李建軍，弋曉康，王 偉

(塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

享譽國內(nèi)外的新疆紅棗和葡萄等水果由于特有的生態(tài)環(huán)境和氣候條件，外觀光滑亮麗，營養(yǎng)價值高。目前紅棗、葡萄等多數(shù)水果是采用自然晾曬或人工烘房進行干制，由于烘房干燥工藝較為粗放，干燥溫度不易控制，致使產(chǎn)品產(chǎn)生不良焦苦味，商品性大大降低。因此，要搞好水果的精深加工必須把提高水果的內(nèi)在品質(zhì)放在首位［1］。而遠紅外干燥技術(shù)干燥時間短，熱效率高，熱損失小，加熱引起食物材料的變化損失小，最終產(chǎn)品品質(zhì)較好。在產(chǎn)品干燥過程中輻射可達一定深度，受熱均勻，不需要有氣流穿過物料。并且遠紅外線干燥設(shè)備簡單，節(jié)約能源，干燥速度快，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，符合環(huán)保的要求，對被加熱物也沒有污染，具有廣闊的發(fā)展前景。遠紅外真空干燥設(shè)備主要由遠紅外加熱板、控制系統(tǒng)及真空系統(tǒng)等幾部分組成。而控制系統(tǒng)是干燥能否完成的核心部分，基于機器視覺技術(shù)烘干檢測是實現(xiàn)干燥過程的控制智能化，改善燥后蔬果的品質(zhì)的重要保證［2-6］。

1 基于計算機視覺變量圖像采集系統(tǒng)

在計算機視覺變量圖像采集研究中，如何構(gòu)建圖像采集軟件系統(tǒng)，使獲得的圖像能夠滿足實時處理的要求是研究的關(guān)鍵。在視覺系統(tǒng)中基于PC的系統(tǒng)具備編程靈活性、方便的窗口界面以及低成本等優(yōu)點。因此研究選用PC視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Windows操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，采用VB開發(fā)，采用單文檔界面設(shè)計。通過此軟件能夠?qū)崿F(xiàn)采集畫面的實時顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、攝像頭參數(shù)的選擇和控制、串口通訊參數(shù)選擇和控制等。

系統(tǒng)做出烘干決策后，就形成了上位機烘干指令，該指令包含了遠紅外電加熱板加熱和何時應(yīng)該加熱，何時應(yīng)該停止加熱等信息。上位機單元的重要任務(wù)，就是將該信息發(fā)送給下位機單元，使之能對加熱執(zhí)行單元進行控制。數(shù)據(jù)能否順利傳遞，通訊方式是關(guān)鍵，系統(tǒng)選用的串口通訊，串口通訊數(shù)據(jù)傳輸速率很低，但是它數(shù)據(jù)傳輸距離遠、抗干擾能力強，可靠性高。并且系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的傳輸量較小，最大的傳輸速率為每秒8幀信息，用9600波特率已經(jīng)足夠，因此串口通信能夠很好的滿足要求。同時在各種通信標準中選擇簡單的RS-232標準進行通訊。針對蔬果干燥標準要求，研究找出整個控制系統(tǒng)的匹配模型，并對干燥控制裝置進行詳細的設(shè)計;采用相應(yīng)的開發(fā)軟件，驗證視覺變量干燥控制系統(tǒng)的控制算法，同事構(gòu)建整個系統(tǒng)控制干燥裝置軟平臺進行試驗［7］。

2 圖像實時采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由光源、接收模塊、采集模塊和PC機等組成。

2.1 控制系統(tǒng)光源

系統(tǒng)在實驗室內(nèi)模擬實驗，采用自然光源作為實驗用光源。控制系統(tǒng)將葡萄、紅棗等的大小、顏色在烘干前后要區(qū)分開來，由于圖像處理軟件的魯棒性很好，配合用自然光源可以滿足要求，無需區(qū)別葡萄、紅棗的紋理及其他細節(jié)需求，不必借助人工光源。因此，根據(jù)實驗要求自然光源能滿足實驗要求。

2.2 圖像接收模塊

圖像接收模塊用CMOS類型攝像機，此攝像機具有可以將接收圖像信號變成電壓信號輸出、速度塊，結(jié)構(gòu)簡單、能源消耗較小。其內(nèi)部器件傳感器參數(shù):像素超過百萬，A/D轉(zhuǎn)換精度10位，分辯率1280×1024，40幀/秒，圖像窗口可無級設(shè)置幀率也隨之變化。

