使用成像技術(shù)優(yōu)化食物分揀過程
發(fā)布時(shí)間:2021-08-12 來源:Teledyne Dalsa,Glen Ahearn 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】近年來,食品安全和質(zhì)量控制問題越來越受到人們的重視。據(jù)估計(jì),到 2025 年,世界人口將超過 80 億,其中發(fā)展中國家人口增長最快。為了滿足不斷增長的人口的需求,食品供應(yīng)量將需要翻一番,這給食品行業(yè)帶來了巨大壓力,因?yàn)樗鼘⑴M足對高品質(zhì)食品日益增長的需求。
近年來,食品安全和質(zhì)量控制問題越來越受到人們的重視。據(jù)估計(jì),到 2025 年,世界人口將超過 80 億,其中發(fā)展中國家人口增長最快。為了滿足不斷增長的人口的需求,食品供應(yīng)量將需要翻一番,這給食品行業(yè)帶來了巨大壓力,因?yàn)樗鼘⑴M足對高品質(zhì)食品日益增長的需求。
此外,全球化和國際貿(mào)易的增長正在從根本上改變食品行業(yè)。隨著食品生產(chǎn)跨越國界,供應(yīng)鏈變得越來越復(fù)雜且難以追蹤。這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致政府對食品安全、健康和可追溯性制定了更嚴(yán)格的法規(guī)。
所幸,隨著近年來成像技術(shù)的發(fā)展,食品加工業(yè)現(xiàn)在投資確保食品安全和質(zhì)量的新技術(shù)具有更大的成本效益。過去,食品檢驗(yàn)需要經(jīng)過培訓(xùn)的人工檢驗(yàn)員進(jìn)行目視篩選。這些訓(xùn)練有素的檢測員掃描傳送帶以識(shí)別有缺陷的產(chǎn)品,并將它們剔除——由于人眼的限制、人因失誤和人員疲勞,整個(gè)過程相對緩慢和低效。當(dāng)今的一些視覺系統(tǒng)不僅可以更快、更準(zhǔn)確地檢測,還可以“看到”產(chǎn)品表面以下,從而發(fā)現(xiàn)人眼看不到的、隱藏的化學(xué)缺陷。因此,自動(dòng)食品分揀系統(tǒng)提供了一種更有效的解決方案,因?yàn)樗鼈兡軌蚋?、更?zhǔn)確地過濾掉不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的缺陷產(chǎn)品。
食品分揀系統(tǒng)的類型和構(gòu)成
成像系統(tǒng),亦稱為光學(xué)分揀機(jī),已成為食品檢測的首選解決方案。這是因?yàn)樗鼈兛梢詫κ称愤M(jìn)行無損檢測并保持人類視覺根本無法做到的客觀性。光學(xué)食品分揀系統(tǒng)還能夠最大限度地減少浪費(fèi)和勞動(dòng)力成本。食品分揀系統(tǒng)通常分為自由落體系統(tǒng)、傳送帶系統(tǒng)和通道系統(tǒng)。自由落體系統(tǒng)特別適用于分揀種子和谷物,傳送帶系統(tǒng)主要用于分揀咸菜和水果干,而通道系統(tǒng)主要用于分揀新鮮農(nóng)產(chǎn)品。無論被檢測的食品是什么,大多數(shù)食品分揀系統(tǒng)都由四個(gè)主要部分組成。第一個(gè)部分是進(jìn)料系統(tǒng)。進(jìn)料系統(tǒng)有助于將產(chǎn)品均勻地鋪在傳送帶、通道或自由落體滑槽上。然后,光學(xué)系統(tǒng)(可以由彩色(可見光)、高光譜或 X 射線成像系統(tǒng)組成)被放置在被檢測產(chǎn)品的上方或下方等關(guān)鍵位置。它掃描通過滑槽或沿傳送帶上移動(dòng)的產(chǎn)品以檢測它們是否存在缺陷。第三個(gè)部分是圖像處理軟件,它將傳送帶、通道或斜槽上的物體與用戶定義的合格閾值進(jìn)行比較,從而對移動(dòng)物體進(jìn)行分級。
這些閾值可能基于光譜、大小、形狀或其他取決于食物類型的具體因素。最后一個(gè)部分是分離系統(tǒng),它可以采用小型產(chǎn)品使用壓縮空氣或較大產(chǎn)品使用機(jī)械設(shè)備的形式,精確定位缺陷和偏差,或?qū)⑷毕莓a(chǎn)品轉(zhuǎn)送至廢品堆。
典型的異物和食品缺陷
