稻米胶稠度的图像测量方法

摘要

本发明公开了一种稻米胶稠度的图像测量方法，包括如下步骤：制作设有试管摆放区域的背景板，将背景板放在水平操作台上；将若干根装有待测稻米所形成的冷却后米胶的试管放入试管摆放区域，利用拍照仪器对背景板上的试管进行拍照；利用拍照所得结果测算稻米的胶稠度；测算由如下四个功能模块完成：功能模块①：将照片转换成二值数值矩阵；功能模块②：依据功能模块①所得的二元数值矩阵判断每个试管摆放区域内的每个试管的位置；功能模块③：依据功能模块②所得的每个试管摆放区域内的每根试管的位置，计算位于每个试管内的米胶的虚拟长度；功能模块④：依据功能模块③所得的每个试管内的米胶的虚拟长度根据对应的标尺算出样品的胶稠度结果。

说明书

技术领域

本发明属于食品检测领域，涉及稻米的胶稠度测量方法，具体为一种利用图像技术测量 稻米胶稠度的方法。

背景技术

稻米是我国重要的粮食作物，随着生活水平的日益提高，人们对稻米的食味品质的要求 越来越高。胶稠度(gelconsistency，GC)是稻米的主要品质指标。稻米粉样经稀碱热糊化后 形成米胶，冰水浴冷却后的米胶在水平放置的试管中作缓慢流动延伸，其米胶总长度称为胶 稠度，可以测量求得。国内外文献报道了胶稠度的大小直接与米饭的软硬度相关。根据米胶 长度可将胶稠度分为三类：硬胶稠度(≤40mm)、中胶稠度(41～60mm)、软胶稠度(≥61 mm)。软胶稠度的米饭较为柔软可口，冷却后仍保持柔软且不变硬；而硬胶稠度的米饭的硬 度较大、干燥易裂，冷却后硬度更大，食味不佳。因此，胶稠度与米饭的柔软性、适口性、 冷饭质地等密切关联，胶稠度的准确、快速测量对稻米食味品质的评价有着重要的意义。

作为稻米常规品质指标，胶稠度的测定已有国家标准(GB/T22294-2008、GB/T 17891-1999)用以执行。标准中，胶稠度的测定步骤包括试样的制备、制备样品水分测定、 溶解样品、制胶、测量米胶长度等。目前为止，测量胶稠度全靠检测人员的目测，即将试管 置于垫有刻度纸的水平台上静置，目测自管底至米胶前沿的长度，以毫米(mm)表示。用目 测的方法来测量米胶长度，主要有两点不足：首先，检测人员的目测带有主观性的估算，结 果易受人员的生理和心理状态的影响，不具客观性、绝对性、唯一性；再者，当大批量样品 处于在检状态时，由检测人员进行目测需要耗费比较长的时间。在如今这个信息化、图像化 的时代，一种更为快捷、准确、科学的方法急需开发以用于稻米胶稠度的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种稻米胶稠度的图像测量方法，本发明旨在利用图像 技术的耗时少、操作简便的优点，提供一种快速且准确的方法来替代目前常规的目测。本发 明并不改变稻米样品的前处理和形成米胶的操作，而仅是用于测量米胶长度。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种稻米胶稠度的图像测量方法，包括如下步骤：

1)、背景板的制作：

背景板为A4大小的白色背景板，在背景板上设有相互平行且保持间距的3个标尺，2个相 邻标尺之间的区域为用于摆放试管的试管摆放区域；

2)、水平操作台的布置：

将上述背景板放在水平操作台上；

备注说明：背景板一般为纵向摆放，水平操作台上可放若干个背景板；

3)、拍照仪器(相机或手机)的位置确定：

拍照仪器的镜头距离背景板至少30cm的高度(一般控制为30～50cm)，且使拍照仪器的镜 头的中心点对齐白色背景板的中心点；

4)、试管的摆放及照片的获取：

将若干根装有待测稻米所形成的冷却后米胶的试管立即进行以下操作：放入试管摆放区 域，试管的轴心线与标尺相平行；在一个试管摆放区域内设置两列相互间隔的试管组，每个 试管组内的试管相互紧贴(即，每个试管组内相邻的2根试管之间不留空隙)；

