Diseño e implementación de nuevas tecnologías basadas en visión artificial para la inspección no destructiva de la calidad de fruta en campo y mínimamente procesada

Abstract

Esta tesis trata de avanzar en sistemas de visión por computador aplicados a la inspección automática de la calidad de frutas y verduras en dos entornos en los que hasta la fecha no se ha trabajado en profundidad como son la inspección en campo antes de la recepción de la fruta por la central hortofrutícola y la inspección automática de la calidad de fruta procesada. Se pretende así rellenar un hueco importante en la aplicación de la visión por computador como una herramienta al servicio del sector en la inspección de frutas y verduras. El desarrollo de técnicas de visión por computador en la inspección de la calidad de los productos agrícolas se debe a la necesidad de encontrar una alternativa a los métodos de inspección manual tradicionales para eliminar el contacto con el producto, aumentar la fiabilidad y objetividad, introducir flexibilidad a las líneas de confección e incrementar la productividad y competitividad de nuestras empresas. Esta tecnología está ampliamente extendida para la inspección de fruta en fresco en almacenes de confección pero, sin embargo, todavía no se ha aplicado en campo por las dificultades técnicas que conlleva este entorno, y tampoco en el sector de la fruta mínimamente procesada, debido a la fragilidad y dificultad de manipulación del producto, la complejidad de la inspección y el relativo menor valor económico respecto de la fruta en fresco. En esta tesis se aborda, por una parte, la creación de un sistema de visión por computador instalado en una plataforma de asistencia a la recolección de cítricos sobre la que se analiza la fruta a la vez que se recolecta y se clasifica en diversas categorías en función de su color, tamaño o calidad (presencia de defectos externos). Los mayores problemas del trabajo en campo se refieren a una iluminación inestable, movimientos y vibraciones, energía eléctrica limitada o efectos de la intemperie. Para ello es necesario diseñar un sistema de visión por computador compacto, robusto, rápido y muy eficiente energéticamente y unos algoritmos específicamente adaptados al entorno de campo. Las soluciones propuestas incluyen, entre otras, un diseño compacto, iluminación LED en modo estroboscópico o una cámara inteligente que minimizan el consumo eléctrico. Respecto de los algoritmos, deben ser capaces de adaptarse a problemas como la presencia de pedúnculos o la ausencia de cálices. El principal objetivo de este sistema es realizar una primera tría de la fruta con el objetivo de desviarla directamente a su mercado más adecuado según su calidad, acortando tiempos de manipulación y evitando el gasto de maquinaria, agua y productos como ceras o fungicidas en fruta que será finalmente destinada a la industria o al destrío. Por otra parte, dado que los hábitos de consumo están cambiando, existe una demanda de frutas y verduras de calidad sencillas de preparar y consumir, donde se encuentran los productos mínimamente procesados pero con características similares a los productos frescos enteros (sin defectos y con elevada calidad). Las industrias de procesado disponen de máquinas que automatizan la mayor parte de los procesos previos, aunque apenas se ha avanzado en la automatización de la inspección y clasificación, que supone una gran parte del coste final. Esta tesis investiga en la aplicación de visión por computador para la inspección de fruta procesada, centrada en el desarrollo de sistemas adaptados a dos productos emergentes y de gran interés en la agricultura mediterránea como son los gajos de satsuma y arilos de granada listos para el consumo, que presentan una alta calidad nutricional y grandes beneficios para la salud. Ambos productos presentan cierta problemática común, aunque se deben abordar con distintas soluciones. Es necesario identificar defectos y la presencia de elementos extraños, así como clasificar el producto atendiendo a su calidad. Los mayores problemas corresponden a la complicada individualización y transporte de estos pequeños y pegajosos productos, sincronizando el avance con la expulsión de los mismos y la elección de los sistemas de iluminación y adquisición de imágenes. La tarea más complicada corresponde al desarrollo de algoritmos eficientes de análisis que permitan distinguir entre diferentes niveles de calidad, ajustados por el usuario final mediante cómodas interfaces, debido entre otros a la forma irregular de los gajos y a la similitud de los colores de los arilos. Además debe proporcionar todo tipo de estadísticas y datos referentes a la producción. La aplicación deberá sincronizar todo el sistema, desde el avance de los objetos pasando por la inspección hasta la clasificación final en distintas categorías comerciales. Las principales contribuciones de la investigación realizada sobre la aplicación de visión por computador en estos entornos se resumen en el desarrollo de unos prototipos operativos que incorporan todos los desarrollos realizados y que se han probado en condiciones reales de funcionamiento. Adicionalmente se han obtenido diversas patentes de invención y se han publicado los resultados de la tesis en varias revistas científicas indexadas en el JCR, en revistas de divulgación profesional, en congresos y en capítulos de libros de carácter internacional.