目前，蠶繭質(zhì)量評級通常是取50g鮮樣繭剝?nèi)ダO衣、削剖、倒出蛹和蛻皮，清除死籠污物，稱鮮殼重，烘干至無水恒重時(shí)稱其干殼重量，以干殼重量進(jìn)行分級[1]。由于整個(gè)過程的烘殼時(shí)間較長，繭站面對千家萬戶售繭，來不及逐個(gè)檢測，于是很多繭站采用手摸、目測、口喊價(jià)。而根據(jù)手感濕度和蠶繭表面疵病來判斷蠶繭的好壞，只能評定蠶繭的外觀質(zhì)量，測試精度低，易受評定者的主觀因素和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)影響，不能達(dá)到“優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)”，極大地?fù)p傷了蠶農(nóng)提高蠶繭質(zhì)量的積極性。而且，剖繭稱重破壞試樣，造成極大的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年為檢測蠶繭質(zhì)量而浪費(fèi)鮮蠶繭930t，直接經(jīng)濟(jì)損失1300萬元，既浪費(fèi)生產(chǎn)絲140t，又減少創(chuàng)匯392萬美元。為了實(shí)現(xiàn)按質(zhì)論價(jià)及不浪費(fèi)收購蠶繭的原則，蠶業(yè)界內(nèi)外人士一直在不懈地努力，尋求一種質(zhì)量無損的檢測方法，中國測試研究院、四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所、成都電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)和浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位先后對此進(jìn)行過研究；研究的方法有熒光數(shù)模評繭法、動(dòng)量分離原理的超聲波檢測、懸浮2次稱重法、彈力測定法和分析扣減水分法等，但這些方法均由于精度不高，最終沒能實(shí)用化。近年來，湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所和湖北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了利用數(shù)字圖像處理技術(shù)、光電技術(shù)及振動(dòng)原理對桑蠶鮮(干)繭質(zhì)量開展無損智能檢測技術(shù)的研究并取得了一定進(jìn)展。
1基于數(shù)字圖像處理和光電技術(shù)的桑蠶繭無損智能檢測
根據(jù)GB/T19113—2003《桑蠶鮮繭分級(干殼量法)》，干殼量是蠶繭評級項(xiàng)目中的主要檢測項(xiàng)目，可根據(jù)“質(zhì)量＝體積×密度計(jì)算繭殼量”計(jì)算，由于同一個(gè)地方、同一季節(jié)每一相同品種的桑蠶絲密度相對比較穩(wěn)定，因而求繭殼量主要是求其體積。其基本原理是通過光照蠶繭，用CCD攝像器對被檢繭進(jìn)行圖像采集，利用其表面積圖像的像素點(diǎn)和透射圖像的灰度值分別表示蠶繭的表面積和厚度，進(jìn)而求出繭殼體積。通過專用軟件對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、數(shù)學(xué)建模，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而推算出蠶繭干殼質(zhì)量。然后再利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，根據(jù)不同的品種和同一品種在不同的季節(jié)建立桑蠶繭干殼量評級的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，利用此數(shù)據(jù)庫可以確定所測蠶繭基本級別[2]。設(shè)計(jì)方案總流程圖如圖1所示。
圖1方案總流程圖
1.1好蛹率、色澤及勻凈度檢測
根據(jù)鮮蠶繭的表面圖和透視圖及利用閾值和灰度值的計(jì)算進(jìn)行判別，即在一定光強(qiáng)(普通光源與激光光源)的照射下，對桑蠶繭攝像并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)設(shè)立不同的閾值，根據(jù)不同閾值下的像素點(diǎn)的多少來判斷色澤的級別，由桑蠶繭表面圖像判斷被測桑蠶繭受污情況(黃斑繭等)，可快速找出次繭。通過鮮蠶繭的透視圖像及鮮蠶蛹的輪廓曲線判別出化蛹繭、毛腳繭、僵蛹(蠶)繭、死籠繭、內(nèi)印繭[3]。根據(jù)不同品種和同一品種在不同季節(jié)生產(chǎn)的桑蠶繭建立鮮蠶繭相對于好蛹率評級的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，利用此數(shù)據(jù)庫依據(jù)GB/T19113—2003《桑蠶鮮繭分級(干殼量法)》標(biāo)準(zhǔn)確定所測蠶繭是升級還是降級，通過對不同產(chǎn)地蠶繭進(jìn)行檢測，誤差小于0.1%。
1.2干殼量檢測
利用氦氖激光對蠶繭進(jìn)行透射，利用圖像灰度值和不同厚度蠶繭透光不同的關(guān)系，應(yīng)用亮度方程計(jì)算蠶繭圖像每一點(diǎn)的灰度值和每個(gè)像素點(diǎn)的w值，再求平均值；通過實(shí)驗(yàn)研究建立與w值相對應(yīng)的蠶繭繭層厚度數(shù)據(jù)庫，采用積分旋轉(zhuǎn)體蠶繭繭層數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行分析處理，求得干殼量。研究表明[4]：桑蠶繭表面積相對誤差小于1%；對形狀規(guī)則的桑蠶繭和在電源穩(wěn)定的條件下，桑蠶繭厚度測量誤差可控制在2%以內(nèi)；依據(jù)GB/T19113—2003檢測50g鮮上車?yán)O的干殼量，檢測精度可達(dá)0.5g。
