棉花颜色视觉检测系统及影响因素分析研究

郭忠超，张周强，周 玲

(西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710600)

0 引言

棉花的颜色等级是评判棉花质量重要的标准之一，颜色等级不同的棉花应用的领域也不同。目前国际上测定棉花的颜色标准通常采用HVI(high volume instrument)和色度计[1]。其通过检测棉花的反射光的频率得到棉花的Rd值(反射率)和+b值(黄度)，并使用Hunter Lab等级图确定棉花的颜色等级。

近年来，大容量棉花纤维测试仪、色度计、分光光度计、彩色扫描仪和荧光成像系统等检测技术国内外也正在研究和发展中。国外早在2005年，Khatri[2]采用IsoTester来测量棉花颜色等级，IsoTester采用数字彩色扫描技术来确定棉花样品的颜色。基于图像的彩色数据来源于一个大的数字彩色图像样本，其试验面积为28 in2(平方英寸)。但其检测棉花色泽度是通过Rd和+b的值，并没有实现符合人类视觉的三维检测系统。2008年，Rodgers[3-4]采用多种分光光度计与HVI仪器的检测结果进行比较，确定了国际公认的CIE L*a*b*颜色空间中的L与Rd(反射率)的关系、b*与+b(黄度)的相关性高度一致。2010年，Matusiak[5]采用FQT/FibroLab是一种多功能的棉花检测系统。棉花样品被输入到一个与FQT集成的自清洁微型梳理装置中，产生一个透明的网，以便暴露杂质和污染物。然后放入装有一块玻璃和一个用于检测颜色的颜色检测摄像头的10 cm×10 cm的方格中进行检测。但其检测面积较小，不能实现大面积实时、快速检测。2014年，Cui等[6]使用彩色扫描仪获得棉花图像，采用图像处理对棉花的特定子区域的Rd和+b值进行检测，分析了棉花内部颜色变化和分布，从而更全面地评价棉花的颜色特征。2014年，Mustafic等[7]采用荧光成像系统区分棉花中的异物，对绿叶、茎、树皮等杂质的分类率达到80%。提高了检测棉花颜色等级的精度。2015年，Matusiak等[8]利用DigiEye系统采用了国际公认的CIE L*a*b*颜色空间测量棉花样品的颜色参数，并将结果与HVI的颜色参数进行了比较。结果表明，DigiEye的反射率与HVI一致性较高。2017年，Vik等[9-12]采用非接触法且使用 LED 作为光源测量棉花标准品的颜色参数，并与HVI的颜色参数进行比较。此外，图像分析还研究了棉花内部颜色的变化。2020年，东华大学的衡冲等[13-14]通过图像处理的方法，采用双阈值的方法将棉花图像中的杂质去除，从而提高棉花颜色的准确性。但其检测的只是棉花样本颜色的均值，对棉花内部的颜色信息的分布并不明确，且并没有对棉花检测方案做进一步的分析。

针对上述问题，本文对机器视觉技术的应用场景及装置进行了进一步的分析，以提升棉花颜色检测的精度。通过检测不同环境下的棉花，计算出棉花的颜色参数反射率(Rd)和黄度(+b)，并计算其检测精度。除此之外，还通过改变棉花上表面光学玻璃向下施加的压力，证明压力不同，棉花颜色参数也有较大的差异。

1 系统硬件结构与设计

棉花颜色检测装置控制系统硬件结构由计算机、89C51单片机、推杆电机、光电开关、传送带、CCD相机和补光光源组成，其整体结构如图1所示。

图1 棉花颜色检测装置

图1中，计算机作为棉花检测系统的主控制台，通过USB连接方式分别与单片机和CCD相机连接，单片机I/O接口通过控制继电器模块来控制传送带及电动推杆。其中CCD相机型号为MER-500-14U3C，补光光源为D65光源。

1.1 机械结构

为保证棉花可以在自动化情况下采集并实时检测棉花颜色参数，需要棉花运送到CCD相机正下方时，单片机控制传送带停机。因此，需要将光电开关和推杆电机的位置设置在CCD相机及补光光源的正下方。通过控制推杆电机的升降运动，来控制棉花上表面的光学玻璃对棉花上表面的压力大小控制。

1.2 单片机控制模块设计

单片机控制模块主要通过其外部触发引脚与光电开关连接，当光电开关被棉花遮挡时，光电开关的电压发生变化，并将此变化反馈给单片机，单片机通过继电器模块控制传送带停机、推杆电机下降，推杆电机带动光学玻璃将棉花压实；再通过串口通信向计算机发送信号，控制CCD相机采集棉花图像。

1.3 系统软件设计

棉花颜色视觉检测装置使用彩色CCD相机在补光光源的条件下拍摄棉花图像，并将图像传输到计算机中，计算机再对棉花图像进行预处理。由于CCD相机采集到的棉花图像为RGB通道，需要将RGB通道根据颜色空间转换，转换为CIE XYZ格式，再根据公式转换为棉花颜色参数Rd和+b。系统程序流程如图2所示。

图2 系统程序流程

1.4 图像颜色信息处理

在计算前先根据式(1)～式(3)将棉花图像的RGB值转为CIE XYZ值，对处理后子区域的棉花图像的每个像素采用式(4)～式(6)来计算Rd和+b值，并获得检测颜色等级。

将RGB值归一化处理，即

(1)

将RGB值转化为CIE XYZ值，即：

(2)

(3)

