水果分揀技術(shù)

國際化引技術(shù) 擴大農(nóng)機服務(wù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)品牌 幫助農(nóng)民增產(chǎn)增收在農(nóng)機部門工作了十幾個春秋， 來到了國外， 雖然所從事的行業(yè)遠離農(nóng)機， 但由于莫名 其妙的“農(nóng)機情結(jié)” ，總是讓我不自覺地關(guān)注著農(nóng)業(yè)和農(nóng)機的動態(tài)和發(fā)展。我所在的國家，是個南半球的小國，人口 420 萬，大約是南京人口的一半，國土面積27 萬平方公里，是江蘇的兩倍，比云南省還小，但卻是個名副其實的農(nóng)業(yè)大國。畜牧業(yè)傲 視全球、種植業(yè)技術(shù)一流、養(yǎng)殖業(yè)不落人后、 園藝業(yè)首屈一指。這里的遍布全國的精品連鎖 店的名字就叫Farmers （農(nóng)民），為什么？因為這里的農(nóng)民最有錢！我先介紹兩個行業(yè)的發(fā)展歷史、 組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)營方式， 看看他們是如何運作， 如何增產(chǎn) 創(chuàng)收的。 以期能給我們江蘇農(nóng)機人一點啟發(fā)， 開闊視野， 找出一條適合江蘇具有中國特色的 為農(nóng)服務(wù)新模式。Fonterra仲文名恒天然） 公司，國內(nèi)的讀者對他應(yīng)該不陌生，震驚全國 的“三鹿奶粉”事件它也曾身陷其中。該公司雖正式成立于 2001 年，但卻有 200 年的歷史。Zespri （中文名佳沛）經(jīng)過數(shù)年的觀察了解，我發(fā)現(xiàn)機械化是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的武器，產(chǎn)業(yè)化是農(nóng)民增收的法寶！水果分揀技術(shù)近年來，雖然我國的水果產(chǎn)量已達世界第一，但由于缺乏先進的質(zhì)量檢測技術(shù)，我國 水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。 近日，隨著中國農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的水果質(zhì)量快速無損檢測 技術(shù)（下稱水果檢測新技術(shù)）的面世，這一局面將有望得到改變。截至目前，該技術(shù)已申請 了 4 件發(fā)明專利，其中 2 件獲得了授權(quán)。透視技術(shù)為水果“體檢”西瓜甜不甜，一測就知道。乍一看，水果檢測新技術(shù)使用的設(shè)備就像一部臺式電子秤連 接著電腦及顯示器。將需要檢測的水果放在檢測臺上，立刻就可將其糖度、酸度、硬度、成 熟度和水心病、褐腐病、黑心等內(nèi)部病變，以及體積、顏色、果面污染、淺層損傷等外部品 質(zhì)顯示在電腦屏幕上?！熬拖袢藭∫粯?，水果也不例外。但對水果進行體檢'卻不能有任何損傷，這就需要 研發(fā)先進的無損檢測技術(shù)。 ”國家自然科學(xué)基金項目水果檢測新技術(shù)課題組成員、中國農(nóng)業(yè) 大學(xué)博士王加華在接受中國知識產(chǎn)權(quán)報記者采訪時表示，該檢測新技術(shù)， 使用近紅外線和低能量X光對水果進行透視，各類水果的檢測數(shù)據(jù)瞬間就可顯示出來。與以前的切削、粉碎等需破壞樣品進行理化指標(biāo)檢測的方法相比，新技術(shù)除了能保持樣 品完整外，還具有分析速度快、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，可實現(xiàn)多種類、多項目的逐個檢 測，適合大規(guī)模自動化流水線檢測與分揀。王加華進一步介紹說， 在利用水果檢測新技術(shù)對水果進行檢測時， 光電傳感系統(tǒng)會以對角線 的方式發(fā)射穿透水果的近紅外線和低能量X光并進行接收，然后轉(zhuǎn)化為光譜。光譜不但可反映果品的生化特性， 同時還能反映果品的物理特點。 根據(jù)水果的光譜特性， 利用光電傳感技 術(shù)、信息處理技術(shù)等可實現(xiàn)對水果內(nèi)在質(zhì)量及外觀品質(zhì)的快速綜合分析判斷。而“健康”與“不健康” 的水果光譜存在顯著差異， 系統(tǒng)會自動對光譜進行快速分析并與電腦數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)比對， 從而快速得出檢測結(jié)果， 這就是該新技術(shù)的工作原理。 由于采用的是近紅外線和 低能量的 X 光，且劑量遠遠低于對食品和人體產(chǎn)生影響的輻射標(biāo)準(zhǔn)，因此該技術(shù)不存在相關(guān)的輻射安全問題。此外， 為了避免新技術(shù)設(shè)備在使用中由于環(huán)境、 溫度及水果外形差異等因素對檢測結(jié)果 產(chǎn)生影響， 研發(fā)人員使用了先進的電子計算技術(shù)進行數(shù)據(jù)的修正和彌補， 并建立了一定規(guī)模 的數(shù)值對比數(shù)據(jù)庫，從而最大限度地保證了檢測的準(zhǔn)確度，準(zhǔn)確率接近100%。