李雅琪，張鵬起，蔡健榮，白竣文，孫 力,,*

（1.江蘇科技大學(xué)糧食學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212004；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

馬鈴薯作為三大主糧的補(bǔ)充，具有“營(yíng)養(yǎng)之王”的美稱[1]，其種植面積廣，產(chǎn)量大，屬于季節(jié)性收獲農(nóng)作物，由于含水率高達(dá)80%左右，干燥處理是馬鈴薯貯存的有效措施[2]。在結(jié)構(gòu)上，馬鈴薯多孔性和吸濕性的特性導(dǎo)致其干燥過(guò)程中會(huì)形成收縮或卷曲而影響外觀品質(zhì)[3]，而外觀形態(tài)亦是馬鈴薯干制品的重要感官品質(zhì)指標(biāo)[4-6]。

物料干燥過(guò)程外觀測(cè)量的傳統(tǒng)方法主要包括游標(biāo)卡尺測(cè)量法、固體置換法和液體置換法，對(duì)其周長(zhǎng)、寬度、厚度及體積[7-9]等參數(shù)進(jìn)行手工測(cè)量。為避免人工測(cè)量的主觀性，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)逐步應(yīng)用與干燥過(guò)程的形態(tài)測(cè)量，宮元娟等[10]采集香菇干燥前后圖像并結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)計(jì)算投影面積，用以分析香菇干燥前后的面積收縮率；Ortiz-García-Carrasco等[11]利用相機(jī)對(duì)土豆條截面進(jìn)行成像，提取輪廓形狀、周長(zhǎng)、橫截面等參數(shù)，用于評(píng)估收縮變化規(guī)律；Onwude等[12]將計(jì)算機(jī)視覺(jué)和激光散射成像系統(tǒng)組合應(yīng)用，研究甘薯干燥過(guò)程中的含水率及顏色變化，從而建立快速無(wú)損監(jiān)測(cè)甘薯干燥過(guò)程中品質(zhì)參數(shù)變化的可靠方法；盧越[13]設(shè)計(jì)了一套具有色澤校正功能的物料干燥過(guò)程色澤實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，使用基于多項(xiàng)式回歸的色澤校正方法研究了溫濕度對(duì)片狀杏鮑菇干燥過(guò)程的影響；宋鎮(zhèn)等[14]采用高光譜成像技術(shù)，利用其圖像顏色信息提取杏鮑菇干燥過(guò)程中的紋理特征，研究杏鮑菇干燥過(guò)程中含水率的變化。以上研究均表明，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在檢測(cè)干燥物料的二維投影特征、顏色特征和紋理特征方面具有較高的精度，且與收縮特性、干燥特性和含水率等干燥參數(shù)具有很高的相關(guān)性。

在物料干燥過(guò)程三維形態(tài)分析方面的研究大多集中于仿真分析[15-17]，通過(guò)建立物料和干燥環(huán)境的物理模型，采用線性彈性模型、彈塑性模型和黏彈性模型等理論形變模型對(duì)物料干燥過(guò)程中的體積、高度和直徑等物性參數(shù)進(jìn)行規(guī)律性分析；而針對(duì)干燥過(guò)程三維形變的測(cè)量方面研究較少，Hansson等[18]采用CT圖像對(duì)木材進(jìn)行三維重構(gòu)，表明該方法可用于預(yù)測(cè)徑向和切向的收縮系數(shù)；Sampson等[19]通過(guò)在干燥蘋果片頂部和側(cè)面部位安裝相機(jī)獲取其輪廓與厚度的變化情況，以此反映其形態(tài)變化規(guī)律；蔡健榮等[20]采用Kinect傳感器獲取馬鈴薯薄片深度圖像，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)低溫（50 ℃和60 ℃）與高溫（70 ℃和80 ℃）對(duì)馬鈴薯薄片干燥時(shí)的收縮率、卷曲程度具有顯著影響。由于物料干燥過(guò)程中形態(tài)屬慢速變化過(guò)程，Kinect傳感器的低檢測(cè)精度[21-22]造成干燥過(guò)程三維信息的量化以及規(guī)律分析略顯粗糙；而干燥過(guò)程中易產(chǎn)生卷曲等現(xiàn)象，側(cè)面相機(jī)往往無(wú)法全面表征干燥過(guò)程中物料厚度變化情況。

