بخشی از مقاله
تحولات جديد در کاربرد تکنيک هاي پردازش تصوير براي ارزيابي کيفي مواد غذايي
چکيده
درسال هاي اخير براي ارزيابي کيفيت مواد غذايي ،تکنيک هاي نوين پردازش تصويري مورد استفاده قرار گرفته است .اين مقاله پيشرفت هاي اخير در تکنيک هاي پردازش تصويري براي ارزيابي کيفيت مواد غذايي،شامل دوربين دو شارژه ، سونوگرافي يا تصوير پردازي مغناطيسي فراصوتي و روش شبکه هاي عصبي را در بر مي گيرد.اين فرايند ها مي توانند بطور کمي ويژگي هاي مربوط به اندازه ، شکل ،رنگ وبافت مواد غذايي را مشخص کنند. نظريه بررسي وارزيابي کيفيت موادغذايي به وسيله تکنولوزي کامپيوتري توسط Gunasekaran، در سال ١٩٩٦ مورد بررسي قرار گرفته شده است . مهمترين نقش اين مقاله خلاصه کردن پيشرفتهاي اخير در کاربرد پردازش تصوير براي ارزيابي کيفيت مواد غذايي است .بطور کلي تجزيه وتحليل پردازش تصوير شامل گرفتن تصوير و تبديل تصاوير به شکل ديجيتالي ، عملکردهاي پيش پردازشي براي بدست آوردن يک تصوير اصلاح شده در ابعاد مربوط به تصويراوليه ، طبقه بندي براي تفکيک تصوير ديجيتالي به فضاهاي گسيخته وبدون اشتراک ،عملکرد تصوير براي اندازه گيري ويژگيهاي مواد غذايي مثل اندازه ، شکل ، رنگ ، و بافت و طبقه بندي مواد غذايي به گروههاي مختلف مي باشد.
کلمات کليدي : عکس برداري،پردازش تصوير،کيفيت غذا ،تکنيک هاي نوين
١- مقدمه
امروزه درصنعت مواد غذايي ، ارزيابي کيفيت به صورت دستي توسط بازرسان آموزش ديده انجام ميشود که اين کار به دليل وابستگي به ذهن يا تفکر افراد خاص بسيار خسته کننده ،دشوار ، پرهزينه وغير قابل اطمينان مي باشد .نياز روز افزون به عيني گرايي ، ثبات وکارآمدي ، ارايه تکنيک هاي تصوير پردازي به وسيله کامپيوتر را ضروري کرده است . نور افکني و روشن سازي ، يک پيش زمينه مهم در عکس برداري براي ارزيابي کيفي غذايي محسوب مي شود.
کيفيت تصوير گرفته شده مي تواند بطور فزاينده اي تحت تاثير شرايط نور و روشنايي باشد. يک تصوير با کيفيت بالا مي تواند به کاهش زمان و پيچيدگي مراحل بعدي پردازش تصوير کمک کند .اين امر مي تواند باعث کاهش قيمت و بهاي سيستم پردازشگرشود.صنعت مواد غذايي در بين ده صنعت ديگر قرار داردکه از تکنيکهاي پردازش تصوير استفاده ميکنند ودر ارزيابي عيني وغير مخرب ، چندين نمونه از محصولات مواد غذايي به صورت موفق عمل کرده اند. محققان در سال ١٩٩٠گزارش دادند لوازم پرتوزايي و نور به نوراندازي از جلو ، نور اندازي از پشت و نوراندازي ساختاري گروه بندي مي شوند. وجود يک سيستم با طراحي مطلوب نوراندازي مي تواند دقت تصوير را بهبود داده و منجر به موفقيت در تحليهاي تصويري شود.(١٨) محققان در سال ١٩٩٦ در تعريفي بيان کردند که عکس برداري عبارت از گرفتن عکس به شکل ديجيتالي مي باشد. اين مرحله ، ظاهراً اولين مرحله در هر سيستم پردازشگر تصوير مي باشد. در طول دهه هاي اخير ، موارد قابل توجهي از تلاشهاي تحقيقاتي در زمينه توسعه فن آوري هاي عکس برداري اجرا شده است . يک حوزه تحقيقاتي بسيار قوي در زمينه تصويربرداري ، توسعه و پيشرفت حس گرها است . در سالهاي اخير ، تلاشهاي گسترده اي صورت گرفته است تا در ارزيابي ترکيبي و کيفيت ف آورده هاي غذايي از حسگرهاي غير مخرب استفاده شود.(٧) حسگرهاي مورد استفاده در تصوير برداري فرآورده هاي غذايي عبارتند از : دوربين هاي شارژي دو ابزاره (CCD) charge coupled device ، ابزارهاي فراصوتي، تصويرسازي مغناطيسي با استفاده از انعکاس صوتي (MRI) magnetic resonance imaging ، تشخيص امراض از روي عکسبرداري محاسباتي با اشعه computed tomographyو تشخيص امراض از روي عکسبرداري با اشعه X از طريق عکسبرداري الکتريکي مي باشد.
