CN111261261A - 一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及杂粮米饭加工技术领域，尤其涉及一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法；主要步骤包括配方数据库的建立、原料的筛选、原料的输送、原料的图像采集、原料的数据处理、原料与最佳匹配配方的差值计算和原料补偿装置的启动补偿装置本发明以杂粮和精米为原料按科学比例配合，通过实时监控杂粮米饭在原料配比过程的流水线情况，对比配方数据库，获取与最佳配方差值，及时调配成高营养价值的杂粮米饭；为方便杂粮米饭的深加工及工业化生产提供科学可靠及行之有效的理论参考，对开发保健性方便功能食品具有极其重要的现实意义。

Description

一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法
技术领域
本发明涉及杂粮米饭加工技术领域，尤其涉及一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法。
背景技术
近年来，随着人民生活水平的提高，对日常饮食的营养价值需求日益增加。当前，居民每天摄入的精米精面导致食物营养成分单一，使得高血压、心血管疾病、糖尿病等“富贵病”的发病率上升。而杂粮是兼备食疗功效的优质谷物,富含较高的微量元素、膳食纤维、维生素、蛋白质和氨基酸等多种活性营养成分。利用杂粮与精米复配蒸煮生产方便米饭,相比精米精面，提高了居民日常主食的营养结构,且具有保健作用。但同时杂粮米饭在加工食用过程中也存在着一些问题：杂粮种类较多，生产加工者无法在线、大批量根据杂粮的营养进行科学互补搭配，无法实现杂粮营养价值的最大化吸收。本发明提出一种可以实现杂粮米饭原料配比智能感知与调配的流水线式生产方法，为构建科学合理饮食进行有益探索。
目前市场上作为米饭的杂粮产品种类繁多，形式多样化。专利CN102008050B公开了一种可以快速同熟的八谷杂粮米饭加工方法,其特征在于杂粮饭以糯米、糙米、黑米、大麦、黑豆、红豆、和四季豆为原料,原料经破碎,碾压加工处理制备。该发明以多种杂粮为原料，在经过破碎碾压处理过程中会造成其结构破坏降低产品的营养价值和食用价值。专利CN104000124A公开了一种速熟杂粮米饭伴侣及其加工方法，其特征在于通过预蒸汽熟化和微波熟化相结合的加工方法提供一种速熟杂粮米饭伴侣包括黑豆3-7份、红小豆5-13份、芸豆1-5份、青豆1-5份、黑米4-14份、糙米5-9份、红粳米4-10份、裸大麦5-9份、惹该仁米3-7份、高粱米3-11份、玉米糁5-9份、燕麦米2-6份、荞麦4-12份、大黄米3-11份、小米2-10份、糯米9-13份。该发明虽披露了一种具体的杂粮米饭原料配比，但未能提供一种杂粮米饭各个原料配比的确定方法。若依靠手工方法，降低生产效率，且配比正确率低；若工业化生产，在整个流水线的生产过程中配比关系受多种因素影响，使配比关系发生变化，从而使得杂粮米饭营养质量不同，降低了高质量杂粮米饭的产率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明以杂粮和精米为原料按科学比例配合，通过实时监控杂粮米饭在原料配比过程的流水线情况，对比配方数据库，获取与最佳配方差值，及时调配成高营养价值的杂粮米饭。
为实现上述目的，所采取的技术方案如下：一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法主要分为以下七个步骤：
(1)配方数据库的建立；
根据不同的营养价值将现有的杂粮米饭食谱存入配方数据库；同时提前获取杂粮米饭单一原料的单个质量信息，并进一步将配方数据库中食谱各原料的质量信息转换为数量信息，形成数量配方数据库存入电脑云端处理器中；另外根据配方数据库中的各杂粮米饭原料的大小、形状具体信息，建立单个原料的标准特征库，与数量配方数据库共同生成的一种云数据库；单个原料标准特征库的建立是通过采集各单个原料的图像生成的一种数据库，可在进行图像比较和匹配时作为参照使用；
(2)原料的筛选；
将杂粮米饭原料通过色选机进行原料的筛选，将原料中的杂质以及异形物进行筛选，分别筛选出各原料中颗粒饱满、大小均一的杂粮米饭原料；
