沈 建，徐文其，劉世晶

（1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092；2.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

基于機(jī)器視覺的淡干海參復(fù)水監(jiān)控方法

沈 建1，2，徐文其1，2，劉世晶1，2

（1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092；2.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

就傳統(tǒng)淡干海參復(fù)水技術(shù)進(jìn)行了討論，在此基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，提出了一種新的基于機(jī)器視覺技術(shù)的淡干海參復(fù)水可視化監(jiān)控方法，利用圖像處理技術(shù)采集海參復(fù)水的實(shí)時(shí)體型數(shù)據(jù)，采用曲線擬合方法，擬合淡干海參復(fù)水的體型變化曲線，以此判斷淡干海參的復(fù)水狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，該方法可以提高淡干海參的復(fù)水精度，降低復(fù)水成本。

機(jī)器視覺，曲線擬合，淡干海參，復(fù)水

淡干海參在制作食品時(shí)需要在水中進(jìn)行復(fù)水，復(fù)水過程需時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員不斷目測(cè)淡干海參的復(fù)水狀況，過程較為辛苦，然而人工目測(cè)的精確度不高，經(jīng)常造成海參復(fù)水過度或者不足。一種基于機(jī)器視覺的淡干海參復(fù)水監(jiān)控方法，將淡干海參放置在溫度可控的水箱里，調(diào)節(jié)水溫至適宜復(fù)水的溫度，利用攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集淡干海參的復(fù)水圖像，由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，通過提取圖像中的海參目標(biāo)，計(jì)算出海參復(fù)水的實(shí)時(shí)面積，擬合海參的復(fù)水體型變化曲線，以此作為判斷海參復(fù)水是否成功的標(biāo)準(zhǔn)。

1 研究背景

1.1 淡干海參介紹

由于海參的本身特性，活體不能長(zhǎng)時(shí)間的保存，需要將活體海參進(jìn)行處理，制成淡干海參，在需要時(shí)進(jìn)行復(fù)水得到食材。2003年我國(guó)海參產(chǎn)量達(dá)到了5萬t，其中的80%會(huì)制成淡干海參。因此如何有效地對(duì)淡干海參進(jìn)行復(fù)水非常重要。目前我國(guó)淡干海參復(fù)水主要依靠人工，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工人長(zhǎng)時(shí)間觀察監(jiān)視，判別海參的體型變化狀況，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

1.2 機(jī)器視覺基礎(chǔ)

機(jī)器視覺主要研究如何使用計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺功能［1］，通過采集目標(biāo)物體的圖像來還原現(xiàn)實(shí)世界模型，以用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量或控制［2］。

在國(guó)外，機(jī)器視覺技術(shù)在水產(chǎn)品加工方面已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，比如三文魚片上的黑點(diǎn)檢測(cè)，其特點(diǎn)是檢測(cè)成功率高、速度快，可以節(jié)省大量人力資源。在扇貝的生產(chǎn)過程中需要將其按大小分級(jí)［3-4］。傳統(tǒng)方法采用篩子和分級(jí)機(jī)篩分，會(huì)使扇貝受到振動(dòng)、碰撞，影響扇貝生長(zhǎng)發(fā)育，造成病貝、死貝，且機(jī)械篩分分級(jí)精度低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。

在我國(guó)，水產(chǎn)品養(yǎng)殖方面，徐建瑜［5］提出了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的量化魚體色明暗度的方法，來判斷魚的健康與應(yīng)激狀況。在水產(chǎn)品深加工方面應(yīng)用較少，在農(nóng)業(yè)上有了較多的應(yīng)用，主要用于一些水果的成熟度監(jiān)測(cè)和大小分級(jí)?；跈C(jī)器視覺的海參復(fù)水自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究成功可填補(bǔ)機(jī)器視覺在水產(chǎn)品深加工方面的技術(shù)空白。

1.3 原理

淡干海參復(fù)水成功的標(biāo)準(zhǔn)是淡干海參的長(zhǎng)度增大到原來的2～2.5倍，體積變化約為原來的10倍，此時(shí)的海參具有較好的口感，適合食用。在復(fù)水過程中，淡干海參的體型隨時(shí)間增加而逐漸增大，當(dāng)復(fù)水達(dá)到一定程度后，海參對(duì)水的吸收趨于一個(gè)平衡，體型的變化就逐漸趨緩，從食用的角度考慮，體型變化達(dá)到一定程度，即可認(rèn)為復(fù)水成熟，因此可以對(duì)淡干海參的復(fù)水體型變化進(jìn)行曲線擬合，以擬合曲線來考量復(fù)水程度，以擬合曲線的切線斜率達(dá)到一定數(shù)值作為復(fù)水成功的標(biāo)準(zhǔn)。

本方法中使用攝像頭采集目標(biāo)海參的圖像，傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與處理，將海參目標(biāo)從背景圖像中提取出來，計(jì)算圖像中海參的面積，作為海參實(shí)時(shí)體型數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)中，我們使用型號(hào)為SV1410C（北京大恒公司）的圖像攝像機(jī)，圖像的分辨率設(shè)置為1440900，采集頻率為每分鐘一次。

對(duì)采集到的圖像使用高斯低通濾波器進(jìn)行降噪處理，采用自動(dòng)閾值二值化方法，用來將海參目標(biāo)從周圍背景中分離出來，計(jì)算并記錄復(fù)水海參的實(shí)時(shí)面積大小。

