基于機(jī)器視覺(jué)的牛肉嫩度與肌鈣蛋白降解預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、肉類(lèi)質(zhì)量在全球已成為日益增長(zhǎng)的研究課題。牛肉的品質(zhì)是決定消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)意向和市場(chǎng)價(jià)格的主要因素，在牛肉的生產(chǎn)和流通過(guò)程中進(jìn)行牛肉品質(zhì)的及時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，對(duì)保障牛肉食品安全、促進(jìn)牛肉生產(chǎn)及合理消費(fèi)，具有十分重要的作用及意義。在肉類(lèi)產(chǎn)業(yè)，對(duì)肉質(zhì)量指標(biāo)的量化一直是重要的研究課題。從競(jìng)爭(zhēng)激烈的肉類(lèi)工業(yè)的角度來(lái)說(shuō)，持續(xù)向消費(fèi)者供應(yīng)質(zhì)量等級(jí)優(yōu)異的肉類(lèi)產(chǎn)品是廣大肉類(lèi)企業(yè)賴(lài)以生存的基本要素。影響肉類(lèi)質(zhì)量的主要指標(biāo)有:顏色、嫩度、紋理、風(fēng)味、含水量以及多汁性，

2、其中牛肉的嫩度是決定牛肉質(zhì)量的最主要因素。目前，牛肉嫩度的檢測(cè)方法主要有感觀評(píng)定法和剪切力測(cè)定法，前者是通過(guò)人工評(píng)嘗方式?jīng)Q定肉的嫩度，后者則根據(jù)牛肉的剪切力WBSF值來(lái)決定牛肉的嫩度。人工評(píng)嘗是一種主觀的評(píng)定方法，評(píng)定人員需經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)，評(píng)定過(guò)程耗時(shí)、耗力，評(píng)定結(jié)果主觀性強(qiáng)、重復(fù)性差;剪切力測(cè)定的方法所得出的結(jié)果盡管客觀、準(zhǔn)確，但其過(guò)程繁瑣、復(fù)雜，檢測(cè)效率低下，根本無(wú)法滿足牛肉品質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和在線檢測(cè)要求。因此，有必要對(duì)牛肉品質(zhì)檢測(cè)方

3、法和技術(shù)進(jìn)行深入研究，以期開(kāi)發(fā)一種高效、快速的牛肉品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)牛肉品質(zhì)的無(wú)損在線檢測(cè)。機(jī)器視覺(jué)，融合了計(jì)算機(jī)、信息及數(shù)字圖象處理等現(xiàn)代技術(shù)，其通過(guò)區(qū)域分割、數(shù)字運(yùn)算等技術(shù)手段，對(duì)觀測(cè)對(duì)象的主要特征進(jìn)行定量分析，這在農(nóng)業(yè)和食品質(zhì)量檢測(cè)方面，已有大量的研究及應(yīng)用。用機(jī)器視覺(jué)方法來(lái)檢測(cè)肉類(lèi)質(zhì)量已被認(rèn)為是切實(shí)可行的。目前在中國(guó)還沒(méi)有一套可以在線無(wú)損檢測(cè)肉類(lèi)質(zhì)量指標(biāo)的方法，像肉嫩度的檢測(cè)，但是就目前要求越來(lái)越高端的消費(fèi)者而言，研究并生產(chǎn)一

4、套無(wú)損在線檢測(cè)肉類(lèi)質(zhì)量的系統(tǒng)是市場(chǎng)的必然需求，同時(shí)也有利于與國(guó)際肉類(lèi)市場(chǎng)需求接軌。圖像的紋理特征在圖像分析中起著十分重要的作用，牛肉圖像的紋理可以反映出牛肉纖維的尺寸、排列等顯著影響牛肉質(zhì)地和嫩度的特征狀態(tài)，因此，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)可以對(duì)牛肉的質(zhì)地結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定量分析和描述。
　　設(shè)計(jì)了兩套基于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)的牛肉嫩度檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)牛肉的彩色圖片以及多光譜的采集及處理，從中尋找預(yù)測(cè)牛肉嫩度的最佳波段，提取出其紋理特征，再以這些特

5、征參數(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)牛肉嫩度等級(jí)的在線檢測(cè)。
　　同時(shí)，從理化角度，建立基于圖像處理技術(shù)的牛肉肌鈣蛋白T(Troponin-T)降解預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)牛肉表面圖像紋理特征與肌鈣蛋白T(Troponin-T)關(guān)聯(lián)性分析，找到牛肉表象特征能反映牛肉嫩度變化的理化原因。
　　研究?jī)?nèi)容主要包括兩大部分，第一部分包括:基于彩色與多光譜圖像技術(shù)的牛肉嫩度檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)圖像處理技術(shù)，研究不同嫩度牛肉圖像的紋理特征，分析牛肉圖像紋理特征

6、參量與牛肉WBSF值之間的關(guān)系，以牛肉圖像的紋理特征參量，作為確定牛的嫩度肉定量指標(biāo)。從四個(gè)不同部位的牛肉樣本來(lái)采集彩色和多光譜圖像，這四個(gè)部位包括:背最長(zhǎng)肌，半膜肌，岡上肌，股二頭肌。在這部分研究中，牛肉樣本的彩色圖片首先由數(shù)碼相機(jī)獲取，然后轉(zhuǎn)化為灰度級(jí)圖像。隨后由一個(gè)黑白工業(yè)用CCD相機(jī)拍攝多光譜圖像，其中多光譜包括四個(gè)波段，分別是:440納米、550納米、710納米和810納米。包含在這兩個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的單個(gè)模塊有:圖像采集、圖像

