ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОСПЕКТРАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЛИ ДЕФЕКТОВ ПРОДУКТОВ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
MEASURING DEVICE FOR MULTISPECTRAL MEASUREMENT OF QUALITY CHARACTERISTICS OR DEFECTS OF PRODUCTS AND CORRESPONDING METHOD

Настоящее изобретение относится к измерительному устройству для записи при множестве частот изображений, предназначенных для измерения качественных характеристик или дефектов продуктов, таких как продукты в общем смысле, в частности овощи и фрукты.
На практике известны разнообразные измерительные устройства, с помощью которых измеряются такие продукты, как овощи и фрукты. В числе других измерительных устройств известно, в частности, использование многоспектральной измерительной системы.
Одна из проблем, возникающих в этой области техники, состоит в том, что в результате получается много данных, которые необходимо проанализировать. Это проблематично в случае короткого промежутка времени, доступного для обработки, например, при использовании измерительного устройства для системы сортировки с целью сортировки овощей и фруктов. Решения для преодоления этой проблемы обычно подразумевают ограничение используемых частот, которые в этом случае направлены на конкретный дефект для конкретного продукта. Следовательно, это означает ограничение гибкости для такой измерительной системы.
Еще одна дополнительная проблема связана с выполнением измерений во время транспортировки продукта. Это означает, что продукт перемещается и не вся поверхность продукта видна камере. Это снижает достоверность результата измерения, поскольку фактически обнаруживаются не все качественные характеристики или дефекты.
В документе US 5164795 описано измерительное устройство для классификации поверхности (сферических) фруктов. В данном случае используются камеры линейного сканирования, расположенные одна за другой. Проблемой в таком измерительном устройстве является ограниченная точность полученных результатов. Это особенно проблематично для натуральных продуктов с неровными и разнообразными поверхностями.
В документе US 6610953 B1 описано измерительное устройство, в котором изображение продукта, полученное в средней инфракрасной области спектра, является отдельным от изображения, полученного в ближней инфракрасной области спектра. Это требует использования относительно дорогой системы камер. Кроме того, не все соответствующие дефекты могут быть установлены с помощью данного способа. Следовательно, такой способ дает ограниченное указание, например, на общее качество рассматриваемого продукта.
Задачей настоящего изобретения является создание измерительного устройства, с помощью которого вышеуказанные проблемы устранены или по меньшей мере уменьшены, предпочтительно такого экономически эффективного измерительного устройства, которое обеспечивает гибкое использование и которое особенно подходит для измерения продуктов, таких как овощи и фрукты.
Настоящее изобретение предусматривает для этого измерительное устройство по п. 1 формулы изобретения для измерения качественных характеристик или дефектов таких продуктов, как овощи и фрукты.
Транспортерные средства перемещают продукт вдоль транспортерного пути или по транспортерному пути. Транспортерными средствами являются, например, вогнутые катки. Также возможно применять другие транспортерные средства, такие как щетки. Преимущество использования вогнутых катков состоит в том, что они позволяют вращать продукт во время транспортировки, так что на камеру во время перемещения направлено множество сторон продукта.
Наличие системы камер позволяет записывать изображение продукта. Используемый для этой цели источник света излучает свет, имеющий определенную частоту и/или определенный частотный спектр, при которых камера записывает изображение. Благодаря использованию контроллера в измерительном устройстве, процедура измерения может быть реализована с помощью системы камер. Согласно изобретению, контроллер для этого выполнен с возможностью подачи в систему камер первой команды на измерение. Система камер выполняет первое измерение на основе принятой команды на измерение, активируя как источник света, так и камеру. В данном случае на основе первой команды на измерение изображение продукта записывается при по меньшей мере двух частотах или частотных спектрах. Хотя возможно записать одно изображение с применением двух или более частот или частотных спектров, например с помощью гиперспектральной камеры, в настоящее время предпочтительно записывать единственное изображение продукта с помощью камеры при отдельной частоте или отдельном спектре.
