基于MATLAB与VB混合编程的哈密大枣品质检测研究_祁想想.pdf

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1、基于 MATLAB 与 VB 混合编程的哈密大枣品质检测研究祁想想,马本学,屈年巍,肖文东(石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子?832000)摘?要:基于 V isual Basic 6.0设计了应用软件的用户界面,用 SOLIOS图像采集卡与 CCD 摄像头连接采集数据,构建了基于机器视觉的哈密大枣自动检 测系统,并利用 M atlab7.6图像处 理工具箱,通过各种算 法的比较和 验证,确定了最佳背景分割方法,找到有利于哈密大枣的特征提取、品质(缺陷、大小、颜色等)自动识别的方法,为哈密大枣自动化检测生产奠定了基础。在图像采集中,调用图像采集卡驱动程序,实现图像的储存。图像处 理中

2、,应用颜色空间转换、小波消噪、阈值分割和数学形态学处理等方法,快速准确识别其品质,利用 VB的 ActiveX组件,在 V isual Basic中直接调用 M atlab图像处理程序,实现对哈密大枣品质的自动检测。关键词:哈密大枣品质;自动检测;VB;M atlab;图像处理中图分类号:TP391.41;S126?文献标识码:A文章编号:1003-188X(2011)08-0156-050?引言哈密大枣作为我国新疆地区特色水果,目前国际和国内研究的人不多。哈密大枣要走绿色食品和品牌战略的路,必须加强其品质的检测。由于现在红枣的检测仍采用原始的人工分级方法,容易受到检测人员身体素质和精神状态影

3、响,主观因素较大,效率低,漏检率高,劳动强度大,因而影响红枣品质指标的评价。例如,对于红枣果形、颜色、缺陷,仅仅依靠传统人工方法很难做到精确评价。现代图像处理技术和软件工程的快速发展,使哈密大枣品质自动检测成为可能。同时,红枣品质分级是进行红枣自动化分级的关键环节。随着计算机技术的迅速发展,计算机以及视觉设备价格大幅度下降,速度成倍提高,为计算机视觉技术的广泛应用创造了条件 1。M atlab全称是 M atrix Laboratory(矩阵实验室),它是一种专门用于矩阵数值计算的软件,在矩阵运算上有自己独特的特点。这一特点也就决定了 M atlab在处理数字图像上的独特优势。MATLAB 语

4、言可以提供与矩阵有关的强大的数据处理和图形显示功能,具有丰富的程序工具箱,在控制系统、图像处理、信号处理和神经网络等方面都有广泛的应用 2-4,为软件开发人员在程序编制过程中实现数值计算和图形增添收稿日期:2010-07-20基金项目:石河子大学高层次人才科研启动资金专项(RCZX200941)作者简介:祁想想(1988-),男,河南信阳人,硕士研究生,(E-mail)qxx_shz 。通讯作者:马本学(1970-),男,新疆石河子人,教授,硕士生导师,(E-mail)mbx_shz 。了又一行之有效的开发平台。但是,MATLAB 的界面功能比较弱,给人机界面的开发应用或软件演示系统带来不便。

5、与之相比,V isual Basic避开了 C+编程过分繁琐和抽象的缺点,能编制优良的可视化界面,缺点在于运算速度慢,不适合进行大型的数值计算和图形处理。为了提高工程计算软件的开发效率和质量,用 VB 来设计界面作为主程序,调用 MATLAB编写的子程序,以此开发出高质量、高性能的工程计算软件系统当属首选方案。1?哈密大枣自动检测系统1.1?系统工作原理哈密大枣分级系统示意图如图 1所示。图 1?图像处理与分级系统框图其基本工作原理:输送装置连续输送哈密大枣至摄像室,摄像头对运动的哈密大枣群体进行图像采?156?2011年 8月?农 机 化 研 究?第 8期集,所得的哈密大枣图像经视频解码器后

6、读入电脑,由 MATLAB软件对哈密大枣图像进行预处理;然后,对预处理后的数据进行模式识别,并将识别的结果与制定的标准进行比较分析;最后,将计算结果作为分级信号传送给分级装置(PLC系统),实现分级。1.2?图像的采集与存储本系统分为硬件系统和软件系统。其中,硬件系统包括 cv-m7+cl相机、可调亮度白色 LED光源、光电传感器、SOLI OS图像采集卡、可调速传送装置、计算机等设备;软件系统为 VB6.0,MATLAB2008图像处理工具包,M IL9.0图像采集软件。首先,将 SOLI OS图像采集卡安装在电脑中,并安装驱动程序,用其自身的视频软件调式,使设备能够正常运行。然后,在 VB

