基于外形特征的鸡蛋生物力学特性研究（可编辑）

基于外形特征的鸡蛋生物力学特性研究（可编辑） 华中农业大学 博士学位论文 基于外形特征的鸡蛋生物力学特性研究 姓名任奕林 申请学位级别博士 专业农产品加工及贮藏工程 指导教师文友先 20070101基于外形特征的鸡蛋生物力学特性研究 摘 要 鸡蛋在进入消费市场之前必须经过分级包装和检验环节已经成为不可避免的 趋势但目前鸡蛋所采用的分级方法比较单一难以满足不同的市场需求鸡蛋在采 集加工运输流通过程中极易破损为了确保生产加工设计的合理性就必 须深入研究鸡蛋的力学性能和破损机理对蛋的承载力和抗冲击能力进行有效的定量分 析本文将鸡蛋的力学特性与外形指标联系起来一方面有利于了解鸡蛋的物理特性及 其变化规律用力学特性来指导鸡蛋检测分级完善鸡蛋品质评价体系另一方面可更 加深入分析鸡蛋的受力情况进一步揭示鸡蛋的破损机理从而为鸡蛋的采集 分级 加工运输流通过程提供一定的理论指导 本文在充分了解国内外物料物理特性及力学特性的相关研究的基础上重点研究了 鸡蛋各方面的特性提出了鸡蛋分级的新方法即从其两端对称度与椭球体的匹配度 关键点的曲率变化等外形特征进行分级在学习了国内外图像处理技术和软件编程技术 的基础上利用编制了应用程序软件运用多种算法完成了对鸡蛋型心长短径 蛋截面积对称度匹配度关键点曲率半径的检测在此过程中首次采用了方法 进行鸡蛋的检测并提出了许多新的算法来进行鸡蛋的图像处理如直角坐标算法鸡 蛋中心的搜索算法及鸡蛋的灰度匹配法确定了研究鸡蛋力学特性的试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 即选择 加载方向加载位置加载速度鸡蛋新鲜度对称度匹配度蛋重蛋型指数关 键点曲率半径值等作为试验因素在万能材料试验机上分别测得鸡蛋破裂时的最大抗 载并在此基础上以对称度匹配度蛋型指数关键点曲率半径值等因素安排正交 试验对各因素与测量指标之间的关系进行了系统全面的分析这也是鲜少有前人做过 的研究最后利用有限元分析软件对在各种施力状态下鸡蛋的应力应变进行 了 仿真分析 研究结果表明利用本课题所搭建的机器视觉系统对鸡蛋图像进行处理后采用直 角坐标检测算法检测到的边缘较好地保持了原图的边缘线 利用方法检测鸡蛋匹配度具有快速准确方便的特点鸡蛋的匹配度符 合正态分布的鸡蛋外形与椭球体的接近程度都大于其匹配度与长短径 蛋型指数及蛋重的相关性均不显著的鸡蛋其两端的对称度都达到了对称度与长径蛋型指数蛋内像素和三个因素之间的关系较为显著而与蛋重短径 匹配度之问的关系不显著 进一步通过曲率分布规律说明了鸡蛋形状关于其长轴基本对称但关于短轴不对 称分析了鸡蛋各关键点曲率半径之间的关系鸡蛋的大头顶点曲率半径与蛋型指数关 系极显著与蛋的两端对称度和蛋内像素和的关系较显著但与匹配度的关系不显著 鸡蛋的小头顶点曲率半径与蛋型指数两端对称度之间关系极显著与蛋内像素和匹 配度的关系不显著鸡蛋的中间点曲率半径大小与蛋型指数和蛋内像素和关系极显著 与蛋的两端对称度及匹配度的关系不显著 加载方向加载位置加载速度鸡蛋新鲜度对称度匹配度蛋型指数关键 点曲率半径值等对鸡蛋最大抗载有显著影响而蛋重对最大抗载影响不大按其影响主 次因素依次为对称度蛋形指数对称度与曲率的交互项曲率蛋型指数与曲率的 交互项匹配度对称度与匹配度的交互项匹配度与蛋型指数的交互项 有限元仿真结果表明鸡蛋在长轴方向承载时所产生的应力比短轴方向要小蛋型 指数对应力有一定的影响此结果与在万能试验机上试验结果相一致可以为鸡蛋生产 运输及加工设备的设计提供参考依据 关键词鸡蛋对称度匹配度分级机器视觉力学特性有限元分析 蜘 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 如需保密解密时间 年 月 日 圣 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料指导教师对此进行了审定与我一同作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 研究生签名百龛苹扎 时间么为年月?口日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存使用学位论文的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版并提供目录检索和阅览服务可以采用影印缩印或扫描等复制手段保汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表传播 学位论 文的全部或部分内容 注保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位论文作槲易象朴导撇扭办 日 签名日期年月 签名日期叼年月日 注请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间华中农业大学博学位论文 