基于机器视觉的茶叶分拣系统

林浩岳

【摘 要】传统茶叶分拣工序需要依靠专业人员进行，人工分拣虽然可行性高，但是容易受到主观因素如生产环境、身体等不确定因素的影响，很难实现大批量生产，而且专业人员工资费用较高，提高了茶叶的加工成本。为了提高茶叶质量识别的效率，减少人为的干预，提高茶叶质量识别自动化程度，推进茶叶大批量生产的进程，本文设计出一套基于机器视觉的茶叶分拣系统，解决茶叶筛选请工难请工贵的社会问题，对茶叶的批量化，自动化生产有一定的促进作用。

【关键词】机器视觉;茶叶分拣;茶叶识别

中图分类号： TP391.41;S571.1 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）21-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.005

0 前言

传统茶叶加工速度比较慢，一直影响着茶行业生产效率的提升。随着社会科学技术的进步与计算机视觉的发展，全自动化机械加工已经开始逐步取代手工加工，使得茶叶加工的速度有所提高。但是，由于机器加工并没有达到完全智能的水平[1-4]。因此，开发一种能够识别出茶梗及茶叶质量并将其分拣出来的机器变得十分重要，而该机器在实际应用中既需要在提高机选速度的同时又要保证产品的质量。

1 系统框架搭建

1.1 概述

硬件系统是茶叶分拣系统的重要组成部分，是软件系统的载体。软件算法的编写要基于底层硬件系统的功能，而程序如何执行，各个部件如何协调工作也是硬件搭建必须考虑的问题。

硬件的整体性能会影响茶叶图像采集的质量和茶叶图像处理的速度与准确度，下面针对硬件的工作原理和功能进行重点介绍。

图2为茶叶分拣系统框架图，该系统包括无影照明光源、网络工业摄像头、路由器、嵌入式控制器、分拣执行机构、輔助检测机构。该系统首先利用LED组合的无影光源为待检测目标提供比较理想的照明环境，通过工业摄像头捕获目标图像并无线传输到PC机上，再利用图像处理、识别技术对目标茶叶进行检测，最后根据检测结果通过计算机通信接口传送给嵌入式控制器，控制器根据设备的信息控制分拣执行机构，实现分类、分拣等功能，这些模块相互协调应用构成一个完整的茶叶分拣系统。

2 网络工业摄像头选择

摄像头通过采集光的信息，将景物的光信息保留下来并通过一系列的处理，最后将处理好的数字图像信号通过显示器显示出来。摄像头的基本架构是由镜头、图像传感器和数字信号处理器组成。

网络摄像头是在摄像头的基础上衍生出来的，它能将处理后的数字图像信号通过有线网络或无线网络发送出去。它采用了tcp协议进行通讯，所以我们只要能连接到网络就可以将网络摄像头传输的图像数据通过显示设备显示出来。采用网络摄像头连线简单、应用方便，所有图像数据通过网络传送，不需要硬件层驱动，平台兼容性好。

3 照明光源选择

图像采集系统中照明光源是很重要一部分，光源选择不好不合理会影响到图像采集的质量，甚至会导致采集到的图像信息出错。茶叶外形多样化且不规则，普通光源会使茶叶图像产生阴影。茶叶颜色比较单一，次品茶叶颜色跟合格茶叶的颜色区分度不高，合理地选择光源可以提高图片颜色质量，提高识别率。

为满足茶叶图片信息的采集，本系统采用功率为30瓦的led平板无影灯板， 灯板要求带均光板，无光斑无暗区，发光角度大于60度，光通量大于200Lm，显色指数80Ra，透光率大于98%，色温在6000-6500K之间，内部4014尺寸发光LED，光源表面光照度大于2000LUX。

对比图片发现，单点光源的图片茶叶本体颜色偏黑，茶叶颜色细节无法体现，对于歪曲的茶叶因不跟底部贴合，会在投影面上产生阴影，影响后期软件对茶叶图片的处理。在计算茶叶宽度的时候因阴影颜色跟茶叶颜色接近，处理计算得到的茶叶宽度会比实际宽度要宽，影响处理判断结果。判断杂叶最重要的一个依据是茶叶的颜色，该类茶叶颜色偏黄褐色，检测到黄色像素比例偏高时会被列入杂叶范围，采用无影灯板光源的图片采集质量明显改善，图片颜色信息会更丰富，特别是偏黄的杂叶，区分度明显提高。

