CN103344656B - 基于x射线成像的块冻虾中虾的含量测定方法及其装置 - Google Patents

Abstract

基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测装置包括X射线发生装置、X射线探测器、图像采集卡、自制传动装置、射线防护装置、红外触发开关、计算机及显示器、检测台；利用检测装置对虾块进行检测，主要包括三大步骤设备参数的确定、模型建立、模型应用，利用这方法和装置进行检测，检测速率快，对食品无损害，可以大规模用于生产，节省劳动力。

Description

基于X射线成像的块冻虾中虾的含量测定方法及其装置

技术领域

本发明属于基于X射线成像的无损检测技术领域，具体涉及利用X射线成像检测块冻虾中虾的含量领域。

背景技术

冷冻食品行业的发展越来越快，其中冷冻水产品也已经迅速崛起。块冻虾是冰与虾的块状组合，虾均匀分布在冰块中。近年来，消费者对块冻虾缺斤短两的投诉非常普遍，主要集中在冻虾块中虾的含量偏少,各大报纸以及网络媒体均有报导，主要原因是目前没有配套的现代化检测手段，只能采用传统的检测方法即自然化冰、沥水、称虾重量进行小规模、小范围的抽查，抽查的标准即块冻虾标明的虾的头数或重量与实际检测结果是否相符。传统的检测方法不仅耗时费力、损害食品，而且无法应用于工业化在线实时高效的检测，不能保证每个样品必检。目前，国内外还没有相关工业化检测的成熟理论与相应技术，这毫无疑问给工业化检测块冻虾带来严重的检测方面的技术问题，从而影响我国块冻虾市场健康、稳定的发展。

X射线成像检测技术在食品行业的应用非常普遍，如：

专利号CN 201233376Y公开了一种食品中异物X射线检测装置，该装置通过X射线成像系统检测食品是否存在异物、包装是否缺失等以实现对食品自动分级，属于定性判别分析；

专利号CN 101936928A公开了一种面类食品X射线检测方法，可检测面饼是否破裂、料包是否丢失、是否存在异物等，属于定性判别分析；

专利号CN 1566935A公开了一种用于食品工业玻璃容器罐或盒检测装置。

综上，目前X射线成像技术在食品检测中多用于定性判别异物、缺陷等，尚未有定量检测食品固形物含量相关应用和专利。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术对检测块冻虾准确度的不足问题。

技术方案：发明原理，依据朗伯比尔定律，当X射线剂量一定时，其衰减大小与物料密度、原子序数及厚度有关，故对于规则外形的混合对象物如同一模具下块状冷冻虾，当对象物厚度一定时，密度和原子序数决定了衰减后X射线剂量。衰减后X射线剂量经X射线探测器转换为可视图像，图像灰度值就反映了衰减后X射线剂量，进一步反映了对象物内部信息，如密度变化。利用这一特点，可用于检测出自同一模具的规则对象物在相同厚度下的内部差异。本发明即利用这一特性对块冷冻虾中虾的含量进行测定。

基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测装置：检测装置主要包括X射线发生装置、X射线探测器、图像采集卡、自制传动装置、射线防护装置、红外触发开关、计算机及显示器、检测台；X射线发生装置包括控制器和发射器，自制传动装置包括调速电机、传送带及托板，防护装置为连接的三个箱体结构，均为长方体，中间一个大箱体，两侧各有一个小箱体；大箱体内部顶端处为X射线发射器，其两侧接近底部处各有一个长方形口，两个长方形口处外侧是小箱体，防止射线从口处漏出；传动装置中的传送带及传送带托板从大箱体两侧长方形口中穿过，X射线线阵探测器位于大箱体内传送带正下方与X射线发射器处于同一垂直线上，红外触发开关位于小箱体外两侧长方形口处并固定于传送带托板上，与采集卡相连；X射线控制器与电机位于防护装置外，电机与传送带相连；X射线控制器与X射线发射器相连；采集卡插在计算机PCI插槽，连接X射线线阵探测器与计算机。

