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    使用成像技術優化食物分揀過程

    2021-08-12
    作者:Glen Ahearn, 銷售兼應用支持經理
    來源:Teledyne Dalsa
    關鍵詞: 成像技術

      近年來,食品安全和質量控制問題越來越受到人們的重視。據估計,到 2025 年,世界人口將超過 80 億,其中發展中國家人口增長最快。為了滿足不斷增長的人口的需求,食品供應量將需要翻一番,這給食品行業帶來了巨大壓力,因為它將努力滿足對高品質食品日益增長的需求。

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      此外,全球化和國際貿易的增長正在從根本上改變食品行業。隨著食品生產跨越國界,供應鏈變得越來越復雜且難以追蹤。這種轉變導致政府對食品安全、健康和可追溯性制定了更嚴格的法規。

      所幸,隨著近年來成像技術的發展,食品加工業現在投資確保食品安全和質量的新技術具有更大的成本效益。過去,食品檢驗需要經過培訓的人工檢驗員進行目視篩選。這些訓練有素的檢測員掃描傳送帶以識別有缺陷的產品,并將它們剔除——由于人眼的限制、人因失誤和人員疲勞,整個過程相對緩慢和低效。當今的一些視覺系統不僅可以更快、更準確地檢測,還可以“看到”產品表面以下,從而發現人眼看不到的、隱藏的化學缺陷。因此,自動食品分揀系統提供了一種更有效的解決方案,因為它們能夠更快、更準確地過濾掉不符合質量標準的缺陷產品。

      食品分揀系統的類型和構成

      成像系統,亦稱為光學分揀機,已成為食品檢測的首選解決方案。這是因為它們可以對食品進行無損檢測并保持人類視覺根本無法做到的客觀性。光學食品分揀系統還能夠最大限度地減少浪費和勞動力成本。食品分揀系統通常分為自由落體系統、傳送帶系統和通道系統。自由落體系統特別適用于分揀種子和谷物,傳送帶系統主要用于分揀咸菜和水果干,而通道系統主要用于分揀新鮮農產品。無論被檢測的食品是什么,大多數食品分揀系統都由四個主要部分組成。第一個部分是進料系統。進料系統有助于將產品均勻地鋪在傳送帶、通道或自由落體滑槽上。然后,光學系統(可以由彩色(可見光)、高光譜或 X 射線成像系統組成)被放置在被檢測產品的上方或下方等關鍵位置。它掃描通過滑槽或沿傳送帶上移動的產品以檢測它們是否存在缺陷。第三個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行比較,從而對移動物體進行分級。

      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。最后一個部分是分離系統,它可以采用小型產品使用壓縮空氣或較大產品使用機械設備的形式,精確定位缺陷和偏差,或將缺陷產品轉送至廢品堆。

      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現的缺陷。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、發霉或腐爛的食物或異物(如可以進入食品內部的蠕蟲、蝸?;蛐∷芰?、金屬和玻璃等)。通常,彩色成像系統用于發現可見缺陷,而高光譜成像能夠同時發現可見和不可見的缺陷。

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      彩色成像系統

      彩色分揀是當今使用的主要技術。當前的食品檢測系統使用彩色成像來檢測傳送帶上移動的產品的缺陷。這些成像系統基本上可以看到人眼也能發現的缺陷,但可以更快、更客觀地完成,從而最大限度地提高產出量。通過將食品的顏色與某些預定的顏色標準進行比較,這些成像系統可以有效地對食品進行分類和分級。彩色成像系統通常能夠檢測瑕疵或瘀傷等缺陷,以及堅果、蔬菜、水果、肉類和海鮮的成熟度或新鮮度。這些成像系統還能夠識別異物(例如可能在大量農產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中使用的一些技術是三片式相機和三線相機。三片式相機使用三個獨立的電荷耦合元件 (CCD) 或 CMOS 傳感器,每個傳感器分別接收紅色、綠色或藍色 (RGB)。當光線進入鏡頭時,基于棱鏡的分束器將光線分成三個不同的波段。然后使用三個 CCD 或 CMOS 生成的輸出重新構建最終的彩色圖像。該技術可生成具有完整物理分辨率的高質量彩色圖像。

