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基于機(jī)器視覺(jué)的注水豬肉檢測(cè)

2011-05-30 07:59:18沈明霞
浙江農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011年2期
關(guān)鍵詞:像素點(diǎn)光源豬肉

陳 昊,沈明霞

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,江蘇 南京 210031)

中國(guó)是世界上最大豬肉消費(fèi)國(guó),豬肉是我國(guó)人民主要肉食來(lái)源[1],年人均豬肉占有量為30 kg以上,超過(guò)世界平均水平。在保證數(shù)量的同時(shí),更需保證豬肉質(zhì)量。注水豬肉的危害不容忽視,由于豬胃腸內(nèi)注入大量水分,豬的胸腔受到壓迫,引起呼吸困難,造成組織缺氧,機(jī)體處于半窒息和自身中毒狀態(tài)。胃腸道內(nèi)的食物腐敗,分解產(chǎn)生氨、胺、甲酚、硫化氫等有害物質(zhì),通過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入肌肉,有毒物質(zhì)通過(guò)重復(fù)吸收后,遍布豬的全身肌肉,食用后會(huì)嚴(yán)重危害人體健康[2-3]。利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)正常豬肉與注水豬肉的顏色對(duì)比尚是空白。為此,本文針對(duì)豬脊椎外側(cè)肌肉圖像在外加光源下的特征,進(jìn)行顏色分析和圖像像素值運(yùn)算,從而判斷被測(cè)豬肉是否注水。

1 檢測(cè)系統(tǒng)組成

注水豬肉數(shù)字圖像檢測(cè)系統(tǒng)包括2大部分,分別是圖像采集系統(tǒng)和圖像分析處理系統(tǒng)。其中,圖像采集系統(tǒng)包括光源,鑒定臺(tái),VGA攝像頭;圖像分析處理系統(tǒng)主體是通用計(jì)算機(jī) (圖1)。

圖1 注水豬肉系統(tǒng)硬件的組成

鑒定臺(tái)是30 cm×25 cm×30 cm的立方體,其上表面是5 mm無(wú)色玻璃,其他表面均為白色的4 mm厚木板。光源采用220 V、60 W,標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)DIN 49990-1971國(guó)際分類號(hào)為4900的電氣照明器;VGA(640×480)攝像頭其所拍攝圖像格式RGB24,I420是目前最常用的 2種圖像格式。RGB24表示R、G、B 3種顏色各8 bit,每種顏色可表現(xiàn)256級(jí)濃度,從而可以再現(xiàn)256×256×256種顏色。I420是YUV格式之一,其它格式有:RGB565,RGB444,YUV4:2∶2等。并且 VGA具有自動(dòng)白平衡調(diào)整 (AWB)的功能,即要求在不同色溫環(huán)境下,照白色的物體,屏幕中的圖像呈現(xiàn)白色[4-7];鑒定臺(tái)的表面是無(wú)色玻璃的,方便光的透過(guò)。系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)是通過(guò)VC++編寫(xiě)的,VC++是微軟公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE),就是使用C++的一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。VC++適用開(kāi)發(fā)高效,短小,輕量級(jí)的COM組件,可以開(kāi)發(fā)優(yōu)秀的基于通信的程序,可以開(kāi)發(fā)高效靈活的文件操作程序等。

2 圖像數(shù)據(jù)處理

2.1 圖像格式判斷與顯示

在輸出一幅DIB位圖之前,程序應(yīng)該將其邏輯調(diào)色板選入到相關(guān)的設(shè)備上下文并實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)調(diào)色板中。而位圖文件頭BITMAPFILEHEADER是一個(gè)結(jié)構(gòu)體,其中WORD biBitCount;表示顏色時(shí)要用到的位數(shù),1(單色),4(16色),8(256色),24(真彩色)。故在讀入圖像之前先要確定圖像的類型是否為DIB,位圖確保為24位。顏色表用于說(shuō)明位圖中的顏色,有若干個(gè)表項(xiàng),每一個(gè)表項(xiàng)是一個(gè)RGBQUAD類型的結(jié)構(gòu),定義一種顏色。因?yàn)樵?(x,y)的數(shù)據(jù)應(yīng)該在 y×width+x這樣的位置上但是因?yàn)闀?huì)有冗余信息那么必須將width用width+該行的冗余量來(lái)處理,而由于位圖文件有不同的位數(shù),所以這樣的計(jì)算也不盡相同。利用這個(gè)特性,可以將 DIB文件逐行的掃描并顯示到客戶區(qū)[8-11]。

2.2 注水豬肉圖像分析

2.2.1 提取圖像像素值

利用全局變量,設(shè)置一個(gè)公用的二維數(shù)組作為被測(cè)試圖像所有像素值的暫存,解決了BMP像素在各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸無(wú)法傳輸?shù)膯?wèn)題。由于圖像的讀入和顯示都是在內(nèi)存中完成的,正常過(guò)程中是看不到DIB各個(gè)像素信息的。所以需要用特定的技術(shù)手段,或者是設(shè)計(jì)思路來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。由于各個(gè)點(diǎn)的像素值是唯一確定的而且這些值直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與否,所以每一個(gè)點(diǎn)都需要精確的測(cè)量。VC++當(dāng)中也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這種功能的類或者是函數(shù),利用全局變量和公用的二維數(shù)組暫存所有的像素可以解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)圖像像素值的提取,如圖2。