第一章绪论 第一章绪论 课题的提出及意义 课题研究的必要性 鸡蛋几乎含有人体所需的所有营养物质故被称做理想的营养库是人们日常 生活中具有很高营养价值的重要副食品之一在天然食品中蛋类蛋白质的组成与人 体组织蛋白质最为接近因此生理价值最高如全鸡蛋蛋白质的生理价值为蛋黄 为是一般谷物类食品的倍豆类的倍鱼和肉类的倍奶类的倍左 右鸡蛋能增强生物体免疫功能抵抗细菌和病毒的感染维护机体正常生长发育 具有健脑益智延缓衰老保护肝脏和预防癌症等保健功能据预测年世 界禽蛋产量将达到万吨其中鸡蛋将达到万吨 我国禽蛋总产量自年以来连续十八年雄居世界首位目前是世界上第一禽蛋 生产大国至年底我国人均占有量达公斤已达世界平均水平但我国蛋品工 业同国外发展情况相比差距比较大存在着科学研究偏少蛋品工业化产品少鲜 蛋中加工的比例不大科技人才缺乏及蛋品工业科技未引起人们足够重视等问题我 国的蛋类消费主要是鲜蛋用于蛋制品加工的不到而欧洲以上的鲜蛋被用于加 工咸蛋制品因此我国蛋品市场空间巨大随着大型超市的普及中国城市居民消费 意识的转变健康消费开始成为时尚对蛋的食用方式正发生着改变安全健康 经济的蛋制品开始替代鲜蛋成为食品加工行业和日常生活消费的未来方向因此 在这样的大背景下 在中国发展世界先进的蛋品加工产业将对改变传统食蛋方式带 来革命性的影响美国鲜蛋年产量虽仅为我国产量的然而其出口量却占到世界出 口总量的荷兰马来西亚的鲜蛋生产量并不在世界前位之列但出口已占到世 界总量的和其秘诀在于在严格的质量控制下产品规格和包装的统一化我 国的禽蛋生产和营销必须尽快形成新型生产营销模式即从养殖到鲜蛋分级清洗 消毒涂膜包装一条龙式的技术保障下的集约化生产这样才有可能尽快适应 国际 和国内市场要求的安全性营养性和流通适应性而要实现产品的规格化和包装的统 一化首先要对鸡蛋的基本特性进行研究制定鸡蛋分级的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 指标为进一步 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化管理提供理论依据目前我国对鸡蛋的外观分级还没有一个明确的标准据国华 网新闻报道年月日首个鸡蛋国家标准草案制定完成上报国家标准委本课 题的研究可为鸡蛋的外观分级提供一定的参考华中农业大学博学位论文 第一章绪论 目前国外较先进的禽蛋生产场一般都具有一整套自动化禽蛋采集设备和鲜蛋处 理系统禽蛋产出后落入输运带送至验蛋机剔除破壳蛋进入洗蛋机自动清洗 再送向禽蛋处理机可自动涂膜干燥等最后进入选蛋机进行自动检数分级和包 装为鲜蛋销售和蛋品加工提供优质原料奠定了基础而在我国鲜壳蛋的保鲜分 级包装问题没有得到根本解决国产禽蛋清洗分级加工设备种类很少而且自 动化程序不高我国在这方面已落后外国很多年随着人民生活水平的提高禽蛋规 模化加工处理达标上市是必然趋势 此外禽流感等动物疾病在全球内的爆发也要求人们尽量避免直接接触蛋类 产 品开发方便适用的蛋品采集运输加工机械势在必行 鸡蛋在采集加工运输流通过程中因受动态力加速度速度位移等 作用极易破损破损鸡蛋受微生物侵害会很快腐败变质不仅污染环境而且会 殃及周围的正常鸡蛋裂纹蛋携带的鼠伤寒沙门菌等病菌给人们的身体健康带来极大 隐患据报道由于鸡蛋破损而引起的损耗约占总收购量的因此提高 蛋壳质量减少禽蛋破损的问题受到世界各禽蛋业的高度重视 在研究过程中为了避免鸡蛋破损确保缓冲包装加工系统设计的合理性 就必须深入研究鸡蛋的力学性能和破损机理对蛋的承载力和抗冲击能力进行有效的 定量分析 课题研究的目的和意义 鸡蛋属于非标准的椭球体一头较大称之为钝端俗称大头另一头较小称 之为锐端俗称小头鸡蛋的外形大小不一形状各异有的与椭球体形状非常接 近有的则相差甚远有的基本关于其长轴对称有的则不关于其长轴对称而在所 采集的鸡蛋图像中其大头和小头的曲率变化规律各不相同正如人的指纹没有完全 相同的一样鸡蛋的大头和小头的曲线形状也没有完全相同的 本课题研究的目的在于利用机器视觉对鸡蛋的外形进行检测在确定了试验条件 和其它影响因素的基础重点研究鸡蛋的蛋形指数关键点的曲率变化规律分析鸡 蛋与椭球体的相似程度计算鸡蛋的大头小头的对称度并通过理论和实验分析以上 因素对鸡蛋抗载能力的影响最后进行鸡蛋受力的有限元分析 本课题的研究一方面有利于了解鸡蛋的物理特性及其变化规律并将鸡蛋的外形 几何特征与力学特性联系起来用力学特性来指导鸡蛋检测分级完善鸡蛋品质评价 体系另一方面可更加深入分析鸡蛋的受力情况进一步揭示鸡蛋的破损机理从而 为鸡蛋的采集分级加工运输流通过程提供一定的理论指导兰土銮兰奎兰堡兰竺丝兰 兰主竺兰 国内外研究概况 鸡蛋无损检测与分级技术研究现状 计算机技术的发展与计算机速度的提高和硬件成本的下降使得机器视觉技术在农 产品检测领域中的应用越来越广泛目前国外对利用机器视觉进行农产品品质自动识 别研究的对象极其广泛如谷粒的表面裂纹检测种子的纯度检验和大米的品质识 