基于大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)堊白米的快速測(cè)定

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(1.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122; 2.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司,江蘇南京 210019)

大米是全球約50%人口的主糧,我國(guó)是世界上最大的大米生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1],根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院對(duì)大米行業(yè)研究報(bào)告的數(shù)據(jù),我國(guó)在2016年的大米產(chǎn)量為144850千噸,占世界稻谷年總產(chǎn)量的30%,全球排名第一。大米質(zhì)量安全關(guān)系到國(guó)人的生命健康,隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平提高,人們對(duì)大米的品質(zhì)提出了更高的要求[2-3]。

米粒的外觀是衡量大米品質(zhì)的重要因素[4],正常大米呈現(xiàn)透明狀,堊白是胚乳中含有的白色不透明部分,其不透明是由于淀粉粒排列疏松,顆粒間充氣,引起光折射所致[5]。稻米中堊白米的占有率是衡量稻米品質(zhì)的重要性狀之一,并直接影響稻米的質(zhì)量分級(jí)結(jié)果、外觀品質(zhì)、商品流通和大米的加工品質(zhì)[6-8]。堊白的有無(wú)、大小及堊白米率是水稻品種外觀品質(zhì)最重要的性狀。堊白米率越低,堊白無(wú)或小的水稻品種,其米質(zhì)越優(yōu)。

傳統(tǒng)的檢測(cè)堊白米的方法是通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測(cè)的,檢測(cè)人員從試樣中挑揀出白色不透明的米粒即為堊白米[9]。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堊白米的檢測(cè),其優(yōu)點(diǎn)在于這種方法具有仲裁性、簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)損環(huán)保,但耗費(fèi)人力、主觀性強(qiáng)、用時(shí)較長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)[10]。由于是人工肉眼觀察檢測(cè),溫度、光線、操作人員情緒等因素,都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,這種方法難以滿足快速、客觀、高效的檢測(cè)要求。

伴隨著基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像處理技術(shù)的專(zhuān)業(yè)化以及計(jì)算機(jī)軟硬件成本的逐漸下降,對(duì)大米質(zhì)量進(jìn)行分析的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用已十分廣泛[11-14]。王正[15]通過(guò)迭代式閾值算法得到最優(yōu)閾值,來(lái)分割大米的灰度圖像,得到大米堊白部分的位置和面積大小。王粵等[16]通過(guò)分析普通米與堊白米的不同直方圖分布,并對(duì)檢測(cè)出來(lái)的堊白米粒采用改進(jìn)的最大類(lèi)間方差法來(lái)進(jìn)一步分析其堊白率、堊白度等信息。申聰?shù)萚17]通過(guò)圖像處理軟件提出了一種稻米堊白度測(cè)定特征值提取的新算法,利用圖像處理軟件和積分學(xué)的相關(guān)理論計(jì)算稻米米粒的面積和堊白區(qū)域的面積,進(jìn)而計(jì)算稻米堊白度?；谟?jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)大米外觀品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),具有快速高效、客觀性強(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì),可以避免人工方法的主觀影響,并能夠?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)持久化,方便以后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行查詢、檢索[18]。本文以自制大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)裝置采集大米樣品圖像,并以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)堊白米的檢測(cè)為基礎(chǔ),結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù),優(yōu)化大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)堊白米的最佳識(shí)別閾值,用于對(duì)大米實(shí)際樣品進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

東北圓粒米、東北長(zhǎng)粒米 東北圓粒米為粳米,米粒長(zhǎng)度較短,東北長(zhǎng)粒米為粳米,米粒長(zhǎng)度較長(zhǎng),均購(gòu)自當(dāng)?shù)爻小?/p>

