鄒秀容,潘磊慶,屠 康,劉 鵬

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,農(nóng)業(yè)部農(nóng)畜產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210095)

雞種蛋孵化品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)的研究進(jìn)展

鄒秀容,潘磊慶,屠 康＊,劉 鵬

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,農(nóng)業(yè)部農(nóng)畜產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210095)

對(duì)雞種蛋的孵化進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè),及時(shí)剔除未受精蛋和死胚蛋有利于提高孵化的經(jīng)濟(jì)效益。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近幾十年農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)外品質(zhì)檢測(cè)的研究熱點(diǎn),部分技術(shù)已有實(shí)際應(yīng)用,已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用無(wú)損檢測(cè)的方法對(duì)種蛋的孵化情況進(jìn)行研究。本文綜述了各種無(wú)損技術(shù)檢測(cè)種蛋孵化的方法原理、研究現(xiàn)狀,并指出了目前尚需解決的問(wèn)題和發(fā)展前景。

雞種蛋,孵化,成活性,無(wú)損檢測(cè)

1 雞蛋的胚胎發(fā)育過(guò)程

雞蛋的孵化就是在一定的溫濕度條件 (37.8℃, 55%RH)控制下,蛋內(nèi)的受精卵發(fā)育成雛雞的過(guò)程。發(fā)育早期的胚胎很小,同時(shí)因受到蛋殼的影響,用無(wú)損檢測(cè)的方法檢測(cè)這種小實(shí)體是很困難的。因此,孵化早期的胚胎發(fā)育不是檢測(cè)胚胎本身,而是檢測(cè)種蛋在孵化期內(nèi)的一些明顯的生理物理變化。

在孵化早期,種蛋有兩個(gè)重大的生理物理變化。發(fā)生的第一個(gè)重大事件就是紅細(xì)胞的形成,這些紅細(xì)胞在卵黃囊處形成“血島”,“血島”經(jīng)過(guò)發(fā)育形成最初的血管。造血的形成是在孵化的第 2d開(kāi)始進(jìn)行的[3]。發(fā)生的第二個(gè)重大事件就是隨著離子泵變得活躍,Na+從蛋白輸送到卵黃囊,蛋白中的水分隨之流動(dòng)積累到卵黃囊,發(fā)育中的胚胎形成胚胎亞流體 (Sub-embryonic fluid,縮寫(xiě)為 SEF),胚胎亞流體在種蛋孵化 72h開(kāi)始形成,孵化 144h后其重量迅速增加到 16g,隨后因其被羊膜吸收而重量逐漸減小。由于蛋白中水分的流失,使得蛋白粘度增加,殼膜變干[4-5]。在孵化早期,血管的形成和蛋白粘度的增加使雞蛋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生重大的變化,這些變化是可以用無(wú)損的方法進(jìn)行檢測(cè)的,從而檢測(cè)到種蛋胚胎的發(fā)育。

2 國(guó)外雞蛋孵化品質(zhì)的研究現(xiàn)狀

2.1 電學(xué)法和熱成像法

在早期,Romanoff等[6-7]研究了種蛋的電導(dǎo)率和介電常數(shù)的相關(guān)性,實(shí)驗(yàn)比較了受精蛋、無(wú)精蛋的高頻電導(dǎo)率和介電效果。Danno等[8]用種蛋的熱成像來(lái)判斷受精蛋和無(wú)精蛋,結(jié)果表明在孵化的第 4d,較之無(wú)精蛋,受精蛋有較高的表面溫度。然而,這些實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有得到令人滿意的結(jié)果。

2.2 計(jì)算機(jī)視覺(jué)法

計(jì)算機(jī)視覺(jué)法是基于種蛋在孵化過(guò)程中,蛋黃中血管和胚胎的形成造成光學(xué)上的差異,為了檢測(cè)出這種差異,用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集種蛋圖像,然后用圖像軟件對(duì)這些圖像進(jìn)行處理,找出特征值。

