手持式食品殘留物熒光成像檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

徐 帥,朱啟兵,黃 敏

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,無錫 214122)

引 言

食源性疾病是食品安全領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的重要問題[1]。食品生產(chǎn)加工設(shè)備在工作過程中會(huì)產(chǎn)生碎屑?xì)埩?這些殘留不僅會(huì)影響后續(xù)食品生產(chǎn)的品質(zhì)而且容易滋生食源性病菌[2]。因此對(duì)食品加工、儲(chǔ)存器具上的食品殘留物進(jìn)行檢測(cè),不僅能夠評(píng)判清潔程度,更可以防止病菌滋生的潛在風(fēng)險(xiǎn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于食品生產(chǎn)加工場(chǎng)所的衛(wèi)生檢測(cè)仍以目視檢查為主。目視檢查易受環(huán)境和檢測(cè)員疲勞度的干擾,檢測(cè)效果不穩(wěn)定;而且對(duì)于一些透明或與背景顏色相近的殘留物,目視檢查難以取得較好的檢測(cè)效果。熒光成像技術(shù)在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿?許多食品材料都具有熒光發(fā)射特性[3-6]。近年來,一些基于熒光成像技術(shù)的設(shè)備和系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)并應(yīng)用于食品安全檢查。KANG等人[7]基于食品樣品的特征熒光,設(shè)計(jì)了一種快速篩查食品中多種危害因子的便攜式食品安全檢測(cè)儀。ZHANG[8]基于感染黃曲霉毒素的花生在365 nm紫外光照射下會(huì)發(fā)出獨(dú)特的黃綠色熒光特性,設(shè)計(jì)了一款基于智能手機(jī)的黃曲霉毒素快速檢測(cè)設(shè)備。在肉制品糞便污染檢測(cè)應(yīng)用中,SEO等人[9]利用多光譜熒光成像技術(shù)結(jié)合選定波段比(波段比為630 nm/600 nm)圖像的主成分分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雞胴體糞便污染的在線檢測(cè);BURFOOT等人[10]開發(fā)一種熒光成像設(shè)備用于牛羊肉胴體糞便污染檢測(cè);GORJI和SUEKER等人[11-12]將熒光成像和深度學(xué)習(xí)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)肉類胴體上糞便污染的自動(dòng)識(shí)別。在食品加工場(chǎng)所衛(wèi)生檢測(cè)應(yīng)用中,LEFCOURT 等人[13-14]開發(fā)了一款便攜式高光譜熒光成像系統(tǒng),以檢測(cè)加工設(shè)備表面肉眼不可見的殘?jiān)?LEE 等人[15-17]開發(fā)了一款手持式熒光成像設(shè)備并應(yīng)用于加工設(shè)備表面食品殘留檢測(cè)。但是上述設(shè)備在操作的便攜性、功能的完善性方面仍有待改進(jìn),難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的食品殘留物檢測(cè)。

本文作者研究開發(fā)了一套手持式食品殘留物熒光成像檢測(cè)設(shè)備,該設(shè)備集檢測(cè)-分析-顯示-存儲(chǔ)于一身,體積較小方便攜帶,在成本上更具優(yōu)勢(shì)。設(shè)備由發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)、散熱器、超聲波測(cè)距芯片、紅綠藍(lán)(red green blue,RGB)相機(jī)、觸控屏、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)、安全數(shù)字(secure digital,SD)存儲(chǔ)卡、大容量鋰電池組成。設(shè)備充分利用FPGA實(shí)時(shí)性高、容量大以及能夠進(jìn)行并行流水線處理的特點(diǎn)[18],在FPGA中實(shí)現(xiàn)基于分塊閾值的大津算法[19-20](Otsu algorithm,OTSU),提高了設(shè)備在不均勻光照下的檢測(cè)效果。檢測(cè)人員可以使用該設(shè)備識(shí)別食品加工設(shè)備中肉眼看不見的殘留物并可以通過觸控屏將當(dāng)前圖片保存在SD存儲(chǔ)卡中。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)裝配如圖1所示,包括主控模塊、相機(jī)模塊、激發(fā)光源模塊、超聲波測(cè)距模塊、觸控屏、電源板。設(shè)備啟動(dòng)時(shí),打開電源開關(guān),大功率LED激發(fā)光源啟動(dòng)照射,檢測(cè)區(qū)域的殘留物熒光圖像經(jīng)RGB相機(jī)采集后傳送到FPGA主控模塊中,FPGA根據(jù)距離信息對(duì)熒光圖像進(jìn)行處理,標(biāo)記出殘留物區(qū)域并發(fā)送到觸控屏中顯示,此時(shí)檢測(cè)員可以根據(jù)需要選擇是否操作觸控屏將此時(shí)的熒光圖像保存至SD存儲(chǔ)卡中。

