СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ФРУКТОВ ИЛИ ОВОЩЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СОРТИРОВКИ Российский патент 2021 года по МПК G01N21/35 G01N21/17 B07C5/342 

Область техники

Изобретение относится к способу и устройству для оптического анализа фруктов или овощей с целью их автоматической сортировки. Оно относится также к устройству для автоматической сортировки фруктов или овощей, использующему способ оптического анализа согласно изобретению и/или содержащему устройство для оптического анализа согласно изобретению.

Уровень техники

Известно, что оптический анализ фруктов или овощей с формированием их изображений в полосе длин волн, в типичном случае составляющей от 250 нм до 1000 нм, т.е. расположенной от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов с охватом видимого диапазона, позволяет бесконтактно измерять различные параметры, в частности размеры (крупность), уровень сахара, кислотность, зрелость, твердость, присутствие наружных или внутренних дефектов, цвет. Однако для этого необходимо использовать значительное количество осветительных устройств и/или устройств формирования изображений, чтобы активировать, для каждого измеряемого параметра, оптический анализ в спектральном диапазоне, подходящем для измерения этого параметра. Кроме того, измерение единственного параметра может требовать использования различных спектральных диапазонов освещения и/или различных спектральных диапазонов формирования изображений, даже серии различных изображений для единственного спектрального диапазона освещения и/или формирования изображений, например изображений в отраженном и проходящем свете.

Публикация Sun Jason et al «Multispectral scattering imaging and NIR interactance for apple firmess predictions», Potharvest Biology and Technology, том 119, 2016, с. 58-68 описывает мультиспектральный метод формирования изображений, использующий измерения посредством отражательной спектроскопии с пространственным разрешением, позволяющий получить оценку твердости яблок. Этот метод состоит из облучения яблока лазерным пучком на различных длинах волн, сфокусированным посредством диафрагмы диаметром 50 мкм, и формирования изображения с использованием света, обратно рассеянного яблоком. Помимо того, что этот метод ограничен предсказанием твердости, он не позволяет анализировать все возможные дефекты по всей поверхности яблока.

Следует отметить, что методы оптического анализа изображений отличаются, в частности, от спектрометрических или спектроскопических методов, которые позволяют анализировать только свет от сфокусированных источников, таких как оптоволокно или лазер, и, соответственно, от точно локализованной точки каждого объекта.

В то же время, оптический анализ объектов должен осуществляться на различных частях наружной поверхности объектов, которые обычно приводятся во вращение при их транспортировании перед осветительными устройствами и камерами (см., например WO 01/01071, FR 2874424). Нередко оптический анализ изображений проводится при постоянном освещении и/или в постоянном спектральном диапазоне, чтобы избежать необходимости использования серии осветительных устройств и/или камер.

Чтобы проводить оптический анализ изображений в различных спектральных диапазонах, необходимо увеличивать количество осветительных устройств и/или камер, и/или фильтров, устанавливаемых перед осветительными устройствами или перед камерами, чтобы выбирать различные спектральные диапазоны. Для формирования изображений в ультрафиолетовом и в инфракрасном диапазонах используется по меньшей мере одна монохромная камера. Для формирования изображений в видимом диапазоне обычно используется по меньшей мере одна цветная, т.е. трихроматическая, камера, содержащая по меньшей мере один КМОП или ПЗС или аналогичный датчик.

Таким образом, на практике каждый пункт для оптического анализа в составе автоматического устройства для сортировки фруктов или овощей до настоящего времени содержал множество камер, по меньшей мере по одной камере на один спектральный диапазон формирования изображений, т.е. в классическом варианте от четырех до восьми камер на одну линию для формирования изображений каждой части наружной поверхности каждого объекта.

Эти различные устройства являются весьма дорогими, чувствительными к внешним воздействиям, крупными и громоздкими и требуют регулярного и дорогостоящего обслуживания. В этом отношении следует отметить, в частности, что они работают в относительно тяжелых окружающих условиях (по влажности и загрязненности), которые имеют место при начальной обработке и сортировке фруктов или овощей.

Кроме того, особенно дорогостоящим является использование фильтров для выбора длин волн, причем такие фильтры трудно приобрести, и они быстро деградируют.

В дополнение, передача автоматической машине, построенной на основе компьютерной системы, различных изображений, поступающих от различных камер, и их обработка этой компьютерной системой, в частности, в целях автоматической сортировки объектов занимают период времени, хотя и короткий по абсолютному значению, но непренебрежимый в контексте большинства современных автоматических сортировочных устройств, которые способны функционировать с очень высокой производительностью, в типичном случае составляющей более 10 - и, в частности, до 50 или даже более - фруктов или овощей в секунду в расчете на одну конвейерную линию. Как следствие, это время передачи и обработки в известных способах и устройствах для оптического анализа, скорее всего, будет накладывать ограничения на увеличение производительности определенных автоматических сортировочных устройств для фруктов или овощей.

Раскрытие изобретения

Соответственно, изобретение направлено на преодоление этих недостатков.

Более конкретно, оно направлено на разработку способа и устройства, предназначенных для оптического анализа фруктов или овощей путем формирования изображений в различных спектральных диапазонах и значительно более простых и менее дорогих в освоении, использовании и обслуживании.

Изобретение направлено, в частности, на разработку такого способа и такого устройства для оптического анализа, которым не требуются фильтры для выбора спектральных диапазонов при получении изображений.

Оно направлено, кроме того, на разработку таких способа и устройства для оптического анализа, которые лучше совместимы с условиями автоматической сортировки фруктов или овощей и позволяют измерять различные параметры при очень высокой производительности и при более низких затратах. В частности, оно направлено на разработку оптического анализа фруктов или овощей путем получения изображений, который совместим с автоматической сортировкой при очень высокой производительности и который сам не создает ограничений на повышение производительности автоматической сортировки.

Изобретение направлено также на обеспечение возможности оптического анализа фруктов или овощей по всем критериям сортировки (за исключением веса) исключительно путем получения изображений в различных спектральных диапазонах.

Оно направлено также на разработку устройства для автоматической сортировки объектов, таких как фрукты или овощи, которое обладает теми же преимуществами.

В данном документе принята следующая терминология:

- "световое излучение" означает любое электромагнитное излучение с длинами волн от 200 нм до 1000 нм;

- "спектральный диапазон" означает любую длину волны или спектральную полосу;

- "видимый диапазон" означает любой спектральный диапазон внутри спектральной полосы от 380 нм до 700 нм;

- "инфракрасный диапазон" означает любой спектральный диапазон внутри спектральной полосы от 700 нм до 1000 нм;

- "ультрафиолетовый диапазон" означает любой спектральный диапазон внутри спектральной полосы от 200 нм до 380 нм.

Таким образом, изобретение относится к способу оптического анализа объектов, относящихся к группе фруктов и овощей, в котором формируют репрезентативные изображения объектов в различных спектральных диапазонах формирования изображений, характеризующемуся тем, что:

- каждый источник из множества источников света, образованных светодиодами, выполнен с возможностью освещать световым излучением по меньшей мере часть наружной поверхности по меньшей мере одного объекта, именуемого освещаемым объектом, при этом различные источники света выполнены с возможностью селективно освещать каждый освещаемый объект световым излучением в различных спектральных диапазонах освещения;

- световое излучение по меньшей мере от одного источника света подают на всю видимую (посредством этого светового излучения) сторону наружной поверхности каждого объекта, освещаемого указанным источником света;

- управляют источниками света в соответствии с заданной последовательностью освещения для каждого освещаемого объекта в последовательности объектов в соответствии с указанными различными спектральными диапазонами освещения;

- формируют изображения посредством по меньшей мере одной - в частности только одной - цветной камеры, чувствительной к световому излучению в видимом и в инфракрасном диапазонах, именуемой мультиспектральной камерой, ориентированной в направлении части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта, соответствующей всей видимой стороне наружной поверхности объекта на оптической оси мультиспектральной камеры, а экспозицией указанной камеры управляют синхронно с указанной последовательностью освещения таким образом, чтобы сформировать посредством одной и той же мультиспектральной камеры серию изображений в различных спектральных диапазонах формирования изображений указанной части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта, включая по меньшей мере одно изображение в видимом диапазоне и по меньшей мере одно изображение в инфракрасном диапазоне;

- каждая мультиспектральная камера выбрана из группы камер, содержащих КМОП-датчик с матрицей цветных фильтров без инфракрасного отсекающего фильтра, и камер, содержащих три КМОП-датчика, по одному КМОП-датчику для каждого основного цвета, без инфракрасного отсекающего фильтра.