攝像機鏡頭和攝像機配合使用，鏡頭主要參數(shù):焦距f(mm)選擇要合適，其大小決定著視場角的大小，f數(shù)值太小，雖然觀察范圍擴大了，可能遠距離的物體分辨不清楚，反之f數(shù)值太大，可能觀察范圍不能滿足要求，所有要確定好f的大小，可以通過公式求得:

其中:L為芯片的長邊或短邊;u為物距;FOV即是相應(yīng)方向的物體大小。由于焦距和視場角是一一對應(yīng)的，唯一的焦距對應(yīng)著唯一的現(xiàn)場角，所以在選擇鏡頭時，應(yīng)先根據(jù)式(1)初步計算焦距數(shù)值。

當鏡頭的焦距確定后，物距u可由下式確定:

F表示采光能力(鏡頭光圈大小)，d為有效孔徑。因為根據(jù)式(3)d越大，f越短，F(xiàn)越大，即采光多，而到達像面的光照度和F的平方成正比，光圈每調(diào)大照度就采光能力增加更大。所以應(yīng)根據(jù)被實驗現(xiàn)場的光線變化程度來選擇用手動光圈還是自動光圈鏡頭。F值越大采光能力越強，價格也越高，綜合考慮系統(tǒng)選 F(1∶1.8)，焦距為50 mm，手動調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在實時采集圖像的過程中，目標與攝像機之間是有相對運動的，為了獲得的較好的圖像，要確定好光圈的大小。

1)光圈值的確定。物體在一定空間內(nèi)成像都是清晰的，圖像質(zhì)量也有保證，超出這個范圍時，對比度會下降，這個距離就是物體在景深范圍內(nèi)。而景深和光圈的大小關(guān)系最密切。光圈越大，景深越小。因此在實時采集數(shù)據(jù)前，要根據(jù)烘干的葡萄、紅棗大小尺寸調(diào)整光圈大小，以保證不同大小的蔬果都能清晰可見，便于后期的圖像處理。

2)曝光時間的確定。在光圈值確定了的情況下，曝光時間的長短與圖像的清晰度直接相關(guān)。如果光照不變，一般情況快門速度可以拍攝到清晰的照片。一般情況光源的強度不夠，快門速度應(yīng)地減慢，否則會導(dǎo)致采集的圖像出現(xiàn)運動模糊。出現(xiàn)這種情況下，圖像處要進行圖像恢復(fù)操作。

3 視覺圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用VB程序語言，包括主程序和各個子程序模塊，其中主程序下各子模塊程序相對獨立，這樣便于對程序修改、應(yīng)用方便靈活。各個功能模塊主要包括系統(tǒng)初始化、串口參數(shù)設(shè)置及控制、圖像的實時顯示和歷史數(shù)據(jù)的顯示等。軟件流程圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件整體流程框圖

3.1 系統(tǒng)的初始化和串口通訊參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)的初始化主要包括數(shù)字攝像頭、實時顯示界面、歷史數(shù)據(jù)顯示界面、內(nèi)存畫圖等初始化等功能。實時顯示界面主要是適應(yīng)攝像頭的分辨率，其對象內(nèi)部的水平屬性設(shè)為1280，垂直屬性設(shè)為1024;歷史數(shù)據(jù)顯示界面對象內(nèi)部的水平屬性設(shè)為600，而顏色值范圍為0～255，則垂直屬性設(shè)為255;內(nèi)存畫圖主要是創(chuàng)建一個與窗體相兼容的設(shè)備場景，并創(chuàng)建一個與窗體同樣大小的矩形區(qū)域;數(shù)字攝像頭的參數(shù)設(shè)置主要通過InitialDevice函數(shù)完成。在窗體的Load事件中通過Status=BeginHVDevice(1，hhv)初始化攝像頭，通過調(diào)用InitialDevice()子過程對攝像頭的參數(shù)進行設(shè)置，分辨率初始化、采集方式設(shè)置為連續(xù)采集、增益設(shè)置各個分量的增益、AD轉(zhuǎn)換級別置成級別2。