本實(shí)驗(yàn)擬利用三維立體成像技術(shù)，以馬鈴薯為研究對(duì)象，采用Gocator 3210三維傳感器[23]捕獲馬鈴薯薄片干燥過(guò)程中的三維點(diǎn)云信息，并將高度信息轉(zhuǎn)換至2.5D灰度圖像，采用數(shù)字圖像處理方法，對(duì)時(shí)變翹起高度（后簡(jiǎn)稱“高度”）信息進(jìn)行處理，分析干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片的高度變化規(guī)律，并分析馬鈴薯厚度和直徑對(duì)高度的影響，以期為物料干燥過(guò)程中品質(zhì)變化檢測(cè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮馬鈴薯購(gòu)于鎮(zhèn)江市京口區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，品種為‘荷蘭’馬鈴薯。

1.2 儀器與設(shè)備

隧道式熱風(fēng)干燥機(jī)（圖1）[13]本實(shí)驗(yàn)室自制；Gocator3210三維快照式傳感器 加拿大LMI科技公司；YP電子天平 上海力辰儀器科技有限公司；多功能果蔬手搖切片機(jī) 江蘇拜杰設(shè)備有限公司。

圖1 隧道式熱風(fēng)干燥機(jī)Fig. 1 Picture and schematic diagram of tunnel hot air dryer

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

馬鈴薯樣品（初始含水率為（79.28±0.50）%）經(jīng)水洗、去皮，用切片機(jī)加工成馬鈴薯薄片，馬鈴薯薄片的直徑分別為22、33、44 mm，厚度分別為1、3、5 mm。使用的干燥裝置為自制隧道式熱風(fēng)干燥機(jī)，其溫度控制精度為±1 ℃，相對(duì)濕度控制精度為±3%。將熱風(fēng)干燥機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為溫度70 ℃、風(fēng)速4 m/s、相對(duì)濕度10%，待熱風(fēng)干燥機(jī)運(yùn)行34 min[24]，放入6 片待干燥馬鈴薯薄片，其中4 片用于獲取高度方面的形變參數(shù)，2 片用于測(cè)定質(zhì)量，每隔5 min使用檢測(cè)精度為0.035 mm的Gocator3210三維快照式傳感器進(jìn)行1 次三維數(shù)據(jù)采集，獲取實(shí)時(shí)的馬鈴薯薄片的形態(tài)，三維采集平臺(tái)如圖2所示。當(dāng)馬鈴薯薄片的質(zhì)量連續(xù)3 次測(cè)量無(wú)變化時(shí)，終止干燥并關(guān)閉熱風(fēng)干燥機(jī)，每次干燥時(shí)間約為75 min。每組馬鈴薯薄片的干燥實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次，即每組可獲得8 片馬鈴薯薄片的三維點(diǎn)云。

圖2 三維采集平臺(tái)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of 3D data acquisition device

1.3.2 圖像處理方法

1.3.2.1 生成2.5D灰度圖像

所獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有檢測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)，但其數(shù)據(jù)量龐大，后續(xù)點(diǎn)云處理實(shí)時(shí)性差，因此，本研究?jī)H選取了高度信息用于后續(xù)處理，并將其轉(zhuǎn)換至位深為16 bit的2.5D灰度圖像，圖像灰度值與馬鈴薯薄片的高度值呈線性關(guān)系。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)高度塊標(biāo)定，本研究中圖像灰度值和高度值對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1）所示，所轉(zhuǎn)換的圖像及其三維圖如圖3所示。

