CN114813579A - 一种可消除高反光果蔬表面眩光的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可消除高反光果蔬表面眩光的方法和装置,涉及果蔬分级技术领域，方法包含以下步骤：S1：光源发光；S2：光束整形；S3：偏振调节；S4：待测物散射；S5：散射光偏振滤光；S6：镜头探测器收集；S7：计算机图像采集和处理。装置包括果蔬传输装置、待测果蔬、照明光源、光束整形模块、第一偏振调节模块、第二偏振调节模块以及镜头和图像探测器。通过本发明的方法及装置，可消除局部亮斑，使果蔬在视场内均匀成像，方便识别表面特征，提高特征识别准确性。

Description

一种可消除高反光果蔬表面眩光的方法和装置

技术领域

本发明属于光学检测领域，应用于果蔬分级领域，涉及一种表面光滑(强反光)果蔬分选的视觉系统，具体涉及一种可消除高反光果蔬表面眩光的方法和装置。

背景技术

果蔬由于先天和后天因素造成产品质量参差不齐，果蔬分级对于提高产品利用率、减少浪费、方便加工等方面具有重要意义。果蔬的分级前提是对果蔬分级特征的提取，而特征的提取就需要有良好的成像效果，所以针对不同类型的果蔬分级的机器视觉方案就显得尤为重要。

现有技术中，公开号为CN113751355A的专利申请介绍了一种基于计算机视觉技术的圣女果自动分拣方法及系统，该专利技术方案忽略了圣女果表面反光问题，尤其在识别圣女果缺陷时，算法容易把表面反光产生的局部过曝(眩光)误判为缺陷。同样的，公开号为CN113751355A的专利申请，其用于果蔬分拣的光学系统是使用LED、卤素灯或者激光通过整形照明，使用常规面阵或线阵相机采集待测果蔬的图像，这种方式对表面粗糙(非强镜面反光)的果蔬的图像采集满足要求，而对表面光滑、强反光的果蔬却不适合，因为强反光果蔬的表面会产生局部过曝(眩光)，即在反光表面产生局部亮斑，亮斑的存在影响算法对果蔬特征的提取，容易在特征提取时产生误判。

发明内容

本发明的目的在于解决果蔬分拣系统中由于光滑果蔬表面定向强反光造成的局部过曝(眩光)问题，该问题的存在不利于算法识别，容易在特征提取时产生误判，影响算法识别准确性，为了便于理解，请参见图1和图2所示，图1是光滑果蔬表面存在局部过曝问题，而通过本发明的方法及装置，可消除图中的局部亮斑(如图2所示)，使果蔬在视场内均匀成像，方便识别表面特征，提高特征识别准确性。

为实现上述功能及目的，本发明提供了一种可消除高反光果蔬表面眩光的方法和装置，其技术方案如下：

首先，方法流程原理图见如3所示。

其次，装置包括果蔬传输装置、待测果蔬、照明光源、光束整形模块、第一偏振调节模块、第二偏振调节模块以及镜头和图像探测器。

其中，果蔬传输装置用于承载传输待测果蔬，特别地，优选果蔬传输装置颜色与待测果蔬颜色互为互补色。互补色，即任何两种颜色混合能合成白光，那么一种即为另一种颜色的互补色，互补色选择可参考色相环(如图4所示)，参考色相环优选角度120-180°内的一对颜色为互补色。

照明光源：为成像系统提供光源，照明光源可选卤素光源，进一步优选LED光源以及激光光源。

光束整形模块：作用是对光分布做调节，根据实际功能要求可能是匀光，匀光方式可以是散射板导光板，微透镜阵列等；可能是口径整形，扩束缩束等；可能是光源合束等。

第一偏振调节模块：作用是对照明光源发出的光进行偏振态调节，根据光源类型选择不同的偏振调节模块的类型，如卤素光源和LED光源选择线偏振片，工作波长400-760nm，也可选400-700nm。线偏振片是一种由二向色性材料和玻璃或者高分子透明薄膜胶合而成。线偏振片是起偏器的作用，即把非偏振光变成偏振光，由于透射光的偏振方向始终与偏振片的偏振方向相同，所以通过调节偏振片的偏振方向，即可获得任意角度的偏振光，结合图5所示。

