基于機器視覺的淡干海參復水監控方法

沈 建，徐文其，劉世晶

（1.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海200092；2.農業部漁業裝備與工程重點開放實驗室，上海200092）

基于機器視覺的淡干海參復水監控方法

沈 建1，2，徐文其1，2，劉世晶1，2

（1.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海200092；2.農業部漁業裝備與工程重點開放實驗室，上海200092）

就傳統淡干海參復水技術進行了討論，在此基礎上結合機器視覺技術，提出了一種新的基于機器視覺技術的淡干海參復水可視化監控方法，利用圖像處理技術采集海參復水的實時體型數據，采用曲線擬合方法，擬合淡干海參復水的體型變化曲線，以此判斷淡干海參的復水狀態。通過實驗我們發現，該方法可以提高淡干海參的復水精度，降低復水成本。

機器視覺，曲線擬合，淡干海參，復水

淡干海參在制作食品時需要在水中進行復水，復水過程需時較長，同時需要有經驗的技術人員不斷目測淡干海參的復水狀況，過程較為辛苦，然而人工目測的精確度不高，經常造成海參復水過度或者不足。一種基于機器視覺的淡干海參復水監控方法，將淡干海參放置在溫度可控的水箱里，調節水溫至適宜復水的溫度，利用攝像機實時采集淡干海參的復水圖像，由計算機對圖像進行分析處理，通過提取圖像中的海參目標，計算出海參復水的實時面積，擬合海參的復水體型變化曲線，以此作為判斷海參復水是否成功的標準。

1 研究背景

1.1 淡干海參介紹

由于海參的本身特性，活體不能長時間的保存，需要將活體海參進行處理，制成淡干海參，在需要時進行復水得到食材。2003年我國海參產量達到了5萬t，其中的80%會制成淡干海參。因此如何有效地對淡干海參進行復水非常重要。目前我國淡干海參復水主要依靠人工，需要經驗豐富的工人長時間觀察監視，判別海參的體型變化狀況，勞動強度較大。

1.2 機器視覺基礎

機器視覺主要研究如何使用計算機來模擬人的視覺功能［1］，通過采集目標物體的圖像來還原現實世界模型，以用于實際檢測、測量或控制［2］。

在國外，機器視覺技術在水產品加工方面已經得到了相當廣泛的應用，比如三文魚片上的黑點檢測，其特點是檢測成功率高、速度快，可以節省大量人力資源。在扇貝的生產過程中需要將其按大小分級［3-4］。傳統方法采用篩子和分級機篩分，會使扇貝受到振動、碰撞，影響扇貝生長發育，造成病貝、死貝，且機械篩分分級精度低、人工勞動強度大、效率低。

在我國，水產品養殖方面，徐建瑜［5］提出了一種基于機器視覺技術的量化魚體色明暗度的方法，來判斷魚的健康與應激狀況。在水產品深加工方面應用較少，在農業上有了較多的應用，主要用于一些水果的成熟度監測和大小分級?；跈C器視覺的海參復水自動監控系統的研究成功可填補機器視覺在水產品深加工方面的技術空白。

1.3 原理

淡干海參復水成功的標準是淡干海參的長度增大到原來的2～2.5倍，體積變化約為原來的10倍，此時的海參具有較好的口感，適合食用。在復水過程中，淡干海參的體型隨時間增加而逐漸增大，當復水達到一定程度后，海參對水的吸收趨于一個平衡，體型的變化就逐漸趨緩，從食用的角度考慮，體型變化達到一定程度，即可認為復水成熟，因此可以對淡干海參的復水體型變化進行曲線擬合，以擬合曲線來考量復水程度，以擬合曲線的切線斜率達到一定數值作為復水成功的標準。

本方法中使用攝像頭采集目標海參的圖像，傳輸給計算機進行分析與處理，將海參目標從背景圖像中提取出來，計算圖像中海參的面積，作為海參實時體型數據。

實驗中，我們使用型號為SV1410C（北京大恒公司）的圖像攝像機，圖像的分辨率設置為1440900，采集頻率為每分鐘一次。

對采集到的圖像使用高斯低通濾波器進行降噪處理，采用自動閾值二值化方法，用來將海參目標從周圍背景中分離出來，計算并記錄復水海參的實時面積大小。

1.4 曲線擬合

已知平面上一些離散點，找一條滿足一定性質的曲線，使它與這些點最接近，這種求曲線的方法稱為曲線擬合，所求出的曲線稱為擬合曲線。因為曲線斜率可以反映曲線的彎曲程度，在進行曲線擬合的同時，對擬合曲線求導，可以得到擬合曲線的實時切線斜率，因為切線斜率可以反映曲線與橫坐標軸的平行度關系，以此判斷復水成功的關鍵點。