式中：i和j為灰度圖像的像素點(diǎn)位置以及高度圖像像素點(diǎn)的位置；G（i，j）為圖像像素點(diǎn)（i，j）的灰度值；H（i，j）為高度圖像中（i，j）點(diǎn)的高度值。

由圖3可知，在特氟龍絨布上的馬鈴薯片明顯高于背景部分，具有較好的區(qū)分性；部分馬鈴薯片表面存在孔洞，經(jīng)分析，孔洞來(lái)源于馬鈴薯片表面的水所產(chǎn)生反光，造成相機(jī)立體匹配失敗；在馬鈴薯片邊緣區(qū)域，存在部分混合像素現(xiàn)象，即馬鈴薯片向背景過(guò)渡時(shí)存在部分誤匹配點(diǎn)，且在該區(qū)域存在較多的離群點(diǎn)。

圖3 馬鈴薯薄片的灰度圖（A）及三維圖（B）Fig. 3 Grayscale images (A) and 3D plots (B) of potato slices

1.3.2.2 圖像處理的流程

針對(duì)所獲取圖像的特點(diǎn)，本研究所采用的圖像處理過(guò)程如圖4所示，主要包括閾值分割、孔洞填充、形態(tài)學(xué)處理（腐蝕）和中值濾波，其中閾值分割用于將馬鈴薯薄片進(jìn)行精確的區(qū)域提取，通過(guò)圖像灰度直方圖分析發(fā)現(xiàn)，背景與馬鈴薯薄片在圖像上的灰度值分布具有明顯的雙峰分布特征，因此本研究采用雙峰閾值法，經(jīng)人工觀察干預(yù)，取直方圖谷底灰度值27 400作為馬鈴薯薄片閾值分割的閾值；孔洞填充用于填補(bǔ)由水引起的孔洞現(xiàn)象及部分離群點(diǎn)，本研究采用以該點(diǎn)為中心的7×7像素矩陣區(qū)域灰度平均值對(duì)進(jìn)行灰度值填充；形態(tài)學(xué)處理主要是去除馬鈴薯片邊緣部分的混合像素；中值濾波選用2×2像素矩陣區(qū)域，用于修補(bǔ)部分由于卷曲過(guò)大存在的大片孔洞區(qū)域。

圖4 圖像處理流程圖Fig. 4 Flow chart of digital image processing

1.3.3 高度均值變化率的計(jì)算

為探索干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片在高度方向的時(shí)變規(guī)律，本研究提取了高度均值變化率為指標(biāo)進(jìn)行量化分析。在三維相機(jī)采樣之前已對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行基準(zhǔn)面校正，因此，所獲得的最終數(shù)據(jù)均為真實(shí)高度值，所有數(shù)據(jù)記為集合M，通過(guò)圖像處理后，按式（2）計(jì)算馬鈴薯薄片圖像中高度均值（H），代入式（3）計(jì)算高度均值變化率（F）。

式中：Ht為干燥t時(shí)刻馬鈴薯薄片高度均值；H0為干燥初始時(shí)刻馬鈴薯薄片高度均值；H（i，j）為高度圖像任意像素點(diǎn)（i，j）的高度值；m為集合M中點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究圖像處理使用Halcon函數(shù)庫(kù)，主要使用了圖像的閾值分割函數(shù)、濾波相關(guān)函數(shù)、形態(tài)學(xué)處理等圖像處理函數(shù)，同時(shí)結(jié)合Halcon軟件自帶的數(shù)學(xué)計(jì)算算子對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件和MATLAB軟件進(jìn)行處理，使用MATLAB的cftool工具進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。采用MATLAB軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片的高度時(shí)變

以厚度為3 mm、直徑為33 mm的馬鈴薯薄片干燥過(guò)程為例，熱風(fēng)干燥0～75 min，采樣間隔5 min，等高距為0.3 mm，偽彩色標(biāo)尺顯示范圍為1～4 mm的高度時(shí)變等高線圖如圖5所示。

