一种大球盖菇的自动分级方法和系统

本发明涉及机电控制和机器视觉领域，具体地说是一种大球盖菇的自动分级方法和系统。

背景技术：

1、大球盖菇，又名赤松茸、皱环球盖菇、酒红大球盖菇。该菇种含有丰富的营养成分，且具有较好的药用和保健价值。作为新兴的食用菌品种，因其肉质细嫩、口感清香、滋味鲜美，同时富含18种氨基酸、多种矿物质与微量元素，以及多种生物活性成分，如多糖、甾醇和黄酮，与金针菇、杏鲍菇、平菇等常见食用菌相比具有更高的营养价值，而被冠之“素中之荤”的美称，发展前景广阔。目前，大球盖菇采后分级处理全部依赖人工分选，由于不同人员的判断存在差异，容易产生不同等级大球盖菇混装的现象，降低市场竞争力。对大球盖菇严格地按照标准进行清选、分级，能够避免遭受串级带来的品质波动问题，实现优质优价，进而提升大球盖菇的商品化程度和价值。

2、近年来，随着人工智能的不断进步和创新，利用卷积神经模型结合自动化设备进行作物分级已被证明是有效的。卷积神经模型利用卷积核对目标对象的特征进行有效提取，通过算法的精确分析和判别，已经在果蔬外观品质分级检测领域展现出巨大潜力。

3、当前，对于菌菇类的分级检测研究停留在使用不同图像处理算法结合自动化设备进行分级操作。在算法方面，国内外大部分学者对菌菇类农产品的检测分级研究所用的方法较为传统，且大多只关注菌菇类的大小，对外观细节的研究甚少，从而导致分级效果并不理想；在设备方面，进行菌菇类分级操作的分级设备笨重、复杂程度较高，在分级过程中往往会对菌菇造成不同程度的机械损伤，这会严重影响菌菇的外观质量，从而降低其市场竞争力。

4、基于上述情况，需要研究一种可以准确、高效地识别大球盖菇且搭建简单、不易损坏大球盖菇的自动分级方法和系统。

技术实现思路

1、为了解决上述的问题，本发明的目的是提供一种大球盖菇的自动分级方法和系统，具有高效率和高精确性等优势。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种大球盖菇的自动分级方法，所述方法包括

4、获取传输系统上的大球盖菇图像；

5、对获取的大球盖菇图像进行图像畸变矫正；

6、对矫正的大球盖菇图像标注后制作相应的数据集，然后传入卷积神经模型，获得大球盖菇菌盖和菌柄的分割掩码图像；

7、根据所述大球盖菇菌盖和菌柄的分割掩码图像进行颜色分离，获得具有不同颜色的菌盖和菌柄的分割图像；

8、对所述具有不同颜色的菌盖和菌柄的分割图像进行图像处理，获得大球盖菇分离的菌盖和菌柄的轮廓图像及其特征信息和大球盖菇分离的菌盖和菌柄的最小外接矩形及其坐标信息；

9、根据所述的大球盖菇分离的菌盖和菌柄的最小外接矩形及其坐标信息，对菌盖和菌柄最小外接矩形中心连线是否竖直进行判断，以确定是否对大球盖菇分离的菌盖和菌柄图像进行旋转，最终获得竖直的大球盖菇分离菌盖和菌柄轮廓图像及其特征信息；

10、根据所述的竖直的大球盖菇分离菌盖和菌柄的轮廓图像及其特征信息和最小外接矩形及其坐标信息，最终建立起菌盖径宽比(rdhp)和菌柄径长比(rlds)的检测模型，从而根据分级标准确定大球盖菇的等级。

