مقاله فن آوری های نوین : کاربرد پردازش تصویر در صنایع غذایی

بخشی از مقاله

فن آوری های نوین : کاربرد پردازش تصویر در صنایع غذایی

چکیده:

توقع روزافزون مصرف کنندگان به دستیابی به مواد غذایی با کیفیت بالا و دارای استانداردهای ایمنی ، نیاز به تکنیک های بازرسی سریع ، اقتصادی ، غیر مخرب و بهداشتی به عنوان جایگزین روش های سنتی کنترل کیفیت را بیش از پیش آشکار می نماید. پردازش تصویر یکی از این روش هاست که به واسطه سرعت و دقت رضایت بخش آن و ایجاد داده های توصیفی دقیق در کشاورزی و صنایع غذایی به ویژه بازرسی و درجه بندی میوه جات و سبزیجات ، آنالیز خصوصیات غلات، ارزیابی غذاها مانند گوشت ، پنیر و پیتزا کاربرد دارد. این مقاله ، مفاهیم اساسی و عناصر مهم یک سیستم رایانه بینایی بر اساس پردازش تصویر را معرفی می کند و به کاربردهای تکنیک آنالیز تصویر در صنایع غذایی می پردازد.
واژه های کلیدی:پردازش تصویر، تضمین کیفیت، رایانه بینایی، صنایع غذایی

مقدمه :

تضمین کیفیت یکی از مهم ترین اهداف در هر صنعتی می باشد. توانایی تولید محصولات با کیفیت بالا و با ثبات ، اساس موفقیت در صنعت پررقابت غذاست. تضمین کیفیت ، صداقت را در مشتریان برمی انگیزاند و به توسعه سهم بازار می انجامد.[1] روش های سنتی ارزیابی حسی در تعیین کیفیت مواد غذایی کاربرد زیادی دارند و هنوز توسط بازرسان آموزش دیده انجام می شود. ولی این روش ها ، زمان بر و پرهزینه هستند.این عوامل سبب ایجاد انگیزه برای روش های جانشین شده است که در زمان کمتر و با دقت بیشتر، خصوصیات کیفی محصول را ارزیابی می کند. پردازش تصویر یکی از این روش هاست. نشان داده شده که کاربرد پردازش تصویر در اندازه گیری خصوصیات کیفی یکی از امید بخش ترین موضوعات تحقیقاتی است.[20] اخیرا کامپیوترها در صنایع غذایی در جهت اهداف تضمین کیفیت به سرعت در حال استفاده شدن می باشند. در طی چند سال گذشته رشد انفجاری در نرم افزار و سخت افزارهای کامپیوتری به پیشرفت های بسیار مهم در فن آوری ماشین های بینایی منتهی شد. محدوده کاربردهای ماشین بینایی از بازرسی های روتین تا کنترل های رباتیک می باشد. پردازش تصویر به عنوان هسته یک رایانه بینایی می باشد که با کاربرد الگوریتم های موثرتر ، به کاربردهای وسیع تر این تکنیک کمک می کنند. رایانه های بینایی که تکنیک های پردازش تصویر را به خدمت گرفتند، به سرعت پیشرفت کردند به طوری که می توانند به طور کمی اندازه های پیچیده، شکل ، رنگ و خصوصیات بافت غذا را تعیین نمایند.سیستم های پردازش تصویر یک نقش بسیار بسیار مهم در ارزیابی کیفی غذا به عهده دارند. رایانه بینایی ، تکنولوژی تهیه و آنالیز تصاویر یک صحنه واقعی به وسیله کامپیوتر در راستای کسب اطلاعات و یا کنترل یک پروسه و یک روش بازرسی سریع، اقتصادی، پایدار و غیر تماسی می باشد . سرعت و دقت موجود در این روش ، کاربرد آن را در تولیدات انبوه و بر طرف ساختن نیازهای مربوط به کنترل کیفی محصول برآورده نموده و بدین خاطر است که باعث گسترش آن در بسیاری از صنایع، به خصوص پروسه های خودکار و جایگزینی آن با روشهای بازرسی چشمی و ... گردیده است . نیاز به این نوع سیستم بازرسی غیر مخرب و غیر شیمیایی که دخالت مستقیم انسان را در آن منتفی نماید، در صنایع غذایی که ارتباط مستقیم با سلامت جامعه انسانی دارد، بیش از سایر صنایع احساس می گردد. [1] صنعت غذا اکنون در میان ده صنعت برتر که از فن آوری ماشین های بینایی استفاده می کند ، طبقه بندی می شود.[2]