圖5 干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片高度時(shí)變等高線圖Fig. 5 Contour plots showing height variations of potato slices during drying

從馬鈴薯薄片正投影角度分析，隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，物料脫水時(shí)內(nèi)外壓力不平衡導(dǎo)致其產(chǎn)生收縮形變，馬鈴薯薄片在投影面積上逐漸減少，其圓形度也逐漸減小。

從馬鈴薯薄片高度時(shí)變角度分析，其高度變化主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：1）干燥起始階段（0～10 min），馬鈴薯薄片溫度場(chǎng)分布不均勻，內(nèi)圈溫度低于外圈[25]，造成干燥過(guò)程中不同位置失水速度不一致，引起了馬鈴薯薄片規(guī)律性的翹曲，即高度從內(nèi)圈到外圈逐漸增大，內(nèi)圈高度低于切面厚度，外圈產(chǎn)生翹曲，其高度大于切片厚度；2）干燥中期（15～30 min），物料毛細(xì)管及固體骨架中的水分開(kāi)始向外遷移，熱應(yīng)力隨著水分比的減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)[6]，當(dāng)內(nèi)部熱應(yīng)力大于支撐細(xì)胞壁的膨壓時(shí)，導(dǎo)致微孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生坍塌[26]，在此過(guò)程中馬鈴薯薄片整體高度下降至原始切片厚度以下，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致其高度分布呈現(xiàn)不規(guī)律性，同時(shí)該過(guò)程使得馬鈴薯薄片整體溫度趨于一致，整體的翹曲不明顯；3）干燥后期（35～75 min），該階段的熱應(yīng)力逐漸減小，細(xì)胞內(nèi)的水分逐漸外遷，馬鈴薯薄片固體骨架由彈性狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)[25]，馬鈴薯薄片呈現(xiàn)硬化卷曲，高度級(jí)數(shù)不斷升高，并在50 min時(shí)馬鈴薯薄片骨架基本定型，隨后高度分層基本不發(fā)生改變，但卷曲現(xiàn)象更明顯。

2.2 干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片高度均值時(shí)變分析

馬鈴薯薄片在干燥過(guò)程中隨時(shí)間的高度均值變化率如圖6所示，在干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片的高度均值變化率大體上呈先下降后上升的趨勢(shì)。在干燥前期，馬鈴薯薄片表層和細(xì)胞間的水分被蒸發(fā)，該過(guò)程對(duì)物料的收縮影響不大[27]，因此，不同直徑、厚度的馬鈴薯薄片的高度均值變化率較為一致，大體上呈下降趨勢(shì)。在干燥進(jìn)行一段時(shí)間后，細(xì)胞膜坍塌[28]，細(xì)胞內(nèi)的水分逐漸向外遷移，導(dǎo)致高度均值變化率存在由降低轉(zhuǎn)為上升的拐點(diǎn)。在干燥后期，高度均值變化率開(kāi)始上升，馬鈴薯薄片從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)，由于橡膠態(tài)物質(zhì)在固體基質(zhì)中具有強(qiáng)移動(dòng)性，而在玻璃態(tài)則由于高黏度性減弱了移動(dòng)性，使馬鈴薯薄片的硬化速率加快[15]。由于馬鈴薯薄片成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜[29]，在此過(guò)程中不同組別之間呈現(xiàn)出很大的差異性，同時(shí)不同直徑對(duì)最終的高度均值影響很大。根據(jù)高度均值變化率的時(shí)變特性，選取拐點(diǎn)位置（高度均值變化率最小值所對(duì)應(yīng)的位置）和干燥終止時(shí)的高度均值變化率為指標(biāo)，對(duì)其影響及結(jié)果進(jìn)行量化。

圖6 干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片高度均值變化率圖Fig. 6 Rates of change in mean height of potato slices with different thicknesses during drying