實(shí)驗(yàn)室自制的一種大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng) 江南大學(xué)食品學(xué)院。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)室自制的一種大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)裝置如圖1所示,主要由計(jì)算機(jī)、掃描設(shè)備、背景板和整列裝置構(gòu)成。其中計(jì)算機(jī)為L(zhǎng)enovo C560微型計(jì)算機(jī),掃描設(shè)備為L(zhǎng)enovo M7206W多功能一體機(jī),光學(xué)元件為CIS,光學(xué)分辨率為600×600 dpi,掃描設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接;背景板為黑色硬紙板材質(zhì),放置在掃描設(shè)備的蓋板內(nèi)側(cè),使掃描出的大米圖像背景呈現(xiàn)黑色,減小圖像背景干擾;整列裝置為定制孔板和嵌合在孔板下方的掃描底板,孔板為定制孔板,原材料選擇了鋁板,大小為297 mm×210 mm,長(zhǎng)圓孔數(shù)量為1085個(gè);掃描底板為高透明度、低反光、性能接近光學(xué)的浮法玻璃,尺寸為長(zhǎng)291 mm×寬209 mm×厚3 mm,并將玻璃板四個(gè)角用R=3 mm倒角磨好,讓其與孔板緊密貼合,便于米粒的分布和排列。

圖1 大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)裝置Fig.1 Rice appearance quality analysis system device注:a:計(jì)算機(jī);b:掃描設(shè)備;c:背景板;d:整列裝置。

1.2.2 人工法檢測(cè)堊白米 參照GB/T 1354-2018《大米》,稱(chēng)取一定量的大米樣品0～15 g,對(duì)大米樣品進(jìn)行計(jì)數(shù)(試樣粒數(shù)n0);挑揀出試樣中的堊白米粒并進(jìn)行計(jì)數(shù)(堊白米粒數(shù)n1)。堊白粒率(R)按式(1)計(jì)算,數(shù)值以百分?jǐn)?shù)(%)計(jì):

式(1)

式中:R:堊白粒率,%;n1:試樣中堊白米粒數(shù);n0:試樣總米粒數(shù)。

將堊白米粒平放,正視觀察,逐粒目測(cè)堊白投影面積占完整米粒投影面積的百分率,并計(jì)算其平均值,即為堊白米粒堊白大小(WD)的數(shù)值(%)。堊白度(D)按式(2)計(jì)算,數(shù)值以百分?jǐn)?shù)(%)計(jì):

式(2)

式中:D:堊白度,%;WD:堊白大小,%;n1:試樣中堊白米粒數(shù);n0:試樣總米粒數(shù)。

1.2.3 儀器法檢測(cè)堊白米 儀器法檢測(cè)堊白米即為采用實(shí)驗(yàn)室自制大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)大米樣品進(jìn)行測(cè)定,主要包括圖像采集和圖像分析兩個(gè)部分執(zhí)行。

1.2.3.1 圖像采集 首先將整列裝置按照定制孔板在上、掃描底板在下的順序嵌合,再稱(chēng)取一定量的大米0～15 g放置在孔板上,并輕輕晃動(dòng)整列裝置,使得大米顆粒均勻分散在各個(gè)孔洞中。然后將整列裝置輕放于掃描設(shè)備上,并移去上層孔板,合上設(shè)置有黑色背景材質(zhì)的掃描設(shè)備蓋板,對(duì)大米進(jìn)行圖像采集,并運(yùn)行大米樣品處理程序,對(duì)指定圖像分析處理。

1.2.3.2 圖像分析 首先將采集的大米圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像,去除彩色信息;用中值濾波去除噪聲,處理模板大小5×5;顯示圖像的灰度直方圖,調(diào)節(jié)灰度圖像的亮度,控制圖像的像亮度值;使用閾值變換法把灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像;采用雙閾值法對(duì)大米圖像進(jìn)行分割,選取背景閾值將背景與大米進(jìn)行分離;堊白部分的灰度值要大于其他部分灰度值,選取堊白閾值將正常米和堊白米粒進(jìn)行分離;構(gòu)造結(jié)構(gòu)元素,對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕膨脹;按照連通區(qū)域法進(jìn)行大米區(qū)域統(tǒng)計(jì)、堊白區(qū)域統(tǒng)計(jì),并輸出大米總數(shù)、堊白米數(shù)量、大米像素面積、堊白像素面積,用堊白米數(shù)量除以大米數(shù)量計(jì)算堊白粒率,堊白像素面積除以大米像素面積計(jì)算堊白度。