新利器促產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示， 2008 年，我國水果產(chǎn)量達 1.6 億噸，居世界首位，但當(dāng)年的水果出 口量僅占總產(chǎn)量的 2%?！皢栴}的根源在于， 國際上只有少數(shù)發(fā)達國家掌握先進的水果無損檢 測技術(shù)并對其進行技術(shù)壟斷， 同時以此為依據(jù)制訂進口標(biāo)準(zhǔn)， 從而形成貿(mào)易壁壘， 導(dǎo)致我國 水果出口和產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到阻礙。 ”中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會韓東海教授向記者表示，水果檢測 新技術(shù)的問世，無疑為我國水果產(chǎn)業(yè)擺脫出口難的困境找到了出路。王加華表示， 由于技術(shù)壟斷， 國外先進的檢測技術(shù)與設(shè)備是禁止向我國出口的， 而可以向我 國銷售的檢測設(shè)備則漫天要價， 動輒數(shù)百萬、 上千萬，而且， 進口的設(shè)備在我國豐富的水果 品種面前往往“水土不服” ，檢測效果并不理想。而自主研發(fā)的水果檢測新技術(shù)及設(shè)備不僅 在性能上優(yōu)于國外設(shè)備， 同時價格也要低很多。 如果進行批量化生產(chǎn)， 每臺設(shè)備的價格僅為 10 萬元左右?！澳壳?，我國本土水果產(chǎn)品的商品化處理率不到10%，大多不經(jīng)檢測和分類就直接上市銷售，品質(zhì)良莠不齊，無法以質(zhì)論價，也不利于出口創(chuàng)匯。 ”王加華表示，使用水果檢測新 技術(shù)， 可方便實現(xiàn)優(yōu)選與分級， 從而提高水果產(chǎn)品在國內(nèi)外的市場競爭力， 增加果農(nóng)的經(jīng)濟 收入。據(jù)測算，使用水果檢測國產(chǎn)設(shè)備，每斤水果的檢測分級成本僅為 0.5 元左右，但分級 后的產(chǎn)品價格卻可成倍增長。 在市場上， 記者看到， 貼有糖度標(biāo)簽的水蜜桃一個最高可以賣 到近百元，而沒有檢測的普通水蜜桃每斤只能賣 10 元左右。目前，檢測設(shè)備的便攜化是國內(nèi)外研究的重點與發(fā)展趨勢，便攜式設(shè)備不但可以檢測成 品，還可方便地對正在生長中的“未成年”水果進行檢測，獲得其“健康”狀況數(shù)據(jù)，及時 對其生長所需的水份、 營養(yǎng)等要素進行調(diào)控， 確保其健康成長， 這對于水果產(chǎn)業(yè)的精細化發(fā) 展具有現(xiàn)實意義。 王加華表示， 當(dāng)前和今后一段時間的研究重點， 就是實現(xiàn)水果檢測新技術(shù) 設(shè)備的便攜化，為我國水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供現(xiàn)代化的技術(shù)保障。歐洲鮮貨市場廣泛使用食品分揀器， 主要因為勞動人員的老齡化和雇用工人成本越來越 高，這就使以機器視覺為基礎(chǔ)的分揀技術(shù)在歐洲越來越多地應(yīng)用。 一些以歐洲為基地的公司 提供專用機器視覺系統(tǒng)，用于鮮貨或食品加工細分市場，包括 Aweta B.V 公司、 Barco 機 器視覺公司、 比利時電子分揀技術(shù)公司 (BEST) 、MAF 實業(yè)公司、 Odenberg 工程公司、 Qsort 和 Sortex 公司等。這個市場上以美國為基地的公司包括 Delta 技術(shù)公司、 Durand-Wayland, 公司、 Ensco 公司、 FMC 食品技術(shù)公司、 Focused 技術(shù)公司、 Sunkist 公 司、 TTI/Exeter 工程公司和 Woodside 電子器件公司等。日本的 Satake 公司也在美國市場上 運作，這家公司幾年前兼并了總部設(shè)在美國的 ESM 公司。同時，新西蘭的 Compac 公司也 在美國市場上有自己的業(yè)務(wù)。雖然并非所有公司的樣品都以顏色為基礎(chǔ)， 但是在這個市場上， 幾乎所有公司目前都提 供基于顏色的版本。 就影像捕獲而言， 盡管所有公司都提供根據(jù)常規(guī)線掃描或區(qū)域掃描方法 設(shè)計的產(chǎn)品，但是，其中一些公司同時還提供以激光掃描為基礎(chǔ)的版本，這種以激光掃描為基礎(chǔ)的設(shè)備與常規(guī)機器視覺技術(shù)進行競爭。 其中還有一些公司提供基于紅 外影像的設(shè)備， 這些設(shè)備經(jīng)常作為檢測產(chǎn)品凹坑的手段或作為分揀產(chǎn)品等級的手段。 幾乎所有公司都能提供采用進行散貨傳輸?shù)膫魉蛶?；有的公司還能提供通道分揀器。 以上這些公司中的有擅長處理干式產(chǎn)品或處理濕式產(chǎn)品的，有可以處理這兩種產(chǎn)品的， 也有專門處理水果或蔬菜的。一般采用多臺攝像機捕獲產(chǎn)品整個表面影像。 