自冷却后米胶在室温下放置1小时后，利用步骤3)所述的拍照仪器对背景板上的试管同 时进行拍照；

5)、利用步骤4)拍照所得结果测算稻米的胶稠度：

所述测算由如下四个功能模块完成：

功能模块①：将照片转换成二值数值矩阵；

功能模块②：依据功能模块①所得的二元数值矩阵判断每个试管摆放区域内的每列试管 组中的每个试管的位置(即，包括每列试管组中起始试管的位置及其余试管的位置；备注说 明：起始试管是指每列试管组中排在第一行(从上至下起算)的试管)；

功能模块③：依据功能模块②所得的每个试管摆放区域内的每根试管的位置，依次计算 位于每个试管内的米胶的虚拟长度；

功能模块④：依据功能模块③所得的每个试管内的米胶的虚拟长度根据对应的标尺 (20mm标尺)算出样品(待测稻米)的胶稠度结果。

作为本发明的稻米胶稠度的图像测量方法的改进：

所述步骤1)为：

白色背景板纵向放置，白色背景板上印有3条20mm黑色标尺，标尺Ⅰ位于距离白色背景 板上沿8mm处，标尺Ⅱ位于白色背景板正中央，标尺Ⅲ位于距离白色背景板下沿8mm处；

标尺Ⅰ和标尺Ⅱ之间的区域形成一个试管摆放区域(命名为试管摆放区域1)，标尺Ⅱ和 标尺Ⅲ之间的的区域为另一个试管摆放区域(命名为试管摆放区域2)。

作为本发明的稻米胶稠度的图像测量方法的进一步改进：

所述步骤4)中：每个试管摆放区域内的每列试管组最多放置8根试管；即，白色背景板 最多放置32根试管；

拍摄的照片尺寸大小控制为800×600像素。

作为本发明的稻米胶稠度的图像测量方法的进一步改进：

所述步骤5)具体如下：

功能模块①：将800×600像素的照片转换成二元数值矩阵；

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：每张800×600像素的照片，将其转换成800×600 (行数×列数)的二值数值矩阵，即矩阵中只有数值1和0；设定试管中蓝色米胶部分(即， 如图1所示为试管内的灰色部分)和标尺对应的二值数值矩阵位置上的数值为1，其余部分 的数值均为0；

功能模块②：根据功能模块①所得的二元数值矩阵判断每个试管摆放区域内的每列试管 组中的起始试管在照片中的位置(可通过找到每个试管摆放区域内的每列试管组排在第一行 的试管的上侧边缘而确定该起始试管的位置)；从而进一步确定每个试管摆放区域内的每列试 管组中的每个试管的位置；

备注说明：室温下，冷却后米胶顺着试管的长度延伸，蓝色米胶的宽度等同于试管的宽 度(直径)，试管的上侧边缘位置也就是蓝色米胶的上侧边缘位置；由于试管的直径固定，且 每列试管组中试管是间紧挨着的，即试管在矩阵中占据的行数量基本一致；因此根据起始试 管的位置，能进一步确定区域中32根试管的位置。

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：在二值数值矩阵中，区域1的位置为第40行到 400行，区域2的位置为第425行到760行，其余的行数则分布有3个标尺的位置。每根试 管在矩阵中占据了35行，也就是试管的状态由35行的数值表示出来。区域1中第1列第1 根试管的上侧边缘，就是二值数值矩阵中在第40行到400行、第1列到300列中第一次出现 数值1的行数。从该行数开始，第一个35行表示第1列第1根试管即起始试管，接着的第二 个35行表示第1列第2根试管，再接着的第三个35行表示第1列第3根试管……依次类推， 确定了第1列的8根试管位置。区域1中第2列第1根试管的上侧边缘，就是二值数值矩阵 中在第40行到400行、第301列到600列中第一次出现数值1的行数；再根据第1列的方法 找出第2列的起始试管及其余试管位置。同理可计算出区域2中的所有试管位置。

