英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

用数字图像处理技术进行质量控制检测的糖晶体表征

曼努埃尔卡多纳

计算机视觉研究小组工程学院

萨尔瓦多, 博斯科大学，加利福尼

邮件：manuel.cardona@udb.edu.sv

摘要：本文对糖晶体的尺寸和形状进行了质量控制检测的形态分析。 利用数字图像处理技术开发了形态表征算法，并进行了统计分析。 从糖厂获得样品，并计算等效直径，伸长率，平均孔径（MA），标准偏差和变异系数（CV）等感兴趣的参数。 最后，开发了一个使用MATLAB进行形态分析的自动化工具，并使用手动方法验证了结果。

关键词：蔗糖，方差系数，数字图像处理，粒度测量，MATLAB，平均孔径，形态分析

一、介绍

食品工业中的生产控制被用来确保最终产品满足以前建立的某些要求。 在甘蔗的加工过程中，有必要分析形状，颜色和大小等晶体的特性。 晶体尺寸的量是中一个关键因素所产糖的质量控制。

传统的晶体尺寸测量方法是通过检查或使用机械筛选进行的，由于缺乏定量的信息检索，导致分析时间长，并且在许多情况下准确性差。出于这个原因，开发一个自动化工具来执行质量控制的更简单快速的分析是非常重要的。

在这项工作中，开发了一系列使用数字图像处理自动测量糖晶体的算法，然后进行统计分析以实现质量控制过程的自动化。

对于数字图像处理，使用糖厂的样品，并采用传统的图像处理技术，这些技术包括：过滤器，阈值和开启和关闭技术，然后使用分割进行晶体标记。

这篇文章的结构安排如下。 首先，从糖厂获得样品图像，并应用传统的数字图像处理技术。 之后，对每个晶体进行标记，并获得其形态特征如尺寸，伸长率，质心和面积。

接下来，进行统计分析，并计算诸如平均孔径（MA），标准差和方差系数（CV）的参数。

最后，提出了一个自动化的工具和图形用户界面，使用MATLAB作为编程语言和测试平台。

二、糖晶样品

样本量是获得可靠和有意义结果的关键因素。 有很多方法可以获得样本的大小，在谷物情况下常见的是采用分层抽样，概率抽样或随机抽样[1]。

在目前的分析中，糖厂提供了一系列的糖晶体样品的图像，在图像中，甘油溶液已被用来分散晶体。

样本量可以通过应用军标105E来获得，其中样本量基于检验水平和批量大小。 用于这项工作的图像显示在图1和图2。

出现在图1和图2中的线出于校准的目的而有意画出，如下所述。

图1.糖晶体图像，样品1

图2：糖晶体图像，样品2

三、预处理

一旦获得图像，下一步是将图像转换为灰度，然后转换为二值图像，转换为灰度使用：

Img = 0.2989R 0.5870G 0.1140B (1)

其中：

R = Im（：，：，1），红色通道。

G = Im（：，：，2），绿色通道。

B = Im（：，：，3），蓝色通道。

Im是原始图像，Img是灰度图像。

为了将灰度图像转换成二值图像，使用0.5的阈值。 二进制图像用亮度大于等级1的亮度替换输入图像中的所有像素（白色），并用值0（黑色）代替所有其他像素。 图1中的二值图像如图3所示。

为了进行校准，淹没了10毫米的白线，该线用作参考，无论从相机到图像的距离是否发生变化，线都将用作校准，因为其长度是已知的。

下一步是减少噪音并清洁图像中的最小颗粒。 众所周知，糖晶体的典型尺寸为0.75mm，考虑到这一事实，我们继续去除图像中存在的较小颗粒，导致如图4所示的图像。

四、表征

A.连接的对象

为了计算图像中晶体的数量，我们必须确定图像中的连接对象，使用MATLAB中的以下函数可以找到连接的对象：

图3.图1的二值图. 图4.滤​​波的图像

[num = bwlabel（imgb，n）;

其中，Imgb是二进制图像，n是一个整数，可以有一个4或8的值（默认是8,8连接的对象），L是包含连接对象标签的矩阵，num是连接对象的数量在图像中找到。

B.匹配因子

晶体的大小和形状是质量控制过程中的重要特征。 要求晶体具有规则的形状，为了满足这个要求，我们可以认为晶体的面积必须与包含它的边界框的面积几乎相同。 因此，我们将匹配因子（MF）定义为晶体面积与边界框面积之比，因此：

(2)

在（2）中，Ac是晶体的面积，Ab是边界框的面积。 典型值可能在60％到80％之间。 如果我们把70％作为MF，我们就得到了图5所示的结果，在那里它已经对图像进行了缩放。

图5.应用匹配因子后的图像

在图5中，绿色的长方形是满足MF的晶体，红色的是没有的。

C.图像描述符

每个晶体代表用于统计分析的特征。用于计算描述符的晶体是晶体满足匹配因​​子，这些晶体使用MATLAB中的图像处理工具箱（版本8.3，R2014a）软件进行分析。 使用MATLAB获得的描述符是：面​​积，边界框，质心，等效直径，市长轴长度，短轴长度和方向。

五、统计分析

将满足MF的晶体用于统计质量控制，统计分析包括构建频率分布表，随后计算一些统计口径，方差，标准差和变异系数。

A.频率分布

由于要分析的粒子的数量，对于建立频率分布是必要的。 频率分布表的类数是使用Sturges规则创建的，也就是说，

K = 1 3.322log（N） (3)

