馬鈴薯表皮脫凈率測(cè)定方法的研究

李上振 朱立學(xué) 張世昂 楊松夏 姚華平 黃鍵裕

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225)

馬鈴薯是一種耐瘠抗旱、適應(yīng)性廣、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的糧蔬兼?zhèn)湫娃r(nóng)作物，是世界第四大糧食作物，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與加工附加值[1]1-3[2]。作為全球馬鈴薯生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，中國(guó)的馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)具有十分廣闊的發(fā)展前景[1]4-5[3]。發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)需要不斷提高產(chǎn)品品質(zhì)，才能獲得更高的效益，馬鈴薯去皮干凈與否是影響其產(chǎn)品口感好壞及品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一[4]。而馬鈴薯的表皮脫凈程度可以通過(guò)表皮脫凈率來(lái)判斷，因此，對(duì)馬鈴薯表皮脫凈率的測(cè)定是鑒定馬鈴薯產(chǎn)品品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，機(jī)械式去皮方法已被廣泛應(yīng)用于中國(guó)馬鈴薯加工企業(yè)。但由于馬鈴薯形狀大小不一及芽眼的存在，去皮尚不完全，且去皮部分無(wú)規(guī)律可循，無(wú)法以常規(guī)方法，如稱重法計(jì)算馬鈴薯的表皮脫凈率。孟慶書(shū)[5]43-45借助Adobe Photoshop軟件對(duì)馬鈴薯的去皮與未去皮部分進(jìn)行著色區(qū)分，再進(jìn)行面積計(jì)算，但存在較大的人為誤差。楊嘉鵬等[6]在揉搓式馬鈴薯脫皮裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究中，采用模糊評(píng)價(jià)來(lái)判斷馬鈴薯是否達(dá)到預(yù)期去皮效果，但該方法的主觀性較強(qiáng)。

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的農(nóng)產(chǎn)品表面缺陷(包括碰壓傷、腐爛損傷等)的檢測(cè)與分級(jí)，國(guó)內(nèi)外已有大量研究[7-8]，但尚未見(jiàn)有應(yīng)用于馬鈴薯表皮脫凈率測(cè)定的報(bào)道。研究擬提出一種基于模型驗(yàn)證的像素比值法，旨在為解決馬鈴薯由于其形狀大小不一和芽眼處常去皮不充分且分布不規(guī)律，以及獲取馬鈴薯曲面去皮信息困難等因素而使得對(duì)其去皮效果難以做出準(zhǔn)確判斷的難題，為馬鈴薯產(chǎn)品品質(zhì)的鑒定提供一種有效方法。

1 測(cè)定方法的提出

1.1 圖像數(shù)據(jù)的獲取

1.1.1 搭建圖像采集裝置 為便于獲取馬鈴薯正面和背面2個(gè)方向的圖像信息，特別搭建了專門(mén)的圖像采集裝置。如圖1所示。該裝置實(shí)現(xiàn)馬鈴薯正、背兩面圖像信息無(wú)重疊采集原理如下：夾持固定架有一伸長(zhǎng)端；夾持旋轉(zhuǎn)架有對(duì)稱兩伸長(zhǎng)端。將夾持旋轉(zhuǎn)架的伸長(zhǎng)端與夾持固定架伸長(zhǎng)端平齊，并將馬鈴薯以最大截面積一側(cè)對(duì)正攝像頭插于夾持旋轉(zhuǎn)架上方固定，獲取馬鈴薯正面圖像信息。旋轉(zhuǎn)夾持旋轉(zhuǎn)架使其另一伸長(zhǎng)端與夾持固定架伸長(zhǎng)端平齊，獲取馬鈴薯背面圖像信息。獲取的這2個(gè)圖像即為一個(gè)完整無(wú)重疊的馬鈴薯圖像。其中燈箱的相機(jī)機(jī)架和夾持固定架之間的距離是固定不變的，即保證了攝像頭焦距和物距不變。

1. 燈箱機(jī)架 2. 相機(jī)機(jī)架 3. 工業(yè)相機(jī) 4. 圖片背景板 5. 吸光布 6. LED燈管 7. 夾持旋轉(zhuǎn)架 8. 夾持固定架

圖1 圖像采集裝置的結(jié)構(gòu)組成

Figure 1 Structure composition of image acquisition device

1.1.2 試驗(yàn)樣品的抽樣與可視化 按照5點(diǎn)取樣法，在地上預(yù)先繪制好1個(gè)正五邊形，將已去皮馬鈴薯平鋪到其中，然后在正五邊形的每個(gè)內(nèi)三角中隨機(jī)抽取2個(gè)馬鈴薯作為試驗(yàn)樣品。

利用碘液染色可視化試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究的做法早有先例[9-10]，本試驗(yàn)也利用碘溶液與淀粉發(fā)生變色反應(yīng)的原理對(duì)去皮馬鈴薯進(jìn)行可視化處理。

