曾曉娟

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011）

基于計(jì)算機(jī)視覺的擠壓食品質(zhì)構(gòu)特征分析

曾曉娟

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011）

質(zhì)構(gòu)分析儀是目前最常用的擠壓食品質(zhì)構(gòu)分析方法，但是該方法存在工作量大、耗時(shí)、無法實(shí)現(xiàn)快速在線檢測(cè)等局限。因此為克服質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)的局限性，提出利用計(jì)算機(jī)視覺分析系統(tǒng)對(duì)擠壓食品的質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行分析。通過對(duì)幾種常見的擠壓食品進(jìn)行認(rèn)識(shí)和了解的學(xué)習(xí)后，將計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)采集的食品樣品圖片數(shù)據(jù)和質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)的質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行對(duì)比度分析。建立相關(guān)線性關(guān)系得出計(jì)算機(jī)視覺分析系統(tǒng)能夠有效對(duì)擠壓食品質(zhì)構(gòu)特征進(jìn)行分析，并確定了一種簡(jiǎn)單快捷的基于計(jì)算機(jī)視覺的擠壓食品質(zhì)構(gòu)分析方法。

計(jì)算機(jī)視覺；擠壓食品；質(zhì)構(gòu)特征；線性擬合

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快，人們的飲食習(xí)慣也在逐漸發(fā)生變化。其中擠壓食品是一種將谷物、油料種籽、動(dòng)植物蛋白等原料在不同溫度、壓力和機(jī)械剪切等共同作用下，通過擠壓工藝使食品中的水分、蛋白質(zhì)、纖維素和酶等物質(zhì)發(fā)生物化變化而制成的食品，由于具有即食性、便攜性和種類多樣性等特點(diǎn)受到越來越多消費(fèi)者的青睞[1-2]。根據(jù)食品管理中對(duì)擠壓食品的衛(wèi)生指標(biāo)、理化指標(biāo)、感官指標(biāo)和質(zhì)量要求，產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性分析對(duì)產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制、感官評(píng)價(jià)和工藝設(shè)備選型都具有非常重要的意義。評(píng)價(jià)擠壓食品口感特性的指標(biāo)主要包括感官評(píng)價(jià)和質(zhì)構(gòu)測(cè)定，其中感官評(píng)價(jià)是通過評(píng)價(jià)員直接接觸食品時(shí)的感官指標(biāo)，如外形、氣味等，來描述和判斷產(chǎn)品質(zhì)量，利用刺激感知，并對(duì)這些刺激進(jìn)行記憶、對(duì)比和綜合分析，最終使用打分的形式給出綜合評(píng)價(jià)，這種方法更直觀、實(shí)際，但比較費(fèi)時(shí)，而且重復(fù)性差，因此需要更加簡(jiǎn)便可靠的客觀方法來進(jìn)行評(píng)價(jià)[3-4]；質(zhì)構(gòu)特性通常經(jīng)過質(zhì)構(gòu)分析儀的質(zhì)構(gòu)剖面分析（texture profile analysis，TPA）測(cè)定，但TPA檢測(cè)過程會(huì)存在破壞食品結(jié)構(gòu)、耗時(shí)較長，不能做到快速在線檢測(cè)等缺陷[5]。

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代圖像采集技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)（CVS，Computer vision system）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)研究領(lǐng)域，其中包括食品科學(xué)[6]。已有研究報(bào)道指出食品顏色的差異往往是由結(jié)構(gòu)決定的，因此可以利用食品顏色這一感官特性來分析食品的質(zhì)構(gòu)特性[7]。本文克服質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)的局限性，通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)采集不同擠壓食品的表面圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)利用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)得樣品的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)，根據(jù)二者的變量關(guān)系預(yù)測(cè)擠壓食品的質(zhì)構(gòu)特征。

1 計(jì)算機(jī)視覺分析技術(shù)與擠壓食品介紹

1.1 計(jì)算機(jī)視覺分析技術(shù)

