Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день в условиях постоянно возрастающей конкуренции мясоперерабатывающие предприятия вынуждены бороться за рынки сбыта и, как следствие, за повышение качества выпускаемой продукции, которое зависит от многих факторов: состава и свойств сырья, рецептур, условий и параметров технологических процессов производства и хранения, характеристик используемого оборудования. Основной путь повышения качества продукции -контроль основных её параметров на всех этапах технологического процесса. Существует большое количество высокочувствительных методик, позволяющих провести анализ любого пищевого продукта, но требующих использования сложного оборудования, приобретение которого по плечу лишь крупным пищевым предприятиям. Предприятия средней и малой мощности, как правило, используют для оценки качества методы химического контроля, требующие для своего проведения значительных затрат времени, что затрудняет оперативный экспресс-контроль качества продукции и технологического процесса. В связи с этим остро стоит проблема разработки и внедрения простых, высокочувствительных, экспрессных, доступных для большинства предприятий современных методов контроля качества. Одним из возможных и перспективных путей решения данной проблемы является внедрение компьютерных технологий и применение их в качестве технического зрения. Человеческий глаз уступает техническим средствам при регистрации изменений цвета используемого сырья и пищевой продукции при их хранении, транспортировке и воздействии различных внешних факторов. Анализ литературных источников последних лет свидетельствует о большом интересе к методам, основанным на цифровой обработке изображений, и об их внедрении во многие области науки и техники, включая и пищевую промышленность. Одной из важнейших характеристик качества мясного сырья и мясных продуктов является их цвет, регистрация изменения которого может быть положена в основу цифровых методов экспресс-контроля. Данный подход применим на различных технологических этапах производства: приёмки и переработки мясного сырья, хранения и реализации мясной продукции, оценки качества воды, поступающей на пищевые предприятия, визуализиции процесса посола мяса и т.д. Данных по применению цифровой обработки для экспресс-контроля качества мясного сырья, мясопродуктов, воды и визуализации процесса посола в литературе практически нет.
Цель работы: исследование возможности применения цифровой обработки, основанной на регистрации изменений цветовых характеристик исследуемых объектов, для экспресс-оценки качества мясного сырья, мясопродуктов, контроля технологического процесса, воды, а также для исследования и визуализации посола мяса.
Для достижения цели было необходимо:
провести анализ информативности, эффективности, надёжности и экс-прессности наиболее применяемых в пищевой промышленности методов оценки качества мясного сырья, готовой продукции и технологических процессов;
определить аппаратно-программное обеспечение цифровых экспресс-методик оценки качества, основанных на регистрации цветовых характеристик исследуемых объектов и их изменений;
разработать и апробировать экспресс-методики оценки качества мясного сырья и готовой продукции, визуализации процесса посола мяса по их цветовым
характеристикам в условиях реального производства;
выбрать критерии оценки качества мясного сырья и готовой продукции при цифровой обработке, представить исследуемые объекты в виде, более удобном для регистрации происходящих в них изменений цвета;
сравнить эффективность и экспрессность предлагаемых цифровых экспресс-методик в получении новой качественной и количественной информации, возможность их применения для экспресс-контроля различных стадий технологического процесса производства мясной продукции.
Научная новизна. Экспресс-оценка качества мяса, мясопродуктов, воды, визуализация и исследование различных способов посола мяса могут быть реализованы регистрацией цветовых характеристик исследуемых объектов при цифровой обработке их оцифрованных изображений.
Показана возможность и перспективность регистрации качественных и количественных изменений цветовых характеристик, происходящих в исследуемых объектах под воздействием внешних факторов и при хранении. Качественная регистрация изменений достигается построением разностного контраста (РК), получаемого вычитанием сравниваемых изображений друг из друга до и после исследуемого воздействия. Оценка количественных изменений проводится по профилям интенсивности (ПИ) и яркостным характеристикам (ЯХ) изображений. Наиболее информативными являются ЯХ, представляющие собой графики распределения количества точек анализируемого изображения, имеющих определённое значение интенсивности.
Установлена прямая связь между качеством (органолептическими показателями и свежестью) мясного сырья и ЯХ, зависимость изменений ЯХ от длительности и условий хранения (в том числе и для колбасных изделий), заморозки и последующей разморозки.
Применение разработанных методик цифровой обработки изображений позволяет исследовать и визуализировать процесс посола мяса, определить по областям равного контраста (ОРК) и профилям интенсивности (ПИ) глубину проникновения посолочной смеси и её компонентов, скорость посола.
Эффективность и надёжность методик визуализации процесса посола, определения его количественных и качественных характеристик повышается при разложении изображения исследуемого объекта по цветовым каналам (синий, зелёный и красный) и последующем построении для них РК, ОРК, ПИ и ЯХ. Более высокая информативность и надёжность характерна для синего и зелёного каналов, так как для них наблюдаются сильные изменения ЯХ и ПИ.