١- ١- دوربين هاي CCD، غالباً با سيستم هاي پردازشگر تصويري ، به منظور ارزيابي کيفيت غذايي بکار گرفته مي شوند. اين دوربين ها مي توانند نور را به جريان الکتريکي تبديل کنند و تصاوير زيادي را با کيفيت بالا و صداي پايين ايجاد کنند که داراي حساسيت پذيري بالايي در مقابل نور مي باشند. اين دوربين ها عاري از تغيير شکلهاي هندسي و خطي در واکنش به نور هستند. اخيرًا ، ارزيابي هاي کيفي غذاهاي گوشتي ، ميوه ها ، حبوبات و غلات ، گوشت ها ، سبزيجات توسط اين نوع دوربين ها اندازه گيري مي شود. از دوربين نوع CCD بطور گسترده براي طبقه بندي کيفي و آشکار سازي مشخصه هاي فيزيکي فرآورده هاي غذايي بهره گرفته مي شود. در مواردي ارزيابي کيفي غذايي در حوزه طيف خاصي ، سخت و مشکل است . با استفاده از فيلترهاي مختلف که با دوربين هاي CCD سازگاري دارند ، تحليهاي تصويري از حوزه هاي طيف خاص مي تواند قابل اجرا باشد.درتحقيقات انجام گرفته توسط محققان ، يک فيلتر تداخلي به اندازه ٤٠٠ الي ٦٢٠ nm در دوربين CCD جاگذاري شد تا تفاوت هاي بين بافت معيوب و کامل مارچوبه را مورد بررسي قرار دهند. به منظور دستيابي به بررسي اساسي و کامل از فرآوده هاي غذايي ، ضروري است که بيش از يک دوربين استفاده شود . (٢٤)
محققي در سال ٢٠٠٢ براي دسته بندي عيوب سطح پوست سيب ، يک سيستم نوين و اتوماتيک تجربي را توسعه داد که بر اساس فنآوري تصاوير رايانه اي بود. دو نوع دوربين CCD همراه با فيلترهاي تداخلي که بطورگروهي نور را عبور مي دهند در قسمت فوقاني و تحتاني دستگاه انتقال دهنده نور نصب شدند.(١٣) صفات ومشخصه هاي خارجي مثل اندازه ، شکل ، رنگ و بافت سطح و معايب خارجي با ابزار هاي خاصي ارزيابي مي شود(مثل دوربين نوع CCD).امابررسي ساختار هاي داخلي به وسيله ، ابزار هاي نسبتاً ساده با دشوارهايي همراه است و نمي توانند اطلاعات کافي را براي کشف معايب و نقايصي داخلي فراهم آورند. شناخت فن آوري هاي فراصوتي، DI,MRI و ET راه حل مناسبي براي ارزيابي کيفي غذا مي باشد.
