基于颜色的食品品质检测技术现状及展望-合肥工业大学-纪滨-2013.pdf

基金项目：国家火炬计划项目（编号：）；安徽省教育厅高等学校自然科学项目（编号：）作者简介：纪滨（），男，安徽工业大学副教授，在站博士后。：收稿日期：第 卷第期 年 月食 品 与 机 械 ，基于颜色的食品品质检测技术现状及展望 纪滨，许正华 胡学钢 童宝宏，（安徽华菱西厨装备股份有限公司博士后科研工作站，安徽 马鞍山 ；合肥工业大学计算机科学与技术博士后流动站，安徽 合肥 ）（，；，；）摘要：食品颜色是其品质重要的外在特征。文章从目视法、测色仪法和计算机视觉法三类食品颜色检测技术的应用及存在问题等方面进行综述。从颜色信息采集方式和人的颜色视觉感知两个方面阐述食品品质颜色检测可行性理论基础，重点介绍测色仪法和计算机视觉法在食品工业各领域的应用，分析目视法、测色仪法和计算机视觉法的特点及其局限性，并对具有发展潜力的计算机视觉法进行展望。关键词：食品；颜色检测；测色仪；计算机视觉 ：，：；世纪、年代起，随着食品工业的迅速发展，人们对食品的色、香、味等感官反应的生理现象，提出了各种评价方法、表示方法、评价观念、评价结果的表现方式，不少企业及大学成立食品感官评价研究机构，形成了建立在统计学、生理学和心理学基础上的食品感官分析技术，并快速发展。其中，借助人眼对食品颜色进行定性、定量的测量与分析，可以获知人们对这些产品的感受或喜欢程度，并测知产品本身质量的特性。为了规范和推动相关技术的发展，国际上以 及 中 国 已 经 颁 布 了 食 品 颜 色 感 官 评 价 标 准（及 ），随着现代光学电子技术的不断进步，基于颜色的食品品质检测方法及技术正在快速发展，已经成为许多食品加工企业在产品质量管理、新产品品质鉴定、顾客心理研究等方面的重要手段。食品颜色是其品质重要的外在特征，颜色检测手段主要有传统的目视法、测色仪法和计算机视觉法三类，每种方法都有一定的适用性，但也存在着一定的局限性，中国食品品质检测技术水平正处于亟待提高的境地，急需对现有的相关技术进行较为全面的研究，有助于更多的研究人员推动感官品质检测技术的发展。基于此目的，文章通过研究国内外近年来的相关文献，从应用范围及存在问题角度进行分析，并对未来发展趋势进行技术展望。食品品质颜色检测的理论基础食品品质颜色检测技术的形成和发展是有其理论基础支撑的，这方面工作主要来自产品品质评估方法及应用心理学相关学者的研究成果。通过合适的颜色信息采集手段，产品的颜色信息能够反映其外在特性，结合人的心理感知，最终得到蕴含的品质信息含义。颜色信息采集产品的颜色特性可以被感知并分析，颜色信息采集方法指感知颜色信息的途径，有目视法、测色仪法和计算机视觉法。目视法一种传统的、主观的颜色测量方法。它由专业的色度观察者在特定的照明条件下对产品进行目测鉴别，并与标准色度图比较，得出颜色参数。也可由专家设定品质等级参照样色，测试样色和参照样色进行比色，得到粗略的颜色信息。测色仪法通过专业测量仪器获取产品颜色信息，目前测色仪的理论基础起源于 世纪的色度学，它研究人的颜色视觉规律及颜色测量理论。色度学认为物体的颜色由 三刺激值 表示，但需要转换成色度坐标空间便于人 眼 理 解，转 换 方 法 一 般 采 用 效 果 好 的 非 线 性 法，即 和 ，其中 使用平方根计算，而 使用立方根计算，在颜色空间中 的蓝色是收缩的，的黄色是过度扩张的，推荐使用 。颜色测量法分为光电积分法、分光光度法和三刺激值模拟法。光电积分测色仪器用滤光片覆盖在探测器上，滤光片需满足卢瑟条件，以精确匹配光探测器，通过积分测量测得样品的三刺激值，能准确测出两个色样之间的差别，因而又被称为色差计。分光光度测色仪器通过测定各波长下样品的完全漫反射面的反射系数确定其颜色参数，所以精度非常高，根据光谱信号采集方式的不同，分为光谱扫描式和光电摄谱式两种。三刺激值模拟法测色仪器又称色度计，不同于分光光度计结构，光源发出的光在被颜色样品作用后分别通过一组三刺激值滤光片，射到光电池上直接反映出样品三刺激值的模拟量。