1.1.3 圖像的獲取及低層處理 對(duì)碘液染色處理后的試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行圖像處理[11]。首先通過(guò)圖像采集裝置獲取馬鈴薯樣品的正面和背面圖片，然后利用Photoshop軟件將圖片背景去除并適當(dāng)調(diào)節(jié)圖片的亮度值，使馬鈴薯已去皮并被碘液染色部分與未去皮部分區(qū)分更明顯。獲取的去皮馬鈴薯圖像信息如圖2所示。

圖2 去皮馬鈴薯圖像信息獲取Figure 2 Peel potatoes image information acquisition

1.2 馬鈴薯表皮脫凈率的計(jì)算

通過(guò)相機(jī)獲得的圖像，是由許多個(gè)像素點(diǎn)組成的，而每個(gè)像素點(diǎn)的RGB強(qiáng)度值都是不盡相同的。因此，通過(guò)Matlab軟件和相應(yīng)的圖像及像素值讀取程序，可以確定RGB強(qiáng)度值區(qū)間的像素點(diǎn)的數(shù)量。本試驗(yàn)通過(guò)某一確定RGB強(qiáng)度值區(qū)間的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)與該圖像的像素點(diǎn)總數(shù)的比值來(lái)計(jì)算馬鈴薯的表皮脫凈率[見(jiàn)式(1)]，并將其定義為像素比值測(cè)定法。

1.2.1 確定RGB強(qiáng)度值區(qū)間 用碘溶液染色處理過(guò)的去皮馬鈴薯，其去皮表面上的淀粉會(huì)與碘溶液發(fā)生反應(yīng)而被染成紫黑色，而黑色的RGB強(qiáng)度值為(0，0，0)，按RGB空間中的顏色在色度圖上的分布情況，試驗(yàn)取(50，50，50)的RGB強(qiáng)度值范圍[12-13]。

1.2.2 計(jì)算馬鈴薯表皮脫凈率 按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

C——馬鈴薯表皮脫凈率，%；

N正——馬鈴薯正面圖像RGB強(qiáng)度值區(qū)間范圍的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；

N背——馬鈴薯背面圖像RGB強(qiáng)度值區(qū)間范圍的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；

Q正——馬鈴薯正面圖像的像素點(diǎn)總數(shù)；

Q背——馬鈴薯背面圖像的像素點(diǎn)總數(shù)。

1.3 存在的質(zhì)疑

像素比值測(cè)定法理論上是可行的且相比稱重法更為合理。但是，存在質(zhì)疑的是這種忽略馬鈴薯三維曲面而直接通過(guò)相機(jī)獲取其二維平面圖像，然后通過(guò)Matlab軟件獲得的N和Q數(shù)值的比值來(lái)計(jì)算馬鈴薯的表皮脫凈率，其計(jì)算結(jié)果誤差是否會(huì)很大。

2 驗(yàn)證模型的建立與理論計(jì)算

基于以上質(zhì)疑，本試驗(yàn)擬通過(guò)模型驗(yàn)證的方法來(lái)驗(yàn)證像素比值測(cè)定法的可行性。而類(lèi)似的方法，已被前人[14]應(yīng)用于馬鈴薯表面缺陷面積的計(jì)算中。

2.1 設(shè)定驗(yàn)證模型的相關(guān)參數(shù)

2.1.1 設(shè)定馬鈴薯模型大小 根據(jù)馬鈴薯的形狀和大小，建立馬鈴薯三維實(shí)體模型。由于馬鈴薯大多數(shù)近似為橢球體，同時(shí)為方便后面的計(jì)算，假定馬鈴薯為橢球體[14-15]。由于馬鈴薯塊莖尺寸在50～120 mm范圍的居多[15]，因此，可在此范圍內(nèi)選擇如表1所示的3種馬鈴薯橢球體模型。

2.1.2 設(shè)定馬鈴薯模型的表皮脫凈率 在實(shí)際加工過(guò)程中，馬鈴薯表皮的脫凈率需達(dá)到80%以上，因此，馬鈴薯模型的表皮脫凈率可分別預(yù)設(shè)為85%，90%，95%。

2.2 建立驗(yàn)證模型

2.2.1 馬鈴薯三維模型建立 通過(guò)SolidWorks三維軟件建立的馬鈴薯模型如圖3所示。

表1 3種馬鈴薯橢球體模型的外形尺寸參數(shù)表Table 1 Dimension parameters of three kinds of potato ellipsoid models mm

圖3 馬鈴薯模型Figure 3 Potato model

2.2.2 馬鈴薯三維模型打印 利用3D打印機(jī)將建模好的馬鈴薯模型打印出來(lái)。為了模擬去皮馬鈴薯表面淀粉與較高濃度的碘溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)呈紫黑色的現(xiàn)象，3D打印耗材采用與之相近的黑色PLA材料。

2.2.3 馬鈴薯模型表皮庫(kù)建立 利用淡黃色貼紙模擬馬鈴薯的表皮，貼紙的大小分別為a1×b1、a2×b2、a3×b3，各自3條，作為馬鈴薯表皮模型庫(kù)，如圖4所示。

