ES2741073A1 - On-site detection of adulterations in food by infrared thermography and intelligent algorithms (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2741073A1
ES2741073A1 ES201900095A ES201900095A ES2741073A1 ES 2741073 A1 ES2741073 A1 ES 2741073A1 ES 201900095 A ES201900095 A ES 201900095A ES 201900095 A ES201900095 A ES 201900095A ES 2741073 A1 ES2741073 A1 ES 2741073A1
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Velasco José Santiago Torrecillas
Herrera Manuel Izquierdo
Mejias Miguel Lastras
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Universidad Complutense de Madrid
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract

In situ detection of adulterations in food by infrared thermography and intelligent algorithms. The method of in situ detection of adulterations consists of an analysis with a thermal imager where thermographic images of pure and adulterated mixtures are obtained. The images are subsequently analyzed using mathematical models based on artificial intelligence allowing the identification of specific differences in temperature maps. Convolutional neural networks are used that are trained and optimized to distinguish qualitatively and quantitatively pure and adulterated samples with 95% medium accuracy in the case of honey and close to 100% in the case of extra virgin olive oil. This method is an analytical alternative in product quality controls and exposure to food fraud, being an innovative technique for public safety and an effective tool for the detection of hazardous compounds. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Detección in situ de adulteraciones en alimentos por termografía infrarroja y algoritmos inteligentes.On-site detection of adulterations in food by infrared thermography and intelligent algorithms.

Sector de la técnicaTechnical sector

La presente invención se encuadra en el campo de control de calidad alimentaria. De forma más concreta, se refiere a un método de detección de adulteración en alimentos. El método combina la termografía infrarroja y el tratamiento de imágenes por medio de algoritmos inteligentes resultando un método sencillo, rápido y sensible.The present invention falls within the field of food quality control. More specifically, it refers to a method of detecting adulteration in food. The method combines infrared thermography and image processing by means of intelligent algorithms resulting in a simple, fast and sensitive method.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

La adulteración es un método de fraude alimenticio que provoca un fuerte impacto en la sociedad tanto en el ámbito económico como social suponiendo, además, una amenaza para la salud pública. Ante esta situación, se han venido desarrollando diferentes métodos de detección de adulteración en alimentos.Adulteration is a method of food fraud that causes a strong impact on society both in the economic and social spheres, also assuming a threat to public health. Given this situation, different methods of detecting adulteration in food have been developed.

Ejemplos de alimentos comúnmente adulterados son la miel (adulterada con siropes, azúcar de caña o maíz), el aceite de oliva virgen extra (adulterado con aceites de peor calidad o, incluso, aceites caducados) y la leche (adulterada con agua o mezcla con sueros procedentes del sector lácteo). Para detectar tales adulteraciones se han aplicado diferentes técnicas analíticas de autenticación como RMN o HPLC (Cao et al.Detection of honey adulteration with starch syrup by high performance liquid chromatography. Food Chemistry, 172 (2014), 669-674; Ribeiro et al.Detection of honey adulteration of high fruteóse corn syrup by Low Field Nuclear Magnetic Resonance (LF1H NMR). Journal of Food Engineering, 135 (2014), (39-43), o espectroscopia en el rango visible, infrarrojo cercano (Ma et al., Qualitative and quantitative detection of honey adulterated with high-fructose corn syrup and maltose syrup by using nearinfrared spectroscopy. Food Chemistry, 218 (2016), 231-236), infrarrojos combinados con quimiometría (Ferreiro-González et al. Rapid quantification of honey adulteration by visible-near infrared spectroscopy combined with chemometrics. Talanta, 188 (2018), (288-292) o Raman (Oroian, Ropciuc, & Paduret, Floney. Adulteration Detection Using Raman Spectroscopy. Food Analytical Methods, 11 (4) (2018), (959-968), entre otras. Todas ellas, sin embargo, presentan limitaciones debido a la similitud de las composiciones químicas de los alimentos adulterados y los adulterantes por lo que sigue existiendo la necesidad de nuevos métodos de detección in situ de adulteraciones mediante equipos transportables, rápidos y sensibles, con capacidad de detección con el mayor grado de fiabilidad, seguridad y rapidez.Examples of commonly adulterated foods are honey (adulterated with syrups, cane sugar or corn), extra virgin olive oil (adulterated with worse quality oils or even expired oils) and milk (adulterated with water or mixed with sera from the dairy sector). To detect such adulterations, different authentication analytical techniques such as NMR or HPLC have been applied (Cao et al. Detection of honey adulteration with starch syrup by high performance liquid chromatography. Food Chemistry, 172 ( 2014 ), 669-674; Ribeiro et al. Detection of honey adulteration of high fruited corn syrup by Low Field Nuclear Magnetic Resonance (LF1H NMR), Journal of Food Engineering, 135 ( 2014 ), (39-43), or spectroscopy in the visible range, near infrared (Ma et al. , Qualitative and quantitative detection of honey adulterated with high-fructose corn syrup and maltose syrup by using nearinfrared spectroscopy. Food Chemistry, 218 ( 2016 ), 231-236), infrared combined with chemometrics (Ferreiro-González et al. Rapid quantification of honey adulteration by visible-near infrared spectroscopy combined with chemometrics. Talanta, 188 ( 2018 ), (288-292) or Raman (Oroian, Ropciuc, & Paduret, Floney. Adulteration Detection Using Raman Spectroscopy. Foo d Analytical Methods, 11 (4) ( 2018) , (959-968), among others. All of them, however, have limitations due to the similarity of the chemical compositions of adulterated food and adulterants, so there is still a need for new methods of detecting adulteration in situ by means of transportable, fast and sensitive equipment, capable of detection with the highest degree of reliability, safety and speed.

Para dar otra solución alternativa a este problema, el método de detección de la presente invención se basa en las propiedades térmicas de los alimentos detectando variaciones a través de una cámara termográfica. La tecnología de la cámara termográfica ha sido ya aplicada a distintos procesos en la industria alimentaria como el control de temperatura del producto, nivel de llenado de botes, detección de fragmentos sólidos, sellado de envases o como método de control de frutas en el sector agrario. Sin embargo, no se ha utilizado para determinar la diferente composición química de varias muestras del mismo tipo de alimento para poder detectar adulteraciones con un alto grado de fiabilidad y de forma rápida y sencilla.To give another alternative solution to this problem, the detection method of the present invention is based on the thermal properties of food by detecting variations through a thermal imager. The technology of the thermal imager has already been applied to different processes in the food industry such as product temperature control, boat filling level, solid fragment detection, packaging sealing or as a fruit control method in the agricultural sector . However, it has not been used to determine the different chemical composition of several samples of the same type of food in order to detect adulterations with a high degree of reliability and quickly and easily.

Explicación de la invenciónExplanation of the invention.

La presente invención se refiere a un método de detección in situ de adulteraciones de alimentos por termografía infrarroja empleando una cámara termográfica como recurso principal y, posteriormente, complementando el análisis de resultados con el entrenamiento y modelaje de algoritmos no lineales mediante modelos matemáticos centrados en redes neuronales convolucionales como sistema para identificación y cuantificación de adulteraciones.The present invention relates to a method of in situ detection of adulteration of food by infrared thermography using a thermal imager as the main resource and, subsequently, complementing the analysis of results with the training and modeling of non-linear algorithms by means of mathematical models centered on networks convolutional neurons as a system for identification and quantification of adulterations.