      像 Teledyne DALSA Piranha4 RGB彩色 相機的三線相機,每個傳感器配備分別對紅色、綠色和藍色都有靈敏響應的三條線。三個陣列同時捕獲三種不同的顏色,但在物體從滑道上掉下來或經過傳送帶時,位置略有不同。為了形成完整的圖像,相機必須通過緩沖第一個和第二個陣列以匹配第三個陣列來補償空間分離(也稱為空間校正)。

      食品分揀的主要要求是低成本。Teledyne DALSA 正在設計一種新的、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

      高光譜和多光譜成像使用更多的波段,而不僅僅是 RGB 顏色。與將光分成三個陣列的三線相機不同,高光譜成像傳感器在電磁波譜中數百個密集的窄帶內收集數據。一旦收集到這些圖像,它們就會被組合起來形成一個可以進行分析的圖像立方體。

      高光譜成像特別適用于食品檢測,因為它能夠無損檢測和確定產品的化學和物理成分。在食品行業中,產品表面和內部都可能存在缺陷,因此擁有一個可以檢測內、外部缺陷的系統非常有用。不同的有機物質根據其成分吸收電磁波譜中不同波長的光。這使每種物質都具有特定的、可被識別的“指紋”。用戶可以在檢測前指定接受或拒絕的閾值,然后,高光譜成像分揀機能夠使用這些指紋根據產品的化學成分進行產品分揀,這一技能非常適用于分揀無法簡單地根據RGB 顏色或形狀等物理特征進行分類的物品。此外,使用傳統成像方法無法輕松識別某些污染物(如塑料碎片、木頭和霉菌)。最后,高光譜成像有助于檢測農產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產品,并且有助于根據含水量分揀農產品。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中的絕佳檢測系統。

      然而,高光譜成像在數據處理能力和成本方面仍面臨挑戰。這種方法需要實時處理大量數據,而這可能會受到計算能力的限制。這就是多光譜成像系統(例如 Teledyne DALSA 的 Piranha 4 Multispectral 2k RGB+NIR 相機)使用較少波段并已成功應用于食品分揀的原因。

      在新的 CMOS 傳感器系列中,Teledyne DALSA 還計劃在分揀應用中采用低成本的 RGB+NIR 多光譜傳感器。

      X 射線檢測系統

      X 射線長期以來一直用于醫療,但也越來越多地用于食品加工行業。X 射線是一種不可見的電磁輻射。X 射線波長短、能量高,可以穿透大多數食品,是一種理想的無損食品檢測方法。當 X 射線進入食物時,它會失去一些電磁能,當它離開食品時,檢測系統中的傳感器隨后能夠將 X 射線轉換為顯示食品內部的灰度圖像。食品中的密集污染物在灰度圖像上顯得更暗,便于識別。

      X 射線系統在食品檢測過程中應用于許多場合,例如檢測嬰兒食品中的金屬等異物以及檢測產品密封和包裝。X 射線系統還廣泛用于檢測干果、堅果和海鮮。先進的 X 射線系統可以同時執行在線質量檢測、測量產品質量、產品計數、識別丟失或損壞的產品以及監控料位。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。

      雖然許多消費者擔心他們的食物會受到輻射,但值得注意的是,當食物接受X射線系統檢測時,它們在 X 射線束中的時間通常不會超過一秒,因此受到的輻射幾乎無害且劑量極低。還有人擔心 X 射線系統操作員會暴露在大量輻射中。但已有研究表明,在正常情況下,X 射線系統的操作員所接受的輻射比一年內來自自然環境的輻射要少,這使其成為一種相對安全的檢測方法。

      檢測系統符合法規,滿足客戶期望

      隨著食品和飲料行業繼續面臨提供更高質量和更安全產品的壓力,生產商需要采用改進的檢測和分揀系統以滿足這些標準。此外,面臨產品召回帶來的品牌形象受損的風險是食品生產商尋求更可靠的檢測系統的另一個原因,這些系統可以保證檢測產品缺陷時充足的質量保證和信心??紤]到所有這些因素,先進成像技術將越來越多地在食品檢驗中使用,因為這些系統使生產商能夠遵守日益嚴格的政府法規和消費者日益增長的期望。食品分揀的關鍵要求之一是系統成本。Teledyne DALSA 目前正在與市場上的主要客戶合作,設計全新的 CMOS 傳感器系列,以滿足行業對性能、體積和成本的要求。隨著技術的不斷發展,請繼續關注食品檢測的新進展。


     


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