١-٢- ماوراء صوت (فراصوت ) فن آوري جديدي است که در ارزيابي کيفيت غذايي،مسير خاصي را ارايه مي دهد تا به تصاوير دروني دست يابيم .در تصوير سازي فراصوتي از بافت هاي زيستي دو روش وجود دارد. روش مدلسازي نوساني و روش مدلسازي روشنايي نور مي باشد.روش اول يک بعدي است و محدود به اندازه گيري عمق بافت مي باشد و روش دوم امکان شناسايي مشخصه هاي بافتي را با تراکم ها و غلظت هاي مختلف مهيا مي سازد. به عنوان يک روش معتبر و با صرفه ، درارزيابي کيفي صنعت گوشت مورد استفاده قرار ميگيرد.
١-٣- MRI يک تکنيک تصوير سازي است که عمدتاً براي تهيه تصاوير با کيفيت بالا از داخل اجسام بکار ميرود.تحقيقات نشان داده است که MRI مي تواند در ارزيابي غيرمخرب از مشخصه هاي مهم کيفي فرآورده هاي غذايي استفاده شود .MRI به عنوان يک ابزار تحليلي به شمار مي رود که براساس جذب و انتشار انرژي در برد فرکانس راديويي از طيف الکترومغناطيسي، عمل مي کند.
١-٤- CT يک ابزار غير مخرب براي گرفتن عکس از غذا به شمار مي رود که امکان تصوير سازي از ويژگي هاي دروني يک ماده را فراهم مي سازد.
١-٥- اشعه ايکس (X) يک روش موثروتأئيد شده در ارزيابي بخش عرضي از يک ماده يا جسم است و در صنعت غذا، کاربرد فراوان دارد.اين روش بطور گسترده براي بسياري از فرآورده هاي غذايي استفاده شده است که عبارتند از فرآورده هاي شيلات ، ميوه ها، گوشت و سبزيجات مي باشد. علاوه بر آن ، CT مي تواند براي کاوش وجستجوي مواد واجسام خارجي در غذاها بکار گرفته شود.
١-٦ فن آوري هاي ET در عکسبرداري از مواد غذايي، بطور گسترده عموميت پيدا کرده است و عمدتاً شامل سه روش مي باشد که عبارتند از: تشخيص عيوب با عکسبرداري مقاوم الکتريکي با اشعه ايکس (EIT يا ERT) ، تشخيص عيوب با عکسبرداري دقيق الکتريکي اشعه X-ECT و تشخيص عيوب با عکسبرداري القائي و الکترومغناطيسي اشعه ايکس ( EMT) اين روشها تفاوت هاي خواص الکتريکي از مواد واجسام مختلف را مشخص مي سازد تا تصاوير تکه اي و برشي را ارايه دهند.اين روش ها شبيه سازي هاي نسبتاً سريع ، غير مخرب و با صرفه اي هستند.بکارگيري فن آوري هاي ET کاربرد هاي وسيع و گسترده اي دارد و طراحي و عمليات تجهيزات را اصلاح مي کند و ثبات و کيفيت بالاي فرآورده هاي غذايي را تضمين مي سازد.
١-٦-١- روش EIT در اندازه گيري دماي مواد غذايي استفاده مي شود.[١٧] محققان در سال ٢٠٠١ گزارش دادند که روش ERT مي تواند وجود اجسام خارجي و غير رسانا را در تراکم خطي عناصر مشخص کرده و مقدار مواد مخلوط را در ترکيبات استاتيک و روغني ، حبابها و ساختار مواد غذايي نشان دهد.[٢٠] تصاويرگرفته شده با دوربين نوع CCD, ماوراء صوت ، CT,MRI تابع انواع متنوعي از صداهاست . اين صداها مي تواند کيفيت تصوير را تنزل دهد و به همين ترتيب نمي تواند اطلاعات دقيقي از پردازش بعدي تصوير ارايه دهند. به منظور بهبود کيفيت تصوير ،لازم است اقداماتي بروي آن اجرا شود. دوروش متفاوت در پردازش تصوير وتعيين کيفيت مواد غذايي به کار ميرود: پيش پردازي نقطه اي يا پيکسل و بيش پردازي محلي . پيش پردازي نقطه اي يک روش ساده ولي درعين حال مهم مي باشد که تصوير ورودي را به تصوير خروجي تبديل مي کند و درچنين روشي ، هر پيسکل خروجي مستقيماً با هماهنگي به پيکسل ورودي مرتبط مي شود.در پيش پردازش محلي تصوير خروجي، از همسايگي کوچک پيکسل استفاده مي کنند تا در تصوير خروجي، مقدار شفافيت را بالا ببرند که آن موسوم به فيلتر سازي است .