要求线偏振片透射消光比大于100，进一步优选透射消光比大于500，透射消光比等于线偏振光偏振方向分别平行和垂直入射线偏振片时的透射光强的比值，表征线偏振片对线偏振光的透射和截至的能力。除二向色材料偏振片以外，还可选线性薄膜偏振片，该类型偏振片是根据细长银纳米颗粒对偏振光的选择性透过效应制作而成，优点是损伤阈值高，缺点是价格昂贵。

照明光是激光光源时选择二分之一波片，由于激光绝大多数本身是线偏振光，线偏振光经过二分之一波片后透射光线仍然是线偏振光，且偏振方向依赖于入射偏振光偏振方向和二分之一波片快轴方向的夹角，二分之一波片仅对入射光线的相位做延迟，并不会消光。

第二偏振调节模块：第二偏振调节模块优选线偏振片，偏振方向与第一偏振调节模块调节后的偏振光的偏振方向成一定夹角，作用是滤除线偏振照明光经光滑表面的直接反射光，只保留经表面散射出来的非偏振光和非此偏振方向的偏振光，反射表面的局部过曝(眩光)正这部分直接反射光造成的。

镜头和探测器：用于对目标待测物成像。

本发明可用于圣女果、葡萄、樱桃子、车厘子、油桃、人参果等一些表面光滑反光果蔬的分拣识别。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

现有技术在检测识别具有高发光表面时易产生眩光，眩光不利于算法识别，容易产生误判，采用本发明的技术方案可有效消除图1中的眩光问题，体现待识别样品本身的图像，消除由于外部干扰造成的图像“失真”，使果蔬在视场内均匀成像，方便识别表面特征，提高特征识别准确性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是光滑果蔬表面存在局部过曝问题的影像图；

图2是消除图1中局部亮斑的影像图；

图3是本发明总体方案原理流程图；

图4是色相环图；

图5是偏振调节原理图；

图6是实施例1方案的示意图；

图7是实施例2方案的示意图；

图8是激光合束方案示意图；

图9是多路复用保偏光纤激光合束方案示意图。

图中标记为：

101：光源；

102：导光板；

103：第一线偏振片；

104：果蔬传输装置；

105：待测果蔬；

106：第二线偏振片；

107：成像镜头；

108：传感器；

109：计算机；

201：激光合束模块；

202：二分之一波片；

203：点激光整形线激光模块；

204：果蔬传输装置；

205：待测果蔬；

206：第三线偏振片；

207：成像镜头；

208：传感器；

209标注的为204运动方向，如示意图方向，可以向左也可以是向右；

210为计算机；

301、302、303为激光器；

304、305、306、307为对应激光器波长的高反射镜；

308、309为对应波长的二向色镜，如308对301高反，对302高透；309对303高反，对301和302高透；

310为多路复用保偏光纤；

311为光纤准直器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

请参见图6所示，果蔬传输装置104的背景颜色优选与待测果蔬105颜色互补，以红色圣女果为例，果蔬传输装置的背景颜色优选蓝青色；所用光源101优选LED白光面光源，LED面光源由驱动电路、LED封装芯片阵列以及导光板102组成，导光板的作用是使照明更加均匀，LED发光属于自发辐射，是非偏振光；第一偏振调节模块为第一线偏振片103，工作波长400-760nm，也可选400-700nm，要求第一线偏振片透射消光比大于100，进一步优选透射消光比大于500。