研究證明，此方法是切實(shí)可行的，采用此檢測方法可以檢驗(yàn)以下項(xiàng)目并能夠達(dá)到以下指標(biāo)：(1)不切剖蠶繭，減少蠶繭資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失；(2)可簡便、直觀、快速地對蠶繭評級，具有智能性；(3)50克鮮蠶繭干殼量可精確到0.5g；(4)好蛹率的測量準(zhǔn)確率95%以上；(5)繭層含水率可精確到0.2%以內(nèi)；(6)能準(zhǔn)確地測出繭粒數(shù)；(7)能準(zhǔn)確地鑒別出蠶繭色澤。
2基于振動(dòng)信號的無損質(zhì)量檢測
根據(jù)振動(dòng)信號無損檢測蠶繭質(zhì)量方法的基本原理是將繭殼固定在某一專用夾具中(蠶蛹在繭殼中可以隨機(jī)振動(dòng))，激振器以正弦規(guī)律激振。通過加速度傳感器采集振動(dòng)原始信號，再經(jīng)過信號處理得到蠶蛹在繭殼中的隨機(jī)振動(dòng)信號[5]。由試驗(yàn)論證在相同的條件下(如激振器的激振頻率，激振功率不變等條件)，蠶蛹的重量越重，蠶蛹在繭殼中隨機(jī)振動(dòng)信號就越強(qiáng)烈(表現(xiàn)為振動(dòng)信號的幅值大、方差大等特征值上)。然后找出蠶蛹隨機(jī)振動(dòng)信號中與蠶蛹重量有關(guān)的特征值。最后利用這些特征值建立判別蠶蛹重量的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型.繼而根據(jù)該數(shù)學(xué)模型來判別蠶蛹的重量，從而間接推出蠶繭繭殼的干殼量[6]。此檢測方法的振動(dòng)測試試驗(yàn)裝置圖如圖2所示。
圖2振動(dòng)測試試驗(yàn)裝置圖
研究設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器信號發(fā)生器軟件、自動(dòng)批量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、桑蠶繭無損智能檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理Matlab節(jié)點(diǎn)程序等軟件；開展了利用小波包對振動(dòng)信號進(jìn)行分解、對低頻和高頻段信號進(jìn)行特征參數(shù)的提取、振動(dòng)加速度信號特征的優(yōu)選及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和回歸分析的特征識別等工作。小波包分析既能分解桑蠶繭振動(dòng)的低頻信號，也能分解蠶蛹跳動(dòng)的高頻信號，對低頻與高頻信號的綜合分析，能有效提取與桑蠶繭質(zhì)量對應(yīng)的振動(dòng)信號的特征。確定了與蠶蛹重量有關(guān)的9個(gè)特征值，并以此作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層為1個(gè)，即蠶蛹的重量。以100個(gè)樣本作為訓(xùn)練樣本，以另外100個(gè)樣本為預(yù)測樣本，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，50g鮮上車?yán)O干殼量誤差小于0.2g的準(zhǔn)確率達(dá)到73.8%，誤差小于0.3g的準(zhǔn)確率達(dá)到93%[7]；這2年，經(jīng)對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，50g鮮上車?yán)O干殼量誤差小于0.2g的準(zhǔn)確率達(dá)到82%，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在誤差值較大的比例，雖然比例較小，其原因是蠶蛹在繭殼中“卡死”，不產(chǎn)生振動(dòng)信號，從而造成檢測誤差，有待今后研究中進(jìn)一步處理解決。
3小結(jié)
依據(jù)光電與數(shù)字處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對蠶繭繭層水份、色澤勻凈度、內(nèi)印繭、僵蛹(蠶)繭、上車?yán)O、柴印繭及干殼量等的智能無損檢測；而依據(jù)振動(dòng)原理對蠶繭干殼量的無損智能檢測精度較前個(gè)方法高，雖然仍未能完全達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求，但相對于以前的檢測方法已是一個(gè)很大的跨越和進(jìn)步，是實(shí)現(xiàn)蠶繭質(zhì)量智能無損檢測最有效的途徑之一，若達(dá)到實(shí)用化程度后能基本實(shí)現(xiàn)長期以來不能實(shí)現(xiàn)的“優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)、劣質(zhì)劣價(jià)”國家蠶繭收購政策，并且評定精度級別穩(wěn)定可靠，人為影響因素小，儀評度高，將對提高蠶農(nóng)養(yǎng)優(yōu)蠶的積極性和推動(dòng)我國桑蠶業(yè)的發(fā)展起重要作用。
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