别埘以及根据花生玉米 删大豆磨剖西红柿辣椒切苹果 柑桔梨子桃子矧和土豆田等的大小形状颜色和表面损伤与缺陷 等进行分级等等综上所述计算机视觉技术在农产品检测中的研究进展较快而且应 用前景非常广阔其在禽蛋的无损检测中的应用也随着计算机软硬件水平的提高而日益 广泛 随着人们生活水平的提高和营养价值观念的改变禽蛋的检测和自动化分级变得 日益重要国内外对鸡蛋品质的检测分为内部品质检测和外部品质检测两大类其中 内部品质检测包括蛋心颜色新鲜度蛋内血斑气室大小等等外部品质主要是检 测蛋的大小重量蛋壳颜色蛋壳强度等等 世纪年代美国率先采用计算机视觉技术对禽蛋品质检测与分级进行研究 此后日本西班牙等国也相继开展了这方面的研究工作公司荷兰美 国大学美国新西兰政府工业研究公司大学美国 公司美国食品公司美国都在从事禽蛋鲜壳蛋分级包 装机的生产或研究其中公司的机器分类最全处理量每小时枚左 右公司是全球著名的农业机械公司总部在荷兰在美国英国等设有分部 并在上海设有代理处这些公司的产品基本代表国际禽蛋鲜壳蛋加工处理技术 的最好水平普遍应用计算机技术传感器技术配合气动和机械系统能够完成 自动 分级包括次蛋优选和自动包装工作基本上淘汰了十多年前的机械天平计量分级 结构 而在试验研究方面和驯采用直方图均衡化和算 子相结合的方法检测鸡蛋表面的裂痕从而将鸡蛋分为合格品和次品两种检测准确性 达虱但该方法有时会将鸡蛋图像中连在一起的白点误判为裂纹而且单个检测时间 平均需要 韩国的和应用机器视觉技术分别用几种 不同的边缘检测算子进行边缘检测发现用算子对蛋壳破损检测的效果最好 速度最快并提出用滤波后的图像轮廓的圆滑度和几何形状作为检测蛋壳破损华中农业大学博学位论文 第一审绪论 的标准其研究装置和程序检测损壳蛋的正确率达到好壳蛋检测正确率达到 但是检测速度很慢在上运行时每个损壳蛋平均检测时间是 每个好壳蛋的平均检测时间是 等冽研究并开发 了一种对蛋壳进行全自动检测的系统禽蛋的装卸和分拣全部由自动化机械实现检 测装置对被检蛋的蛋壳加上一定的压力再通过摄像头采集受压蛋壳图像送入计算机 进行分析判断并进行分级此系统的好壳蛋检测准确率达到损壳蛋的检测准确 率达至在图像检测方法中如果禽蛋上有污点或者沾有羽毛之类的异物那么计 算机识别的准确率就会大大降低因为污点或异物的边缘检测图像和裂纹的边缘检测 图像类似 用机器视觉在检测鸡蛋裂纹时通常都采用静止图像呱 等 人为了克服这种方法只能对个方向进行检测的缺点研究了对连续旋转鸡蛋进行裂纹 检测的方法正确率达到但是需要根据鸡蛋的大小不时调整软件的校准刻度影响 了检测速度等人通过获取图像的直方图来训练神经网络检测有裂纹的鸡 蛋和级鸡蛋模型准确率为速度较和的方法有显著提高 关于鸡蛋的内部品质国外的学者也进行了多方面的试验研究 用黑白图像采集系统检测有血斑的鸡蛋准确率为检测正常鸡蛋准确率为 但只适用于检测白壳蛋指出蛋黄蛋白比与图像的红绿蓝成分间 系数显著相关选用来自不同种源的蛋品通过获取蛋品的个角度的图像利用计算机 图像统计分析方法对蛋黄蛋白比进行无损检测将预测和实际检测结果分为级预测和 实际检测结果误差的准确率为误差为的准确率为但检测速度较 慢年 用提取彩色分量的办法检测血斑准确率为 以上是国外学者对鸡蛋品质的研究现状而在国内也有许多学者针对鸡蛋的 品 质进行了多种尝试研究 李其才研制了禽蛋质量自动检选技术和型禽蛋质量微机自动检 选系统方如明为提高鸡蛋内部品质光特性无损检测的精度建立了鸡蛋 的光学模型找出了整蛋蛋内容物蛋壳三者透射特性之间的关系通过试验研究 得到了鸡蛋内部品质指标哈夫值与整蛋投射率蛋壳颜色和外形参数之间的相关 关系苏臣叫根据蛋白蛋黄蛋壳在光照中的不同特征将鸡蛋分为新鲜 蛋散黄蛋搭壳蛋腐臭蛋胚胎发育蛋无精蛋等类型利用鸡蛋的灰度直方 图进行了类鸡蛋品质的检测但检测的准确率较低如散黄蛋搭壳蛋的误判率 分别达到和而且速度较慢判定每个蛋的时间为杨秀坤华中农业大学博学位论文 第一章绪论 矧用自适应聚类神经网络对鸡蛋表面缺陷进行检测综合判断误差不高于仅可针 对裂纹进行检测不适用其它缺陷检测张书慧等鄞建立了一套对鸡蛋苹果 等农副产品品质检测的系统应用遗传神经网络方法进行分类对表面颜色缺陷形 状大小进行检测并准确分级但检测速度有限周维忠在鸭蛋外形识 别中提出用多尺度小波变换和概率统计聚类方法提取出反映种蛋外形信息的小波系数 作为神经网络的输入并且在研究鸭蛋孵化时在孵化早期选择了彩色模 型利用量化后的色度值作为种蛋颜色内部特征参数采用小波神经网络分类器判别 孵化中种蛋成活可能性在孵化中期选择了形态学方法判别孵化中种蛋成活可能 性陈佳娟等人将计算机视觉技术与遗传神经网络相结合建立了一套适 合于孵化鸡蛋可成活性自动检测的计算机视觉系统通过计算机视觉技术获取了孵化 鸡蛋的色度直方图并提取了孵化鸡蛋表面颜色特征采用遗传算法优化了多层前馈 神经网络的拓扑结构与权值提高了神经网络的学习质量和学习速度实现了孵化鸡 