در پيش پردازش عنصر تصويري يا پيکسل عمليات کپي برداري نقطه به نقطه مورد بررسي وارزيابي قرار دا ده مي شود و ارزش ها و مقادير بر طبق عمليات تبديلي ، تغيير داده مي شوند. تغيير وتبديل مکان و فضاي رنگ ، يک روش معمول از پيش پردازش نقطه اي در ارزيابي و تعيين کيفيت غذايي محسوب مي شود.تبديلات فضاي رنگي براي پيش پردازش تصوير برمبناي فضاي رنگ HIS استفاده مي شوند. همچنين از فضاي رنگ *L*a*b براي بيش پردازي تصوير استفاده شده است . .HSI يک ابزار موثر براي تشخيص تصوير رنگي مي باشد. در تحقيقي ، تصاوير اشباع شده براي تحليل گوشت گاو بکار گرفته شد . تصاوير گرفته شده در فرمت RGB قرار داشتند و به فرمت HIS تبديل شدن . بررسي و تحليل هاي آزمايشي و اوليه از اندازه هاي متفاوت تصاوير نشان داد که اجزاء ترکيب اشباع ، يک تصوير تک رنگ را ارايه مي دهد و بطور وضوح ، بافت تصوير ماهيچه و عضله گاو را نمايان ساخت . (٥) برخي ، از روش هاي پيش پردازش تصوير از فضا هاي رنگي *L*a*b استفاده مي کنند که L نشاندهنده عامل درخشش است و *a نشان دهنده محتوا وحجم رنگ هاي قرمز يا سبز است و *b نشان دهنده حجم رنگ هاي زرد يا آبي مي باشد.اين تصاوير به منظور تاکيد بر خواص و ترکيبات خاص ، مي تواند با تبديل و تغيير فضاي رنگي HIS اصلاح شوند.
در روش هاي پيش پردازي محلي ، مقادير را بر پايه تعديل سازي مقادير شفاف درنقاط مجاور محاسبه مي کنند. اين روش ها خواص مشابهي در نقاط پردازش شده دارن .کاربرد هاي پيش پردازش محلي براي کيفيت غذا ، طرح هاي متنوعي دارد که نسبتاً از روش مستقيم به روش کاملاً پيچيده گسترده شده است . روش هاي پيش پردازش محلي مي توانند براي حفظ لبه در تصوير و تيره کردن آن بکارگرفته شود. در اغلب روش هاي پايه پيشي پردازش محلي از فيلر مشابهي استفاده مي شود تا از ازدحام و ساير نوسانات کوچک در تصوير جلوگيري به عمل آيد. محققان دراستخراج ترکيبات دانه هاي گندم ، از فيلتر استفاده کردند تا ازدحام را از اطلاعات تصويري برطرف سازند . محققان از روش فيلترسازي غيرخطي (فيلتر سازي ميانه ) استفاده کردند تا مانع از ناهنجاري تصوير شوند.(٢٨) فن آوري فيلتر ميانه مي تواند به عنوان موردخاصي براي فيلتر مدنظر قرارداده شود که به فيلتر ترتيب آماري موسوم است و به لبه ها و حواشي تصوير امکان مي دهد تا در فيلتر سازي اوج ناهنجاري تصوير، مکان خودرا حفظ کنند. به همين دليل ، فيلتر ميانه اغلب قبل از بکارگيري روش آشکار سازي لبه تصوير استفاده مي شود . محققان در سال ١٩٩٨ براي کجرددانسدا.(ز٢ي١)ق ي وجود بر روي سيب هاي خوشمزه وطلايي ، ز دو نوع ف ل ر ميانه ٣در٣ و قالي ٣در٣ اس فاده در قطعه سازي تصوير، آن را به قطعات سازنده تفکيک ميکند. فن آوري هاي توسعه يافته تفکيک سازي تصوير براي تعيين کيفيت غذا مي تواند به چهار راه حل متفاوت تقسيم شود که عبارتند از: تقسيم سازي براساس آستانه اي، براساس منطقه اي، برمبناي خيزشي و شيب نمايي .