基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法技术方案是：

利用基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测装置来检测，其具体步骤如下：

(1)接通X射线发射器和控制器电源，调整X射线控制器参数，主要包括X射线发射器管电压、管电流，X射线探测器积分时间(或曝光时间)，通过成像参数的选取固定最佳的射线强度与剂量。

(2)预热X射线发生器30分钟左右。

(3)接通驱动电机电源，带动传送带，使其稳定的传动；

(4)X射线图像系统的成像校正(针对线阵探测器)，即防止图像畸变；

(5)把一系列用于建立数学模型的已知厚度与虾含量的块冻虾放在传送带上，当其被传送至红外触发开关处时，触发采集卡采集其X射线图像，并传送至计算机。采集过程中X射线穿透块冻虾，衰减后由闪烁荧光屏转化为可见光被X射线探测器接收产生图像的模拟信号，然后经过采集卡把模拟信号转化为数字信号；

(6)计算机对用于建模的块冻虾的X射线图像数字信号进行处理，并根据块冻虾厚度、块冻虾中虾的含量与已测得图像灰度均值建立此厚度下数学判别模型；

(7)放置此厚度下新的块冻虾，计算机根据已建立的数学模型开始自动检测块冻虾中虾的含量。

(8)保存此成像参数下所建立的数学模型参数，包括模型系数、常数项、对应厚度以及块冻虾中虾的种类、模具型号、X射线成像参数。

所述步骤(1)中，X射线成像参数是根据块冻虾的厚度及块冻虾中的虾含量大小来选取，具体包括如下操作步骤：

(1-1)选取待检测厚度与体积下的块冻虾，其中，虾含量等于待检测体积下的块冻虾所能容纳虾的最大容量，即块冻虾中的虾含量趋于饱和。

(1-2)设计成像参数的管电压、管电流梯度，如30kv(0.3mA/0.6mA/0.9mA)、35kv(0.3mA/0.6mA/0.9mA)、40kv(0.3mA/0.6mA/0.9mA)、45kv(0.3mA/0.6mA/0.9mA)等，设置X射线探测器积分时间，如2.67ms，获取每一个梯度下所选取块冻虾的X射线图像，并计算灰度直方图；

(1-3)调节管电压、管电流梯度，观察每幅图像灰度直方图，当背景灰度接近255或稍等于255，块冻虾区域对比度最好，确定作为此梯度下的最佳参数。其中，管电压决定X射线的穿透能力，管电流决定X射线的光子数，决定图像对比度。选取原则为：在保证穿透的前提下，提高图像对比度。

所述步骤(2)中，预热30分钟以上是为了产生稳定的X射线。X射线发生器开始工作初期会不停地产热，热量的增加以及管电压、管电流的稳定性影响X射线的波段，不同波段的X射线其频率不同、能量大小不同，导致穿透力不同，对X射线图像有重要影响。

所述步骤(3)中，电机运转速度可调，以用来匹配X射线探测器积分时间；保证传送带速度在X射线探测器积分时间(曝光时间)匹配范围内。

所述步骤(4)中，对于线阵探测器，X射线图像的系统校正主要是为了保证图像不产生拉长或压缩的畸变，探测器积分时间与传送带运转速度必须匹配，主要包括以下步骤：

(4-1)选择一个标准物体，如可看作标准圆柱形的一元硬币，确定探测器积分时间后，拍摄传送带不同速度下硬币的X射线图像；

(4-2)计算X射线图中硬币区域外轮廓圆度，圆度越接近1，畸变就越小。

(4-3)不断调整传送带速度，使圆度尽可能接近于1，此时确定下传送带速度，即可拍摄其它图像。

所述步骤(5)中，建立待检测块冻虾厚度下灰度均值与虾含量的关系模型中，所选块冻虾必须出自同一型号的模具(体积、材料相同)，厚度相同，且与待检测样本厚度一致。

所述步骤(6)中，采集已知厚度、虾含量的块冻虾X射线图像，提取块冻虾图像区域最大内接矩形即感兴趣区域(ROI区域)，计算ROI区域灰度均值，以虾含量为自变量，灰度均值为因变量建立此厚度样本下的关系模型。