مراحل اساسی پردازش تصویر:
شناخت ماهیت مفید شیء از داده های تصویری، یک وظیفه پیچیده شامل زنجیره ای از مراحل زیر است:

· ایجاد تصویر1 برای تبدیل تصویر به صورت دیجیتالی آن.

· پیش پردازش تصویر2 برای فراهم نمودن یک تصویر بهبود یافته با همان ابعاد تصویر اصلی. هدف از پیش پردازش یا مشروط کردن تصویر، افزایش کیفیت تصویر به دست آمده است که اغلب به وسیله تغییر شکل و اختلال(نویز) در سیستم های اپتیکی و الکترونیکی تجهیزات ورودی ،کیفیت آن تنزل می یابد.
· تقسیم تصویر3 به چند جزء : یعنی فرایند تقسیم یا تفکیک یک تصویر مرکب به اجزاء یا اجسام متشکله آن .تقسیم درست تصویر بسیار مهم است.
· نمایش و توصیف تصویر4 به استخراج ماهیت تصویر اشاره دارد که به استخراج اطلاعات کمی از شاخص مورد نظر منتهی می شود.
· شناخت و تفسیر5 که هدف نهایی است، ترجمه داده های آنالیز شده تصویری ، به اطلاعاتی است که برای اقدام بیشتر مانند فرایند و یا کنترل ماشین مفید می باشد.

هریک از این مراحل باید بادقت انجام شود. برای مثال،یک تصویر با کیفیت پایین تشکیل شده یا حاصل شده ، با هرمقدار پردازش بیشتر نمی تواند نتایج خوبی را فراهم کند. روشنایی مناسب و کیفیت بالای اپتیکی و مدارات الکترونیکی در ایجاد تصاویر با صحت زیاد حیاتی هستند. یک نمودار شماتیک بینایی کامپیوتری براساس کنترل فرایند روی خط در شکل یک نشان داده شده است:

نیازمندی های تصویربرداری:

لازمه هر کاربرد بینایی ، این است که شاخص کیفی مورد بررسی را بتوان در تصویر دید. بنابراین ،علی رغم همه پیشرفت ها در الگوریتم های آنالیز تصویر،کارایی دوربین و روشنایی اجزای سیستم ، می تواند روی قابل اعتماد بودن کاربرد ماشین بینایی تاثیر زیادی داشته باشد. یک سیستم نوری و روشنایی خوب طراحی شده، می تواند به بهبود درستی و نتیجه آنالیز تصویری با زیادتر کردن کنتراست تصویرکمک نماید.نور خوب ، تشخیص شاخص کیفی مورد بررسی را بهبود خواهد داد،زمان پردازش را کوتاه می کند و نیازمندیهای سخت افزاری پردازش را کاهش خواهد داد. بدین ترتیب ،همیشه بهبود سیستم روشنایی ارزان تر از سیستم پردازش تصویر خواهد بود. [1].

انواع سنسورهای مورد استفاده در پردازش تصویر:

یک زمینه تحقیقاتی قدرتمند در ایجاد تصاویر، توسعه سنسورهاست.ترکیب های بسیار متنوع سنسورها ، برای تبدیل تصاویر به فرم دیجیتالی آن استفاده شده است. در سال های اخیر ، تلاش هایی برای توسعه سنسورهای غیر مخرب برای ارزیابی ترکیبات و کیفیت محصولات غذایی انجام شده است. انواع مختلف سنسورها مانند دوربین های charge coupled device(CCD)، اولتراسوند، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی((MRI، توموگرافی محاسباتی(CT)6 و تومو گرافی الکتریکی(ET) 7 برای تصویر برداری محصولات غذایی، بسیار زیاد مورد استفاده قرار می گیرند.