圖2 分析被的測(cè)圖片

2.2.2 選取像素矩陣

本系統(tǒng)采用了獨(dú)創(chuàng)的輻射式六等分采樣。即計(jì)算圖像的中心像素點(diǎn)的坐標(biāo),取中心10×10的像素矩陣,然后分別在此10×10中心矩陣的周圍20像素距離,取6個(gè)10×10的像素矩陣且相鄰矩陣等距離圓周式分布。通用計(jì)算機(jī)而言,處理640×480的24-bit圖像需要一定時(shí)間,另外,被測(cè)圖像中對(duì)于判定豬肉是否注水的像素點(diǎn)分布于圖像中心區(qū)域,故在距中心像素點(diǎn)的固定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行采樣。采用輻射式六等分采樣不僅可以確保有效的像素點(diǎn)可以盡可能的被采樣到,而且提高了圖像的分析速率,從而提高圖像判斷的準(zhǔn)確性節(jié)約時(shí)間。由于一張圖像由許多像素點(diǎn)組成。VGA的選擇恰可以滿足做圖像采集的要求,SXGA或XGA雖然十分精確但是在處理速度上明顯遜色,同時(shí)CIF或SIF的像素卻達(dá)不到圖像處理的要求,而其他型號(hào)沒(méi)有VGA容易采購(gòu)。

2.2.3 分析提取的像素矩陣

首先對(duì)所采樣提取的像素點(diǎn)進(jìn)行篩選。在選取所需像素矩陣后,判斷所提取的像素矩陣像素點(diǎn)的顏色范圍,如果 RGB值均大于220,則取樣的矩陣很可能取得脂肪的圖樣;RGB值均小于50則可能是被測(cè)豬肉擺放不均勻。在篩選過(guò)程中,被測(cè)矩陣中不在的預(yù)計(jì)出現(xiàn)的數(shù)值范圍內(nèi)的像素值將被舍去。

對(duì)于篩選后的像素矩陣,采用做差方法。通過(guò)收集正常生鮮豬肉樣本在測(cè)試時(shí)留下的數(shù)據(jù)來(lái)確定RGB的數(shù)值范圍,然后和系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行做差,然后將差值求和。

被測(cè)像素矩陣與標(biāo)準(zhǔn)像素矩陣的誤差:

所得到的總像素誤差是分別對(duì)于RGB 3種顏色而言,如果總像素誤差大于實(shí)驗(yàn)時(shí)所得數(shù)據(jù)所規(guī)定的范圍,即可判定此豬肉是注水豬肉。

3 實(shí)際檢測(cè)

在實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中,由于被屠宰的豬的不同部位,肉質(zhì)和色澤差別很大;而且,被屠宰的豬肉的新鮮程度也直接影響到色澤。除去豬肉本身的色澤的差別,外界光源對(duì)于豬肉顏色也是有極大的影響的。

3.1 被測(cè)部位選擇

被測(cè)豬肉樣本選擇脊椎外側(cè)的肌肉,切割成邊長(zhǎng)為10 cm×10 cm的1.5~1 cm厚的切片。由于生豬脊椎外側(cè)的肌肉呈梭形,故在切片的時(shí)候?qū)⒈粶y(cè)豬肉樣本縱向切割成片,并緊湊均勻擺放在鑒定臺(tái)上。正常的豬脊椎外側(cè)肌肉,色澤均勻,肉質(zhì)細(xì)嫩且脂肪含量較低,生豬注水與否可以很好的從色澤上反應(yīng)出來(lái)。

3.2 外加光源

由于在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中,外界環(huán)境尤其是光線的照度,顏色,和投射方向,對(duì)于被測(cè)豬肉樣本拍攝都有極為重要的影響。由于必須使得外界光源對(duì)被測(cè)豬肉樣本的影響降至最小,所以必須使用人工外加光源,來(lái)保證被測(cè)豬肉樣本的光環(huán)境的一致性。而在鑒定臺(tái)的內(nèi)部設(shè)置了固定的光源,投射方向,照度和顏色穩(wěn)定,且對(duì)于室內(nèi)環(huán)境而言,鑒定臺(tái)內(nèi)置光源成為主導(dǎo)因素可以保證被測(cè)豬肉樣本的光環(huán)境的穩(wěn)定性,從而確保了所得數(shù)據(jù)的可靠性[12-13]。

3.3 分析圖像

在判定豬肉樣本是否注水之前需要對(duì)圖像進(jìn)行分析,觀察所得圖像的RGB值分布 (圖3)。然后結(jié)合所得柱狀圖,利用采樣的像素矩陣的數(shù)值,分析被檢測(cè)的豬肉樣本是否注水。

圖3 RGB值的分布柱狀

4 小結(jié)與討論

分別采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)及傳統(tǒng)的注水豬肉檢測(cè)方法對(duì)試驗(yàn)豬肉行檢測(cè)對(duì)比研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)注水豬肉的識(shí)別,而且可以在低照度的環(huán)境中正常檢測(cè)。說(shuō)明了該系統(tǒng)用于檢測(cè)豬肉是否注水是可行的。

雖然,對(duì)于一些非新鮮豬肉,檢測(cè)結(jié)果會(huì)存在誤差。傳統(tǒng)的注水豬肉檢測(cè)方法需要手工操作,而且較為復(fù)雜,而且需要穩(wěn)定的工作環(huán)境,不適合現(xiàn)場(chǎng)操作或者觸摸擠壓法等一系列物理方法[2-3],而且要進(jìn)行手工操作費(fèi)時(shí),操作不方便。而本項(xiàng)目利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù),VC++編程,并采取全新的像素矩陣采樣方式,和像素值對(duì)注水豬肉圖像進(jìn)行分析。此項(xiàng)目的研究為注水豬肉檢測(cè)提供了一個(gè)新的檢測(cè)思路和檢測(cè)方法。

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