美國(guó)的 Das(1992)等[9-10]用黑白機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)孵化早期雞蛋的圖像進(jìn)行預(yù)處理,通過(guò)分析其直方圖的形狀,分別求取其峰值比、區(qū)間系數(shù)比、一階二階導(dǎo)數(shù)和一階二階矩等特征參數(shù),最終根據(jù)這些參數(shù)采用序貫分類(lèi)方法判斷孵化雞蛋的成活可能性,與未孵化雞蛋相比,正常孵化雞蛋的灰度級(jí)像素點(diǎn)高度密集,利用這一特征可以檢測(cè)雞蛋的活力,剔除無(wú)精蛋,達(dá)到提高出雛率的目的。研究結(jié)果表明, 3日齡的雞蛋檢測(cè)正確率為 88%～90%,4日齡的雞蛋正確率則高達(dá) 96%～100%。但由于該方法包含了大量的數(shù)學(xué)計(jì)算,不僅增加了算法的復(fù)雜性,而且要求很大的存儲(chǔ)量,從而導(dǎo)致檢測(cè)速度較低,難以滿足生產(chǎn)線實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)法應(yīng)用于白殼種蛋的檢測(cè),效果較好,而對(duì)于褐殼蛋由于蛋殼上的色素會(huì)使采集的圖像有很多的噪聲,從而影響到檢測(cè)的準(zhǔn)確率,因此用計(jì)算機(jī)視覺(jué)法檢測(cè)種蛋品質(zhì)很可能得到較低的準(zhǔn)確率,需要注意對(duì)圖像的處理,從圖像增強(qiáng),圖像去噪,選擇合適的特征參數(shù)等方面解決蛋殼顏色的影響。

2.3 光學(xué)檢測(cè)法

種蛋孵化的第 2d開(kāi)始出現(xiàn)造血,血細(xì)胞能吸收特定波長(zhǎng)的光,當(dāng)胚胎發(fā)育到一定程度,殼中分布著大量的血管,利用光學(xué)檢測(cè)法可以檢測(cè)到透射光譜的下降。紅細(xì)胞中的血色素有三個(gè)吸收光譜：415、539、577nm,而蛋殼可以吸收 500nm以下的光譜,所以只有 577nm處的光譜可用于血液的檢測(cè)[11]。蛋殼中含有一種成分為原卟啉的色素,這種色素也有三個(gè)吸收光譜：539、589、643nm。如果用 577nm作為特征峰檢測(cè)血液會(huì)受到蛋殼原卟啉色素的影響,因?yàn)樵策?589nm的吸收峰與 577nm的吸收峰接近[12]。

由于光譜吸收受到蛋殼厚度、蛋黃顏色等的影響,如殼厚的種蛋會(huì)比殼薄的蛋吸收更多的光,這樣就導(dǎo)致不發(fā)育的厚殼種蛋也能產(chǎn)生低的透射光譜,所以不能直接用 577nm的光吸收值來(lái)檢測(cè)血色素,研究發(fā)現(xiàn)可以用兩個(gè)波長(zhǎng)(其中一個(gè)波長(zhǎng) 577nm,另一個(gè)波長(zhǎng)應(yīng)選擇不受蛋殼色素影響的)的相對(duì)吸收比值。Bamelis等[13]用 577nm/610nm的光吸收比值來(lái)檢測(cè)褐殼種蛋和白殼種蛋的孵化情況,理論上解釋了在孵化 72h后,SEF形成導(dǎo)致 577/610光吸收比值的下降,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在孵化 108h后就能檢測(cè)出種蛋的胚胎發(fā)育。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能克服種蛋個(gè)體差異性大的問(wèn)題。