缺陷通常分為兩類:可見缺陷和不可見缺陷??梢娙毕菔侨搜酆苋菀装l(fā)現(xiàn)的缺陷。例如:變色、瑕疵、破損或開裂的物體,以及不能滿足特定長度、寬度、直徑或面積的物體。不可見缺陷是人眼無法輕松地檢測到的缺陷,這可能包括較軟、發(fā)霉或腐爛的食物或異物(如可以進(jìn)入食品內(nèi)部的蠕蟲、蝸?;蛐∷芰稀⒔饘俸筒AУ龋?。通常,彩色成像系統(tǒng)用于發(fā)現(xiàn)可見缺陷,而高光譜成像能夠同時(shí)發(fā)現(xiàn)可見和不可見的缺陷。
彩色成像系統(tǒng)
彩色分揀是當(dāng)今使用的主要技術(shù)。當(dāng)前的食品檢測系統(tǒng)使用彩色成像來檢測傳送帶上移動(dòng)的產(chǎn)品的缺陷。這些成像系統(tǒng)基本上可以看到人眼也能發(fā)現(xiàn)的缺陷,但可以更快、更客觀地完成,從而最大限度地提高產(chǎn)出量。通過將食品的顏色與某些預(yù)定的顏色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,這些成像系統(tǒng)可以有效地對食品進(jìn)行分類和分級。彩色成像系統(tǒng)通常能夠檢測瑕疵或瘀傷等缺陷,以及堅(jiān)果、蔬菜、水果、肉類和海鮮的成熟度或新鮮度。這些成像系統(tǒng)還能夠識(shí)別異物(例如可能在大量農(nóng)產(chǎn)品中存在的塑料和木頭碎片)。
目前用于食品檢測的彩色成像系統(tǒng)中使用的一些技術(shù)是三片式相機(jī)和三線相機(jī)。三片式相機(jī)使用三個(gè)獨(dú)立的電荷耦合元件 (CCD) 或 CMOS 傳感器,每個(gè)傳感器分別接收紅色、綠色或藍(lán)色 (RGB)。當(dāng)光線進(jìn)入鏡頭時(shí),基于棱鏡的分束器將光線分成三個(gè)不同的波段。然后使用三個(gè) CCD 或 CMOS 生成的輸出重新構(gòu)建最終的彩色圖像。該技術(shù)可生成具有完整物理分辨率的高質(zhì)量彩色圖像。
像 Teledyne DALSAPiranha4 RGB彩色 相機(jī)的三線相機(jī),每個(gè)傳感器配備分別對紅色、綠色和藍(lán)色都有靈敏響應(yīng)的三條線。三個(gè)陣列同時(shí)捕獲三種不同的顏色,但在物體從滑道上掉下來或經(jīng)過傳送帶時(shí),位置略有不同。為了形成完整的圖像,相機(jī)必須通過緩沖第一個(gè)和第二個(gè)陣列以匹配第三個(gè)陣列來補(bǔ)償空間分離(也稱為空間校正)。
食品分揀的主要要求是低成本。Teledyne DALSA 正在設(shè)計(jì)一種新的、低成本的 CMOS 顏色傳感器,非常適合用于分揀。
高光譜和多光譜成像系統(tǒng)
高光譜和多光譜成像使用更多的波段,而不僅僅是 RGB 顏色。與將光分成三個(gè)陣列的三線相機(jī)不同,高光譜成像傳感器在電磁波譜中數(shù)百個(gè)密集的窄帶內(nèi)收集數(shù)據(jù)。一旦收集到這些圖像,它們就會(huì)被組合起來形成一個(gè)可以進(jìn)行分析的圖像立方體。
高光譜成像特別適用于食品檢測,因?yàn)樗軌驘o損檢測和確定產(chǎn)品的化學(xué)和物理成分。在食品行業(yè)中,產(chǎn)品表面和內(nèi)部都可能存在缺陷,因此擁有一個(gè)可以檢測內(nèi)、外部缺陷的系統(tǒng)非常有用。不同的有機(jī)物質(zhì)根據(jù)其成分吸收電磁波譜中不同波長的光。這使每種物質(zhì)都具有特定的、可被識(shí)別的“指紋”。用戶可以在檢測前指定接受或拒絕的閾值,然后,高光譜成像分揀機(jī)能夠使用這些指紋根據(jù)產(chǎn)品的化學(xué)成分進(jìn)行產(chǎn)品分揀,這一技能非常適用于分揀無法簡單地根據(jù)RGB 顏色或形狀等物理特征進(jìn)行分類的物品。此外,使用傳統(tǒng)成像方法無法輕松識(shí)別某些污染物(如塑料碎片、木頭和霉菌)。最后,高光譜成像有助于檢測農(nóng)產(chǎn)品中的密度差異和葉綠素水平、被黃曲霉毒素等毒素污染的農(nóng)產(chǎn)品,并且有助于根據(jù)含水量分揀農(nóng)產(chǎn)品。由于所有這些對人眼來說都是不可見的,因此高光譜成像是食品行業(yè)中的絕佳檢測系統(tǒng)。