LED光源101经过第一线偏振片103的能量计算如下：

设经过入射到第一线偏振片的总光强为I₀,通过第一线偏振片出射后的总光强为I，则任意一偏振方向上的的光强I＇为如下式(1)：

根据线描述偏振光通过线偏振后的透射光强的马吕斯定律得，任意一偏振方向上的的光强I＇通过第一线偏振片后的光强I＂为如下式(2)：

I″＝I′cos²θ

其中θ为入射偏振光的偏振方向与第一线偏振片偏振方向的夹角，则非偏振光通过第一线偏振片出射后的总光强为I为如下式(3)：

将上述式(1)、(2)带入式(3)可得如下式(4)：

由所述式(4)得出，非偏振光入射到第一线偏振片上，透射光强最多为入射光强的一半，再考虑其他的损耗，如表面反射、杂质吸收等，透射光强会低于50％。

为提高照明均匀性，进一步要求两块光源101对称放置照明均匀性要求：设成像区域光照强度最大为Emax，最小为Emin，则要求式(5)：

可以避免由于光照不均造成的识别误差。

第二偏振调节模块为第二线偏振片106，工作波长400-760nm，也可选400-700nm，第二线偏振片偏振方向与第一偏振调节模块线偏振片偏振方向相互垂直，作用是滤除经过第一偏振片后的偏振光在果蔬表面的直接反射光，只允许表面散射的非偏振光或者非此偏振方向上的偏振光进入成像镜头107，进而在传感器108靶面成像，

成像镜头107和传感器108，传感器可选择CCD或CMOS面阵图像传感器，进一步优选彩色面阵图像传感器。

实施例2

在实施例1中，由式(4)可知，在考虑其他损耗的前提下，第一偏振片造成了LED芯片发出的光超过50％没有参与照明，造成了能量浪费，所以在实施例二中提出了一种使用线激光+线阵相机扫描的方式成像，此举有利于提高光源能量利用率，如图7所示，相比于实施例1的对称放置的LED面光源，在实施例2中光源更换为激光光源(激光合束模块201)，包含三束激光，三束激光波长范围可选分别为红光：615-620nm，绿光：530-540nm，蓝光：460-470nm。进一步地，要求三束激光都为线偏振光。能量配比为红光:绿光:蓝光＝6:3:1，进一步要求三束激光光斑大小相近，且大小约为1-2mm。

将三束激光合束，如图8，具体是使用两块二向色镜对三束激光合束，在一些其他实施例中也激光合束可以为如图9，具体是使用多路复用保偏光纤310对三束激光合束。

第一偏振调节模块为消色差二分之一波片202，工作波长包含460-620nm，通过旋转二分之一波片快轴，即可实现光束传输方向横截面内的任意线偏振方向调节，且无消光现象，即调节偏振方向无能量损失。

合束过后的激光入射到鲍威尔棱镜，鲍威尔棱镜是一种可以将点激光整形成线激光的光学元件(点激光整形线激光模块203)，进一步要求线激光入射角度0-15°。线激光长度方向垂直于果蔬传输装置的运动方向，且宽度方向小于2mm。

在将点激光整形成线激光的方案中不限于使用鲍威尔棱镜，还可以是柱面透镜组、棒透镜、扫描振镜、多面转镜等。

第二偏振调节模块为第三线偏振片，其偏振方向和第一偏振模块调节出射的线偏振光偏振方向相互垂直。

成像镜头207和传感器208，成像镜头内置狭缝光阑，传感器为彩色线阵图像传感器，进一步地，要求线激光的照射果蔬传输装置位置、镜头内置的狭缝光阑以及线阵传感器靶面三线共面，镜头收集角度0-15°，且与入射光线同侧或者位于法线方向。