2.4 敲擊振動(dòng)法

敲擊振動(dòng)法是研究各種農(nóng)產(chǎn)品振動(dòng)特性的有效方法。其原理是：雞蛋受到?jīng)_擊力的刺激產(chǎn)生聲音信號(hào),用麥克風(fēng)收集放大信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理,得到敲擊振動(dòng)信息,分析種蛋孵化過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)變化規(guī)律來(lái)檢測(cè)種蛋孵化的情況。Coucke等[14]首先將這種方法應(yīng)用于種蛋的孵化檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以在第 5d時(shí)檢測(cè)出未受精蛋和死胚蛋,正常發(fā)育種蛋的敲擊振動(dòng)頻率在 96～104h突然減小,而未受精蛋和死胚蛋的敲擊振動(dòng)頻率在觀察期內(nèi)表現(xiàn)為平緩持續(xù)的上升。Bamelis等[13]的研究表明敲擊振動(dòng)頻率的減小隨 SEF的形成而發(fā)生,當(dāng) SEF形成時(shí),蛋白的物理特性如密度和濃度因水分和離子的流失而改變,這個(gè)過(guò)程大約發(fā)生在正常種蛋孵化 72h左右。Kemps等[15]的研究證實(shí)了 Bamelis的上述理論,并利用種蛋的短徑,敲擊振動(dòng)頻率變小時(shí)的時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)了種蛋所需的孵化時(shí)間,相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.72。

用敲擊振動(dòng)法檢查種蛋的孵化品質(zhì)時(shí),由于個(gè)體差異性如蛋殼厚薄不同,敲擊頻率會(huì)有較大的變異性,到孵化 120h,孵化的檢查效果才比較好。從實(shí)際角度出發(fā),建議應(yīng)對(duì)種蛋進(jìn)行兩次敲擊檢測(cè),第一次是種蛋孵化之前,第二次是種蛋孵化 120h后,對(duì)前后兩次的敲擊振動(dòng)頻率分析來(lái)判斷種蛋的品質(zhì)。

2.5 高光譜圖像檢測(cè)法

高光譜圖像技術(shù) (Hyper-spectral Image)是 20世紀(jì) 80年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),集中了光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),把傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)和光譜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起。高光譜圖像技術(shù)具有超多波段、高的光譜分辨率和圖譜合一的特點(diǎn)。高光譜圖像數(shù)據(jù)是三維的,有時(shí)稱為圖像塊。其中的二維是圖像像素的橫縱坐標(biāo)信息 (以 x坐標(biāo)和 y表示),第三維是波長(zhǎng)信息(以λ表示)。

Smith(2005)等[16]用高光譜圖像系統(tǒng)檢測(cè)了白殼蛋和褐殼蛋的孵化情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,第 3d時(shí)對(duì)白殼蛋的孵化檢測(cè)率為 91%,而褐殼蛋的孵化檢出率為 83%。Jones(2005)等[17]研究利用高光譜成像系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)孵化種蛋進(jìn)行分類(lèi)和檢測(cè)的可行性,得到滿意的效果。Kurt(2006)等[18]采用高光譜成像系統(tǒng)及采用了最小噪音分?jǐn)?shù)傳輸和馬氏距離模型來(lái)預(yù)測(cè)胚胎發(fā)育。所有蛋在第 2d和第 3d都能被正確地分類(lèi),而在第 0d和第 1d的蛋的判別正確率分別為95.8%和91.7%。

高光譜檢測(cè)技術(shù)用于種蛋的孵化品質(zhì)檢測(cè)具有準(zhǔn)確率高,檢出時(shí)間早的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也有成本比較高,運(yùn)算量大的不足,可以考慮采用特征波長(zhǎng)的光譜圖像來(lái)檢測(cè)種蛋的孵化品質(zhì)。另外,高光譜檢測(cè)法只研究了種蛋是否發(fā)育,而對(duì)于中后期的死胚蛋檢測(cè)未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。

3 國(guó)內(nèi)雞蛋孵化品質(zhì)的研究現(xiàn)狀

近年來(lái),國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也開(kāi)始對(duì)種蛋孵化成活性檢測(cè)進(jìn)行研究,主要是運(yùn)用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)法和光電特性檢測(cè)法,獲得了不少研究成果。

