食品挥发气味嗅觉可视系统的研制及图像处理研究

摘要

气味是食品、农产品的重要属性，可以通过挥发性气体的检测实现食品的品质、真伪、货架期等的分析和区分。嗅觉可视化传感器技术是检测气体的新技术，它利用色敏材料制作的传感器阵列与待检测气体发生反应时传感器的颜色变化，对挥发性有机气体(VOCs)进行定性或定量分析，并且将气味信息以直观可视的图像方式表达出来。在嗅觉可视化技术检测食品品质中，挥发气体在反应室内与传感器的分布与接触状况以及传感器的图像信号处理和分析对检测精度有很高的影响。基于此，本研究设计并优化了气体分布反应室，对图像处理流程中的部分算法和方案进行了比较研究，以实现不同存储时间食醋和大米气体的检测和区分。论文的主要研究内容如下：
　　（1）设计了一个在进气口前嵌入弧形挡板以起到引流效果的反应室，利用COMSOL Multiphysics仿真软件对反应室进行流场模拟。仿真效果显示挡板的弯曲程度是影响气体分布比较关键的因素，挡板位置虽然也会影响反应室中气流的分布，但是与前者相比，其影响并不是很大。当挡板的弯曲程度大时，会导致反应室中间的气体流速大，两侧的气体流速小，且气体主要分布在中间通道区域，四周的气体分布较少；当挡板的弯曲程度过小时，情况相反。当挡板靠近进气口，会导致传感器阵列两侧气体流速变小；当挡板远离出气口，则会使色敏传感器阵列中间的气体流速变小，同时，气体在靠近出口部分的分布较广。经过反复仿真模拟本研究确定当挡板曲率为3.3，挡板前端距离进气口的垂直距离为1.5cm时，仿真的效果最好。通过COMSOL Multiphysics提取传感器阵列各区域的速度进行比较，同样表明挡板形状和位置优化后的反应室更能够保证反应室中各区域流场均匀。本研究同时对反应室的部件和整体尺寸、材料进行了设计。利用溴甲酚绿和乙酸的显色反应，将加工制作完成后的反应室，与模拟气体自由挥发环境的反应室进行试验比较，结果显示有挡板反应室下，提取的颜色区域相应各分量特征的平均值一般较大，变异系数偏小，说明前者中乙酸气体与传感器阵列的反应更加充分，其均衡性也较好。
　　（2）对图像处理流程中的图形中心点定位、特征区域选取、颜色空间模型的选择进行了比较和分析。首先，应用一阶矩、最小外接矩形、椭圆拟合等方法，来求目标图形的中心点坐标，结果显示，三种方法都能满足实际应用时的需要，而第一种方法的计算量和耗时相对较少。其次，分别对应用中心定位取圆形区域为特征区域，与漫水填充法分割传感器不同颜色分布层为特征区域进行了对比，结果显示靠近传感器中心的颜色层并不能很好反应传感器反应前后的特征，而选择剔除中心颜色层的外围区域为特征区域更为合理。最后，对基于RGB、HSV和 Lab三种颜色模型提取的传感器显色区域特征数据进行了比较分析，结果显示，Lab颜色空间模型时，特别是在颜色分量Δa和Δb下，其特征变量的标准差较小。相较于RGB和HSV颜色模型，在Lab颜色模型下提取的特征值具有更高的稳定性。
　　（3）应用设计的嗅觉可视化系统及图像处理方法，分别以食醋和大米作为液态和固态食品的代表，对产品的储藏时间进行了检测和区分。首先，在检测新醋和醋龄1~4年的食醋时，分别在RGB、HSV和Lab颜色空间下提取特征数据，并结合主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）等，比较了不同颜色模型下醋龄检测的识别率。结果显示，在颜色模型为Lab，LDA模型对食醋年限的鉴别效果最好，这也进一步验证了Lab颜色空间的较优表现。其次，在利用嗅觉可视化系统检测不同年限食醋时，分别应用了新反应室和模拟气体自由挥发环境的反应室，PCA和LDA分析的结果显示，在新反应室下，当主成分数为8时，模型的训练集和预测集的识别率均达到95%，且相同主成分数时，识别率一般高于在模拟气体自由挥发环境的反应室，这说明前者的模型稳定性和准确性更高。最后在新反应室和模拟气体自由挥发环境的反应室下，对新米和陈米气味进行检测，结合PCA可知，前者可以100%地区分出两种不同的大米，这也进一步验证了所设计的新反应室的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 食品气味检测的研究现状

1.2 嗅觉可视化传感器进展

1.3 研究的主要目的和内容

1.4 本章小结

第二章 嗅觉可视化系统反应室的设计和仿真

2.1 引言

2.2 COMSOL软件

2.3 反应室的COMSOL建模及仿真

2.4仿真结果及对比

2.5 嗅觉可视化系统反应室的加工

2.6 新反应室与模拟气体自由挥发环境的反应室的比较

2.7 本章小结

第三章 可视化传感器的图像处理与信号分析

3.1 引言

3.2 可视化传感器图像处理方法研究

3.3 本章小结

第四章 嗅觉可视化系统的应用

4.1 引言

4.2 基于RGB、HSV、Lab颜色模型的食醋醋龄检测

4.3基于新反应室和气体自由挥发型反应室的食醋醋龄检测

4.4 基于新反应室和气体自由挥发型反应室的新米和陈米鉴别

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究的主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在研期间发表的论文

附录