基于静态高光谱成像系统的肉品品质可视化检测装置

摘要

一种基于静态高光谱成像系统的肉品品质可视化检测装置，包括光室、成像系统、图像处理与检测运算单元和显示单元；光室内部设有高灵敏度相机、被测对象和光源；光室包括相互独立的两个空间，两个空间之间设有带有观察孔的隔光板；成像系统与被测对象分别设在两个空间内；对于被测对象所在空间，光源设在该空间内；对于成像系统所在空间；所述高灵敏度相机的数据输出端连接图像处理与检测运算单元的数据输入端；图像处理与检测运算单元的显示信号输出端连接显示单元的显示信号输入端；图像处理与检测运算单元的数据信号输出端连接外部设备接口。本发明检验结果准确、客观，表达方式直观，从而为肉品的生产、贮藏、运输与销售环节中质量安全监管提供保障手段。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对肉品品质检测的装置，采用凝视型高光谱成像方式采集 数据，以可视化方式呈现肉品检测指标程度及在肉样中的分布情况，属于食品对 象无损检测技术领域。

背景技术

我国是猪肉生产与消费的最大经济体，猪肉的产销量常年位居世界第一位。 但对肉品的检验手段仍停留在较低水平，传统的感官检测、理化以及微生物检测 存在主观性大、指标单一、耗时长等不足，现场应用诸多不便，故限制了在贮藏、 运输及销售环节对肉品的检测。

新兴的检测手段如基于电子鼻、电导率、肉色等检测方法的兴起为肉品快速 检测开辟了新的途径，但是这些技术不同程度上受到对样本具有破坏性、检测结 果与传统检测指标受样本个体差异影响显著等因素的限制。对肉品多项品质指标 进行综合检测的无损快速手段目前仍处于缺失状态。

高光谱成像系统用于采集被测目标在一定波长范围内的分波段光谱相应图 像，得到高光谱立方数据。高光谱成像设备分为凝视型、推帚型及挥帚型三类。

1.凝视型高光谱成像设备采用面阵成像单元分波段对被测对象进行光谱扫 描，扫描过程中每步得到一个特定光谱波段上的反映被测目标全部空间检测范围 内信息的图像，一定扫描步数后得到一定波长范围内的反映被测目标空间信息的 高光谱图像。凝视型高光谱成像设备采集图像时被测目标与成像系统之间没有相 对位置运动。

2.推帚型高光谱成像设备采用面阵成像单元，扫描过程中每步得到被测目 标一个空间区域上的全部检测波长范围内的光谱信息，一定扫描步数后得到被测 目标全部空间区域上的高光谱信息。推帚型高光谱成像方式成像设备与被测目标 之间需有相对位置运动。

3.挥帚型高光谱成像设备采用线阵成像单元，扫描过程中每步得到被测目 标一个点区域内的全部检测波长范围内的光谱信息，一定扫描步数后得到被测目 标全部空间区域上的高光谱信息。推帚型高光谱成像方式成像设备与被测目标之 间需有相对位置运动。

静态高光谱成像方式是指在高光谱成像过程中被测目标与成像系统没有相 对运动，如凝视型高光谱成像方式本质上属于静态采集方式。静态采集也包括在 成像系统内配上进行适当空间运动的反射镜的推帚型与挥帚型高光谱成像设备。

肉品的品质特征由于受到肉品自身组织成分的非均匀性及所受环境影响因 素的非均匀性作用不可能均匀一致，所以对肉品品质的检测应当反映其内部特征 指标程度在空间上的分布情况，而非仅采用平均值或代表值反映被测对象的整体 情况。

发明内容

本发明为解决肉品静态方式快速无损检测其品质特征指标程度在空间分布 情况问题，提出了一种基于静态高光谱成像系统的肉品品质可视化检测装置。

一种基于静态高光谱成像系统的肉品品质可视化检测装置，包括光室、成像 系统、图像处理与检测运算单元和显示单元；

光室是不透光空间；光室内部设有高灵敏度相机、被测对象和光源；(相机 灵敏度在最低成像照度与噪点抑制能力方面须满足在不破坏被测对象品质的光 强照射下经过分光或滤光器件后成像需求，如被测对象为风干肉，由于对光照与 热量不敏感，可采用工业级相机；但如被测对象为冷鲜肉检测其新鲜程度，则由 于其对热量与光照强度非常敏感，则在降低视场照度的情况下可能需要采用科学 级制冷相机或电子倍增相机)