国外对食品颜色进行主客观评价时，一般使用色差计作为客观的颜色测量工具。色差计通过标定颜色采集两个色样，把其中的任个作为标准样，另一个是试样（假定为试样，为标准样），两者之间的总色差以及各单项色差的一般计算，如式（）（）所示：总色差（）（）（）槡（）明度差（明度差异）（）色度差（红绿差异）（）（黄蓝差异）（）当计算三通道色差结果出现正负值时，其物理含义见表。计算机视觉法通过图像采集设备（如数字摄像机、摄像头及图像采集卡、扫描仪等）采集产品图像，并利用计算机进行图像处理及模式识别，模拟人眼的视觉功能，获取便表色差的物理含义 通道正负 偏浅偏深 偏红偏绿 偏黄偏蓝于计算机处理的颜色特征信息。计算机视觉过程中，首先要求明确图像采集条件，即考虑背景光源（色温、稳定性）和采集装置（结构合理、光电性能好）；接着，为了有利于后期分析处理需要进行图像预处理，进行降噪（电子噪声、采集过程中异常微小物体干扰、光源变化干扰等引起图像质量下降）；聚焦于感兴趣的食物需进行目标分割（提取食品目标区域）；然后，为了便于分析，需进行特征提取（由通常的 图像转成其颜色空间图像，分析颜色空间中不同分量的特性，构建新的颜色特征分量）；最后，为了获取最终结论，需进行模式识别（利用颜色特征，采用模式识别算法，进行分类）。早在 世纪 年代，国外就使用计算机视觉，进行烘焙食品颜色的评估，随着光电技术和模式识别理论的发展，计算机视觉应用越来越受到各行各业的重视，在农产品及和食品检测领域的研究日益增多，如利用计算机视觉进行牛肉颜色自动分级。人的颜色视觉感知人们对颜色感知在心理学上有颜色恒常、颜色联觉两个显著特点。颜色恒常是指在照明条件发生变化的条件下，人们对物体表色的知觉趋于稳定的心理倾向，颜色联觉是人的颜色感觉引起另一种感觉的心理活动，跟食品相关的是色味联觉、色嗅联觉、色温联觉，如深褐色容易联想到烧焦味、橙色有柠檬香味；红色容易使人联想炉火感到温暖。研究 表明，人们对颜色具有偏好的情感反应，很大程度上是取决于以往的生活经验中有关这一颜色的记忆。食品的颜色结合人的心理感知，便蕴含了品质信息含义。新鲜的食品颜色比较鲜艳夺目，但时间长了，就会颜色黯淡，甚至因变质导致颜色彻底变化，其本质是由物理化学性质变化引起，如水果表面的腐烂会变成深褐色；食品加工引起生熟转变也会导致颜色变化，如青灰色的生虾煮熟后呈现红色。不同光源色也会改变食品的颜色，如冷冻柜的背景红色光使得顾客观察到生肉的颜色要比自然光下显得新鲜，这种伪装色迎合顾客心理需要，诱发顾客购买欲望。因此，品质测评研究人员预先把握食品颜色的信息含义，有助于需要满足食品加工及销售的需要。食品颜色检测应用现状 测色仪的应用目前，中国仪器市场上有不少测色仪，但大都是外国的进口仪器，如美国 公司的分光光度计、英国 公司的测色仪、日本美能达色度计及英国 的色差计等。色差计几乎可以测量各种状态的食品颜色。根据食品光学特性的不同，食品可以分为不透明食品、半透明食品、透明食品三类，不同类食品适合使用的色差计也不同。定向型色差计适合于水果、玉米类谷物、干酪、面粉、番茄酱、奶酪、肉类等表面不透明食品；积分球型色差计适合于澄清的果汁、啤 酒、植 物 油 以 及 饮 料 等 透 明 食 品。在 国 外，研究进展 年第期和 色差计使用比较普遍，如 等 利用蒸汽烤箱和对流烤箱加工牛肉，比较了炉腔内食物煮熟的收益率、颜色、嫩度和感官特性，研究不同的终止温度，其中颜色数据是通过 获取。在中国，色差计应用不多，主要采用 色差计。利用色差计可以测定刚性实体态或柔性多形态食品表面的品质。刚性实体态食品如水果、马铃薯及豆类等，曾有人 利用色差仪测得番茄颜色，构建果实颜色系数对番茄红素含量的回归方程，进行果实番茄红素含量评价。柔性多形态食品如肉类、面粉及面食等，国内外多采用色差计直接测 定肉样颜色，肉的颜色主要取决于肌肉中的肌红蛋白和血红蛋白含量，从而获得肉色的客观量化指标，有助于对原料肉进行肉色评定及等级划分，监测原料肉的新鲜程度。色差计常见于测量牛排、猪肉、鸡肉、金枪鱼等规则和不规则肉类的颜色，在食品储存期监控肉类颜色变化，确保产品的质量。