20世紀(jì)70年代中后期隨著遙感圖像處理分析和生物醫(yī)學(xué)圖像處理分析這兩項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展而逐漸形成了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，隨后，歐美和日韓等一些國家的研究人員將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)成功的在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域等多個(gè)方面進(jìn)行研究與應(yīng)用推廣，例如農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)鑒定、作物的生長狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等。雖然該技術(shù)目前尚達(dá)不到人類視覺的準(zhǔn)確性，但是計(jì)算機(jī)視覺的感受范圍更寬，能夠延伸到人類看不到的紫外和紅外光線等[8-9]。

計(jì)算機(jī)視覺一般采用CCD照相機(jī)來攝取待檢測(cè)物體的圖像，并通過特定的算法將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再通過軟件對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，得到與所需目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)的特征值，并經(jīng)過模式建立與識(shí)別，坐標(biāo)的計(jì)算，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，或者直接將圖像數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)骄哂杏洃涀R(shí)別功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行擬合運(yùn)算。然后再根據(jù)處理結(jié)果顯示圖像，輸出數(shù)據(jù)和指令，并按照分析人員給定的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和反饋，以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等工作。

1.2 擠壓食品

擠壓食品是經(jīng)過混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等多道工序制作而成的食品。食品擠壓技術(shù)在我國應(yīng)用時(shí)間不長，但由于它所具有的顯著特點(diǎn)而得到了迅速的推廣應(yīng)用。擠壓食品可以作為成品直接包裝出售，也可以對(duì)其進(jìn)行二次加工后作為符合特定口感和特性的二次膨化食品出售[10]。

擠壓食品按照加工工藝的不同，可以分為：蒸煮成型產(chǎn)品、組織化產(chǎn)品、擠壓膨化產(chǎn)品3種。蒸煮成型食品是將加熱蒸煮與擠壓成型兩種作用有機(jī)結(jié)合，使原料經(jīng)過擠壓機(jī)之后，成為具有一定形狀和質(zhì)構(gòu)的熟化或半熟化的產(chǎn)品；組織化食品主要是指植物蛋白經(jīng)組織化后，產(chǎn)生出類似于肌肉的結(jié)構(gòu)和纖維的特征，通過對(duì)其口感的改善，同時(shí)擴(kuò)大使用范圍和提高營養(yǎng)價(jià)值的一種擠壓食品。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

原料：小麥面粉、玉米粉、蕎麥粉、乳酪、食用油；即食食品：蛋卷、通心面、火腿腸；所有食品均于當(dāng)?shù)厝A潤萬家超市采購。

儀器：高速萬能粉碎機(jī)（fw100型，上海楚定分析儀器有限公司）；雙螺桿擠壓機(jī)（DL56-III型，濟(jì)南德倫機(jī)械設(shè)備有限公司）；食品物性分析儀（TMS-Pilot型，美國FTC公司生產(chǎn)，杭州嘉維創(chuàng)新科技有限公司代理）；CCD相機(jī)（8050M-CL-TE型，美國Thorlabs公司，帶圖像采集卡與數(shù)據(jù)連接線）；LED光源（0.2W，顯色指數(shù)80，XML-T6型，深圳市宇亮光電技術(shù)有限公司）。

2.2 樣品制備

先用高速萬能粉碎機(jī)粉碎面粉、玉米粉和蕎麥粉等原料，過100目篩后加入融化的乳酪，然后將玉米粉和面粉、蕎麥粉、乳酪、食用油和飲用水以不同比例混合。將各組試驗(yàn)原料充分混勻后加入雙螺桿擠壓機(jī)中擠壓加工。加工過程中3個(gè)區(qū)溫度分別控在80、90、100℃。擠出的產(chǎn)品經(jīng)過定型后放置于25℃恒溫很濕箱內(nèi)保存至平衡水分后裝入經(jīng)輻照滅菌的聚乙烯包裝袋中真空包裝，于4℃下冷藏待用。檢測(cè)前切割樣品，分別將上述自制樣品與即食食品切成長×寬×高為2 cm×2 cm×0.5 cm的樣塊。檢測(cè)時(shí)先在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中采集樣品的圖像，再用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定其質(zhì)構(gòu)特征值。