所属步骤(7)中，被检测样本厚度必须与所建立关系模型相同，若需检测其它厚度下的样本，必须另建立对应厚度下的关系模型，即不同的厚度对应不同的关系模型，不同的模型用于检测不同厚度的样本。

所述步骤(8)中，为了建立可重复使用的数据库，模型建立后需保存模型系数、模型常数以及此模型建立时的X射线成像参数(管电压、管电流、积分时间等)、块冻虾模具型号、对应的块冻虾中虾的种类。

有益效果：

(1)该方法属于现代无损检测技术，检测速率快，对食品无损害，一旦建立起对应厚度下的数学模型，即可检测未知虾含量的块冻虾，可应用于工业化大批量检测；

(2)该方法采用红外触发模式采集图像，属于自动检测，节省了劳动力，提高了生产率，增加了自动化程度；

(3)该方法打破了冷冻食品固形物含量检测传统方法耗时费力、只能用于小规模抽查和检查的局限性；

(4)该方法针对不同厚度的块冻虾均可以建立对应数学判别模型，并可建立大型数据库供重复使用，具有较强的灵活性；

(5)该方法属于X射线成像检测技术，防护装置材料大箱体采用铅板和钢板结合，小箱体采用钢板，并严格计算了射线辐射量，防护严密，保证了设备环境和使用的安全。

(6)该方法具有扩展性，可扩展至块冻虾仁以及其它类似块状冷冻食品的检测，可为类似产品检测提供一个新思路。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明X射线检测装置示意图；

图2为本发明X射线检测方法流程示意图；

图3为本发明中部分数学模型(以30mm、35mm、40mm、45mm厚度为例)；

图4为成像参数选取时灰度直方图(以厚度45mm/虾含量409.7g块冻虾为例)；

图5为线阵探测器与传送带匹配时标准物件(以硬币图像为例，圆度校正)；

图6为块冻虾X射线图像处理步骤。

图1中，1.被检物料；2.传送带；3.防护装置；4.X射线发生器；5.显示器；6.红外触发开关；7.调速电机；8.计算机主机；9.X射线线阵探测器；10.X射线控制器；11.传送带托板

具体实施方式

参见图1，本发明检测装置为一体化检测台，由四个支架支起，共上下两层。图中1.被检物料(块冻虾)、2.传送带、3.防护装置(由中间为大箱体，左右两个小箱体组成)、4.X射线发生器、5.显示器、6.红外触发开关、7.调速电机、8.计算机主机、9.X射线线阵探测器、10.X射线控制器、11.传送带托板。传送带(2)从防护装置(3)中穿过，带动被检物料(1)进入待检区；X射线发生器(4)与X射线探测器(9)处在同一垂直平面内，被检物料(1)从右至左运动，当红外触发开关(6)光路被挡住，即触发计算机内采集卡开始采集图像，并由计算机开始分析图像。其中，防护装置(3)的大箱体内层为防护要求厚度的铅板，外层为钢板，两侧小箱体均为一定厚度的钢板与大箱体钢板连接；传送带(2)厚度约2mm；X射线发生器(4)的管电压范围30kv-80kv，管电流0.3mA-1mA；X射线发生器(4)与被检物料(1)距离高度可调，约60±10cm。

