黃世釗， 陶彥輝

(安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

品質(zhì)分選是糧食產(chǎn)品加工的一個必不可少的步驟，目前廣泛使用的色選機(jī)一般簡單的通過合格顆粒與不合格顆粒間的顏色、體積以及形狀來進(jìn)行區(qū)分[1]，或采用機(jī)器視覺、光譜技術(shù)、計算機(jī)特征識別等技術(shù)進(jìn)1行豆類作物的分選[2]?？傮w來說，由于豆類形狀、顏色都比大米復(fù)雜得多，因此使用傳統(tǒng)的方法對豆類作物進(jìn)行分選，其識別正確率還處于較低水平。

當(dāng)前基于目標(biāo)偏振特征進(jìn)行聚類分選在軍事、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，使用偏振光進(jìn)行目標(biāo)探測，在獲得目標(biāo)的光強(qiáng)分布信息的同時，還能得到反射體偏振信息，因此易于在低對比度背景下凸顯目標(biāo)結(jié)構(gòu)與形態(tài)并獲得豐富的細(xì)節(jié)信息，這些特性可有效應(yīng)用于豆類等作物分選。基于此，研制了分孔徑偏振成像裝置，對豆類目標(biāo)的偏振特性、偏振圖像融合算法和目標(biāo)特征提取算法進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

色選機(jī)工作時，被測物件通常以傳送帶或自由落體形式運動至圖像采集區(qū)域，與相機(jī)通常相距25-50cm[3]，是典型的近距離小目標(biāo)。偏振測量通常需要對同一目標(biāo)進(jìn)行三個或更多個偏振方向進(jìn)行成像處理，傳統(tǒng)偏振測量方法是通過轉(zhuǎn)動件或調(diào)制器部件，分時將不同偏振濾光片轉(zhuǎn)動到CCD成像視場[4]，在進(jìn)行快速運動目標(biāo)成像時，分時成像會造成目標(biāo)在圖像位置上的巨大偏移，給偏振配準(zhǔn)和目標(biāo)檢測造成極大困難，基于以上分析，系統(tǒng)必須采用對同一目標(biāo)同時進(jìn)行不同偏振角度測量的方法進(jìn)行成像，針對以上情況，選取基于分孔徑方式的同時偏振成像系統(tǒng)作為探測器。

1.1 分孔徑同時偏振成像探測原理

偏振成像測量的目的是獲得Stocks向量，當(dāng)只需獲得不完全Stocks向量時，對一個場景或目標(biāo)至少需要進(jìn)行三次測量[5]，一般的偏振測量系統(tǒng)是分時測量的，但當(dāng)被測物體與鏡頭存在相對運動時，分時測量會產(chǎn)生場景偏差。因此必須采用同時偏振成像系統(tǒng)，在一次曝光條件下獲得同一場景的幾幅不同偏振態(tài)圖像。在分選機(jī)上，由于目標(biāo)與光學(xué)系統(tǒng)的距離很近，因此，多個鏡頭同時成像時，鏡頭間的位置偏差也會產(chǎn)生場景偏移，故綜合以上論述，色選機(jī)偏振成像系統(tǒng)宜采用基于分光的多通道光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行成像。目前用于多通道光學(xué)系統(tǒng)的分光技術(shù)主要有采用光柵、棱鏡或分束器的分振幅技術(shù)，在孔徑上放置多路分光子系統(tǒng)的分孔徑技術(shù)，及干涉型分光技術(shù)等[6]，其中，分孔徑光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制作方便、圖像數(shù)據(jù)處理簡便且成本較低，比較適合應(yīng)用于光電色選機(jī)。

針對系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計了基于分孔徑光學(xué)系統(tǒng)的近距離同時偏振成像探測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由分孔徑成像物鏡、三路不同偏振方向的偏振片和三路相機(jī)、信號處理組件等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，三路偏振探測方向設(shè)置為0°、60°和120°，使三個偏振濾光片的透光軸以60°角呈等距離分布，在每個濾光片后放置CCD探測器及圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 分孔徑同時偏振成像探測系統(tǒng)

系統(tǒng)核心部分是分孔徑透鏡成像系統(tǒng)，由三個不同方向的光軸組成，在透鏡的孔徑光闌處，各光軸與系統(tǒng)中心軸之間存在一個偏心夾角，從而將同一束入射光分為完全相同的三束，形成三個光學(xué)通道，分光完成后，在各個子系統(tǒng)后方分別放置0°、60°和120°偏振片，這樣，豆類目標(biāo)在3個光學(xué)通道分別形成0°、60°和120°偏振圖像并被探測器(CCD)所接收，通過這種方法，可同時獲得同一場景下同一目標(biāo)的3個不同偏振狀態(tài)的偏振圖像，經(jīng)圖像據(jù)處理即可得到完整的3個Stocks分量圖[7]。