(3)原料的输送；
将步骤(2)筛选后的颗粒饱满的杂粮米饭原料倒入进料斗中；进料斗下方设有下料口，下料口设有输送模块，输送模块连接有电控模块；电控模块由计算机控制启动，进而控制下料口的输送模块工作，将杂粮米饭原料从下料口流出；同时，下料口下方设置有斜板，其中斜板与料斗呈现一定角度的夹角，使原料输送方式为单层瀑布形式下落；
(4)原料的图像采集；
通过图像采集装置对下落的物流进行图像采集；所述图像采集装置包括光源、相机；进一步，相机需要在图像采集前用相机附带的SDK调用相机进行标定，调整相机曝光时间和相机深度参数；
(5)原料的数据处理；
对步骤(4)采集的杂粮米饭原料的图像进行预处理和图像的标定，通过计算机图像处理单元相应的算法，计算当前各原料形状特征参数及配比的详细信息，并储存以供查询和分析；
所述图像处理单元的算法是计算机上预先安装、编制好的软件程序，是杂粮米饭原料配比智能感知与调配的关键，主要有两部分组成：图像的预处理和图像的标定；
(6)原料与最佳匹配配方的差值计算；
当所述杂粮米饭图像实时信息被获取，通过图像处理单元获取杂粮米饭原料及配比的详细信息后，进一步与所述食谱配方数据库进行匹配，并自动计算获取的图像中各配方原料与数据库的所有食谱中最佳配方的差值比，将差值比最小的食谱配方定义为当前最佳匹配配方，并记录此最小差值比；
(7)原料补偿装置的启动补偿装置；
最佳匹配配方被选择后，由计算机将差值信息传送至补偿装置；所述补偿装置包括多个进料通道，由若干个分拨板控制开关；每个进料通道均由传送带组成，传送带通过驱动装置驱动运动；根据当前差值比，设定补偿工作的完成时间，分别调整各进料通道的传送带速度，补偿相应原料的差额，以调配成一份与数据库中食谱配方相同比例的杂粮米饭配方；根据时间控制分拨板以及传送带的转动，当各原料差值补偿工作完成，各进料通道分拨板对应关闭，传送带停止，完成所有原料的差值补偿工作。
优选的，步骤(3)所述的夹角大于90°小于180°。
优选的，步骤(4)所述光源为三个卤素灯，所述三个卤素灯安装在传送过程传送带上方处，光源采用3根呈正三角形排布的LED条形光源，并采用低角度照明方式照向物料，使得光线能够覆盖整个图像，从而进一步提高图像采集的准确度。
优选的，步骤(4)所述相机具体标定过程如下：先采用halcon生成标准标定板，再利用相机获取标定板下的图像，最后利用获取的标定板图像，进行相机内外参数标定；设定相机参数曝光时间为10微秒、相机深度为8bit后采集图像。
优选的，步骤(4)所述相机，其特征是灰度图像相机，相机的安装垂直于拍摄的物料，并且将照相机与原料保持一个固定距离，以便清晰拍摄到下落的杂粮米饭的原料信息，并通过光缆将获取的杂粮米饭图像信息传输到计算机上；所述相机分辨率为：1600×1200，帧率为：50FPS，像素大小：4.5μm，1/100000秒的快门速度,并配以50mm焦距的镜头；所述固定距离为40～100cm。
优选的，步骤(4)所述图像采集装置与计算机电性连接，并由计算机进行控制；
优选的，步骤(5)所述图像的预处理采用halcon平台进行算法编写，分别采用加权平均法、OSTU算子、形态学重建和高斯混合模型(Gauss mixture model,GMM)算法根据形状、大小、颜色等形状特征参数分割各个不同灰度特征信息。
优选的，步骤(5)所述图像的标定是通过灰度共生矩阵将被检测目标灰度特征信息和标准特征进行对比，从而在获取图像后可在短时间内得到获取相应的杂粮米饭原料的具体组成成分以及相应的配比信息。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，解决了传统方法生产效率低、配比正确率低的问题；并可以解决目前工业化生产杂粮米饭营养质量不均一、高质量杂粮米饭的产率低的问题。
(2)本发明流水线的杂粮米饭颜色分配合理，粒形完整，颜色均匀，杂粮味适中，方便快捷，最终可以实现杂粮米饭的配比在线智能感知与调配；为方便杂粮米饭的深加工及工业化生产提供科学可靠及行之有效的理论参考，对开发保健性方便功能食品具有极其重要的现实意义。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1