La cámara termográfica es capaz de determinar la radiación infrarroja emitida por la muestra y que es característica de su propia composición química; a partir de estas emisiones de infrarrojos de las muestras, se forman imágenes que son analizadas y comparadas mediante algoritmos inteligentes capaces de detectar variaciones en tales imágenes y, por tanto, en las muestras de las que proceden.The thermal imager is able to determine the infrared radiation emitted by the sample and which is characteristic of its own chemical composition; From these infrared emissions of the samples, images are formed that are analyzed and compared by intelligent algorithms capable of detecting variations in such images and, therefore, in the samples from which they originate.

El método comprende varias etapas. Inicialmente, las muestras objeto de estudio son calentadas a una temperatura hasta un 60 % superior a la temperatura ambiente, para posteriormente captar las imágenes termográficas de las muestras durante su proceso de enfriamiento. Con estas imágenes se genera una base de datos compuestas por las termografías de muestras adulteradas y sin adulterar. Para su análisis y clasificación se diseña una red neuronal convolucional que se entrena utilizando la base de datos para muestras adulteradas y sin adulterar antes mencionada. Se plantean modelos matemáticos que se validan y testan para cada uno de los alimentos probados. Una vez probadas y validadas los modelos matemáticos, se utilizan para analizar imágenes de muestras sospechosas de adulteración consiguiendo precisiones mayores del 95% tanto en la detección como en la cuantificación de la concentración de adulterantes presentes en la muestra.The method comprises several stages. Initially, the samples under study are heated to a temperature up to 60% higher than room temperature, to subsequently capture the thermographic images of the samples during their cooling process. With these images a database composed of thermographs of adulterated and unadulterated samples is generated. For its analysis and classification, a convolutional neural network is designed that is trained using the database for adulterated and unadulterated samples mentioned above. Mathematical models are proposed that are validated and tested for each of the foods tested. Once the mathematical models have been tested and validated, they are used to analyze images of samples suspected of adulteration, obtaining accuracy greater than 95% in both the detection and quantification of the concentration of adulterants present in the sample.

La emisión de la muestra no requiere utilizar una radiación incidente sobre la misma ya que la muestra emite una radiación característica de su composición por el mero hecho de estar a una temperatura superior a los -273,15 °C, lo cual permite mantener la integridad de la muestra sin alterarse la estabilidad de la misma. Por todo ello, la detección es rápida, sencilla y segura. The emission of the sample does not require the use of an incident radiation on it, since the sample emits a characteristic radiation of its composition by the mere fact of being at a temperature higher than -273.15 ° C, which allows maintaining the integrity of the sample without altering its stability. Therefore, the detection is fast, simple and safe.

La cámara utiliza sensores infrarrojos para la detección de emisiones infrarrojas de onda larga emitidas en el espectro electromagnético. Estas emisiones se relacionan con la temperatura de la superficie de la muestra medida. El resultado de la medición es un mapa escalado por colores en función de la temperatura (Figura 4), representando de forma visible la distribución de temperaturas de la superficie. La cámara termográfica permite configurar este mapa de colores en función de su disponibilidad para distinguir las mayores diferencias visuales de temperatura. Como parámetro fundamental para el control de las condiciones de análisis, el equipo dispone de un sensor de temperatura interno encargado de la medida de la temperatura ambiente.The camera uses infrared sensors to detect long-wave infrared emissions emitted in the electromagnetic spectrum. These emissions are related to the surface temperature of the measured sample. The result of the measurement is a color-scaled map as a function of temperature (Figure 4), visibly representing the surface temperature distribution. The thermal imager allows you to configure this color map based on its availability to distinguish the greatest visual differences in temperature. As a fundamental parameter for the control of the analysis conditions, the equipment has an internal temperature sensor responsible for measuring the ambient temperature.

La temperatura ambiental del laboratorio donde se realizan las medidas se mantiene entre 25°C - 25,8 °C. Las muestras calentadas se introducen en un recinto parcialmente adiabático con una apertura frontal que permite que la radiación que emite la muestra sea captada directamente por la cámara termografica (Figura 1). Para ello, la muestra se coloca a un distancia fija de la cámara y se toman videos para analizar el periodo de decremento de temperatura. Después, se separan y analizan las imágenes, para, posteriormente incluirlas en una base de datos para el diseño de los algoritmos inteligentes.The environmental temperature of the laboratory where the measurements are made is maintained between 25 ° C - 25.8 ° C. The heated samples are introduced into a partially adiabatic enclosure with a front opening that allows the radiation emitted by the sample to be captured directly by the thermographic camera (Figure 1). For this, the sample is placed at a fixed distance from the camera and videos are taken to analyze the period of temperature decrease. Then, the images are separated and analyzed, to later include them in a database for the design of intelligent algorithms.

Los algoritmos inteligentes tratan la información que suministra la cámara termográfica. En concreto, el modelo matemático utilizado en la presente invención utiliza redes neuronales convolucionales (CNN) que consisten en algoritmos supervisados basado en la extracción de características de imágenes. Esta utilidad se ha empleado en esta invención para la clasificación de muestras de alimentos y detección de adulterantes si los hubiera. La función de las CNNs se basa en cuatro pilares: conexiones locales, pesos compartidos, agolpamiento y empleo de grupos de capas. Los pesos compartidos y las conexiones locales relacionan cada pixel del mapa de características con una neurona reduciendo así el tamaño de cálculo y el overfitting. La combinación de las capas convolucionales con las agrupaciones permite extraer el conjunto de todas las características desde los niveles inferiores a superiores, estos últimos resultando de las combinaciones de las capas anteriores.Smart algorithms process the information provided by the thermal imager. Specifically, the mathematical model used in the present invention uses convolutional neural networks (CNN) consisting of supervised algorithms based on the extraction of image characteristics. This utility has been used in this invention for the classification of food samples and detection of adulterants if any. The function of CNNs is based on four pillars: local connections, shared weights, crushing and use of layer groups. Shared weights and local connections relate each pixel of the feature map to a neuron thus reducing calculation size and overfitting. The combination of the convolutional layers with the groupings allows to extract the set of all the characteristics from the lower to higher levels, the latter resulting from the combinations of the previous layers.

Existen tres grupos de capas diferentes: convolucionales, pooling y fully connected layers. Las dos capas iniciales conforman una herramienta útil para la extracción de características mientras que la capa fully connected es responsable del mapeo de las características extraídas previamente.There are three different layer groups: convolutional, pooling and fully connected layers. The initial two layers form a useful tool for feature extraction while the fully connected layer is responsible for mapping previously extracted features.

En la Figura 2 se muestra un esquema de capas que conforman el modelo CNN general junto a los filtros característicos en las etapas de pooling o convolución.Figure 2 shows a scheme of layers that make up the general CNN model together with the characteristic filters in the pooling or convolution stages.

La capa de convolución es una operación lineal entre la matriz que conforma las imágenes (bidimensionales) y una matriz (llamada filtro de kernel) extractora de características optimizables. Esta operación consiste en la multiplicación de los valores de cada posición de la matriz de entrada frente al filtro de kernel y da como resultado los mapas característicos para cada una de las imágenes.The convolution layer is a linear operation between the matrix that makes up the (two-dimensional) images and a matrix (called a kernel filter) extractor with optimizable characteristics. This operation consists in the multiplication of the values of each position of the input matrix against the kernel filter and results in the characteristic maps for each of the images.