Изобретение относится также к устройству для оптического анализа объектов, относящихся к группе фруктов и овощей, содержащему средства для формирования изображений объектов в различных спектральных диапазонах,

отличающемуся тем, что оно содержит:

- осветительное устройство, содержащее множество источников света, образованных светодиодами, каждый из которых выполнен с возможностью освещать световым излучением по меньшей мере часть наружной поверхности по меньшей мере одного объекта, именуемого освещаемым объектом, при этом различные источники света выполнены с возможностью селективно освещать каждый освещаемый объект световым излучением в различных спектральных диапазонах освещения; причем осветительное устройство выполнено с возможностью освещать световым излучением по меньшей мере от одного источника света всю видимую сторону наружной поверхности каждого объекта, освещаемого указанным источником света;

- управляющее устройство, выполненное с возможностью управления указанными источниками света в соответствии с заданной последовательностью освещения для каждого освещаемого объекта в последовательности объектов в соответствии с указанными различными спектральными диапазонами освещения;

- по меньшей мере одну - в частности только одну - цветную камеру, чувствительную к световому излучению в видимом и в инфракрасном диапазонах, именуемую мультиспектральной камерой, которая ориентирована в направлении части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта, соответствующей всей видимой стороне наружной поверхности объекта на оптической оси мультиспектральной камеры;

- причем каждая мультиспектральная камера выбрана из группы камер, содержащих КМОП-датчик с матрицей цветных фильтров без инфракрасного отсекающего фильтра, и камер, содержащих три КМОП-датчика, по одному КМОП-датчику для каждого основного цвета, без инфракрасного отсекающего фильтра;

- причем указанное управляющее устройство выполнено с возможностью управления экспозицией каждой мультиспектральной камеры синхронно с указанной последовательностью освещения для формирования посредством одной и той же мультиспектральной камеры серии изображений в различных спектральных диапазонах формирования изображений указанной части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта, включая по меньшей мере одно изображение в видимом диапазоне и по меньшей мере одно изображение в инфракрасном диапазоне.

Изобретение относится также к устройству для автоматической сортировки объектов, относящихся к группе фруктов и овощей, согласно заданным критериям сортировки, содержащему:

- по меньшей мере одну конвейерную линию, способную транспортировать объекты перед пунктами для анализа объектов согласно указанным критериям сортировки, включающими по меньшей мере один пункт для оптического анализа;

- автоматическую машину, соединенную с пунктами для анализа с целью приема от них аналитических сигналов;

- станции для выдачи объектов в множество зон выдачи; при этом

- автоматическая машина запрограммирована для управления селективной выдачей каждого объекта в зону выдачи, выбранную в соответствии с аналитическими сигналами, принятыми указанной автоматической машиной в отношении указанного объекта.

Данное устройство характеризуется тем, что содержит по меньшей мере один пункт для оптического анализа, образованный устройством для оптического анализа согласно изобретению.

Фактически, автор изобретения неожиданно установил, что существует возможность использовать единственную цветную камеру, чувствительную к световому излучению в видимом и в инфракрасном диапазонах, для получения серии изображений в различных спектральных диапазонах формирования изображений, включающей по меньшей мере одно изображение в видимом диапазоне и по меньшей мере одно изображение в инфракрасном диапазоне.

Оказалось достаточным выбрать цветную камеру, которая чувствительна к инфракрасному излучению (в частности, использовать ее без инфракрасного отсекающего фильтра), и, если это необходимо, отрегулировать настройки этой цветной камеры так, чтобы получать каждое изображение в инфракрасном диапазоне в соответствии с чувствительностью для каждого цвета камеры в используемом инфракрасном диапазоне.

Благодаря изобретению все изображения, необходимые для оптического анализа объектов в видимом и в инфракрасном диапазонах, могут быть получены посредством единственной мультиспектральной камеры, управляемой синхронно с подходящей последовательностью освещения. В результате обеспечивается значительная экономия на оборудовании и значительное упрощение каждого пункта для оптического анализа.

В некоторых предпочтительных вариантах способа согласно изобретению используется по меньшей мере одна мультиспектральная камера, которая снабжена буферной памятью для записи различных изображений, которые могут быть сформированы этой камерой. Таким образом, указанную серию изображений указанной части наружной поверхности, сформированную единственной мультиспектральной камерой, записывают в буферную память указанной мультиспектральной камеры. Соответственно, в предпочтительном варианте устройства для оптического анализа согласно изобретению каждая мультиспектральная камера снабжена буферной памятью для сохранения изображений. В результате различные изображения, получаемые при каждой последовательности освещения, могут формироваться с очень высокой скоростью, т.е. с максимальной скоростью получения изображений, доступной каждой мультиспектральной камере, и храниться в буферной памяти этой мультиспектральной камеры до того, как они будут переданы автоматической машине (компьютерной системе) для обработки этих изображений, причем данная машина может производить обработку изображений с намного более низкой скоростью. Как следствие, в частности, ширина полосы пропускания линии связи (в типичном случае USB3-линии связи) между каждой мультиспектральной камерой и автоматической машиной больше не определяет предел повышения скоростей автоматической сортировки фруктов или овощей.

Каждая мультиспектральная камера является цветной, т.е. трихроматической, камерой, имеющей датчики, чувствительные соответственно к одному из трех основных цветов: красному, зеленому и синему. В устройстве и способе для оптического анализа согласно изобретению в качестве мультиспектральной камеры может быть использована любая цветная камера, которая также чувствительна к инфракрасному излучению, в частности камера без инфракрасного отсекающего фильтра. Более конкретно, каждая мультиспектральная камера может быть выбрана из группы камер, содержащих КМОП-датчик (с матрицей цветных фильтров, таких как матрица Байера), и камер, содержащих три КМОП-датчика (по одному КМОП-датчику для каждого основного цвета). Однако нет никаких препятствий для использования камер с ПЗС-датчиками или с аналогичными датчиками.

Каждая мультиспектральная камера предпочтительно является цветной камерой, содержащей КМОП-датчик и матрицу цветных фильтров без инфракрасного отсекающего фильтра. Фактически, было доказано, что такая камера обладает эффективной чувствительностью к инфракрасному излучению и может быть адаптирована к формированию изображения в любом видимом спектральном диапазоне и в любом инфракрасном диапазоне.

Цветная камера типа использующей КМОП-датчик или датчики содержит три группы фоточувствительных элементов, каждая из которых детектирует один из основных цветов. В определенных предпочтительных вариантах способа согласно изобретению каждое изображение в инфракрасном диапазоне формируют с настройкой баланса белого в соответствии с чувствительностью для каждого цвета (т.е. для каждой группы элементов, которые обладают фоточувствительностью к одному из основных цветов) мультиспектральной камеры в указанном инфракрасном диапазоне. Соответственно, в этих вариантах устройства согласно изобретению для формирования каждого изображения в инфракрасном диапазоне указанное управляющее устройство выполнено с возможностью настройки баланса белого в соответствии с чувствительностью для каждого цвета мультиспектральной камеры в указанном инфракрасном диапазоне. В результате достигается улучшенное качество инфракрасного изображения.

Фактически, было установлено, что чувствительность каждой группы фоточувствительных элементов цветной камеры к инфракрасным длинам волн изменяется в зависимости от цвета, детектируемого этой группой фоточувствительных элементов. Если указанный инфракрасный диапазон включает единственную инфракрасную длину волны, баланс белого настраивается в соответствии с чувствительностью для каждого цвета мультиспектральной камеры для этой длины волны в инфракрасном диапазоне. Если указанный инфракрасный диапазон включает инфракрасную спектральную полосу, баланс белого может быть настроен в соответствии с чувствительностью для каждого цвета мультиспектральной камеры для характеристической длины волны (в частности для центральной длины волны) указанной инфракрасной спектральной полосы.

