基于图像处理的河蟹分级系统设计_周志强.pdf

南方论坛82023 年 5 月下South Forum基于图像处理的河蟹分级系统设计*周志强1，曹倩2，朱虹3，宋宁1，肖茂华1（1.昆山农业机械化技术推广站，江苏 苏州 215300；2.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；3.江苏省农机具开发应用中心，江苏 南京 210017）摘要：【目的】传统的河蟹分拣方法主要依靠人眼识别，误差率大，耗时耗力，且易对河蟹造成损伤。随着机器视觉技术和人工智能的高速发展，基于视觉识别技术的河蟹分拣方法效率高、准确度高。【方法】课题组设计了一种基于品质智能分级技术的河蟹高效分级系统，通过使用不同等级的雌雄河蟹各20只进行分级试验，利用视觉模块的图像采集与图像处理技术采集河蟹图像，经过图像的灰度化、滤波、增强、图像分割和形态学处理消除环境干扰，结合河蟹雌雄判别技术和河蟹肥满度公式，计算得到河蟹公母与肥满度识别准确率指标。【结果】该系统的河蟹雌雄平均识别准确率为97.5%，肥满度平均识别准确率为97%，证实了分级装置的可靠性。【结论】该系统采用视觉识别技术进行河蟹无损检测，可以实现低损伤、高效率、高准确度识别河蟹，与传统人工相比提高了判别准确度，提升了分拣效率，大幅节省人力、物力，具有广泛的应用前景。关键词：图像处理；雌雄辨别；肥满度分级中图分类号：TN911.73；TS254.7 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.002在众多水产品中，河蟹作为我国的名优水产品，以其“青背白肚，金爪黄毛”闻名于世。随着产品需求量的提升和产业销售途径的拓宽，河蟹的销售已经扩散到全国各地，产量和养殖面积发展迅猛，普通的人工分级和现今主流的重量分拣设备已经无法满足其产业与市场的需要，阻碍了河蟹产业的大规模发展。为此，课题组提出了一种基于品质智能分级技术的河蟹高效分级系统。1 河蟹分级系统视觉模块总体设计视觉模块是河蟹分拣分级系统的重要组成部分。视觉模块利用机器视觉技术，通过计算机模拟人类视觉，对被测物体进行拍照，获取关键图像信息，并转化成直观的数据，实现建模分析1。河蟹通过传送带上样，光电传感器检测到河蟹经过时，发送信号给视觉模块采集河蟹的腹部图像。然后对图像进行预处理，分别提取图像中的形状模板和像素面积，分割出河蟹腹部图像中公蟹尖脐特性所在部位的图像，使用模板匹配算法识别河蟹雌雄，通过CCD相机提取蟹壳轮廓长度，并计算肥满度2。最后，控制模块根据河蟹的品质等级控制分选模块将河蟹分拣到对应等级的收纳筐中。系统工作流程如图1所示。基于机器视觉的河蟹分拣装置视觉模块主要是运用图像采集与图像处理技术，在组成的信号模拟中，以信号值之间的代表符号实现分析，也可以通过计算机的宏命令运行。例如，光源通过宏命令以数据传输的方式对高速摄像机的图像进行采集，借助图像采集卡的优异性，实现计算机图像的输出、模型建设3。本技术采用CCD工业相机，CCD摄像机本质为电偶合器件，各像素点都有一个光传感器，用于图像采集，记录被检测对象的信号值，随后通过内部采集卡，可以实现电视信号的转换4。图1系统工作流程图2 图像处理河蟹雌雄、肥满度与品质有直接关联，正确分拣极其重要。利用机器视觉判别雌雄，同时判别肥满度，需要对采集的图像进行处理，得到河蟹的甲壳和腹部脐的关键信息。采集到的图像易受环境干扰，消除干扰能够得到可实际使用的图像，实现这一步需要对图像进行处理5。图像的处理过程包括图像的灰度化、滤波、增强、图像分割和形态学处理。2.1 图像灰度化图像灰度化是图像处理的第一步，其目的是为之基金项目：江苏省重点研发计划（BE2022385）；江苏省现代农机装备与技术示范推广项目（NJ2021-03）作者简介：周志强（1989），男，江苏昆山人，本科，工程师，研究方向为农业机械化推广。2023 年 5 月下南方论坛9South Forum后的操作做准备。