7、分割、圖像處理、特征提取、模型設(shè)計(jì)以及分類(lèi)識(shí)別。每幅彩色和多光譜圖像分別提取出88個(gè)灰度共生矩陣紋理特征，81個(gè)二維快速傅立葉變換特征，48個(gè)小波紋理特征。隨后，多元數(shù)據(jù)處理模型，包括多元逐步回歸，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的支持向量機(jī)模型，被用于牛肉嫩度指標(biāo)的分類(lèi)與預(yù)測(cè)。
　　第二部分研究是:基于彩色圖像紋理特征分析技術(shù)的牛肉肌原纖維蛋白降解預(yù)測(cè)方法。肌肉嫩度與肌肉蛋白質(zhì)的降解量密切相關(guān)。肉的嫩度取決于肌原纖維和肌內(nèi)結(jié)締組織的特性且隨著死后

8、成熟時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。肉的嫩化分兩個(gè)階段，一是快速階段，主要是肌原纖維結(jié)構(gòu)的弱化，二是慢速階段，主要是由于肌肉結(jié)締組織的結(jié)構(gòu)弱化等，宰后嫩化主要是肌原纖維蛋白的變化。所以弄清楚肌原纖維蛋白的變化有助于理解牛肉嫩化過(guò)程中所產(chǎn)生的肌肉纖維素的改變機(jī)理，從而解釋不同嫩度的牛肉樣本表面紋理特征的不同。肌鈣蛋白T(Troponin-T)是骨骼肌完整細(xì)絲的一部分，肌鈣蛋白分子的延長(zhǎng)部分和原肌球蛋白結(jié)合，協(xié)調(diào)肌肉收縮中肌動(dòng)、肌球蛋白之間的關(guān)系。Tro

9、ponin-T由3個(gè)亞基構(gòu)成，即鈣結(jié)合亞基(TnC)、抑制亞基(TnI)和原肌球蛋白結(jié)合亞基(TnT)，其中TnT分子量為30.5～37kD，能結(jié)合原肌球蛋白，起聯(lián)結(jié)作用。成熟過(guò)程中Troponin-T降解產(chǎn)生28kD和30kD的蛋白肽，這些降解產(chǎn)物的含量與肉的嫩密切相關(guān)。牛肉樣本（3d和10d）通過(guò)蛋白質(zhì)印跡法對(duì)肌鈣蛋白T(Troponin-T)進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，被分為降解和未降解兩部分。同時(shí)對(duì)牛肉樣本采集彩色圖像，運(yùn)用課題中提到的灰度共

10、生矩陣法、快速傅立葉變換法、小波變換法對(duì)每幅圖像提取出了217個(gè)紋理特征。然后運(yùn)用逐步回歸分析，支持向量機(jī)的方法對(duì)牛肉肌原纖維蛋白降解T(Troponin-T)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，以期達(dá)到從牛肉圖像紋理特征角度預(yù)測(cè)牛肉肌鈣蛋白降解T，從而解釋牛肉圖像紋理特征參數(shù)與嫩度具有關(guān)聯(lián)的理化理論基礎(chǔ)。
　　第一部分研究結(jié)果表明，以牛肉彩色圖片紋理特征為模型輸入變量，逐步回歸模型對(duì)背最長(zhǎng)肌的嫩度預(yù)測(cè)結(jié)果最好可達(dá)到80％，支持向量機(jī)預(yù)測(cè)背最長(zhǎng)肌最佳預(yù)

11、測(cè)率可達(dá)到100％。支持向量機(jī)與逐步回歸模型對(duì)股二頭肌的最佳預(yù)測(cè)率可達(dá)到100％。對(duì)半膜肌，支持向量機(jī)與逐步回歸模型最佳預(yù)測(cè)率分別為60％與50％，對(duì)岡上肌，支持向量機(jī)模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)90％而逐步回歸模型最佳預(yù)測(cè)率為70％。以牛肉多光譜紋理特征為模型輸入變量時(shí)，支持向量機(jī)與逐步回歸對(duì)股二頭肌四個(gè)波段的嫩度預(yù)測(cè)率均為77％。對(duì)于背最長(zhǎng)肌，支持向量機(jī)在440nm，550nm，710nm對(duì)嫩度的最佳預(yù)測(cè)率可達(dá)到100％，逐步回歸則為80％（44

12、0nm和810nm）。對(duì)于半膜肌，支持向量機(jī)嫩度的最佳預(yù)測(cè)率分別為75％(440nm)和65％(810nm)，而逐步回歸模型的最佳預(yù)測(cè)率分別為85％(440nm)，80％(810nm)，70％(550nm)。對(duì)于岡上肌，逐步回歸對(duì)其最佳預(yù)測(cè)率可達(dá)到90％(810nm)，而支持向量機(jī)預(yù)測(cè)的最佳正確率為100％(440nm，810nm)。
　　第二部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于牛肉肌鈣蛋白降解，逐步回歸模型對(duì)于3d和10d的預(yù)測(cè)正確率分別為9