En las redes convolucionales, los parámetros más importantes son: el tamaño y número de filtros (señala la cantidad de neuronas convolucionales que se asocian a la misma región de entrada), el padding (esencial para mantener las dimensiones de las imágenes de entrada, permitiendo la incorporación de más números de capas favoreciendo así un análisis más exhaustivo de las características), el stride (distancia entre dos posiciones del filtro en la convolución). Es de destacar que el resultado de la convolución precisa de la aplicación de una función de activación no lineal. El objetivo de la activación es obtener una representación dispersa favoreciendo la estabilidad de los datos ante cambios y optimizando el trabajo computacional. Previamente a cada activación se aplica una capa de normalización para acelerar la función de aprendizaje de la red y limitar su influencia en las etapas iniciales reduciendo, con todo ello, el riesgo de overfitting (aprendizaje de la información irrelevante de las imágenes).In convolutional networks, the most important parameters are: the size and number of filters (indicates the number of convolutional neurons that are associated with the same input region), padding (essential to maintain the dimensions of the input images, allowing the incorporation of more numbers of layers thus favoring a more exhaustive analysis of the characteristics), the stride (distance between two filter positions in the convolution). It is noteworthy that the result of the convolution requires the application of a non-linear activation function. The objective of the activation is to obtain a dispersed representation favoring the stability of the data in the face of changes and optimizing the computational work. Prior to each activation, a normalization layer is applied to accelerate the learning function of the network and limit its influence in the initial stages, thereby reducing the risk of overfitting (learning the irrelevant information of the images).

Las capas convolucionales trabajan complementadas con las capas de pooling como un extractor de características en función de los píxeles de las imágenes.The convolutional layers work complemented with the pooling layers as a feature extractor based on the pixels of the images.

En la capa de pooling se consigue la reducción de las dimensiones de la imagen de la entrada (downsampling), lo cual favorece la pérdida de información no relevante evitando la sobrecarga de trabajo en las redes y el sobreajuste en las clasificaciones. El resultado de esta etapa es la obtención de un vector unidimensional.In the pooling layer the reduction of the dimensions of the input image (downsampling) is achieved, which favors the loss of non-relevant information avoiding overload of work in the networks and over-adjustment in the classifications. The result of this stage is to obtain a one-dimensional vector.

Al final del conjunto de capas convolución-poolilng se inclute la capa fully connected, responsable de la interpretación y correlación de las características detectadas en la imagen. En la capa fully connected cada vector unidimensional se asocia a una capa donde cada neurona se corresponde a una clase en las que se puede clasificar la imagen. Por tanto, esta capa tiene como salida el número de clases a las que se ajusta el modelo. La relación de clasecaracterísticas específicas en cada imagen se identifica y ajusta a la probabilidad correspondiente a cada entrada. Para ello, es necesario el uso de una función de probabilidades que se introduce a continuación.At the end of the set of convolution-poolilng layers the fully connected layer is included, responsible for the interpretation and correlation of the characteristics detected in the image. In the fully connected layer each one-dimensional vector is associated with a layer where each neuron corresponds to a class in which the image can be classified. Therefore, this layer has as its output the number of classes to which the model fits. The relationship of specific characteristics in each image is identified and adjusted to the probability corresponding to each input. For this, it is necessary to use a probability function that is introduced below.

La función de error participa en la determinación de los parámetros de aprendizaje en función del acercamiento entre la clase calculada y la etiqueta correspondiente a la imagen de entrada. Se aplica en la determinación de los kernels y los pesos de las capas establecidas. La función típica de error combina la función softmax (que normaliza los valores obtenidos en la capa fully conntected para el cálculo de probabilidades de cada clase) y la pérdida cruzada. La función de error se optimiza mediante el método de gradiente descendente, que actualiza los parámetros anteriores en función del coeficiente de aprendizaje en dirección inversa al gradiente de error. The error function participates in the determination of the learning parameters based on the approach between the calculated class and the label corresponding to the input image. It is applied in the determination of the kernels and the weights of the established layers. The typical error function combines the softmax function (which normalizes the values obtained in the fully conntected layer for the calculation of probabilities of each class) and the cross loss. The error function is optimized by the descending gradient method, which updates the previous parameters based on the learning coefficient in the reverse direction of the error gradient.

El coeficiente de aprendizaje es uno de los parámetros más importante en la inicialización de la optimización del modelo.The learning coefficient is one of the most important parameters in the initialization of the optimization of the model.

El conjunto de imágenes utilizadas como base de datos necesita dividirse en tres grupos según la fase del modelo: imágenes de entrenamiento, validación y test. La selección de las imágenes que componen cada uno de estos conjuntos se realiza de forma aleatoria. El grupo de entrenamiento se emplea en el cálculo de los errores y optimización de los parámetros de aprendizaje. El conjunto de validación se utiliza para la verificación de los parámetros característicos del modelo y la elección del modelo final. Finalmente, el conjunto de test certifica la precisión final del modelo propuesto. Para construir un modelo que evite el overfitting se necesita que las imágenes de los dos primeros conjuntos estén completamente separadas del grupo de test. Por otra parte, ninguna de las imágenes figura en más de uno de los tres conjuntos.The set of images used as a database needs to be divided into three groups according to the model phase: training, validation and test images. The selection of the images that make up each of these sets is done randomly. The training group is used in the calculation of errors and optimization of learning parameters. The validation set is used for the verification of the characteristic parameters of the model and the choice of the final model. Finally, the test set certifies the final accuracy of the proposed model. To build a model that avoids overfitting, it is necessary that the images of the first two sets are completely separated from the test group. On the other hand, none of the images appear in more than one of the three sets.

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

Para complementar la descripción de la invención se muestran figuras en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description of the invention, figures are shown where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

Figura 1. Esquema del sistema de adquisición de imágenes conformado por un recinto parcialmente adiabático (2) donde se aloja la cubeta con la muestra (1) que emite en el rango infrarrojo (3) separada una distancia (4) de la cámara termográfica (5) y ordenador con software termográfico (6). Figure 1. Scheme of the image acquisition system formed by a partially adiabatic enclosure (2) where the cuvette is housed with the sample (1) that emits in the infrared range (3) separated a distance (4) from the thermal imager ( 5) and computer with thermographic software (6).

Figura 2. Esquema de bloques que conforman la red neuronal. Figure 2. Diagram of blocks that make up the neural network.

Figura 3. Esquema del modelo de CNN implementado para imágenes termográficas donde se muestran capas convolucionales con ReLU (7), capas de pooling (8), capas fully connected con softmax (9) y posibles salidas (10). Figure 3. Scheme of the CNN model implemented for thermographic images showing convolutional layers with ReLU (7), pooling layers (8), fully connected layers with softmax (9) and possible outputs (10).

Figura 4. Imagen ejemplo de una muestra de miel y la paleta de colores usada en la distribución de temperaturas de imágenes termográficas, señalizando en rojo la muestra estudiada. Figure 4. Example image of a sample of honey and the color palette used in the temperature distribution of thermographic images, indicating in red the sample studied.

Figura 5. Comparativa de imágenes erróneas en el análisis cualitativo de la miel adulterada: (a) miel de acacia Pajuelo pura y (b) misma miel adulterada en un 1%. Figure 5. Comparison of erroneous images in the qualitative analysis of adulterated honey: (a) Acacia honey Pure straw and (b) same honey adulterated by 1%.

