摘要：针对传统人工检测方法费时、耗力和精度低等问题，构建了由电控子系统和机械机构2部分构成的单目步进旋转式图像采集平台，并研制了1款由LED阵列组成的双平板式散射光源，并编制了采集软件。对散射光源的亮度和均匀性以及转动置物台的载荷能力进行了测试，发现被测区域亮度的最大偏差为9.8 lx，置物台承受质量 261.89 g 的负载也不会令步进电机运行失步，能满足实际使用需要。研究结果将为荔枝果品质的自动化无损检测平台的构建提供参考。
关键词：荔枝果；品质检测；图像；采集平台
中图分类号： S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0381-04
荔枝起源于中国，是世界名果，我国荔枝鲜果年产量接近200万t[1-2]。荔枝大量上市时间在6月至7月上旬，由于收获期集中，加上鲜果不耐贮藏，高峰期日均上市量达3万t以上，鲜销和加工处理压力大[3]。荔枝被采摘后一般需经过品质检测与分级处理再进入销售环节，其品质检测与分级处理以手工操作为主，费时耗力。因此，研制用于荔枝果品质无损检测的自动化设备显得很有必要。
目前，水果品质无损检测有介电特性检测技术[4]、高光谱检测技术[5]、基于可见光波段的机器视觉图像技术[6]等。其中，介电特性检测、高光谱、近红外等技术在内部品质的检测精度上具有一定的优势，但设备昂贵；传统的可见光成像设备成本更低，更易于实用化和推广普及。本试验主要研究以单片机、平行散射光源、摄像头、步进电机为核心的图像信息采集硬件平台的研制，以该平台采得的荔枝果多角度图像可为鉴定荔枝果的各项品质指标提供客观依据和特征信息。
1 采集平台的硬件部分
现有的水果图像采集设备，大多为单目单角度、双目单角度或三目单角度结构，1次采集只能反映水果1个、2个或者3个侧面的特征信息，通过人工翻转水果进行多次图像拍摄才能把水果表面的所有特征信息记录下来；有少数采集设备应用了自动旋转式结构的置物台[7]，用直流电机控制转台，旋转1周的时间段内，摄像头进行间隔性采样拍摄。该方法受直流电机的特性影响，同一个样品的采样图像之间的旋转角度大小有可能不一致，受摄像头快门的限制，样本的旋转速度高，成像清晰度必然降低；转动速度降下来将导致样本的图像采集录入效率低。针对上述问题，构建了单目（单个摄像头）旋转式多角度图像采集平台，以单片机控制步进电机实现旋转角度精确定位。平台的硬件部分由电控子系统和机械机构2个部分组成。
1.1 电控部分
该部分以PC机为上位机，单片机为下位机。PC机发出采集命令，单片机控制步进电机驱动置物台旋转一定的角度后，由摄像头拍摄样本图像存储在PC机硬盘中（图1）。旋转驱动选用东方PK245-01A型步进电机[8]（最大静止转矩为0.32 N/m，转子转动惯量J为68×107 kg/m2，基本步进距角为1.8°）。
步进电机控制电路采用TB6560集成解决方案（图2），其OSC引脚是斩波频率控制端，这里须外接振荡频率调整电容（图2，C6），根据公式1确定其容量[9]。
上式中的fosc单位为kHz，这里定为400 kHz，可算得调整电容Cosc的容量为100 pF。RESEF为芯片的复位脚，低电平有效。CLK、ENABLE和CW/CCW引脚分别是驱动脉冲、使能信号和正反转控制信号输入引脚，经过光电耦合器隔离后与单片机输出的控制信号相连，以实现对电机转速、使能和转向的控制。M1、M2、DCY1、DCY2、TQ1、TQ2分别为细分、电流衰减和扭矩电流的控制信号输入引脚（表1）。综合考虑转动过程中的平稳性与力矩大小并经实际运行试验调整，将控制参数设定为1/8细分、50%扭矩电流和50%电流衰减。电流采样电阻是与绕组线圈串联的（阻值为1.2 Ω），电机供电压为19 V，线圈电阻3.3 Ω，可算得绕组不间断通电时的满载电流约为4.2 A，经过2次50%的衰减后，实际工作时，流过电机绕组的有效电流为1.06 A。
下位机是以ATmega 128 L单片机为核心的嵌入式系统，提供与上位机通信的RS-232串行口和步进电机控制信号输出接口（图3）。下位机通过软件程序控制ATMega 128 L的PG1、PF2、PF3的3个I/O口分别输出控制步进电机启/停、正/反转和步进时钟所需的逻辑电平信号。
