國立台灣大學與國立中興大學研發水果病蟲害檢疫之 X 光自動化檢測系統

Author(s):
歐陽 丞修 - 國立台灣大學生物產業機電工程學系

Industry:
Medical/ Medical Instrumentation, University/Education, Research

Products:
LabVIEW, Machine Vision, Motion Control

The Challenge:
本專案欲開發的X光檢疫自動化系統，需能自動將待測物 (如進口之水果) 送入檢測室，並透過影像擷取裝置擷取影像後，立即判斷檢測物是否有害蟲蛀食、蟲卵寄生或受外力之機械損傷。因此，在系統開發上除了需要整合運動 (Motion) 與機器視覺 (Machine Vision) 硬體方面之外，同時亦需規劃完整的檢測項目，進行程式撰寫、執行大量運算，以符合速度及精確檢測之需求，使海關等檢測單位之檢疫任務得以順利達成。

The Solution:
以 LabVIEW 7.1 Express 作為系統開發環境，除了能夠輕易結合運動控制與機器視覺之外，由於本專案中採用 NI 公司所開發的運動控制卡與影像擷取卡，因此相容性更大為提升。另外，透過 NI 公司在硬體與軟體上所提供之即時功能，要做到即時控制變成十分容易，加上各物件皆有完整說明檔與網路上所提供的大量程式範例，可大幅降低開發時間。

農產品輸出、入的檢疫是一項重要的把關工作，尤其在我國加入 WTO 之後更形重要。傳統的人力目視抽檢加上解剖顯微鏡檢查雖然有效，但在快速通關壓力下，人力目視抽檢難免疏失，而水果遭受碰撞的外傷與蟲害又往往難以區辨，凡此種種均有賴經驗的判斷。本專案之目的即在利用 X 光透視水果，並藉由影像數位化技術，檢測在進口水果內有無屬於檢疫類的害蟲蛀食或蟲卵寄生痕跡，同時有效區別碰撞所造成的傷害，開發一套適用於我國機場、港口或檢疫單位之 X 光檢疫自動化系統，以提高我國對進口農產品的抽檢效率、強化防疫措施並維護國人健康及自然生態環境。為了降低系統開發時間並提升各硬體與軟體間的相容性，本專案結合 NI 的圖控程式語言 － LabVIEW 7.1 Express、NI-IMAQ，與 NI-Motion 作為系統開發環境。經由NI-Motion，系統能準確地將檢測樣本送入檢測室以利後續影像擷取與分析；透過 NI-IMAQ，可輕易發展影像處理程序，並將自行設計之演算法以 C++ 開發後轉成動態連結檔 (.dll 檔) 與其作結合，最終形成完整之影像處理方案。使用 LabVIEW 為主要開發平台，可達到即時擷取檢測物之 X 光與可見光影像，同時獲得水果內部與表面的資訊，並在影像中標示出可能遭受蟲蛀或因外力而造成損壞部分的功能。如此不但能快速且準確地提供資訊給檢疫人員作為參考，更減少了傳統檢疫方式所耗費的時間與程序。

    採用 NI 公司的硬體介面卡，不僅能讓硬體介面卡直接被 NI 公司所開發之圖控程式開發介面 LabVIEW 支援，更能擁有完整之程式元件庫，使開發人員免於在驅動或控制程式撰寫上浪費時間。另外，NI 公司提供線上更新硬體驅動程式與韌體的服務，使系統的軟體與硬體之間可保持最大的相容性，可靠度也相對大幅提升。除此之外，由於 NI 公司的硬體介面卡對於其他第三方硬體介面擁有的強大支援能力，因此能使系統對其他外部硬體具有很好的通連性。以本專案為例，在可見光 CCD 攝影機上，需 IEEE 1394 介面與電腦做連結；在 X 光線性感測器上，需 RS-422 介面擷取影像資料；在搖桿控制器上，需 USB 介面作事件判斷；在 X 光光源部份，需要 RS-232 介面做參數設定；在伺服馬達控制方面，需要電壓與脈波訊號來作輸送帶的速度與位置控制，如此多樣且複雜的介面都能透過NI公司所開發之硬體控制卡來全面涵蓋支援，使得事前規劃準備更為容易，且能縮短開發流程。