Следует, однако, отметить, что не существует никаких препятствий для формирования, как вариант, инфракрасного изображения без настройки баланса белого.

В способе и устройстве для оптического анализа согласно изобретению могут быть использованы различные методы получения изображений, и эти различные методы получения изображений могут сочетаться с использованием единственной мультиспектральной камеры и/или различных мультиспектральных камер. В частности, в способе и устройстве для оптического анализа согласно изобретению указанные изображения, формируемые единственной мультиспектральной камерой, могут быть в равной степени изображениями, полученными в результате отражения, и/или изображениями, полученными в результате пропускания, и/или изображениями, полученными в результате рассеяния.

Аналогично, каждый спектральный диапазон освещения может соответствовать или не соответствовать каждому спектральному диапазону формирования изображений. Например, имеются возможности: осветить объект излучением в видимом диапазоне и сформировать посредством мультиспектральной камеры изображения в том же видимом диапазоне; осветить объект излучением в инфракрасном диапазоне и сформировать посредством мультиспектральной камеры изображения в том же инфракрасном диапазоне; осветить объект излучением в ультрафиолетовом спектральном диапазоне и сформировать посредством мультиспектральной камеры изображения в видимом диапазоне (в результате флуоресценции) и т.д.

При получении изображения в отраженном свете участок наружной поверхности объекта, освещаемый по меньшей мере одним источником света, соответствует всей стороне наружной поверхности объекта, видимой в световом излучении указанного источника света, а по меньшей мере одну мультиспектральную камеру позиционируют относительно указанного источника света таким образом, чтобы формировать изображения в отраженном свете всей указанной видимой стороны. Таким образом, чтобы получить изображение в отраженном свете, указанная часть наружной поверхности освещаемого объекта, в направлении которой ориентирована мультиспектральная камера, освещается световым излучением по меньшей мере одного источника света.

При получении изображения в проходящем свете по меньшей мере один источник света освещает световым излучением участок наружной поверхности объекта, диаметрально противоположный указанной части наружной поверхности освещаемого объекта, в направлении которой ориентирована мультиспектральная камера. При получении изображения в рассеянном свете по меньшей мере один источник света освещает световым излучением участок (именуемый освещаемым участком) наружной поверхности объекта, пространственно отделенный от указанной части наружной поверхности освещаемого объекта, в направлении которой ориентирована мультиспектральная камера. При получении данного изображения мультиспектральная камера ориентирована по отношению к этому, освещаемому участку под углом, который больше 90° и меньше 180°.

С учетом вышеизложенного, в некоторых предпочтительных вариантах согласно изобретению по меньшей мере одну мультиспектральную камеру позиционируют по отношению к указанным источникам света таким образом, чтобы получать только изображения в отраженном свете. Фактически, в многочисленных приложениях оптический анализ фруктов или овощей может проводиться исключительно по таким изображениям, полученным в отраженном свете. Это относится, прежде всего, к оптическому анализу фруктов из группы, включающей яблоки, груши, косточковые плоды (персики, нектарины, абрикосы) и томаты.

В других вариантах согласно изобретению по меньшей мере одна мультиспектральная камера может быть позиционирована по отношению по меньшей мере к некоторым источникам света таким образом, чтобы получить изображения в проходящем/рассеянном свете, в частности в видимом диапазоне. Эта схема используется в особенности для оптического анализа цитрусовых фруктов. Предпочтительным может быть и позиционирование по меньшей мере других источников света по отношению к мультиспектральной камере таким образом, чтобы обеспечить получение изображений в отраженном свете, в частности изображений этого типа в инфракрасном диапазоне при освещении в инфракрасном диапазоне и/или изображений в отраженном свете в видимом диапазоне при освещении в видимом диапазоне, и/или изображений в отраженном свете в видимом диапазоне при освещении в ультрафиолетовом спектральном диапазоне.

Предпочтительно позиционировать, в соответствии с изобретением, по меньшей мере один источник света с возможностью освещать световым излучением всю видимую сторону наружной поверхности каждого объекта, освещаемого указанным источником света.

Фактически, в соответствии с рассматриваемым методом получения изображений, участком наружной поверхности объекта, освещаемым каждым источником света, в равной степени может являться:

- вся видимая сторона наружной поверхности объекта в направлении распространения указанного светового излучения, испускаемого указанным источником света для освещения наружной поверхности объекта, в частности, диаметральный сегмент объекта, если этот объект в целом является сферическим; такая конфигурация предпочтительна, в частности, формирования изображений в отраженном свете;

- находящийся на наружной поверхности объекта участок, на который сфокусировано световое излучение; этот участок фокусировки меньше, чем видимая сторона наружной поверхности объекта в направлении распространения указанного светового излучения, в частности меньше, чем диаметральный сегмент объекта, если этот объект является, по существу, сферическим; такая конфигурация предпочтительна, в частности, формирования изображений в рассеянном/проходящем свете.

Кроме того, нет никаких препятствий для того, чтобы некоторые изображения, формируемые мультиспектральной камерой согласно изобретению, не соответствовали всей видимой стороне наружной поверхности объекта на оптической оси камеры. Другими словами, указанная часть наружной поверхности освещаемого объекта в некоторых вариантах и по меньшей мере для одной мультиспектральной камеры может соответствовать части наружной поверхности объекта, которая меньше, чем видимая сторона этой наружной поверхности на оптической оси камеры.

С учетом этого, в определенных предпочтительных вариантах по меньшей мере одна мультиспектральная камера позиционирована по отношению к освещаемому объекту так, что указанная часть наружной поверхности освещаемого объекта, изображения которой формируются посредством мультиспектральной камеры, соответствует всей видимой стороне наружной поверхности объекта на оптической оси мультиспектральной камеры. Таким образом, если объект в целом является сферическим, изображения, формируемые мультиспектральной камерой, - это изображения диаметрального сегмента объекта.

Указанные последовательность освещения и синхронизация экспозиции каждой мультиспектральной камеры с этой последовательностью освещения также могут быть объектами многочисленных вариантов.

В частности, в некоторых предпочтительных вариантах изобретения указанная последовательность освещения формируется из последовательности периодов освещения, причем в течение каждого периода освещения активируют некоторые из источников света, а эту группу источников света выбирают так, чтобы освещать каждый объект в одном из указанных спектральных диапазонов освещения. Кроме того, спектральные диапазоны освещения для двух последовательных периодов освещения предпочтительно отличаются друг от друга.

Каждый период освещения может быть очень коротким, период экспозиции мультиспектральной камеры в период освещения также может быть очень коротким, причем изображение, сформированное в течение этого периода экспозиции, может быть записано в буферную память мультиспектральной камеры. Конкретно, в определенных предпочтительных вариантах согласно изобретению каждый период освещения в рамках указанной последовательности освещения составляет 0,1-5 мс, предпочтительно 0,1-1,5 мс.

Аналогично, нет никаких препятствий для того, чтобы различные последовательные периоды освещения в рамках последовательности освещения были отделены друг от друга периодами, когда указанные источники света отключены. Эти периоды предпочтительно составляют, например, 0,05-0,5 мс, в частности 0,1 мс. Тем не менее, различные периоды освещения в рамках одной последовательности освещения предпочтительно следуют друг за другом непрерывно, т.е. без периода выключения между двумя периодами освещения.

Экспозиция мультиспектральной камеры предпочтительно запускается с задержкой относительно активации периода освещения, причем эту задержку выбирают такой, чтобы каждый источник света из указанной группы источников света, активируемых для этого периода освещения, был полностью включен и активен до того, как запустится мультиспектральная камера. Фактически, источники света, включая СД со сверхбыстрым управлением (англ. ultrafast control LEDs), требуют определенной задержки между приемом сигнала их активации и переходом в полностью включенное состояние. Эта задержка может составлять, например, 0,01-0,5 мс, в частности порядка 0,05 мс.