از دوربین های charge coupled device(CCD) عموما توسط سیستم پردازش تصویر برای ارزیابی کیفی غذا استفاده می شود. دوربین های CCD می توانند نور را به بار الکتریکی تبدیل کنند و تصاویر با کیفیت بالا و نویز پایین با تعداد زیادی پیکسل با حساسیت نوری بالا ایجاد کنند. اخیرا ارزیابی کیفیت فرآورده های شیلاتی ، ماهی ، میوه ها ، غلات ،گوشت ، سبزیجات ، و غذاهای دیگر مانند پنیر، رشته فوری، پیتزا و ارزیابی خواص حسی سوسیس ها ، با دوربین های CCD ، بسیار واقعی فراهم شده است.برای نیل به بازرسی کامل فرآورده های غذایی ، لازم است بیش از یک دوربین برای فراهم نمودن تصاویر غذا از جهات مختلف استفاده نمود. ویژگی های کیفی خارجی مانند اندازه ،شکل ،رنگ ، بافت سطحی و نواقص خارجی می توانند توسط وسایل معمولی مانند دوربین هایCCD ارزیابی شوند. ولی در ساختارهای داخلی ، با ابزارهای پردازش نسبتا ساده و سنتی،

چون نمی توانند اطلاعات کافی برای آشکارکردن نواقص داخلی مانند مغز آبکی8 ، مغزتوخالی9 و شکستگی های داخلی و... فراهم کنند بسیار مشکل است. بنابراین لازم است از تکنیک های ویژه ایجاد تصاویر برای ارزیابی کیفی غذا استفاده نمود. فن آوری های اولتراسوند،MRT ، CTو ET برای بازرسی ویژگی های داخلی فراورده های غذایی کاربرد دارند.

اولتراسوند یک فن آوری نوین است که راهی برای ایجاد تصاویر داخلی در ارزیابی کیفی فرآورده های غذایی می گشاید. دو حالت برای تصویر برداری اولتراسونیک بافت بیولوژیکی غذا وجود دارد: یک حالت ، حالت (amplitude modulation)A و حالت دیگر، ( brightness mode)B است. حالت A تک بعدی است و به اندازه گیری عمق بافت محدود می شود ، درحالی که حالت B ،تعیین خصوصیات بافت با چگالی های مختلف را فراهم می کند. اولتراسوند با زمان حقیقی(RTU) 10 ،نوع تخصصی اولتراسوند حالت B است که توانایی تولید تصاویر اجسام متحرک را تقریبا به طورهمزمان دارد. به عنوان یک روش قابل اعتماد و کم هزینه، بیشترین کاربرد تصویر برداری اولتراسونیک برای ارزیابی کیفی غذاها ،در صنعت گوشت می باشد. آنالیز تصاویر اولتراسونیک ،برای اندازه گیری ضخامت چربی گوشت، تخمین درصد آن ، محتوای چربی بین عضلانی و ارزیابی کیفیت گوشت به کار گرفته شده است.

MRI ، یک تکنیک تصویر برداری است که در ابتدا برای تهیه تصاویر با کیفیت بالا از داخل یک جسم در دو یا سه بعد استفاده شد. از MRI می توان برای ارزیابی غیرمخرب ویژگی های مهم کیفی فرآورده های غذایی بهره گیری نمود. به عنوان یک ابزار تجزیه ای ، MRI ، برپایه جذب و نشر انرژی در محدوده فرکانس رادیویی از امواج الکترو مغناطیس است. تولید تصاویر روزنانس مغناطیسی را می توان توسط توالی پالس های با فرکانس رادیویی مورد استفاده برای برانگیختن اسپین های هسته کنترل نمود. انتخاب بهینه پارامترهای زنجیره پالس می تواند به بهبود تصاویر با کنتراست خوب بین محدوده مورد مطالعه و ناحیه پیرامون آن منتهی شود. درچندین مورد تحقیق ،MRI برای اندازه گیری رطوبت و مهاجرت آن در سیستم های غذایی، اثرات انجماد-ذوب شدگی در فراورده های دریایی، اندازه گیری توزیع رطوبت در غلات ، اندازه گیری انتشار داخلی یون سدیم در گوشت قابل اجرا است.