Figura 6. Comparativa de muestras de mieles adulteradas frente a muestras de miel pura: (a) miel de limón pura (a1) frente a miel de limón adulterada al 8% (a2); (b) miel de acacia luna de miel (b1) frente a la misma miel adulterada al 2% (b2) y 8% (b3); (c) miel de acacia Pajuelo pura (c1) frente a misma miel adulterada en un 8% (c2). Figure 6. Comparison of adulterated honey samples versus pure honey samples: (a) pure lemon honey (a1) versus 8% adulterated lemon honey (a2); (b) acacia honey, honeymoon (b1) against the same adulterated honey at 2% (b2) and 8% (b3); (c) Acacia honey Pure straw (c1) against same honey adulterated by 8% (c2).

Figura 7. Comparativa de imágenes erróneas en la clasificación cuantitativa del modelo acacia Pajuelo: (a) miel de acacia Pajuelo pura y (b) misma miel adulterada en un 1%. Figure 7. Comparison of erroneous images in the quantitative classification of the Acacia Pajuelo model: (a) Acacia honey Pure straw and (b) same honey adulterated by 1%.

Figura 8. Comparativa de imágenes erróneamente clasificadas en el modelo combinado de limón y acacia Pajuelo: (a) miel de limón pura, (b) muestra A de miel de limón adulterada al 1% con sirope de arroz y (c) muestra B de miel de limón adulterada al 1% con sirope de arroz. Figure 8. Comparison of misclassified images in the combined lemon and acacia Pajuelo model: (a) pure lemon honey, (b) sample A of 1% adulterated lemon honey with rice syrup and (c) sample B of 1% adulterated lemon honey with rice syrup.

Figura 9. Comparativa de muestras de aceite de oliva virgen extra (AOVE) puras y muestras adulteradas: (a) AVOE Picual puro; (b) adulterado con aceite de girasol al 2% (b1) y al 8% (b2); (c) adulterado con aceite refinado al 2% (c1) y al 8% (c2); (d) adulterado con aceite de orujo al 2% (d1) y al 8% (d2) Figure 9. Comparison of samples of pure extra virgin olive oil (EVOO) and adulterated samples: (a) AVOE Picual pure; (b) adulterated with 2% sunflower oil (b1) and 8% (b2); (c) adulterated with 2% refined oil (c1) and 8% (c2); (d) adulterated with 2% pomace oil (d1) and 8% (d2)

Figura 10. Precisión de los modelos para estudios cualitativos (área color amarillo) y cuantitativos (color verde) de detección de adulteraciones en aceites de oliva virgen extra. Figure 10. Accuracy of the models for qualitative studies (yellow area) and quantitative studies (green color) for detecting adulterations in extra virgin olive oils.

Realización preferente de la invenciónPreferred Embodiment of the Invention

La presente invención se ilustra mediante los siguientes ejemplos los cuales no pretenden ser limitativos de su alcance.The present invention is illustrated by the following examples which are not intended to limit its scope.

Ejemplo 1.Example 1.

Este ejemplo se refiere a la preparación de muestras de alimentos adulterados y sin adulterar para su posterior análisis. En concreto, este ejemplo se refiere a miel.This example refers to the preparation of adulterated and unadulterated food samples for later analysis. Specifically, this example refers to honey.

Se emplean tres marcas diferentes para dos mieles monoflorales. En la tabla 1 se presentan sus detalles comerciales y el sirope de arroz empleado como adulterante de las mieles.Three different brands are used for two monofloral honeys. Table 1 shows its commercial details and the rice syrup used as adulterant of honey.

Se preparan un total de 56 muestras adulteradas en un rango desde el 1% al 8% en peso. De estas muestras, 8 corresponden a muestras puras de miel (acacia y limón), 16 a muestras adulteradas en un 1 % en peso, otras 16 a muestras adulteradas en un 4 % y 16 a muestras adulteradas en un 8%, divididas entre las 4 marcas de miel (variedades monoflorales de acacia y limón, Tabla 1).A total of 56 adulterated samples are prepared in a range from 1% to 8% by weight. Of these samples, 8 correspond to pure honey samples (acacia and lemon), 16 to adulterated samples by 1% by weight, another 16 to adulterated samples by 4% and 16 to adulterated samples by 8%, divided by 4 brands of honey (monofloral varieties of acacia and lemon, Table 1).

Tabla 1. Mieles y adulterante utilizados Table 1. Honeys and adulterant used

MARCA COMERCIAL VARIEDAD ORIGEN FECHA CADUCIDADTRADEMARK VARIETY ORIGIN DATE EXPIRY

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Ejemplo 2.Example 2

Este ejemplo se refiere al equipo empleado (Figura 1) y el método de análisis para obtener datos termográficos de las muestras analizadas.This example refers to the equipment used (Figure 1) and the method of analysis to obtain thermographic data of the analyzed samples.

Se utiliza una cámara termográfica OPTRIS Pl 450 con una precisión de ±2°C y un frame rate de 80Hz. Su resolución óptica se recoge en las dimensiones de 382x288 pixel con un rango espectral de 7,5 -14 pm.An OPTRIS Pl 450 thermal imager is used with an accuracy of ± 2 ° C and a frame rate of 80Hz. Its optical resolution is collected in the dimensions of 382x288 pixels with a spectral range of 7.5-14 pm.

La distancia entre la cámara termográfica y la muestra a analizar se mantiene en 25 cm. El coeficiente de emisividad de la miel utilizada se ha ajustado a 1. El resultado de la medida son videos de 15 minutos donde se analiza el periodo de decremento de temperatura (de 40 a 36°C) que corresponde, aproximadamente, a tiempos de 3-5 minutos de los que se extraen imágenes cada 15 centésimas de segundo. Después de analizar cada imagen, todas son incluidas en la base de datos para el diseño de los algoritmos inteligentes, lo que completa una base de datos de, aproximadamente, 80.000 imágenes.The distance between the thermal imager and the sample to be analyzed is kept at 25 cm. The emissivity coefficient of the honey used has been adjusted to 1. The result of the measurement is 15-minute videos where the period of temperature decrease (from 40 to 36 ° C) that corresponds, approximately, to times of 3 is analyzed. -5 minutes from which images are extracted every 15 hundredths of a second. After analyzing each image, all are included in the database for the design of the intelligent algorithms, which completes a database of approximately 80,000 images.

Las imágenes termográficas se extraen del decremento de temperatura en la muestra de miel desde los 40°C hasta los 36°C. Se toman imágenes cada quince centésimas de segundo. Thermographic images are extracted from the temperature decrease in the honey sample from 40 ° C to 36 ° C. Images are taken every fifteen hundredths of a second.

Las imágenes se clasifican en mieles adulteradas y no adulteradas. En el primer grupo se agrupan todas las concentraciones medidas y en el segundo solamente las mieles puras preparadas.The images are classified as adulterated and unadulterated honeys. In the first group all the measured concentrations are grouped and in the second only the pure honey prepared.

Se constituyen un total de cinco redes neuronales convolucionales, tres de ellas referidas a cada una de las marcas de mieles utilizadas, una combinando las dos marcas de miel de Acacia y la última recogiendo todas las marcas de miel utilizadas en el estudio.A total of five convolutional neural networks are constituted, three of them referred to each of the honey brands used, one combining the two Acacia honey brands and the last one collecting all the honey brands used in the study.

Ejemplo 3.Example 3

Este ejemplo describe el diseño de una red convolucional para el tratamiento de resultados termográficos de las muestras (Figura 3).This example describes the design of a convolutional network for the treatment of thermographic results of the samples (Figure 3).