圖1 手持式食品殘留物熒光檢測(cè)系統(tǒng)裝配圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 FPGA主控板設(shè)計(jì)

如圖2所示,所設(shè)計(jì)的FPGA主控板集成了EP4CE22F17C8主控芯片、50 MHz高精度有源晶振時(shí)鐘、256 Mbit隨機(jī)動(dòng)態(tài)存取內(nèi)存(synchronous dynamic random access memory,SDRAM)、和16 Mbit閃存(flash eeprom memory,FLASH)。根據(jù)FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程的優(yōu)勢(shì),所設(shè)計(jì)的FPGA主控板在FPGA芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了串行攝像機(jī)控制總線協(xié)議(serial camera control bus,SCCB)、數(shù)字視頻接口(digital video port,DVP)與RGB相機(jī)、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)與SD存儲(chǔ)卡,以及集成電路總線(inter-integrated circuit,IIC)、視頻圖形陣列(video graphics array,VGA)與觸控屏的通信與數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 FPGA主控板

2.1.1 SDRAM存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要開辟一塊內(nèi)存用來緩存圖像處理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),因此使用256 Mbit SDRAM作為圖像檢測(cè)過程中的緩存存儲(chǔ)器。SDRAM存儲(chǔ)器硬件電路連接如圖3所示,SDRAM與FPGA相連,由于相機(jī)圖像輸出頻率為42 MHz,RGB觸控屏顯示頻率為32 MHz,SDRAM工作頻率為133 MHz,因此FPGA在緩存和讀取SDRAM過程中需要分別插入兩個(gè)異步先進(jìn)先出隊(duì)列防止數(shù)據(jù)丟失。此外由于SDRAM工作頻率較高,在進(jìn)行印刷電路板布線時(shí)需要進(jìn)行蛇形等長(zhǎng)處理。

圖3 SDRAM存儲(chǔ)器電路

2.1.2 FLASH電路設(shè)計(jì) 由于FPGA是基于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和查找表結(jié)構(gòu),掉電時(shí)配置信息會(huì)丟失,因此選用一片16 Mbit SPI FLASH保存配置數(shù)據(jù)。所用FLASH型號(hào)為W25Q16,該型號(hào)可以等效替代相關(guān)公司的系列配置器件。電路連接如圖4所示,程序下載時(shí),下載數(shù)據(jù)經(jīng)過DATA0口保存在FLASH芯片中,當(dāng)系統(tǒng)再次上電時(shí)FPGA將讀取FLASH中保存的用戶程序和配置文件完成系統(tǒng)初始化配置。

圖4 Flash存儲(chǔ)器電路

2.1.3 SD卡存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì) SD卡存儲(chǔ)電路使用一張大容量SD卡作為外部存儲(chǔ)器。SD卡存儲(chǔ)電路如圖5所示,SD卡與FPGA采用SPI通信模式,FPGA可以根據(jù)指令將當(dāng)前視頻幀保存在SD卡中。