7、 中引用部件(如图 2所示),选择 Active M I L,在工程中添加控件,调用相关函数,将采集的图像记录和储存。图 2?VB中引用的部件Active M I L9.0是一个遵循 OCX标准的组件包,开发者可快速在 VB 应用程序中增加 Application,Sys-te m,I mage,I mageProcess和 Display等相关组件,通过对组件的属性设置和各类方法调用,实现对哈密大枣图像的采集和存储 5。1.2.1?系统开发中 I mage的初始化程序?Di m GrabBuffer1 as Image?GrabBuffer1.SizeX=1000?GrabBuffer1.S

8、izeY=1000?GrabBuffer1.DataDepth=16?GrabBuffer1.F ileFormat=i mRaw?GrabBuffer1.System=System1?GrabBuffer1.Allocate?GrabBuffer1.C lear01.2.2?系统开发中 I mage的图像存储SequenceBuffers(i).Save(I mage_path+?/i mage?+picturepath+?/x?+CStr(Sequence ountnow)+?a?+CStr(i)+?.raw?)2?图像处理系统编程实现2.1?VB与 Matlab接口为了提高工程计算软件的

9、开发效率和质量,采取把 VB可视化编程语言和 Matlab工具相结合的办法,充分利用 Matlab的运算功能和 VB的开发界面方便的特点进行混合编程,即用 VB来设计界面作为主程序,调用 MATLAB编写的子程序实现图像处理功能,以此开发出高质量、高性能的工程计算软件系统。其过程是利用 ActiveX技术实现 VB对 M atlab的调用 6。ActiveX部件是 M icrosoft公司提供的一种用于模块集成的协议,它是一些遵循 ActiveX 规范编写的可执行代码,如一个*.exe,*.dll或*.ocx文件。在程序中加入 ActiveX部件后,它将成为开发和运行环境的一部分,并为应用程序

10、提供新的功能。ActiveX部件保留了一些普通 VB控件的属性、事件和方法。Ac-tiveX部件特有的方法和属性大大地增强了程序设计者的能力和灵活性。ActiveX实际上是在调用一种部件,而无需要求该部件对应的程序正在运行,这会使得其功能更加强大。调用过程编程如下:在 VB下建立一个新窗口,它的上面有 4个控件。其中,有 2个 Command按钮,VB名称分别为 Comm and1和 Command2。Command1用来调用 MATLAB程序,Command2用来退出程序。另外,还有 1个 TextBox控件,VB名称为 Text1,用来接收 MATLAB命令;再有 1个为 T ext2控件

11、,VB名称为Text2,用于显示计算结果。设计本程序的初衷是:当按下 VB 调用 MATLAB按钮 Comm and1时,程序便运行事先在编辑框 T ext1中编辑好的 MATLAB语句,并将其结果在 Text2控件中显示出来。实现过程如下:1)建立一个 VB窗口,在其变量声明部分:?Di m M atlab AsObject2)在其代码窗中给按钮设定下面的响应命令:?Private Sub Command1 C lick()?Set M atlab=CreateObject(Matlab.Applica-tion)?Text2.text=M atlab.Execute(T ext1.Text

12、)?End Sub3)在文本框内编辑 matlab图像处理的程序段。2.2?利用 M atlab进行图像处理2.2.1?哈密大枣的颜色空间转换由实验系统采集到的哈密大枣图像为彩色图像,?157?2011年 8月?农 机 化 研 究?第 8期是由 R,G,B 等 3种基色组成的合成图像。为了方便处理和提高处理速度,将 RGB 图像转换为 HSI图像。其中,H 表示色度(H ue),代表颜色的类型;S 表示饱和度(Saturation),代表颜色的纯度;I表示强度(Inten-sity),代表光亮的强度。其中,I分量与图像的彩色信息无关,通过图像的滤波处理可以将图像由原来的三维降至一维,减少了 2

13、/3的运算量,从而显著提高运算速度。实际计算的H 值可由式(1)确定。式中,R,G,B 分别代表红、绿、蓝三原色刺激值 7-8。I=(R+G+B)/3S=I-M in(R,G,B)/3W=cos-12R-G-B2R2+G2+B2-RG-GB-RB(1)H=W?(B?G)H=2?-W?(B G)通过颜色空间转换后的哈密大枣图像结果如图 3和图 4所示。图 3?RGB模型下的图像图 4?HSI模型下的图像2.2.2?图像背景分割采集到的哈密大枣图像中包括哈密大枣和背景两部分。本系统是对图像中哈密大枣进行外形上的检测识别,必须准确地确定目标与背景。因此,首先要将采集到的哈密大枣图片进行背景分割。图像