4 嵌入式控制器

在系统框架中加入一个嵌入式控制器用于获取计算机识别到结果，并结合相关辅助信号来有效控制分拣结构。该控制器不但需要获取相关信号，还需要对信号进行分解处理，分配好控制周期，确保可以对计算机识别到的茶叶进行有效分类。该控制器采用意法单片机STM32f103，其内核是Cortex-M3，Flash容量128K，工作频率72Mhz，具有多路定时器控制器及中断系统，接口丰富，简化了该系统外围电路需求。在该系统中用单片机的USB通信接口跟计算机进行通信，两路中断捕获引脚来检测编码计数器的信号脉冲，一路串口接口控制分拣执行机构，多路内部定时器做任务协调管理。并留有多个异常信号输入端口，用于急停等异常信号快速处理。

5 辅助机构

由于机械结构限制，图像处理环节和茶叶分拣环节不能做在同一个位置。待分拣茶叶经过图像识别处理后，需要通过传送机构将其送到下一级的分拣机构进行分拣筛选，这样就会存在一个处理延时的问题。识别到的茶叶到达分拣机构时间，分拣机构启动和回收的耗时，这些信息都需要获取到才能有效地对识别到的茶叶进行分拣，如果没有位置反馈装置，分拣效果就会有误差。

为解决以上问题，在系统传送带中加入一个旋转增量式位置编码计数器，其原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。编码计数器自带传动轮，轮子压在传送带上，用来记录传送带运行的距离。编码计数器每转一圈有400个输出脉冲，通过记录编码器的数量，再结合传动轮子的直径就可以通过程序计算出传送带运动的距离。因为图像识别的位置和分拣机构的位置是固定不变的，同记录距离即可获取到茶叶是否已经达到制定的分拣位置，从而实现较好的分拣效果。

编码计数器采集电路如图6所示，输出信号直接接入系统的嵌入式控制系统，由里面的程序来完成采集和计算功能。

6 分拣执行机构

分拣是本系统的最终目标，常规的执行结构动力一般采用气缸驱动、电磁铁驱动或伺服电动机驱动。气缸驱动需要配备空气压缩机及空气干燥机，设备稍显复杂。气缸动作快，成本低，寿命高，但是重复精度差，控制精度低，运动速度和角度都不好控制，故本方案不采用气缸作为动力来源。电磁铁驱动电路简单，控制方便，执行速度快，但是不能精确控制运行距离和角度，控制量单一，控制行程短，后期扩展性不好，所以不适合本系统。工控级别的伺服电机是电气设备重要的执行动力源，行程速度和距离都可以精密控制重复精度高，但是价格昂贵，体积较大，根据本系统的要求，最后选用精密数字舵机。该执行部件属于伺服电机的一种，自带DIP反馈控制电路，具有体积小，精度高，价格低等有点，相对工业伺服电机更有优势。为了确保控制精度和设备寿命，采用的数字舵机要求传动齿轮全部为金属材料，舵机外壳也采用合金铝材，有利于散热，减少传动部件膨胀比例，保证控制精度。

7 小结

在目前机械化、智能化的时代，人工分拣方法因其效率低下将会逐步被机器所代替，而像茶叶色选机这种高效率但精准不高的方法也将逐步被改进。本文设计了一套基于图像视觉的茶叶分拣系统，该系统在实际应用中已经可以初步分拣杂叶，茶梗，合格茶叶。因为茶叶的外形复杂，在分拣过程中容易缠绕，所以实际处理过程会存在误检的情况，需要在前期茶叶分离预处理上继续改进，确保茶叶的分离性，有助于提高分拣正确率。

【参考文献】

[1]谭诗淼.基于推进和近红外光谱的茶叶品质分析研究[D].华中师范大学，2012.

[2]陈培俊.基于图像处理和模式分类的茶叶杂质识别研究[D].南京航空航天大学，2014.

[3]付贝贝.可视化传感体系构建及在茶叶检测中的应用研究[D].重庆大学，2016.

[4]Kumar， P.V.S.， Basheer， S.， Ravi， R. et al. J Food Sci Technol（2011）48：440.