圖5 SD卡存儲(chǔ)電路

2.1.4 電源電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要用到12 V、5 V、3.3 V、2.5 V、1.2 V直流電源。其中大功率LED光源以及散熱風(fēng)扇由12 V鋰電池直接供電,RGB觸控屏和FPGA主板電源由12 V鋰電池經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片MC34063轉(zhuǎn)換為5 V后提供,FPGA主板電源經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1085-3.3轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓給FPGA芯片供電,并分別經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-2.5和AMS1117-1.2轉(zhuǎn)換為2.5 V和1.2 V電壓,作為聯(lián)合測(cè)試工作組和FPGA內(nèi)核供電電壓。

2.2 激發(fā)光源模塊

激發(fā)光源由4顆10 W LED燈珠、恒流電路、鋁制散熱片、光源基板組成。根據(jù)食品殘留物的熒光特性,選用中心波長(zhǎng)400 nm,波長(zhǎng)范圍395 nm～405 nm的大功率LED作為激發(fā)光源。為保證LED穩(wěn)定工作,燈珠需要恒定的電流和及時(shí)散熱。如圖6所示,燈珠按照兩并兩串方式均勻分布在光源板上,且每顆LED燈珠均搭配相應(yīng)的鋁制散熱片,中部鏤空放置相機(jī)鏡頭。

圖6 激發(fā)光源

2.3 RGB相機(jī)模塊

選用高靈敏度、低串?dāng)_、低噪聲、高量子效率OV5640相機(jī)采集熒光圖像,并按照RGB565格式發(fā)送給FPGA。相機(jī)鏡頭選用廣角高清M12鏡頭。鏡頭底部具有放置濾波片的凹槽,設(shè)備可以通過更換凹槽中的濾波片實(shí)現(xiàn)對(duì)不同熒光特性對(duì)象的檢測(cè)。

2.4 超聲波測(cè)距模塊

為避免誤檢測(cè),設(shè)備通過超聲波測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)狀態(tài)判斷。如圖7所示,超聲波測(cè)距模塊采用高性價(jià)比超聲波測(cè)距芯片CS100。

2.5 RGB觸控屏模塊

RGB觸控屏采用800×480像素分辨率的電容觸摸顯示屏。該屏幕集成了電容觸摸控制器,該控制器可以通過標(biāo)準(zhǔn)IIC總線接口將多點(diǎn)觸摸信號(hào)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)傳送給FPGA。

2.6 系統(tǒng)板級(jí)信號(hào)測(cè)試

如圖8所示,采用嵌入式邏輯分析儀SingalTap抓取系統(tǒng)運(yùn)行過程中的時(shí)序關(guān)系。CMOS_Frame_clken為像素有效信號(hào),CMOS_Vsync、CMOS_Href和COMS_Data分別為相機(jī)輸出的場(chǎng)信號(hào)、行信號(hào)和像素?cái)?shù)據(jù),當(dāng)CMOS_Href為高電平,且CMOS_Frame_clken使能時(shí)像素?cái)?shù)據(jù)有效輸出;SDRAM_Read和SDRAM_Write分別為SDRAM存儲(chǔ)器讀寫控制信號(hào),當(dāng)SDRAM_Read或SDRAM_Write為高電平時(shí),FPGA根據(jù)讀寫地址SDRAM_Rrd1_addr或SDRAM_Rwrd1_addr對(duì)SDRAM存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫,讀寫數(shù)據(jù)通過雙向讀寫數(shù)據(jù)通道SDRAM_DQ進(jìn)行傳輸,SDRAM_Dqm為2位數(shù)據(jù)掩碼器,SDRAM_Dqm為16進(jìn)制數(shù)0x03時(shí),表示當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)SDRAM_DQ無效,為16進(jìn)制數(shù)0x00時(shí),表示數(shù)據(jù)有效;LCD_Vs、LCD_Hs和LCD_De分別為顯示器場(chǎng)信號(hào)、行信號(hào)和數(shù)據(jù)使能信號(hào),當(dāng)LCD_Vs、LCD_Hs和LCD_De均為高電平時(shí),像素?cái)?shù)據(jù)LCD_Data有效輸出;SDCARD_Init_done信號(hào)為高電平表明設(shè)備檢測(cè)到SD存儲(chǔ)卡并初始化配置完成;Ultrasonic_Echo為超聲波測(cè)距模塊輸出回響信號(hào),其高電平脈沖寬度為超聲波往返時(shí)間之和,FPGA根據(jù)回響信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間計(jì)算距離,當(dāng)回響信號(hào)Ultrasonic_Echo產(chǎn)生下降沿時(shí),FPGA內(nèi)部寄存器Ultrasonic_distance更新距離信息(單位為mm)。