光室包括相互独立的两个空间，两个空间之间设有带有观察孔的隔光板；成 像系统与被测对象分别设在两个空间内；

对于被测对象所在空间，光源设在该空间内；

对于成像系统所在空间，成像系统包括高灵敏度相机及其镜头；高灵敏度相 机的镜头是抗色散镜头，在镜头与相机之间设有可进行波段扫描的滤光器件；镜 头指向隔光板上的观察孔；高灵敏度相机通过该观察孔采集被测对象的图像；

所述高灵敏度相机的数据输出端连接图像处理与检测运算单元的数据输入 端；图像处理与检测运算单元的显示信号输出端连接显示单元的显示信号输入 端；图像处理与检测运算单元的数据信号输出端连接外部设备接口。

所述光室是能够遮挡环境杂散光的不透明的、且内部由低反射率材质表面构 成的密闭空间。

所述被测对象所在空间位于光源所在空间的上方；

所述成像系统和被测对象分别在隔光板的观察孔所在位置的正上方和正下 方；

所述光源应满足亮场均匀照明，可采用环形光源或多个对称分布的光源，分 别位于被测对象周围的上方；

光源照明的角度应满足：均匀覆盖被测对象的同时，避免入射光与观察孔关 于被测对象表面呈镜面对称，从而导致大量镜面反射光成分进入镜头及镜头后的 成像系统；此处“入射光”就是指光源照射到被测对象上的光线。该技术方案的 目的在于只要漫反射光进入观察孔，而镜面反射光排除在观察孔外。

所述被测对象在载物台上。

在高灵敏度相机采集被测对象的图像过程中，成像系统与被测对象之间的位 置相对静止。

所述可进行波段扫描的滤光器件是：

对同一场景按照波长进行扫描的滤光器件；或者，对在所有被测波段上按照 空间坐标进行扫描的分光器件。

所述高灵敏度相机的数据输出端与图像处理与检测运算单元的数据输入端 之间通过有线电缆或无线传输连接。

所述光源包括紫外光源、或可见光光源、或近红外及红外光源、或前述各波 段光源组合而成的复合光源。

图像运算与检测单元(12)根据成像系统采集输入的光谱图像进行数据分析 与可视化检测，具体过程包括：

a)先对输入的光谱图像进行预处理，选择针对检测指标的光谱波段图像， 并提取光谱图像中的相关有效区域；

再根据获得的相关有效区域的面积(通过载物台)动态调整被测对象姿态， 使相关有效区域的面积最大化；

b)对步骤a)得到的相关有效区域进行光谱与图像增强处理：通过光谱滤 波与图像滤波提高光谱图像中相关有效区域的数据质量，同时，对相关有效区域 进行腐蚀运算，除去因滤波算子造成相关有效区域边缘数据质量下降的部分；

c)对步骤b)得到的相关有效区域数据利用光谱数据预测模型进行对检测 目标进行可视化检测。

所述步骤a)的具体步骤是：

先根据背景与检测目标之间的差异实现图像分割，剔除图像中背景部分，仅 保留检测目标作为光谱图像中的相关区域；随后，对图像中的相关区域根据光谱 图像中各样本部分的光谱与图像特征，提取被测对象中脂肪、肌肉、淤血、高反 光区域，并根据检测指标需要选择相应的图像区域作为检测有效区域，即相关有 效区域；

然后通过动态调整被测对象的姿态，减小因检测目标表面形态与姿态与光源 几何位置造成表面高反光区域在光谱图像中的面积，来提高对检测目标检测的相 关有效区域面积。

可进行波段扫描的滤光器件，可以是对同一场景按照波长进行扫描的滤光器 件，例如在凝视型高光谱成像实现方式中的实现(如采用声光可调律光器 件，AOTF brimrose^TM400～1000nm)；也可以是对在所有被测波段上按照空间坐标 进行扫描的分光器件，例如在推帚型高光谱成像方式中的实现(在采用光栅分光 器件时，例如但不局限于OKSI^TM HyperScan-VNIR)。

