許冠男，　郭培源，　袁　芳

(北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院， 北京　100048)

隨著生活水平的不斷提高，人們對肉類食品的消費量日益增大，對肉的品質(zhì)、衛(wèi)生條件等方面有很高的要求. 在我國，豬肉是消耗量最大的肉類食品，它的新鮮度檢測關(guān)系到大多數(shù)人的“健康飲食”問題. 豬肉新鮮度傳統(tǒng)檢測方法主要有感官檢測、理化檢測(TVB-N為國家新鮮度標準檢測法)和微生物檢測. 感官檢測雖然不需要儀器設(shè)備和先進的技術(shù)，但是檢測結(jié)果完全取決于檢測員的主觀判斷和經(jīng)驗. 理化檢測和微生物檢測雖然可以準確地檢測豬肉的新鮮度，但是這兩個方法要將豬肉攪碎在實驗室條件下方可檢測，對肉品具有破壞性. 這些傳統(tǒng)檢測方法已不能滿足快速性、非破壞性、實時性的現(xiàn)代檢測要求.

因此，現(xiàn)代檢測技術(shù)不斷采用各種領(lǐng)域的新技術(shù)，以實現(xiàn)現(xiàn)代檢測要求，如利用近紅外光譜技術(shù)、人工嗅覺和人工味覺檢測技術(shù)、計算機視覺技術(shù)、超聲波技術(shù)等. 近年來，國內(nèi)外專家對肉類新鮮度無損檢測進行了大量的探索和嘗試，取得了很多成果. 研究介紹了豬肉新鮮度無損檢測的各種方法，包括超聲波檢測技術(shù)、人工嗅覺和人工味覺檢測技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和計算機視覺檢測技術(shù)，多傳感器信息融合檢測技術(shù)，并主要介紹了計算機視覺技術(shù)在豬肉新鮮度無損檢測中的應(yīng)用.

1　豬肉新鮮度無損檢測方法發(fā)展概況

1.1　近紅外光譜技術(shù)

近紅外光譜技術(shù)(near infrared,NIR)是利用化學(xué)物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)內(nèi)的光學(xué)特性，快速測定樣品中一種或多種化學(xué)成分含量及特性的物理測定技術(shù). 在肉類新鮮度檢測中，它主要用來測定屠宰分割過程中和肉制品加工過程中原料肉和成品的水分、蛋白質(zhì)、脂肪等指標，也能鑒別冷凍肉并測定其保水性、滲透性，肉汁損失率和干物質(zhì)含量[1]. 國內(nèi)外有很多專家利用近紅外技術(shù)進行肉類檢測，如趙杰文等人發(fā)明了一種近紅外技術(shù)快速檢測牛肉嫩度的檢測裝置[2]. 侯瑞峰等通過近紅外技術(shù)建立了揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)的預(yù)測模型，并通過聚類分析方法對光譜數(shù)據(jù)進行了分類處理，可實現(xiàn)豬肉的無損，快速檢測[3]. 雖然近紅外光譜技術(shù)在肉類檢測方面有很好的效果，但是由于其設(shè)備造價過高，制約了這種技術(shù)在實際生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用.

1.2　人工嗅覺和人工味覺檢測技術(shù)

人工嗅覺和人工味覺又稱電子鼻和電子舌，是人們模仿動物及人類的嗅覺和味覺功能結(jié)合人工智能研制出的新穎檢測技術(shù). 北大西洋公約組織(NATO)對人工嗅覺系統(tǒng)做了如下定義：人工嗅覺系統(tǒng)是有多性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置.

典型的人工嗅覺系統(tǒng)(artificial olfactory system, AOS)由傳感器陣列、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)及微處理機和接口電路等組成如圖1. 氣體傳感器陣列由多個互相間性能有所重疊的氣體傳感器構(gòu)成，與單個氣體傳感器相比，氣體傳感器陣列不僅檢測范圍更寬，而且其靈敏度、可靠性都有很大提高. 氣體傳感器陣列產(chǎn)生的信號將傳送到數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，先進行預(yù)處理，再通過模式識別實現(xiàn)氣體組分分析. 氣體傳感器陣列輸出的信號經(jīng)專用軟件處理并與已知信息進行比較、識別，最后得出檢測結(jié)果[4].

