浅谈淡水珍珠品质快速自动化鉴定装置系统设计与应用

李月樵，涂王平，施秧，王学武，赵德

（1.金华市质量技术监督检测院，浙江 金华 321000；2.浙江科技学院，浙江 杭州 310000）

珍珠的价值根据其大小、形状、光泽、瑕疵、颜色等特性进行分级，特别是珠宝级淡水珍珠的价值非常高，所以对珍珠进行等级鉴别分选显得尤为重要。作为珍珠生产的一个重要环节，淡水珍珠的快速等级评判和自动分选一直缺乏科学、有效的技术方法，目前，淡水珍珠的颜色、光泽、形状、瑕疵等等级评判主要依靠检验人员的目视鉴别。这种鉴别方式很大程度上受人为主观因素的影响，导致鉴别误差大、分选质量差、人工成本高、分选效率低，从而给整个珍珠生产加工业带来巨大的拖累。所以，迫切需要一套自动化检测系统来提高效率。本文根据淡水珍珠固有特点建立详细的分级标准，并研制高精度珍珠自动鉴定设备将对我国珍珠业的发展起到重要的促进作用，有利于提升我国珍珠业的国际地位、对提高产业效益、走出珍珠生产加工业的“高产陷阱”，将带来明显的社会和经济效益提升。

1 淡水珍珠品质快速自动化鉴定装置系统设计

现阶段淡水养殖珍珠等级主要从颜色、大小、形状、光泽、光洁度、珠层厚度（有核珍珠）6 个方面进行判定。国家标准GB/T18781-2002《养殖珍珠分级》和行业协会制定的《中国淡水珍珠标准样品3SLC 质量评价体系图解》为这6 个方面的等级分级提供了量化的判断依据和实物标准。目前国内对珍珠等级的确定需要经验丰富的人员手工分拣确定（淡水珍珠直径需在9mm 以上），通过将待分级珍珠与标准珍珠样品仔细比对进行确定，费时费力，并且手工分拣的准确度和一致性难以保证。为解决企业实际需求，设计了一套珍珠自动分级装置，其系统设计工作流程如图1 所示。

图1 淡水珍珠自动分级系统设计流程图

2 淡水珍珠品质快速自动化鉴定装置的硬件设计

2.1 主要组成部件

该淡水珍珠品质快速自动化鉴定装置由以下几个主要部件组成：照明系统（光源采用标准A 光源），光谱仪，工业相机，光学积分球，计算机以及检测附件等。

2.2 工作步骤

打开仪器开关后，仪器自动进行参数初始化：标准白板校正、暗背景校正和机器视觉初始化。初始化完毕后进行信号采集预处理，包含图像灰度化处理和光谱数据预处理。预处理完成后即对圆度、瑕疵、颜色、光泽度进行自动化检测。检测完毕后自动生成等级鉴定报表。全过程除了拿取珍珠以外，全部由机器自动检测，实现高效、准确。

图2 淡水珍珠自动分级系统设计图

2.3 硬件结构设计

本装置利用机器视觉分析技术和光谱分析模式识别技术对珍珠进行分级检测研究。在合理有效的硬件系统的配合下，使用光学设备获取所需分选珍珠的图像和光谱信息，并进行特征信号提取和分析，最后根据形状、瑕疵、颜色和光泽度检测结果参数，对珍珠进行合理的鉴定和分级，其设计结构如图2 所示。

3 工作原理

3.1 形状检测

本系统依靠机器视觉识别系统对淡水珍珠的圆度检测。珍珠机器视觉识别系统在二维图片基础上，能够对360 度各个观察面的直径和整体圆度做出快速而准确的评估，目前机器视觉对类圆形状判定算法已经十分成熟可靠。

3.2 瑕疵检测

珍珠上的纹理难有规律可循，可分为无暇、微暇、小暇、瑕疵和重疵五类，更细分还可以分成小花点、小花皮、隐螺纹、中花点、中花皮、浅螺纹、大花点、大花皮、深螺纹、花点花皮等，此外还有毛片、乌心、白带、剥皮、白头等情况。某些纹理特征在珍珠图像中的表现非常接近，很难区分，比如，花皮和毛片。除了纹理检测本身困难外，照明环境对获取均匀清晰的珍珠图像有很大的影响，不均匀的照明会使珍珠表面各部分反光不一致，造成局部强光现象，在珍珠的表面形成高光区很容易被检测出来，而被误判成珍珠的瑕疵。考虑淡水珍珠是半透明体的，本装置检测系统光照部分采用透射照明检测方式，使珍珠检测面转变为一个近似的自发光体，以降低高光区的不良影响。

3.3 颜色和光泽检测

目前在对复杂样品的颜色检测时，例如，曲面的颜色、有凹凸图形、结构色的样品（如珍珠、鹦鹉羽毛）时，通常不适用直接用常规色差计等颜色检测设备。而工业机器视觉相机是一个面阵探测器（CMOS/CCD）需要在前面增加三原色滤光片获得RGB 信息，但也是有限的，不能准确测量颜色与光泽。而通过光谱分析技术颜色检测方式可以获得更大色域空间的XYZ 值，Y 值同时表征了珍珠反射光强度，与珍珠光泽度存在确定的相关性关系。所以，珍珠颜色和光泽检测采用可定量分析的光谱分析法，测试结果实现比人眼更加精确和客观。同时，珍珠颜色和光泽进行检测时,必须保证照明光源为国际颜色检测标准光源，否则，会严重影响珍珠颜色的识别准确度，所以系统采用颜色检测CLEDs-全波段均衡LED 光源，色温为2856K。珍珠快速分等分级检测仪如图3 所示。

图3 淡水珍珠品质快速自动化鉴定装置实物图

其中圆度和瑕疵检测由机器视觉图像处理技术完成，而系统主要的关键技术在于珍珠的颜色和光泽检测，珍珠表面色彩可分为白色系列、红色系列、黄色系列、黑色系列等色系，颜色识别模块要求能够按照白色、红色、黄色、黑色等色系进行自动分选，同时，在同一色系内的珍珠按照光泽度差异再度分选。本系统中，采取光谱分析技术统计学习分类作为珍珠颜色与光泽度的分级方法。图4 为相同圆形直径不同颜色和光泽珍珠的光谱对比图。

图4 浅红色（左）和青白色（右）淡水珍珠光谱分析对比图

如上对比图所示，系统检测光谱的波长范围是380nm-1100nm,可以明显看出不同颜色珍珠在光谱图上有着明显的差异。检测系统通过采用CIE 国际标准颜色XYZ 色域算法得出对应的标准的XYZ 色域空间值xyY。其中Y 值表示反射光的强度，与光泽度有着密切的联系。

4 结语

本套淡水珍珠品质快速自动化鉴定装置除了采用机器视觉技术进行珍珠的大小、形状和瑕疵分级方法，还采用了自己的专利技术，将光谱分析技术统计学习分类作为珍珠颜色与光泽度的分级方法，检测波长380 ～1100nm，通过多次测量不同部位的反射光谱，再做建模分析得到修正预测模型，将修正预测模型与各光泽度等级光谱做比对，从而确定光泽度等级，可以高效、精确地对淡水珍珠进行分等分级。