CT ، یک تکنیک غیر مخرب برای گرفتن تصاویر غذاست و دیدن ماهیت داخلی یک جسم را امکان پذیر می سازد. بر اساس تفاوت موجود میان سرعتهایی که بافتها از شدت اشعه X می کاهند ، تصویر یک برش نازک از جسم را می توان با استفاده از یک منبع اشعه ایکس متحرک همراه با یک دتکتور برای جمع آوری داده ها فراهم نمود. از CT می توان برای آشکار کردن اجسام خارجی در غذاها استفاده کرد.ثابت شده است که این یک روش موثر برای ارزیابی مقطع عرضی یک جسم است و کاربرد های گسترده ای در صنایع غذایی دارد . این روش به طور گسترده ، برای بسیاری از فراورده های غذایی شامل ماهی ها، میوه جات، گوشت و سبزیجات ، اندازه گیری مقدار چربی و پروتئین خام در فیله های ماهی ، پیش بینی ترکیبات لاشه ، تعیین محتوای آب در سیب ، تعیین رسیدگی در گوجه فرنگی، تعیین تکه های استخوان در گوشت مرغ استخوان گیری شده مورد استفاده قرار می گیرد.

تکنیک های ET برای ایجاد تصاویر غذاها ، به طور روز افزونی عمومیت پیدا کرده است. که عمدتا شامل سه نوع ابزار حسی است: توموگرافی مقاومت الکتریکی(امپدانس)(ERT یا (EIT ، توموگرافی ظرفیت الکتریکی((ECTو تومو گرافی القایی الکترو مغناطیسی(.(EMT این روش ها ، از تفاوت در خواص الکتریکی مواد مختلف بهره می گیرند تا تصاویر برشی تولید کنند و نسبتا سریع ، غیر مخرب و کم هزینه هستند. ERT(EIT) و ECTو EMT به ترتیب بر اساس اندازه گیری و آنالیز کامپیوتری تغییرات مقاومت الکتریکی ، کاپاسیتانس و تغییرات القایی یک جسم کار می کنند. با استفاده از تکنیک ET کاربردهای گسترده برای بهبود طراحی و کار تجهیزات و اطمینان از غلظت و کیفیت بالای فرآورده های غذایی وجود دارد [2].

کاربردهای رایانه بینایی و پردازش تصویر در صنایع غذایی:

· ارزیابی کیفی میوه ها و مغزهای خوراکی مانند سیب، پرتقال ، توت فرنگی ، گوجه فرنگی، هلو و گلابی و مغزها مانند پسته.[3]در زغال اخته این روش به دلیل سادگی و کم هزینه بودن، یک ابزار مفید برای ارزیابی خواص نوری این میوه از قبیل رنگ، علائم از دست دادن آب و رشد قارچ که از مهمترین ویژگی ها برای مصرف کننده هستند و وجود موم در پوسته خارجی که از فساد محصول در طی انبارداری جلوگیری می کند ، می باشد. [9]

· ارزیابی کیفی سبزیجات مانند سیب زمینی ، قارچ و [3]...

· طبقه بندی و ارزیابی کیفی غلات مانند گندم ،برنج ،ذرت.[3]

· کاربرد در سایر فرآورده های غذایی مانند پیتزا(یکنواختی پوشش ،درصد و توزیع آن و یکنواختی سس پخش شده روی پیتزا) ، فرآورده های نانوایی ، ماهی ،گوشت (درجه بندی کیفیت گوشت) و فرآورده های گوشتی.16 ]،15،10،[3
· ارزیابی کیفی و خواص کاربردی پنیر مانند ارزیابی ذوب شدن و قهوه ای شدن پنیر در طی مدت زمان پخت و طول پنیرهای رنده شده بر روی خواص ذوب شوندگی پنیر.13 ]،12،[ 14

