使用成像技術最佳化食物分揀過程

作者 : Glen Ahearn,Teledyne Dalsa銷售兼應用支援經理

當今的一些視覺系統不僅可以更快、更準確地檢測,還可以「看到」在產品表面以下,從而發現人眼看不到的、隱藏的化學缺陷。因此,自動食品分揀系統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品質標準的缺陷產品...

近年來,食品安全和品質控制問題越來越受到人們的重視。據估計,到2025年,世界人口將超過80億,其中以開發中國家人口成長最快。為了滿足不斷成長的人口的需求,食品供應量將需要增加一倍,這對於食品產業帶來了巨大壓力,因為它必須努力滿足對於高品質食品日益增加的需求。

此外,全球化和國際貿易的成長正從根本上改變食品產業。隨著食品生產跨越國界,供應鏈變得越來越複雜且難以追蹤。這種轉變致使政府對食品安全、健康和可追溯性制定了更嚴格的法規。

所幸,隨著近年來成像技術的發展,食品加工業現在投資確保食品安全和品質的新技術具有更大的成本效益。過去,食品檢驗需要經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輸送帶以辨識存在缺陷的產品並加以剔除——由於人眼的限制、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不僅可以更快、更準確地檢測,還可以「看到」在產品表面以下,從而發現人眼看不到的、隱藏的化學缺陷。因此,自動食品分揀系統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品質標準的缺陷產品。

食品分揀系統的類型和構成

成像系統,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並保持人類視覺根本無法達到的客觀性。光學食品分揀系統還能夠最大限度地減少浪費和勞動力成本。食品分揀系統通常分為自由落體系統、輸送帶系統和通道系統。自由落體系統特別適用於分揀種子和穀物,輸送帶系統主要用於分醃製食品和水果,而通道系統主要用於分揀新鮮農產品。無論被檢測的食品是什麼,大多數食品分揀系統都由四個主要部分組成。第一個部份是進料系統,有助於將產品均勻地舖在輸送帶、通道或自由落體滑槽上。然後,光學系統——可以由彩色(可見光)、高光譜或X射線成像系統組成,被放置在被檢測產品的上方或下方等關鍵位置。它掃描通過滑槽或沿輸送帶上移動的產品以檢測是否存在缺陷。第三個部份是影像處理軟體,它將輸送帶、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。

這些閾值可能基於光譜、大小、形狀或其他取決於食物類型的具體因素。最後一個部份是分離系統,它可以針對小型產品使用壓縮空氣或在較大產品上使用機械設備的形式,精確定位缺陷和偏差,或將缺陷產品轉送至廢品堆。

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。可見缺陷是人眼很容易發現的缺陷。例如:變色、瑕疵、破損或開裂的物體,以及未能符合特定長度、寬度、直徑或面積的物體。不可見缺陷是人眼無法輕鬆地檢測到的缺陷,這可能包括較軟、發霉或腐爛的食物或異物(如可能進入食品內部的蠕蟲、蝸牛或小塑料、金屬和玻璃等)。通常,彩色成像系統用於發現可見缺陷,而高光譜成像能夠同時發現可見和不可見的缺陷。

彩色成像系統

彩色分揀是當今使用的主要技術。當前的食品檢測系統使用彩色成像來檢測輸送帶上移動的產品之缺陷。這些成像系統基本上可以看到人眼也能發現的缺陷,但可以更快、更客觀地完成,從而最大限度地提高產出量。藉由將食品的顏色與某些預定的顏色標準進行比較,這些成像系統可以有效地對食品進行分類和分級。彩色成像系統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。這些成像系統還能夠辨識異物(例如可能在大量農產品中存在的塑料和木頭碎片)。

目前用於食品檢測的彩色成像系統使用一些三晶片式相機和三線式相機等技術。三晶片式相機採用三個獨立的電荷耦合元件(CCD)或CMOS感測器,每個感測器分別接收紅色、綠色或藍色(RGB)。當光線進入鏡頭時,基於稜鏡的分束器將光線分成三個不同的波段。然後使用三個CCD或CMOS產生的輸出重新建構最終的彩色影像。該技術可產生具有完整實體解析度的高品質彩色影像。

