徐煒楨 許 東 林親錄 吳 偉 董 界 俞淑芳 殷月芹 陽(yáng) 芬

(中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院;稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410004)

稻米是我國(guó)65%以上人口的主食。大米的形狀參數(shù)中長(zhǎng)度、寬度、長(zhǎng)寬比、碎米率等是衡量稻米外觀品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[1]。如GB/T 17891—2017中對(duì)秈稻粒型進(jìn)行了分類，分長(zhǎng)粒(>6.5 mm)、中粒(5.6～6.5 mm)、短粒(<5.6 mm)[2]。國(guó)際中仍采用人工檢測(cè)的方法進(jìn)行測(cè)定，例如對(duì)大米的長(zhǎng)度測(cè)定時(shí)，人工隨機(jī)取10粒完整無(wú)損的稻米平放于測(cè)量板上，頭對(duì)頭，尾對(duì)尾，不重疊，不留間隙地緊靠直尺排成一行，讀出長(zhǎng)度，求出的平均值即為稻米的長(zhǎng)度[3]。利用同樣的方法，讓10粒稻米肩并肩，測(cè)出稻米的寬度，這種人工檢測(cè)的方法獲得的參數(shù)有限，并且有一定的主觀性、測(cè)定的效率低、誤差較大、可重復(fù)性較差。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，它以圖像處理技術(shù)為核心，在計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其利用相機(jī)代替人眼獲取圖像，再用電腦對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別和分析[4]。其在大米外觀品質(zhì)分析中有一定的應(yīng)用，例如鄭華東等[5]利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)大米裂紋進(jìn)行檢測(cè)，但這過(guò)程需要用到復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算公式；劉光蓉等[6]利用改進(jìn)的直方圖均衡化算法對(duì)圖像增強(qiáng)后，利用直方圖求出最佳閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化，最后用八鄰域分析法提取稻米輪廓；袁佐云等[1]對(duì)利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)檢測(cè)稻米粒型的方法進(jìn)行了探索, 設(shè)計(jì)了一種利用稻米輪廓的最小外接矩形(MER)計(jì)算粒型的方法；包曉敏等[7]分析了使用Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子及模板匹配法和快速模栩邊緣檢瀏法對(duì)大米輪廊進(jìn)行邊緣檢瀏, 并通過(guò)對(duì)大米圖像的分割實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了快速模糊邊緣檢瀏法最為有效，這些方法雖然能夠測(cè)出大米外觀品質(zhì)特征量，但是方法不易推廣，實(shí)現(xiàn)過(guò)程繁瑣，需要較深的數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)背景知識(shí)。ImageJ軟件由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院開(kāi)發(fā)，是功能強(qiáng)大、可免費(fèi)獲取的圖像處理軟件，已經(jīng)在生物學(xué)單分子領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[8]。

在本研究中，用手機(jī)對(duì)大米進(jìn)行拍照，通過(guò)ImageJ軟件對(duì)圖像處理和分析，能夠獲得大米的面積、周長(zhǎng)、長(zhǎng)度、寬度和圓形度等參數(shù)。其中，拍照時(shí)，放一把尺子是準(zhǔn)確獲取尺寸的關(guān)鍵，可實(shí)現(xiàn)像素尺寸和實(shí)際尺寸的換算。同時(shí)對(duì)東北大米和湖南大米進(jìn)行對(duì)比分析，以研究該方法在大米外觀品質(zhì)相關(guān)特征量的測(cè)定上的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

東北大米、湖南大米。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

具有拍照功能的手機(jī)(像素300萬(wàn)以上，具有微距功能更佳，本實(shí)驗(yàn)采用iPhone7 plus機(jī)型)；刻度直尺；黑色實(shí)驗(yàn)桌面；數(shù)據(jù)線；具有ImageJ軟件的電腦；JMWT12大米外觀品質(zhì)判定儀。

1.3 方法

1.3.1 圖像采集

將150～200粒大米米粒小范圍分散至黑色實(shí)驗(yàn)桌面上，米粒之間盡量不要有重疊。拍照時(shí)，需在拍照區(qū)域內(nèi)放一把直尺，這是準(zhǔn)確獲取大米尺寸參數(shù)的關(guān)鍵，可實(shí)現(xiàn)像素值與實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換。以東北大米為例，拍照結(jié)果如圖1所示。通過(guò)3個(gè)步驟可以獲得大米米粒形狀參數(shù)：1)在直尺上沿刻度畫一定長(zhǎng)度的直線(如2 cm)，然后通過(guò)命令A(yù)nalyze→Set Scale設(shè)定標(biāo)尺，然后在窗口處設(shè)定實(shí)際長(zhǎng)度和單位。2)調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度和臨界值，用于區(qū)分白色大米和黑色背景。先通過(guò)軟件命令：Image→Type→8bit，將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎讏D，然后通過(guò)Image→Ajust→Brightness/Contrast→Auto打開(kāi)窗口后自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)比度，最后通過(guò)Image→Ajust→Threshold調(diào)整臨界值，使米粒輪廓與背景明確分開(kāi)，結(jié)果如圖2所示，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后大米米粒為紅色，背景為黑色。計(jì)算后也獲得了所有的大米米粒輪廓，如圖3。3)點(diǎn)擊命令自動(dòng)給