1.4 曲線擬合

已知平面上一些離散點(diǎn)，找一條滿足一定性質(zhì)的曲線，使它與這些點(diǎn)最接近，這種求曲線的方法稱為曲線擬合，所求出的曲線稱為擬合曲線。因?yàn)榍€斜率可以反映曲線的彎曲程度，在進(jìn)行曲線擬合的同時(shí)，對(duì)擬合曲線求導(dǎo)，可以得到擬合曲線的實(shí)時(shí)切線斜率，因?yàn)榍芯€斜率可以反映曲線與橫坐標(biāo)軸的平行度關(guān)系，以此判斷復(fù)水成功的關(guān)鍵點(diǎn)。

曲線擬合的關(guān)鍵在于求曲線方程的系數(shù)，我們使用逆運(yùn)算的方法來求系數(shù)，步驟如下：

a.在實(shí)驗(yàn)中通過圖像處理方法得到的復(fù)水海參的實(shí)時(shí)體型數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)；

b.以xi（i=1～n，下同）構(gòu)造一個(gè)n維四列的矩陣A，n表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，矩陣A第一列是實(shí)時(shí)體型數(shù)據(jù)的3次方，第二列是體型數(shù)據(jù)的2次方，第三列是體型數(shù)據(jù)xi，第四列是全部由1組成的向量，則矩陣是一個(gè)4維向量，表示擬合曲線方程的系數(shù)，y表示一維時(shí)間向量，元素為yi，f（x）=Ap。

2 實(shí)驗(yàn)

使用曲線擬合算法，對(duì)實(shí)時(shí)淡干海參復(fù)水體型數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到反映海參復(fù)水過程的曲線，對(duì)擬合曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)求導(dǎo)，得到擬合曲線的實(shí)時(shí)切線斜率，當(dāng)切線斜率低于某值時(shí)，可以判斷海參復(fù)水成功，在實(shí)驗(yàn)中我們采用了0.025的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)不同要求可以調(diào)整切線斜率值。

淡干海參復(fù)水實(shí)驗(yàn)步驟：

a.清洗海參，在沸水中煮60min；

b.在 50℃左右的水中復(fù)水，水溫控制在 50 ±2℃；

c.在復(fù)水的過程中，通過攝像機(jī)攝取海參復(fù)水實(shí)時(shí)圖像，利用計(jì)算視覺技術(shù)計(jì)算圖像中目標(biāo)海參體型的大小并記錄；

d.以實(shí)時(shí)體型面積為縱坐標(biāo)，以復(fù)水時(shí)間為橫坐標(biāo)，由這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了一系列的反映實(shí)時(shí)體型數(shù)據(jù)的離散的點(diǎn)，對(duì)體型變化的離散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，曲線擬合采用3次曲線方程，方程的系數(shù)依據(jù)海參復(fù)水過程中的離散點(diǎn)通過最小二乘法計(jì)算得出，圖1為某次實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)記錄，從圖中可以看到很多的離散點(diǎn)，這些點(diǎn)表示了實(shí)驗(yàn)中復(fù)水海參體型的變化軌跡。

e.當(dāng)海參的體型變化曲線達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)轉(zhuǎn)到低溫4℃水中，繼續(xù)復(fù)水過程；

f.重復(fù)第3步，第4步，直到海參復(fù)水達(dá)到要求，撈取海參。

使用本方法對(duì)淡干海參的復(fù)水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分為兩組。

第一組5個(gè)海參的質(zhì)量為：0.85、0.86、0.89、0.91、0.95g。

如上述步驟進(jìn)行海參復(fù)水，擬合的曲線方程為：

根據(jù)此擬合曲線方程，當(dāng)曲線切線斜率小于0.025時(shí)，海參復(fù)水成功，復(fù)水時(shí)間約為17.4h。

復(fù)水成功時(shí)的擬合曲線如圖1所示。

圖1 第一組海參復(fù)水?dāng)M合曲線圖

第二組5個(gè)海參的質(zhì)量為：1.03，1.15，1.23，1.26，1.31g。

根據(jù)此擬合曲線方程，當(dāng)曲線切線斜率小于0.025時(shí)，海參復(fù)水成功，復(fù)水時(shí)間約為15.7h。

圖2 第二組復(fù)水海參擬合曲線圖

3 討論

本文介紹了一種基于機(jī)器視覺的淡干海參復(fù)水監(jiān)控方法，在傳統(tǒng)淡干海參復(fù)水的基礎(chǔ)上，引入機(jī)器視覺技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)兩組不同質(zhì)量的淡干海參進(jìn)行了復(fù)水實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，兩組實(shí)驗(yàn)的擬合曲線都很好地反映了海參的復(fù)水狀態(tài)的變化過程。海參復(fù)水的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研制，可實(shí)現(xiàn)淡干海參復(fù)水的精確化、無人化，提高淡干海參復(fù)水效率，不僅可以減少企業(yè)的勞動(dòng)力使用，減少生產(chǎn)成本，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以提高海參復(fù)水的質(zhì)量，對(duì)海洋珍品產(chǎn)業(yè)的開發(fā)有積極的意義。

［1］王超群，朱方文.一種去除單張圖片中高光的方法［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，13（2）：151-154.

［2］傅宇.機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（15）：3871-3872.

［3］大連水產(chǎn)學(xué)院.貝類養(yǎng)殖學(xué)［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1980.

［4］王如學(xué)，王昭萍，張建中.海水貝類養(yǎng)殖學(xué)［M］.青島：青島海洋大學(xué)出版社，1993.

［5］徐建瑜，姜雄輝，等.基于計(jì)算機(jī)視覺的魚體色明暗程度量化方法［J］.農(nóng)機(jī)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，高級(jí)工程師，主要從事水產(chǎn)品加工裝備及工程研究。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2008BAD94B05）。