2 結(jié)果與分析

2.1 堊白米粒圖像分析結(jié)果

以東北圓粒米為樣品的大米圖像經(jīng)過(guò)堊白米檢測(cè)程序處理結(jié)果如圖2所示,堊白檢測(cè)程序?qū)σ环竺讏D像分析處理平均時(shí)間為5 s,圖像分析計(jì)數(shù)快速;所得數(shù)量結(jié)果呈現(xiàn)在命令行窗口中,堊白米像素面積:73231,大米像素總面積:1857397,堊白度:3.9%,堊白米粒數(shù)量:50,大米顆粒總數(shù):312,堊白粒率:16.0%;表明大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)堊白米的檢測(cè)具有可行性。

圖2 堊白米粒圖像處理過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of chalky rice image processing注:a:原圖;b:灰度圖;c:濾波圖;d:閾值分割去背景圖;e:去背景后二值化圖;f:閾值分割堊白區(qū)域;g:堊白區(qū)域二值化;h:連通區(qū)域統(tǒng)計(jì);i:堊白區(qū)域統(tǒng)計(jì);圖中(a)是原圖;(b)灰度圖是通過(guò)rgb2gray函數(shù)消除圖像色調(diào)和飽和度信息同時(shí)保留亮度實(shí)現(xiàn)將真彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度強(qiáng)度圖像所得;(c)中值濾波圖是通過(guò)medfilt2函數(shù)消除圖像噪聲,對(duì)脈沖噪聲有良好的濾除作用;(d)閾值分割去背景圖是通過(guò)imadjust函數(shù)調(diào)整灰度圖像的灰度范圍并調(diào)整亮度,將大米從背景中分割出來(lái);(e)去背景后二值化圖是通過(guò)im2bw函數(shù)使用閾值變換法,將圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像;(f)閾值分割堊白區(qū)域圖是通過(guò)imadjust函數(shù)調(diào)整圖像的像亮度值,將堊白部分從大米中分割出來(lái);(g)堊白區(qū)域二值化是通過(guò)im2bw函數(shù)使用閾值變換法,將圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像;(h)連通區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到大米總數(shù),(i)堊白區(qū)域統(tǒng)計(jì)得到堊白米數(shù)量。

2.2 確定檢測(cè)堊白米的閾值區(qū)間

堊白閾值是通過(guò)灰度值進(jìn)行區(qū)分的,堊白部分的灰度值要大于其他部分灰度值。即以灰度值為堊白米的判別指標(biāo)時(shí),若米粒的灰度值大于設(shè)定堊白閾值,米粒被認(rèn)為是堊白米;米粒的灰度值小于設(shè)定堊白閾值時(shí),米粒被認(rèn)為是正常米。為了能準(zhǔn)確得出堊白米粒檢測(cè)結(jié)果,需要優(yōu)化堊白檢測(cè)的閾值。

實(shí)驗(yàn)選取5組梯度樣品,記為樣本1～5,使得米粒數(shù)分別為100、200、300、400、500顆。用人工法挑揀正常大米和堊白米,在正常大米中混入堊白米,使堊白粒率分別為100%、80%、60%、40%、20%、0%。每組不同梯度樣品分別平行三次。調(diào)試檢測(cè)程序閾值,在0.35、0.45、0.55、0.65、0.75、0.85、0.95這7個(gè)閾值進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,5組梯度樣品在不同閾值測(cè)定下的結(jié)果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。即隨著閾值的增大,灰度值越大,儀器檢測(cè)到的堊白顆粒數(shù)量越少。表明以灰度值作為堊白閾值具有可行性,呈現(xiàn)的下降趨勢(shì)便于確定具有唯一的閾值分割堊白米。

圖3 不同閾值下的堊白米顆粒數(shù)結(jié)果Fig.3 Number of chalky rice under different thresholds注:a:堊白粒率100%;b:堊白粒率80%;c:堊白粒率60%;d:堊白粒率40%;e:堊白粒率20%;f:堊白粒率0%。