Аналогично, прекращение экспозиции мультиспектральной камеры предпочтительно запускается с опережением выключения по меньшей мере одного из источников света. Тем самым гарантируется, что в каждом периоде освещения каждый соответствующий источник света остается полностью активным и включенным в течение всего периода экспозиции мультиспектральной камеры. Указанное опережение составляет, например, 0,01-0,5 мс, в частности порядка 0,05 мс.

Таким образом, обеспечивается возможность использовать, например, единственную мультиспектральную камеру для получения серии изображений, содержащей от 2 до 10 - в частности от 3 до 5 - последовательных изображений одного освещаемого объекта в различных спектральных диапазонах, включая по меньшей мере одно изображение в видимом диапазоне и по меньшей мере одно изображение в инфракрасном диапазоне, в течение одной последовательности освещения при общей длительности последовательности освещения менее 10 мс, в частности от 1 мс до 5 мс. Например, имеется возможность сформировать серию из четырех последовательных изображений за период порядка 3,5 мс. Количество и характер каждого изображения в одной серии изображений в различных спектральных диапазонах выбраны таким образом, чтобы обеспечить возможность проведения по этим различным изображениям оптического анализа фруктов или овощей, подлежащих сортировке. Эти параметры могут являться объектом очень многих вариантов с учетом важных критериев сортировки для этих фруктов или овощей, которые могут варьироваться от одного вида фруктов или овощей к другому и/или в зависимости от требований конечного клиента в отношении сортировки фруктов или овощей.

Кроме того, различные источники света выбраны таким образом, чтобы они были совместимы с указанной последовательностью освещения с различными спектральными диапазонами освещения и с характеристиками каждой используемой мультиспектральной камеры. Например, в определенных предпочтительных вариантах в состав указанных источников света входит по меньшей мере один СД со сверхбыстрым управлением. В частности, в состав указанных источников света входит по меньшей мере один осветительный СД белого света, по меньшей мере один ультрафиолетовый осветительный СД - в частности, ультрафиолетовый осветительный СД с длиной волны от 250 нм до 380 нм, например 365 нм - и по меньшей мере один инфракрасный осветительный СД - в частности, инфракрасный осветительный СД с длиной волны от 720 нм до 780 нм, например 740 нм; инфракрасный осветительный СД с длиной волны от 800 нм до 850 нм, например 810 нм, и инфракрасный осветительный СД с длиной волны от 900 нм до 1000 нм, например 940 нм. Возможны и другие примеры.

В некоторых предпочтительных вариантах согласно изобретению указанные источники света установлены в оптической камере, имеющей отражающую внутреннюю поверхность, форма которой выбрана, с учетом положения источников света, таким образом, чтобы обеспечить возможность однородного освещения объектов в оптическом поле указанной по меньшей мере одной мультиспектральной камеры. Такое однородное освещение соответствует равномерному освещению всей стороны каждого объекта, открытой для светового излучения оптической камеры. Кроме того, по меньшей мере одна мультиспектральная камера ориентирована так, чтобы формировать в отраженном свете изображения всей стороны каждого объекта, освещаемого таким образом.

Способ и устройство для оптического анализа согласно изобретению позволяют, в частности, проводить оптический анализ фруктов или овощей, даже когда их перемещают посредством конвейера - в частности высокоскоростного конвейера, например конвейера, позволяющего транспортировать перед каждой мультиспектральной камерой более десяти объектов в секунду, например до пятидесяти объектов в секунду или даже больше. Таким образом, в некоторых вариантах способа согласно изобретению во время указанной последовательности освещения каждый освещаемый объект перемещают посредством конвейера.

Аналогично, способ и устройство для оптического анализа согласно изобретению позволяют проводить оптический анализ фруктов или овощей, когда они приводятся во вращение вокруг себя. Таким образом, в некоторых вариантах способа согласно изобретению во время указанной последовательности освещения каждый освещаемый объект вращается вокруг себя.

Изобретение делает возможным значительное уменьшение сложности и размеров каждого пункта для оптического анализа в составе устройства для автоматической сортировки фруктов или овощей, а также количества таких пунктов. В частности, в определенных вариантах устройства для автоматической сортировки фруктов или овощей согласно изобретению каждый пункт для оптического анализа содержит менее четырех мультиспектральных камер - в частности одну или две мультиспектральные камеры - в расчете на одну конвейерную линию. Фактически, была подтверждена возможность использовать единственную мультиспектральную камеру для получения всех изображений одной части наружной поверхности объектов, которые необходимы для оптического анализа фруктов или овощей с целью их автоматической сортировки, т.е. для определения следующих параметров: размер, цвет, внутренние дефекты, наружные дефекты и твердость. Например, если объекты как целое обладают вращательной симметрией - в частности являются, по существу, сферическими (что имеет место для большинства фруктов или овощей), - каждый пункт для оптического анализа может содержать для каждой конвейерной линии только одну мультиспектральную камеру (или две мультиспектральные камеры, взаимно смещенные в поперечном направлении и наклоненные относительно вертикали, по одной на каждой стороне линии), чтобы формировать изображения всей наружной поверхности объектов при их проходе через пункт для оптического анализа, причем каждый объект между моментами входа в поле мультиспектральной камеры и выхода из этого поля вращается по меньшей мере на 180° вокруг себя.

В некоторых вариантах изобретения обеспечивается даже возможность использования автоматического сортировочного устройства, содержащего единственный пункт для оптического анализа. Это, в частности, справедливо для автоматической сортировки фруктов или овощей, выбранных из группы, состоящей из яблок, груш, киви, цитрусовых фруктов, томатов, персиков, абрикосов, нектарин, слив, хурмы, авокадо, манго, гранатов, дынь-канталуп, черники, вишен. Возможны и другие примеры.

Изобретение в равной степени относится к способу и устройству для оптического анализа фруктов или овощей и к устройству для автоматической сортировки фруктов или овощей, характеризуемым сочетанием всех или некоторых признаков, которые были упомянуты выше или будут упомянуты далее.

Краткое описание чертежей

Другие задачи, признаки и преимущества изобретения станут очевидны при чтении нижеследующего описания некоторых его вариантов, представленных, в качестве неограничивающих примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 представлен пример спектральной чувствительности монохромной камеры, используемой в известных устройствах для оптического анализа.

На фиг. 2 представлен пример спектральной чувствительности цветной камеры, используемой в известных устройствах для оптического анализа.

На фиг. 3 представлен пример спектральной чувствительности цветной камеры, чувствительной к инфракрасному излучению, которая может быть использована как мультиспектральная камера при осуществлении способа и в устройстве для оптического анализа согласно изобретению.

На фиг. 4 схематично, в вертикальной проекции, изображен пункт для оптического анализа в составе автоматического сортировочного устройства согласно варианту изобретения.

На фиг. 5 данный пункт схематично представлен в разрезе плоскостью V-V (см. фиг. 4).

На фиг. 6 приведен временной график для примера последовательности операции освещения и получения изображений в способе оптического анализа согласно изобретению.

На фиг. 7 приведена блок-схема последовательности операций освещения для варианта способа оптического анализа согласно изобретению.

На фиг. 8 приведена блок-схема, включающая камеры, источники света и устройство для управления камерами и источниками света в устройстве для оптического анализа согласно изобретению для линии транспортирования объектов.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 приведена спектральная чувствительность монохромной камеры, содержащей КМОП-датчик и обычно используемой для оптического анализа с целью автоматической сортировки фруктов или овощей посредством получения изображений в инфракрасном и/или ультрафиолетовом излучениях. Видно, что чувствительность камеры в инфракрасном диапазоне является ненулевой, но относительно низкой. Это справедливо и для ультрафиолетового диапазона. На фиг. 2 показана спектральная чувствительность цветной камеры, содержащей КМОП-датчик и матрицу фильтров Байера, а также инфракрасный отсекающий фильтр, обычно использующийся в известных устройствах для оптического анализа, предназначенных для автоматической сортировки фруктов или овощей путем получения изображений в видимом диапазоне. Как показано на фиг. 2, такая цветная камера полностью нечувствительна в инфракрасном диапазоне.