功能模块③：根据功能模块②所得的每个试管摆放区域内的每根试管的位置，依次计算 位于每个试管内的米胶的虚拟长度：

在每根试管中，找到横向蓝色米胶的最左端和最右端，计算蓝色米胶的虚拟长度，即米 胶在数值矩阵中占据的列数量；

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：在二值数值矩阵中，每根试管对应的35行300 列中，找到首次和末次出现数值1的第i列和第j列，则该试管中米胶的虚拟长度x(以列 数为单位)的计算公式为x＝j–i+1。同理可得所有试管的虚拟长度。

功能模块④：根据标尺的虚拟长度和实际长度，计算蓝色米胶的实际长度即胶稠度，以 毫米mm为单位；当拍照仪器(相机或手机)位置固定且水平时，每张照片中每个标尺的虚拟 长度均相同；

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：在二值数值矩阵中，标尺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的位置分 别为第21行至30行、第411行至420行、第771行至780行。参考模块③中，在标尺位置 内找到出现数值1的列数量，即计算出标尺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的虚拟长度分别为y₁、y₂、y₃。标尺 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的虚拟长度分别为y₁、y₂、y₃。区域1内的米胶实际长度(用y表示，单位mm)以 y₁和y₂的平均值作为实际长度20mm计算所得，米胶实际长度计算公式为y＝40x/(y₁+y₂)； 区域2内的米胶实际长度以y₂和y₃的平均值作为实际长度20mm计算所得，米胶实际长度计 算公式为y＝40x/(y₂+y₃)。当本法中的相机或手机位置固定且水平时，y₁＝y₂＝y₃，故区域 中的米胶实际长度计算公式为y＝20x/y₁。

在本发明中：

步骤3)，将拍照仪器(相机或手机)固定在离白色背景板超过30cm的悬空处，其中心点 与背景板的中心点基本对齐，调至水平，可通过对焦、缩放等操作使得背景板刚好完全置于 镜头画面中。

步骤5)中：方法的软件测算代码，可依据四个模块设置相应的命令组成，用于计算稻 米样品的胶稠度。

本发明中的试管，直径12.8mm，长度100mm。

本发明主要涉及利用图像技术测量米胶长度即胶稠度。本发明的方法包括实施步骤和用 于软件测算的四个模块。所述实施步骤，用于方法的具体操作条件、流程；所述软件测算的 四个模块，用于计算并获得稻米样品的胶稠度结果。

采用本发明的技术方案具有如下技术优势：

1、本技术具有客观性、绝对性。本技术不受检测人员的生理和心理状态的影响，获得的 胶稠度结果不会带入主观性偏差。

2、本技术具有快速、便捷的特点。本技术应用到稻米样品胶稠度的实际测定时，尤其是 大批量样品的情况下，速度和效率远远大于传统的目测法。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为稻米胶稠度的图像测量方法的实施步骤的示意图。

图中a为已制作完毕的背景板；b为水平操作台的布置和相机的位置状态以及试管的摆 放情况；c为拍摄获得的照片；d为利用Matlab软件，依据四个功能模块(例如为输入软件 测算代码)以计算胶稠度。

备注说明：图b、图c中，试管中米胶的实际颜色为蓝色。

图2为具体实施时拍摄的照片。图中A为实施例1的照片；B为实施例2的照片。

具体实施方式

本发明的技术方案具体如下：

一、稻米胶稠度的图像测量方法的实施步骤：

本方法的实施步骤(参见图1)具体如下：

1.背景板的制作：用塑料或硬纸裁剪成A4纸大小的白色背景板，纵向放置，板上印有 3条20mm黑色标尺，3条标尺位置分别在离上沿8mm处(标尺Ⅰ)、正中央(标尺Ⅱ)、离 下沿8mm处(标尺Ⅲ)。板上有两个用于摆放试管的区域，区域1位于标尺Ⅰ和标尺Ⅱ之间 的空白处，区域2位于标尺Ⅱ和标尺Ⅲ之间的空白处。