本发明的检测方法主要包括三大步骤，设备参数的确定、模型建立、模型应用。详见图2具体流程。其中关键步骤：

(1)打开设备电源，预热X射线发生器30分钟以上，以保证产生稳定的X射线；

(2)调节X射线控制器，确定最佳的管电压、管电流、积分时间三个成像参数；

(3)选择传送带传动速度，并选用标准物进行成像校正；

(4)采集多个相同厚度、不同虾含量的块冻虾X射线图像；

(5)图像处理，提取块冻虾图像区域最大内接矩形即感兴趣区域(ROI)；

(6)计算ROI区域灰度均值，并建立灰度均值与虾含量的数学模型；

(7)利用数学模型检测此厚度模型下不同块冻虾中虾的含量。

参见图3，本发明具有较大灵活性，根据块冻虾厚度即可建立对应数学模型，所建立的数学模型可保存在数据库，当成像参数、模具型号、虾的种类与模型对应时，可直接调用数据库中的模型，或由计算机自动分析调用对应模型以实现智能化检测。

参见图4，以45mm厚度的块冻虾为例选取管电压、管电流，选取原则是在保证穿透的前提下选择较高对比度图像，即先选取管电压再选取管电流。当样本被X射线穿透时，样本和传送带叠加，图像总灰度应减去背景灰度或使背景灰度(或传送带区域灰度)等于或略小于255(8位图像)，以减小背景灰度带来的误差。本例中，制作块冻虾的模具尺寸(长*宽*高:175*135*45mm)。45mm厚度时，含409.7g虾时，块冻虾中虾含量趋于饱和，故选取45mm/409.7g样本确定成像参数。图4为该块冻虾X射线图像灰度直方图(样本已被穿透)，当管电压35kv时，有两个峰，分别是块冻虾灰度范围、背景灰度范围(或传送带灰度范围)，块冻虾灰度范围最大灰度值小于100，而且背景区域灰度未消除；当管电压40kv，管电流0.3mA和0.6mA时，背景灰度区域均为消除，0.9mA时，背景灰度值约等于255，满足成像要求，故选取管电压40kv、管电流0.9mA。

参见图5，对于高速线阵探测器，其积分时间(曝光时间)必须匹配传送带移动速度，否则图像因被拉长或压缩而畸变。图5中是在一定曝光时间下，传送带速度不同时，标准物硬币(可看作标准圆柱体)的X射线图像及其圆度，当传送带速度由高到低变化，其圆度变化：低-高-低。圆度接近1时，说明图像畸变最小，此时可确定传送带速度。

参见图6，X射线图像为灰度图像，由于设备电子元件影响，会产生噪音，针对本例，结合具体的图像效果选取中值滤波进行去噪。选取块冻虾图像区域最大内接矩形为感兴趣区域(ROI)，以去除边缘效应。虾的密度略大于水的密度，当不同重量的虾均匀分布在冰中，其图像灰度均值不同，所以通过计算ROI区域灰度均值即可建立同一类型块冻虾中虾的含量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测装置，包括X射线发生装置、X射线探测器、图像采集卡、传动装置、射线防护装置、红外触发开关、计算机及显示器、检测台；X射线发生装置包括控制器和发射器，自制传动装置包括调速电机、传送带及托板，射线防护装置为连接的三个箱体结构，中间一个大箱体，大箱体内部顶端处为X射线发射器，其两侧接近底部处各有一个长方形口，两个长方形口处外侧是小箱体，传动装置中的传送带及传送带托板从大箱体两侧长方形口中穿过，X射线线阵探测器位于大箱体内传送带正下方与X射线发射器处于同一垂直线上，红外触发开关位于小箱体外两侧长方形口处并固定于传送带托板上，与采集卡相连；X射线控制器与电机位于防护装置外，电机与传送带相连；X射线控制器与X射线发射器相连；采集卡插在计算机PCI插槽，连接X射线线阵探测器与计算机。

2.根据权利要求1所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测装置，其特征在于，防护装置大箱体内层为防护要求厚度的铅板，外层为钢板，两侧小箱体均为一定厚度的钢板与大箱体钢板连接。

3.根据权利要求1所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测装置，其特征在于，传送带厚度2mm；X射线发生器的管电压范围30kv-80kv，管电流0.3mA-1mA；X射线发生器与被检物料距离高度可调，范围为50-70cm。