В противоположность этому, автор изобретения неожиданно обнаружил, что цветная камера без инфракрасного отсекающего фильтра фактически весьма чувствительна в инфракрасном диапазоне, как это показано на фиг. 3, и, следовательно, может с равной эффективностью использоваться в видимом и в инфракрасном диапазонах, что позволяет значительно упростить пункты для оптического анализа в устройствах для автоматической сортировки фруктов или овощей. Таким образом, изобретение состоит в использовании единственной цветной камеры для формирования изображений по меньшей мере в одном видимом спектральном диапазоне, изображений по меньшей мере в одном инфракрасном спектральном диапазоне и, возможно, также изображений по меньшей мере в одном ультрафиолетовом спектральном диапазоне.

Представленный в качестве примера вариант устройства 3 для оптического анализа согласно изобретению проиллюстрирован на фиг. 4 и 5. Это устройство образует пункт для оптического анализа в составе автоматического сортировочного устройства, общие характеристики которого сами по себе хорошо известны (см., например, US 5626238) и которое может являться объектом очень многих модификаций. Изобретение применимо, без каких-либо ограничений, во всех этих вариантах, поскольку автоматическое сортировочное устройство обеспечивает возможность поступательно перемещать, друг за другом, множество объектов 6, представляющих собой фрукты или овощи, в горизонтальной плоскости перед устройством для оптического анализа на опорных элементах 9, размещенных по меньшей мере на одной конвейерной линии 8, по существу, на множестве параллельных конвейерных линий 8 для фруктов или овощей, как это проиллюстрировано представленным примером.

Опорные элементы 9 предпочтительно являются вращающимися опорными элементами, такими как ролики, которые приводятся не только в поступательное движение, но также во вращение вокруг поперечных осей вращения, делая возможным вращение объектов 6 вокруг себя, когда они проходят через устройство для оптического анализа. Фактически, фрукты или овощи имеют, по существу, по меньшей мере одну степень вращательной симметрии и поэтому могут вращаться вокруг себя, чтобы сделать возможным формирование изображений всей их наружной поверхности путем последовательного получения различных изображений одного и того же объекта 6, когда он движется вдоль конвейерной линии. Ролики выполнены, например, в виде множества параллельных дисков, причем два смежных ролика, взаимно смещенных в продольном направлении (в направлении движения конвейера), задают приемную зону для объекта 6.

Устройство 3 для оптического анализа согласно изобретению содержит, в представленном примере, два осветительных устройства 7a, 7b, одно из которых (устройство 7a) установлено, по направлению движения, перед устройством 3, а одно (устройство 7b) за этим устройством. Два осветительных устройства 7a, 7b являются идентичными, и каждое из них содержит множество источников света, образованных светодиодами (СД), испускающими, в целях освещения, световое излучение в различных спектральных диапазонах освещения.

Например, каждое осветительное устройство 7a, 7b содержит по меньшей мере один СД (именуемый СД1), испускающий белый свет (излучение в видимом диапазоне); по меньшей мере один СД (именуемый СД2), испускающий излучение в инфракрасном диапазоне, в спектральном диапазоне от 720 нм до 780 нм, например центрированном на 740 нм; по меньшей мере один СД (именуемый СД3), испускающий излучение в инфракрасном диапазоне, в спектральном диапазоне от 800 нм до 850 нм, например центрированном на 810 нм; по меньшей мере один СД (именуемый СД4), испускающий излучение в инфракрасном диапазоне, в спектральном диапазоне от 900 нм до 1000 нм, например центрированном на 940 нм; по меньшей мере один СД (именуемый СД5), испускающий излучение в ультрафиолетовом диапазоне, в спектральном диапазоне от 250 нм до 380 нм, например центрированном на 365 нм. Каждое осветительное устройство 7a, 7b предпочтительно содержит множество СД, включаемых одновременно для освещения в каждом спектральном диапазоне.

Источники СД1, СД2, СД3, СД4, СД5 света находятся над конвейерной линией 8 и ориентированы вверх, так что они не создают никакого прямого освещения объектов 6. При этом источники СД1, СД2, СД3, СД4, СД5 установлены в оптической камере 2, внутренняя поверхность которой является отражающей. У оптической камеры 2 имеется также открытое основание, так что излучение, испускаемое источниками света, отражается внутренней поверхностью оптической камеры и направляется в сторону фруктов или овощей, проходящих ниже оптической камеры 2.

Устройство 3 для оптического анализа согласно изобретению содержит по меньшей мере одну цветную камеру 4, чувствительную к инфракрасному излучению. Следует отметить, что в устройстве согласно изобретению может иметься только одна такая камера 4.

В иллюстрируемом примере оптического пункта для двух параллельных конвейерных линий 8 устройство 3 для оптического анализа предпочтительно содержит четыре камеры 4a, 4b, расположенные в верхней части оптической камеры 2 над двумя конвейерными линиями 8 для фруктов или овощей, т.е. по две камеры 4a, 4b для каждой конвейерной линии 8.

Камеры 4a, 4b установлены так, что их оптические оси слегка наклонены относительно вертикальной линии, отходящей вверх от конвейерных линий 8. При этом они находятся соответственно по одну и по другую сторону от конвейерной линии 8, изображения которой они формируют, так что они получают, по существу, различные изображения каждого объекта 6. При этом первая камера 4a обеспечивает возможность получать изображение верхней части и первой боковой стороны объекта, перемещаемого конвейерной линией 8, а вторая камера 4b - возможность получать изображение верхней части и второй боковой стороны (противоположной первой боковой стороне) объекта, перемещаемого конвейерной линией 8.

Каждая камера 4a, 4b имеет оптическое поле, которое перекрывает достаточно длинный отрезок соответствующей конвейерной линии 8, так что камера способна сформировать серию изображений каждого объекта 6, перемещаемого этой конвейерной линией 8, включая по меньшей мере два изображения двух диаметрально противоположных частей каждого объекта 6. Каждое изображение иллюстрирует множество объектов 6, расположенных друг за другом по длине конвейерной линии 8, причем обработка этих изображений позволяет идентифицировать каждый объект в каждом изображении методом, который хорошо известен сам по себе. Таким образом, каждая камера формирует множество серий последовательных изображений одного и того же объекта, когда он проходит перед устройством 3 для оптического анализа. На практике имеется возможность получить, например, от 5 до 50 серий изображений каждого объекта, в типичном случае порядка 10 серий изображений каждого объекта в процессе его транспортирования перед каждой камерой, причем каждое изображение соответствует отличной от других части наружной поверхности объекта, поскольку этот объект вращается.

Не существует никаких препятствий для альтернативного варианта расположения камер, например, с единственной камерой, сфокусированной в продольном направлении на единственный объект 6. В этом варианте устройство 3 для оптического анализа содержит группу камер, расположенных последовательно в продольном направлении, причем количество камер достаточно для получения серии изображений всей наружной поверхности каждого объекта, и/или единственную мультиспектральную камеру, позволяющую получать изображения объектов, движущихся на нескольких параллельных конвейерных линиях 8, т.е. изображения, на которых объекты взаимно смещены в поперечном направлении.

Как показано на фиг. 4, форма внутренней поверхности оптической камеры 2 предпочтительно выбирается с учетом положения источников света осветительных устройств 7a, 7b таким образом, чтобы обеспечить возможность однородного освещения объектов 6, локализованных в оптическом поле камер 4a, 4b устройства 3 для оптического анализа.

Каждая камера 4a, 4b - это цветная камера, чувствительная к инфракрасному излучению, например выбранная из группы камер, содержащих КМОП-датчик (с матрицей цветных фильтров, такой как матрица Байера, но без инфракрасного отсекающего фильтра), и камер, содержащих три КМОП-датчика (по одному КМОП-датчику для каждого основного цвета) без инфракрасного отсекающего фильтра.

Как показано на фиг. 5, камеры 4a, 4b расположены над конвейерными линиями 8, а их оптические оси ориентированы вниз и наклонены в направлении одной из конвейерных линий 8.