用人工挑揀法得出樣品的實(shí)際堊白顆粒數(shù)值,并與大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)在不同閾值下檢測(cè)堊白米的顆粒數(shù)結(jié)果比較。實(shí)驗(yàn)選取6組樣本,使得堊白米數(shù)量分別為50、100、150、200、250、300顆,用裝置系統(tǒng)采集圖像。由于堊白米的堊白位置在背白、心白、腹白處,圖像采集到的僅為米粒的單面圖像,為了減少實(shí)驗(yàn)誤差,對(duì)每組樣本采集圖像平行三次。大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)不同閾值下測(cè)定堊白米數(shù)量結(jié)果與人工法測(cè)定結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)閾值在0.35～0.45之間時(shí),大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)測(cè)定堊白米數(shù)量與人工法所得堊白米數(shù)量差值最小,表明檢測(cè)堊白米的最佳閾值在此區(qū)間。

圖4 儀器法與人工法測(cè)定堊白米結(jié)果Fig.4 Determination results of chalky rice by instrument and artificial method注:a:堊白米50顆;b:堊白米100顆;c:堊白米150顆;d:堊白米200顆;e:堊白米250顆;f:堊白米300顆。

為了縮小檢測(cè)堊白米的閾值區(qū)間,設(shè)定堊白檢測(cè)的閾值為0.35、0.40、0.45,實(shí)驗(yàn)選取6組樣本,其中堊白米數(shù)量分別為50、100、150、200、250、300顆,用裝置系統(tǒng)采集圖像,實(shí)驗(yàn)平行三次。儀器法測(cè)定堊白米數(shù)量結(jié)果與人工法測(cè)定結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)在不同閾值下測(cè)定堊白米數(shù)量與人工法測(cè)定結(jié)果具有顯著性差異,故需進(jìn)一步縮小檢測(cè)堊白米的閾值區(qū)間;由圖5可知,在0.35閾值處儀器法與人工法測(cè)定結(jié)果差值比0.40、0.45閾值處測(cè)定結(jié)果差值大,可得縮小的閾值區(qū)間在0.40～0.45之間。

圖5 儀器法與人工法測(cè)定堊白米結(jié)果Fig.5 Determination results of chalky rice by instrument and artificial method注:a:堊白米50顆;b:堊白米100顆;c:堊白米150顆;d:堊白米200顆;e:堊白米250顆;f:堊白米300顆;圖中標(biāo)注的不同字母表示組間差異顯著(P<0.05)。

2.3 確定檢測(cè)堊白米的最佳閾值

為了確定大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)測(cè)定堊白米的最佳閾值,實(shí)驗(yàn)選取6組樣本,其中人工法測(cè)得堊白米數(shù)量分別為250、300、350、400、450、500顆。用裝置系統(tǒng)采集圖像,實(shí)驗(yàn)平行三次。設(shè)定大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)檢測(cè)堊白的閾值為0.40、0.41、0.42、0.43、0.44、0.45,測(cè)得的堊白米數(shù)量結(jié)果與人工法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)閾值在0.42、0.43、0.44時(shí),大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)測(cè)定堊白米結(jié)果與人工法測(cè)定結(jié)果差值較小,表明儀器法檢測(cè)堊白米的最佳閾值在0.42、0.43和0.44處。

圖6 儀器法與人工法測(cè)定堊白米結(jié)果Fig.6 Determination results of chalky rice by instrument and artificial method注:a:堊白米250顆;b:堊白米300顆;c:堊白米350顆;d:堊白米400顆;e:堊白米450顆;f:堊白米500顆;圖中標(biāo)注的不同字母表示組間差異顯著(P<0.05)。