本发明涉及一种可以实现杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，首先本发明提供一种粳米、血糯米和高粱米三种原料的配比感知与调控方法，如下：
1)配方数据库的建立，根据现有的食谱数据库，原料配方数据库包括一种粳米：血糯米：高粱米的最佳配比为7:2:1；
2)原料的筛选：杂粮米饭的筛选分别精选优质粳米、血糯米和高粱米去除原料中碎石、土块、异种粒、虫蚀粒、不完善粒、破损粒和斑病粒，获得筛选后的颗粒饱满的三种原料；
3)原料的输送：将筛选后的粳米、血糯米和高粱米按照70％粳米+20％血糯米+10％高粱米混合后加入到输送料斗中，按照计算机设定的输送程序控制三种原料的输送；
4)原料的图像采集：图像采集通过图像采集装置实现；所述图像采集装置包括光源、相机；相机是灰度图像相机，相机的安装垂直于拍摄的物料，并且将照相机与原料保持60cm，以便清晰拍摄到下落的杂粮米饭的原料信息，并通过光缆将获取的杂粮米饭图像信息传输到计算机上；
在图像被获取前，首先用SDK调用相机进行标定，具体相机标定过程如下：先采用halcon生成标准标定板，再利用相机获取标定板下的图像，最后利用获取的标定板图像，进行相机内外参数标定；设定相机参数曝光时间为10微秒、相机深度为8bit后采集图像；
将筛选后的颗粒饱满的杂粮米饭原料以单层瀑布下落，所述光源和相机由计算机启动，通过光源和相机，连续获取粳米、血糯米和高粱米的图片信息；
5)原料图像的处理：将获取的图像信息通过计算机图像处理单元根据三种原料的大小、形状、颜色进行分割；首先，通过加权平均法，将彩色图像转换为灰度图像，同时结合中值滤波的方法，降低图像中的噪声，获取更加准确的灰度值；接着采用OSTU算法，即最大类间方差法将图像中的粳米、血糯米、高粱米与背景分割出来；再通过形态学重建和高斯混合模型(Gauss mixture model,GMM)的分割算法将三种原料分割，此算法可减少过分割和欠分割现象，同时提高重叠颗粒原料图像分割的准确率，最终可将杂粮颗粒原料一一分割成功；最后根据相应的分割后的灰度值与标准特征库中的灰度值进行模板匹配，最终可获得所拍摄图像中粳米、血糯米和高粱米的比例为6:1.5:1；
6)原料的配比差值计算：得到计算机获取的粳米、血糯米和高粱米的组成及配比的详细信息后，调取配方数据库中的粳米、血糯米和高粱米的配比信息7:2:1进行比对，计算图像中的粳米、血糯米和高粱米的组成及配比与配方数据库中的粳米、血糯米和高粱米的差值比例为1:0.5:0，根据图像面积，获取需要补充粳米和血糯米的具体份数；
7)原料最佳配比的补偿：最佳匹配配方被选择后，由计算机将差值信息传送至补偿装置；所述补偿装置包括多个进料通道，由若干个分拨板控制开关；每个进料通道均由传送带组成，传送带通过驱动装置驱动运动；根据当前差值比，设定补偿工作的完成时间，分别调整各进料通道的传送带速度，补偿相应原料的差额；
根据粳米、血糯米和高粱米的差值信息，结合需要设定的补偿工作完成时间，计算补偿通道的传送带速度；在一定速度条件下，原料每秒输出的量是可预知且可控的；从而设定计算机操作程序，设定在0.5s完成补偿工作；控制粳米和血糯米的分拨板启动，传送带开始工作，按照不同的速度在0.5s同时完成血糯米和高粱米的补偿流程以调配成一份与系统中原有食谱配方数据库中相同的杂粮米饭配方。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)配方数据库的建立；
根据不同的营养价值将现有的杂粮米饭食谱存入配方数据库；同时提前获取杂粮米饭单一原料的单个质量信息，并进一步将配方数据库中食谱各原料的质量信息转换为数量信息，形成数量配方数据库存入电脑云端处理器中；并根据配方数据库中的各杂粮米饭原料的大小、形状具体信息，建立单个原料的标准特征库，与数量配方数据库共同生成的一种云数据库；单个原料标准特征库的建立是通过采集各单个原料的图像生成的一种数据库，在进行图像比较和匹配时作为参照使用；
(2)原料的筛选；
将杂粮米饭原料通过色选机进行原料的筛选，将原料中的杂质以及异形物进行筛选，分别筛选出各原料中颗粒饱满、大小均一的杂粮米饭原料；
(3)原料的输送；
将步骤(2)筛选后的颗粒饱满的杂粮米饭原料倒入进料斗中；进料斗下方设有下料口，下料口设有输送模块，输送模块连接有电控模块；电控模块由计算机控制启动，进而控制下料口的输送模块工作，将杂粮米饭原料从下料口流出；同时，下料口下方设置有斜板，其中斜板与料斗呈现一定角度的夹角，使原料输送方式为单层瀑布形式下落；