圖1 東北大米原始圖片

圖2 調(diào)整臨界值后的圖片

出數(shù)據(jù)結(jié)果。打開(kāi)Analyze→Analyze particles設(shè)置窗口，將待測(cè)尺寸范圍設(shè)置為0.01～I(xiàn)nfinity，點(diǎn)擊OK設(shè)定待測(cè)范圍大于0.01 cm2，是為了進(jìn)一步與背景噪音分開(kāi))。

圖3 東北大米的輪廓圖

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

按照1.3.1圖像采集的方法，將圖像導(dǎo)入電腦后，用ImageJ.exe 軟件打開(kāi)圖片，設(shè)定圖像標(biāo)尺、調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度和調(diào)整圖像臨界值，使用Analyze particles 插件自動(dòng)計(jì)算出大米米粒的形狀參數(shù)數(shù)值，包括長(zhǎng)度、寬度、周長(zhǎng)和面積，將數(shù)值導(dǎo)入excel 和origin中對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.3 外觀品質(zhì)參數(shù)的計(jì)算分析

大米的圓形度是米勒于1963 年提出的城市形狀測(cè)度方法，以區(qū)域面積與區(qū)域周長(zhǎng)的比值關(guān)系作為衡量標(biāo)準(zhǔn)[9]。由面積和周長(zhǎng)計(jì)算得出：

E=4×π×面積/周長(zhǎng)2

大米的碎米率根據(jù)GB 1354—2009《大米》定義計(jì)算。碎米是長(zhǎng)度小于同批試樣米粒平均長(zhǎng)度四分之三的不完整米粒[10]。

1.3.4 結(jié)果對(duì)比1.3.4.1 人工檢測(cè)大米的長(zhǎng)度和寬度

隨機(jī)選取10粒完整無(wú)損的稻米平放于測(cè)量板上，頭對(duì)頭，尾對(duì)尾，不重疊，不留間隙的方式，緊靠直尺排成一行，讀出長(zhǎng)度，求出的平均值即為稻米的長(zhǎng)，利用同樣的方法，讓10粒稻米肩并肩，測(cè)出稻米的寬度[4]。

1.3.4.2 大米外觀品質(zhì)判定儀測(cè)量

利用JMWT12大米外觀品質(zhì)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定，按照操作標(biāo)準(zhǔn)上樣后，攝像后由系統(tǒng)得出結(jié)果[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 ImageJ軟件測(cè)定大米米粒長(zhǎng)度、寬度、面積和周長(zhǎng)

按照1.3.1的方法將圖像采集完成后，使用Analyze particles 插件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有大米米粒外觀形狀參數(shù)的獲取，如表1。

表1 東北大米外觀形狀參數(shù)結(jié)果 (只列出部分)

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖4為大米米粒外觀尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4可知，大米的長(zhǎng)度、寬度、面積和周長(zhǎng)數(shù)值均參差不齊，其原因是大米中摻有較多小碎米。使用平均值進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)引入較大誤差、偏離真實(shí)值，所以本研究對(duì)大米的長(zhǎng)度、寬度、面積和周長(zhǎng)的結(jié)果分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和高斯分布擬合，以得到更真實(shí)結(jié)果。

由高斯分布擬合結(jié)果，得到東北大米的長(zhǎng)度為0.496 cm，寬度為0.309 cm，長(zhǎng)寬比為1.61，面積為0.121 cm2，東北大米的周長(zhǎng)為1.36 cm，并且通過(guò)方法1.3.3中圓形度公式算出試樣?xùn)|北大米圓形度為0.821 6。

在GB 1354—2009《大米》中規(guī)定：碎米的長(zhǎng)度小于同批試樣米粒平均長(zhǎng)度四分之三。計(jì)算得出試樣?xùn)|北米粒的平均長(zhǎng)度為0.462 cm。因此，當(dāng)試樣米粒中長(zhǎng)度小于0.346 cm的米粒為碎米，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，該批東北大米碎米率為15.06%。