蛋可成活性的自动检测试验结果表明该方法准确率较高并具有鲁棒性和高速 度文友先等应用机器视觉技术研究出鸭蛋大小及蛋心颜色自动分级系 统鸭蛋蛋壳颜色与蛋心区域颜色信息有关可用光密度值进行模糊识别该系统运 用机器识别的方法对鸭蛋蛋心颜色蛋壳厚度蛋的新鲜度以及蛋重进行检测建立 的模型能够使蛋心颜色检测在级上的准确率达到蛋重检测在一 上的准确率达至蛋厚的准确率达新鲜度达到王树才用模 糊聚类算法分析蛋在敲击时的声音信号将鸭蛋根据蛋壳分为四个类型用于识别破 损蛋丁幼春应用机器视觉技术研究鸭蛋蛋壳蛋心颜色与颜色信息 和之间的关系建立鸭蛋蛋心颜色等级模型为实现鸭蛋品质的无损 自动检测与分级提供依据同年又研究了鸭蛋动态图像预处理及图像颜色特征参数的 提取算法通过鸭蛋轮廓识别和圆形搜索算法实现通过该算法得到的蛋重模型相关 性达到建立的颜色模型相关性达王巧华用计算机视觉装置 和软件获取鸡蛋颜色参数通过试验获得鸡蛋的新鲜度指标哈夫值 建立神经网络模型得到鸡蛋新鲜度与其图像颜色参数之问的最优关系对褐壳蛋和 白壳蛋新鲜度的正确识别率分别为 目前国内运用计算机视觉技术在禽蛋方面的检测研究较少还不能达到商业化应 用需要在实时性内部指标检测机械传动等方面进行改进提高 机器视觉中图像边缘检测技术的发展及应用 计算机视觉 缩写为又称为图像理解和图像分析是指由人华中农业大学博学位论文 第一辛绪论 类设计并在计算机环境下实现的模拟或再现与人类视觉有关的某些智能行为计算机 视觉技术是多学科的交叉与结合它涉及到计算机数学光学心理学生理学 物理学信号处理等诸多学科是当今世界上一门新兴学科 边缘是图像最基本的特征边缘检测在计算机视觉图像分析等应用中起着重 要 的作用是图像分析与识别的重要环节是图象处理和计算机视觉领域内最经典的研 究课题之一有较长的研究历史这是因为图像的边缘包含了用于识别的有用信息 它为人们描述或识别目标和解释图像提供了一个有价值的和重要的特征参数所以边 缘检测是图像分析和模式识别的主要特征提取手段所谓边缘是指其周围像素灰度后 阶变化或屋顶状变化的那些像素的集合它存在于目标与背景目标与目标区域与 区域基元与基元之间因此它是图像分割所依赖的重要的特征也是纹理特征的重 要信息源和形状特征的基础边缘检测广泛应用于轮廓特征的抽取和纹理分析中 理想的边缘检测应当正确解决边缘的有无真假和定位问题但真正实现这一目标尚 有较大的难度这是因为实际图像都含有噪声并且噪声的分布方差等信息也都是 未知的同时噪声和边缘都是高频信号虽然平滑滤波运算可消除噪声但它导致一 些边缘模糊检测出的边缘往往移位另外由于物理和光照等原因实际图像中 的边 缘常常发生在不同的尺度范围上并且每一边缘像元的尺度信息是未知的利用单一 固定尺度的边缘检测算子不可能同时最佳地检测出这些边缘 在图像边缘检测的发展过程中随着人们对边缘的认识不断加深和计算机等相关 科学的发展相继提出了许多简单的和复杂的边缘检测算法在这些算法中 一些在图像边缘检测的早期发展起来的算法因其简单方便也常常在要求不高的场合 中使用这些算法大多数基于对图像进行微分运算包括阶和二阶微分算子运算来检 测边缘在一阶微分算子中因其进行运算的窗口小因此平滑噪声的作用也小有 算子算子和算子年提出梯度算子其 运算的窗口小平滑噪声的作用也小年在算子的基础上提出的两种改 进算子算子和算子对有噪声的阶跃型边缘检测能力比算子好二 阶的微分算子有拉普拉斯算子年代末最初提出了多尺度边缘检测思 想年提出了一种拟合算子把某一窗口内图象数据通过一个理想阶跃 模型相匹配如拟合误差小于一个门限值时则认为图象窗口内存在边缘 年代初从神经生理学和心理物理学观点出发提出了算法为了 充分刻化信号在不同的分辨率下的边缘点年等首次提出了用多尺度滤波 器得到过零点指纹图即将某一维信号用不同滤波器方差的二阶微分滤波器 进行华中农业大学博学位论文 第一章绪论 滤波并标记零点的位置近年来不少研究者一铜 等由一定的边缘模型以及噪声模型出发提出了边缘检测的最优滤波器他 们都采用最简单的边缘模型与可加性的白噪声模型上面提到的边缘检测方法都是基 于线性算子的滤波方法近年来一些基于非线性算子的方法也得到了很大的重视 另外一种比较新的边缘检测方法就是利用小波分析来进行边缘检测 综合国内外边缘检测技术的所采用的方式不同边缘检测大致包括以下几类 ?基于局部图像函数的方法即用一个曲面来拟合一个小窗口内的数据然后使 用梯度算子在拟合曲面上做边缘检测或对拟合曲面求二阶导数的零交叉点 ?图像滤波的方法即先对图像滤波再对滤波结果作一阶或二阶导数以寻找边 缘包括微分算子法和小波边缘检测法等这一方法遇到的两个问题是滤波器的选择 和边缘点的定位 ?