为降低外界光照的影响，增强拍摄样本图像的亮度、对比度和清晰度，让图像信息更好地反映出荔枝果的颜色和纹理特征，本研究设计与制作了1套平板散射式白色光源（图3）。光源由2块矩形万能板（尺寸：50 mm×150 mm）组成，每块板上按照中间密集四周稀疏的原则分布有34个能发出白色光的LED（表2）。在平板LED光源的基础上，增加了1副 Acrylic 材质的散光板，以提高照射到待测样本上的白光的均匀性。光源采用3.3 V直流电源供电，采取独立支路限流法使每个LED的工作电流约为10 mA。
系统中的上位机为DELL E4300型便携式计算机，这里通过以PL-2303芯片为核心的“USB-to-232”转接数据线与下位机的RS-232接口进行通信，通信波特率设定为 9 600 b/s。系统中的图像采集设备为D881 HD720P型USB接口摄像头（最高分辩率为1 280×720）。
1.2 机械机构部分
平台式的机械机构部分由底座、挡板、电机支架、光源与摄像头安装支架等几部分构成（图4）。平台底座为1块 5 mm厚 330 mm×200 mm大小的铝质板材。为提供白色背景，在摄像头0°视场角方向，步进电机支架的前、后分别用L型不锈钢角码固定安装1块250 mm×80 mm和1块 250 mm×250 mm的白色亚力克板，厚度为4 mm。同时，在前挡板和后挡板表面贴有表面粗糙的白纸，防止反光。
为避免外界光源对采集系统成像质量的不良影响，设计并采用规格为200 g的黑色卡纸制作了1个尺寸为360 mm×300 mm×300 mm遮光罩，该罩内壁为全黑色，覆盖于系统上，可屏蔽外界光。
2 采集平台的软件部分
采集平台的软件部分包括上位机数据采集软件、下位机步进电机控制程序和分布式系统通信协议3方面的内容。
2.1 上位机数据采集软件
上位机软件是MATLAB R2011b软件平台上开发的GUI软件（图5），主要完成电机动作命令发送，图像采集命令发送，图像信息录入、显示和保存等工作。每个样本均采集5幅图像，每幅图像的旋转角度相隔72°，5幅图像采集完毕时，荔枝果样本旋转了288°，其表面信息被全部采集完毕，能较好地全面反映荔枝果样本表面的颜色和纹理信息，为后续的数据分析和建模奠定基础。
2.2 下位机步进电机控制程序
下位机步进电机控制程序是在ICC AVR 7.22集成开发环境中用C语言编写的，主要完成对上位机下发命令的监听与接收、步进电机驱动控制和向上位机回送响应信息3项任务（图6）。
2.3 分布式系统通信协议
分布式系统中的上位机与下位机之间的通信采用10位异步串行通信帧标准格式，即1位起始位、8位数据位、1个停止位，无奇偶校验和硬件数据流控制，并采用附加校验和的方法保证通信可靠性。同步字符定义为0x55，电机动作命令字符设定为0xAA，下位机响应信息字符定义为0xFF。上位机发出的命令与下位机回送的响应信息均采用3个字节的数据串格式，即：第1个字节为同步字符，第2个字节为命令（或响应）信息，第3个字节为无符号校验和。经数百个样本的图像数据采集试验，这样的校验方式效果理想，在硬件连线无误和硬件资源没损坏的情况下，能保证每次均能通信成功。
3 采集平台的试验
光源的亮度和均匀性对样本拍摄的成像质量有重要影响，因此，在进行样本图像采集试验前有必要对前述散射光源的效果进行试验，并测试其照射到置物台及附近的亮度和散射均匀性指标。此外，置物台的旋转是由步进电机带动的，当负载所带来的阻力超过电机的启动扭力时，电机机轴的转动就有可能失步，导致转动行程产生较大误差，有必要先对置物台转动载荷能力进行测试。
3.1 光源效果测试试验
3.1.1 材料与方法 （1）材料：方格纸（每格尺寸：30 mm×30 mm）、图像采集平台、散射光源、直流3.3 V电源、HT-860照度计。
（2）步骤：
① 将采集平台后挡板处位于置物台正上方大小为 90 mm×90 mm的区域等分成9个小方格（图7），以左上角为原点，按行列编号形成方格坐标；
② 在19：00开启光源，预热5 min；
③ 关闭室内照明系统，用照度计测量每个小方格中心位置的照度值，重复2次并记录数据；
④ 关闭散射光源，用照度计测量每个小方格中心位置的照度值，重复2次并记录数据。
3.1.2 结果与分析 在夜晚关闭散射光源和室内照明系统时，测得每1个小方格中心位置的照度值均为0 lx，因此可推断：开启散射光源时测得的光照度绝大部分是由散射光源作用产生的，外界光源微弱，可忽略不计（表3）。均匀性参数采用方差分析统计方法得到，以9个小方格2次测量的照度均值作为输入数据，统计并计算，可得到如下结论：
