《電冰箱圖像識別專區食材識別技術要求及試驗方法》標準解讀

胡亞欣 焦利敏 亓新 高洪波 高超 孫廣偉

摘 要：隨著人工智能的發展，智能技術深入應用到電冰箱的發展方向也已明確且堅定。近兩年發展迅猛的圖像識別技術在冰箱上的應用受到極大的關注和認可，但是由于冰箱間室環境的特殊性，導致識別準確率已然成為亟需突破的技術瓶頸。T/CAS 643—2022《電冰箱圖像識別專區食材識別技術要求及試驗方法》標準的發布與實施恰好為行業在該方面提供新的發展思路和技術參考。本文就該標準的背景、創新性、原理、核心要求進行了詳細論述與解讀，并用試驗數據加以佐證，以期對行業發展起到促進作用。

關鍵詞：電冰箱，圖像識別專區，食材識別

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.025

0 引 言

近年來，隨著網絡技術和人工智能技術的發展，智能家電各類產品開始加速布局。iiMediaResearch（艾媒咨詢）數據顯示，自2014年來，中國在售智能冰箱占比呈現逐年增長的趨勢，2019年中國在售智能冰箱占比達到36.8%，2 02 0年達到45.1%，2021年中國在售智能冰箱占比將突破半數，達到53.2%[1]。智能電冰箱為用戶帶來了更好的體驗，如能對冰箱內食品進行智能化管理，為用戶提供健康的飲食建議，提醒用戶定時補充食品等，智能電冰箱產品深得用戶青睞。

智能電冰箱的食材管理功能為用戶提供極大的便利性和智能性的體驗感，得到市場、行業的廣泛重視。對應的食材識別技術便需要更高更明確的要求來支撐冰箱食材管理功能的完善。由中國標準化協會于2022年9月19日發布實施的《電冰箱圖像識別專區食材識別技術要求及試驗方法》順應冰箱行業及市場發展需求，明確并詳細提出采用圖像識別技術的電冰箱的食材識別技術要求及試驗方法，為企業設計相關產品提供技術指導。

1 標準創新性

作為家庭飲食入口質量的核心關卡，電冰箱的主要作用體現在為用戶嚴格把控食材品質信息。常見的冰箱食材管理方式分為兩大類，一類是通過不同的RFID射頻標簽夾，人工將代表各食材名稱的標簽夾在食品包裝袋上，放入冰箱進行自動識別標簽進而記錄食材信息；另一類是通過攝像頭的圖像識別技術，拍照識別并記錄食材信息。這兩種方式目前都有對應標準進行要求。

如T/CAS 432—2020《家用及類似用途食材管理電冰箱》，就是針對RFID無線射頻技術的食材管理提出的技術要求，這里對非冷凍食品儲藏室的和冷凍食品儲藏室的食材識別準確率分別做出“≥90%”和“≥99%”的明確要求[2]。但是此類方式實現的食材管理最大的弊端是需要人工的參與度較高，電冰箱識別的是標簽夾而不是直接識別食材信息，需人工進行標簽與食材的匹配工作，由此造成的用戶體驗感較差。

另一類是冰箱通過內部自帶攝像頭的方式。實現效果細分兩種，一種是直接將拍照信息傳輸到連接的手機端，供用戶在遠程端查看冰箱內所有的食材，需用戶自己辨別食材種類、數量、新鮮度等等，這種單一的信息傳輸很難滿足人們對智能電冰箱的要求；另外一種提升的效果是攝像頭拍照后先進行信息處理和圖像識別，傳輸到用戶手機端的信息為食材名稱、數量等詳細信息，但是由于目前行業技術水平及食材擺放習慣、疊加遮擋等因素，導致整體識別率不理想，所以已發布的國家標準GB/ T37877—2019《智能家用電器的智能化技術 電冰箱的特殊要求》僅要求識別率≥75%或90%[3]。識別率的下降直接造成用戶體驗感差的結果。

T/CAS 643—2022《電冰箱圖像識別專區食材識別技術要求和試驗方法》團體標準通過梳理核心影響因素后，創新性地定義了圖像識別專區。食材的擺放位置、大面積遮擋，開關門造成的間室內溫濕度波動變化等諸多因素造成電冰箱間室內拍照環境復雜，不利于圖像信息的有效獲取。在不可控的居民使用習慣前提下，將食材圖像識別聚焦到“專區”，即電冰箱冷藏室內，通過圖像識別技術對食材進行識別和管理的專屬空間。當然，這里用注釋的方式明確，此專區的具體位置要依據制造商的聲明，不應對不同內部結構電冰箱的專區位置進行統一規定。通過用專區的物理限制來把控用戶的食材擺放方式，實現食材識別準確率的提高，標準中對此參數提出“不低于95%”的突破性要求。