1.2 系統(tǒng)測量方程

在進(jìn)行分孔徑處理后，各個光學(xué)通道可以看成是獨立成像系統(tǒng)，并且單像元瞬時視場較小，因此該系統(tǒng)是一個近軸理想光學(xué)系統(tǒng)，目標(biāo)偏振信息可由Stokes方程來描述，通常情況下方程使用Stokes向量S=[S0，S1，S2]來描述目標(biāo)的偏振信息，由Stokes方程可知：入射光經(jīng)過三個偏振片后，輸出光強(qiáng)度滿足下式：

其中，Iθ為各角度的輸出光強(qiáng)度，I、Q、U為偏振態(tài)Stokes參量，取θ為0°、60°和120°，即可求出I、Q、U的值：

進(jìn)而得到線偏振度和偏振角的值：

2 實驗結(jié)果與分析

按照上文所述搭建偏振成像實驗系統(tǒng)，以紅豆為研究對象，分別使用普通相機(jī)和偏振相機(jī)進(jìn)行了成像試驗，圖2顯示了三通道CCD同步偏振成像裝置所獲取的三個目標(biāo)偏振圖像，其中圖(a)線偏振片的方向為0°參考方向，圖( b) 、( c) 分別為60°、120°方向偏振圖像。

(a)0°強(qiáng)度圖像 (b)60°強(qiáng)度圖像 (c)120°強(qiáng)度圖像

圖3 斯托克斯分量

圖4 識別結(jié)果

比較不同角度的偏振圖像，可以發(fā)現(xiàn)，三個強(qiáng)度圖像中，好的豆子與壞的豆子之間亮度存在較大差異，這是由于正常目標(biāo)的表面比較光滑，因此其反射的偏振光方向基本一致，當(dāng)偏振片方向與反射光偏振方向不一致時，目標(biāo)亮度就比較小。而含有褶皺、干癟等缺陷的紅豆，在不同的偏振方向上所成圖像的亮度變化則比較小，這是因為反射光中偏振光所占比例較小的緣故，從強(qiáng)度圖上看，正常目標(biāo)與缺陷目標(biāo)間的特征變化不明顯，無法進(jìn)行區(qū)分。

由各角度的輸出圖像進(jìn)行斯托克斯運算，得到、、斯托克斯分量如圖3所示。由圖可以看出，Q分量圖像中，目標(biāo)的總體輪廓變?nèi)?，而目?biāo)粗糙度特征、表面突變特征方面則更加突出，表現(xiàn)為褶皺部分、缺陷部分的亮度得到加強(qiáng)，這有利于對目標(biāo)的表面缺陷進(jìn)行分析；而U分量圖像則使目標(biāo)的輪廓更加清晰，有利于對目標(biāo)的形狀缺陷進(jìn)行分揀。但總體說來，目標(biāo)特征仍然不夠突出。

圖4為目標(biāo)的偏振度、偏振角圖像以及最優(yōu)融合圖像，從(a)(b)兩圖可以看出，偏振度圖像使目標(biāo)缺陷、表面褶皺等部分的特征更加突出，而偏振角圖像則進(jìn)一步強(qiáng)化了目標(biāo)輪廓信息，對于檢測目標(biāo)形狀缺陷具有相當(dāng)?shù)囊饬x。

為進(jìn)一步綜合利用目標(biāo)偏振信息，采用基于邊緣信息的小波融合算法，得到最優(yōu)融合圖像如圖4(c)所示，由圖可看出，圖像經(jīng)偏振融合處理后，最大限度地突出了目標(biāo)缺陷特征，即缺陷部位的灰度值非常低，而光滑的豆類目標(biāo)，其亮度分布非常規(guī)則，為機(jī)器分揀和目標(biāo)聚類分析提供了非常有力的支持，降低了算法的復(fù)雜度，通過融合，最大程度展現(xiàn)了不同目標(biāo)的表面特征：

①形狀缺陷：表現(xiàn)為目標(biāo)外層低亮度環(huán)狀帶形狀發(fā)生寬度突變，環(huán)形發(fā)生彎曲；

②表面褶皺：內(nèi)層會產(chǎn)生大面積低亮度區(qū)域，并與外層低亮度區(qū)域連通；

③干癟：內(nèi)層產(chǎn)生大量小面積不規(guī)則低亮度點狀區(qū)域；

④正常目標(biāo)：目標(biāo)成像由兩層組成，內(nèi)層為低亮度規(guī)則橢圓狀，外層為精細(xì)均勻的低亮度環(huán)狀區(qū)域。

3 結(jié) 論

反射光的偏振性質(zhì)是物體的本征屬性之一，偏振成像可以使目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息更為突出，因此更加有利于目標(biāo)特征的提取和目標(biāo)種類進(jìn)行識別，可有效提高目標(biāo)分選正確率。針對豆類作物分選所遇到的問題，提出了利用偏振成像探測的方法進(jìn)行豆類作物特征識別的方法，并根據(jù)要求搭建了同時偏振成像探測系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，基于同時偏振成像的分選系統(tǒng)，能夠有效提取目標(biāo)特征，對目標(biāo)的典型缺陷有著較強(qiáng)分辨能力，其分選效果大大優(yōu)于普通成像探測。