Para cada una de las capas de las redes convolucionales se utilizan los siguientes parámetros:The following parameters are used for each of the layers of the convolutional networks:

- En la capa de convolución, el tamaño de filtros y números seleccionados para las redes convolucionales es de 3 x 3 y 8 filtros, respectivamente. El padding se trata de un relleno de ceros (zero padding) cuya técnica se caracteriza por rellenar filas y columnas de ceros, manteniendo las mismas dimensiones después de aplicar la capa de convolución. El filtro en la convolución se ajusta con salto común en estas redes que es de 1. El resultado de la convolución precisa la aplicación de una activación que, en este caso, es la función de activación no lineal rectificada (ReLU) que calcula la función f(x) = max (0, x). Anterior a cada activación, se aplica la capa de normalización para acelerar la velocidad de aprendizaje y limitar su influencia en las etapas iniciales reduciendo el riesgo de overfitting.- In the convolution layer, the size of filters and numbers selected for convolutional networks is 3 x 3 and 8 filters, respectively. The padding is a zero padding whose technique is characterized by filling rows and columns of zeros, maintaining the same dimensions after applying the convolution layer. The filter in the convolution is adjusted with a common jump in these networks which is 1. The result of the convolution requires the application of an activation which, in this case, is the rectified nonlinear activation function (ReLU) that calculates the function f (x) = max (0, x). Prior to each activation, the normalization layer is applied to accelerate the learning speed and limit its influence in the initial stages reducing the risk of overfitting.

- En la capa de pooling se emplea el método de maxpooling como complemento ideal a la red neuronal de convolución. Las dimensiones del pooling son 2 x 2 con un stride (distancia entre dos posiciones del filtro en la convolución) de 2 x2. - In the pooling layer, the maxpooling method is used as an ideal complement to the convolution neural network. The dimensions of the pooling are 2 x 2 with a stride (distance between two filter positions in the convolution) of 2 x2.

- A la capa fully connected se asocia el vector unidimensional resultante del pooling donde cada neurona se corresponde a una clase en las que se puede clasificar la imagen. Para clasificar cada clase de imagen se aplica la función softmax:

Figure imgf000007_0001
- The one-dimensional vector resulting from pooling is associated with the fully connected layer where each neuron corresponds to a class in which the image can be classified. To classify each kind of image the softmax function is applied:
Figure imgf000007_0001

Siendo o(z)j el valor de probabilidad de cada clase estipulada, eZj el exponencial del valor (j) del vector de entrada y e zk sumatorio de exponenciales de los valores del vector de entrada. Se asocia cada clase de salida a la propia probabilidad calculada en la función mencionada.Being o (z) j the probability value of each stipulated class, eZj the exponential of the value (j) of the input vector and e zk sum of exponentials of the values of the input vector. Each output class is associated with the own probability calculated in the mentioned function.

En la Tabla 2 se muestra un esquema de capas que conforman el modelo de CNN junto a los filtros característicos en las capas de pooling o convolución. Table 2 shows a scheme of layers that make up the CNN model together with the characteristic filters in the pooling or convolution layers.

Tabla 2. Esquema de capas del modelo convolucional Table 2. Layer scheme of the convolutional model

N° CAPA CAPA TAMAÑO FILTRON ° LAYER LAYER FILTER SIZE

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Figure imgf000008_0001

Ejemplo 4.Example 4

Este ejemplo se refiere al entrenamiento de los modelos matemáticos.This example refers to the training of mathematical models.

El algoritmo de retropropagación usado para el entrenamiento de las CNNs tiene como objetivo reducir las diferencias entre las estimaciones y las clases reales correspondientes a la base de datos de imágenes. Se basa en la optimización de los filtros de kernels propios de la convolución y los pesos en la capa fully connected a través de la función de error y gradiente descendente. El gradiente descendente actualiza los parámetros anteriores en función del coeficiente de aprendizaje y en dirección inversa al gradiente de error siguiendo la ecuación:The backpropagation algorithm used for the training of CNNs aims to reduce the differences between the estimates and the actual classes corresponding to the image database. It is based on the optimization of the convolution kernel filters and the weights in the fully connected layer through the error function and descending gradient. The descending gradient updates the previous parameters based on the learning coefficient and in the reverse direction of the error gradient following the equation:

óLhe

w = w - a x -----óww = w - a x ----- ów

donde w representa los pesos de ponderación que son los valores ajustable del modelo, L es la función de error y a es el coeficiente de aprendizaje que constituye uno de los parámetros más relevantes en la inicialización de la optimización del modelo. En este caso, a se inicia con el valor 0,0001 y un rate drop de coeficiente de aprendizaje de 0,1. Además, esta especificación utiliza un conjunto de datos de entrenamiento llamado mini-batch, responsable de la actualización de los parámetros, denominado gradiente estocástico (SGD). Para este caso, se fija en todos los modelos con 64 imágenes.where w represents the weighting weights that are the adjustable values of the model, L is the error function since it is the learning coefficient that constitutes one of the most relevant parameters in the initialization of the optimization of the model. In this case, a starts with the value 0.0001 and a rate drop of learning coefficient of 0.1. In addition, this specification uses a training data set called mini-batch, responsible for the update of the parameters, called stochastic gradient (SGD). For this case, it is fixed on all models with 64 images.

Ejemplo 5.Example 5

Este ejemplo se refiere a la validación de los modelos.This example refers to the validation of the models.

Las imágenes obtenidas como base de datos se dividen en tres grupos aleatoriamente según la fase del modelo: entrenamiento (75%), validación (15%), y test (10%). El primer grupo se emplea para calcular errores y optimizar los parámetros de aprendizaje, el segundo para verificación de los parámetros del modelo y la elección del modelo final y el tercero para certificar la precisión final del modelo.The images obtained as a database are divided into three groups randomly according to the model phase: training (75%), validation (15%), and test (10%). The first group is used to calculate errors and optimize the learning parameters, the second to verify the parameters of the model and the choice of the final model and the third to certify the final accuracy of the model.

Se desarrollan modelos identificadores de adulteraciones en muestras (cualitativos) y modelos optimizados para cuantificación de la concentración de adulterantes en las muestras adulteradas.Identifying adulteration models are developed in (qualitative) samples and optimized models for quantifying the concentration of adulterants in adulterated samples.

Ejemplo 6.Example 6

En este ejemplo se describe la toma de imágenes termográficas de mieles puras y adulteradas para la detección cualitativa de adulteraciones.This example describes the taking of thermographic images of pure and adulterated honey for the qualitative detection of adulterations.

Las imágenes (Figura 4) se clasifican en mieles adulteradas y no adulteradas. En el primer grupo se agrupan todas las muestras de mieles con concentraciones no nulas de sirope de arroz y en el segundo solamente las mieles puras preparadas.The images (Figure 4) are classified as adulterated and unadulterated honeys. In the first group all honey samples with non-zero concentrations of rice syrup are grouped and in the second only pure honey prepared.

Se constituyen un total de cinco redes neuronales, tres de ellas referidas a cada una de las marcas de mieles utilizadas, una combinando las dos marcas de miel de Acacia y la última recogiendo todas las marcas de miel utilizadas en el estudio (Tabla 3).A total of five neural networks are constituted, three of them referring to each of the honey brands used, one combining the two brands of Acacia honey and the last one collecting all the honey brands used in the study (Table 3).

En la tabla 3 se muestra una comparativa de la cantidad de imágenes dedicada en cada red.Table 3 shows a comparison of the amount of images dedicated in each network.