另外，需要说明的是，本申请实施例中的术语解释如下：

(1)LED：light-emitting diode，发光二极管，属于自发辐射发光，发出的光是非偏振光；

(2)激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)，受激辐射光放大，是偏振光；

(3)偏振光：光是一种电磁波，光是电场分量和磁场分量共同作用的结果，定义电场分量的振动方向为光的偏振方向，即电场振动方向轨迹为一条线时是线偏振光；

(4)线偏振片：仅允许偏振方向与线偏振片偏振方向相同方向分量的光通过的光学元器件，线偏振光通过偏振片遵循马吕斯定律；

(5)透射消光比:表征线偏振光对平行和垂直于其偏振方向的线偏振光的透射和消光能力，数值越大表征性能越好；

(6)CCD：电荷耦合器件，一种图像传感器；

(7)CMOS：互补金属氧化物半导体，一种图像传感器；

(8)二向色镜：一种光学元件，一个方向对一个波段高反，另一方向对另一波长高透，多用于激光合束；

(9)二分之一波片：也叫半波片，一种相位延迟光学元件，由双折射材料制成，线偏振光入射到二分之一波片上，寻常光(o光)与非寻常光(e光)相位延迟π，若入射到半波片上的线偏振光偏振方向与半波片的快轴夹角为θ，折出射光线与半波片快轴夹角为2θ，当半波片旋转90°，偏振方向旋转180°，多用于调节线偏振光的方向。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电路连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种可消除高反光果蔬表面眩光的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：光源发光；

S2：光束整形，包括对光分布做调节，采用匀光、口径整形、扩束缩束或是光源合束方式；

S3：偏振调节，包括对照明光源发出的光进行偏振态调节；

S4：待测物散射；

S5：散射光偏振滤光，包括滤除线偏振照明光经光滑表面的直接反射光，只保留经表面散射出来的非偏振光和非此偏振方向的偏振光；

S6：镜头探测器收集；

S7：计算机图像采集和处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中包括两块对称放置的光源，其照明均匀性要求为：设成像区域光照强度最大为Emax，最小为Emin，则要求：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述匀光方式为散射板导光板或微透镜阵列。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源为卤素光源或LED光源时，偏振调节采用线偏振片，线偏振片的工作波长400-760nm或400-700nm。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述线偏振片透射消光比大于100。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述线偏振片透射消光比大于500。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源为激光光源时，所述照明光偏振采用二分之一波片，反射光滤除采用线偏振片。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二分之一波片的工作波长包含460-620nm。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光光源包含三束激光，三束激光波长范围分别可选为红光：615-620nm，绿光：530-540nm，蓝光：460-470nm。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述三束激光都为线偏振光，能量配比为红光:绿光:蓝光＝6:3:1。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述三束激光光斑大小相近，且大小为1-2mm。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述激光合束采用两块二向色镜对三束激光合束，或使用多路复用保偏光纤对三束激光合束，合束过后的激光入射到点激光整形成线激光的光学元件中，其中，线激光入射角度0-15°，线激光长度方向垂直于果蔬传输的运动方向，且宽度方向小于2mm。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述点激光整形成线激光的光学元件为鲍威尔棱镜、柱面透镜组、棒透镜、扫描振镜或多面转镜中的任一。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述线激光照射果蔬承载位置、镜头内置的狭缝光阑以及线阵传感器靶面三线共面，镜头收集角度0-15°，且与入射光线同侧或者位于法线方向。

15.一种可消除高反光果蔬表面眩光的装置，其特征在于，包含：

果蔬传输装置，用于承载传输待测果蔬；

照明光源，为成像系统提供光源；

光束整形模块，用于对光分布做调节；

第一偏振调节模块，用于对照明光源发出的光进行偏振态调节；

第二偏振调节模块，其偏振方向与第一偏振调节模块调节后的偏振光的偏振方向成一定夹角，用于滤除线偏振照明光经光滑表面的直接反射光，只保留经表面散射出来的非偏振光和非此偏振方向的偏振光；

镜头和探测器，其用于对目标待测物成像。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述果蔬传输装置颜色与待测果蔬颜色互为互补色。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述互补色为角度120-180°内的一对颜色。

18.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第二偏振调节模块偏振方向与第一偏振调节模块调节后的偏振光的偏振方向相互垂直。

19.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，还包含：

激光合束模块；

点激光整形线激光模块。

Images