(4)原料的图像采集；
通过图像采集装置对下落的物流进行图像采集；所述图像采集装置包括光源、相机；进一步，相机需要在图像采集前用相机附带的SDK调用相机进行标定，调整相机曝光时间和相机深度参数；
(5)原料的数据处理；
对步骤(4)采集的杂粮米饭原料的图像进行预处理和图像的标定，通过计算机图像处理单元相应的算法，计算当前各原料形状特征参数及配比的详细信息，并储存以供查询和分析；
所述图像处理单元的算法是计算机上预先安装、编制好的软件程序，是杂粮米饭原料配比智能感知与调配的关键，主要有两部分组成：图像的预处理和图像的标定；
(6)原料与最佳匹配配方的差值计算；
当所述杂粮米饭图像实时信息被获取，通过图像处理单元获取杂粮米饭原料及配比的详细信息后，进一步与所述食谱配方数据库中的食谱进行匹配，并自动计算获取的图像中各配方原料与数据库所有食谱中最佳配方的差值比，将比对后差值比最小的食谱配方定义为当前最佳匹配配方，并记录此最小差值比；
(7)原料补偿装置的启动补偿装置；
最佳匹配配方被选择后，由计算机将差值信息传送至补偿装置；所述补偿装置包括多个进料通道，由若干个分拨板控制开关；每个进料通道均由传送带组成，传送带通过驱动装置驱动运动；根据当前差值比，设定补偿工作的完成时间，分别调整各进料通道的传送带速度，补偿相应原料的差额，以调配成一份与数据库中食谱配方相同比例的杂粮米饭配方；根据时间控制分拨板以及传送带的转动，当各原料差值补偿工作完成，各进料通道分拨板对应关闭，传送带停止，完成所有原料的差值补偿工作。
2.根据权利要求1所述的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，步骤(3)所述的夹角大于90°小于180°。
3.根据权利要求1所述的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，步骤(4)所述光源为三个卤素灯；所述三个卤素灯安装在传送过程传送带上方处，光源采用3根呈正三角形排布的LED条形光源，并采用低角度照明方式照向物料，使得光线能够覆盖整个图像，从而进一步提高图像采集的准确度。
4.根据权利要求1所述的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，步骤(4)所述相机具体标定过程如下：先采用halcon生成标准标定板，再利用相机获取标定板下的图像，最后利用获取的标定板图像，进行相机内外参数标定；设定相机参数曝光时间为10微秒、相机深度为8bit后采集图像。
5.根据权利要求1所述的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，步骤(4)所述相机是灰度图像相机，相机的安装垂直于拍摄的物料，并且将照相机与原料保持一个固定距离，以便清晰拍摄到下落的杂粮米饭的原料信息，并通过光缆将获取的杂粮米饭图像信息传输到计算机上；所述相机分辨率为：1600×1200，帧率为：50FPS，像素大小：4.5μm，1/100000秒的快门速度，并配以50mm焦距的镜头；所述固定距离为40～100cm。
6.根据权利要求1所述的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，步骤(4)所述图像采集装置与计算机电性连接，并由计算机进行控制。
7.根据权利要求1所述的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，步骤(5)所述图像的预处理采用halcon平台进行算法编写，分别采用加权平均法、OSTU算子、形态学重建和高斯混合模型算法根据形状、大小、颜色等形状特征参数分割各个不同灰度特征信息。
8.根据权利要求1所述的一种杂粮米饭原料配比的在线智能感知与调配方法，其特征在于，步骤(5)所述图像的标定是通过灰度共生矩阵将被检测目标灰度特征信息和标准特征进行对比，从而在获取图像后可在短时间内得到获取相应的杂粮米饭原料的具体组成成分以及相应的配比信息。
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