當(dāng)產(chǎn)品基本為圓形時， 在漏洞內(nèi)設(shè)有機構(gòu)， 讓產(chǎn)品在攝像機下進行旋轉(zhuǎn)。 形狀可以根據(jù)最大直徑和最小直徑、 比例關(guān)系等進行分選。 顏 色一般根據(jù)已掃描的整個表面情況來決定。 鑒定方法如簡單百分比、 強度值直方圖、 定義最 大面積或最小面積等。機器視覺技術(shù)的進步得益于微處理器和 DSP 技術(shù)，得益于線掃描和區(qū)域掃描高分辨率 攝像機的進步， 得益于彩色攝像機的進步，還得益于光源的發(fā)展。 由于光源的發(fā)展，具備獨 特光譜輸出的燈得以問世； 另外， 美國以及歐洲等進行的研究工作也推動了機器視覺技術(shù)的 發(fā)展。于是，今天的機器視覺系統(tǒng)才可以滿足食品工業(yè)的各種苛刻的要求。機器視覺系統(tǒng)中， 許多系統(tǒng)都是特殊定制的， 即配備的光源光譜經(jīng)常是專用于某種待檢 產(chǎn)品，目的在于強化異物的分揀或根據(jù)外觀進行分等定級，一般外觀問題包括蟲害和疾病、 霜害、銹斑或其他表皮瑕疵或疾病。并非所有產(chǎn)品都是一樣的， 即使是同一應(yīng)用級別的產(chǎn)品。 例如， 分等定級的根據(jù)可能是 顏色分布、形狀、尺寸、表面狀況 （擦傷、凹坑或溝痕、蟲咬 ）等。有幾家公司，除了由視覺 系統(tǒng)提供分選產(chǎn)品的物理尺寸之外， 還配備稱重工作站， 提供產(chǎn)品尺寸的信息。 一些公司還 提供基于 x 光的機器視覺系統(tǒng)， 可檢測內(nèi)部缺陷或狀態(tài)， 而這些內(nèi)部缺陷或狀態(tài)僅靠掃描產(chǎn) 品外部表面是無法檢測到的。盡管幾乎所有公司都可以提供彩色攝像機， 但是并非所有應(yīng)用都實際需要基于色彩的分 析。在某些應(yīng)用中， 照明布局可獲得足夠的對比度， 單色攝像機就可容易識別和區(qū)分這種對 比度。人們可設(shè)法讓基于顏色同一系統(tǒng)適應(yīng)于不同產(chǎn)品的檢測，從而增加投資回報。自上世紀(jì) 30 年代以來，分揀機就一直被用于食品行業(yè)。早期版本使用比較簡單的檢測 裝置。上世紀(jì) 90 年代，許多提供較為簡單機器的公司開始開發(fā)機器視覺技術(shù)。直到彩色攝 像機的價格下降并在要求苛刻的應(yīng)用中取代了單色攝像機， 人們才使攝像機獲得了極其精密 的性能。由于采用了數(shù)字線掃描技術(shù)和配備曝光控制和異步掃描等功能的數(shù)字區(qū)域攝像機， 用于鮮貨和食品加工市場的專用機器視覺系統(tǒng)的性能才能夠不斷地改進和提高。應(yīng)用于鮮貨產(chǎn)品這些系統(tǒng)中， 人們已經(jīng)開發(fā)出用于鮮貨市場的不同版本， 可用于檢驗蘋果等水果 （檸檬、 橙、柚、桔子、柑桔 ）、西紅柿、桃、李子、柿子、獼猴桃梨、石榴、木瓜、芒果、洋蔥、 土豆、白薯、黃瓜等。用于食品加工處理的各種版本也可用于檢驗堅果、谷物制品、快餐食 品、葡萄干、 玉米、綠豆、胡蘿卜、 菠菜、 蝦等。一些被改造了的系統(tǒng)還可以用于分揀煙草、 棉花和塑料，供回收行業(yè)及紙漿造紙行業(yè)使用。使用這些系統(tǒng)可極大地強化定級的一致性。 在從事檢驗外表非常相似的產(chǎn)品時， 人工檢 驗的效率是極其低下的。 在相對短的一段時間， 即使只涉及簡單的分揀工作 （將好壞產(chǎn)品分 開或?qū)愵惍a(chǎn)品挑選出來 ），他們的視覺敏銳度也會變得遲鈍。與人工分選相比，機器視覺 所能達到的效果就非常好了。盡管基于機器視覺的光學(xué)分揀器和分級機在食品行業(yè)中的應(yīng)用最普遍， 但它們還有其他 應(yīng)用方式。 今天， 不少公司提供的水射流切割計量系統(tǒng)， 使用三維機器視覺系統(tǒng)以確定計量 切割產(chǎn)品的容積，用于海鮮、火雞、豬肉和牛肉的切割計量作業(yè)。提供這種產(chǎn)品的公司有 FMC 技術(shù)公司和 Marel 公司。此外，食品工業(yè)中的其他應(yīng)用包括雞蛋檢驗、家禽檢驗和分 割家禽部件的分揀以及烘烤食品的檢驗等。 金剛石自動化公司為此開發(fā)了基于機器視覺的用 于檢驗雞蛋上裂縫的系統(tǒng)。 Qsort 公司除了提供蔬菜分揀系統(tǒng)外，還提供用于檢查家禽部件 （胸脯、腿或翅膀 ）上斑點的視覺系統(tǒng)。應(yīng)用于烘烤食品機器視覺也正在迅速應(yīng)用于另一個食品工業(yè)一一烘烤食品。Dipix技術(shù)公司可以提供采用三維和基于彩色的系統(tǒng)，用于監(jiān)測面包、甜點、餅干和甜餅等產(chǎn)品。隨著食品行業(yè)采用自動包裝機械的普遍，為了避免由于出現(xiàn)怪異形狀產(chǎn)品而發(fā)生卡塞的問題，機器視覺變得更加重要。生產(chǎn)線速度越來越快，要使產(chǎn)品的一致性得到改善，在產(chǎn)品分層堆碼和裝入專用尺寸包裝的地方，三維技術(shù)尤為重要。依靠監(jiān)控各個產(chǎn)品的高度，可以確定產(chǎn)品的堆碼高度，從而保證堆碼好的產(chǎn)品精確裝入包裝袋中。在食品行業(yè)中，機器視覺能否成功應(yīng)用， 這就要求最終用戶和機器視覺供應(yīng)商非常熟悉 應(yīng)用過程可能出現(xiàn)的問題。