· سورت کردن غذاها براساس رنگ ، طول، قطر، تعداد عیوب موجود در سطح و تعیین جهت ماده غذایی روی نوار نقاله.[3]

· ارزیابی کیفی ظروف بسته بندی مواد غذایی مانند شیارهای سر بطری ، نواقص بدنه و ته ظرف ، وجود اجسام خارجی ، سطح پری ، موقعیت برچسب بطری، بازرسی درب بطری ، ماشین های کامپیوتری همچنین برای نمایان کردن نواقص چروکیدگی ، دندانه و سایر عیوب دیگر موجود در قوطی های آلومینیومی که سبب ایجاد نشت ماده غذایی می شوند ، کاربرد دارند.[4 ]

· ارزیابی کیفی گرانول های شکر خشک و پودرها.[3 ]
· برداشت میوه جات : تعیین محل اتوماتیک میوه در برداشت مکانیزه آنها.[3]

· تخمین محتوای رطوبتی میگو در طی فرایند خشک کردن از روی رنگ.[11]

· تعیین خواص بیوفیزیک مواد غذایی و محصولات کشاورزی مانند حجم هندوانه. [18]

· تعیین تازگی تخم مرغ با استفاده از شاخص زرده و ارتفاع اتاقک هوا.[19]

· جداسازی تخم مرغ های کثیف و ترک خورده در درجه بندی تخم مرغ در صنعت مرغداری.[8]

· درجه بندی چای براساس پارامترهای فیزیکی مانند رنگ، شکل، اندازه و بافت به جای روشهای حسی ارگانولپتیکی و دستگاهی. [17]

پردازش تصویر در بازرسی و درجه بندی مواد غذایی:

از بینایی کامپیوتری به طور گسترده در بازرسی و درجه بندی میوه ها استفاده شده است. بازرسی دستی میوه ها ، کسالت آور است و می تواند سبب خستگی چشم شود. همچنین بازرسی، در معرض خطای سورت کردن به واسطه قضاوت های متفاوت توسط افراد متفاوت، قرار می گیرد. اتوماسیون فرایند سورت براساس عیوب ، به علت پیچیدگی مسئله ، هنوز یک چالش است.به عنوان مثال درحال حاضر، دو مشکل عمده وجود دارد که جلوی انجام اتوماتیک درجه بندی سیب را می گیرد. یکی این که ، چگونه تصویر سطح کامل یک سیب توسط دوربین ها با سرعت روی خط گرفته شود. مشکل دیگر این است که چگونه به سرعت ساقه و قسمت گل11 شناسایی شوند. Qingzhong Li و همکارانش در سال 2002 ، یک سیستم آزمایشی را طراحی کردند که می توانست چهار طرف هر سیب را به طور همزمان روی خط( بیش از سه تا چهار سیب را در ثانیه )بازرسی کند. سیستم نصب شده در شکل دو نشان داده شده است.

شکل دو- نمودار شماتیک سیستم سورتینگ عیوب در سیب سیستم نصب شده تشکیل شده است از: یک منبع تغذیه، یک واحد فاصله گذاری یکنواخت بین سیب ها ، یک سیستم ماشین بینایی و یک نوار نقاله
سورتینگ. نقاله تغذیه کننده اصلی ، سیب ها را به نقاله فاصله گذاری یکنواخت منتقل می کند. بدین ترتیب ، سیب ها برای بازرسی عیوب به سیستم ماشین بینایی تغذیه شدند . واحد سورتینگ اتوماتیک ، عمل درجه بندی اتوماتیک را انجام دادند. سیستم ماشین بینایی شامل یک نقاله فنجانی، یک محفظه روشنایی برای طیف مطلوب و پخش کننده نوری برای روشنایی میوه ،دو دوربین ، کارت جمع کننده تصویر با چهارکانال ورودی نصب شده در یک میکرو کامپیوتر ( سرعت پروسسور:500 مگا هرتز) بود. برای حصول بازرسی کامل سیب ها ، روی خط سورتینگ میوه ها ، دو دوربین مونو