2 原理及系統要求

2.1 食材識別流程

食材管理的核心或前提在于食材識別。食材識別的流程通常包括：本體端拍照，圖片上傳至云端，圖像識別，判定食材結果，具體如圖1所示。

圖像識別技術應用在電冰箱上具有特殊性，首先由于冰箱內溫度變化、霧化、光線、空間狹小等因素造成的拍攝環境差，家庭用戶各種食材擺放習慣造成的大面積重疊遮擋等等，這些都導致冰箱食材識別的第一步——圖像采集到的信息就大打折扣；另外，對于同種食材不同包裝或出產地，特征形態也有所不同，影響冰箱最終食材判定的準確度。

2.2 食材管理系統要求

通過了解電冰箱食材識別的影響因素，整個食材管理過程不是由一個模塊或攝像頭完成的，經過科學劃分，該標準明確了系統一般應有五部分組成：圖像采集單元，即獲取食材圖像信息，通常以攝像頭形式；食材識別單元：對圖像信息進行處理，并與食材庫信息做對比，計算相似度；食材管理單元：以某種形式輸出食材識別的結果，例如顯示、語音等方式；食材庫：食材種類的集合，類似于我們人類大腦的先驗知識庫；食材標注：允許用戶對食材信息進行標注。如下圖2所示。

同樣，該標準不再單一對電冰箱食材識別率和識別時間進行規定，而是將食材識別系統分解成如上圖所述的核心單元，對各個單元進行技術要求，再集合成系統實現識別。針對圖像采集單元的工作條件，提出溫度（0～4）℃，相對濕度為（83～87）%的環境下能保證采集的包裝文字清晰，帶有自動除霧以及具備輔助補光功能。食材識別單元的要求則是識別率不低于95%。食材管理單元不再是一張圖片原圖傳到手機APP端這樣簡易效果，而是需要有數據處理、信息提取后的清單、時間、保質期、位置這四大類信息管理作用。對于食材庫則采用國家標準GB/T 37877—2019《智能家用電器的智能化技術電冰箱的特殊要求》的食材種類作為考核其覆蓋種類范圍的標準要求。最后對于食材標注單元，核心的要求是支持用戶通過語音或手動輸入等方式進行自定義標注。

3 試驗測試

選取具備圖像識別專區的食材管理電冰箱，依據該標準進行單品測試、組合測試（食材占專區面積約50%）以及組合測試（食材占專區面積100%）三種形式的試驗，實際傳至用戶手機端圖像如下圖3和圖4所示。

其中單品測試，選取不同包裝形態的常見30款快消品——酸奶，每種單獨測試10次，通過更改在專區的位置、擺放形態等狀態參數，記錄每次“未檢出的食材數量”“識別錯誤的食材數量”和“識別時間”，以其中一款杯裝酸奶為例，檢測結果如表1。

同樣進行組合測試，依據樣品專區面積，選取測試食材總數量占比專區面積約50%的3至6種食材進行組合擺放，共做6組測試，每組進行20次，每次測試更改實際放入的食材數量及擺放形態，但位置始終占比50%不變，如表2為其中一組食材的測試結果。

同樣的方式進行了組合測試（面積占比100%）的測試，將三種測試結果進行匯總如下表3所示。可見，通過圖像識別專區對食材擺放方式及食材種類進行物理性規范和統一后，識別準確率的結果遠比傳統要求的75%或90%有明顯的提升，且能完全符合該標準的95%要求。

4 意 義

無論是人們對生活質量提高的需要，還是節能環保、減少資源浪費的需要，都要求電冰箱不再是僅僅實現食物保鮮的作用，而是幫助我們識別食材、管理食物。但是靠增加攝像頭數量明顯增加成本壓力，強制用戶按需擺放食材的方式來提高識別準確率的可操作性極低，所以，該標準通過獨創性的提出“圖像識別專區”，用專區獨有的物理性空間規范用戶方式的食材，以此明顯提高食材識別的準確率，且無需增加產品成本或用戶學習成本。這將為帶有圖像識別、食材管理功能的智能電冰箱突破技術瓶頸帶來新的發展思路。

參考文獻

[1]智能家居行業數據分析：2021年中國在售智能冰箱占比預計達53.2%[EB/OL].（2021-10-15）[2022-10-20].https：//www.iimedia.cn/c1061/81496.html.

[2]中國標準化協會.家用及類似用途食材管理電冰箱：T/CAS 432[S]. 2020.

[3]國家標準化管理委員會.智能家用電器的智能化技術 電冰箱的特殊要求：GB/T 37877[S]. 2019.

作者簡介

胡亞欣，工程師，主要從事智能家電檢測和技術標準方向的研究。

焦利敏，高級工程師，主要從事智能家電檢測和技術標準方向的研究。

亓新，正高級工程師，副總工，主要從事家電檢測和技術標準方向的研究。

高洪波，工程師，主要從事智能電冰箱圖像識別的研發、標準的制修訂等工作。

高超，工程師，主要從事智能家電的研發、標準的制修訂等工作。

孫廣偉，工程師，主要從事智能家用電器的檢測認證等工作。

（責任編輯：張佩玉）