4. 图像采集方案设计
图像采集方案是尺寸分级机器视觉系统的“第一道工序”，它决定了后续算法能拿到什么样的原始数据。很多分级误差并非算法不行，而是采集阶段就埋下了隐患：反光过曝、阴影遮挡、边缘模糊、背景与果皮灰度接近、运动拖影。本节围绕光照方式、拍摄角度、背景选择、触发与输送带同步控制四个要素展开，并结合不同农产品的采集实战给出可落地的配置思路。
一、光照方式：先解决“看得清边缘”
尺寸分级最关心的是轮廓与投影边界，因此光照的首要目标是让目标与背景形成稳定、均匀的对比，而不是追求“好看”。常用方式有三类：
- 漫射前光（穹顶光/柔光箱）：光线均匀、阴影弱，适合苹果、柑橘、番茄等表面有曲率、易产生高光斑的球形果蔬。缺点是边缘对比度偏低，需要配合背景色差。
- 背光（透射/轮廓光）：光源在目标后方，目标呈暗轮廓、背景明亮，边缘极其锐利，是测量直径、长度、投影面积的首选。适合黄瓜、胡萝卜、辣椒等长条形或规则形状农产品。
- 低角度暗场/侧向光：掠射光突出表面纹理与凸起，适合需要区分果形缺陷或表面特征的场景，但一般不单独用于尺寸测量。
工程上更常见的做法是“背光定轮廓 + 前光补表面”。例如在马铃薯分级线上，用红色背光板形成剪影测长径与短径，同时用顶部漫射白光补亮芽眼区域，便于后续剔除畸形块。需要注意背光板亮度要高于环境光一个数量级以上，否则输送带反光会污染轮廓。示例参数：背光板尺寸应覆盖视场对角线并留 20% 余量，亮度调节到背景灰度稳定在 200～230（8 位灰度），目标区域灰度低于 60，形成清晰二值分割。
二、拍摄角度：正投影优先，斜视仅作补充
尺寸测量要求“所见即所测”，因此相机光轴应尽量垂直于被测平面或输送带平面，即正投影（俯拍或正侧拍）。俯拍适合平铺在输送带上的果蔬，可同时获得长、宽两个方向尺寸；正侧拍适合需要测高度的场景，如堆叠的箱装水果。斜视角度会引入透视畸变，使同一物体在不同位置成像尺寸不同，必须做透视校正，增加标定复杂度，一般只在需要同时观察顶面与侧面特征时使用，且倾角建议控制在 15°～30° 并固定。
镜头选择上，短焦大视场会加剧边缘畸变，测量类应用优先选低畸变定焦镜头，并在标定阶段用棋盘格做畸变校正。工作距离与视场的经验关系是：视场需覆盖“最大果实尺寸 + 输送带运动模糊余量”，例如测最大直径 120 mm 的苹果，单相机视场取 200 mm×200 mm 较为稳妥。
三、背景选择：用色差换稳定分割
背景的核心作用是把目标从背景中“分离”出来。选择原则是：背景颜色与农产品主体在所用光源下灰度差尽可能大，且背景材质不反光、不吸光过度、耐脏易清洁。常见搭配：
| 农产品 | 推荐背景 | 理由 |
|---|---|---|
| 苹果、番茄（红/绿） | 深蓝或黑色哑光板 | 与红绿色差大，抑制高光 |
| 柑橘、柠檬（黄橙） | 深蓝、深绿 | 避免与黄色混淆 |
| 黄瓜、青椒（绿） | 白色或浅灰背光 | 配合背光形成剪影 |
| 马铃薯、洋葱（土黄/褐） | 蓝色或青色 | 与土色系区分明显 |
背景板应置于输送带下方或紧贴带面开槽安装，避免输送带本身的花纹、接缝进入视场。若使用背光，背景即光源面；若使用前光，背景板需做哑光处理，防止镜面反射形成亮斑。实际调试时可用相机抓一帧，统计目标区与背景区的灰度直方图，两峰分离度越大越好，一般要求类间方差达到 Otsu 分割稳定、误分割率低于 2%。
四、触发与输送带同步控制：让“拍照时刻”对准“果实位置”
输送带连续运动时，若相机自由运行，同一果实在不同帧中位置漂移，尺寸测量会引入运动误差，甚至拍到相邻果实。正确做法是位置触发：在视场入口安装光电传感器（对射或漫反射），果实遮挡光束时产生上升沿，触发相机曝光；同时用编码器或定时器保证触发与输送带速度匹配。
关键参数是触发延时与曝光时间。设传感器到视场中心的距离为 L，输送带速度为 v，则触发延时 t = L / v，需在控制器中补偿。曝光时间必须足够短以冻结运动：若允许运动模糊不超过 1 个像素，像素当量为 p（mm/像素），则曝光时间 t_exp ≤ p / v。例如 v = 0.5 m/s、p = 0.5 mm/像素，则 t_exp ≤ 1 ms，需选用高亮度光源或提高增益（但增益会增噪，优先加光）。
五、不同农产品的采集实战要点
苹果/柑橘类球形果：俯拍 + 深色哑光背景 + 穹顶漫射光，避免顶部高光斑落在轮廓上。若需测横径，可在输送带两侧加装挡板使果实单列通过，减少重叠。触发用对射光电，曝光 0.5～1 ms。
黄瓜/胡萝卜等长条形：正侧拍 + 背光剪影，测长度与弯曲度。长条果实在输送带上易滚动，需用 V 形托辊或隔板定位，保证长轴与视场方向一致。背光板长度应大于最大果长 1.2 倍。
马铃薯/洋葱等不规则块茎：俯拍 + 蓝色背景 + 前光补表面，测投影面积与长短径。块茎表面有泥土时灰度波动大，建议先做简单清洁或采用近红外光源增强土/果对比。
小番茄/枣等小颗粒：视场小、像素当量可做到 0.1 mm/像素，但景深浅，需缩小光圈或采用远心镜头；触发频率高，需用高频频闪光源与高速相机匹配，曝光时间控制在 200 μs 以内。
采集方案没有通用模板，判断标准只有一条：在真实输送带速度与真实果实姿态下，连续抓取 100 帧，目标轮廓清晰、背景分割稳定、同一果实重复测量标准差小于允许公差的三分之一，即可认为采集链路达标。达标后再进入标定与算法环节，才能避免“垃圾进、垃圾出”。