基于高光谱技术的苹果损伤检测装置设计

方拓展 王宇翔 杨紫合

摘 要：以苹果为研究对象，基于高光谱成像技术对苹果的机械损伤进行检测，设计了以挑选出的529 nm、622 nm和970 nm这3种波长的点光源半导体激光器作为光源，实时采集3种波长下的苹果图像，并检测标记损伤区域的采集检测装置。系统使用SVM分类算法，利用Matlab GUI制作图像检测界面，判断拍摄区域是否存在损伤，并将判断为损伤的区域标记到苹果图像中。本采集检测装置可以实现3种波长下图像的自动采集和保存，并能基本完成苹果损伤的初步检测。

关键词：高光谱技术；苹果损伤检测；装置设计

文章编号： 1005-2690（2018）03-0111-02 中图分类号： TN215 文献标志码： A

1 引言

1.1 研究目的及意义

我国苹果出口量已居全球前列，但仅占国内总产量的2.5%左右，其中一个重要原因是传统的水果检测技术很难区分苹果在采摘及销售过程中产生的机械损伤。随着时间的积累，受损区域可严重影响苹果的品质，这就需要发展一种快速、高效、无破坏性的检测技术来检测苹果损伤情况。高光谱成像技术可以对水果的内部品质和外部品质进行快速、无损检测，但价格昂贵。因此，设计了基于高光谱技术确定的探测损伤特定波长进行检测的装置。

1.2 主要研究内容和技术路线

本文以苹果为试验研究对象，综合现有的高光谱图像信息采集平台和前人的试验研究结果，以529 nm、622 nm和970 nm这3个特征波长为光源，设计一种能够实时对苹果图像进行采集、保存的采集装置，初步实现苹果的损伤检测。研究内容主要包括以下几个部分：人为制造苹果机械损伤；搭建苹果的高光谱信息采集试验平台采集信息；利用黑白校正方法进行高光谱图像预处理；完成采集装置的硬件设计；完成采集装置的软件设计；搭建人机交互界面，实现苹果图像的实时采集检测和保存。

2 总体方案设计

2.1 装置原理

装置由功率为10 MW的点光源半导体激光器发射出相关光，经过扩束镜照射到试验样本上，由网络摄像头进行拍摄，图像通过USB数据线传送到计算机中，利用MATLAB软件对图像进行处理，检测苹果的损伤区域并进行标记输出。

2.2 设备的组成

基于高光谱的苹果损伤检测装置主要包括的设备有半导体激光器（3个）、扩束镜、网络摄像头、上位机（PC）、下位机（单片机）、继电器和试验样本（苹果）。系统的实物图如图1所示。

3 装置硬件方案

具体的方案如图2所示。

本装置选用532 nm、635 nm和980 nm的半导体激光器作为光源，用2节干电池供电。装置采用罗技Logitech公司生产的高清网络摄像头C310。采用C#开发上位机控制界面，在控制界面中可打开摄像头，实时拍摄并显示图像；上位机与单片机相互应答；单片机通过控制继电器使3个激光器轮流点亮，并进行拍照保存。

本装置使用Arduino UNO单片机。选用带光耦隔离的3V四路继电器模块控制激光器供电。主控芯片ATmega328内置的UART通过数字口0（RX）和1（TX）与外部实现串行通信。整个主控电路模块电路等可参考Atmega328p芯片的技术文档和Atmega系列单片机的设计文档。

4 装置软件设计

4.1 下位机硬件及软件设计

本装置采用Arduino编译软件，程序在利用Arduino软件编译完成之后用板载的USB线下载进单片机中。单片机在接收到上位机的指令之后，控制激光器的亮灭。装置调试时使用ARDUINO自带的串口监视器作为调试工具。

4.2 上位机图像采集及处理界面设计

上位机程序设计选用Microsoft Visual studio 2015开发平台，程序功能如下：当需要采集图像的时候打开摄像头，在对应波长的激光灯开启后采集图像，保存数据；设置图像的高度和宽度以及保存格式；实现上位机和单片机之间的串行通信；实现图像的自动和手动保存，并且选择保存路径；在不需要采集图像的时候关闭USB摄像头，停止图像采集。

本装置采用Matlab作为图像处理软件界面的开发工具，将苹果损伤检测各个处理步骤的代码封装成库函数。处理步骤分为图像校正、区域分割和掩膜图像处理、基于SVM苹果损伤检测进行模型搭建和损伤区域标记。

对以上过程的代码封装完成后，进行损伤检测软件界面的设计。损伤检测软件界面涵盖图像输入、图像预处理、检测输出、数据存储等必要功能。图像处理软件界面如图3～5所示。

5 实际操作步骤

将写好的单片机程序烧录到单片机中，按照程序设置相关的测试条件。在运行上位机程序之后，点击Start按钮打开相机，点击开串口按钮，在下拉菜单里选择串口号，之后点击ON键点亮相应的激光灯，点击Save键将图片保存在相应的文档内，并将图像导入到图像处理GUI程序中实现检测保存。

6 总结及不足

6.1 总结

通过对现有检测装置和技术的研究，提出了一种新的苹果损伤检测系统的设计方案；搭建出一套完整的对苹果损伤在3种波长下的图像采集的装置；根据系统硬件设计方案，选择相应的硬件和软件平台实现所需功能。

6.2 不足

控制系统硬件部分集成度较低；系统的软件设计需要优化，以實现一键检测；苹果损伤检测算法有待优化，否则会错误地将苹果损伤区域边缘作为损伤区域标记出来；购买的激光器波长是近似波长，因此损伤检测结果并不理想；本设计中的串口通信尚未做到上位机与下位机相互应答。

（收稿日期：2018-02-06）