圖4 長(zhǎng)度、寬度、面積、周長(zhǎng)的柱狀圖和高斯分布圖

2.3 不同方式測(cè)得東北大米情況

由表2所示，不同的測(cè)量方式所測(cè)試的結(jié)果具有一定的差異。其結(jié)果與外觀品質(zhì)分析相當(dāng)，優(yōu)于人工檢測(cè)。ImageJ軟件測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，說(shuō)明ImageJ軟件的測(cè)試效果最好，穩(wěn)定性最佳，而人工檢測(cè)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，這是由于人工在檢測(cè)時(shí)，隨機(jī)選取10粒完整無(wú)損的稻米平放于測(cè)量板上，頭對(duì)頭，尾對(duì)尾，不重疊，不留間隙的方式讀出長(zhǎng)度取平均值，在排列時(shí)很難保證不留間隙，并且在平行實(shí)驗(yàn)時(shí)隨機(jī)選取的10粒完整米?？赡懿町愋院艽?；從表2可以看出大米長(zhǎng)度大小(由大到小排序)依次為ImageJ軟件(0.496 cm)>人工檢測(cè)(0.48 cm)>大米外觀品質(zhì)判定儀(0.47 cm)，在測(cè)量結(jié)果中長(zhǎng)度和寬度的大小都是ImageJ軟件>人工檢測(cè)>大米外觀品質(zhì)判定儀，這可能是由于在大米外觀品質(zhì)判定儀和人工檢測(cè)時(shí)，都是采取的平均值的方式計(jì)算長(zhǎng)度和寬度(平均長(zhǎng)度在0.462 cm)，取平均值時(shí)，摻有一些細(xì)小碎米影響真實(shí)值，ImageJ軟件對(duì)大米米粒長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用高斯分布法對(duì)所有大米米粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，省略影響真實(shí)值的小碎米，獲得最真實(shí)的一段區(qū)間值，而該值是最準(zhǔn)確、最接近大部分大米米粒尺寸的值。

人工檢測(cè)碎米率的結(jié)果14.85%與ImageJ軟件檢測(cè)碎米率的結(jié)果15.06%相比偏小，可能因?yàn)槿斯z測(cè)存在一定的偶然性、誤差、視覺(jué)生理、視覺(jué)心理等諸多影響因素，人工檢測(cè)的碎米率結(jié)果與ImageJ軟件檢測(cè)碎米率的結(jié)果存在的差異在可接受范圍內(nèi)。通過(guò)ImageJ軟件處理后，再通過(guò)公式計(jì)算能夠得到大米圓型度，這是大米外觀品質(zhì)判定儀所不具備的，但大米外觀品質(zhì)判定儀可以得出大米的堊白粒率。總體來(lái)說(shuō)，用手機(jī)拍照結(jié)合ImageJ軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大米外觀品質(zhì)參數(shù)的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果與外觀品質(zhì)分析儀相當(dāng)(但價(jià)格更低)，優(yōu)于人工檢測(cè)，是一種便捷、高效、準(zhǔn)確、快速、低成本的方法。

表2 不同方式測(cè)得東北大米尺寸特征值

2.4 對(duì)比東北大米和湖南大米外觀品質(zhì)特征量

用手機(jī)拍照結(jié)合ImageJ軟件處理的方法獲得東北大米和湖南大米的品質(zhì)參數(shù)，如表3所示。由于東北大米圓形度0.822>湖南大米圓形度0.638，更接近1，說(shuō)明東北大米的外觀圓而飽滿，湖南大米的外觀細(xì)而長(zhǎng)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與拍攝圖所觀察結(jié)果相符。所以在一定程度上手機(jī)拍照結(jié)合ImageJ軟件可以對(duì)不同品種大米的外觀特征量進(jìn)行測(cè)定，區(qū)分不同品種大米。

同時(shí)，由表3所示湖南大米的碎米率是25.5%，遠(yuǎn)高于東北大米的碎米率15.1%，這可能是由于東北大米籽粒闊而寬，較厚，米粒強(qiáng)度大，耐壓性能好，湖南大米籽粒細(xì)而長(zhǎng)，米粒強(qiáng)度小，抗壓和抗剪切強(qiáng)度較差，在加工時(shí)湖南大米比東北大米更易產(chǎn)生碎米；湖南大米的長(zhǎng)寬比3.01與東北大米的長(zhǎng)寬比1.61相比較更大，說(shuō)明湖南的大米更細(xì)長(zhǎng)，在脫粒、翻曬和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中由于遭受強(qiáng)烈的機(jī)械打擊和劇烈的撞擊作用，更容易使米粒出現(xiàn)裂紋最后在加工時(shí)易變成碎米；也有可能湖南大米在儲(chǔ)藏過(guò)程中更容易遇到各種蟲害和各種潮濕霉變等因素[12]，造成湖南大米的碎米率更高。

表3 東北大米和湖南大米外觀品質(zhì)特征值

3 結(jié)論

通過(guò)手機(jī)拍照和ImageJ軟件的結(jié)合，提供了一種便捷、高效、準(zhǔn)確、低成本的大米外觀品質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法。測(cè)定結(jié)果明顯優(yōu)于人工檢測(cè)，與現(xiàn)有的商業(yè)化的外觀品質(zhì)分析儀相當(dāng)。對(duì)于大米米粒長(zhǎng)度、寬度、面積和周長(zhǎng)等參數(shù)的獲取，采用高斯擬合的方式實(shí)現(xiàn)，結(jié)果更為準(zhǔn)確。將此方法應(yīng)用于東北大米和湖南大米的品質(zhì)分析，結(jié)果顯示東北大米圓形度大，更接近圓形，與眼睛觀察的結(jié)果類似，東北大米的碎米率要小于湖南大米的碎米率。該方法簡(jiǎn)單方便、使用成本低，便于進(jìn)一步推廣，通過(guò)手機(jī)App開(kāi)發(fā)后可以在糧食企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)獲得廣泛的應(yīng)用。