色差计可以测量馒头、面条、面包、面片等面点表面，确定样品的色泽合理偏差，便于定性定量进行质量控制。利用色差计测定液态食品的色泽，可以了解食品的纯净程度，也可判断是否变质。尽管液态食品的品质指标有很多，但是主要采取化学方法，检测步骤麻烦，而且还需大量有机溶剂，增加了检测成本，而且对检测者造成危害。因此，将其色泽可作为品质评价的依据之一，进行无损检测，如以加热花生油为研究对象，利用色差计构建色泽参数与化学指标之间的关系；针对不同杨梅汁的色泽，采用色差分析和感观评定的方法进行比较分析，结果显示二者具有较高的一致性。使用分光光度计可以得到比色差计更为精确的色度信息，不仅可以直接评价出食品的品质，如葡萄酒的色度是评价葡萄酒外观质量的一个重要指标，用分光光度计测葡萄酒色度，根据葡萄酒的色度和色调，能够判断一瓶葡萄酒的氧化程度和质量好坏；也可以间接测量食品中的某种成分，如直链淀粉作为优质稻谷分等定级的主要依据，利用分光光度计测定显色液的吸光度，通过测定样品显色液的色度值可以计算直链淀粉的含量，达到较高的检测精密度。分光光度计用于被测样品的颜色分析时，一般将被测样品制成液体，而且是质地均一的液体，如肉类品质检测时，需要除去外周筋膜及脂肪，绞碎后制备成组织浸提液样品，用分光光度法分别测定各样品管的吸光度，获取不同条件下的肌肉总色素的含量，为品种改良和肉品鉴定提供可靠的理论依据。色度计不同于分光光度计，由于不能测出物体色的光谱反射率，测量食品的颜色不太准确，但由于使用方便，常用于食品外观品质等级分类检测，如 等 利用美能达彩色色度计研究了人们对基围虾生熟颜色的偏好，划分了相应的等级，以便虾业生产更好地满足人们的需要。计算机视觉技术的应用随着计算机视觉技术的发展，以及计算机运行速度的提高和硬件成本的下降，食品对象的形态或质地差异不影响图像的采集，计算机视觉技术在农产品和食品检测领域中的应用越来越广泛。在评定鲜肉品质特性上，计算机视觉被国内外认为是最有前景的客观评价方法。同时，也应用在海产品的品质检测中，颜色结合其他指标（如纹理、形状等）协同完成产品类别及等级的自动识别。利用计算机视觉对茶叶和蔬菜的颜色分析，可以实现食品的在线无损检测，如用计算机视觉来代替评茶师的肉眼观察，对所测的干茶、茶汤、叶底图像进行处理，实现对茶叶外形和色泽的评价，其精度高，对颜色和外形变化的反应也很灵敏；蔬菜颜色可作为判断蔬菜是否新鲜的一个重要指标，如李峥 利用计算机视觉对经高压加工并贮藏个月后的芹菜、番茄和胡萝卜的颜色分别进行了测试，研究了压力对上述种蔬菜颜色变化的影响规律，又如黄星奕等 研究基于颜色特征的笋切割方法，提高竹笋切割加工的机械化程度；计算机视觉对取样环境的干扰有适应性，如青岛大学 研制了基于颜色检索的饭菜识别系统，为了减少光照变化的影响，在识别之前采用颜色恒常算法调整采集到的图像，提高了识别准确率。利用计算机视觉可以替代分光光度计的部分功能，如侯彩云等 利用扫描仪代替传统的分光光度计，基于计算机视觉一次性测定标样和多个被测样品显色液的色度值，结果表明，显色液的色度值与直链淀粉质量浓度具有良好的线性相关性，此法测定直链淀粉含量具有成本低、效率高、对环境条件的要求相对宽松等特点，为 优质稻谷 在粮食收购中的应用提供了依据。食品颜色检测技术的问题分析及展望颜色是食品外观指标之一，它与食品的类别和纯度有关，通过测定食品的颜色可达到间接检验其品质的目的。目视法、测色仪法和计算机视觉法等食品颜色检测技术各自有其优点和不足。传统的目视法因为其方法简便直接，仍然是判断食品品质属性以及消费者真实感觉的方法。但是人眼并不能准确记录色彩以及度量其微细的差异，再加上观测员的经验和心理、生理因素的影响，从而影响到颜色识别的准确性和可靠性。比如未经训练的观测员，在没有标准参照时描述颜色可能更多会依赖个体认知，导致试验数据重复性较差；即使是经过训练的观测员，得出的结果与实际消费者的感觉仍然有差异，并不能完全反映消费者的真实感觉。因此，采用测色仪进行食品颜色的分析，结果将更为精准。