基于全局的边缘检测方法首先利用简单的基于邻域的边缘检测算子对图像做 初始边缘检测然后再利用边缘的空间分布关系来协调和增强初始检测结果从而以 一种全局最优的观点提取边缘该思想是近代边缘检测技术的主要特点 边缘检测技术的研究不外乎是围绕着存在的三个问题进行的即找出强度的非连续 性又要抑制细节和噪声同时还要保存边缘定位精度围绕着这些问题针对于不 同的图像不同的处理目的所用的边缘检测技术也就不同若一种技术不能完成任 务则可采取两种或多种技术相结合对于遇到的新的问题则需要研究新的技术方 法来解决新的问题这也反映了图像边缘检测技术今后的一种发展趋势 鸡蛋的基本物理特性及力学特性研究现状 目前国内外生物材料的物理特性的研究其中己有许多报道涉及农业物料在 国外例如 对苹果肉压缩模型和坚实度评价的研究 对西红柿苹果受力过程的研究对称猴桃的坚实度测定 对苹果马铃薯机械特性的研究 闭对水果压缩特 性的分析 对马铃薯组织损伤特性的研究而在国内也有部分学 者对农业物料的特性进行了研究例如马小愚等对马铃薯压缩特性的研 究冯莲能报道了苹果静重下损伤的实验研究王灵军等对银 杏脱壳的有限元受力分析张红霞测度了加载速度对萝卜受力的影响高 永毅等对葡萄力学模型的建立谢丽娟对莲子机械特性的研 究李成等研究了番茄的力学特性在综合以前的研究报道后能够发 现尽管大多数研究很少考虑物料本身各处差异难以为采收分级包装运输兰主查些查兰堡兰竺兰兰 至要竺丝 加工贮藏等各作业环节中优化工艺减少机械损伤等提出具体措施和提供必要的科 学依据但这些研究提供了一种通过坚实度杨氏模量抗载能力流变特性等机械 指标来评价农产品品质等方法从而为鸡蛋的特性研究和无损检测提供指导 关于鸡蛋的基本物理特性有资料显示鸡蛋的弹性模量为泊松比为 密度为酤与其它禽蛋内膜的厚度相 比依次为为鹅鸭鸡家鸽鹌鹑其与蛋的大小及蛋的强度存在一定的相关性 王丽琴蛋壳占整个蛋重的左右胡鸡蛋振动 的阻尼系数和蛋形指数与蛋壳的强度相关性极高并可通过壳厚和壳所占的百分比来 预测蛋壳强度鸡蛋壳的平均弹性模量为并指出 鸡蛋强度和蛋壳材料的弹性模量之间的关系并不显著但和蛋壳厚度蛋形指数之间 存在较强的关系蛋壳的密度为远远大于蛋膜的密度 也有人对鸡蛋壳的形成过程结构及构造蛋 壳的物理性状和化学成分以及影响蛋壳质量的因素等方面进行论述通过试验数据对 比分析比较全面地评定了鸡蛋壳的性状 关于鸡蛋的静力学和动力学特性有学者进行了部分研究禽蛋的纵轴破碎抗 力 强横轴破碎抗力弱朱耀禽蛋的最大变形和破坏载荷之间的关系显 著和硬度关系不大蛋重与禽蛋的破坏载荷硬度最大变形无关 通过鸡蛋在不同材料上的跌落试验和冲击试验提出了动载作用下蛋的破损用 能量加以描述并指出鸡蛋短轴方向的脆值比长轴方向要大刘信芳蛋 重蛋型指数与蛋壳强度的相关关系较弱蛋壳厚度蛋壳率和单位面积蛋壳重与蛋 壳强度均有极显著的中等正相关关系单位面积蛋壳重对蛋壳强度的直接影响和决定 作用晟大蛋壳重与蛋壳强度间有极显著的弱或中等正相关相关系数值低于蛋壳厚 度蛋壳率和单位面积蛋壳重高于蛋重和蛋型指数陶肖君蛋壳强度 是反应蛋抗破损率的重要指标与蛋壳厚度蛋壳的多孔性蛋壳膜的厚度蛋壳的 矿物质含量和蛋白基质有关李骁驽删以无破 坏性冲击鸡蛋的振动频率来设定蛋壳特性将鸡蛋假设为线质量弹性系统建立频率 和鸡蛋动态强度之间的关系描绘了在最低响应频率时的三维振动模型分析了蛋壳 厚度宽度形状指数等指标与动态蛋壳强度值之间的相关性宋慧芝等 运用有限元法分析了鸡蛋蛋壳的受载特性并通过试验比较验证了模拟数值 解的可行 性指出在相同外载加压下侧面受载的应力和变形都大于大端受载越厚的蛋壳能承 受的应力越大蛋的形状系数对蛋的强度影响无明显相关性华中农业大学博学位论文 第一章绪论 蛋力学特性的理论研究方面也有学者在进行探讨赵资奎研究了恐龙 蛋在外压力作用下蛋壳内部的内力和应力变化规律计算了不同方位和不同方向上内 力和应力的变化值马和中蜊等尝试根据生物力学的基本理论和分析方法研 究白垩纪恐龙蛋壳结构的力学性质利用旋转薄壳无矩理论建立了蛋壳平衡方程研 究了恐龙蛋在外界压力作用下蛋壳内部的内力和应力变化规律假设蛋壳发 生弹性变形将其简化成各向同性的均匀厚度的薄椭球壳利用薄壳理论进行禽蛋内 力和位移分析 到目前为止国内外对鸡蛋的物理特性研究主要集中在蛋壳强度和禽蛋重量 密度蛋形指数等物理特性因素之间的关系以及禽蛋静态加压破裂强度穿刺强度 简单的耐重物撞击强度跌落试验破损检测等方面但对其破损的力学原因研究较 少 总的来说国内外对鸡蛋力学性能的定性研究较多定量研究较少对基本物理 参数静力学特性研究多而对动力学特性研究较少尤其是对禽蛋在冲击载荷作用 下的力学行为破损机理等方面的研究还未见诸报道 有限元分析在农产品力学特性研究中的应用 从应用数学的角度考虑有限元法的基本思想可以追溯到蚪在年的 工作他首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相 结合来求解扭转问题此后不少应用数学家物理学家和工程师分别从 不同角度对有限元法的离散理论方法及应用进行了研究有限元法的实际应用是随 着电子计算机的出现而开始的首先是等人于年将刚架分析中的位移法推 广到弹性力学平面问题并用于飞机结构的分析他们首次给出了用三角形单元求解 平面应力问题的正确解答他们的研究工作开始了利用电子计算机求解复杂弹性力学 