圖8 板級(jí)硬件測(cè)試信號(hào)

由硬件測(cè)試信號(hào)可知,硬件系統(tǒng)圖像采集功能正常、SDRAM存儲(chǔ)器讀寫正常、RGB顯示器工作正常、SD卡初始化完成、超聲波模塊測(cè)距正常,系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程如圖9所示。設(shè)備啟動(dòng)時(shí),大功率LED燈打開同時(shí)散熱風(fēng)扇開始工作,FPGA開始初始化配置并將掩模寄存器初始值清零;FPGA初始化完成后開始初始化配置相機(jī)寄存器;相機(jī)初始化完成后系統(tǒng)開始采集圖像信息,為確保圖像輸出穩(wěn)定系統(tǒng)丟棄前10幀圖像;當(dāng)設(shè)備距離被測(cè)物體40 cm以內(nèi)時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)圖像處理功能,一方面,RGB圖像與掩模寄存器中保存的掩模進(jìn)行融合,并將帶有殘留物標(biāo)記的圖像傳送到RGB觸控屏中,另一方面,RGB圖像通過分塊大津算法生成新的殘留物掩模并更新掩模寄存器;而當(dāng)距離超過40 cm時(shí),RGB圖像直接顯示在RGB觸控屏;在RGB屏中可以選擇是否將融合后的熒光圖像進(jìn)行保存。

圖9 系統(tǒng)流程圖

3.2 硬件邏輯設(shè)計(jì)

3.2.1 相機(jī)配置 當(dāng)FPGA初始化完成后,FPGA需要配置相機(jī)的252個(gè)寄存器。相機(jī)配置狀態(tài)機(jī)如圖10所示,狀態(tài)機(jī)從idle跳轉(zhuǎn)到wrreg_req狀態(tài)并向IIC控制器發(fā)送寫命令,IIC控制器開始向相機(jī)一個(gè)寄存器地址寫入命令,寫入完成后rw_done置1,狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)為judge狀態(tài)并判斷相機(jī)寄存器配置完成個(gè)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)器cnt小于252時(shí),狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)回wrreg_req狀態(tài)繼續(xù)寫命令;當(dāng)cnt等于252時(shí),狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到finish狀態(tài),從而完成相機(jī)的初始化配置。

圖10 相機(jī)配置狀態(tài)機(jī)

相機(jī)部分配置參數(shù)如表1所示。其中16進(jìn)制數(shù)0x3808～0x380b為圖像分辨率寄存器地址范圍,0x3503為手動(dòng)曝光寄存器地址,0x3500～0x3502為曝光時(shí)長(zhǎng)寄存器地址范圍,0x4300為格式控制寄存器地址,0x501f為圖像輸出格式選擇寄存器地址。

表1 相機(jī)主要配置參數(shù)

3.2.2 相機(jī)接口邏輯設(shè)計(jì) 相機(jī)接口邏輯主要完成相機(jī)RGB565格式輸出數(shù)據(jù)的并行接收,其接收功能主要由10個(gè)不同位寬寄存器和2個(gè)數(shù)據(jù)選擇器組成。如圖11所示,其中寄存器r_Data、r_Href、r_Vsync分別對(duì)輸入數(shù)據(jù)Data、Href、Vsync、進(jìn)行打一拍操作。H_count對(duì)每行像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)H_count為偶數(shù)時(shí)將r_Data中8位圖像數(shù)據(jù)保存在r_DataPixel高8位中;H_count為奇數(shù)時(shí)將r_Data中8位圖像數(shù)據(jù)保存在r_DataPixel低8位中。在完成16位數(shù)據(jù)接收后,寄存器r_DataValid置1,表明此時(shí)r_DataPixel中16位圖像數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù),可以輸出到DataPixel口。為確保圖像輸出穩(wěn)定,需要舍棄系統(tǒng)開始運(yùn)行前10幀圖像。寄存器FrameCnt對(duì)每幀圖像進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)FrameCnt計(jì)數(shù)到第10幀后dump_frame置1,表明此后圖像有效。