圖1　人工嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of AOS system

豬肉在腐敗過程中，由于各種外界微生物的污染會發(fā)生變質(zhì)或者由于自身酶的分解作用引起酸臭性發(fā)酵，產(chǎn)生硫化物和其他揮發(fā)性物質(zhì)，如氨氣，硫化氫[5]. 所以，利用人工嗅覺系統(tǒng)可以測定豬肉在不同時期產(chǎn)生的氨氣和硫化氫濃度，判斷豬肉的新鮮度. 國外采用人工嗅覺系統(tǒng)判斷肉類新鮮度的研究有很多[6-8]. 國內(nèi)專家開始將人工嗅覺系統(tǒng)應(yīng)用于肉類新鮮度檢測，如郭培源，曲世海[9]構(gòu)建了一套基于電子信息技術(shù)、光電檢測技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)的智能檢測辨識系統(tǒng). 其利用人工嗅覺系統(tǒng)采集豬肉腐敗產(chǎn)生的氨氣、硫化氫，并將采集到的數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一組輸入，為豬肉新鮮度判斷提供可靠依據(jù).

人工味覺檢測技術(shù)(artificial taste system, ATS)是指某些傳感器可實現(xiàn)味覺的某些感覺，如pH針可用于酸度檢測，導(dǎo)電針可用于咸度檢測等[4]. 該技術(shù)的應(yīng)用還不成熟，需要進一步的研究.

1.3　計算機視覺檢測技術(shù)

計算機視覺檢測技術(shù)是利用圖像傳感器(一般采用高分辨率CCD)獲取物體圖像，然后將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，通過計算機模擬人的判別準則去理解和識別圖像，用圖像分析做出相應(yīng)結(jié)論的實用技術(shù)，其中圖像處理和圖像分析是計算機視覺技術(shù)的核心[10].

由于這種技術(shù)可以實現(xiàn)無損測量且相比于近紅外設(shè)備來說價格較低，計算機視覺檢測技術(shù)已經(jīng)成為肉類新鮮度檢測的重要技術(shù)，國內(nèi)外在這方面均有研究，下文將詳細討論該技術(shù)的應(yīng)用.

1.4　超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)可以測定肉品的成分. 由于聲波在精肉和肥肉中的傳播速度存在明顯差異，因此能夠輕易地檢測動物活體或屠宰后的畜體中精肉的厚度. 通過簡單的超聲成像技術(shù)還能檢測原料肉中肥瘦相間的肉和有特殊組織結(jié)構(gòu)的區(qū)間[11]. 國外利用超聲波檢測技術(shù)的報道較多，丹麥S.F.K.Technology A/S公司研制了在線檢測產(chǎn)品[12]. 在國內(nèi)超聲波技術(shù)還處于研究階段. 雖然超聲波技術(shù)具有可以實現(xiàn)活體檢測、檢測靈敏度高、快速等特點，但是實時超聲波一般只能檢測某一部位的肉質(zhì)成分，具有一定的局限性.

2　豬肉新鮮度無損檢測方法存在的問題和發(fā)展方向

上述介紹的無損檢測方法大多數(shù)都是對某一種檢測方法的研究，一種檢測方法往往只針對一兩項指標有較好檢測效果，但對多種信息進行綜合全面評價時就會受到檢測效果的影響，其檢測結(jié)果往往也是差強人意. 而豬肉新鮮度檢測是一個復(fù)雜的過程，需要多項指標(肉質(zhì)的顏色，肉的氣味，肉的彈性等)進行綜合評定. 所以，豬肉新鮮度無損檢測的發(fā)展方向?qū)⑹且环N或多種檢測技術(shù)與計算機視覺檢測技術(shù)進行有機融合，從高質(zhì)量圖像當(dāng)中提取信息與其他非相干信息并行估計被測對象參數(shù)特征，從而達到快速、準確、全面地檢測豬肉新鮮度的目的.

2.1　計算機視覺檢測技術(shù)的應(yīng)用

隨著圖像處理技術(shù)和圖像分析方法的不斷完善，計算機視覺檢測技術(shù)也在不斷的發(fā)展，先進的圖像采集系統(tǒng)可以幫助人們更好地提取肉品的相關(guān)信息. 所以，計算機視覺檢測技術(shù)是豬肉新鮮度無損檢測的重要組成部分.

畢松、郭培源利用圖像處理技術(shù)，提取各個時段生化細菌樣本中的菌斑面積作為豬肉腐敗程度標尺，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立細菌菌斑面積變化率同總揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)之間的關(guān)系，判斷豬肉新鮮度，該網(wǎng)絡(luò)有良好的預(yù)測效果[13]，其圖像采集系統(tǒng)如圖2.

