将海参目标从周围背景中分离出来，计算并记录复水海参的实时面积大小。

1.4 曲线拟合

已知平面上一些离散点，找一条满足一定性质的曲线，使它与这些点最接近，这种求曲线的方法称为曲线拟合，所求出的曲线称为拟合曲线。因为曲线斜率可以反映曲线的弯曲程度，在进行曲线拟合的同时，对拟合曲线求导，可以得到拟合曲线的实时切线斜率，因为切线斜率可以反映曲线与横坐标轴的平行度关系，以此判断复水成功的关键点。

曲线拟合的关键在于求曲线方程的系数，我们使用逆运算的方法来求系数，步骤如下：

a.在实验中通过图像处理方法得到的复水海参的实时体型数据和时间数据；

b.以xi（i=1～n，下同）构造一个n维四列的矩阵A，n表示数据长度，矩阵A第一列是实时体型数据的3次方，第二列是体型数据的2次方，第三列是体型数据xi，第四列是全部由1组成的向量，则矩阵是一个4维向量，表示拟合曲线方程的系数，y表示一维时间向量，元素为yi，f（x）=Ap。

2 实验

使用曲线拟合算法，对实时淡干海参复水体型数据进行曲线拟合，得到反映海参复水过程的曲线，对拟合曲线进行实时求导，得到拟合曲线的实时切线斜率，当切线斜率低于某值时，可以判断海参复水成功，在实验中我们采用了0.025的经验值，对不同要求可以调整切线斜率值。

淡干海参复水实验步骤：

a.清洗海参，在沸水中煮60min；

b.在 50℃左右的水中复水，水温控制在 50 ±2℃；

c.在复水的过程中，通过摄像机摄取海参复水实时图像，利用计算视觉技术计算图像中目标海参体型的大小并记录；

d.以实时体型面积为纵坐标，以复水时间为横坐标，由这些数据构成了一系列的反映实时体型数据的离散的点，对体型变化的离散点进行曲线拟合，曲线拟合采用3次曲线方程，方程的系数依据海参复水过程中的离散点通过最小二乘法计算得出，图1为某次实验中的数据记录，从图中可以看到很多的离散点，这些点表示了实验中复水海参体型的变化轨迹。

e.当海参的体型变化曲线达到标准时转到低温4℃水中，继续复水过程；

f.重复第3步，第4步，直到海参复水达到要求，捞取海参。

使用本方法对淡干海参的复水进行了实验，实验分为两组。

第一组5个海参的质量为：0.85、0.86、0.89、0.91、0.95g。

如上述步骤进行海参复水，拟合的曲线方程为：

根据此拟合曲线方程，当曲线切线斜率小于0.025时，海参复水成功，复水时间约为17.4h。

复水成功时的拟合曲线如图1所示。

图1 第一组海参复水拟合曲线图

第二组5个海参的质量为：1.03，1.15，1.23，1.26，1.31g。

根据此拟合曲线方程，当曲线切线斜率小于0.025时，海参复水成功，复水时间约为15.7h。

图2 第二组复水海参拟合曲线图

3 讨论

本文介绍了一种基于机器视觉的淡干海参复水监控方法，在传统淡干海参复水的基础上，引入机器视觉技术，在实验中，我们对两组不同质量的淡干海参进行了复水实验，从实验结果来看，两组实验的拟合曲线都很好地反映了海参的复水状态的变化过程。海参复水的自动监控系统的研制，可实现淡干海参复水的精确化、无人化，提高淡干海参复水效率，不仅可以减少企业的劳动力使用，减少生产成本，降低工人的劳动强度，同时也可以提高海参复水的质量，对海洋珍品产业的开发有积极的意义。

［1］王超群，朱方文.一种去除单张图片中高光的方法［J］.上海大学学报，2007，13（2）：151-154.

［2］傅宇.机器视觉技术在农业生产自动化领域中应用研究［J］.安徽农业科学，2006，34（15）：3871-3872.

［3］大连水产学院.贝类养殖学［M］.北京：农业出版社，1980.

［4］王如学，王昭萍，张建中.海水贝类养殖学［M］.青岛：青岛海洋大学出版社，1993.

［5］徐建瑜，姜雄辉，等.基于计算机视觉的鱼体色明暗程度量化方法［J］.农机化研究，2006（6）：140-142.

Rehydrate technology of dry-roasted sea cucumber based on machine vision

SHEN Jian1，2，XU Wen-qi1，2，LIU Shi-jing1，2
（1.Fishery Machinary and Instrument Research Institute of Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200092，China；2.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering，Ministry of Agriculture，Shanghai 200092，China）

The traditional rehydrate technology of dry-roasted sea cucumber was discussed，based on these，the machine vision technology was brought in to propose one method of dry-roasted sea cucumber rehydrate.By image processing technology，real-time shape data of dry-roasted sea cucumber rehydrating was gathered.Using the curve fitting method，the changing curve of dry-roasted sea cucumber rehydrating shape was fitted，the state of dry-roasted sea cucumber’s rehydrating was estimateed.Through experiment it can be concluded that this method may increase the dry-roasted sea cucumber’s rehydrating precision，the rehydrate cost can be saved.

machine vision；curve fitting；dry-roasted sea cucumber；rehydrate

TS254.1

A

1002-0306（2011）01-0106-03

2010-01-20

沈建（1971-），男，高级工程师，主要从事水产品加工装备及工程研究。

国家科技支撑计划项目（2008BAD94B05）。