楊秀坤 (1997)[19]用“動(dòng)態(tài)調(diào)整雜交概率”和“二次選擇法”對(duì)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn),將其應(yīng)用于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及權(quán)值優(yōu)化中,運(yùn)用彩色計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法根據(jù)雞蛋表面顏色特征進(jìn)行孵化雞蛋的可成活性判別,對(duì)孵化第 2d、第 3d、第 5d、第 8d的雞蛋,判別準(zhǔn)確率分別為71.7%、94.2%、98.1%、100%。但該計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不適用于生產(chǎn)線檢測(cè)。周維忠(2000)[20-21]在鴨蛋孵化早期中,選擇了 H IS彩色模型,利用量化后的色度值作為種蛋顏色內(nèi)部特征參數(shù),采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器判別孵化中種蛋成活的可能性;在孵化中期,選擇了形態(tài)學(xué)方法判別孵化中期種蛋成活可能性。陳佳娟 (2001)等[22]將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,建立一套適合于孵化雞蛋可成活性自動(dòng)檢測(cè)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng),通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)獲取了孵化雞蛋的色度直方圖,并提取了孵化雞蛋表面顏色特征。采用遺傳算法優(yōu)化了多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與權(quán)值,提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)速度,實(shí)現(xiàn)了孵化雞蛋可成活性的自動(dòng)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法準(zhǔn)確率較高,并具有魯棒性和高速度。于景濱 (2002)等[23]利用自行設(shè)計(jì)制作的光電測(cè)試裝置,對(duì) 632個(gè)和 150個(gè)胚胎分別用兩種方法進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明利用這兩種方法都可以在孵化早期剔除無(wú)精蛋。一次照蛋法的優(yōu)點(diǎn)是,只需雞蛋在上孵后,測(cè)試一次便可將無(wú)精蛋剔除,而二次照蛋法需在上孵前及上孵后各測(cè)一次才能將無(wú)精蛋剔除,缺點(diǎn)是剔除無(wú)精蛋的時(shí)間較二次照蛋法落后 1d。郁志宏 (2007)等[24]提出了一種基于改進(jìn)粒子群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行孵化種蛋成活性自動(dòng)檢測(cè)的方法。提取 HSI圖像的 H分量作為孵化種蛋表面顏色特征,通過(guò)主成分分析,找到了 6個(gè)主成分特征向量,減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)。利用改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)質(zhì)量和速度。訓(xùn)練集的樣本具有足夠代表性和全面性,提高了網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。

國(guó)內(nèi)主要是采用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)法檢測(cè)種蛋,方法大致相同,用 H IS系統(tǒng)中的 H分量作為種蛋分級(jí)的參數(shù),構(gòu)建各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級(jí)判斷。其它檢測(cè)技術(shù)如敲擊振動(dòng)法和高光譜圖像檢測(cè)法應(yīng)用于種蛋的孵化檢測(cè)尚未見(jiàn)報(bào)道。

4 展望

前人的研究表明無(wú)損檢測(cè)技術(shù)確實(shí)能有效地應(yīng)用在種蛋孵化品質(zhì)的檢測(cè)上,能在孵化第 2～5d檢測(cè)出未受精蛋,在中后期檢測(cè)出死胚蛋。與傳統(tǒng)方法相比,有檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高、所需時(shí)間短、節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。但是也存在著一些問(wèn)題,如研究主要集中在孵化早期種蛋品質(zhì)的檢測(cè),而對(duì)中后期死胚蛋的檢測(cè)方面少,對(duì)種蛋孵化品質(zhì)檢測(cè)的研究項(xiàng)目較少,已進(jìn)行的研究的樣本量小,品種少,研究都是在實(shí)驗(yàn)室水平下完成,離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。計(jì)算機(jī)視覺(jué)法檢測(cè)種蛋孵化品質(zhì)仍有待優(yōu)化圖像處理的方法,選擇合適的參數(shù)和統(tǒng)計(jì)判別方法,使分級(jí)快速、有效。光學(xué)檢測(cè)法有不受蛋差異性影響的優(yōu)點(diǎn),但相比其它檢測(cè)方法,所需檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng),在第5d才能識(shí)別出蛋是否受精。敲擊振動(dòng)法檢測(cè)時(shí)頻譜的差異性較大,但是有不受蛋殼顏色影響的優(yōu)點(diǎn),可研究采用二次檢測(cè)法或與其它檢測(cè)技術(shù)融合來(lái)解決差異性大的問(wèn)題。高光譜檢測(cè)法作為新興的技術(shù),跟其它方法相比,精確度進(jìn)一步提高,所需時(shí)間更短,但還存在著數(shù)據(jù)處理量大成本較高的問(wèn)題,需要進(jìn)一步的研究和數(shù)據(jù)分析來(lái)提高檢測(cè)速率。