4.一种基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法，其特征在于，利用权利要求1或2或3所述的检测装置进行检测，其具体步骤如下：

(1)接通X射线发射器和控制器电源，调整X射线控制器参数，主要包括X射线发射器管电压、管电流，X射线探测器积分时间或曝光时间，通过成像参数的选取固定最佳的射线强度与剂量；

(2)预热X射线发生器30分钟；

(3)接通驱动电机电源，带动传送带，使其稳定的传动；

(4)X射线图像系统的成像校正即针对线阵探测器，即防止图像畸变；

(5)把一系列用于建立数学模型的已知厚度与虾含量的块冻虾放在传送带上，当其被传送至红外触发开关处时，触发采集卡采集其X射线图像，并传送至计算机，采集过程中X射线穿透块冻虾，衰减后由闪烁荧光屏转化为可见光被X射线探测器接收产生图像的模拟信号，然后经过采集卡把模拟信号转化为数字信号；

(6)计算机对用于建模的块冻虾的X射线图像数字信号进行处理，并根据块冻虾厚度、块冻虾中虾的含量与已测得图像灰度均值建立此厚度下数学判别模型；

(7)放置此厚度下新的块冻虾，计算机根据已建立的数学模型开始自动检测块冻虾中虾的含量；

(8)保存此成像参数下所建立的数学模型参数，包括模型系数、常数项、对应厚度以及块冻虾中虾的种类、模具型号、X射线成像参数。

5.根据权利要求4所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法，其特征在于，步骤(1)中，X射线成像参数是根据块冻虾的厚度及块冻虾中的虾含量大小来选取，具体包括如下操作步骤：

(1-1)选取待检测厚度与体积下的块冻虾，虾含量等于待检测体积下的块冻虾所能容纳虾的最大容量，即块冻虾中的虾含量为饱和态，

(1-2)设计成像参数的管电压、管电流梯度，设置X射线探测器积分时间，获取每一个梯度下所选取块冻虾的X射线图像，并计算灰度直方图；

(1-3)调节管电压、管电流梯度，观察每幅图像灰度直方图，管电压决定X射线的穿透能力，管电流决定X射线的光子数，决定图像对比——选取原则为：在保证穿透的前提下，提高图像对比度。

6.根据权利要求4或5所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法，其特征在于，步骤(3)中，电机运转速度可调，以用来匹配X射线探测器积分时间；保证传送带速度在X射线探测器积分时间或曝光时间匹配范围内。

7.根据权利要求4或5所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法，其特征在于，步骤(4)中，对于线阵探测器，X射线图像的系统校正步骤如下：

(4-1)选择硬币作为标准物体，确定探测器积分时间后，拍摄传送带不同速度下硬币的X射线图像；

(4-2)计算X射线图中硬币区域外轮廓圆度，圆度越接近1，畸变就越小，

(4-3)不断调整传送带速度，使圆度尽可能接近于1，此时确定下传送带速度，即可拍摄其它图像。

8.根据权利要求4或5所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法，其特征在于，步骤(5)中，建立待检测块冻虾厚度下灰度均值与虾含量的关系模型中，所选块冻虾必须出自同一型号的模具即体积、材料、厚度相同，且与待检测样本厚度一致。

9.根据权利要求4或5所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法，其特征在于，步骤(6)中，采集已知厚度、虾含量的块冻虾X射线图像，提取块冻虾图像区域最大内接矩形即感兴趣ROI区域，计算ROI区域灰度均值，以虾含量为自变量，灰度均值为因变量建立此厚度样本下的关系模型。

10.根据权利要求4或5所述的基于X射线成像的块冻虾中虾的含量检测方法，其特征在于，步骤(7)中，被检测样本厚度必须与所建立关系模型相同，若需检测其它厚度下的样本，必须另建立对应厚度下的关系模型，即不同的厚度对应不同的关系模型，不同的模型用于检测不同厚度的样本。