使用成像技術優(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，到 2025 年，世界人口將超過 80 億，其中發(fā)展中國家人口增長最快。為了滿足不斷增長的人口的需求，食品供應量將需要翻一番，這給食品行業(yè)帶來了巨大壓力，因為它將努力滿足對高品質(zhì)食品日益增長的需求。

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

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

食品分揀系統(tǒng)的類型和構成

成像系統(tǒng)，亦稱為光學分揀機，已成為食品檢測的首選解決方案。這是因為它們可以對食品進行無損檢測并保持人類視覺根本無法做到的客觀性。光學食品分揀系統(tǒng)還能夠最大限度地減少浪費和勞動力成本。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。無論被檢測的食品是什么，大多數(shù)食品分揀系統(tǒng)都由四個主要部分組成。第一個部分是進料系統(tǒng)。進料系統(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）被放置在被檢測產(chǎn)品的上方或下方等關鍵位置。它掃描通過滑槽或沿傳送帶上移動的產(chǎn)品以檢測它們是否存在缺陷。第三個部分是圖像處理軟件，它將傳送帶、通道或斜槽上的物體與用戶定義的合格閾值進行比較，從而對移動物體進行分級。

這些閾值可能基于光譜、大小、形狀或其他取決于食物類型的具體因素。最后一個部分是分離系統(tǒng)，它可以采用小型產(chǎn)品使用壓縮空氣或較大產(chǎn)品使用機械設備的形式，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度、寬度、直徑或面積的物體。不可見缺陷是人眼無法輕松地檢測到的缺陷，這可能包括較軟、發(fā)霉或腐爛的食物或異物（如可以進入食品內(nèi)部的蠕蟲、蝸牛或小塑料、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)

彩色分揀是當今使用的主要技術。當前的食品檢測系統(tǒng)使用彩色成像來檢測傳送帶上移動的產(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定的顏色標準進行比較，這些成像系統(tǒng)可以有效地對食品進行分類和分級。彩色成像系統(tǒng)通常能夠檢測瑕疵或瘀傷等缺陷，以及堅果、蔬菜、水果、肉類和海鮮的成熟度或新鮮度。這些成像系統(tǒng)還能夠識別異物（例如可能在大量農(nóng)產(chǎn)品中存在的塑料和木頭碎片）。

目前用于食品檢測的彩色成像系統(tǒng)中使用的一些技術是三片式相機和三線相機。三片式相機使用三個獨立的電荷耦合元件 (CCD) 或 CMOS 傳感器，每個傳感器分別接收紅色、綠色或藍色 (RGB)。當光線進入鏡頭時，基于棱鏡的分束器將光線分成三個不同的波段。然后使用三個 CCD 或 CMOS 生成的輸出重新構建最終的彩色圖像。該技術可生成具有完整物理分辨率的高質(zhì)量彩色圖像。

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

食品分揀的主要要求是低成本。Teledyne DALSA 正在設計一種新的、低成本的 CMOS 顏色傳感器，非常適合用于分揀。

高光譜和多光譜成像系統(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。與將光分成三個陣列的三線相機不同，高光譜成像傳感器在電磁波譜中數(shù)百個密集的窄帶內(nèi)收集數(shù)據(jù)。一旦收集到這些圖像，它們就會被組合起來形成一個可以進行分析的圖像立方體。

高光譜成像特別適用于食品檢測，因為它能夠無損檢測和確定產(chǎn)品的化學和物理成分。在食品行業(yè)中，產(chǎn)品表面和內(nèi)部都可能存在缺陷，因此擁有一個可以檢測內(nèi)、外部缺陷的系統(tǒng)非常有用。不同的有機物質(zhì)根據(jù)其成分吸收電磁波譜中不同波長的光。這使每種物質(zhì)都具有特定的、可被識別的“指紋”。用戶可以在檢測前指定接受或拒絕的閾值，然后，高光譜成像分揀機能夠使用這些指紋根據(jù)產(chǎn)品的化學成分進行產(chǎn)品分揀，這一技能非常適用于分揀無法簡單地根據(jù)RGB 顏色或形狀等物理特征進行分類的物品。此外，使用傳統(tǒng)成像方法無法輕松識別某些污染物（如塑料碎片、木頭和霉菌）。最后，高光譜成像有助于檢測農(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)。這種方法需要實時處理大量數(shù)據(jù)，而這可能會受到計算能力的限制。這就是多光譜成像系統(tǒng)（例如 Teledyne DALSA 的 Piranha 4 Multispectral 2k RGB+NIR 相機）使用較少波段并已成功應用于食品分揀的原因。

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

X 射線檢測系統(tǒng)

X 射線長期以來一直用于醫(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方法。當 X 射線進入食物時，它會失去一些電磁能，當它離開食品時，檢測系統(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，便于識別。

X 射線系統(tǒng)在食品檢測過程中應用于許多場合，例如檢測嬰兒食品中的金屬等異物以及檢測產(chǎn)品密封和包裝。X 射線系統(tǒng)還廣泛用于檢測干果、堅果和海鮮。先進的 X 射線系統(tǒng)可以同時執(zhí)行在線質(zhì)量檢測、測量產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品計數(shù)、識別丟失或損壞的產(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系統(tǒng)。

雖然許多消費者擔心他們的食物會受到輻射，但值得注意的是，當食物接受X射線系統(tǒng)檢測時，它們在 X 射線束中的時間通常不會超過一秒，因此受到的輻射幾乎無害且劑量極低。還有人擔心 X 射線系統(tǒng)操作員會暴露在大量輻射中。但已有研究表明，在正常情況下，X 射線系統(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安全的檢測方法。

檢測系統(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)商需要采用改進的檢測和分揀系統(tǒng)以滿足這些標準。此外，面臨產(chǎn)品召回帶來的品牌形象受損的風險是食品生產(chǎn)商尋求更可靠的檢測系統(tǒng)的另一個原因，這些系統(tǒng)可以保證檢測產(chǎn)品缺陷時充足的質(zhì)量保證和信心。考慮到所有這些因素，先進成像技術將越來越多地在食品檢驗中使用，因為這些系統(tǒng)使生產(chǎn)商能夠遵守日益嚴格的政府法規(guī)和消費者日益增長的期望。食品分揀的關鍵要求之一是系統(tǒng)成本。Teledyne DALSA 目前正在與市場上的主要客戶合作，設計全新的 CMOS 傳感器系列，以滿足行業(yè)對性能、體積和成本的要求。隨著技術的不斷發(fā)展，請繼續(xù)關注食品檢測的新進展。