2.3 樣品圖片信息采集

本試驗(yàn)所用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)主要由檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其示意圖如圖1所示。

檢測(cè)器是一個(gè)80 cm×80 cm×50 cm的不透光的立方箱體，內(nèi)部固定兩LED燈作為平行光源，入射光角度與樣品大約呈45°。檢測(cè)器頂部固定一臺(tái)CCD相機(jī)，用于采集樣品圖像。獲取的彩色圖像通過USB數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并用Picturemotion browser軟件中進(jìn)行處理并儲(chǔ)存，導(dǎo)出各樣品圖片的對(duì)比度值。

圖1 用于擠壓食品質(zhì)構(gòu)分析的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)Fig.1 A computer vision system for textureanalysisof extrusion food

2.4 質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)測(cè)定

測(cè)定前將首先確保質(zhì)構(gòu)測(cè)定儀已經(jīng)調(diào)零，采用GB/T15682-2008《糧油檢驗(yàn)稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)樣品質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行測(cè)試。記錄樣品硬度、膠黏性和粘聚性，重復(fù)測(cè)定3次取平均值。

3 結(jié)果與討論

與人眼對(duì)物體色彩的感受相似，計(jì)算機(jī)視覺所采集圖片信息應(yīng)該包括兩個(gè)方面，一是色彩的顏色（即色度），二是色彩的純度（即飽和度），而計(jì)算機(jī)視覺中的顏色還包括其對(duì)比度，因此本文選擇計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)采集圖片的對(duì)比度為研究對(duì)象，討論其在該系統(tǒng)對(duì)樣品的識(shí)別率，及其與TPA法測(cè)定的質(zhì)構(gòu)特征數(shù)據(jù)的關(guān)系。

3.1 計(jì)算機(jī)視覺體統(tǒng)對(duì)樣品的識(shí)別率

計(jì)算機(jī)視覺體系對(duì)不同樣品的識(shí)別率如表1所示。

表1 計(jì)算機(jī)視覺體系對(duì)不同樣品的識(shí)別率Table1 The recognition rateof different samplesby com puter vision system

從表1中可以看出該計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)對(duì)于幾種常見擠壓食品試樣和自制樣品的識(shí)別率都比較高，除了蛋卷的識(shí)別率為84%，其他樣品的識(shí)別率均在90%以上，這是由于蛋卷的表面結(jié)構(gòu)比較粗糙，加上含水率較低，從而表面形貌差別較大，所以使得計(jì)算機(jī)對(duì)某些蛋卷樣品產(chǎn)生“陌生”感而不識(shí)別。

3.2 樣品圖片顏色與其硬度的關(guān)系

將計(jì)算機(jī)視覺體統(tǒng)采集的不同配方自制樣品圖片的對(duì)比度與質(zhì)構(gòu)儀測(cè)的相應(yīng)樣品的硬度值在Origin軟件中作圖并進(jìn)行線性擬合，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 擠壓食品對(duì)比度與硬度的關(guān)系Fig.2 Relationship between contrastand hardnessof extrusion food

從圖2中可以看出，隨著擠壓食品的硬度增加，雖然在相同硬度條件下對(duì)應(yīng)的圖片對(duì)比度有一定的離散性，但是總體所得樣品圖片的對(duì)比度明顯減小趨勢(shì)不變。這是由于樣品配方中蕎麥粉和玉米粉質(zhì)硬，隨著二者含量的增加，擠出產(chǎn)品的硬度增加，而對(duì)應(yīng)的樣品圖片對(duì)比度減小說明了樣品表面色差減小。

