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苹果早期机械损伤的红外热成像检测研究

作　者: 周其显
导　师: 周建民
学　校: 华东交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 苹果机械损伤缺陷检测红外辐射红外热成像传热热图像图像处理
分类号: TN219
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水果的缺陷检测一直是农产品加工中非常重要的步骤之一。尤其是苹果的早期机械损伤,通常具有轻微凹陷、色稍变暗、无汁液外溢、肉眼难于察觉、病原微生物容易入侵而引起腐烂等特点,影响后续存储及销售,容易造成较大经济损失。目前,我国现有的水果缺陷检测技术主要还是以人工目测或常规机器视觉检测技术为主,容易受水果表皮色泽干扰,损伤果漏检率很高。针对以上问题,本文将红外热成像技术引入到果品的早期缺陷检测当中,结合我国实际情况,以红富士苹果为研究对象,重点从传热分析和图像处理两个方面,展开对苹果表面常见机械损伤的红外热成像无损检测的研究。主要研究内容及研究成果如下:文章首先分析比较了水果质量无损检测技术的优缺点,综述了本文所用方法——红外热成像技术在水果缺陷检测中所取得的成就以及存在的问题和关键技术,随后给出了本文的研究内容及技术路线。论文前部分主要从传热学方面来研究水果机械损伤的红外热成像检测。首先介绍了红外辐射的基本理论及定律,建立了苹果早期机械损伤的红外热成像检测系统,分析了球面辐射规律,研究了水果表面损伤的红外热成像检测机理,并建立了球形水果的一维非稳态导热方程传热学模型。随后通过实验验证上述理论模型,分析了获取的水果热图像的不同区域温度分布特征,分析了损伤苹果的降温特性曲线。实验结果表明:苹果的水平温度轮廓曲线的形态特征可以用来较好地区分不同机械损伤和果梗及花萼;苹果某部分的过余温度比的对数是关于时间t的一次函数,由此斜率可以判断出损伤类型;划伤与完好组织间较好的温度差异能持续60s~240s,最佳检测时间为加热后0s~30s,碰伤与完好组织间较好的温度差异能持续20s~100s左右,最佳检测时间在加热后30s~60s间。论文后半部分主要从数字图像处理方面来研究水果机械损伤的红外热成像检测。首先,在分析了苹果的红外热图像的灰度不均匀特征的基础上,提出了一种基于直方图匹配和低尺度条件下的SSR(Single-Scale-Retinex)算子的非均匀校正方法。该方法以直方图匹配技术提高水果缺陷对比度,以低尺度条件下SSR处理来增强水果的边缘特征,最后通过加权方式将两幅图像融合起来,以达到灰度均匀校正的目的。对校正后的水果热图像进行简单的阈值分割,并引入缺陷完整分割下的边缘损失率来评价分割效果。对分割后的二值图像进行缺陷分离、形态学处理以及边缘轮廓提取,以便于对苹果缺陷部位的热衍射效应的研究及最佳检测时机的判别。实验结果表明:经本文方法校正后的图像的灰度不均匀特点明显被改善,整体灰度大致较为接近。通过缺陷分割后,水果边缘的最大损失率仅为3.05%;完好苹果的准确检测率为92%,缺陷准确检测率为在87.5%,可以较好地用于水果早期机械损伤的检测当中。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 前言  10-11
  1.2 水果缺陷检测技术的研究现状  11-13
    1.2.1 现行水果表面缺陷检测方法  11-12
    1.2.2 红外成像无损检测技术  12-13
  1.3 国内外水果缺陷红外无损检测技术的研究现状  13-16
    1.3.1 离线研究方面  13-14
    1.3.2 在线研究方面  14-15
    1.3.3 文献启示及关键问题  15-16
  1.4 本文的研究内容及重点  16-17
  1.5 论文的基本结构安排  17
  1.6 本章小结  17-18
第二章红外检测技术基础  18-25
  2.1 红外光谱  18-19
  2.2 红外辐射理论  19-22
    2.2.1 黑体的基本辐射定律  19-21
    2.2.2 实际物体的辐射定律与发射率  21-22
  2.3 红外热成像检测技术  22-24
    2.3.1 光热红外成像技术  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章苹果早期机械损伤红外热成像检测  25-34
  3.1 材料及方法  25-29
    3.1.1 研究对象及目的  25-26
    3.1.2 研究方法  26-29
  3.2 研究假设  29
  3.3 球面热辐射规律  29-30
  3.4 苹果表面机械损伤红外无损检测机理  30-32
  3.5 实验结果分析  32-33
  3.6 本章小结  33-34
第四章基于传热分析的苹果早期机械损伤检测研究  34-45
  4.1 传热的基本概念  34-35
  4.2 基于传热学的苹果早期机械损伤检测理论分析  35-37
  4.3 苹果表面测温实验数据处理  37-43
    4.3.1 红外测温分析  37-40
    4.3.2 降温特性分析  40-43
  4.4 本章小结  43-45
第五章基于红外图像处理技术的苹果早期机械损伤检测研究  45-71
  5.1 苹果红外热图像特征分析  45-47
    5.1.1 苹果红外热图像产生机理及特点  45-46
    5.1.2 苹果红外热图像直方图特点  46-47
  5.2 苹果红外热图像去噪处理  47-48
  5.3 基于Retinex 和直方图匹配技术的苹果红外热图像校正方法  48-59
    5.3.1 直方图匹配技术  49-51
    5.3.2 中心/环绕Retinex 算法  51-55
    5.3.3 结合SSR 算法和直方图匹配技术校正苹果红外热图像  55-59
  5.4 苹果表面缺陷检测  59-68
    5.4.1 缺陷阈值分割  59-63
    5.4.2 二值图像的数学形态学处理  63-65
    5.4.3 二值图像的缺陷边缘轮廓提取  65-68
  5.5 实验结果及分析  68-70
  5.6 本章小结  70-71
第六章总结  71-73
  6.1 工作总结  71-72
  6.2 今后研究设想  72-73
参考文献  73-78
个人简历在读期间发表的学术论文  78-79
致谢  79

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