问题的新阶段年进一步求解了平面弹性问题并第一次提出了有限单 元法的名称使人们更清楚地认识到有限元法的特性和功效 较早提出用有限元方法分析各向异性板壳的弹塑性变形的学者是但只限 于薄板壳模型后来等人又进一步研究了这个问题他们针对中厚度板和壳 提出了各向异性板壳的屈服函数表达式和塑性各向参数的确定方法并借助梁理论导 出了层叠复合材料中厚板的剪切修正系数为了改善计算精度等人还采用了一 种曲面单元 近多年来伴随着电子计算机科学技术的快速发展有限元法作为工程分析的 有效方法在理论方法的研究计算机程序的开发以及应用领域的开拓诸方面均取华中农业大学博学位论文 第一辛绪论 得了根本性的发展已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径国际上早在 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序但真正的软件是诞 生于年代初期而近年则是软件商品化的发展阶段开发商为满足市场 需求和适应计算机硬软件技术的迅速发展在大力推销其软件产品的同时对软件 的功能性能用户界面和前后处理能力都进行了大幅度的改进与扩充这就使 得目前市场上知名的软件在功能性能易用性可靠性以及对运行环境的适 应性方面基本上满足了用户的当前需求从而帮助用户解决了成千上万个工程实际 问题同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献目前流行的 分析软件主要有等现在从汽车 到航天飞机几乎所有的设计制造都己离不开有限元分析计算其在机械制造材料加 工航空航天汽车土木建筑电子电器国防军工船舶铁道石化能源 科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃主要表现在以下几个 方面 增加产品和工程的可靠性 在产品的设计阶段发现潜在的问题经过分析计 算采用优化设计方案降低原材料成本缩短产品投向市场的时间模拟试验方 案减少试验次数从而减少试验经费 随着有限元法在设计制造等行业的应用日益广泛其在农产品的特性分析中的应 用也逐渐深入 利用有限元方法建立了水果坚实度模型 建立了西瓜的有限元模型对其固有频率进行了研究王灵军等 对银杏脱壳进行了有限元受力分析史建新等进行了基于有限 元分析的核桃脱壳技术研究王荣等对葡萄进行了受力分析并进行了有 限元模拟谢丽娟进行了莲子受力的有限元分析而运用有限元方法进行 鸡蛋特性的研究也有所报道运用有限元分析法进行了禽蛋的机 械和热力学研究叫建立了鸡蛋冷却时热传导的有限元模型并进 行了分析宋慧芝等运用有限元法分析了鸡蛋蛋壳的受载特性并通过试 验比较验证了模拟数值解的可行性指出在相同外载加压下侧面受载的应力和变形都 大于大端受载越厚的蛋壳能承受的应力越大蛋的形状系数对蛋的强度影响无明显 相关性 由此可见国内外对禽蛋的力学特性的有限元分析较少已经建立的一些理论模 型或数值仿真大多是建立在将禽蛋当做均匀薄壳理想弹性材料的基础上而这种假 说和实际情况并不符合随着计算机技术的高速发展一些更高效率的仿真软件已被 广泛使用在农产品特性研究中因此将有限元分析运用于鸡蛋的力学特性及破损机华中农业丈学博学位论文 第一章绪论 理分析必将为鸡蛋的特性研究带来新的突破为解决实际生产中蛋的破损问题提供 有力的指导 存在的问题及课题的主要任务 从国内外研究概况可以看出其一我国虽然运用机器视觉技术进行了禽蛋的无 损检测研究但与商品化生产之间还存在一定的距离与国外的研究水平相比也还有 较大的差距急需进一步开展广泛而深入的研究因此我们当前的任务是跟踪世界 先进技术在其基础上研究和探索新的理论和方法其二在这一发展过程中鸡蛋分 级技术和设备没有得到广泛的应用实践表明仅以重量和蛋型指数作为分级指标 并不能实现种蛋的精确分级保证较高的孵化率其三商品蛋市场对分级鸡蛋的接 受能力还很小即使在经济发达的欧美国家分级鸡蛋也被视为是奢侈品 在二十世纪六十年代中期随着科技的进步人们生活水平的进一步提高超级 市场体系的进一步完善人口少的小家庭越来越多经过分级的小包装鸡蛋逐步得到 市场更广泛的认同这些都证明商品蛋市场对禽蛋品质有了新的要求禽蛋在进入消 费市场之前必须经过分级包装和检验环节已经成为不可避免的趋势但目前 鸡蛋所采用的分级方法比较单一难以满足不同的市场需求因此有必要进步研 究鸡蛋的基本特性完善分级方法和技术 本研究将结合计算机视觉技术对鸡蛋的外形结构进行分析并通过一定的试验 研究其对力学特性的影响在此基础上再进行有限元的模拟与分析具体任务是 研究鸡蛋图像采集设备及其原理过程对系统进行校正利用编制应用 程序进行鸡蛋的图像采集研究鸡蛋图像检测的不同算法对其图像进行处理 试验分析不同的工作情况下万能试验机的测试结果如不同的加载速度加 载方向加载点等并确定测试条件 检测鸡蛋的基本物理特性如蛋重蛋型指数蛋壳厚度等研究其相互之 间的相关关系并分析这些参数对鸡蛋受载力学特性的影响 