然而,高光譜成像在數(shù)據(jù)處理能力和成本方面仍面臨挑戰(zhàn)。這種方法需要實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù),而這可能會(huì)受到計(jì)算能力的限制。這就是多光譜成像系統(tǒng)(例如 Teledyne DALSA 的 Piranha 4 Multispectral 2k RGB+NIR 相機(jī))使用較少波段并已成功應(yīng)用于食品分揀的原因。
在新的 CMOS 傳感器系列中,Teledyne DALSA 還計(jì)劃在分揀應(yīng)用中采用低成本的 RGB+NIR 多光譜傳感器。
X 射線檢測系統(tǒng)
X 射線長期以來一直用于醫(yī)療,但也越來越多地用于食品加工行業(yè)。X 射線是一種不可見的電磁輻射。X 射線波長短、能量高,可以穿透大多數(shù)食品,是一種理想的無損食品檢測方法。當(dāng) X 射線進(jìn)入食物時(shí),它會(huì)失去一些電磁能,當(dāng)它離開食品時(shí),檢測系統(tǒng)中的傳感器隨后能夠?qū)?X 射線轉(zhuǎn)換為顯示食品內(nèi)部的灰度圖像。食品中的密集污染物在灰度圖像上顯得更暗,便于識(shí)別。
X 射線系統(tǒng)在食品檢測過程中應(yīng)用于許多場合,例如檢測嬰兒食品中的金屬等異物以及檢測產(chǎn)品密封和包裝。X 射線系統(tǒng)還廣泛用于檢測干果、堅(jiān)果和海鮮。先進(jìn)的 X 射線系統(tǒng)可以同時(shí)執(zhí)行在線質(zhì)量檢測、測量產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、識(shí)別丟失或損壞的產(chǎn)品以及監(jiān)控料位。X 射線的所有這些特性使其成為極具成本效益且高效的食品檢測系統(tǒng)。
雖然許多消費(fèi)者擔(dān)心他們的食物會(huì)受到輻射,但值得注意的是,當(dāng)食物接受X射線系統(tǒng)檢測時(shí),它們在 X 射線束中的時(shí)間通常不會(huì)超過一秒,因此受到的輻射幾乎無害且劑量極低。還有人擔(dān)心 X 射線系統(tǒng)操作員會(huì)暴露在大量輻射中。但已有研究表明,在正常情況下,X 射線系統(tǒng)的操作員所接受的輻射比一年內(nèi)來自自然環(huán)境的輻射要少,這使其成為一種相對安全的檢測方法。
檢測系統(tǒng)符合法規(guī),滿足客戶期望
隨著食品和飲料行業(yè)繼續(xù)面臨提供更高質(zhì)量和更安全產(chǎn)品的壓力,生產(chǎn)商需要采用改進(jìn)的檢測和分揀系統(tǒng)以滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。此外,面臨產(chǎn)品召回帶來的品牌形象受損的風(fēng)險(xiǎn)是食品生產(chǎn)商尋求更可靠的檢測系統(tǒng)的另一個(gè)原因,這些系統(tǒng)可以保證檢測產(chǎn)品缺陷時(shí)充足的質(zhì)量保證和信心。考慮到所有這些因素,先進(jìn)成像技術(shù)將越來越多地在食品檢驗(yàn)中使用,因?yàn)檫@些系統(tǒng)使生產(chǎn)商能夠遵守日益嚴(yán)格的政府法規(guī)和消費(fèi)者日益增長的期望。食品分揀的關(guān)鍵要求之一是系統(tǒng)成本。Teledyne DALSA 目前正在與市場上的主要客戶合作,設(shè)計(jì)全新的 CMOS 傳感器系列,以滿足行業(yè)對性能、體積和成本的要求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,請繼續(xù)關(guān)注食品檢測的新進(jìn)展。
(來源:Teledyne DALSA ,作者:銷售兼應(yīng)用支持經(jīng)理 Glen Ahearn 撰寫)
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