Tabla 3. Comparativa de base de imágenes utilizada en cada modelo (n° imágenes) Table 3. Comparison of image base used in each model (n ° images)

RED 1 RED 2 RED 3 RED 4 RED 5 NETWORK 1 NETWORK 2 NETWORK 3 NETWORK 4 NETWORK 5

CLASES DE IMÁGENES Limón Acacia Luna Acacia Mezclas Mezclas de miel Pajuelo marcas floralesCLASSES OF IMAGES Lemon Acacia Luna Acacia Mixtures Honey blends Straw floral marks

AcaciaAcacia

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Analizando individualmente cada red se puede comprobar que los modelos planteados se ajustan en todos los casos a la base de imágenes de entrenamiento y validación seleccionadas aleatoriamente, lo cual evidencia las diferencias en el comportamiento térmico de las muestras. Analyzing each network individually, it can be verified that the proposed models fit in all cases to the base of randomly selected training and validation images, which evidences the differences in the thermal behavior of the samples.

El resultado de las cinco redes entrenadas muestra una precisión mayor del 95% en todos los casos. Se puede afirmar que las redes permiten detectar las mieles adulteradas en un 99% independientemente de orígenes florales distintos. Además, el resultado comparativo entre las dos marcas de miel Acacia ha permitido aseverar que el algoritmo implementado alcanza una precisión del 99,75% en la selección de las muestras adulteradas. Estas diferencias se justifican con la influencia que tiene el tratamiento y las propias condiciones florales y climáticas en la composición final de la miel. Todas estas especificaciones originan mieles con variadas características perfectamente diferenciadas analíticamente.The result of the five trained networks shows an accuracy greater than 95% in all cases. It can be said that the networks allow 99% adulterated honey to be detected independently of different floral origins. In addition, the comparative result between the two brands of Acacia honey has allowed us to assert that the algorithm implemented reaches an accuracy of 99.75% in the selection of adulterated samples. These differences are justified by the influence of the treatment and the floral and climatic conditions themselves in the final composition of the honey. All these specifications originate honeys with varied characteristics perfectly analytically differentiated.

Se realiza un sistema que contiene todas las mezclas de las variantes de miel presentadas. La red convolucional alcanza un rendimiento del 95 % para este caso, lo cual implica que la estructura elegida en estas redes relaciona y clasifica las variantes presentadas entre mismas marcas y diversos orígenes florales. La precisión de los modelos simulados para la detección cualitativa se presenta también en la Tabla 3. La precisión media de todos los modelos alcanza el 99 %.A system is made that contains all the mixtures of the presented honey variants. The convolutional network reaches a yield of 95% for this case, which implies that the structure chosen in these networks relates and classifies the variants presented between the same brands and different floral origins. The accuracy of simulated models for qualitative detection is also presented in Table 3. The average accuracy of all models reaches 99%.

Ejemplo 7.Example 7

En este ejemplo se muestra el comportamiento de la red en relación con los errores de detección.This example shows the behavior of the network in relation to the detection errors.

A partir de los resultados del ejemplo 6, para comprender mejor el comportamiento de la red, se observa dónde se encuentran los errores de clasificación más característicos de los modelos mediante comparativa entre el resultado clasificatorio de las imágenes de simulación frente al etiquetado real de estas imágenes.From the results of example 6, to better understand the behavior of the network, it is observed where the most characteristic classification errors of the models are found by comparing between the classification result of the simulation images versus the actual labeling of these images .

Como resultado, se puede concluir que hay determinados errores en la identificación de adulteraciones de muestras con concentraciones menores (1% o 2%). Como se aprecia en la Figura 5, la distribución de temperaturas en muestra pura y adulterada al 1% presenta un comportamiento térmico muy parecido. Para ambas concentraciones menores el error reside en imágenes a temperaturas de 39°C lo cual implica una distribución de temperaturas bastante extendida en todo el intervalo térmico de colores seleccionado. Esto facilita la correlación de características en el modelo. El error solamente supone un 2,4% del conjunto total de concentraciones de sirope añadido entre el 1% y el 2%, lo cual refrenda la elevada sensibilidad de método de detección.As a result, it can be concluded that there are certain errors in the identification of adulterations of samples with lower concentrations (1% or 2%). As shown in Figure 5, the distribution of temperatures in pure and adulterated sample at 1% has a very similar thermal behavior. For both lower concentrations, the error lies in images at temperatures of 39 ° C, which implies a fairly extended temperature distribution throughout the selected thermal range of colors. This facilitates the correlation of features in the model. The error only assumes 2.4% of the total set of added syrup concentrations between 1% and 2%, which endorses the high sensitivity of the detection method.

Ejemplo 8.Example 8

En este ejemplo se describe la detección cuantitativa de sirope como adulterante de mieles. This example describes the quantitative detection of syrup as adulterant of honey.

Las imágenes de cada variedad de miel monofloral, obtenidas según se describe en el ejemplo 1, se organizan en función de las concentraciones de adulterantes y mezclas puras. Se analizan las diferencias apreciables visualmente en el perfil de temperatura con respecto a la concentración de adulterante (Figura 6). Las diferencias observables en el mapa térmico se pueden asociar a la concentración de hidroximetilfurfural (FIMF) ya que este compuesto se ha identificado como un indicador de degradación de la miel asociado, principalmente, a calentamientos inadecuados en la miel o a adulteración con siropes de arroz.The images of each variety of monofloral honey, obtained as described in example 1, are organized according to the concentrations of adulterants and pure mixtures. Visually appreciable differences in the temperature profile with respect to the concentration of adulterant are analyzed (Figure 6). The observable differences in the thermal map can be associated with the concentration of hydroxymethylfurfural (FIMF) since this compound has been identified as an indicator of degradation of honey associated, mainly, inadequate heating in honey or adulteration with rice syrups.

Como consecuencia de las condiciones de experimentación, las CNNs se centran en estudiar la relación entre las concentraciones de adulterantes y las diferencias entre sus mapas de características. Así, como se aprecia en la Figura 6 (a) y (c) para adulteraciones del 8%, las diferencias mencionadas se pueden apreciar a simple vista frente a la miel pura. Para concentraciones tan bajas de adulterante como el 2% (Figura 6b) sí es necesario emplear las CNNs para apreciar tales diferencias. As a consequence of the conditions of experimentation, CNNs focus on studying the relationship between adulterant concentrations and the differences between their characteristic maps. Thus, as shown in Figure 6 (a) and (c) for adulterations of 8%, the differences mentioned can be seen with the naked eye compared to pure honey. For concentrations as low as adulterant as 2% (Figure 6b) it is necessary to use CNNs to appreciate such differences.

Las CNNs se centran en estudiar la relación entre las concentraciones de adulterantes con las diferencias entre sus mapas de características. Según la Figura 6, en diferentes tipos de mieles la distribución de temperatura cambia con respecto a la concentración de adulterante. Incluso, para concentraciones de adulterante del 8%, las diferencias se aprecian a simple vista respecto a la muestra pura. Sin embargo, para concentraciones más bajas es necesario emplear métodos como CNNs como complemento a la cámara termográfica para apreciar diferencias. CNNs focus on studying the relationship between concentrations of adulterants with the differences between their feature maps. According to Figure 6, in different types of honey the temperature distribution changes with respect to the concentration of adulterant. Even for adulterant concentrations of 8%, the differences can be seen with the naked eye compared to the pure sample. However, for lower concentrations it is necessary to use methods such as CNNs as a complement to the thermal imager to appreciate differences.