14、分割(i m age segm entation)是数字图像处理领域中一类非常重要的图像分析技术,主要是根据图像在各个区域的不同特性,而对其进行边界或区域上的分割,并从中提取出所关心的目标。哈密大枣的自动分级系统最终要应用于实际的生产线上,采用单一分量进行背景分割速度快,有利于生产效率的提高;同时,本系统的水果传送装置为绿色,背景和哈密大枣图像的交界处色调值表现出很大的变异性,适合采用阈值法进行分割。因此,本系统采用阈值法对图像色调值分割处理哈密大枣图像的背景 9。2.2.3?阈值分割对于图像 f(x,y),对其取 k个阈值后,图像可用式(2)表示。当 Tk-1 f(x,y)Tk时,则有g(x

15、,y)=k(k=0,l,.,k)(2)阈值选择的恰当与否对分割的效果起着决定性的作用。经典的阈值选取方法有以下 4种:极小值点阈值选取方法、最优阈值搜寻方法、迭代阈值选取方法以及大津法(OTS U法)。通过这 4种方法中的一种或几种,在一般情况下能够选择出合适的阈值点,进而可以对图像进行准确有效的分割。阈值分割算法是通过阈值来定义图像中不同目标的区域归属,在阈值确定后,通过阈值分割出的结果直接给出图像的不同区域分布。阈值分割算法基本的处理方式是:先在图像的灰度取值范围中选择一灰度阈值,并对图像全部像素点应用该阈值。一般说来,经由此阈值分割的两部分像素点分属图像中的不同区域,这也就使利用阈值对图

16、像进行区域分割成为了可能 10。2.2.4?噪声去除基于 MATLAB与 VB混合编程的哈密大枣分级系统是一个涉及到光、电子、计算机和机械的复杂系统,其各个环节都可能产生影响系统图像清晰度,这必然影响到识别处理全过程以及输出结果,甚至可能因此做出错误的识别。所以,对哈密大枣图像识别之前,必须对图像质量加以改善,平滑噪声同时尽量保持图像细节。噪声去除处理可以有效地抑制噪声,同时能够增加图像的对比度,有利于图像的识别处理阶段提取图像特征 11。中值滤波、小波去噪和数学形态学算子 12的方法是常用的噪声去除方法。中值滤波具有抑制噪声和很好地保护图像边界信息等优点;数学形态学算子具有消除细小物体、再纤

17、细点处分离物体和平滑较大物?158?2011年 8月?农 机 化 研 究?第 8期体的边界时又不明显改变其面积的作用。通过阈值分割及噪声去除后的效果图如图 5和图 6所示。图 5?二值化图像图 6?去背景图像2.3?执行机构中 VB与 FX系列 PLC的通信执行机构采用基于 PC机为上位机的 PLC控制系统。PLC控制系统通过控制变频器控制传送带的传送速度和电机系统,从而实现哈密大枣的分级。分级装置必须依据所连接 PLC的通信规程来编写通信协议,所以应先熟悉 FX系列 PLC的通信协议,在 VB中实现与 PLC的通信 13。VB编程实现与 FX系列 PLC通信的主要代码如下:MSComm 1.

18、CommPort=1 通信口MSComm 1.Settings=9600,E,7,2 串口参数设置MSComm 1.Handshaking=0 握手信号MSComm 1.InputLen=0 设置和返回 input每次读出的字节数,设为 0时读出接收缓冲区中的内容MSComm1.OutBufferCount=0 设置和返回发送缓冲区的字节数,设为 0时清空发送缓冲区MSComm 1.InBufferCount=0 设置和返回接收缓冲区的字节数,设为 0时清空接收缓冲区MSComm 1.PortOpen=True 打开串口3?结论1)基于 MATLAB 与 VB 混合编程的哈密大枣方法是可行的;

19、2)本系统对哈密大枣品质检测的方法也可用于其它水果的检测研究。4?展望1)由于系统是使用 MATLAB图像处理工具软件对采集到的哈密大枣进行处理分析,分级效率低,故实验的下一部分是使用 VC+6.0软件对 MATLAB7.6图像处理软件所使用的处理方法进行编程,以满足实时在线检测的需要;2)鉴于目前新疆大枣分级现状,亟待实现自动化分级,以提高分级效率和水果价值,降低成本。参考文献: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(5):5-8.2?Bulanon DM,K ataokaT,O ta Y,et a.l A seg mentation

20、algo-rithm for the auto matic recognition of Fuji Apples atharves J.BiosystemsEngineering,2002,83(4):405-412.3?毕凌燕,余英林.基于 XYZ空间的区域生长法分割图像 J.计算机工程与应用,2003,39(17):56-57.4?张瑞合,姬长英,沈明霞,等.计算机视觉技术在番茄收获中的应用 J.农业机械学报,2001,32(5):50-52;58.5?M atrox M ilU ser Guide.随硬件打包的 M il软件包 Z.M a-troxM ilU ser Guide,2008