像Teledyne DALSA Piranha 4 RGB彩色相機的三線式相機,每個感測器配備分別對紅色、綠色和藍色產生靈敏響應的三條線。三個陣列同時擷取三種不同的顏色,但在物體從滑道上掉落或經過輸送帶時,位置略有不同。為了形成完整的影像,相機必須透過緩衝第一個和第二個陣列以匹配第三個陣列,從而補償空間分離(也稱為空間校正)。

食品分揀的主要要求是低成本。Teledyne DALSA設計了一種低成本的CMOS彩色感測器,非常適合用於分揀。

高光譜和多光譜成像系統

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式相機不同,高光譜成像感測器在電磁波譜中數百個密集的窄頻內收集數據。一旦收集到這些影像,它們就會被組合起來形成一個可以進行分析的影像立方體。

高光譜成像特別適用於食品檢測,因為它能夠無損檢測和確定產品的化學和物理成分。在食品產業中,產品表面和內部都可能存在缺陷,因此擁有一個可以檢測內、外部缺陷的系統非常有幫助。不同的有機物質根據其成份吸收電磁波譜中不同波長的光。這使每種物質都具有特定的、可被辨識的「指紋」。用戶可以在檢測前指定接受或拒絕的閾值,然後,高光譜成像分揀機能夠使用這些指紋根據產品的化學成份進行產品分揀,這一技能非常適用於分揀無法簡單地根據RGB顏色或形狀等物理特徵進行分類的物品。此外,使用傳統成像方法無法輕鬆辨識某些污染物(如塑料碎片、木頭和黴菌)。最後,高光譜成像有助於檢測農產品中的密度差異和葉綠素水平、被黃麴毒素等毒素污染的農產品,並且有助於根據含水量分揀農產品。由於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產業中的絕佳檢測系統。

然而,高光譜成像在數據處理能力和成本方面仍面臨挑戰。這種方法需要即時處理大量數據,而這可能會受到運算能力的限制。這就是多光譜成像系統(例如 Teledyne DALSA Piranha 4 Multispectral 2k RGB+NIR相機)使用較少波段並已成功應用於食品分揀的原因。

在新的CMOS感測器系列中,Teledyne DALSA並計劃在分揀應用中採用低成本的RGB+NIR多光譜感測器。

X射線檢測系統

X射線長期以來一直用於醫療,但也越來越多地用於食品加工產業。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,檢測系統中的感測器隨後能夠將X射線轉換為顯示食品內部的灰階影像。食品中的密集污染物在灰階影像上顯得更暗,以便於辨識。

X射線系統在食品檢測過程中應用於許多場合,例如檢測嬰兒食品中的金屬等異物以及檢測產品密封和包裝。X射線系統並廣泛用於檢測乾果、堅果和海鮮。先進的X射線系統可以同時執行在線品質檢測、測量產品的質量、產品數、辨識丟失或損壞的產品以及監控料位。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。

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射線系統檢測時,其實在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射線系統的操作員所接受的輻射比一年內來自自然環境的輻射要少,這使其成為一種相對安全的檢測方法。

檢測系統符合法規,滿足客戶期望

隨著食品和飲料產業持續面臨提供更高品質和更安全產品的壓力,生產商需要採用改進的檢測和分揀系統以滿足這些標準。此外,面臨產品召回帶來的品牌形象受損風險是食品生產商尋求更可靠的檢測系統的另一個原因,這些系統可以確保檢測產品缺陷時充份的品質保證和信心。綜合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,因為這些系統使生產商能夠遵守日益嚴格的政府法規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成本。Teledyne DALSA持續與市場上的主要客戶合作,設計全新的CMOS感測器系列,以滿足產業對性能、體積和成本的要求。隨著技術的不斷發展,業界仍需繼續關注食品檢測的新進展。

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