光照度分布较均匀，最大偏差（绝对值）仅为9.8 lx，散射效果较理想，满足拍摄光源光照度分布要求。
3.2 置物台转动载荷测试试验（图8）
3.2.1 材料与方法 （1）材料：图像采集平台、量角器、5个不同质量的负载（2个砝码和3个钢球）、下位机、步进电机电源及其驱动电路模块、SF-400C型精密电子秤。
（2）步骤：
① 开启电子秤，调零校准，顺序测量5个负载的质量，重复2次并记录数据；
② 将量角器安装在电机架上方置物台下方的位置并固定好，量角器圆心与轴心重合，量角器平面与置物台平面平行（图8）；
③ 将简易角度指针粘贴在置物台边缘位置；
④ 取出其中1个负载放置在置物台上，手动旋转置物台使指针指向0°；
⑤ 编程使单片机驱动步进电机旋转4次，每次旋转72°，合共288°，每2次旋转之间延时1 s；
⑥ 读取并记录指针所指角度值；
⑦ 重复步骤④、⑤和⑥，直至完成全部5个负载的旋转行程测量；
⑧ 重复步骤④、⑤、⑥和⑦，完成第2次测量。
3.2.2 结果与分析 置物台载荷测试数据表明，5个负载在测试中均能按既定行程到达目标位置，重达261.89 g的负载加到置物台上也不会令步进电机运行失步，单颗成熟荔枝果的重质量少有超过50 g（表4）。因此，本系统中的旋转机构，其力矩足以满足转动单颗荔枝果的要求。
4 结束语
为实现对荔枝果表面纹理和颜色特征信息的全方位采集，构建了1套由电控子系统和机械平台2部分构成单目步进旋转式图像采集平台，并对散射光源的亮度和均匀性进行了测试，结果表明光照在被测区域的投射分布较均匀，能满足样本拍摄光源光照度分布要求；测试了置物台的转动行程，证明该置物台可满足转动单颗荔枝果的要求，为实现荔枝果品质的自动化无损检测提供了平台软硬件技术参考。
参考文献：
[1]李建国. 荔枝学[M]. 北京：中国农业出版社，2008：3-8.
[2]胡卓炎，余小林，赵 雷，等. 荔枝龙眼主要加工产品生产现状[J]. 中国果业信息，2013，30（6）：13-19.
[3]陈厚彬，庄丽娟. 关于促进我国荔枝产业发展的政策建议[J]. 中国热带农业，2011（1）：14-15.
[4]Oda M，Mase A，Uchino K. Nondestructive measurement of sugar content in apples by millimeter-wave reflectometry[J]. Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves，2012，33（2）：228-236.
[5]Gómez-Sanchis J，Lorente D，Soria-Olivas E，et al. Development of a hyperspectral computer vision system based on two liquid crystal tuneable filters for fruit inspection application to detect citrus fruits decay[J]. Food and Bioprocess Technology，2014，7（4）：1047-1056.
[6]Cubero S，Aleixos N，Albert F，et al. Optimised computer vision system for automatic pre-grading of citrus fruit in the field using a mobile platform[J]. Precision Agriculture，2014，15（1）：80-94.
[7]殷 勇，陶 凯，于慧春. 基于机器视觉的苹果分级中特征参量选择方法[J]. 农业机械学报，2012，43（6）：118-121，127.
[8]Motor O. Stepping motors general catalog[M]. Tokyo：Oriental Motor Corp，2012：A313-A316.
[9]Toshiba. TB6560AHQ，TB6560AFG PWM Chopper-Type bipolar driver IC for stepping motor control[M]. Tokyo：Toshiba Corp，2008：2-6.