Контроллер дополнительно выполнен с возможностью подачи в систему камер второй команды на измерение. После получения этой второй команды на измерение система камер активирует источник света и камеру для записи второго изображения продукта, снова при двух или более частотах и/или частотных спектрах, которые по существу равны частотам и/или частотным спектрам для первого измерении. Между первой командой на измерение и второй командой на измерение продукт перемещается транспортерным средством и перемещается из первой точки измерения или первого пути измерения во вторую точку измерения или второй путь измерения. Это обеспечивает то, что, помимо перемещения, продукт также поворачивается транспортерным средством, и другая его сторона будет обращена к камере. Таким образом, можно получить полный анализ по существу всей поверхности продукта, в том числе в случае изделий неправильной формы, например груш. При желании могут выполняться несколько команд на измерение. В соответствии с изобретением, при желании также возможно с помощью контроллера подавать множество команд на измерение в комбинированном виде в систему камер; таким образом, система камер записывает в первой и во второй точке измерения или на первом и втором пути измерения по меньшей мере изображение продукта при по меньшей мере двух частотах или частотных спектрах. При этом записываются по меньшей мере два изображения, которые соответствуют различным положениям.
В соответствии с изобретением система камер дополнительно функционально связана с системой обработки данных, с помощью которой может быть составлено обзорное изображение продукта для каждой частоты или каждого частотного спектра. Это обзорное изображение продукта затем анализируется системой обнаружения, которая функционально связана с системой обработки данных, так что может быть обнаружена качественная характеристика или дефект на продукте или в продукте. Такая система обнаружения может быть сформирована с помощью системы анализа или может содержать такую систему анализа. Составление обзорного изображения продукта позволяет проводить анализ по всей поверхности продукта. В соответствии с изобретением может быть сформировано физическое обзорное изображение, которое затем обрабатывается системой обнаружения и/или анализа дополнительно, или может быть сформировано виртуальное обзорное изображение, в котором данные обрабатываются немедленно путем разделения/увеличения данных или выполнения других операций, и затем обеспечивается общее изображение.
В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления изобретения измерительное устройство использует так называемые камеры сканирования области, в которых каждая запись показывает графическое представление/изображение (то есть наиболее полное из возможных) плода. Поэтому в записях при множестве частотных диапазонов пространственная информация о целом фрукте доступна для каждой частотной полосы. Таким образом, изображения в разных частотных полосах могут быть точно спроецированы друг на друга, после чего может быть выполнен анализ каждого минимального элемента изображения на основе информации из изображений, полученных для разных частотных полос. Согласно изобретению, возможно записывать изображения последовательно и/или одновременно при двух или более частотах или частотных спектрах, также называемых частотными полосами. Для классификации минимальных элементов изображения, предназначенных для обнаружения, например, дефектов, дополнительно используются такие способы анализа, как нейронные сети, анализ главных компонентов, линейный дискриминантный анализ, регрессия главных компонентов, частичные наименьшие квадраты и т.д., при этом разделяющие плоскости между различными классами так называемого классификатора не обязательно проходят через источник.
Измерительное устройство, предпочтительно, дополнительно содержит вторую систему камер, которая расположена на раме для записи изображений с другой стороны продукта, по сравнению с первой системой камер. Это позволяет получить еще более полный обзор всей поверхности продукта. Это дополнительно повышает надежность измерения.
Характеристики и дефекты продукта могут быть связаны с различными аспектами. Примерами этого являются, например, жесткость киви, мягкие пятна непосредственно под поверхностью продукта, содержание сахара, обнаружение потемнения у груш, мягкие пятна у персиков, внутренние повреждения у киви, пробковые пятна у груш. Очевидно, что также могут быть измерены другие дефекты.
Изобретение может быть особенно выгодно использовано в случае дефектов или качественных характеристик, которые видны при объединении информации, полученной при разных частотах, например пробковых пятен в грушах и мягких пятен под поверхностью в персиках.
Система обработки данных формирует обзорное изображение продукта, комбинируя отдельные изображения и корректируя их для наложения. Такой процесс также называется картированием. Система обработки данных использует обзорное изображение продукта для распознавания качественных характеристик или дефектов.
В одном из предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления изобретения система обработки данных выполняет сравнение на основе изображений и пороговых значений, чтобы определять, имеет ли место конкретный дефект. В частности, в случае дефекта, который виден только путем объединения информации, полученной при множестве частот или множестве частотных спектров, необходимо, чтобы во всех этих частотах или частотных спектрах встречалось превышение при сравнении, например, с пороговым значением, возникающим в соответствии с соответствующим дефектом. Если все соответствующие пороговые значения превышены, возникает такой сложный дефект, который затем может быть установлен измерительным устройством. При желании можно дополнительно или альтернативно использовать другой способ обнаружения.
Полученные результаты измерений для каждого продукта, предпочтительно, передаются измерительным устройством, например, в систему сортировки и, например, используются для сортировки продуктов.