相机拍摄后输出的图像是彩色的，彩图包含有大量的信息，占用空间较大，而灰度指的是图像中点的颜色深度6，灰度图像占用的储存空间小，方便数字化处理。河蟹腹部和轮廓的特征能够在灰度图像上得以表现，因此需要对原始图像进行灰度转换操作。2.2 图像滤波在获取图像的过程中，由于各种因素的干扰，图像中会有噪声，因此图像质量会大大降低，同时信息获取也会受到干扰。因此，要对图像进行滤波处理，尽量消除噪声对图像的干扰。均值滤波、高斯滤波、高斯双边滤波等方法是常用的几种滤波方法7。课题组通过多种方法对河蟹背部和腹部进行图像滤波处理对比后，选用滤波效果最好的高斯双边滤波方法进行图像的滤波处理，不同滤波方法效果图如图2所示。图2不同滤波方法效果图2.3 图像增强图像的质量受光照的影响很大，为了突出物体的特征，光照在视区内的理想效果是均匀的。但河蟹背部中心部位在光照下存在严重的反光现象，导致其亮度与背景的亮度接近，因此需要通过图像增强以降低河蟹背部的反光影响。图像增强的目的主要是提高图像的清晰度，基于边缘、对比度等退化的图像特征进行图像处理，压缩其他无用信息，使图像中的有用信息更加突出，以便于计算机进行图像分析处理。点运算和局部运算是常用的两种图像增强方式8。点运算主要是作用于单个像素邻域的处理方法；局部运算是指增强图像的边缘或轮廓。为了将河蟹中心部位变暗，降低对比度，选择图像均衡法对中心部位进行点运算。2.4 图像分割图像分割是指对图像中像素进行分类，图像中相似特性的像素被划分为一个类别，进而使得每个类别具有不同的语义，这是图像处理过程中最重要的一步。基于阈值的方法、基于区域的方法、基于边缘的方法以及基于特定理论的方法是几种常用的图像分割方法。阈值分割法具有计算简单、运算效率较高、速度快等优点，因此在图像分割中应用场景较多。阈值分割主要将灰度图像分成粒子区域和背景区域两个区域9。本质是通过区域内部灰度一致性和区域间灰度多样性来实现类内距离最小和类间距离最大。Otsu自动阈值法处理的图像分割效果较好，目前使用率最高的也是Otsu自动阈值法，所以选择Otsu自动阈值法对图像进行分割处理。2.5 形态学处理形态学处理是使用数字形态学提取图像中有用处的图像分量，还包括用于预处理或后处理的形态学过滤、细化和修剪等10。膨胀、腐蚀、开运算、闭运算等操作是形态学处理的几种主要操作。上文通过Otsu自动阈值法将河蟹图像与背景分割，但分割出来的图像中仍然存在空洞，这就造成河蟹图像的分割不完全。因此，需要使用形态学处理算法填补河蟹表面的空洞。3 河蟹分级模型处理后得到的图像特征可以获得河蟹雌雄、肥满度信息，并结合重量建立分级模型。3.1 河蟹雌雄判别技术通过河蟹的腹部特征分辨公母是一种最常用的方法，如果有尖脐存在的就是公蟹，反之就是母蟹。使用相机提取特征，并通过图像处理技术识别河蟹雌雄，将公河蟹的尖脐作为模板进行模板匹配检测。如果能在河蟹图像中检测到尖脐特征，就表明图像中的是公蟹，没有检测到尖脐特征，表明图像中的是母蟹。河蟹尖脐特征匹配效果图如图3所示。制作匹配模板时选择河蟹腹部一个含有尖脐特征的区域11，然后通过图像处理滤除其他干扰信息，仅留下尖脐特征。在进行河蟹公母识别程序中，当输南方论坛102023 年 5 月下South Forum出匹配数为1时，说明该图像中河蟹存在尖脐特征，为公蟹，输出该河蟹类别为“公蟹”；当输出匹配数为0时，说明该图像中河蟹不存在尖脐特征，为母蟹，输出该河蟹类别为“母蟹”。（a）公蟹尖脐模板 （b）公蟹（c）母蟹图3河蟹尖脐特征匹配3.2 河蟹肥满度判别技术河蟹肥满度计算公式：K=(W/L3)100%（1）式中，W为河蟹体重，单位为g；L为河蟹甲壳长，单位为cm；K为河蟹肥满度，单位为g/cm3，主要用来判别河蟹的肥满程度。河蟹体长与体宽尺寸范围如图4所示。图4河蟹体长与体宽通过对图像的处理，得到河蟹腹部面积的像素图，对图像进行边缘检测、降噪、形态学处理后框取河蟹所在区域，并计算轮廓尺寸，以轮廓宽度代表河蟹甲壳长度12，最后通过公式（1）计算河蟹肥满度。