Каждая камера 4a, 4b снабжена внутренней памятью 42a, 42b соответственно, что позволяет хранить серии изображений, последовательно формируемые камерой. Управление каждой камерой может производиться в режиме пиковой производительности (англ. burst mode), т.е. с высокой скоростью, чтобы последовательно формировать множество изображений каждого объекта, присутствующего в ее оптическом поле, причем различные изображения в одной серии изображений могут быть получены в различных спектральных диапазонах и записаны в реальном времени в память камеры. Каждая камера 4a, 4b предпочтительно выбрана имеющей внутреннюю память, достаточную, чтобы обеспечить запись в нее множества изображений, последовательно формируемых камерой в процессе последовательности освещения. Эти различные изображения соответствуют серии изображений в различных спектральных диапазонах. Такая серия изображений делает возможным оптический анализ различных критериев сортировки, необходимый для автоматической сортировки объектов. Кроме того, каждая камера 4a, 4b является предпочтительно камерой высокой четкости, т.е. имеющей более 1 миллиона пикселей. Например, очень хорошие результаты были получены с камерой, содержащий КМОП-датчик с 1920 × 1200 пикселей.

Как пример, каждая серия изображений может включать:

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещается белым светом (каждым СД1),

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещается излучением в инфракрасном диапазоне (каждым СД2) в спектральном диапазоне от 720 нм до 780 нм, например центрированном на 740 нм,

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещается излучением в инфракрасном диапазоне (каждым СД3) в спектральном диапазоне от 800 нм до 850 нм, например центрированном на 810 нм,

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещается излучением в инфракрасном диапазоне (каждым СД4) в спектральном диапазоне от 900 нм до 1000 нм, например центрированном на 940 нм,

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещается в ультрафиолетовом диапазоне (каждым СД5) в спектральном диапазоне от 250 нм до 380 нм, например центрированном на 365 нм.

Эти различные изображения позволяют, в частности, детектировать и различать внутренние или наружные характеристики, болезни или дефекты, выбранные из группы, образованной паршой, горькой ямчатостью, различными формами гниения, поверхностным короблением, паразитами, такими как Gloesporium, солнечными ожогами, следами града, побитости, ямками, перфорацией и поверхностной шероховатостью кожуры, такой как поверхностное побурение.

Возможны и другие примеры, в частности, не существует препятствий для формирования изображений также в рассеянном/проходящем свете, например путем фокусирования светового излучения в видимом диапазоне на участок наружной поверхности объекта и формирования, посредством камеры, изображения части наружной поверхности объекта, пространственно отделенной от зоны фокусировки, в частности, при ориентировании оптической оси камеры под углом от 90° до 180° к оси светового излучения. Для этого нет необходимости в увеличении количества камер в устройстве для оптического анализа: достаточно, например, расположить источник света сбоку от каждой конвейерной линии 8 и/или под ней.

Следует отметить, что, поскольку каждая камера 4a, 4b является цветной камерой, чувствительной к инфракрасному излучению и не использующей фильтров (в том числе матрицы фильтров Байера), за исключением фильтров, необходимых для детектирования цветов, каждое сформированное изображение охватывает весь диапазон спектральной чувствительности камеры. Таким образом, когда объекты освещаются белым светом, изображение, сформированное камерой, является цветным изображением в видимом диапазоне. Аналогично, когда объекты освещаются излучением в инфракрасном спектральном диапазоне, изображение, сформированное камерой, является изображением, полученным в том же инфракрасном спектральном диапазоне. Когда же объекты освещаются ультрафиолетовым излучением, изображение, сформированное камерой, является цветным представлением флуоресценции объектов в видимом диапазоне.

Каждый источник СД1, СД2, СД3, СД4, СД5 и каждая камера 4a, 4b управляются компьютерной системой 10 для анализа изображений, получаемых камерами 4a, 4b. Эта компьютерная система 10 может быть объектом любых модификаций, поскольку она адаптирована и запрограммирована для:

- управления включением и выключением каждого источника света в заданной последовательности освещения, чтобы обеспечить возможность получения каждой серии изображений;

- приема различных изображений, полученных различными камерами;

- анализа этих изображений и выработки по его результатам критериев для автоматической сортировки объектов;

- управления устройством для автоматической сортировки в зависимости от критериев сортировки, полученных по результатам проведенного оптического анализа объектов.

Данная компьютерная система 10 может содержать единственное компьютерное устройство, такое как компьютер, проиллюстрированный на фигурах, или множество компьютерных устройств и/или вычислительные ресурсы, и/или терминалы, и/или периферийные устройства, удаленные одно от другого и соединенные в сеть. Компьютерная система 10 может также быть образована множеством пространственно разделенных и не соединенных между собой компьютерных устройств, каждое из которых предназначено для выполнения конкретной функции, включая, например: компьютерное устройство для управления устройством для оптического анализа и, следовательно, для обеспечения получения изображений и для проведения оптического анализа объектов и другое компьютерное устройство для автоматической сортировки объектов. Кроме того, компьютерная система 10 сконфигурирована для выполнения компьютерной программы или различных компьютерных программ, в частности для осуществления способа согласно изобретению.

Компьютерная система 10 содержит электронную плату 20, чтобы управлять источниками СД1, СД2, СД3, СД4, СД5 и камерами 4a, 4b (см. фиг. 8). На фиг. 8 показаны только две камеры 4a, 4b, ориентированные в направлении одной и той же конвейерной линии 8. Каждый источник СД1, СД2, СД3, СД4, СД5 подсоединен к электронной управляющей плате 20 питающим кабелем 21, 22, 23, 24, 25, который питает соответственно каждую группу СД, которые должны быть активированы одновременно, т.е. соответствуют одному и тому же спектральному диапазону освещения. Таким образом, электронная управляющая плата 20 управляет включением и выключением различных источников света. Различные СД из каждой группы СД предпочтительно присоединены к одной и той же (высокоскоростной) управляющей и питающей плате 31, 32, 33, 34, 35 соответственно, которая относится к этой группе СД и к которой подведен питающий кабель 21, 22, 23, 24, 25 соответственно.

Электронная управляющая плата 20 содержит интегральную схему 26, которая является, например, программируемой интегральной схемой (логической матрицей, программируемой пользователем, FPGA) и непосредственно к которой подсоединены различные кабели 21, 22, 23, 24, 25 питания СД. У этой интегральной схемы 26 имеется входной порт 27, подсоединенный к сетевому разъему 28 управляющей платы 20, в который может быть включен кабель 29 (такой как кабель Ethernet материнской платы компьютерной системы 10).

Электронная управляющая плата 20 содержит также электрическую цепь 36 подачи питания, которую можно подключить к источнику 37 электрической энергии. Эта цепь 36 подачи питания питает различные компоненты электронной управляющей платы 20.

Каждая камера 4a, 4b также подсоединена к электронной управляющей плате 20 соответствующим ей электрическим кабелем 40a, 40b, что позволяет управлять запуском каждой камеры для получения изображения или серии изображений. Каждый электрический кабель 40a, 40b позволяет передать камере запускающий сигнал ЗАП КАМ, формируемый схемой 41 форматирования по команде интегральной схемы 26. Таким образом, интегральная схема 26 может запускать каждую камеру 4a, 4b точно в определенный момент путем выдачи сигнала схемой 41 форматирования, которая форматирует запускающий сигнал ЗАП КАМ и передает его по электрическим кабелям 40a, 40b.

Каждая камера 4a, 4b предпочтительно содержит программируемый электронный генератор 43a, 43b последовательности соответственно, что делает возможным программировать заданную последовательность получения изображений, соответствующую охарактеризованной выше серии изображений, т.е. соответствующую заданной последовательности в цикле освещения. Таким образом, запускающий сигнал ЗАП КАМ обеспечивает возможность запускать генератор последовательности камеры и инициировать заранее запрограммированное получение последовательности изображений каждой камерой 4a, 4b. Генератор 43a, 43b последовательности сам последовательно запускает каждую операцию получения изображений путем выдерживания экспозиции камеры в течение периода, соответствующего получению изображения. Генератор 43a, 43b последовательности запрограммирован также на управление камерой в соответствии с различными фотографическими параметрами, подбираемыми для каждого изображения, прежде всего, в зависимости от используемого спектрального диапазона.