Дополнительное измерение, например, измерение флуоресценции, необязательно выполняется в точке измерения. С помощью выполнения дополнительного измерения возможно получать дополнительную информацию о продукте.
В полезном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения система камер измерительного устройства также содержит дополнительную камеру для записи изображения при второй и, необязательно, дополнительной частоте.
Наличие второй камеры для каждой системы камер позволяет получать точное изображение при определенной частоте или частотном спектре. Таким образом, например, возможно сконфигурировать первую камеру специально для определенной частоты и сконфигурировать вторую или, необязательно, дополнительную камеру специально для другой частоты.
В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления изобретения четыре, пять или шесть камер, которые специально предназначены для определенных частот или частотных спектров, предусматриваются для каждой системы камер. Если система камер расположена на какой-либо стороне пути транспортировки продукта, обе системы камер, предпочтительно, снабжены в этом варианте множеством отдельных камер. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что может быть получено конкретное измерение, при котором предотвращается возникновение помех или нарушений измерений, вызванных измерением при других частотах. Это, предпочтительно, реализуется путем снабжения отдельных камер специальным фильтром. При использовании такого специального фильтра изображение, полученное с помощью конкретной камеры, нацелено на определенную частоту. Это значительно повышает точность получаемого изображения. Применяя множество камер для каждой системы камер, можно получать полезную информацию для каждой частоты, чтобы можно было эффективно обнаруживать характеристику или дефект продукта, например, путем объединения информации от разных камер. Дополнительным преимуществом является то, что использование множества камер, предпочтительно снабженных фильтром определенной частоты для каждой системы камер, обеспечивает относительно экономичную систему камер. Такая система камер также может быть модифицирована относительно простым способом для другого варианта применения, например для другого типа продукта и/или другой качественной характеристики или дефекта.
Когда для каждой системы камер используется множество камер, изображение, предпочтительно, генерируется по существу одновременно для каждой частоты или частотного спектра с помощью каждой отдельной камеры. Это особенно упрощает так называемое картирование и/или позволяет получать более точное изображение продукта. При желании можно комбинировать изображения, полученные при множестве частот, чтобы просматривать дефекты, которые могут быть обнаружены достаточно точно только путем объединения изображений, полученных при множестве частот/спектров.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения системы камер, или система камер, или отдельные камеры могут быть установлены на несущем элементе, в результате чего трехмерное изображение продукта может быть получено эффективным способом. Трехмерное 3D изображение продукта может быть получено, например, с помощью стереоизмерения, в котором, например, две камеры системы камер по существу одновременно записывают изображение продукта с различных направлений. Такой несущий элемент может, необязательно, иметь возможностью перемещения, например, для того чтобы адаптировать его к типу измеряемого продукта, или даже может перемещаться совместно с продуктом во время транспортировки продукта.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения контроллер выполнен с возможностью подачи по меньшей мере десяти команд на измерение для каждого продукта.
За счет наличия контроллера, с помощью которого по меньшей мере десять, а предпочтительно даже больше, команд на измерение подаются для каждого продукта, для каждой частоты получают десять изображений продукта. Поскольку команды на измерение подаются во время перемещения продукта, различные изображения продукта получаются с различными ориентациями этого продукта. Это позволяет получать обзорное изображение продукта, в результате чего точность возможного обнаружения увеличивается.
Команды на измерение продукта, предпочтительно, выполняются в течение периода времени 0,5 секунды, более предпочтительно в течение периода времени 0,2 секунды, чтобы таким образом обеспечивать достаточную функциональную возможность для измерительного устройства. В этом случае можно активировать системы камер одновременно, чтобы записывать изображения продукта на нескольких путях или дорожках транспортировки продукта. В одном из предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления изобретения измерительное устройство применяется для двух параллельных дорожек для продукта. Таким образом, система камер может использоваться эффективно, в результате чего получается еще более предпочтительный вариант осуществления изобретения.
Измерительное устройство согласно изобретению, предпочтительно, снабжено осветителем, предпочтительно рядом светодиодов. На основании команды на измерение некоторые из светодиодов активируются, а другие, предпочтительно, активируются поблизости от них, чтобы посредством этого получать изображение продукта с другой частотой. В качестве альтернативы применению светодиодов с определенными частотами или частотными спектрами, также может быть использовано более традиционное галогенное освещение, при котором излучаются множество частот.