圖4 馬鈴薯模型貼紙F(tuán)igure 4 Potato model sticker

2.3 馬鈴薯模型表皮脫凈率的理論計(jì)算

馬鈴薯模型表皮脫凈率的理論值可以通過(guò)貼紙的面積與馬鈴薯模型的表面積的比值獲得。

由于橢球體表面積計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量大，因此可通過(guò)Matlab軟件和橢球體表面面積計(jì)算程序來(lái)計(jì)算[16-17]。橢球體馬鈴薯模型表面積S按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：

S——表面積，mm2；

a——x軸方向馬鈴薯半徑，mm；

b——y軸方向馬鈴薯半徑，mm；

c——z軸方向馬鈴薯半徑，mm。

綜上式(1)、(2)，根據(jù)建立的馬鈴薯模型表皮庫(kù)，將3種不同的馬鈴薯模型表皮脫凈率C的理論計(jì)算公式分別表達(dá)為：

(3)

(4)

(5)

式中，i取1、2、3。

3 模型表皮脫凈率的測(cè)定與檢驗(yàn)

3.1 馬鈴薯模型表皮脫凈率的實(shí)際測(cè)定

根據(jù)預(yù)設(shè)的馬鈴薯模型表皮脫凈率和式(3)～(5)，推算得到對(duì)應(yīng)貼紙尺寸大小分別為19 mm×33 mm，17 mm×43 mm，15 mm×56 mm。

將每條帖紙剪碎，并分別獨(dú)立裝袋與標(biāo)記。然后，用膠水將碎紙分別貼到對(duì)應(yīng)3個(gè)不同大小的馬鈴薯模型上。根據(jù)建立的3種馬鈴薯模型和3種預(yù)設(shè)的馬鈴薯模型表皮脫凈率，采用像素比值測(cè)定法，以設(shè)定的馬鈴薯模型表皮脫凈率95%，90%，85%，分3次完成該模型表皮脫凈率的實(shí)際測(cè)定。

同時(shí)根據(jù)馬鈴薯模型的3個(gè)不同截面大小進(jìn)行2次測(cè)定，獲得6組數(shù)據(jù)。其中，獲取的馬鈴薯模型圖像如圖5 所示。

3.2 假設(shè)檢驗(yàn)

試驗(yàn)所獲樣本數(shù)據(jù)均為服從正態(tài)分布的單一總體，且馬鈴薯模型表皮脫凈率的總體均值，可通過(guò)以馬鈴薯模型的3個(gè)不同截面大小進(jìn)行兩次測(cè)定所獲取的6組數(shù)據(jù)算得，因此，可對(duì)3種馬鈴薯模型的3種不同表皮脫凈率進(jìn)行試驗(yàn)取的9組數(shù)據(jù)，進(jìn)行單一樣本均值的t檢驗(yàn)[18-19]。

圖5 不同表皮脫凈率的馬鈴薯模型Figure 5 Potato models with different peeling rate

設(shè)定原假設(shè)H0：μ=μ0；備選假設(shè)H1：μ≠μ0。其中，μ為實(shí)際測(cè)定的樣本總體均值，μ0為理論計(jì)算值。

顯著性水平取α=0.05。借助SPSS軟件對(duì)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行雙側(cè)t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 9組樣本數(shù)據(jù)及其檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Sample data and test results (n=2)

從表2可知，以理論計(jì)算值作為雙側(cè)t檢驗(yàn)的檢驗(yàn)值，在95%的置信區(qū)間內(nèi)得到的雙尾概率P值均大于所給定的顯著性水平α。因此，接受原假設(shè)。可以認(rèn)為樣本所在均值與理論計(jì)算值無(wú)顯著性差異，即馬鈴薯模型表皮脫凈率的理論計(jì)算值和實(shí)際的測(cè)定值無(wú)明顯的差異，認(rèn)為兩者一致。

綜上，像素比值測(cè)定法具有一定的可行性，可用于馬鈴薯表皮脫凈率的測(cè)定。

4 結(jié)論

(1) 像素比值測(cè)定法在測(cè)定馬鈴薯表皮脫凈率問(wèn)題上是科學(xué)可行的。這種基于模型驗(yàn)證的像素比值測(cè)定法，解決了馬鈴薯表皮脫凈率的測(cè)定難題。

(2) 試驗(yàn)利用碘液進(jìn)行去皮馬鈴薯的可視化處理，無(wú)需對(duì)馬鈴薯的去皮與未去皮部分人工著色加以區(qū)分，減少了人為誤差，且通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，像素比值測(cè)定法比前人[5]42-45給出的測(cè)定方法更具可行性。

(3) 在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，燈光是影響試驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)重要因素，而在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)未對(duì)此進(jìn)行考慮，試驗(yàn)結(jié)果可能存在一定的誤差。特別地，通過(guò)觀察馬鈴薯模型表皮脫凈率的理論計(jì)算值與總體均值，還發(fā)現(xiàn)兩者之間存在某種關(guān)系，后續(xù)可通過(guò)更多試驗(yàn)進(jìn)行探究，嘗試找到計(jì)算馬鈴薯表皮脫凈率的修正公式。