Более конкретно, чтобы получать изображения в инфракрасном диапазоне, генератор 43a, 43b последовательности настраивает баланс белого для камеры таким образом, чтобы оптимизировать качество изображения с учетом чувствительности в инфракрасном диапазоне каждой группы фоточувствительных элементов камеры к одному из основных цветов. Фактически, как можно видеть на фиг. 3, различные группы фоточувствительных элементов камеры для различных основных цветов имеют неодинаковую чувствительность в инфракрасном диапазоне. Поэтому перед получением соответствующего инфракрасного изображения целесообразно перебалансировать эти различия в чувствительности и сделать это просто настройкой баланса белого камеры. Такая настройка может быть осуществлена путем предварительного экспериментального измерения этих различий в чувствительности для каждой длины волны инфракрасного освещения, т.е. используя знание спектра типа представленного на фиг. 3.

Компьютерная система 10, ее электронная управляющая плата 20 и каждый генератор 43a, 43b последовательности каждой мультиспектральной камеры совместно образуют устройство для управления каждой последовательностью освещения и каждой последовательностью получения изображений, что делает возможным формирование каждой серии изображений каждой мультиспектральной камерой.

Каждая камера 4a, 4b подсоединена к электронной управляющей плате 20 также высокоскоростным USB3 кабелем 44a, 44b соответственно, служащим для обеспечения электропитания, а также для передачи компьютерной системе 10 различных изображений из серии изображений. Эти USB3 кабели подсоединены к многопортовой USB3 схеме 45 подключения электронной управляющей платы 20.

Электронная управляющая плата 20 предпочтительно содержит также кнопку 46, позволяющую включать и выключать данную плату, тогда как световой индикатор 47 позволяет сигнализировать о любом возможном сбое в работе.

На фиг. 6 иллюстрируется пример временной диаграммы для последовательности освещения согласно изобретению, обеспечивающей, как это было описано, возможность получения серии изображений.

В момент t1 электронная управляющая плата 20 выдает запускающий сигнал ЗАП КАМ для камер 4a, 4b. При приеме этого запускающего сигнала генератор последовательности каждой камеры осуществляет последовательность, на которую он запрограммирован и которая соответствует сигналу САМ, проиллюстрированному на фиг. 6. Первая операция получения изображений запускается в момент t3 через короткий период ожидания после приема запускающего сигнала в момент t1.

Электронная управляющая плата 20 запускает также последовательность освещения посредством различных источников СД1, СД2, СД3, СД4, СД5 путем посылки соответствующих сигналов, проиллюстрированных на фиг. 6. Как показано на фиг. 6, источники СД1 света включаются в момент t2, предшествующий моменту t3 на период времени, достаточный для полного включения каждого соответствующего СД вслед за активацией соответствующей управляющей и питающей платы.

Каждая камера 4a, 4b формирует изображение в течение периода, зависящего от размера изображения (количества пикселей в ряду и количества пикселей в столбце) и от времени интегрирования. В конце этого периода, в момент t4, первое изображение будет сформировано камерой и записано в ее память 42a, 42b. Следует отметить, что в течение всего периода, когда камера формирует изображение, источники СД1 света остаются полностью включенными. В момент t5, наступающий после момента t4, отключаются источники СД1 света и включаются источники СД2 света, соответствующие другому спектральному диапазону освещения. Момент t5 смещен относительно момента t4 завершения формирования изображения камерой на период, короткий, насколько это возможно, но достаточный, чтобы гарантировать, что источники света оставались включенными в течение всего периода формирования изображения.

Цикл повторяется для формирования четырех других изображений при освещении последовательно посредством источников СД2, затем СД3, затем СД4, затем СД5. Формирование второго изображения начинается в момент t6 и заканчивается в момент t7. Источники СД2 света выключаются, а источники СД3 света включаются в наступающий затем момент t8. Формирование третьего изображения начинается в момент t9 и заканчивается в момент t10. Источники СД3 света выключаются, а источники СД4 света включаются в наступающий затем момент t11. Формирование четвертого изображения начинается в момент t12 и заканчивается в момент t13. Источники СД4 света выключаются, а источники СД5 света включаются в наступающий затем момент t14. Формирование пятого изображения начинается в момент t15 и заканчивается в момент t16. Источники СД5 света отключаются в наступающий затем момент t17.

По завершении формирования изображений одной серии все эти изображения могут быть переданы, начиная с последующего момента t18, задаваемого генератором последовательности каждой камеры, компьютерной системе 10 по USB3 кабелям 44a, 44b.

Фиг. 7 иллюстрирует вариант, в котором электронная управляющая плата 20 запускает не только включение различных источников света, но также и каждой камеры (если камеры не содержат генератора последовательности), чтобы осуществить последовательность освещения и формирования серии изображений согласно временной диаграмме по фиг. 6.

На первом этапе 51 индекс I, отмечающий каждую группу СДi из общего количества СД, инициализируется со значением 1. В рассмотренном примере i изменяется от 1 до N = 5. На последующем этапе 52 (ЗАП СДi включаются источники СДi света. По истечении, на этапе 53, периода Δt1 ожидания (для СД1 равного t3 - t2), различные камеры 4a, 4b формируют, на последующем этапе 54, изображения ИЗ i (для СД1 в период между t3 и t4), которые затем записываются, на этапе 55 (ЗАПОМ ИЗ i), в память каждой камеры. По истечении, на этапе 56, периода Δt2 ожидания (для СД1 равного t5 - t4) источники света выключаются на последующем этапе 57 (СТОП СДi). После этого выполняется проверка 58 индекса I, чтобы определить, достигнуто или нет максимальное значение N этого индекса. Если оно не было достигнуто, на этапе 59 индекс i увеличивается на 1, и процесс повторяется, начиная с этапа 52 включения источников света следующей группы. Если же оно было достигнуто, на этапе 60 изображения передаются компьютерной системе 10.

Таким образом, изобретение обеспечивает возможность оптического анализа объектов с использованием мультиспектральных цветных камер, чувствительных к инфракрасному излучению и работающих в режиме пиковой производительности, делая возможным получение серий последовательных изображений с очень высокой скоростью. Каждая серия изображений, формируемая согласно изобретению мультиспектральной камерой, соответствует одному изображению, формируемому известной камерой. Однако, вместо необходимости использования для получения этих различных изображений множества камер, изобретение обеспечивает возможность использовать для каждой конвейерной линии только одну или две мультиспектральные камеры.

Разумеется, изобретение может быть реализовано во многих вариантах, отличных от вариантов, описанных выше и проиллюстрированных на чертежах.

Изобретение относится к способу и устройству для оптического анализа фруктов или овощей. Различные источники (7a, 7b) света выполнены с возможностью подачи светового излучения в различных спектральных диапазонах селективно на каждый объект в соответствии с заданной последовательностью освещения, а изображения формируются посредством по меньшей мере одной цветной камеры (4), чувствительной к инфракрасному излучению. Экспозицией данной камеры управляют синхронно с указанной последовательностью освещения таким образом, чтобы получить серию изображений в различных спектральных диапазонах, включающую по меньшей мере одно изображение в видимом диапазоне и по меньшей мере одно изображение в инфракрасном диапазоне. Технически результатом при реализации заявленного решения является разработка способа и устройства, предназначенных для оптического анализа фруктов или овощей путем формирования изображений в различных спектральных диапазонах с высокой производительностью и значительно более простых и менее дорогих в освоении, использовании и обслуживании. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ оптического анализа объектов, относящихся к группе фруктов и овощей, в котором формируют репрезентативные изображения объектов в различных спектральных диапазонах формирования изображений,

отличающийся тем, что:

- каждый источник из множества источников света, образованных светодиодами (СД1, СД2, СД3, СД4, СД5), выполнен с возможностью освещать световым излучением по меньшей мере часть наружной поверхности по меньшей мере одного объекта, именуемого освещаемым объектом (6), при этом различные источники света выполнены с возможностью селективно освещать каждый освещаемый объект световым излучением в различных спектральных диапазонах освещения;

- световое излучение по меньшей мере от одного источника света подают на всю видимую сторону наружной поверхности каждого объекта, освещаемого указанным источником света;