测色仪法中，分光式仪器是颜色测量中的权威仪器，测量精度较高，但价格昂贵，通常体积很大、结构复杂，且测量速度很慢，尤其是分散式分光光度仪对微小的震动较为敏感，不适合携带及在生产中使用。分光光度计检测步骤繁琐，每一步骤均对检测结果具有不同程度的影响，因此，获得样品中的真实值，并不是件简单的事；而且分光光度计作为较精密的检测仪器，对环境条件的要求相对较高，主要用于技术装备精良，检测人员素质相对较高的检测中心或实验室。色差计被国内外很多实验室和企业所采用，中国在食品第 卷第期纪滨等：基于颜色的食品品质检测技术现状及展望研究方面的运用也在不断扩大，但相对于庞大食品品种群，涉及的还比较少，测定色泽受取样条件影响，因此，色差计能用于生产实践的在线品质检测系统不多，国外研究 表明在、光源下，、以及饱和指数将随着光圈孔径尺寸的减小而减小。如果采用比被测物表面大的光圈口径来测量，可能会产生“边际缺失”效应。色度计由于采用三刺激值的模拟量，能否准确反映出颜色样品的实际三刺激值，取决于仪器内光源滤光片组光电池三者综合的模拟总效应，因此，色度计的测量精度有限，但是色差计和色度计价格低廉，在许多色度精度要求不高的场合中有广泛的应用，。从样品颜色的全局性效果评价角度出发，测色仪法同目视法的测试效果比较相差较大，测色仪测量区域只限于样品中极小的局部区域，只适合颜色单一的样品，难以对深浅不一的颜色样本进行全面评估，而采用计算机视觉进行食品颜色的分析，将弥补目测法和测色仪法的不足。图像颜色特征在计算机视觉中仍然存在值得研究的方面 。计算机视觉进行颜色分析时，背景光线变化会导致目标产生阴影，甚至目标颜色发生色偏，进行颜色恒常性算法的研究，是必要的，同时，研究图像采集环境条件中标准光源的判断指标有利于视觉评估。目前，计算机视觉主要用于食品品质的无损检测方面，如肉类以及马铃薯、苹果、桃、芦柑等的品质自动分级应用研究，。随着烤箱及万能蒸烤箱等厨具的广泛使用，除了传统的温度时间参数控制食品加工过程外，增加食品色泽参数的品质在线监控有潜在实现的可能，尽管食品在炉膛内热处理时会产生雾气，但随着计算机视觉去雾算法研究的深入，为未来利用色泽阈值辅助控制食品制熟过程提供技术准备。计算机视觉以及自动化控制技术的发展为现代及未来的分级检测和品质控制技术提供了广阔的应用空间，食品颜色检测技术正在由半自动化向全自动化、处理算法的复杂化向简便化、机械装置结构的复杂化向简单化、数据的人工管理向信息管理方向转化、单项项目检测向综合全方位检测转化，从而可以组成一套食品品质的检测系统，大大增强在包装、储运及加工过程中的食品品质控制能力。参考文献邵春凤感官评价在食品中的研究进展肉类工业，（）：，（）：李宏光，吴宝宁，施浣芳，等几种颜色测量方法的比较应用光学，（）：，（）：杜春玲，张唏，葛蕾颜色测量仪器及其发展现代仪器，（）：，（）：，：，：陆秋琰基于计算机视觉的牛肉颜色自动分级技术研究南京：南京农业大学，陈硕颜色恒常认知框架模型应用心理学，（）：段殳色彩心理学与艺术设计南京：东南大学，张喆颜色喜好，形状一致性对颜色恒常影响的研究长春：吉林大学，袁先群肉类色泽变化机理研究进展肉类研究，（）：，（）：国艳梅，杜永臣，王孝宣，等利用色差仪估测番茄果实番茄红素含量的研究中国蔬菜，（）：，？，（）：黄彩霞，冯岗，卢凌，等基于食品测色仪的肉色变化规律研究食品安全质量检测学报，（）：徐吉祥，楚炎沛色差计在食品品质评价中的应用现代面粉工业，（）：杨宗政，莫奕峰，靳宝红，等色差计在煎炸用油质量检测中的应用天津轻工业学院学报，（）：吴丹，叶兴乾，陈健初杨梅汁色差分析釀酒，（）：，（）：付亮亮，郭雪峰，何永涛分光光度法与肉眼评分法评定猪肉肉色的研究当代畜牧，（）：，（）：吴雪计算机视觉技术在农产品和食品检测中的应用粮油加工与食品机械，（）：董庆利，胡孟晗应用计算机视觉评定肉类品质的研究进展现代食品科技，（）：里红杰，陶学恒，于晓强计算机视觉技术在海产品质量评估中的应用食品与机械，（）：（下转第 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