11、可选的，根据所述大球盖菇菌盖和菌柄的分割掩码图像进行颜色分离，获得具有不同颜色的菌盖和菌柄分割图像，具体包括：

12、根据所述卷积神经模型用不同颜色的分割掩码处理大球盖菇的菌盖和菌柄；

13、根据所述不同颜色分割掩码对大球盖菇的菌盖和菌柄的分隔掩码图像进行颜色分离。

14、可选的，对所述具有不同颜色的菌盖和菌柄的分割图像进行图像处理，获得大球盖菇分离的菌盖和菌柄的最小外接矩形及其坐标信息，具体包括：

15、对所述的具有不同颜色的菌盖和菌柄的分割掩码图像进行二值化处理，将所有像素点中非0的点设置为1，获得菌盖和菌柄的二值化图像；

16、对所述的菌盖和菌柄的二值化图像分别进行轮廓特征提取，获得菌盖和菌柄的轮廓图像及其特征信息；

17、根据所述的菌盖和菌柄的轮廓图像获取最小矩形框，获得包围大球盖菇菌盖和菌柄的轮廓图像的最小外接矩形及其坐标信息。

18、可选的，所述的对菌盖和菌柄的最小外接矩形中心连线是否竖直进行判断，以确定对大球盖菇分离的菌盖和菌柄图像是否进行旋转，具体包括：

19、对大球盖菇分离的菌盖和菌柄的轮廓图像提取最小矩形框后连接菌盖和菌柄最小矩形框的中心点后得到连线向量；

20、计算连线向量与竖直向量之间的夹角；

21、若所述判断结果表示大球盖菇菌盖和菌柄的最小矩形框中心点连线与水平线垂直，则判断竖直，直接进行下一步；

22、若所述判断结果表示大球盖菇菌盖和菌柄的最小矩形框中心点连线与水平线不垂直，则判断不竖直，需要进行旋转处理。

23、可选的，所述大球盖菇菌盖和菌柄的最小矩形框中心点连线与水平线不垂直，需要进行旋转处理，具体包括：

24、根据获得的大球盖菇菌盖和菌柄的轮廓图像的最小矩形框信息，计算菌盖、菌柄最小矩形框中心点坐标和旋转点坐标；

25、连接所述大球盖菇菌盖和菌柄的最小矩形框中心点，计算连线向量和竖直向量的夹角从而得到旋转角度；

26、根据所述的旋转点和旋转角度，获取旋转矩阵；

27、根据所述的旋转矩阵对原图各像素点坐标进行仿射变换，得到大球盖菇的菌盖和菌柄图像旋转为竖直状态下各像素点坐标，最终获得旋转为竖直状态下的大球盖菇菌盖和菌柄轮廓图像。

28、可选的，所述方法还包括

29、pc机通信模块与单片机通信连接，将即将进入分级系统的大球盖菇级别信息发送至单片机。

30、可选的，所述方法还包括

31、所述单片机根据大球盖菇的等级信息通过输出高、低电平控制对应等级的气管打开，从而将大球盖菇按照预测等级吹至不同的收集框内。

32、可选的，所述方法还包括

33、判断对应等级的气管是否打开以将大球盖菇吹入相应收集框内：

34、经过主吹气管吹送后，若补吹气管对应的光电传感器仍然感应到大球盖菇，则表明所述的主吹气管并未将大球盖菇吹入相应收集框，则打开补吹气管，对大球盖菇进行补吹，所述补吹气管的气压高于主吹气管，同时拨杆打开并快速旋转至与长形传输带的保护壁面呈30°左右的状态，在拨杆和补吹气管的作用下保证大球盖菇顺利落入相应收集框。

35、为了实现发明目的，本发明还提供了如下方案：

36、一种大球盖菇的自动分级系统，包括上料系统、传输系统、图像采集视觉系统和分级系统；

37、所述上料系统用于将待分级的大球盖菇依次运送至传输系统的起始端；

38、所述传输系统用于将单路依次出料的大球盖菇传输至图像采集视觉系统的工作范围，并将完成识别的大球盖菇移出图像采集视觉系统的工作范围；

39、所述图像采集视觉系统用于提取和分析大球盖菇的信息，并将获取的信息传输至分级系统，其中所述信息包括综合反映大球盖菇等级的大球盖菇的菌盖高度和直径信息、大球盖菇的菌柄长度和直径信息、大球盖菇的外观颜色；