系統架構規劃

為明確、有系統地規劃本項 X 光水果檢疫自動化系統，本團隊將系統分為三大階層分別規劃，包含 (1) 硬體階層、(2) 軟體階層，以及 (3) 使用者階層。

硬體階層規劃

    本專案使用 CCD 攝影機來取得水果外部影像，以觀察水果外部是否有碰撞傷害。另外，使用 X 光掃瞄機來取得水果內部結構畫面，用以檢視水果內部是否因外力撞擊、蟲卵寄生或害蟲蛀食而造成損壞。在電腦與硬體間之控制規劃對象有三：

(1)   CCD攝影機模組：透過 NI IMAQ 搭配 IEEE 1394，除了能夠設定 FireWire 介面上 CCD 攝影機之硬體參數外，並可將 CCD 攝影機所拍攝之被測水果外部影像傳送給 LabVIEW 作後續影像處理與顯示。

(2)   X 光掃瞄機裝置：包含 X 光射源與 X 光線性感測器。在 X 光射源部份，本系統係透過 RS-232 介面下達控制指令以設定 X 光源強度。在 X 光線性感測器部分，則是使用影像擷取卡 (NI PCI-1422) 的 RS-422 介面進行 X 光影像的擷取，並將所取得的水果 X 光影像傳送至電腦進行重建判讀與顯示。

(3)   傳送機構：透過運動控制卡 (NI PCI-7344)，可送出控制脈波給伺服馬達驅動器以及接受編碼器所傳回的資訊以控制伺服馬達的速度與位置。另外，光遮斷器所取得的被測物位置訊號也能透過運動控制卡上的極限開關 (Limit Switchs)，回傳給 LabVIEW 做定位與事件決策。

 

 

軟體階層規劃

在軟體階層上，本專案使用 LabVIEW 7.1 Express 作為主要開發環境，並透過 NI Motion 提供外部硬體連結與控制的功能。受測水果外部與內部之影像經由 CCD 攝影機與 X 光線性感測器量測後，所擷取的影像由 NI IMAQ 做影像分析，並將損壞區域標示出來。最後，將各種判讀影像顯示於使用者階層的人機介面。

使用者階層規劃

以 LabVIEW 所開發之程式動作流程與功能，主要動作包含登入驗證、系統自我測試、影像取得、物品輸送與檢測等過程。使用 LabVIEW 所開發完成之人機介面包含了幾個主要畫面，有 (1) 登入畫面、(2) 系統自我檢測畫面、(3) 初始參數設置、(4) 系統設置，與 (5) X 光影像畫面等。

系統整合與性能驗證

    本團隊將上述規劃之硬體階層、軟體階層，以及使用者階層做最後整合，成功開發所需之 X 光自動化檢測系統，如圖所示。圖中可見本項自動化檢測系統為雙螢幕系統架構，上方螢幕中顯示之畫面即為使用 CCD 攝影機所取得之水果外部可見光影像，下方螢幕中所顯示之畫面則為使用 X 光掃描機所取得之水果內部影像。此種上、下螢幕配置設計可以節省檢測機構的尺寸，方便於海關、機場現場檢疫時之操控。此外，利用上下螢幕同時顯示的方式，檢疫人員可以有效率地將受損或遭受蟲害蛀食之水果挑選出來。

結論

  翻閱各大工程期刊雜誌，許多文章中皆顯示，使用 LabVIEW 作為開發環境能較其他語言更容易學習，並依程式的複雜度，幾乎都能減少 20% ~ 40% 之開發時間，此結論在本專案中再次得到印證。由於本專案採用 LabVIEW 做為開發環境並搭配採用 NI 公司之硬體控制卡，在將近一個月的時間便完成程式的撰寫。依照本團隊過去對於其他各項專案之開發經驗來看，本專案亦節省將近 45% 的開發時間，且最終完成之系統不但性能表現上令人激賞，所耗資的金費也能在預算當中。於最後進行之 X 光系統性能驗證時本團隊也同時觀察到，雖然系統機構十分複雜，但系統在運動 (Motion) 與機器視覺 (Machine Vision) 的同步上卻十分精確，絲毫不會有延遲的情況發生，這正是當初規劃採用 NI 公司產品所帶來之優勢。 

本文作者為：

國立台灣大學 生物產業機電工程學系　

歐陽丞修 江昭皚 張向勻 林達德

國立中興大學　昆蟲學系

楊曼妙  楊恩誠

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
歐陽 丞修
國立台灣大學生物產業機電工程學系

Browse All Case Studies »