最為重要的是，設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)該理解整個系統(tǒng)最終是由工人操作。 當(dāng)一線工人覺得系統(tǒng)是為了加強他們的能力，以便他們可以更容易將工作做好時，安裝的系統(tǒng)將會獲得成功機器視覺系統(tǒng)機器視覺技術(shù) 是計算機學(xué)科的一個重要分支，它綜合了光學(xué)、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領(lǐng)域。自起步發(fā)展至今，已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識別等 技術(shù)的快速發(fā)展，大大地推動了機器視覺的發(fā)展。簡而言之，機器視覺就是利用機器代替人眼來作各種測量和判斷。在生產(chǎn)線上，人來做此類測量和判斷會因疲勞、個人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯誤，但是機器卻會 不知疲倦地、穩(wěn)定地進行下去。一般來說，機器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝 像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的 處理速度、使用彩色還是黑白攝像機、檢測目標(biāo)的尺寸還是檢測目標(biāo)有無缺陷、視場 需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能上來看，典型的機器視覺系 統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。一個完整的機器視覺系統(tǒng)的主要工作過程如下：1、工件定位檢測器探測到物體已經(jīng)運動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采 集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。2、圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時，分別向攝像機和照明系統(tǒng)發(fā)出啟 動脈沖。3、攝像機停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機在啟動脈沖來 到之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。4、攝像機開始新的一幀掃描之前打開曝光機構(gòu)，曝光時間可以事先設(shè)定。5、另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應(yīng)該與攝像機的曝光時間匹 配。6、攝像機曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。7 、圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D 將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機的內(nèi)存中。9、處理器對圖像進行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值。10 、處理結(jié)果控制流水線的動作、進行定位、糾正運動的誤差等。 從上述的工作流程可以看出，機器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因為大多數(shù)系統(tǒng) 監(jiān)控對象都是運動物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各 部分的動作時間和處理速度帶來了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機器人、飛行 物體導(dǎo)制等，對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴(yán)格的要求。機器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點有：1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的 可靠性。2、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的 視覺范圍。3、長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進行觀察，而機器視覺則可以 長時間地作測量、分析和識別任務(wù)。機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融 甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn) 和工作的方方面面。