圖11 相機(jī)接口邏輯設(shè)計(jì)

3.2.3 觸控屏接口邏輯設(shè)計(jì) 觸控屏接口邏輯是將RGB565格式圖像數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成VGA模式下的并行數(shù)據(jù)并發(fā)送到觸控屏中。如圖12所示,根據(jù)觸控屏接收時(shí)序要求,寄存器Hcount_r和Vcount_r分別產(chǎn)生行同步和場(chǎng)同步信號(hào);Disp_Hs、Disp_Vs和Disp_De根據(jù)Hcount_r和Vcount_r產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效信號(hào);寄存器Disp_Red、Disp_Green、Disp_Bule分別將RGB565格式視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。寄存器Frame_begin在場(chǎng)同步信號(hào)Disp_Vs上升沿置1,表明開始顯示一幀圖像。

圖12 觸控屏接口邏輯設(shè)計(jì)

3.3 分塊大津算法原理及FPGA實(shí)現(xiàn)

3.3.1 算法原理 當(dāng)完成熒光圖像的采集后,需要利用圖像分割算法實(shí)現(xiàn)殘留物的準(zhǔn)確分割。由于具有計(jì)算簡(jiǎn)單、不受圖像亮度和對(duì)比度影響的優(yōu)點(diǎn),大津算法在圖像分割領(lǐng)域得到廣泛引用。然而大津算法是一種全局閾值分割方法,其在非均勻光照下會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤分割,并且當(dāng)感興趣目標(biāo)灰度分布范圍較大且部分目標(biāo)灰度接近背景強(qiáng)度時(shí),接近背景強(qiáng)度的部分目標(biāo)會(huì)檢測(cè)丟失。針對(duì)上述缺點(diǎn),本文中基于分塊大津算法的思想,通過對(duì)檢測(cè)圖像的合理分塊,避免了背景子塊誤分割,提高了設(shè)備在不均勻光照或目標(biāo)灰度差異較大情況下的檢測(cè)能力。分塊大津算法流程如圖13所示。 首先FPGA從SDRAM緩存中讀取熒光圖像并經(jīng)過灰度轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為灰度圖像;然后FPGA按照行同步、場(chǎng)同步信號(hào)將一幅灰度圖像劃分M行N列的子塊,并運(yùn)用大津算法計(jì)算每個(gè)子塊分割閾值和類間平均灰度差;進(jìn)一步對(duì)每個(gè)子塊的類間平均灰度差進(jìn)行判斷,當(dāng)子塊類間平均灰度差較小時(shí),該子塊前景和背景灰度差異不大,判斷為背景塊,該子塊分割閾值復(fù)位為0;當(dāng)子塊類間平均灰度差較大時(shí),該子塊中存在熒光殘留物,保留計(jì)算的分割閾值。在系統(tǒng)實(shí)際使用中分塊大津算法在設(shè)備距離被測(cè)表面40 cm以內(nèi)啟動(dòng),系統(tǒng)根據(jù)40 cm以內(nèi)激發(fā)光源光強(qiáng)特點(diǎn)結(jié)合FPGA硬件資源占用將圖像分為5行8列的子塊進(jìn)行處理,將判斷子塊是否為純背景的類間平均灰度差設(shè)置為8。