不同厚度和直徑的馬鈴薯薄片在干燥過(guò)程中，拐點(diǎn)和終止點(diǎn)的高度均值變化率及8 片不同馬鈴薯薄片之間的高度均值變化率和方差如表1所示。除了厚度為1 mm、直徑為22 mm的馬鈴薯薄片未出現(xiàn)負(fù)向均值變化率，其他的馬鈴薯薄片在拐點(diǎn)處的高度均值變化率均為負(fù)數(shù)，即拐點(diǎn)處的高度均值均低于起始；相對(duì)于終止點(diǎn)，拐點(diǎn)處的高度均值變化率和方差具有更好的一致性，厚度和直徑對(duì)其影響較小。

表1 拐點(diǎn)和終止點(diǎn)的高度均值變化率及高度均值變化率方差Table 1 Rates of change in mean height and inter-individual variances at inflection and end points

在拐點(diǎn)處，直徑對(duì)拐點(diǎn)的高度均值變化率和方差均影響不大，且無(wú)明顯規(guī)律；隨著厚度的增加，拐點(diǎn)處的均值變化率也增大，在厚度為5 mm時(shí)，其高度均值變化率平均值達(dá)到－39.55%，即在高度方向降低了約2 mm，而其方差則隨厚度的增加而減小，不同個(gè)體之間變化較為一致。

在終止點(diǎn)處，隨著直徑的增大，高度均值變化率與方差都升高；與之相反，隨著厚度的增大，均值變化率與方差都減小。厚度為1 mm、直徑為44 mm的馬鈴薯薄片高度均值變化率和方差分別達(dá)到了317.38%和199.34%，厚度為5 mm時(shí)，由于前期厚度收縮較大，終止點(diǎn)處的平均厚度低于或稍高于起始值。

綜上，相對(duì)于馬鈴薯薄片干燥過(guò)程中二維投影面積變化的穩(wěn)定性[30]，其三維形態(tài)變化具有更高的復(fù)雜性；干燥過(guò)程中，高度信息不僅受干燥條件的影響，還與馬鈴薯薄片成分和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，個(gè)體差異在干燥后期表現(xiàn)得尤為突出；由于馬鈴薯薄片樣本處于同等干燥條件下，薄片直徑對(duì)拐點(diǎn)發(fā)生時(shí)間、拐點(diǎn)處高度均值變化率和方差的影響較小，而隨著厚度的增加，拐點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)與高度均值變化率均有所增大；在薄片干燥終止點(diǎn)，由于不同個(gè)體翹曲的不一致性，不同個(gè)體高度具有較大的離散性，但均值變化率隨直徑的增大而變大。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)探索性的引入三維信息采集平臺(tái)，對(duì)干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片高度信息進(jìn)行采集與分析，并將所采集3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至2.5D灰度圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)提取馬鈴薯薄片區(qū)域，并進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理；通過(guò)可表征馬鈴薯薄片高度信息的偽彩色等高線圖，直觀地發(fā)現(xiàn)干燥過(guò)程中馬鈴薯薄片經(jīng)歷了規(guī)律性翹曲、坍塌和卷曲3個(gè)階段，與干燥收縮機(jī)制相對(duì)應(yīng)；以高度均值變化率為指標(biāo)分析高度的時(shí)變特性，發(fā)現(xiàn)以高度均值變化率負(fù)增長(zhǎng)極點(diǎn)作為拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)前不同個(gè)體具有較高的一致性，而之后由于卷曲作用，個(gè)體差異明顯；馬鈴薯薄片厚度對(duì)整個(gè)干燥過(guò)程的高度均具有持續(xù)性的影響，而直徑主要對(duì)拐點(diǎn)后的干燥過(guò)程具有顯著的影響?；诒狙芯靠稍诤罄m(xù)研究中對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速、吹拂角等干燥因素對(duì)薄層干燥的形態(tài)變化影響程度進(jìn)行量化分析，從而為干燥工藝智能化控制提供理論基礎(chǔ)。