21、.6?黄尔烈,吴开兴.MATLAB在 VB中的数学调用 J.河北建筑科技学院学报,2003,20(1):27-29.7?赵杰文,刘木华,杨国彬.基于 H IS颜色特征的田间成熟番茄识别技术 J.农业机械学报,2004,35(9):122-124,135.8?冯斌,汪懋华.基于颜色分形的水果计算机视觉分级技术 J.农业工程学报,2002,18(2):141-144.9?马本学.基于数学形态学的香梨果梗提取方法 J.石河子大学学报(自然科学版),2008,26(5):636-638.10?RafaelC.Gonzalez,R ichard E.W oods,StevenL.Eddins.冈萨雷斯

22、数字图像处理(MATLAB版)英文版 M.北京:电子工业出版社,2004:305-307.11?BenxueM a,Y ibinY ing.FragrantPear SexualityRecognitionw ith M achine V ision J.Rroc.of SPI E,2006,6381:63811A-1-63811A-8.12?Jiangsheng Gu,i Benxue M a,X iuqin Rao etc.Analysis andselection of the methods for fruit i mage denoise J.Rroc.ofSPIE,2007,676

23、1:676117-1-676117-8.13?李江全,曹卫彬,郑瑶,等.计算机典型测控与串口通信?159?2011年 8月?农 机 化 研 究?第 8期开发软件应用实践 M.北京:人民邮电出版社,2008:249-255.United Application ofMatlab and VB on Auto-Detecting oftheHamiBig Jujubes?QualityQ iX iangxiang,M a Benxue,Qu N ianwe,i XiaoW endong(College ofM echanicalE lectrical Engineering,ShiheziUniv

24、ersity,Shihezi 832003,China)Abstract:In this paper,based on the application of visual basic 6.0 designed the user s interface,SOLIOS i m agesgathering card linked w ith the CCD camera to collect i mage data,which consisted united application ofMatlab andVB onAuto-Detecting of the Ham i Big Jujubes?q

25、uality,W ith i mage processing toolbox of matlab7.6,through the comparisonof the algorithm and verified,find the feature extraction,to distinguish the rapid defects,size,and color.Three comb-ination constitute the automatic test system ofH am iB ig Jujubes.In the i mage acquisition,call the driver s

26、 program ofi m age acquisition card to store i m age.During i mage processing,manymethodswere used to identify the quality defectsas soon as possible,such as application of color space transfor mation,wavelet denoising,threshold segmentation,mathe-maticalmorphology processing methods etc.M aking use

27、 of the latest activeX to apply theM files ofM atlab in V isualBasic realize the auto-detecting.Key words:H am i Big Jujubes?quality;automatic detection;VB;matlab;i mage processing(上接第 155页)4?陈佳娟,陈晓光,纪寿文.采用计算机视觉孵化鸡蛋成活性的自动检测 J.计算机应用与软件,2001,18(6):5-10.5?Yud-Ren Chen,Kuanglin Chao,K i m Moon S.M achin

28、e v-ision technology for agricultural applications J.Computersand Electronics inAgriculture,2002,36:173-191.6?付峰,应义斌.生物图像阈值分割方法的研究 J.浙江大学学报(农业与生命科学版),2003,29(1):108-112.7?杨飞.基于计算机视觉的花椒外观品质检测及其 MAT-LAB实现 J.农业工程学报,2008,24(1):198-203.8?陈红,丁幼春,熊利荣,等.鸭蛋品质无损自动检测分级系统 J.农业机械学报,2004,35(6):127-129.9?Hou Z J,W

29、 eiG W.A new approach to edge detection J.Pattern Recognition,2002,35:1559-1570.10?王玉亮.基于机器视觉的玉米种子品种识别与检测研究 D.泰安:山东农业大学,2008.Abstract ID:1003-188X(2011)08-0153-EADesign and Imple mentation ofUnfertilized EggsVerification SystemBased on ComputerVisionTian L,iM a Xiulian(College of Information Technol

30、ogy,Heilongjiang BayiAgriculturalUniversity,Daqing 163318,China)Abstract:A set of equipments using to recognize the unfertilized eggs is designed,it realizes the separation of fertilizedeggs and unfertilized eggs before hatching.This system consists of digital ca m era、com puter and printer.It use c

31、annyarithmetic operators to abstract the edge of hatching egg,and accord to the rule of features of edge contour to realize therecognition of unfertilized eggs.The result of experi mentation shows the accuracy of this equip ment is 100 percent.Key words:unfertilized Eggs verification;computer vision;edge detection;feature calculation?160?2011年 8月?农 机 化 研 究?第 8期