红外果蔬干燥视觉控制系统的研究

李建军，弋晓康，王 伟

(塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

享誉国内外的新疆红枣和葡萄等水果由于特有的生态环境和气候条件，外观光滑亮丽，营养价值高。目前红枣、葡萄等多数水果是采用自然晾晒或人工烘房进行干制，由于烘房干燥工艺较为粗放，干燥温度不易控制，致使产品产生不良焦苦味，商品性大大降低。因此，要搞好水果的精深加工必须把提高水果的内在品质放在首位［1］。而远红外干燥技术干燥时间短，热效率高，热损失小，加热引起食物材料的变化损失小，最终产品品质较好。在产品干燥过程中辐射可达一定深度，受热均匀，不需要有气流穿过物料。并且远红外线干燥设备简单，节约能源，干燥速度快，生产效率高，产品质量好，符合环保的要求，对被加热物也没有污染，具有广阔的发展前景。远红外真空干燥设备主要由远红外加热板、控制系统及真空系统等几部分组成。而控制系统是干燥能否完成的核心部分，基于机器视觉技术烘干检测是实现干燥过程的控制智能化，改善燥后蔬果的品质的重要保证［2-6］。

1 基于计算机视觉变量图像采集系统

在计算机视觉变量图像采集研究中，如何构建图像采集软件系统，使获得的图像能够满足实时处理的要求是研究的关键。在视觉系统中基于PC的系统具备编程灵活性、方便的窗口界面以及低成本等优点。因此研究选用PC视觉系统，该系统以Windows操作系统为开发平台，采用VB开发，采用单文档界面设计。通过此软件能够实现采集画面的实时显示、历史数据显示、摄像头参数的选择和控制、串口通讯参数选择和控制等。

系统做出烘干决策后，就形成了上位机烘干指令，该指令包含了远红外电加热板加热和何时应该加热，何时应该停止加热等信息。上位机单元的重要任务，就是将该信息发送给下位机单元，使之能对加热执行单元进行控制。数据能否顺利传递，通讯方式是关键，系统选用的串口通讯，串口通讯数据传输速率很低，但是它数据传输距离远、抗干扰能力强，可靠性高。并且系统的数据的传输量较小，最大的传输速率为每秒8帧信息，用9600波特率已经足够，因此串口通信能够很好的满足要求。同时在各种通信标准中选择简单的RS-232标准进行通讯。针对蔬果干燥标准要求，研究找出整个控制系统的匹配模型，并对干燥控制装置进行详细的设计;采用相应的开发软件，验证视觉变量干燥控制系统的控制算法，同事构建整个系统控制干燥装置软平台进行试验［7］。

2 图像实时采集系统硬件设计

系统硬件主要由光源、接收模块、采集模块和PC机等组成。

2.1 控制系统光源

系统在实验室内模拟实验，采用自然光源作为实验用光源。控制系统将葡萄、红枣等的大小、颜色在烘干前后要区分开来，由于图像处理软件的鲁棒性很好，配合用自然光源可以满足要求，无需区别葡萄、红枣的纹理及其他细节需求，不必借助人工光源。因此，根据实验要求自然光源能满足实验要求。

2.2 图像接收模块

图像接收模块用CMOS类型摄像机，此摄像机具有可以将接收图像信号变成电压信号输出、速度块，结构简单、能源消耗较小。其内部器件传感器参数:像素超过百万，A/D转换精度10位，分辩率1280×1024，40帧/秒，图像窗口可无级设置帧率也随之变化。

摄像机镜头和摄像机配合使用，镜头主要参数:焦距f(mm)选择要合适，其大小决定着视场角的大小，f数值太小，虽然观察范围扩大了，可能远距离的物体分辨不清楚，反之f数值太大，可能观察范围不能满足要求，所有要确定好f的大小，可以通过公式求得:

其中:L为芯片的长边或短边;u为物距;FOV即是相应方向的物体大小。由于焦距和视场角是一一对应的，唯一的焦距对应着唯一的现场角，所以在选择镜头时，应先根据式(1)初步计算焦距数值。

当镜头的焦距确定后，物距u可由下式确定:

F表示采光能力(镜头光圈大小)，d为有效孔径。因为根据式(3)d越大，f越短，F越大，即采光多，而到达像面的光照度和F的平方成正比，光圈每调大照度就采光能力增加更大。所以应根据被实验现场的光线变化程度来选择用手动光圈还是自动光圈镜头。F值越大采光能力越强，价格也越高，综合考虑系统选 F(1∶1.8)，焦距为50 mm，手动调节。

2.3 数据采集

在实时采集图像的过程中，目标与摄像机之间是有相对运动的，为了获得的较好的图像，要确定好光圈的大小。

1)光圈值的确定。物体在一定空间内成像都是清晰的，图像质量也有保证，超出这个范围时，对比度会下降，这个距离就是物体在景深范围内。而景深和光圈的大小关系最密切。光圈越大，景深越小。因此在实时采集数据前，要根据烘干的葡萄、红枣大小尺寸调整光圈大小，以保证不同大小的蔬果都能清晰可见，便于后期的图像处理。

2)曝光时间的确定。在光圈值确定了的情况下，曝光时间的长短与图像的清晰度直接相关。如果光照不变，一般情况快门速度可以拍摄到清晰的照片。一般情况光源的强度不够，快门速度应地减慢，否则会导致采集的图像出现运动模糊。出现这种情况下，图像处要进行图像恢复操作。