圖2　圖像采集系統(tǒng)Fig.2　Image acquisition system

于瑞雪, 郭培源[14]采用Hough變換與自動分割的圖像處理技術(shù)提取豬肉脂肪組織圖像，如圖3. 經(jīng)過Hough變換，圖中的細胞間的邊緣能更清晰地體現(xiàn)出脂肪組織，濾除了細胞邊緣間重疊的細胞組織圖像，保留了未完全腐敗的邊緣組織；在自動分割過程完成之后，細胞圖像以黑白對比色的形式更清晰明確體現(xiàn)出來，如圖4. 之后，通過建立三層BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以氨氣、硫化氫、H、S、I及不同時段采集到的脂肪組織細胞個數(shù)共60組為網(wǎng)絡(luò)輸入，以TVB-N值為導(dǎo)師信號訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò). 此研究為豬肉新鮮度檢測提供了一種新的辨識方法.

圖3　0 h、6 h、深度腐敗狀態(tài)下的脂肪組織Fig.3　0 h,6 h, the depth of corruption state changes

在牛肉檢測方面，趙杰文等[15]發(fā)明了一種牛肉胴體質(zhì)量的計算機視覺檢測裝置，該裝置利用計算機視覺技術(shù)獲取待測樣品的圖像，通過高精度的智能識別軟件，評定牛肉的大理石花紋、肉色和脂肪色及生理成熟度，最后綜合以上評定信息給出所測牛肉的最終等級.

圖4　豬肉脂肪組織圖像處理效果Fig.4　Results of image processing

由此可見，隨著計算機視覺技術(shù)的不斷提高，豬肉新鮮度無損檢測技術(shù)也將不斷向快速、無損、精確的在線檢測發(fā)展.

2.2　多傳感器信息融合檢測技術(shù)的應(yīng)用

多傳感器信息融合檢測技術(shù)是一種模擬人類大腦功能的檢測技術(shù)，是豬肉新鮮度無損檢測的發(fā)展方向. 人腦可以將來自人體各個器官(如眼、耳、口、鼻)的信息組合，并利用以獲取的知識對事物做出估計. 多傳感器信息融合的基本原理和人腦綜合處理信息一樣，它可以將多個傳感器(相當(dāng)于人體各個器官)的信息以某種規(guī)則進行綜合，最終得出對被測對象的評估.

多傳感器信息融合檢測技術(shù)與單一傳感器檢測技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1)獲取的有效信息量大.

2)降低了信息的不確定性.

3)系統(tǒng)的容錯能力和自適應(yīng)能力高.

在國內(nèi)，多傳感器信息融合檢測技術(shù)已經(jīng)成為專家們研究的重點[16]. 郭培源等發(fā)明了豬肉新鮮度智能檢測裝置. 該裝置包括氣體采集模塊、圖像采集模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和PC計算機4個部分. 氣體采集模塊可以采集豬肉變質(zhì)過程中釋放的氨氣和硫化氫氣體；圖像采集模塊可以采集豬肉變質(zhì)過程中特定元素的特征波長下的相對灰度值(H、S、I)特征信息，如圖5. 最后將豬肉變質(zhì)過程中釋放出的氨氣和硫化氫以及相對灰度值H、S、I，同時輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，經(jīng)過多數(shù)據(jù)融合得到豬肉新鮮度的等級[17]. 劉木華等人也將多傳感器信息融合檢測技術(shù)運用到牛肉品質(zhì)檢測當(dāng)中[18]. 這些研究在多信息融合時都引入了計算機視覺，提取肉質(zhì)的圖像信息作為檢測豬肉新鮮度的重要依據(jù). 由此可見，計算機視覺技術(shù)在豬肉新鮮度無損檢測中發(fā)揮著重要的作用，比其他設(shè)備檢測效果都好.

圖5　豬肉新鮮度智能檢測裝置示意Fig.5　Pork freshness intelligent detection device

3　結(jié)束語

隨著各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，豬肉新鮮度無損檢測技術(shù)將向融合多種檢測技術(shù)的方向發(fā)展. 雖然，豬肉新鮮度無損檢測在我國已有很多研究，但是由于資金、場地等原因還沒有真正地用于實際生產(chǎn)當(dāng)中. 目前的肉類品質(zhì)的評定，多數(shù)還是依靠人工經(jīng)驗和破壞性的理化檢測方法. 而在國外，許多在線檢測儀器都已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，單純的從外國引進這些設(shè)備對一些小廠家來說花銷過大.

所以，加速完善現(xiàn)階段實驗性的豬肉新鮮度無損檢測設(shè)備，加快其市場化，實現(xiàn)豬肉的快速、無損、實時檢測對我國肉類產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義.