基于機(jī)器視覺的注水豬肉檢測(cè)

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)人民主要肉食來源［1］，年人均豬肉占有量為30 kg以上，超過世界平均水平。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)，通過血液循環(huán)進(jìn)入肌肉，有毒物質(zhì)通過重復(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)的表面是無色玻璃的，方便光的透過。系統(tǒng)的軟件開發(fā)是通過VC++編寫的，VC++是微軟公司開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，就是使用C++的一個(gè)開發(fā)平臺(tái)。VC++適用開發(fā)高效，短小，輕量級(jí)的COM組件，可以開發(fā)優(yōu)秀的基于通信的程序，可以開發(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)傳輸無法傳輸?shù)膯栴}。由于圖像的讀入和顯示都是在內(nèi)存中完成的，正常過程中是看不到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)沒有VGA容易采購。

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。通過收集正常生鮮豬肉樣本在測(cè)試時(shí)留下的數(shù)據(jù)來確定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。

3.2 外加光源

由于在實(shí)際測(cè)量的過程中，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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