Осветитель, предпочтительно, применяется в сочетании с системами камер, содержащими множество камер, снабженных фильтрами, для получения информации, направленной на конкретные частоты или частотные спектры. Такое освещение, реализованное с помощью осветителя, может альтернативно также применяться в сочетании с гиперспектральной камерой, с помощью которой получают, например, информацию для 25 частот на каждый, необязательно, составной минимальный элемент изображения. Такая камера предоставляет информацию об относительно большом количестве частот, обычно с относительно большим размером минимального элемента изображения.
Система камер, и предпочтительно ее освещение, предпочтительно, ограждаются корпусом. Таким образом, освещение может быть эффективно экранировано от окружающей области, чтобы избежать помех от окружающего пространства, которые могут повлиять на измерение. Это повышает точность измерения.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения система камер содержит инфракрасный датчик, или датчик ближней инфракрасной области спектра, и/или RGB-камеру (камеру с колориметрической системой "красный-зеленый-синий").
Дополнительную информацию о продукте можно получить за счет наличия дополнительного инфракрасного датчика или датчика ближней инфракрасной области спектра. Это аналогично случаю применения RGB-камеры, в котором может быть получена дополнительная информация или в котором такая камера может функционировать в качестве эталона. При этом получается больше информации и/или повышается надежность полученных измерений.
Изобретение также дополнительно относится к сортировочной системе, снабженной вышеописанным измерительным устройством.
Такая система сортировки обеспечивает те же эффекты и преимущества, которые описаны для измерительного устройства. В дополнение к измерительному устройству сортировочная система, предпочтительно, содержит разделитель и сортировочное устройство с сортировочными выходами. Таким образом, получается полная технологическая линия, с помощью которой продукты могут поставляться навалом, а после разделения, измерения и классификации сортируются для дальнейшей обработки, включая хранение.
Изобретение также дополнительно относится к способу по п. 13 формулы изобретения для измерения качественных характеристик или дефектов в продуктах, таких как овощи и фрукты.
Способ обеспечивает эффекты и преимущества, аналогичные тем, что описаны для измерительного устройства и/или системы сортировки. С помощью этого способа может быть эффективным образом получено обзорное изображение продукта при разных частотах или частотных спектрах. Предпочтительно, чтобы частоты или частотные спектры в первом и втором измерениях по меньшей мере частично по существу соответствовали друг другу. Дополнительное измерение, необязательно, выполняется в точке измерения, например стереоскопическое измерение для получения трехмерного 3D изображения и/или, например, измерение флуоресценции. При этом качественная характеристика или дефект могут быть обнаружены эффективным способом. Такое изображение продукта оценивается на основе обзорных изображений продукта, связанных с более чем одной частотой или более чем одним частотным спектром. Таким образом, дефект, например, может быть обнаружен эффективным способом посредством использования информации, полученной для множества частот или частотных спектров.
В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления изобретения в данном примере используется множество камер для записи изображения при одной частоте на каждую камеру. Информация, которая является точной и в которой предотвращается нарушение другими частотами, может быть эффективно собрана с такой конкретной камеры.
Дополнительные преимущества, признаки и подробности изобретения раскрыты на основе предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 и 2 показаны виды измерительного устройства согласно изобретению; и
на фиг. 3а–3е – виды изображений продукта, полученных с помощью измерительного устройства, показанного на фиг. 1 и 2.
Измерительное устройство 2 (фиг. 1 и 2) содержит раму 4, снабженную несколькими балками 6 и стойками 8, при этом имеется кожух или корпус 10. Ножки или монтажные пластины используются для размещения измерительного устройства 2, например, в сортировочной системе 11, содержащей направляющие 12 и вогнутые катки 14, с помощью которых продукты P транспортируются в направлении A. Очевидно, что сортировочная система 11 также может быть образована иным образом, например с помощью щеток.
Измерительное устройство 2 снабжено первой системой 16 камер, содержащейся или смонтированной на одной или более пластинах или поддерживающих опорах 18, которые расположены с каждой стороны измерительного устройства 2. Монтажная балка 20 проходит между опорами 18. На монтажной балке 20 расположен первый набор 22 камер, содержащий несколько камер 24. Камеры 24 имеют линию прямой видимости или рабочий диапазон 26. Первая система 16 камер дополнительно содержит осветительную перекладину 28, которая в показанном варианте осуществления изобретения проходит по существу по всей длине измерительного устройства 2. В показанном варианте осуществления изобретения на перекладине 28 расположено несколько групп светодиодов 30.