成像系统根据所采用的成像单元的类型不同，可以选配能够进行空间运动的 反射镜，对被测目标进行空间扫描成像(例如采用OKSI^TM HyperScan-VNIR)； 也可以不配空间运动的反射镜，直接对被测目标进行光谱波段扫描(如采用 AOTF brimrose^TM声光可调滤镜时)。

本装置以图像方式给出待测目标检测指标结果在被测目标上的空间分布情 况与程度差异，检测指标是指反映肉品品质特征的单个基本指标，如含水率、水 活性、挥发性盐基氮含量、肉色、微生物计数、酸价、PH值等，或根据多个指 标得出的综合评价指标。空间分布情况指检测指标在被测对象上不同区域的数值 分布情况，区域的大小可以选择并调节，当区域覆盖整个被测对象时，检测结果 为一个数值即整个被测对象的检测平均值。检测结果数值可以以伪色彩方式呈 现，以不同颜色区分检测数值大小，配以色彩与数值对照说明，检测数值与色彩 对照方式可以选择并调节。

本发明的原理是，本装置由光室、图像处理与检测运算单元及显示单元组成。 其中光实内设有高光谱成像系统、检测样本载物台、光源及带有观察孔的隔光板。 高光谱成像系统由高灵敏度相机、可进行波段扫描的滤光器件以及抗色散镜头组 成。高光谱成像系统与图像处理与检测运算单元联接，传输高光谱图像数据与系 统控制信号。在图像处理与检测运算单元内进行高光谱图像的预处理、以及根据 预置的检测模型对被测样本进行检测判断计算，检测结果一方面通过显示单元以 图像方式显示在用户界面上，反映检测指标在被测样本上程度差异的空间分布情 况。根据预置检测模型的参数配置，可以对被测对象单次扫面数据进行多项检测 指标的运算，由用户在界面上切换不同指标的显示或显示多检测指标的综合评价 结果。另一方面检测结果或控制输出信号通过外部设备接口向外部其他设备传 输。

光源与被测对象空间形状与尺寸匹配，光源的波段根据检测需要配置紫外、 可见光、近红外及红外光源，或复合光源。光源的部分应确保被检测对象的图像 采集面亮度尽量均匀一致，并尽量避免阴影和耀斑。

载物台确保被测对象的检测工位定位，同时通过其在高度和载物表面的空间 倾斜调节运动确保被测对象与成像系统的相对位置符合设计要求。在图像采集过 程中，载物台与成像系统之间保持相对静止。

有益效果

本发明可以对肉品对象进行快速、无损、非接触检测，提供肉品品质单项或 多项指标的综合检测结果。突破肉品品质传统感官、理化与微生物检测在主观性、 快速性及非破坏性方面的局限。

以多光谱图像检测作为基础，该检测设备依据肉品的内部成分差异所引起的 光子吸收频率变化进行品质检测，评价结果客观。

被检测面与检测装置之间没有接触，对样本没有破坏性，属于无损检测。

检测无需前处理，简化操作，节约时间。

一次扫面可以得到多项检测指标，对肉品品质检测可以综合多项指标做出准 确评价。

以可视化方式呈现检测结果，直观反映检测指标在被测对象检测面上的程度 差异的空间分布情况。比传统单个数值反映整个对象的表达方式更加接近肉品内 部组织成分非均匀性的实际情况。

本发明可以用于肉品的生产、加工、贮藏、运输及销售环节的快速、非接触 检验，由于检测过程中被测目标与成像系统之间没有相对运动消除振动噪声影 响，检验结果准确、客观，表达方式直观，从而为肉品的生产、贮藏、运输与销 售环节中质量安全监管提供保障手段。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

光室(1)、高灵敏度相机(2)、滤光器件(3)、抗色散镜头(4)、带有观察 孔的隔光板(5)、被测对象(6)、载物台(7)、光源(8)、数据传输与系统控制 通道(10)、外部设备接口(11)、图像处理与检测运算单元(12)、显示单元(13)。