2.水平操作台的布置：将背景板垫在水平操作台上，纵向摆放。水平操作台上可放若干 个背景板。

3.拍照仪器(相机或手机)的位置确定：将相机或手机固定在离白色背景板超过30cm的 悬空处，其中心点与背景板的中心点基本对齐，调至水平，可通过对焦、缩放等操作使得背 景板刚好完全置于镜头画面中。

4.试管的摆放及照片的获取：稻米样品放入试管(直径12.8mm，长度100mm)已按照 GB/T22294-2008完成样品的前处理和米胶的形成，将试管平置于水平操作台上背景板的区域 1和区域2。试管横向放置，试管与背景板的上下端平行，试管不超出区域范围。每个区域平 行放2列(中间线的左右两侧各放1列)，每列最多8根试管(背景板上最多可放32根试管)。 试管与试管必须紧挨着，不要留空隙。静置1h后，按下相机或手机获取照片。

5.胶稠度结果的测算：通过本发明所述的用于测算的四个模块(可通过在Matlab软件中 输入自定义的测算代码实现)，获得照片中每根试管的蓝色米胶长度即胶稠度。

二、稻米胶稠度的图像测量方法测算：

本发明所述的用于测算的四个模块(可利用Matlab软件自定义本法测量胶稠度的代码， 该测算代码用于计算照片中32根试管的米胶长度即32个样品的胶稠度)具体如下：

模块①——每次拍摄的照片尺寸大小控制统一(800×600像素)，将照片转换成数值矩阵。

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：每张800×600像素的照片，将其转换成800×600 (行数×列数)的二值数值矩阵，即矩阵中只有数值1和0。设定试管中蓝色米胶部分和标尺 对应的二值数值矩阵位置上的数值为1，其余部分的数值均为0。

模块②——判断起始试管(各区域内每列第1根试管)在照片中的位置，通过找到区域 内每列第1根试管的上侧边缘而确定该起始试管的位置。蓝色米胶是顺着试管延伸，其宽度 等同于试管的宽度(直径)，试管的上侧边缘位置也就是蓝色米胶的上侧边缘位置。试管的直 径固定，且试管间紧挨着，即试管在矩阵中占据的行数量基本一致。根据起始试管的位置， 进一步确定区域中32根试管的位置。

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：在二值数值矩阵中，区域1的位置为第40行到 400行，区域2的位置为第425行到760行，其余的行数则分布有3个标尺的位置。每根试 管在矩阵中占据了35行，也就是试管的状态由35行的数值表示出来。区域1中第1列第1 根试管的上侧边缘，就是二值数值矩阵中在第40行到400行、第1列到300列中第一次出现 数值1的行数。从该行数开始，第一个35行表示第1列第1根试管即起始试管，接着的第二 个35行表示第1列第2根试管，再接着的第三个35行表示第1列第3根试管……依次类推， 确定了第1列的8根试管位置。区域1中第2列第1根试管的上侧边缘，就是二值数值矩阵 中在第40行到400行、第301列到600列中第一次出现数值1的行数；再根据第1列的方法 找出第2列的起始试管及其余试管位置。同理可计算出区域2中的所有试管位置。

模块③——在每根试管中，找到横向蓝色米胶的最左端和最右端，计算蓝色米胶的虚拟 长度，即米胶在数值矩阵中占据的列数量。

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：在二值数值矩阵中，每根试管对应的35行300 列中，找到首次和末次出现数值1的第i列和第j列，则该试管中米胶的虚拟长度x(以列 数为单位)的计算公式为x＝j–i+1。同理可得所有试管的虚拟长度。