以后的研究可以從下面幾個(gè)方面著手：a.對(duì)多個(gè)品種的蛋,如褐殼、白殼和綠殼的孵化品質(zhì)進(jìn)行研究,比較多種無(wú)損檢測(cè)方法的檢測(cè)效果,開(kāi)發(fā)出一套能檢測(cè)多品種蛋的綜合檢測(cè)系統(tǒng)。b.優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理方式,進(jìn)一步提高運(yùn)算效率。c.加大實(shí)驗(yàn)樣本量,提高檢測(cè)的精確度,把雞蛋孵化的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)中,實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。

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Research progresses in non-destructive measurements on incubation quality of eggs

ZOU Xiu-rong,PAN Lei-qing,TU Kang＊,L IU Peng
(College of Food Science and Technology,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing 210095,China)

Autom a tica lly de tec tion of ha tching eggs during ea rly incuba tion would a llow t im e ly rem ova l of dead em b ryos and infe rtile eggs from incuba tion the reby contributing to ha tche ry p rofits.Non-des truc tive insp ec tion is a resea rch focus in ag ricultura lp roduc ts de tec tion in recent yea rs,som e techniques have been successfully app lied in the food indus try.The p rinc ip le of the nondes truc tive m easurem ents on the fe rtility de tec tion and the resea rch s itua tion a t hom e and a t ab road we re reviewed,the current solved p rob lem s we re a lso d iscussed.

chicken ha tching eggs;incuba tion;fe rtility;non-des truc tive tes t

TS253.7

A

1002-0306(2010)02-0342-04

雞蛋的孵化過(guò)程大約需要 21d,且對(duì)環(huán)境溫濕度條件要求較高,是一個(gè)耗時(shí)、耗能的過(guò)程[1]。而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明種蛋的孵化成功率為 82%～99%[2],這意味著每年都有大量的種蛋不能孵化,其造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)大。在孵化期盡可能早地檢測(cè)出無(wú)精蛋和死胚蛋,不僅能有效地節(jié)省時(shí)間、空間、勞動(dòng)力和能源,還能避免壞死雞蛋產(chǎn)生的細(xì)菌或霉菌感染其它雞蛋,從而對(duì)提高孵化效率具有十分重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中,識(shí)別雞蛋孵化情況主要仍由人工完成,由于種蛋孵化早期發(fā)育特征不太明顯,人工照蛋受人主觀因素的影響,準(zhǔn)確性較低,而且費(fèi)工費(fèi)時(shí),因此開(kāi)發(fā)出一套能自動(dòng)進(jìn)行種蛋孵化成活性的檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)降低人工照蛋的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率,保障生產(chǎn)者的利益,具有十分重要的意義。早在 20世紀(jì) 30年代末,國(guó)外就有學(xué)者利用無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)研究種蛋的孵化品質(zhì),但總的來(lái)說(shuō),所做的相關(guān)研究還是不多,真正實(shí)際應(yīng)用的較少。目前,應(yīng)用于雞蛋孵化檢查的無(wú)損方法主要有：計(jì)算機(jī)視覺(jué)法、敲擊振動(dòng)法、光學(xué)檢測(cè)法和高光譜圖像檢測(cè)法。本文對(duì)這些方面的研究進(jìn)展進(jìn)行探討。

2009-03-03 ＊通訊聯(lián)系人

鄒秀容 (1984-),女,在讀碩士,主要從事農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)方面的研究。

國(guó)家高新技術(shù)“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2007AA10Z213);江蘇省農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(BE 2007320);南京農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金(Y200827)。