- управляют источниками света в соответствии с заданной последовательностью освещения для каждого освещаемого объекта в последовательности объектов, в соответствии с указанными различными спектральными диапазонами освещения;

- формируют изображения посредством по меньшей мере одной цветной камеры (4, 4a, 4b), чувствительной к световому излучению в видимом и инфракрасном диапазонах и именуемой мультиспектральной камерой (4, 4a, 4b), причем указанная по меньшей мере одна мультиспектральная камера ориентирована в направлении части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта, соответствующей всей видимой стороне наружной поверхности объекта на оптической оси мультиспектральной камеры, а экспозицией указанной по меньшей мере одной мультиспектральной камеры управляют синхронно с указанной последовательностью освещения таким образом, чтобы сформировать посредством этой одной и той же мультиспектральной камеры серию изображений в различных спектральных диапазонах формирования изображений указанной части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта (6), причем указанная серия изображений включает по меньшей мере одно изображение в видимом диапазоне и по меньшей мере одно изображение в инфракрасном диапазоне;

- каждая мультиспектральная камера (4, 4a, 4b) выбрана из группы камер, содержащих КМОП-датчик с матрицей цветных фильтров без инфракрасного отсекающего фильтра, и камер, содержащих три КМОП-датчика, по одному КМОП-датчику для каждого основного цвета, без инфракрасного отсекающего фильтра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанную серию изображений указанной части наружной поверхности, сформированных единственной мультиспектральной камерой (4, 4a, 4b), записывают в буферную память (42a, 42b) указанной мультиспектральной камеры.

3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что каждое изображение в инфракрасном диапазоне формируют с настройкой баланса белого в соответствии с чувствительностью для каждого цвета указанной по меньшей мере одной мультиспектральной камеры (4, 4a, 4b) в инфракрасном диапазоне.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что указанную последовательность освещения формируют из последовательности периодов освещения, причем в течение каждого периода освещения активируют некоторые из указанных источников (СД1, СД2, СД3, СД4, СД5) света, причем указанную группу источников света выбирают так, чтобы освещать каждый объект в одном из указанных спектральных диапазонов освещения, при этом каждый период освещения составляет 0,1-5 мс, а экспозицию указанной по меньшей мере одной мультиспектральной камеры (4, 4a, 4b) запускают с задержкой относительно активации периода освещения, причем указанную задержку выбирают так, что каждый источник света из указанной группы источников (СД1, СД2, СД3, СД4, СД5) света, активируемых в указанный период освещения, эффективно полностью включают и поддерживают активным до запуска указанной по меньшей мере одной мультиспектральной камеры.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что для формирования изображений в отраженном свете часть наружной поверхности объекта, освещаемого по меньшей мере одним источником света, соответствует всей стороне наружной поверхности объекта, видимой в световом излучении указанного источника света, а по меньшей мере одну мультиспектральную камеру позиционируют относительно указанного источника света таким образом, чтобы формировать в отраженном свете изображения всей указанной видимой стороны.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что указанная серия изображений, сформированных единственной мультиспектральной камерой, включает:

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещают белым светом;

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещают излучением в инфракрасном диапазоне на длинах волн между 720 нм и 780 нм;

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещают излучением в инфракрасном диапазоне на длинах волн между 800 нм и 850 нм;

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещают излучением в инфракрасном диапазоне на длинах волн между 900 нм и 1000 нм;

- изображение в отраженном свете, сформированное, когда объект освещают излучением в ультрафиолетовом диапазоне на длинах волн между 250 нм и 380 нм.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что каждый освещаемый объект (6) в процессе указанной последовательности освещения приводят во вращение вокруг себя и перемещают посредством конвейера.

8. Устройство для оптического анализа объектов, относящихся к группе фруктов и овощей, содержащее средства для формирования изображений объектов в различных спектральных диапазонах,

отличающееся тем, что содержит:

- осветительное устройство, содержащее множество источников света, образованных светодиодами (СД1, СД2, СД3, СД4, СД5), каждый из которых выполнен с возможностью освещать световым излучением по меньшей мере часть наружной поверхности по меньшей мере одного объекта, именуемого освещаемым объектом, при этом различные источники света выполнены с возможностью селективно освещать каждый освещаемый объект световым излучением в различных спектральных диапазонах, причем осветительное устройство выполнено с возможностью освещать световым излучением по меньшей мере от одного источника света всю видимую сторону наружной поверхности каждого объекта, освещаемого указанным источником света;

- управляющее устройство (10, 20, 43a, 43b), выполненное с возможностью управления указанными источниками света в соответствии с заданной последовательностью освещения для каждого освещаемого объекта в последовательности объектов в соответствии с указанными различными спектральными диапазонами освещения;

- по меньшей мере одну цветную камеру, чувствительную к световому излучению в видимом и инфракрасном диапазонах, именуемую мультиспектральной камерой (4, 4a, 4b), которая ориентирована в направлении части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта, соответствующей всей видимой стороне наружной поверхности объекта на оптической оси мультиспектральной камеры;

причем каждая мультиспектральная камера (4, 4a, 4b) выбрана из группы камер, содержащих КМОП-датчик с матрицей цветных фильтров без инфракрасного отсекающего фильтра, и камер, содержащих три КМОП-датчика, по одному КМОП-датчику для каждого основного цвета, без инфракрасного отсекающего фильтра;

причем указанное управляющее устройство (10, 20, 43a, 43b) выполнено с возможностью управления экспозицией каждой мультиспектральной камеры (4, 4a, 4b) синхронно с указанной последовательностью освещения для формирования посредством одной и той же мультиспектральной камеры серии изображений в различных спектральных диапазонах формирования изображений указанной части наружной поверхности по меньшей мере одного освещаемого объекта, причем указанная серия изображений включает по меньшей мере одно изображение в видимом диапазоне и по меньшей мере одно изображение в инфракрасном диапазоне.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что указанные источники света установлены в оптической камере (2), имеющей отражающую внутреннюю поверхность, форма которой выбрана, с учетом положения источников света, таким образом, чтобы обеспечить возможность однородного освещения объектов в оптическом поле указанной по меньшей мере одной мультиспектральной камеры.

10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что для формирования каждого изображения в инфракрасном диапазоне указанное управляющее устройство (10, 20) выполнено с возможностью настройки баланса белого в соответствии с чувствительностью для каждого цвета указанной по меньшей мере одной мультиспектральной камеры в указанном инфракрасном диапазоне.

11. Устройство по любому из пп. 8-10, отличающееся тем, что каждая мультиспектральная камера (4, 4a, 4b) является цветной камерой, содержащей КМОП-датчик и матрицу цветных фильтров без инфракрасного отсекающего фильтра и снабженной буферной памятью (42a, 42b) для сохранения изображений.

12. Устройство по любому из пп. 8-11, отличающееся тем, что указанные источники (СД1, СД2, СД3, СД4, СД5) света содержат по меньшей мере один осветительный СД видимого белого света, по меньшей мере один ультрафиолетовый осветительный СД и по меньшей мере один инфракрасный осветительный СД.

13. Устройство для автоматической сортировки объектов, относящихся к группе фруктов и овощей, согласно заданным критериям сортировки, содержащее:

- по меньшей мере одну конвейерную линию (8), выполненную с возможностью транспортировать объекты перед пунктами для анализа объектов согласно указанным критериям сортировки, включающими в себя по меньшей мере один пункт для оптического анализа;

- автоматическую машину (10), соединенную с пунктами для анализа с целью приема от них аналитических сигналов;

- станции для выдачи объектов в множество зон выдачи; при этом

автоматическая машина запрограммирована для управления селективной выдачей каждого объекта в зону выдачи, выбранную в соответствии с аналитическими сигналами, принятыми указанной автоматической машиной в отношении указанного объекта,

отличающееся тем, что содержит по меньшей мере один пункт для оптического анализа, образованный устройством (3) для оптического анализа согласно любому из пп. 8-12.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что каждый пункт для оптического анализа содержит менее четырех мультиспектральных камер (4a, 4b) на конвейерную линию.

15. Устройство по любому из пп. 13 или 14, отличающееся тем, что содержит единственный пункт (3) для оптического анализа.