模块④——根据标尺的虚拟长度和实际长度，计算蓝色米胶的实际长度即胶稠度，以毫 米mm为单位。当本法中的相机或手机位置固定且水平时，每张照片中每个标尺的虚拟长度 均相同。

本模块中，Matlab软件内的计算规则为：在二值数值矩阵中，标尺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的位置分 别为第21行至30行、第411行至420行、第771行至780行。参考模块③中，在标尺位置 内找到出现数值1的列数量，即计算出标尺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的虚拟长度分别为y₁、y₂、y₃。区域1 内的米胶实际长度(用y表示，单位mm)以y₁和y₂的平均值作为实际长度20mm计算所得， 米胶实际长度计算公式为y＝40x/(y₁+y₂)；区域2内的米胶实际长度以y₂和y₃的平均值作 为实际长度20mm计算所得，米胶实际长度计算公式为y＝40x/(y₂+y₃)。当本法中的相机或 手机位置固定且水平时，y₁＝y₂＝y₃，故区域中的米胶实际长度计算公式为y＝20x/y₁。

实际使用时，注意以下几点：

1、当检测稻米样品的胶稠度时，检测人员首次用稻米胶稠度的图像测量方法，应严格按 照实施步骤的五个步骤进行，完毕后，背景板、水平操作台和相机或手机的位置可保持不变。 当检测人员再次进行检测时，可直接开展本法的步骤4、5而获得胶稠度结果。

2、本发明所述的四个功能模块(可依据软件编制测算代码))最终得到的是32个结果数 据。当样品试管数量N未达到最大量(N<32)时，32个结果中有N个大于零的胶稠度值， 剩余的32-N个均为零值。

3、本发明所述的图像测量法实施步骤中，背景板的制作是整个方法的前提和基础，步骤 3和步骤4都是关键步骤，需严格执行。

实验1、用目测法和本发明中的图像测量方法检32个不同品种稻米样品的胶稠度(不进 行重复试验)，比较两者结果的差异。实验操作如下：

(1)稻米样品的前处理和形成米胶的操作按照国家标准(GB/T22294-2008)：称取100mg 稻米样品置于试管内，加入0.2mL0.025％百里酚蓝指示剂，在振荡器上振荡5s，使样品充分 润湿；再加入2mL0.200mol/L氢氧化钾溶液，并摇动试管；将试管放入沸水浴中，用玻璃球 盖好试管口，根据沸腾情况，用吹风机吹来控制沸腾的米胶高度保持在试管长度的三分之二 左右；8min后取出试管，取下玻璃球，在室温下冷却5min后，再将试管放在冰浴中冷却20min。 即，形成了位于试管内的米胶。

备注说明：目前现有的目测法为：在室温25℃下，将试管置于垫有刻度纸的水平操作台 上静置1h，目测米胶长度获得胶稠度结果(见表1)。

(2)稻米胶稠度的图像测量方法中步骤1、2、3完毕后，将(1)中的试管平移至背景板 上，按照步骤4正确摆放后拍得照片(见图2A)，最后通过测算获得胶稠度结果(见表1)。

表1、两个方法获得的样品胶稠度结果

注：表中从上至下的胶稠度为照片中对应位置试管的结果。

由表1可知，目测法和图像测量方法分别获得的胶稠度相差均小于3mm，根据标准(GB/T 22294-2008)中规定的误差在7mm以内，因此本发明图像测量方法是有效且准确的。本法的 软件测算代码能在1至2秒内计算出32个胶稠度结果，而检测人员目测一个胶稠度结果至少 需要2秒，说明本法能达到快速测量的效果，其检测的速度和效率高于目测法。

实验2、用本发明中稻米胶稠度的图像测量方法检测24个不同品种稻米样品的胶稠度(不 进行重复试验)。检测人员直接按照本法的步骤4拍得照片(见图2B)，然后通过软件测算获 得全部胶稠度结果(见表2)。