检测鸡蛋与椭球体的近似程度并划分等级进行静力学试验研究其与其它物 理参数之间的相关关系进行静力学试验研究鸡蛋的匹配度对其力学特性的影响 检测鸡蛋大端小端的对称度并划分等级研究其与其它物理参数之间的相关 关系进行静力学试验研究其对鸡蛋受载力学特性的影响 利用所编制的应用程序检测鸡蛋关键点处的曲率大小并按其大小进行分 级研究其与其它物理参数之间的相关关系进行静力学试验研究鸡蛋的外形曲率兰主坐些盔兰翌兰竺兰兰 兰主笙丝 对其力学特性的影响 研究鸡蛋各参数对其力学特性的影响在此基础上选择影响较为显著的因 素安排正交试验考察各因素对受力结果的影响程度 忽略其内容物对鸡蛋力学特性的影响将鸡蛋抽象为一具有均匀厚度的椭球 壳体的力学模型利用有限元软件对所建立的力学模型在不同载荷不同加载方向 和不同蛋型指数下进行计算分析求得其应力应变及位移的变化分布规律从而对其 力学特性进行探讨兰土奎查兰堡兰竺兰兰 兰三兰墨兰望茎至竺竺茎三里堡丝翌基銮 第二章机器视觉系统及数字图像处理技术 本课题机器视觉系统的组成 机器视觉系统的硬件组成 图为本课题研究的机器视觉系统的硬件组成系统的硬件部分主要由 电荷耦合器图像采集卡图像显示卡及控制主机等设备构成 图一鸡蛋图像采集系统硬件组成 电荷耦合器 摄像机是测定鸡蛋图像的输入装置来自鸡蛋反射的光通过光学系统由 器件转换成电信号时间序列的输出信号然后将传感器的电荷逐步移出形成像 素本课题所用摄像机型号为 图像采集卡 图像采集卡主要包括图像存储器单元显示查找表单元摄像头接 口监视器接口和机总线接口单元工作过程如下摄像头实时或准 实时采集图像数据经变换后将图像存放在图像存储单元的一个或三个通道中 变换电路自动将图像显示在监视器上通过主机发出指令将某一帧图像静止在存 储通道中即采集或捕获一帧图像然后可对图像进行处理或存盘高档卡还包括卷 积滤波等图像处理专用的快速部件现在有的图像采集卡将图像和图形功能合为 一体如图玛公司生产的天敏视频采集卡等该卡基于总线设计是国 内较早开发功能齐全的系列图像卡可支持黑白与彩色图像采集标准和非标准视频 信号采集等它不仅可以使图像直接采集到实现图像和菜单同屏显示实现单 屏工 作方式而且可以利用机内存的可扩展性实现所需数量的序列图像逐帧连续 采集 进行序列图像处理分析第章机器视世系统股数产图像处理技术 华中水业夫学博卜擎位论义 本课题选用图像采集卡为北京大恒有限责任公司生产该卡基 于总线兼容即插即用其最大显示分辨率为真彩采 样频率为删提供功能齐全的二次开发包 显示卡 显示卡是记忆和保存图像的地方通常存贮的图像要随时显示在显示器上 机多采用个像素点通常的图像处理装置中各占位计 相当于万种颜色这种显示卡称为真彩色显示卡 控制主机 图像处理的主要特点是数据量大运算时间长因而对系统硬件配置要求较高 为了加快图像的显示和处理速度机图像处理系统的最小硬件配置如下奔腾 以上支持的显示卡内存容量硬盘至少 以上操作系统 光室 光室的四壁贴上黑布透光孔为巾其周围贴有黑色软质材质以保证与鸡蛋 紧密接触防止光线从缝隙漏入镜头与透光孔距离为 光源普通白织照明灯 应用程序开发与创建 幽鸡蚩曲线模拟分析软件运行结果 与和等现代编程语言相比在程序运行的效率内存使用的可控性 和编程的灵活性上具有优势利用进行图像处理具有速度快安全性好功能强 大的特点为了方便鸡蛋的图像采集及曲线研究本课题利用的应用程序向导 芏土查些查兰翌土兰竺兰兰 至三墨兰翌兰至釜墨茎里堡竺翌茎銮 生成基于对话框的应用程序框架工程名为应用程序名为鸡蛋曲线模 拟分析软件其界面如图所示 在源文件 下加入图像采集卡的库函数使程序可以引用到强大的图 像处理函数 程序的基本模块 程序模块化按照功能将一个软件切分成许多部分单独开发然后再组装起来 每 一个部分即为模块其优点是利于控制质量利于扩充功能等是软件工程中一 种重 要的开发方法根据软件所要完成的功能我们将系统分为以下四个模块 图像采集模块 能够连接摄像头进行实时采集鸡蛋图像并以 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 保存图像 通过操作图像采集卡将采集到的一帧图像复制到计算机内存中便于后续的 图 像处理图像在主机中以紧缩的位图保存其在内存中的结构以语言描述如 下位图结构大小 位图的宽度 鳓高度 恒为 每象素点所占的位数 可为和当为时后跟 色彩表而位图没有色彩表色彩表示一个字节的结构的数 组其中每个元素代表图像中各种颜色分量 蓝色分量 绿色分量 红色分量 系统采集图像时设置图像采集卡采集的图像为位位图最后采集到的图例如 图兰坐些盔主要兰竺笙兰 兰兰墨兰翌耋至釜竺誓里竺竺翌丝耋 图 实时采集到的图例 鸡蛋图像处理模块 该模块分为两个部分一是图像预处理把图像进行灰度化和二值化这是为一 下步准备减少要处理图像的数据加快运行速度提高处理的效率二是鸡蛋图像 基本信息的检测包括对鸡蛋长短轴的长度鸡蛋中心点位置的检测区域像素和的 运算以及图像边缘坐标的检测所以该模块是一个关键部分图像处理的好坏跟下一 