本文采用10°视场及D65光源照射条件，故Xn=94.811、Yn=100和Zn= 118.11。

再将结果代入到式(5)～式(6)中，得出各个子区域的Rd和+b值，即:

(4)

Rd=Y

(5)

(6)

其中，Kb=70.00。

2 系统环境影响

由于在工厂中检测棉花颜色时，容易受到外界环境的干扰以及棉花本身的物理性质影响。故设置的外界环境处于恒温恒湿的状态，即温度为23±2℃，湿度为60±5%。

2.1 采集环境影响

在测量同一组棉花时，分别检测了不同外界光环境下的颜色信息，其中包含在密封下实验室关灯状态、密封下实验室开灯状态、非密封下实验室关灯状态和非密封下实验室开灯状态。

2.2 棉花物理性质

由于棉花在无压力的状态下呈现蓬松的形态,故分别检测了在对棉花上表面无压力的状态下、施加20 N的压力和施加40 N的压力的图像。并且CCD相机和被测棉花之间的距离在采集时保持不变，以此来保证获得图像均为单一条件的变量。

3 实验方法与结果

3.1 实验装置

实验仿真平台选用VS2015+OpenCV软件，进行棉花图像颜色空间转换和颜色值反射率Rd和黄度+b的检测实验。当棉花样品达到CCD相机及镜头下方时，触发光电开关，此时传送带停机，推杆电机带动光学玻璃片向下压紧棉花，之后CCD相机再采集此时的棉花图像。在图像采集完成之后，推杆电机带动光学玻璃上升且传送带启动。将采集好的棉花图像传输到计算机中，再由计算机对棉花图像进行处理，结构如图3所示。

图3 棉花图像处理装置

采用上述结构，分别在有非密封装置并打开和关闭实验室照明光源、密封装置并打开和关闭实验室照明光源4种情况下对6种样棉进行颜色值检测，并分别比较2种方法在长时间检测的稳定性，实验结果如表1所示。

表1 不同环境下实验结果对比

3.2 外界环境对图像处理的效果分析

通过上述方法检测不同环境下的棉花图像，在不同场景下采集的6号棉样图像如图4所示，且对比结果如图5所示。

图4 在不同环境下采集的6号样棉

图5 环境改变实验结果对比图

由图4a和图4b可知，在密闭环境下的无论是否是实验室环境光的干扰，采集效果没有较大的改变。而在非密闭的环境下，有环境光和无环境光的干扰较为明显，图4c比图4d的亮度高。

由图5a和图5b可知，在非密闭的情况下的棉花颜色参数要比密闭情况下的变化更小，在密闭的情况下，外界光对棉花颜色参数的干扰影响较小；在非密闭的情况下，外界光对棉花颜色参数的干扰影响较大。本文在接下来的实验中采用在密闭情况下进行检测，排除了外界所有的光噪声干扰，将采集到的棉花图像进行颜色空间转换，并求其颜色参数Rd和+b在密封情况下准确率更高。因此，在密封条件下，棉花颜色检测的准确性更稳定。

3.3 压力对图像处理的效果分析

为了进一步验证棉花表面压力的大小对棉花颜色等级的影响，给定上述3种压力的数据测量，计算其检测结果，结果如表2所示。

表2 施加不同力的检测结果

由表2可知，对棉花上表面的光学玻璃向下施加的压力为0 N时，采集得到的图像颜色参数与实际颜色参数中的反射率6个样本的平均值相差1.60、黄度相差0.52；对光学玻璃向下施加20 N的压力时，采集到的图像颜色值与实际颜色参数中的反射率6个样本的平均值相差0.34、黄度相差0.30；对光学玻璃向下施加40 N的压力时，与实际颜色参数中的反射率6个样本的平均值相差0.10、黄度相差0.23。在此基础上测试几种压力值的误差率，得到的实验对比结果如图6所示。

图6 颜色参数误差率比较

如图6a和图6b所示，在使用压力值为0 N时，其检测结果的Rd误差率为0.41%～2.41%、+b误差率为2.99%～6.47%；压力值为20 N时，其检测结果的Rd误差率为0.41%～1.48%、+b误差率为2.99%～6.47%；压力值为40 N时，其检测结果的Rd误差率为0.06%～0.60%、+b误差率为0.35%～4.09%。分析可知，其压力达到40 N时，压力对棉花颜色参数中的反射率Rd和黄度+b影响最低，且棉花的颜色参数保持稳定的状态，故采用向下施加压力为40 N作为最佳检测压力。

结果表明，在检测棉花图像时，在完全密闭的情况下，压力达到40 N时检测的颜色参数更加准确。这是因为在压力达到一定的值时，棉花内部由于蓬松导致产生不平整凸起和凹陷会由于光学玻璃的压力而变得平整，更适合拍摄及采集，从而可以更加精确地检测棉花的颜色信息。

4 结束语

为提高棉花颜色在线检测的效率，提出基于机器视觉的棉花颜色等级检测系统。由视觉检测平台、棉花表面处理平台和控制平台3部分组成棉花颜色等级检测控制系统，在完全密封和非完全密封的情况下，采用补光光源和CCD相机采集棉花图像，通过分别检测有外界光干扰和无干扰情况下的棉花图像，得出环境光对棉花颜色检测的影响较大。其次分别检测不同压力下的棉花图像，证明棉花表面的凸起和凹陷会严重影响棉花颜色检测准确率，当棉花上表面的压力为40 N时，检测准确率较高。