其中，N是晶体的数量。

B.样本的平均孔径（MA）和变异系数（CV）

MA表示糖的平均晶体尺寸（通常以微米表示），而CV表示晶体的均匀性（分布）[2]。 因此，变异系数是描述一组给定测量结果精度的一种方法; 因为低CV值表示更好的均匀性，所以期望具有低的CV值。 对于糖晶体，CV小于35％是可取的。

根据ICUMSA方法GS2-37 [3]，可以使用Powers方法，Rens方法，Rosin-Rammler-Bennet（RRSB）和Butler方法计算MA和CV。 用于晶粒分析的其他方法是基于光折射的CILAS粒子激光尺寸。

六、从图像处理中估计MA和CV

A.用粒子加权的平均直径

平均粒径是最重要的单一统计参数，因为它允许我们计算其他感兴趣的参数，比如比表面积和变异系数。

粒径加权平均直径（dwp）是食品工业中用于确定理想晶体大小的糖的参考度量，并且可以通过将所有当量直径（MA）相加并且将结果除以晶体的数​​量来计算，

其中MAi代表每个晶体的MA和N代表晶体的数量。

B.粒子加权变异系数

变异系数（CV）是晶体尺寸扩展的量度，基本上是以百分比表示的标准偏差.CV可以通过粒子或体积加权。

因此，由粒子CVwp加权的CV可以通过下式来计算：

C.按体积加权的变异系数

表示糖晶体尺寸均匀性的另一种方法是使用体积CVwv加权的CV。

虽然CVwp用于评估晶体尺寸，但是CVwv是用于评估糖工业形态变化的最常用方法，CVwv是将晶体建模为完美球体[4]。 CVwv基于体积平均直径加权（dwv），其可以通过如下计算：

其中，M Ai代表每个晶体的MA，Vi代表模拟为球体的晶体体积一旦计算出M Ai，就可以计算出CVwv:

七、实施

统计分析使用软件MATLABR2014a进行。 如图6所示，一个图形用户界面允许我们确定描述符和评估MA和CV自动开发。

图6.统计分析的图形用户界面。

表一

样品分析的晶体百分比1

总	晶体分析	晶体没有分析
231	203	28
100%	87.88%	12.12%

总	晶体分析	晶体没有分析
229	179	50
100%	78.17%	21.83%

表二

样品分析的晶体百分比2

所分析的晶体数量是符合第四部分中描述的匹配因子的晶体数量。

表III和表IV分别示出了考虑按照颗粒加权并且按体积加权的样本所获得的统计值。

将结果导出到Microsoft Excel文件（.xls），每个晶体导出的数据为：区域，市长轴长度，副轴长度和等效直径。 表三和表四的统计数据也出口。

表三

获得用于图1的糖样品的统计数据。 1

统计	由粒子	按卷
平均值（xmacr;）	0.9571	1.2474
方差（sigma;2）	0.0815	9.477
标准偏差（sigma;）	0.2854	0.2471
方差系数（CV）	29.83	19.81

表IV

统计	由粒子	按卷
平均值（xmacr;）	0.662	1.2162
方差（sigma;2）	0.1462	7.6915
标准偏差（sigma;）	0.3823	0.3108
方差系数（CV）	61.47	25.56

获得用于图1的糖样品的统计数据。 2

八、结果

为了直观地评价每种晶体的形态，对每个样品进行散点图，得到的结果分别在图7和图8中示出。

图7.散点图，市长轴长度与短轴长度

每个样本的最佳拟合线和相应的线性回归系数示于图7和图8中。样本1的最佳拟合线具有0.5691的斜率和0.1117mm的偏移，而对于样本2，最好的拟合线拟合线的斜率为0.7122，偏移量为0.0262 mm。 因此，我们有一套晶体，其中大部分都具有规则的形状。 等效直径的正态分布如图9和图10所示。

此外，样品1中发现的最大MA为1.43026mm，最小值为0.10102mm。 平均伸长率为1.499，体积重量为1.502。

另一方面，样本中发现的最大MA2为1.6790mm，最小为0.0555mm。

图8.散点图，市长轴长度与短轴长度

图9.样品1的等效直径（mm）

平均伸长率为1.618，体积加权平均值为1.431。

根据詹姆斯[5]的晶体大小通常在之间0.6毫米times;1.0毫米，均匀性比晶体大小更重要。其他研究人员报告说，晶体尺寸的平均值为0.75毫米作为原料生产者和糖厂之间的关系。 实际上，这取决于糖的种类，对于普通糖或白糖来说，这个数值是可以满足的，但是对于粗糖或砂糖来说，晶体是较大的。

minus;

伸长率是一个非常重要的参数，因为表明棉子糖或葡聚糖的存在，伸长的正常比例在1.0-1.2之间。 事实上，通过观察晶体伸长的程度，可以估计葡聚糖的水平[5]。

minus;

棉子糖引起垂直方向的伸长，而葡聚糖引起水平方向的伸长。

A.手动测量

为了验证算法，对图1和图2中的每个晶体进行了手动测量。 测量市长轴长度和短轴长度，并使用参考线获得实际值, 通过软件和手动获得的尺寸。

图10.样品2的等效直径（mm）

每个样品的前四十

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[24283]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word