曲線擬合的關鍵在于求曲線方程的系數，我們使用逆運算的方法來求系數，步驟如下：

a.在實驗中通過圖像處理方法得到的復水海參的實時體型數據和時間數據；

b.以xi（i=1～n，下同）構造一個n維四列的矩陣A，n表示數據長度，矩陣A第一列是實時體型數據的3次方，第二列是體型數據的2次方，第三列是體型數據xi，第四列是全部由1組成的向量，則矩陣是一個4維向量，表示擬合曲線方程的系數，y表示一維時間向量，元素為yi，f（x）=Ap。

2 實驗

使用曲線擬合算法，對實時淡干海參復水體型數據進行曲線擬合，得到反映海參復水過程的曲線，對擬合曲線進行實時求導，得到擬合曲線的實時切線斜率，當切線斜率低于某值時，可以判斷海參復水成功，在實驗中我們采用了0.025的經驗值，對不同要求可以調整切線斜率值。

淡干海參復水實驗步驟：

a.清洗海參，在沸水中煮60min；

b.在 50℃左右的水中復水，水溫控制在 50 ±2℃；

c.在復水的過程中，通過攝像機攝取海參復水實時圖像，利用計算視覺技術計算圖像中目標海參體型的大小并記錄；

d.以實時體型面積為縱坐標，以復水時間為橫坐標，由這些數據構成了一系列的反映實時體型數據的離散的點，對體型變化的離散點進行曲線擬合，曲線擬合采用3次曲線方程，方程的系數依據海參復水過程中的離散點通過最小二乘法計算得出，圖1為某次實驗中的數據記錄，從圖中可以看到很多的離散點，這些點表示了實驗中復水海參體型的變化軌跡。

e.當海參的體型變化曲線達到標準時轉到低溫4℃水中，繼續復水過程；

f.重復第3步，第4步，直到海參復水達到要求，撈取海參。

使用本方法對淡干海參的復水進行了實驗，實驗分為兩組。

第一組5個海參的質量為：0.85、0.86、0.89、0.91、0.95g。

如上述步驟進行海參復水，擬合的曲線方程為：

根據此擬合曲線方程，當曲線切線斜率小于0.025時，海參復水成功，復水時間約為17.4h。

復水成功時的擬合曲線如圖1所示。

圖1 第一組海參復水擬合曲線圖

第二組5個海參的質量為：1.03，1.15，1.23，1.26，1.31g。

根據此擬合曲線方程，當曲線切線斜率小于0.025時，海參復水成功，復水時間約為15.7h。

圖2 第二組復水海參擬合曲線圖

3 討論

本文介紹了一種基于機器視覺的淡干海參復水監控方法，在傳統淡干海參復水的基礎上，引入機器視覺技術，在實驗中，我們對兩組不同質量的淡干海參進行了復水實驗，從實驗結果來看，兩組實驗的擬合曲線都很好地反映了海參的復水狀態的變化過程。海參復水的自動監控系統的研制，可實現淡干海參復水的精確化、無人化，提高淡干海參復水效率，不僅可以減少企業的勞動力使用，減少生產成本，降低工人的勞動強度，同時也可以提高海參復水的質量，對海洋珍品產業的開發有積極的意義。

［1］王超群，朱方文.一種去除單張圖片中高光的方法［J］.上海大學學報，2007，13（2）：151-154.

［2］傅宇.機器視覺技術在農業生產自動化領域中應用研究［J］.安徽農業科學，2006，34（15）：3871-3872.

［3］大連水產學院.貝類養殖學［M］.北京：農業出版社，1980.

［4］王如學，王昭萍，張建中.海水貝類養殖學［M］.青島：青島海洋大學出版社，1993.

［5］徐建瑜，姜雄輝，等.基于計算機視覺的魚體色明暗程度量化方法［J］.農機化研究，2006（6）：140-142.

Rehydrate technology of dry-roasted sea cucumber based on machine vision

SHEN Jian1，2，XU Wen-qi1，2，LIU Shi-jing1，2
（1.Fishery Machinary and Instrument Research Institute of Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200092，China；2.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering，Ministry of Agriculture，Shanghai 200092，China）

The traditional rehydrate technology of dry-roasted sea cucumber was discussed，based on these，the machine vision technology was brought in to propose one method of dry-roasted sea cucumber rehydrate.By image processing technology，real-time shape data of dry-roasted sea cucumber rehydrating was gathered.Using the curve fitting method，the changing curve of dry-roasted sea cucumber rehydrating shape was fitted，the state of dry-roasted sea cucumber’s rehydrating was estimateed.Through experiment it can be concluded that this method may increase the dry-roasted sea cucumber’s rehydrating precision，the rehydrate cost can be saved.

machine vision；curve fitting；dry-roasted sea cucumber；rehydrate

TS254.1

A

1002-0306（2011）01-0106-03

2010-01-20

沈建（1971-），男，高級工程師，主要從事水產品加工裝備及工程研究。

國家科技支撐計劃項目（2008BAD94B05）。