圖13 熒光殘留物提取以及掩膜生成流程圖

3.3.2 FPGA實(shí)現(xiàn) 分塊大津算法在FPGA中實(shí)現(xiàn)如圖14所示。FPGA以數(shù)據(jù)流形式從SDRAM中讀取的熒光圖像Rgb_data缺少位置信息;為實(shí)現(xiàn)熒光圖像準(zhǔn)確分塊,FPGA在統(tǒng)計(jì)模塊中對(duì)經(jīng)過的熒光圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)并生成行同步信號(hào)Href、列同步信號(hào)Vsync和數(shù)據(jù)有效信號(hào)De;16位熒光圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過灰度轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為8位灰度數(shù)據(jù);系統(tǒng)通過調(diào)用8個(gè)大津算法模塊和串行流水線設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)分塊大津算法計(jì)算。

圖14 分塊大津算法實(shí)現(xiàn)

分塊大津算法中,使用大津算法模塊計(jì)算每個(gè)子塊的閾值和類間平均灰度差。如圖14中虛線框中所示,直方圖統(tǒng)計(jì)模塊具有5個(gè)輸入,4個(gè)輸出,其中輸入Gray_data為8位圖像灰度數(shù)據(jù)。輸入Data_end在直方圖統(tǒng)計(jì)完成后拉高,灰度閾值求完后拉低。輸入Data_valid只在灰度直方圖統(tǒng)計(jì)時(shí)為高,其余拉低。輸入T為分割閾值,輸入Clr為清零信號(hào),當(dāng)灰度閾值求完后拉高使直方圖統(tǒng)計(jì)模塊清零復(fù)位等待下一次統(tǒng)計(jì)。在直方圖統(tǒng)計(jì)模塊中輸出表達(dá)式[20]為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,i為灰度值,t為灰度值,ni為灰度值等于i的像素個(gè)數(shù),S0為灰度值不大于t的像素個(gè)數(shù),S1為灰度值大于t的像素個(gè)數(shù),G0為灰度值不大于t的像素灰度總和,G1為灰度值大于t的像素灰度總和。直方圖統(tǒng)計(jì)模塊輸出經(jīng)過后續(xù)乘法器、除法器、減法模塊計(jì)算后得到類間方差,在比較器模塊中保存類方間差最大時(shí)的閾值T,輸出此時(shí)閾值以及類間灰度差。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試本文中所開發(fā)系統(tǒng)的適用性,本文作者選用食品加工場(chǎng)所中3種常見包裝和加工材質(zhì)(木制案板、不銹鋼板、聚乙烯材質(zhì)塑料板)進(jìn)行測(cè)試,其中木制案板和不銹鋼板不產(chǎn)生熒光,聚乙烯(polyethylene,PE)材質(zhì)塑料菜板會(huì)產(chǎn)生熒光[17]。測(cè)試對(duì)象為5種不同體積分?jǐn)?shù)的奶粉溶液和菠菜汁液,奶粉溶液采用全脂牛奶粉和純凈水按照不同體積分?jǐn)?shù)(50%、33%、20%、10%、2%)配制;菠菜汁液采用新鮮菠菜榨汁[17]和純凈水按照不同體積分?jǐn)?shù)(50%、33%、25%、20%、10%)配制。由于奶粉在516 nm處存在熒光發(fā)射峰[17],菠菜汁在685 nm處存在熒光發(fā)射峰[17,21],因此針對(duì)奶粉選用520 nm窄帶寬濾波片,針對(duì)菠菜汁選用670 nm窄帶寬濾波片。