40、所述分级系统用于根据图像采集视觉系统传达的信息以及前述技术方案任一项所述大球盖菇的自动分级方法对大球盖菇进行分级。

41、可选的，所述上料系统包括振动盘；

42、所述振动盘包括控制器、送料旋梯、振动器、大球盖菇拨杆、上料旋梯；

43、所述控制器用于控制振动器的振动频率、幅度、运动方式等参数；

44、所述振动器通过振动力将振动盘上大球盖菇输送到传输系统；

45、所述上料旋梯用于承载大球盖菇，使其产生移动单列上料并排序等效果；

46、所述送料旋梯用于将通过上料旋梯的大球盖菇平稳地输送到传输系统；

47、所述大球盖菇拨杆用于拨倒上料旋梯上直立的大球盖菇，使其平躺着进行传输。

48、可选的，所述振动器安装于振动盘底部中心位置，其通过电磁原理产生振动力，将堆放在底部的大球盖菇从下至上随着旋梯上升并实现单列上料，运往传输系统。

49、可选地，所述上料旋梯自振动盘底部沿着振动盘壁面螺旋上升至送料旋梯的入口端。

50、可选地，所述大球盖菇拨杆设置于所述上料旋梯的第一、二层旋梯之间且靠近第二层旋梯处，所述大球盖菇拨杆与振动盘壁面固接为一体，用于拨倒直立的大球盖菇，使其平躺着进行传输。

51、可选地，所述送料旋梯和上料旋梯上均开设有浅凹槽；

52、所述浅凹槽用于保证相邻大球盖菇之间存在一定的间距，从而进行有序传输。

53、可选的，所述传输系统包括一长形传输带，所述长形传输带采用蓝色pu材质食品级传输带，用于将通过上料系统依次传送过来的大球盖菇传输至图像采集视觉系统和分级系统的工作范围。

54、可选的，所述图像采集视觉系统包括暗箱传感器、工业相机及相机横梁；

55、所述暗箱传感器固定在所述传输系统上方；

56、所述工业相机及相机横梁固定在所述暗箱传感器上端，且所述暗箱传感器与所述工业相机位于同一条垂线上，当感知到大球盖菇处于工业相机正下方时控制其自动拍摄所需图像。

57、可选的，所述分级系统包括单片机及与其通信连接的多组气管、光电传感器，以及收集框、拨杆；

58、所述气管位于所述传输系统的一侧，所述光电传感器安装于气管的附近，用于检查对应等级信息的大球盖菇是否到来，所述收集框用于收集从传输系统不同位置处落下的相应等级的大球盖菇；

59、当某光电传感器感应到对应等级信息的大球盖菇并未被吹落，则对应气管以及拨杆动作进行补吹。

60、可选地，所述单片机选用stm32单片机，其与pc机通信模块通信连接，后者将即将进入分级系统的大球盖菇等级信息发送至单片机，所述单片机接收到等级信息后，将等级信息放在等级队列，当大球盖菇到达对应光电传感器时，单片机利用数字输出口控制相应气管的开关进行大球盖菇的品质自动分级操作。

61、可选地，所述气管设置有四个，其中两个气管分别作为控制大球盖菇中、小两种等级分级的主吹气管，其余两个气管则作为控制大球盖菇中、小两种等级分级的补吹气管，若是相应的光电传感器感应到大球盖菇并未被吹落，则对应补吹气管和拨杆同时打开，补吹气管的气压高于主吹气管，所述拨杆打开后快速旋转至与所述长形传输带的保护壁面呈30°左右的状态，完成补吹动作。

62、可选地，对于大型大球盖菇，其随传输系统直接运送至位于长形传输带末端的收集框内。

63、可选地，所述分级系统还包括气泵罐，其用于容纳和压缩气体，将压缩气体通过气管排出。

64、可选地，所述分级系统还包括气管支架，所述气管固定于所述气管支架上，所述气管支架固定在所述长形传输带一侧，所述光电传感器固定在所述气管支架附近，所述拨杆固定于与所述气管支架相对的一侧。

65、本发明较之于现有技术具有以下技术效果：

66、1、本发明通过卷积神经模型和图像算法进行大球盖菇的品质分级，此方法是简单、有效且高效的，对大球盖菇的识别准确率极高，保证了自动分级的准确性。

67、2、本发明通过带拨杆的振动盘进行大球盖菇的上料操作，一次可放入多个大球盖菇，不需要人工放取，极大降低了人劳动力，添加的大球盖菇拨杆采用柔性材质，在保证大球盖菇品质的前提下可以使其平躺、有序进入传输系统。

68、3、本发明借用气管进行大球盖菇的自动分级操作，气管最大的特征便是可以即开即闭，气压也可以人为调整，因此本发明在要求传输带速度较高的生产线上也可以使用，同时所添加的补吹气管和拨杆进一步保证了自动分级系统的可靠性和可行性。