具体实施方式

一种基于静态高光谱成像系统的肉品品质可视化检测装置，包括光室、成像 系统、图像处理与检测运算单元和显示单元；

光室是不透光空间；光室内部设有高灵敏度相机、被测对象和光源；

光室包括相互独立的两个空间，两个空间之间设有带有观察孔的隔光板；成 像系统与被测对象分别设在两个空间内；

对于被测对象所在空间，光源设在该空间内；

对于成像系统所在空间，成像系统包括高灵敏度相机及其镜头；高灵敏度相 机的镜头是抗色散镜头，在镜头与DDC之间设有可进行波段扫描的滤光器件； 镜头指向隔光板上的观察孔；高灵敏度相机通过该观察孔采集被测对象的图像；

所述高灵敏度相机的数据输出端连接图像处理与检测运算单元的数据输入 端；图像处理与检测运算单元的显示信号输出端连接显示单元的显示信号输入 端；图像处理与检测运算单元的数据信号输出端连接外部设备接口。

所述光室是能够遮挡环境杂散光的不透明的、且内部由低反射率材质表面构 成的密闭空间。

所述被测对象所在空间位于光源所在空间的上方；

所述成像系统和被测对象分别在隔光板的观察孔所在位置的正上方和正下 方；

所述光源应满足：亮场均匀照明，分别位于被测对象周围的上方；

光源照明的角度应满足：均匀覆盖被测对象，同时避免入射光与观察孔关于 被测对象表面呈镜面对称；

所述被测对象在载物台上。

在高灵敏度相机采集被测对象的图像过程中，成像系统与被测对象之间的位 置相对静止。

所述可进行波段扫描的滤光器件是：

对同一场景按照波长进行扫描的滤光器件；或者，对在所有被测波段上按照 空间坐标进行扫描的分光器件。

所述高灵敏度相机的数据输出端与图像处理与检测运算单元的数据输入端 之间通过有线电缆或无线传输连接。

所述光源包括紫外光源、或可见光光源、或近红外及红外光源、或复合光源。

图像运算与检测单元采用可视化检测软件根据成像系统采集输入的光谱图 像进行数据分析与可视化检测。其具体过程是：

a)对输入的光谱图像进行预处理，选择针对特定检测指标的光谱波段图像， 并提取光谱图像中相关有效区域。并根据获得的有效区域面积动态调整载物台姿 态，使有效区域面积最大化。其具体步骤是根据背景与检测目标之间的差异实现 图像分割，剔除图像中背景部分，仅保留检测目标作为光谱图像中的相关区域。 随后，对图像中的相关区域根据光谱图像中各样本部分的光谱与图像特征，提取 检测目标中脂肪、肌肉、淤血、高反光区域。并根据检测指标需要选择相应的图 像区域作为检测有效区域。同时，由于图像中的高反光区域受到光源、检测目标 表面质量与姿态有关，通过通过载物台动态调整检测目标的姿态，减小因检测目 标表面形态与姿态与光源几何位置造成表面高反光区域在光谱图像中的面积，以 提高对检测目标检测的有效区域面积。

b)对a)步骤得到的光谱图像相关有效区域进行光谱与图像增强处理，通过光 谱滤波与图像滤波提高光谱图像中相关有效区域的数据质量。并根据所采用滤波 方法对相关有效区域进行腐蚀运算，除去滤波算子对有效区域边缘数据质量下降 的部分。

c)对b)步骤得到的相关有效区域数据利用光谱数据预测模型进行对检测目 标进行可视化检测。

下面结合一种实施例和附图详细说明本发明，但本发明的实施方式并不仅限 于此种实施方式。

如图1所示，采用Pulnix TM1327作为高灵敏度相机，

Brimrose NR.55-1.0AOTF声光可调滤光器件(带射频控制器)作为可进行 波段扫描的滤光器件，采用Nikkor AF-S 17-35mm f/2.8D IF-ED镜头作为抗色 散镜头(4)，

采用联想Idea Center K330作为图像处理与检测计算单元(12)，

通过其千兆网卡与Pulnix TM1327相连，并通过其串口控制AOTF声光可调 滤光器件的射频控制器连接，

利用Idea Center K330的网络接口作为外部设备接口(11)，

利用Idea Center K330的显示器作为显示单元，

采用3只卤素灯作为光源，

将被测目标置于玻璃表面的载物台上，

利用中心开孔的人造板作为带中心观察孔的遮光板，

整个光室采用从房顶垂下的至地面的不透光布帘围成。