木制案板表面不同體積分?jǐn)?shù)奶粉溶液和菠菜汁殘留物檢測(cè)效果如圖15所示。其中圖15a和圖15e分別是環(huán)境光下采集的奶粉殘留物和菠菜汁液殘留物RGB圖像;圖15b和圖15f分別為激發(fā)光源下采集的奶粉殘留物和菠菜汁液殘留物熒光圖像;圖15c和圖15g分別是分塊大津算法生成的奶粉殘留物和菠菜汁液殘留物掩模圖像;圖15d和圖15h分別是奶粉殘留物和菠菜汁液殘留物最終檢測(cè)結(jié)果。如圖15a、圖15e所示,環(huán)境光下,當(dāng)奶粉、菠菜汁液體積分?jǐn)?shù)分別低于20%和10%時(shí),肉眼幾乎不可見木制案板上的殘留物;而奶粉殘留物、菠菜汁液與木制案板的熒光圖像有著明顯的區(qū)別(見圖15b和圖15f),在圖15f中,體積分?jǐn)?shù)為50%和33%的菠菜殘留物由于存在大量菠菜纖維等固形物導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度較弱;圖15c和圖15g中給出了分塊大津算法的檢測(cè)效果,可以看出,不同體積分?jǐn)?shù)的殘留物均被有效檢出,且在圖15g中還檢測(cè)出了部分在圖15e中未被標(biāo)記的殘留物,這些殘留物是木板在簡(jiǎn)單清洗中未被發(fā)現(xiàn)的歷史殘留,這進(jìn)一步體現(xiàn)了設(shè)備對(duì)不可見殘留物的檢測(cè)能力。

圖15 木制案板表面殘留物檢測(cè)效果

圖16中給出了材質(zhì)為不銹鋼板條件下,奶粉和菠菜汁殘留物的檢測(cè)效果。其中圖16a和圖16e分別是奶粉殘留物和菠菜汁殘留物RGB圖像;圖16b和圖16f分別為奶粉殘留物和菠菜汁殘留物熒光圖像;圖16c和圖16g分別是分塊大津算法生成的奶粉殘留物和菠菜汁殘留物掩模圖像;圖16d和圖16h分別是奶粉殘留物和菠菜汁殘留物最終檢測(cè)結(jié)果。如圖16a和圖16e所示,由于不銹鋼光滑鏡面反射影響,體積分?jǐn)?shù)為10%的菠菜汁殘留物因接近無色而基本不可見;在熒光圖像16b和圖16f中不同體積分?jǐn)?shù)的殘留物均清晰可見;分塊大津算法可較好克服光照的影響,能夠準(zhǔn)確分割出污染物區(qū)域(見圖16c和圖16g)。

圖16 不銹鋼表面殘留物檢測(cè)效果

PE塑料板上的奶粉和菠菜汁殘留物檢測(cè)效果如圖17所示。其中圖17a和圖17e分別是奶粉殘留物和菠菜汁殘留物RGB圖像;圖17b和圖17f分別為奶粉殘留物和菠菜汁殘留物熒光圖像;圖17c和圖17g分別是分塊大津算法生成的奶粉殘留物和菠菜汁殘留物掩模圖像;圖17d和圖17h分別為奶粉殘留物和菠菜汁殘留物最終檢測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出,在環(huán)境光下,當(dāng)奶粉體積分?jǐn)?shù)低于33%、菠菜汁液體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí),難以通過RGB圖像檢測(cè)出殘留物;而熒光圖像可以較好地實(shí)現(xiàn)殘留物檢測(cè)。但從圖17c來看,當(dāng)奶粉體積分?jǐn)?shù)低于20%時(shí),殘留物的分割區(qū)域存在部分缺失現(xiàn)象,其原因可能在于：PE塑料板會(huì)發(fā)出和奶粉波段相近的熒光,當(dāng)奶粉體積分?jǐn)?shù)較低時(shí),其熒光強(qiáng)度與背景接近,導(dǎo)致分割困難。