為進(jìn)一步確定大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)測(cè)定堊白米的最佳閾值,實(shí)驗(yàn)選取10組樣本,其中人工法測(cè)得堊白米數(shù)量分別為50、100、150、200、250、300、350、400、450、500顆。設(shè)定大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)檢測(cè)堊白米的閾值為0.42、0.43、0.44,測(cè)定堊白米數(shù)量,并與人工法檢測(cè)堊白米數(shù)量結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示,設(shè)定檢測(cè)堊白米的閾值為0.42時(shí),測(cè)定堊白米數(shù)量誤差較大,絕對(duì)誤差為16～36顆,相對(duì)誤差為4.8%～32.0%;設(shè)定檢測(cè)堊白米的閾值為0.43時(shí),測(cè)定堊白米數(shù)量誤差較小,絕對(duì)誤差為-20～24顆,相對(duì)誤差為-5.3%～4.0%;設(shè)定檢測(cè)堊白米閾值為0.44時(shí),測(cè)定堊白米數(shù)量誤差較大,絕對(duì)誤差為-41～-3顆,相對(duì)誤差為-9.1%～-3.0%。結(jié)果表明,大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)檢測(cè)堊白米的閾值設(shè)定在0.43處時(shí),測(cè)定堊白米較為準(zhǔn)確。

表1 不同閾值下儀器法與人工法測(cè)定堊白米誤差比較Table 1 Error comparisons between instrument and artificial method for measuring chalky rice under different thresholds

2.4 對(duì)大米樣品堊白米的檢測(cè)

調(diào)試自制大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng),并設(shè)定檢測(cè)程序測(cè)定堊白米時(shí)的閾值為0.43。將大米樣品進(jìn)行分組,用大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)測(cè)定堊白粒率和堊白度,并將測(cè)定結(jié)果與人工法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明,大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)與人工法測(cè)定堊白米數(shù)量絕對(duì)誤差大小不超過(guò)2顆,堊白粒率絕對(duì)誤差大小不超過(guò)0.32%,堊白度絕對(duì)誤差大小不超過(guò)0.25%。大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)一幅大米圖像分析檢測(cè)平均時(shí)間為5 s,與人工法相比,大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)堊白米識(shí)別更加快速準(zhǔn)確,測(cè)定本批大米堊白度小于2%,這一結(jié)果符合GB/T 1354-2018《大米》對(duì)國(guó)家一級(jí)優(yōu)質(zhì)大米質(zhì)量指標(biāo)要求。

表2 大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)與人工法測(cè)定大米樣品結(jié)果Table 2 Determination results of rice samples by rice appearance quality analysis system and artificial method

3 結(jié)論

采用實(shí)驗(yàn)室自制開(kāi)發(fā)的一種大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng),包含整列裝置、背景板、掃描設(shè)備和計(jì)算機(jī),結(jié)合圖像處理技術(shù)對(duì)大米堊白米進(jìn)行快速準(zhǔn)確的識(shí)別測(cè)定。大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)一幅大米圖像分析檢測(cè)平均時(shí)間為5 s,圖像分析計(jì)數(shù)快速;并以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)堊白米的檢測(cè)為基礎(chǔ),優(yōu)化了分析系統(tǒng)對(duì)大米樣品測(cè)定堊白米的最佳閾值為0.43,在此閾值下大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)與人工法測(cè)定堊白米數(shù)量絕對(duì)誤差大小不超過(guò)2顆,堊白粒率絕對(duì)誤差大小不超過(guò)0.32%,堊白度絕對(duì)誤差大小不超過(guò)0.25%,大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)大米堊白米檢測(cè)準(zhǔn)確,表明可用大米外觀品質(zhì)分析系統(tǒng)代替人工法對(duì)堊白米進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)方法對(duì)大米堊白米的檢測(cè),解決了人工篩選方式主觀性強(qiáng)、分類(lèi)準(zhǔn)確率不高、效率低、誤差較大的問(wèn)題,可在糧食收購(gòu)過(guò)程中有效準(zhǔn)確地執(zhí)行。在下一步工作中,可采用本文的分析系統(tǒng)結(jié)合圖像處理技術(shù),識(shí)別黃粒米、整精米等大米特征指標(biāo),對(duì)樣本同時(shí)分析出黃粒米率、整精米率等大米質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果。