表2、两个方法获得的24个样品胶稠度结果

注：表中从上至下的胶稠度为照片中对应位置试管的结果。

由表2可得，区域2中有8个胶稠度结果和8个零值，与照片摆放的试管位置相一致， 零值表示空余了8个试管的位置。本次计算胶稠度结果花了约1秒，表明本法在样品数量越 多的情况下越能体现其效率高的特点。

采用常规的目测法对本例所述的24个样品进行检测，所得的胶稠度结果与本发明图像测 量方法的结果相差在0.4mm到3.1mm的范围内，符合标准中“误差在7mm以内”的要求， 再次说明本发明图像测量方法是有效且准确的。本例所述的24个稻米样品品种与实施例1中 的32个稻米样品品种并不相同，从而证明本发明的方法对任何品种的稻米均具有通用性。

对比例1、将本发明稻米胶稠度的图像测量方法的实施步骤3中的“相机的中心点与背 景板的中心点基本对齐”不作要求，本例中相机的中心点偏离背景板中心约3厘米；其余等 同于本发明；对实验1中的32个样品进行检测。本例中已作改变的图像法和常规目测法所获 得的样品胶稠度对比情况见表3。

表3目测法和改变的图像法获得的样品胶稠度结果

由表3可得，用改变后的图像法所得的结果中有3个大于100mm，而稻米胶稠度的最大 值为100mm(试管的总长度)，显而易见，其结果值已经失真。32个样品中，只有3个胶稠 度较低的样品用两个方法得到的胶稠度相差值并未超过7mm，此外29个样品的结果相差则 均超过7mm，不符合标准中“误差在7mm以内”的要求，也就是改变后的图像法计算所得 的胶稠度结果偏差太大。本例反面证明了实施步骤3中的“相机的中心点与背景板的中心点 基本对齐”是十分重要的步骤，不可改变。

对比例2、将本发明稻米胶稠度的图像测量方法的实施步骤4中的“试管横向放置，试 管与背景板的上下端平行，试管不超出区域范围”改成“试管与背景板的上下端成一定的夹 角，置于背景板的区域范围内”；其余等同于本发明；对实验1中的32个样品进行检测。本 例中已作改变的图像法和常规目测法所获得的样品胶稠度对比情况见表4。

表4目测法和改变的图像法获得的样品胶稠度结果

由表4可得，用改变后的图像法与常规目测法所得的结果相差超过7mm的比例高达 93.8％，即绝大多数不符合标准中“误差在7mm以内”的要求，说明改变后的图像法计算所 得的胶稠度结果严重偏低。本例反面证明了实施步骤4中的“试管横向放置，试管与背景板 的上下端平行，试管不超出区域范围”是本发明的重要步骤，不可改变。

对比例3、将本发明稻米胶稠度的图像测量方法的实施步骤4中的“每列试管组中试管 与试管必须紧挨着，不要留空隙”不作要求，本例的每列试管组中试管与试管间留有1mm 空隙；其余等同于本发明；对实验1中的32个样品进行检测。本例中已作改变的图像法和常 规目测法所获得的样品胶稠度对比情况见表5。

表5目测法和改变的图像法获得的样品胶稠度结果

由表5可得，用改变后的图像法所得结果与本发明图像法所得结果(表1中图像法的结 果)进行对比，发现区域1、2内第一行的胶稠度结果均相同，是由于测算模块中确定了试管 的起始位置。然而，后面样品胶稠度结果发生变化是因为试管之间的空隙导致计算偏差，越 排在后面的样品胶稠度偏差越大。从各区域的第三行开始，改变后的图像法与常规目测法所 得的结果相差均超过7mm，即不符合标准中“误差在7mm以内”的要求。因此，本例反面 证明了实施步骤4中的“试管与试管必须紧挨着，不要留空隙”是本发明的重要步骤，不可 改变。

总而言之，本发明的稻米胶稠度的图像测量方法是一种快捷、准确测定稻米胶稠度的方 法。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导 出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。