3.3 樣品圖片顏色與其膠黏性、粘聚性的關(guān)系

將計(jì)算機(jī)視覺體統(tǒng)采集的不同配方自制樣品圖片的對(duì)比度與質(zhì)構(gòu)儀測(cè)的相應(yīng)樣品的膠黏性和粘聚性數(shù)值在Origin軟件中作圖并進(jìn)行線性擬合，所得結(jié)果分別顯示在如圖3和圖4中。

圖3 擠壓食品對(duì)比度與膠黏性的關(guān)系Fig.3 Relationship between contrastand gumm inessof extrusion food

從圖3和圖4中可以看出，隨著擠壓食品的膠黏性和粘聚性增加，樣品圖片的對(duì)比度隨之增大而增加，盡管在圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)離散性有所差異，擬合系數(shù)也相差較大，但是總體的趨勢(shì)基本一致。這是由于樣品配方中小麥面粉相對(duì)質(zhì)軟而且粘，隨著其含量的增加，擠出產(chǎn)品的膠黏性和粘聚性增加，從而使所得產(chǎn)品表面色差增加，從而表現(xiàn)出對(duì)比度增加的現(xiàn)象。

圖4 擠壓食品對(duì)比度與粘聚性的關(guān)系Fig.4 Relationship between contrastand cohesivenessof extrusion food

4 結(jié)語

本文主要探索了一種運(yùn)用擠壓食品顏色與其質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)的線性擬合關(guān)系來預(yù)測(cè)擠壓食品質(zhì)構(gòu)特征的新思路，試驗(yàn)結(jié)果證明了計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)對(duì)不同擠壓食品在50次圖像采集的“認(rèn)識(shí)”過程中均表現(xiàn)出了較好的辨識(shí)率，而且通過CVS采集的擠壓食品顏色信息和質(zhì)構(gòu)分析儀獲取的質(zhì)構(gòu)特征值的線性擬合分析也證明了二者之間存在較強(qiáng)相關(guān)性。從而根據(jù)這種相關(guān)性便可以建立擠壓食品質(zhì)構(gòu)分析的基于計(jì)算機(jī)視覺的分析系統(tǒng)，通過模擬和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)可通過采集樣品顏色值預(yù)測(cè)擠壓食品質(zhì)構(gòu)特征的目的。這不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的擠壓食品質(zhì)構(gòu)檢測(cè)耗時(shí)和破壞食品結(jié)構(gòu)的缺陷，同時(shí)還使得檢測(cè)的精確性得到改善，而且計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以靈活改變，可以實(shí)現(xiàn)擠壓食品生產(chǎn)加工的在線檢測(cè)，省去了取樣的麻煩，能夠極大的提高工作效率。該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)擠壓食品質(zhì)構(gòu)特征的快速檢測(cè)，也可以在多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用與推廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Extrusion Food Quality and Structure Study of Computer Vision Analysis

ZENGXiao-juan
（Jiangsu CollegeofSafety Technology，Xuzhou 221011，Jiangsu，China）

Quality and structure analyzer is themostcommonlymethod forextrusion food quality and structure analysis.However，thismethod has its limitationssuch asbigworkload，timeconsuming，unable to realize rapid online detection and other limitations.To overcome the limitations of structure test，this paper proposes using computer vision analysissystem forextrusion food quality and structure characteristicsanalysis.Through theextrusion ofseveral common food for the study of knowledge and understanding，computer vision system was used to collect the image dataand thequality and structureof food samples to testquality and structure characteristics of thecontrastanalysis.Theestablished relevant linear relationscould concludestheeffectivenessof thecomputer visionanalysissystem for improving theanalysisofqualityand structureofextrusion food characteristics.Thispaperproposesasimpleand fastextrusion food qualityand structureanalysismethod based on computervision.

computervision；squeeze the food；astral constructcharacteristic；linear fitting

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.010

2016-10-12

曾曉娟（1977—），女（漢），講師，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、動(dòng)漫設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)。