3 视觉图像采集系统软件设计

系统软件设计采用VB程序语言，包括主程序和各个子程序模块，其中主程序下各子模块程序相对独立，这样便于对程序修改、应用方便灵活。各个功能模块主要包括系统初始化、串口参数设置及控制、图像的实时显示和历史数据的显示等。软件流程图1所示。

图1 系统软件整体流程框图

3.1 系统的初始化和串口通讯参数设置

系统的初始化主要包括数字摄像头、实时显示界面、历史数据显示界面、内存画图等初始化等功能。实时显示界面主要是适应摄像头的分辨率，其对象内部的水平属性设为1280，垂直属性设为1024;历史数据显示界面对象内部的水平属性设为600，而颜色值范围为0～255，则垂直属性设为255;内存画图主要是创建一个与窗体相兼容的设备场景，并创建一个与窗体同样大小的矩形区域;数字摄像头的参数设置主要通过InitialDevice函数完成。在窗体的Load事件中通过Status=BeginHVDevice(1，hhv)初始化摄像头，通过调用InitialDevice()子过程对摄像头的参数进行设置，分辨率初始化、采集方式设置为连续采集、增益设置各个分量的增益、AD转换级别置成级别2。

系统中串口通讯的作用是实现上位机依据图像分析的结果向下位机发送“0001”或者“0000”命令，从而控制远红外加热板的通电和断电。串口控制模块封装了串口控制函数，如串口初始化、发出控制信号、接收信号、关闭串口。为了软件的可扩展性，串口参数设置部分主要包括串口的选择、波特率、数据位、校验位和停止位的选择，在此系统中，默认的设置时 COM1、9600、8、None、1。当 C 点击“打开串口”按钮时，串口按照 Combo1、ombo2、Combo3、Combo4、Combo5的Text属性里的数值打开串口，在Timer1的Timer事件中，当符合参数要求时，通过“MSComm1.OutBufferCount=0，MSComm1.Output=outbte”两条语句向串口发送数据，从而控制远红外加热板的打开和关闭。

3.2 后台数据分析系统

图像的实时显示，图形画面可现实干燥箱内的干燥状况，工作人员可以实时监控数据。在VB本软件使用的是PictureBox控件来完的，为了将采集来的画面按比例显示在窗口中，在程序中将此控件的度量单位设置成Pixel，宽度和高度分别设置成数字摄像头当前采用的分辨率。依据在中等亮度的光刺激下视觉暂留时间 为0.05～0.2 s，画面更换时间间隔即Timer控件的Inteval属性设置为100 ms。

历史数据的显示，历史数据现实画面，通过此模块可以了解现在是是处于远红外加热阶段是处于两批蔬果更换间歇阶段。软件画面中实现数据曲线显示可以通过PictureBox控件或者MSChart控件，当数据更新较快时MSChart控件存在闪烁现象，且机器速度越慢闪烁现象越明显，最终消闪的办法还得通过内存，所以本软件通过Picture控件通过内存直接画图。

软件包括4个按钮:开始、结束、打开串口和关闭串口。系统运行后，实时显示界面的外观和位置已经设计好，历史数据显示界面的外观和位置也已经设计好，数字摄像头和串口都已经被初始化，但数字摄像头还不能采集数据。点击开始按钮，摄像头开始采像，并将每帧图像的平均值存在txt文件里，但不能将分析结果传给下位机;只有同时点击打开串口按钮，才会将不同于上次的分析结果传给下位机。当结束软件时，首先点击关闭串口，停止向下位机发送数据，然后点击结束按钮，这是数字摄像头停止采集图像，并且软件退出。

3.3 系统的技术性能指标

本文提出的计算机视觉对蔬果进行烘干的新办法是一种快速而有效的办法。分析了蔬果上位机干燥控制系统组成、参数，并提出了机器视觉软件算法。

视觉图像通过HVApi的ConvertBayer2Rgb函数获得此图像每个像素参数，判断与标定值的关系，如果大于标定值(根据烘干的果蔬要求的颜色、大小等)，则认为是烘干开始，给下位机传送打开命令，从而远红外加热板通电;如果小于标定值，给下位机传送关闭命令，远红外加热板停止工作。下面列出部分主要代码。

启动数字摄像机，采集图像数据到内存:

4 结束语

本文研究了基于视觉变量的远红外蔬果干燥的控制问题，给出了控制系统的结构与通讯方法，通过系统硬件和软件的结合，实验证明了基于视觉算法烘干的可行性，表明可以用于蔬果烘干系统的实时控制。

［1］赵茂程，侯文军.我国基于机器视觉的水果自动分级技术及研究进展［J］.包装与食品机械，2007，25(5)：5-8.

［2］应义斌.水果尺寸和面积的机器视觉检测方法研究［J］.浙江大学学报，2000，26(3)：229-232.

［3］章文英，应义斌.苹果图像的预处理及尺寸检测［J］.金华职业技术学院学报，2001(1)：23-25.

［4］高华，王雅琴.基于计算机视觉的农产品形状分级研究［J］.计算机工程与应用，2004(14)：227-229.

［5］冯斌，汪懋华.基于计算机视觉的水果大小检测方法［J］.计算机工程与应用，2003，34(1)：73-75.

［6］王俊，许乃章远.红外干燥香菇及苹果的机理研究［J］.农业机械学报，1992，23(3)：43-48.

［7］LIU Y Y，WANG W.Development and Research of Main-Machine SoftWare on Variable Sprayer Based on Computer Vision［J］.International Conference on Management Science and Intelligent Control(ICMSIC).2011，24：71-73.