En este caso se plantean cuatro modelos clasificadores de muestras en función de la concentración de adulterante. Las cuatro clases de muestra elegidas son: miel pura, miel adulterada al 1%, miel adulterada al 4% y miel adulterada al 8%. El resultado obtenido para cada modelo CNN entrenado se presenta en la tabla 4.In this case, four sample classifier models are proposed depending on the concentration of adulterant. The four sample classes chosen are: pure honey, 1% adulterated honey, 4% adulterated honey and 8% adulterated honey. The result obtained for each trained CNN model is presented in Table 4.

Tabla 4. Modelos entrenados para identificación cuantitativa de miel adulterada. Table 4. Trained models for quantitative identification of adulterated honey.

RED 1 RED 2 RED 3 RED 4NETWORK 1 NETWORK 2 NETWORK 3 NETWORK 4

RED Limón Acacia Luna Acacia AcaciaRED Lemon Acacia Luna Acacia Acacia

de miel Pajuelo Pajuelo+Honey Pajuelo Pajuelo +

LimónLemon

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Los valores conseguidos en las CNNs durante el periodo de entrenamiento identifican muestras adulteradas en las concentraciones anteriores aproximadamente en un 97%. Además, los valores obtenidos se verifican con un batch de imágenes de test y, de esta manera, se consigue una precisión del 98%.The values obtained in the CNNs during the training period identify adulterated samples in the previous concentrations by approximately 97%. In addition, the values obtained are verified with a batch of test images and, in this way, an accuracy of 98% is achieved.

Ejemplo 9.Example 9

En este ejemplo se muestra el comportamiento de la red en relación con los errores de cuantificación.This example shows the behavior of the network in relation to quantization errors.

A partir de los resultados del ejemplo 8, para comprender mejor el comportamiento de la red, se observa dónde se encuentran los errores de cuantificación más característicos de los modelos mediante comparativa de la coincidencia entre los resultados de los tests y las clases reales. En este caso, se han detallado los errores más destacables observados, en primer lugar, de la red de Acacia Pajuelo y, en segundo lugar, el modelo combinado. En la Figura 7 se muestra una de las imágenes erróneamente clasificada. El 2% de error acometido por la red se ha identificado en su mayoría con muestras adulteradas del 1%. Aunque en su totalidad estos errores se consideran despreciables, parte de la dificultad de clasificación reside en el mapa térmico representado. Las imágenes correspondientes al 1% erróneas coindicen con la distribución de colores de una muestra a 36°C, lo cual da lugar a un mapa térmico simple con dos colores (Figura 7), lo que dificulta la detección de características térmicas específicas a la concentración de adulterante.From the results of example 8, to better understand the behavior of the network, it is observed where the most characteristic quantification errors of the models are found by comparing the coincidence between the test results and the actual classes. In this case, the most notable errors observed, first, of the Acacia Pajuelo network and, secondly, the combined model have been detailed. Figure 7 shows one of the wrongly classified images. The 2% error made by the network has been mostly identified with adulterated samples of 1%. Although these errors are considered negligible, part of the difficulty of classification lies in the thermal map represented. The images corresponding to 1% wrong co-index with the color distribution of a sample at 36 ° C, which results in a simple thermal map with two colors (Figure 7), which makes it difficult to detect specific thermal characteristics at the concentration adulterant

En el modelo de cuantificación combinado se señalan como errores característicos la identificación de miel adulterada al 1%, específicamente en mapas característicos de temperaturas de 37°C - 36°C. Este punto coincide al detalle con el modelo de Acacia representado en la Figura 7. In the combined quantification model, the identification of adulterated honey at 1%, specifically on characteristic temperature maps of 37 ° C - 36 ° C, are indicated as characteristic errors. This point coincides in detail with the Acacia model depicted in Figure 7.

Para el modelo combinado se detallan las imágenes erróneas adulteradas en muestras de miel de limón (Figura 8) y se observa que los errores son coincidentes con el del modelo individual de Acacia Pajuelo. Esto permite aseverar que los errores son justificables debido a la alta sensibilidad de los modelos.For the combined model the erroneous images adulterated in samples of lemon honey are detailed (Figure 8) and it is observed that the errors are coincident with that of the individual Acacia Pajuelo model. This allows to assert that the errors are justifiable due to the high sensitivity of the models.

Ejemplo 10.Example 10

El modelo combinado se ofrece como una alternativa interesante en el análisis cuantitativo para un mayor número de tipos de mieles monoflorales con límites de detección inferiores al 1% de adulterante.The combined model is offered as an interesting alternative in quantitative analysis for a greater number of types of monofloral honeys with detection limits lower than 1% of adulterant.

En este ejemplo se describe la detección de adulterantes en Aceites de Oliva Virgen Extra (AOVE).This example describes the detection of adulterants in Extra Virgin Olive Oils (EVOO).

Se selecciona un AOVE (variedad Picual) y se adultera de forma artificial con tres tipos de aceite de peor calidad: aceite de girasol, aceite de oliva refinado y aceite de orujo de oliva (Tabla 5). Para ello, se preparan mezclas binarias hasta el 8% en peso de adulterante. El total de muestras se organiza equitativamente entre los tres aceites de peor calidad en concentraciones de 2%, 4% y 8%. Las muestras puras y adulteradas suman un total de 24 muestras.A EVOO (Picual variety) is selected and artificially adulterated with three types of worse quality oil: sunflower oil, refined olive oil and olive pomace oil (Table 5). For this, binary mixtures are prepared up to 8% by weight of adulterant. The total samples are organized equally among the three worst quality oils in concentrations of 2%, 4% and 8%. Pure and adulterated samples total a total of 24 samples.

Tabla 5. Aceites y adulterantes utilizados Table 5. Oils and adulterants used

ACEITE VARIEDAD MARCA ORIGEN FECHA CADUCIDADVARIETY OIL BRAND ORIGIN DATE EXPIRY

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Las muestras se analizan empleando el equipo descrito en el ejemplo 2 tomando imágenes del comportamiento de cada mezcla durante un periodo de decremento de temperatura de 39°C a 36°C.The samples are analyzed using the equipment described in example 2, taking pictures of the behavior of each mixture during a period of temperature decrease from 39 ° C to 36 ° C.

Las diferencias térmicas entre las mezclas estudiadas se deben a la composición de los triacilgliceroles que contienen. Este componente forma parte fundamental de los aceites de origen vegetal o animal y su contenido es función de la procedencia del aceite de oliva. En la Figura 9 muestran imágenes termográficas de diferentes muestras y se puede deducir que la apreciación de diferencias puede llegar a ser inapreciable por el ojo humano por lo que requiere la aplicación de modelos CNNs para alcanzar valores altos de sensibilidad.The thermal differences between the mixtures studied are due to the composition of the triacylglycerols they contain. This component is a fundamental part of oils of vegetable or animal origin and its content is a function of the origin of olive oil. In Figure 9 they show thermographic images of different samples and it can be deduced that the appreciation of differences can be invaluable by the human eye, so it requires the application of CNNs models to reach high sensitivity values.

Para desarrollar el modelo CNN las imágenes se agrupan de forma individual en función del adulterante utilizado y después se optimiza con el total de imágenes. Se realizan estudios cualitativos y cuantitativos. Se emplean un total de ocho modelos diferentes. Los valores de precisión de entrenamiento para ambos estudios se muestran en la Figura 10, donde se aprecia que se alcanzan rendimientos próximos al 100%. To develop the CNN model the images are grouped individually according to the adulterant used and then optimized with the total images. Qualitative and quantitative studies are carried out. A total of eight different models are used. The training accuracy values for both studies are shown in Figure 10, where it is seen that yields close to 100% are achieved.