系統(tǒng)中串口通訊的作用是實現(xiàn)上位機依據(jù)圖像分析的結(jié)果向下位機發(fā)送“0001”或者“0000”命令，從而控制遠紅外加熱板的通電和斷電。串口控制模塊封裝了串口控制函數(shù)，如串口初始化、發(fā)出控制信號、接收信號、關(guān)閉串口。為了軟件的可擴展性，串口參數(shù)設(shè)置部分主要包括串口的選擇、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位的選擇，在此系統(tǒng)中，默認的設(shè)置時 COM1、9600、8、None、1。當 C 點擊“打開串口”按鈕時，串口按照 Combo1、ombo2、Combo3、Combo4、Combo5的Text屬性里的數(shù)值打開串口，在Timer1的Timer事件中，當符合參數(shù)要求時，通過“MSComm1.OutBufferCount=0，MSComm1.Output=outbte”兩條語句向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，從而控制遠紅外加熱板的打開和關(guān)閉。

3.2 后臺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

圖像的實時顯示，圖形畫面可現(xiàn)實干燥箱內(nèi)的干燥狀況，工作人員可以實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。在VB本軟件使用的是PictureBox控件來完的，為了將采集來的畫面按比例顯示在窗口中，在程序中將此控件的度量單位設(shè)置成Pixel，寬度和高度分別設(shè)置成數(shù)字攝像頭當前采用的分辨率。依據(jù)在中等亮度的光刺激下視覺暫留時間 為0.05～0.2 s，畫面更換時間間隔即Timer控件的Inteval屬性設(shè)置為100 ms。

歷史數(shù)據(jù)的顯示，歷史數(shù)據(jù)現(xiàn)實畫面，通過此模塊可以了解現(xiàn)在是是處于遠紅外加熱階段是處于兩批蔬果更換間歇階段。軟件畫面中實現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線顯示可以通過PictureBox控件或者MSChart控件，當數(shù)據(jù)更新較快時MSChart控件存在閃爍現(xiàn)象，且機器速度越慢閃爍現(xiàn)象越明顯，最終消閃的辦法還得通過內(nèi)存，所以本軟件通過Picture控件通過內(nèi)存直接畫圖。

軟件包括4個按鈕:開始、結(jié)束、打開串口和關(guān)閉串口。系統(tǒng)運行后，實時顯示界面的外觀和位置已經(jīng)設(shè)計好，歷史數(shù)據(jù)顯示界面的外觀和位置也已經(jīng)設(shè)計好，數(shù)字攝像頭和串口都已經(jīng)被初始化，但數(shù)字攝像頭還不能采集數(shù)據(jù)。點擊開始按鈕，攝像頭開始采像，并將每幀圖像的平均值存在txt文件里，但不能將分析結(jié)果傳給下位機;只有同時點擊打開串口按鈕，才會將不同于上次的分析結(jié)果傳給下位機。當結(jié)束軟件時，首先點擊關(guān)閉串口，停止向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)，然后點擊結(jié)束按鈕，這是數(shù)字攝像頭停止采集圖像，并且軟件退出。

3.3 系統(tǒng)的技術(shù)性能指標

本文提出的計算機視覺對蔬果進行烘干的新辦法是一種快速而有效的辦法。分析了蔬果上位機干燥控制系統(tǒng)組成、參數(shù)，并提出了機器視覺軟件算法。

視覺圖像通過HVApi的ConvertBayer2Rgb函數(shù)獲得此圖像每個像素參數(shù)，判斷與標定值的關(guān)系，如果大于標定值(根據(jù)烘干的果蔬要求的顏色、大小等)，則認為是烘干開始，給下位機傳送打開命令，從而遠紅外加熱板通電;如果小于標定值，給下位機傳送關(guān)閉命令，遠紅外加熱板停止工作。下面列出部分主要代碼。

啟動數(shù)字攝像機，采集圖像數(shù)據(jù)到內(nèi)存:

4 結(jié)束語

本文研究了基于視覺變量的遠紅外蔬果干燥的控制問題，給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通訊方法，通過系統(tǒng)硬件和軟件的結(jié)合，實驗證明了基于視覺算法烘干的可行性，表明可以用于蔬果烘干系統(tǒng)的實時控制。

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