使用成像技術(shù)優(yōu)化食物分揀過程

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(guó)家人口增長(zhǎng)最快。為了滿足不斷增長(zhǎng)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⑴M足對(duì)高品質(zhì)食品日益增長(zhǎng)的需求。

此外，全球化和國(guó)際貿(mào)易的增長(zhǎng)正在從根本上改變食品行業(yè)。隨著食品生產(chǎn)跨越國(guó)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)，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(cè)的首選解決方案。這是因?yàn)樗鼈兛梢詫?duì)食品進(jìn)行無損檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行分級(jí)。

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(zhǎng)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(cè)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?、金屬和玻璃等)。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(cè)系統(tǒng)使用彩色成像來檢測(cè)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(duì)食品進(jìn)行分類和分級(jí)。彩色成像系統(tǒng)通常能夠檢測(cè)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(cè)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 DALSA Piranha4 RGB彩色 相機(jī)的三線相機(jī)，每個(gè)傳感器配備分別對(duì)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(cè)，因?yàn)樗軌驘o損檢測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)系統(tǒng)

X 射線長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)過程中應(yīng)用于許多場(chǎng)合，例如檢測(cè)嬰兒食品中的金屬等異物以及檢測(cè)產(chǎn)品密封和包裝。X 射線系統(tǒng)還廣泛用于檢測(cè)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(cè)、測(cè)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(cè)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(cè)時(shí)，它們?cè)?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(duì)安全的檢測(cè)方法。

檢測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)原因，這些系統(tǒng)可以保證檢測(cè)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(zhǎng)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(chǎng)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(duì)性能、體積和成本的要求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注食品檢測(cè)的新進(jìn)展。