Claims (15)

REIVINDICACIONES 1. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos que comprende: 1. Method of detection in situ of adulterations in food comprising: a) Generar una base de datos de imágenes termográficas de muestras adulteradas y sin adulterar tomando dichas imágenes mediante una cámara termográfica durante un periodo de decremento de temperatura de las muestras. a) Generate a database of thermographic images of adulterated and unadulterated samples by taking said images by means of a thermal imager during a period of temperature decrease of the samples. b) Diseñar una red neuronal convolucional para el tratamiento de las imágenes tomadas.b) Design a convolutional neural network for the treatment of the images taken. c) Entrenar la red neuronal convolucional utilizando la base de datos para diferenciar muestras adulteradas y sin adulterar siguiendo modelos matemáticos. c) Train the convolutional neural network using the database to differentiate adulterated and unadulterated samples following mathematical models. d) Validar los modelos matemáticos.d) Validate the mathematical models. e) Testar la red neuronal convolucional diseñada utilizando muestras previamente adulteradas.e) Test the convolutional neural network designed using previously adulterated samples. f) Generar imágenes termográficas de muestras sospechosas de adulteración y analizarlas empleando la red neuronal convolucional previamente entrenada y validada.f) Generate thermographic images of samples suspected of adulteration and analyze them using the previously trained and validated convolutional neural network. 2. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicación 1, donde previamente las muestras son calentadas a una temperatura hasta un 60 % superior a la temperatura ambiente y se introducen en un recinto parcialmente adiabático con una apertura frontal que permite que la radiación infrarroja emitida al enfriarse sea captada directamente por la cámara terrmográfica.2. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to claim 1, wherein previously the samples are heated to a temperature up to 60% higher than the ambient temperature and are introduced into a partially adiabatic enclosure with a frontal opening that allows the Infrared radiation emitted upon cooling is captured directly by the terrmographic camera. 3. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicaciones anteriores, donde el alimento es miel con posible adulteración con sirope de arroz en un porcentaje entre el 1 y el 8 % en peso.3. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to previous claims, wherein the food is honey with possible adulteration with rice syrup in a percentage between 1 and 8% by weight. 4. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicación 3, donde el decremento de temperatura en la muestra va desde los 40°C hasta los 36°C durante el cual se toman imágenes termográficas cada quince centésimas de segundos completando una base de datos de, aproximadamente, 80.000 imágenes.4. Method of detection in situ of adulterations in food, according to claim 3, wherein the decrease in temperature in the sample ranges from 40 ° C to 36 ° C during which thermographic images are taken every fifteen hundredths of a second completing a base of data of approximately 80,000 images. 5. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicaciones 1 y 2, donde el alimento es aceite de oliva virgen extra (AOVE) variedad Picual adulterado con tres tipos de aceite de peor calidad (aceite de girasol, aceite de oliva refinado y/o aceite de orujo de oliva) en un porcentaje entre el 2 y el 8%.5. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to claims 1 and 2, wherein the food is extra virgin olive oil (EVOO) adulterated Picual variety with three types of worse quality oil (sunflower oil, refined olive oil and / or olive pomace oil) in a percentage between 2 and 8%. 6. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicación 5, donde el decremento de temperatura en la muestra va desde los 39°C hasta los 36°C.6. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to claim 5, wherein the decrease in temperature in the sample ranges from 39 ° C to 36 ° C. 7. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicación 1, donde la red neuronal convolucional presenta tres tipos de capa: convolucional, capa pooling y capa fully connected y una función de error que participa en la determinación de los parámetros de aprendizaje. 7. Method of detection in situ of adulterations in food, according to claim 1, wherein the convolutional neural network has three types of layer: convolutional, pooling layer and fully connected layer and an error function that participates in the determination of learning parameters . 8. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicación 7, donde la capa convolucionales constan de 8 filtros de kernel de tamaño 3x3, relleno zero padding, un stride de 2x2 y requieren una función de activación no lineal.8. Method of detection in situ of adulterations in food, according to claim 7, wherein the convolutional layer consists of 8 kernel filters of size 3x3, zero padding padding, a stride of 2x2 and require a non-linear activation function. 9. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicación 7, donde la función de activación no lineal es la función de activación no lineal rectificada (ReLU) y anterior a ella se aplica una capa de normalización reduciendo el riesgo de overfitting.9. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to claim 7, wherein the non-linear activation function is the rectified non-linear activation function (ReLU) and prior to it a normalization layer is applied reducing the risk of overfitting. 10. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicaciones 7 a 9, donde la capa de pooling emplea el método maxpooling como complemento a la convolución con una dimensión de 2x2.10. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to claims 7 to 9, wherein the pooling layer uses the maxpooling method as a complement to the convolution with a dimension of 2x2. 11. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicaciones 7 a 10, donde la capa fully connected aplica la función softmax para calificar cada imagen.11. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to claims 7 to 10, wherein the fully connected layer applies the softmax function to rate each image. 12. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicaciones 7 a 11, donde el entrenamiento de la red neuronal utiliza un algoritmo de retropropagación para la optimización de los filtros kernel y los pesos de la capa fully connected a través de la función error y el gradiente descendente iniciando el coeficiente de aprendizaje con el valor 0,0001, fijando un rate drop del mismo de 0,1 y utilizando un conjunto de datos de entrenamiento (minibatch) denominado gradiente estocástico (SGD).12. Method of detection in situ of adulterations in foods, according to claims 7 to 11, wherein the training of the neural network uses a backpropagation algorithm for the optimization of the kernel filters and the weights of the fully connected layer through the function error and the descending gradient starting the learning coefficient with the value 0.0001, setting a rate drop of 0.1 and using a training data set (minibatch) called stochastic gradient (SGD). 13. Método de detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicaciones 7 a 12, donde la validación y prueba de los modelos se realiza dividiendo de forma aleatoria las imágenes termográficas obtenidas en tres grupos: entrenamiento (75%), validación (15%) y test (10%), de forma que el primer grupo se emplea para calcular errores y optimizar parámetros 10 de aprendizaje, el segundo para verificación de parámetros del modelo y el tercero para comprobar la precisión final del modelo.13. Method of detection in situ of adulterations in food, according to claims 7 to 12, where the validation and testing of the models is done by randomly dividing the thermographic images obtained in three groups: training (75%), validation (15% ) and test (10%), so that the first group is used to calculate errors and optimize learning parameters 10, the second to verify model parameters and the third to check the final accuracy of the model. 14. Equipo para la detección in situ de adulteraciones en alimentos, según el método reivindicado, que comprende un recinto parcialmente adiabático (2) 15 donde se aloja una cubeta con la muestra a analizar (1) que emite en el rango infrarrojo al variar su temperatura (3) y que se encuentra separada a un distancia (4) de una cámara termográfica (5) acoplada a un ordenador con software termográfico (5).14. Equipment for the detection in situ of adulterations in food, according to the claimed method, comprising a partially adiabatic enclosure (2) 15 where a cuvette is housed with the sample to be analyzed (1) that emits in the infrared range by varying its temperature (3) and that is separated at a distance (4) from a thermal imager (5) coupled to a computer with thermographic software (5). 15. Equipo para la detección in situ de adulteraciones en alimentos, según reivindicación 14, donde la distancia entre la muestra a analizar y la cámara termográfica es de 25 cm. 15. Equipment for the detection in situ of adulterations in food, according to claim 14, wherein the distance between the sample to be analyzed and the thermal imager is 25 cm.
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