В показанном варианте осуществления изобретения измерительное устройство 2 подходит для измерения на первой дорожке 32 и второй дорожке 34, которые расположены параллельно друг другу в этом варианте осуществления изобретения. Очевидно, что также может использоваться другое количество дорожек, например: одна, три, четыре или более.
Первая система 16 камер записывает изображения первой стороны продукта P. В показанном варианте осуществления изобретения измерительное устройство 2 дополнительно снабжено второй системой 36 камер на другой продольной стороне измерительного устройства 2 для измерения другой стороны продукта P. В показанном варианте осуществления изобретения две системы 16, 36 камер используются для измерения продуктов P на первой дорожке 32 и на второй дорожке 34. Контроллер 38 измерительного устройства 2 получает информацию о приближающихся продуктах P от датчика 40 продуктов посредством измерительного сигнала 42. Управляющий сигнал 44 отправляется в первую систему 16 камер и/или вторую систему 36 камер частично на основе этой информации. Управляющий сигнал 44 управляет камерами 24 и светодиодами 30 в соответствии с желаемым способом. В контроллер 38 возвращаются измерительные сигналы 46. Необязательно, также может быть установлен датчик или камера 48 другого типа, например NIR-датчик (ближняя инфракрасная область спектра) или RGB-камера (с колориметрической системой "красный-зеленый-синий") 48. Измерительный сигнал 50, поступающий от датчика или камеры 48, аналогичным образом передается обратно в контроллер 38. Процессор 52 для обработки данных получает информацию от контроллера 38 для компоновки изображений продукта в обзорное изображение продукта. В анализирующей системе 54 затем обнаруживаются характеристики или дефекты продукта P. Полученный конечный результат может быть направлен в систему сортировки или комплексную систему управления. Очевидно, что также возможна другая конфигурация для контроллера 38, процессора 52 для обработки данных и системы 54 анализа, например: центральная или локальная и, например, отдельная или интегрированная.
Когда продукт P поступает в измерительное устройство 2, датчик 40 продукта отправляет измерительный сигнал 42 в контроллер 38. Контроллер 38 подает первую команду на измерение или управляющую команду 44 в системы 16, 36 камер, в результате чего для светодиодов и камер 24 активируется протокол измерений. В показанном варианте осуществления изобретения различные светодиоды 30 активируются для работы на разных частотах, а соответствующая камера 24, предпочтительно снабженная специальным фильтром, активируется для записи изображения продукта. В контроллер 38 поступают измерительные сигналы 46.
В системы 16, 36 камер затем отправляется второй управляющий сигнал 44 для выполнения измерения, при этом продукты P перемещаются с помощью транспортерных средств 14, а отдельный продукт P поворачивается до некоторой степени, в результате чего другая часть поверхности продукта обращена по направлению к камерам 24. Здесь предпочтительно следовать той же процедуре измерения.
Контроллер 38 в этом случае может быть выполнен с возможностью подачи дополнительных команд на измерение, например десяти команд на измерение, для каждого продукта P на пути измерения продукта P, проходящего через измерительное устройство 2. В показанном варианте осуществления изобретения продукт P транспортируется с нижней стороны балки 6 между двумя стойками 8 с каждой стороны измерительного устройства 2.
Из изображений продуктов процессор 52 для обработки данных составляет обзорные изображения продуктов, которые затем преобразуются в системе 54 анализа, и в этих обзорных изображениях обнаруживаются характеристики или дефекты продукта.
Были записаны экспериментальные изображения продуктов (фиг. 3а–3е, верхний ряд), при этом степень зрелости была определена на основе значения в градациях серого цвета (фиг. 3а–3е, нижний ряд), что позволило, например, провести хорошую классификацию и/или сортировку. В этом эксперименте измерения проводились на 25 диапазонах длин волн в диапазоне 675–975 нм. Значение зрелости киви было связано с этой информацией изображения. Для определения значения зрелости ранее применялся объективный разрушающий способ измерения (например, измерение с помощью пенетрометра). Используя алгоритм корреляции, была сгенерирована модель для связи между информацией изображения и значением зрелости. В эксперименте значение зрелости, которое в конечном счете определяется неразрушающим способом с помощью измерительного устройства 2, было масштабировано от 0 до 255, чтобы получить изображение значения серой шкалы. В показанном эксперименте было обнаружено, что надежное обнаружение спелости может быть получено эффективным способом.
Настоящее изобретение никоим образом не ограничивается описанными выше предпочтительными вариантами его осуществления. Объем правовой охраны определяется последующей формулой изобретения, в рамках которой можно предусмотреть множество модификаций.