Используя цифровую обработку, по построенным РК, ПИ и ЯХ можно оценить качество воды, поступающей на предприятия пищевой промышленности.
Практическая значимость полученных результатов:
разработаны и апробированы на большом количестве изображений простые методики экспресс-оценки качества мясного сырья, мясопродуктов и воды, основанные на регистрации изменений их цветовых характеристик, предложены способы качественной и количественной оценки изменений цвета исследуемых объектов по построению РК, ОРК, ПИ и ЯХ;
разработаны и апробированы методики цифровой обработки для исследования и визуализации процесса посола мяса цыплёнка-бройлера смесью соль-перец-чеснок, простые способы определения глубины проникновения смеси и её
компонентов в мясо, скорости посола по регистрации изменений ОРК и ПИ;
предложены способы устранения влияния на анализируемые изображения границ между волокнами мышечной, жировой и соединительной тканей, основанные на обработке изображений линейным фильтром (гаусс-размытие) и оценке нулевых РК;
предложены методики экспресс-контроля качества питьевой воды и степени её загрязнения, основанные на цифровой обработке её изображений;
предложена программно-аппаратная реализация цифровой обработки;
методики цифровой обработки апробированы на предприятиях пищевой промышленности при контроле качества мясного сырья, режимов хранения готовой продукции, отработке технологических режимов производства мясных деликатесов, при оценке качества речной и питьевой воды (на водоочистительной станции и пищевых предприятий), показана их надёжность и перспективность.
Результаты диссертационной работы представляют научный и практический интерес для специалистов, работающих на предприятиях пищевой промышленности, торговой инспекции, экологов, научных лабораторий, широко используются в Совместной с ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН научно-учебной лаборатории рентгено-топографических методов исследования материалов электронной техники и на кафедре технологии переработки сельскохозяйственной продукции при подготовке диссертационных и выпускных квалификационных работ, чтении спецкурсов и проведении лабораторного спецпрактикума для студентов инженерных специальностей НовГУ им. Ярослава Мудрого.
Научные положения, выносимые на защиту.
Экспресс-оценка качества мясного сырья, мясопродуктов и изменений, происходящих в них при производстве и хранении, визуализация и исследование различных способов посола мяса, контроль качества воды могут быть основаны на регистрации при цифровой обработке цветовых характеристик исследуемых объектов и их изменений.
Качественные изменения цветовых характеристик исследуемых объектов надёжно фиксируются построением ОРК и РК, а количественные - построением ПИиЯХ.
При использовании различных цифровых методик определение глубины проникновения компонентов посолочной смеси в мясо и скорости посола достигается регистрацией изменений ОРК и ПИ. Уменьшение влияния на результат цифровой обработки волокон мышечной, соединительной и жировой тканей, повышение точности определения глубины проникновения различных компонентов смеси в мясо и скорости посола достигается гаусс-размытием изображений (оптимальный радиус размытия составляет 5-Ю пикселей) и оценкой нулевых разностных контрастов.
Информативность методик цифровой обработки повышается разложением цветного изображения исследуемого объекта по цветовым каналам (синий, зелёный, красный) и построением для каждого из них РК, ОРК, ПИ и ЯХ. При посоле изменение ОРК, ЯХ и ПИ наиболее сильно выражено для синего цветового канала, а наименьшее для красного.
Цифровая обработка изображений речной и питьевой воды, основанная на построении РК, ПИ и ЯХ, надёжно зарегистрирует различия её цветовых характе-
ристик и позволяет осуществить экспресс-контроль качества воды, поступающей на пищевые предприятия.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на X Всероссийской научной конференции студентов - физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10), 2004 г., Москва; V научной конференция с международным участием: Миграция тяжёлых металлов и радионуклидов в звене: почва - растение (корм, рацион) - животное -продукт животноводства - человек, 2005 г., В. Новгород; XI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-11), 2005г., Екатеринбург; XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-12), 2006 г., Новосибирск; XIII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-13), 2007 г., Ростов-на-Дону - Таганрог; XIV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-14), 2008 г., Уфа; научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2003 -2008 г.; научных семинарах совместной с ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН научно-учебной лаборатории и отделения физики диэлектриков и полупроводников ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Устные доклады, представленные на ВНКСФ - 11, 12, 13 и 14 в 2005-2008 гг., отмечены дипломами победителей. Работа поддержана персональным грантом Спб. конкурса персональных грантов 2004 года для молодых учёных и специалистов, № гранта М04-3.7Д-216, № диплома АСП №304384 и грантом РФФИ № 06-02-16230-а. Получен акт производственных испытаний.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Объём диссертации составляет 135 страниц машинописного текста, 107 рисунков, 9 таблиц. Список литературы состоит из 100 наименований.