محققان در سال ١٩٩٥ روشي براي بررسي سريع از نقاط کبود در تصاوير مغناطيسي رزونانسي از سيب ها ابداع کردند. از لحاظ محاسباتي از روش ساده آستانه اي استفاده شد تا با ارايه سيستم آوندي و نقاط کبود، پيکسل ها و نقاط روشن و شفاف تصوير تشخيص داده شود .(١٠) در سال ٢٠٠٣ برمبناي روش آستانه اي ، تصوير شش پيتزا را تحليل و تجزيه کردند.(٢٨) در برخي موارد تنها روش آستانه اي براي تفکيک يک عکس و تصوير کافي نمي باشد.
اين امر بدليل متنوع بودن تفاوت هاي اجسام و مواد موجود در داخل تصوير است . محققان با مرجع قراردادن تصويري از سيب ، روشي را ابداع کردند که با آن تفکيک سازي معايب را بر اساس تصوير منحني از ميوه ها انجام دادند.در ابتدا يک تصوير مرجعي از ميوه ساخته شد و سپس تصوير مرجع (NRFI) با طبيعي سازي تصوير اصلي ميوه ، در کنار هم مورد بررسي قرار گرفت . در مرحله بعد، تصويرعکس با عمل کسر کردن تصوير اصلي و طبيعي ميوه از NRFI انجام پذيرفت که نهايتاً فرايند ساده آستانه اي براي استخراج نقايص و معايب به کار گرفته شد .(٣٠)اندازه گيري هاي انجام شده برروي اجزاء تصاوير درارزيابي کيفيت غذايي مي تواند به چهاردسته تقسيم شود: اندازه ، شکل ، رنگ و بافت .
اندازه : سه ويژگي که در اندازه گيري يک ماده به کار مي رود و مي تواند در ارزيابي وتعيين کيفيت غذايي نمايان گردد شامل مساحت ، محيط و طول وعرض مي باشد. محققان در سال ١٩٩٦ روش دقيقي را براي توصيف اختصاري طول و عرض خيار بدست آوردند(٢٩) محققان در سال ١٩٩٩ تاثير نمونه گيري را بر روي دقت و صحت تحليلي تصوير ديجيتالي از نمونه در گندم بهاره سرخ مورد بررسي قرار دادند.(٢٦)
شکل : شکل و طرح ، يکي از اصلي ترين مقياس ها براي تعيين کيفيت غذا مي باشد در مقايسه با ساير ويژگي ها مثل رنگ و بافت ،اندازه گيري شکل وطراحي با تکنيک هاي پردازش تصويري، آسانتر است . غالباً، اجسام و مواد موجود در يک طبقه و دسته مي توانند از طريق طرح و شکلهايشان از يکديگر متمايز گردند که اين ويژگي ها مقياس هاي فيزيکي و ابعادي محسوب مي شوند وظاهر يک ماده را مشخص مي کند. ويژگي شکل وسطح مي تواند مستقل و نيز با تلفيق سازي مقياس اندازه ، اندازه گيري شود.Millerدرسال ١٩٩٢ سيستم تصويري ديجيتالي را بکار برد تا شکل انگور سرخ فلوريدا را تحليل و تجزيه سازي کند راين عمل از چهار ويژگي و جزء سازنده يعني نسبت مساحت
،بخش پذيري و (وسعت ضخامت ) برد قطري و نسبت تصوير استفاده شد تا انگور به شکل مطلوب ارزيابي گردد.(١٦) به منظور ارزيابي شکل ظاهري گوجه فرنگي ها ، تراکم و فشردگي آنها، مساحت ، محيط ، بزرگترين وکوچکترين محورها اندازه گيري شد.