河蟹甲壳长度检测如图5所示。4 试验验证结果及结论课题组使用不同等级的雌雄河蟹各20只进行了分级试验，计算得到河蟹公母与肥满度识别准确率指标，最终试验结果如表1和表2所示。由表1、表2可知，河蟹的雌雄平均识别准确率为97.5%，肥满度平均识别准确率为97%，证实了分级装置的可靠性，具有重要的参考价值。图5河蟹甲壳长度检测表1河蟹公母分拣结果等级测试样本数量测试结果准确率公605896.7%母605998.3%表2河蟹肥满度分拣结果等级测试样本数量测试结果准确率一级403896%二级403997.5%三级403997.5%课题组基于河蟹雌雄、肥满度等参数，结合河蟹分级标准，建立分级模型，设计了自动分级系统。该系统与传统人工相比提高了判别准确度，大大提升了分拣效率，大幅节省人力、物力，因此该系统具有广泛的应用前景。参考文献：1 朱蓓.苹果全表面图像信息获取方法的研究D.杭州：浙江大学，2013.2 易贞弟.基于机器视觉的零件表面缺陷检测技术研究D.沈阳：沈阳理工大学，2015.3 容典.脐橙表面缺陷的机器视觉快速检测研究及嵌入式系统应用D.杭州：浙江大学，2017.4 K EN NEDY J,EBER H ART R.Par ticle swar m optimizationC/Icnn95-International Conference on Neural Networks.IEEE,1995(4):1942-1948.5 张旭明，徐滨士，董世运.用于图像处理的自适应中值滤波J.计算机辅助设计与图形学学报，2005(2)：295-299.6 耿瑞芳，曹辉，马永华，等.基于机器视觉的图像识别方法研究J.自动化博览，2008(6)：50-52.7 XU L,ZHAO Y.Automated strawberry （下转第18页）南方论坛182023 年 5 月下South Forum重重，进展缓慢。因此，只有协调好畜禽粪污肥料化利用主体之间的利益，才能构建粪污肥料化利用的长效机制。因此，针对当前我国畜禽粪污肥料化利用存在的困境，提出以下建议。3.1 加大环境保护的宣传力度，加强肥料化利用技术指导通过各种媒介宣传环境保护的意义和价值，提高养殖场（户）的环保意识。同时，完善地方政府推广部门的激励机制，提高政府技术推广人员的业务素质，优化技术推广程序。运用线上、线下相结合的方式对养殖场（户）进行专门的肥料化利用技术指导，这种指导要做到针对性强、操作性强和持续性强，打破技术壁垒，打消畏难情绪。3.2 充分发挥政策作用，进行精准补贴完善畜禽粪污肥料化技术研发的补贴和税收优惠政策，鼓励社会资本参与此类技术研发和推广应用。针对不同规模、不同补贴偏好的养殖场（户）进行分类补贴。当前我国的相关补贴大多倾向于大规模养殖场（户），这使得数量庞大的中小型规模养殖场（户）没能获得有效激励。因此，补贴政策应兼顾规模化养殖场和散养户，以调动所有养殖业从业人员对畜禽粪污进行肥料化利用的积极性。同时，在政策制定过程中广泛征求养殖场（户）的意见，使养殖场（户）成为利益共同体的一员。3.3 打通政府各部门沟通渠道，形成政策合力政府各部门在制定畜禽粪污肥料化利用政策时要做到互相沟通，确保政策指向的一致性，防止出现重复、推诿、各自为政的情况，从而构建一套系统、完整、有效的监督管理和激励政策体系。3.4 加强有机肥市场监管，推动有机农产品认证政府应加强与有机肥相关的国家标准的修订，为有机肥生产、加工提供支撑。同时，加大对有机肥生产企业的检查和监督力度，对产品质量不合格、掺杂使假的生产企业进行处罚。大力推动有机农产品认证，促进生态农产品从“物美价廉”向“优质优价”转变，提高农户使用有机肥的积极性。4 结语生态振兴是乡村振兴的重要组成部分，畜禽粪污资源化利用对改善农村生态环境、推进宜居宜业和美乡村建设具有重要作用。畜禽粪污资源化利用涉及的主体众多，只有协调好各方的利益才能形成合力，从而提高畜禽粪污资源化利用的深度和广度。参考文献：1 刘伟，何伟，唐荣桂