圖17 PE塑料表面殘留物檢測(cè)效果

圖18給出了大津算法與分塊大津算法對(duì)典型殘留物的分割結(jié)果。其中圖18a和圖18b分別是奶粉殘留物在木制案板和不銹鋼板上的熒光圖像;圖18c和圖18d分別為菠菜汁殘留物在木制案板和不銹鋼板上的熒光圖像;圖18e、圖18f、圖18g和圖18h分別是圖18a、圖18b、圖18c和圖18d采用分塊大津算法計(jì)算得到的掩模圖像;圖18i、圖18j、圖18k和圖18l分別是圖18a、圖18b、圖18c和圖18d采用大津算法計(jì)算得到的掩模圖像。綠色框?yàn)槌晒z測(cè)出殘留物;紅色框?yàn)槲礄z測(cè)或錯(cuò)誤檢測(cè)殘留物。在圖18a中檢測(cè)設(shè)備位于木制案板上方,案板中間部分靠近光源的反射光強(qiáng)度更高,左上角遠(yuǎn)離光源強(qiáng)度較低,這導(dǎo)致在使用大津算法進(jìn)行分割時(shí)圖18i中部分較為明亮的背景被判定為殘留物而光照強(qiáng)度較低的殘留物則未被檢出;在圖18b中,檢測(cè)設(shè)備位于不銹鋼板斜上方,不銹鋼板右上角光照強(qiáng)度更高,左下角光照強(qiáng)度較低,大津算法在圖18j中將靠近光源的殘留物檢出而遠(yuǎn)離光源且體積分?jǐn)?shù)較低的殘留物未檢出。大津算法在檢測(cè)灰度范圍較大的目標(biāo)時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏檢;在木制案板(見圖18c)和不銹鋼板(見圖18d)上菠菜汁熒光強(qiáng)度分布范圍較大,且部分菠菜汁殘留物熒光強(qiáng)度接近背景光強(qiáng);當(dāng)使用大津算法進(jìn)行檢測(cè)時(shí),部分熒光強(qiáng)度較低的殘留物漏檢(見圖18k),而盡管在圖18l中所有殘留物均被檢出,但是相較于分塊大津算法結(jié)果(見圖18h),大津算法分割出的目標(biāo)不夠完整;圖18e、圖18f、圖18g和圖18h為分塊大津算法檢測(cè)結(jié)果,不同體積分?jǐn)?shù)殘留物均被檢出;相較于大津算法檢測(cè)結(jié)果,分塊大津算法提高了設(shè)備在不均勻光照下的檢測(cè)效果以及對(duì)于熒光強(qiáng)度分布范圍較大檢測(cè)目標(biāo)的檢測(cè)能力。

圖18 分塊大津算法和大津算法檢測(cè)效果對(duì)比圖

5 結(jié) 論

基于熒光成像技術(shù)開發(fā)了一種能夠協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)員對(duì)食品加工場(chǎng)所進(jìn)行視覺衛(wèi)生檢查的手持式熒光成像檢測(cè)設(shè)備,該設(shè)備具有熒光圖像采集、圖像處理、圖像顯示、圖像保存功能,能夠?qū)崟r(shí)地將檢測(cè)到的污染區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記,并根據(jù)需要保存在SD卡中。此外,還可以通過更換不同波長(zhǎng)的濾波片實(shí)現(xiàn)多種食品殘留物的檢測(cè)?；诟倪M(jìn)的分塊大津算法,提高了設(shè)備在不均勻光照下的檢測(cè)效果。在3種不同材質(zhì)表面的實(shí)測(cè)證明,設(shè)備相較于檢測(cè)員目視能夠更清晰地觀察到食品殘留物,能夠顯著提高衛(wèi)生檢測(cè)效果,可以協(xié)助檢測(cè)員進(jìn)行衛(wèi)生安全檢查。受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境的限制,所開發(fā)的設(shè)備與待檢測(cè)樣本為非接觸測(cè)量,由于現(xiàn)場(chǎng)多種因素的不確定性(如環(huán)境光源的干擾、手持式測(cè)量裝置與被測(cè)對(duì)象的距離、角度等),導(dǎo)致利用熒光圖像反演殘留物體積分?jǐn)?shù)的精度還存在較大困難。

在今后的研究中,將深入分析影響殘留物體積分?jǐn)?shù)反演精度的關(guān)鍵要素和規(guī)律,構(gòu)建補(bǔ)償模型,以實(shí)現(xiàn)殘留物體積分?jǐn)?shù)的高精度反演,此外,還將實(shí)現(xiàn)云組網(wǎng)功能以及將熒光圖像與深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)自動(dòng)分割。