步曲线拟合的分析有重要影响 鸡蛋的对称度检测模块 该模块能实现鸡蛋大头小头对称度的检测及鸡蛋图像与标准椭圆和特征椭圆的匹 配度的检测为进一步分析鸡蛋的外形特征提供依据 曲线拟合模块 检测获得鸡蛋图像边缘的各点坐标并存储在数组中系统能够读取由 软件根据边缘检测点坐标拟合得到的模拟方程分别将原图像与椭圆曲线原图 像与从模拟方程得到的模拟曲线进行拟合求取他们的重合度分析拟合效果其功 能通过类菜单命令响应函数 来实现 曲率半径查询计算模块 当用鼠标点取时求取各点的曲率半径并对其进行搜索方便各坐标点曲率半 径的查询以便于后续的受力分析 机器视觉系统失真规律及校正方法研究 在计算机视觉检测技术中摄像机是一个最关键器件其参数是否准确决定了检 测的精度由于加工误差和装配误差的存在摄像机光学系统与理想的小孔透视模型 有一定的差别致使物体点在摄像机图像平面上实际所成的像与理想 华中农业大学博学位论文 第二章机器视觉系统及数字图像处理技术 成像之间存在不同程度的非线性光学畸变为了提高图像检测模式匹配等定量分析 的准确性必须对这一类畸变进行修正所以摄像机的标定是机器视觉中最基本也是最 重要的一步近年来国内外学者就此问题进行了大量的研究其修正方法一般是在原 模型关系中引入反映畸变影响的修正参数然后基于控制点或其他方法求解修正系数来 对图像进行校正世纪年代中期以为代表的学者采用非线性优化技术开始了 图像校正的研究其主要是应用在遥感摄影测量领域钉世纪年代图像非线性校 正日渐成为国外学术界研究的热点我国在这方面的研究基本上是从世纪年 代开始 的目前国内外学者已经就摄像机非线性校正提出了数十种方法这些方法各有千 秋从原理上可分为控制目标法和模式方法两类 本课题主要采用机器视觉系统对鸡蛋进行视频测量检测基其表面曲率镜头畸 变会给其截面图像形状的尺寸带来极大的误差倒致测量结果的不准确因此必须 进行摄像机的标定与图像畸变校正 图像颜色模型及色度失真因素分析 图像的信息由目标物体的形状和颜色组成摄像机的失真主要表现为由于镜头 畸变引起的变形和由于光照条件及摄像机性能引起颜色失真 颜色模型 一幅彩色图像含有颜色信息对这些颜色信息的研究离不开颜色的定量表示目 前用于定量地描述颜色的模型已有许多种在与农产品数字图像处理有关的研究中使 用得较多的是模型和模型 颜色模型基于人类视觉的三基色原理是最基本的一种颜色模型在这种颜 色模型中彩色图像中的每个像素的颜色都能用三维空间中第一象限的一个点来表 示如图中的彩色立方体所示在彩色空间的原点上任一基色均没有亮度即为 黑色三基色都达到最高亮度时则表现为白色其余亮度相等的三种基色则产生灰色 的影调所有这些点均落在彩色立方体的对角线上该对角线被称为灰色线彩色立 方体中三个角对应于三基色红色绿色和蓝色剩下的三个角对应于二次色黄 色青色和紫色 模型基于两个重要的事实其一分量与图像的彩色信息无关其二和 分量与人感受颜色的方式是紧密相连的 模型中的各分量可定义在如图所示的双棱锥中纵轴表示亮度它是沿着棱 锥的轴线度量的沿着棱锥轴线上的点表示完全不饱和的颜色按照不同的灰度等 级最亮点为纯白色最暗点为纯黑色 华中农业大学博卜学位论文 第章机器视堂系统及数图像处理主术 黄 青誊 爨 私 乒够瓷 仉量 图 颜色模型 图 颜色模型 色度失真因素分析 在彩色图像中不仅不同的物体具有不同的颜色色调而且同一颜色的物 体表面由于光照条件的不同光强不同光源种类及位置不同等也会产生光斑 或颜 色的明暗变化具体地说导致颜色失真的因素可以分为两大类 一是环境光照条件变化引起的失真光源种类位置等的不同均是影响光照条 件 的因素不同光源的显色性不同显色性是指与参照标准下相比较一个光源对 物体 颜色外貌所产生的效果即光源能反映物体真实颜色的能力 二是摄像机固有性能限制如动态范围线性度范围等引起的失真使得 采集到的图像颜色信息存在一定的偏差其主要表现在 颜色截断当入射光的亮度太高而超出其动态范围时摄像机不能正常感知导 致线性色簇发生弯曲将改变物体的颜色色调和饱和度 颜色晕化是指物体过亮部分图像明显增大的现象这是传感哭的弥散现象 造成的这将降低传感器对颜色变化的灵敏度同样影响物体的颜色 颜色平衡在可见光范围内摄像机对光谱的响应曲线与人眼不一致影响物 体的颜色 两个因素的综合影响使所采集图像与物体真实颜色有差异因此必要时要根据 机器视觉系统分析色度失真规律建立一个色度失真校正模型 虽然由鸡蛋图像采集系统所获取的鸡蛋图像有一定的色度失真但由于本文主要 研究鸡蛋的形状信息颜色的失真对检测结果基本没影响所以在此未进行色度校 正仅进行了图像畸变校正华中农业大学博学位论文 第二章机器视觉系统及致宁图像处理技术 摄像机标定 摄像机标定就是通过建立已知物像点对应关系模型获得计算成像系统内部的 几何及光学参数即内部参数及摄像机坐标系相对于空间坐标系的位置关系即外 部参数从而建立参数模型一旦建立了这种对应关系就可以通过二维像点坐标推 出物点三维世界坐标或相反的从己知的三维信息