[發明專利]基于異形比色皿和近紅外圖像的牛奶成分快速檢測方法

有效

• 申請號: 202110891356.9
• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113607676B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 劉升;朱遠洋;朱懷軍;許海杰;盛濤;陳得寶;施圣哲
• 申請（專利權）人: 淮北師范大學
• 主分類號: G01N21/3577
• 分類號: G01N21/3577;G01N21/359;G01N21/03
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙) 11562
• 代理人: 李娜

本發明公開了一種基于異形比色皿和近紅外圖像的牛奶成分快速檢測方法，通過異形比色皿將短波近紅外光進行色散，并使用攝像頭采集散射和色散后的光譜圖像。圖像的垂直像素代表了不同波長光的光強，通過圖像邊緣檢測提取圖像垂直條紋特征作為對應的光譜信息。使用梯度提升決策樹算法為每個特征分配決策權重。依據牛奶中的各成分對光的吸收波長不同，通過多個波長的光譜信息來確定各營養成分含量。本發明提出的方法保證了測量的高準確性和高穩定性，同時大大縮短了測量時間，降低了成本，減少了產品的體積和重量，使用的檢測樣品極少且不污染樣品。

技術領域

本發明涉及牛奶成分檢測領域，特別是一種基于異形比色皿和近紅外圖像的牛奶成分快速檢測方法。

背景技術

目前，牛奶產品的質量主要依靠生產企業自主檢測，并且產品質量的監管難度大。快速便攜的牛奶分析方法有助于隨時隨地對生鮮乳進行檢測，不僅幫助養殖戶對奶牛個體的健康和飲食進行管理，也為牛奶收購商和質檢人員提供了快速抽檢工具。

蛋白質和脂肪是乳制品中最重要的營養物質，也是決定乳制品質量的核心指標，直接反映乳制品的質量，這兩個成分的檢測是乳制品質量檢驗中首要的工作。凱氏定氮法是通過測定乳制品中氮含量來計算蛋白質含量的方法，是蛋白質檢測的常用方法，也是最標準和建立其他檢測方法的參照方法。蓋勃法是脂肪測定的常用方法，而分析脂肪的參考方法是重量法。這些常用的、傳統檢測方法需要耗費大量時間，檢測一份牛奶樣品中的蛋白質和脂肪含量就需要三四個小時甚至幾天的時間，不能滿足在線、快速和現場等測量的需要。

在牛奶分析方法的研究中，光譜分析技術一直是科研人員的重點研究方向。現有技術中，包括：利用近紅外(NIR)光譜和奶粉物理與功能特性，建立了使用偏最小二乘法(PLS)回歸的預測模型，來預測各種奶粉樣品的細粒徑分數、分散性和體積密度；結合牛奶紅外(IR)光譜和奶牛基因型預測乳脂組成；使用中紅外(MIR)光譜對八種蛋白質進行了定性表征為產品提供質量保證。以及使用MIR檢測奶粉摻假問題，識別奶粉中的少量三聚氰胺，和預測牛乳的詳細礦物成分，具體包括：利用熒光光譜和它的壽命來區分羊奶粉與牛奶粉的欺詐行為，分析奶粉及其成分；基于熒光技術研究牛奶隨時間的降解，準確地預測牛奶的pH值。還有很多研究致力于激光誘導光譜，電分析方法，以及其他新方法和新傳感器。

一般來說，牛奶分析方法大多基于化學計量學和光譜測量，使用大型儀器，涉及復雜的操作；通常，這些儀器用于實驗室分析，不適合快速現場測量。此外，復雜的儀器結構很昂貴，而且某些儀器需要大劑量的樣品，增加了樣品的損失。因此，這類儀器將牛奶分析限制在實驗室中，其使用不利于牛奶質量的監督。而計算機視覺系統可以作為一種低成本、高效率的食品認證和質量評價方法。攝像機在光電測量中的應用，減少了傳統儀器中光學系統、信號放大處理電路、光電檢測電路、模數轉換電路等的設計，并且只需要一個簡單的LED光源驅動電路即可完成檢測任務。利用計算機視覺測量蛋白質和脂肪含量的研究很少，而且只執行了分類任務或測量誤差較大，與傳統的測量方法相差甚遠，要具體實現視覺測量系統還有很長的路要走。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于異形比色皿和近紅外圖像的牛奶成分快速檢測方法，以解決上述現有技術存在的問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供一種基于異形比色皿和近紅外圖像的牛奶成分快速檢測方法，包括以下步驟：

采集光譜圖像，使用一個異形比色皿進行色散獲得短波近紅外光譜,使用數字攝像頭采集紅外光透過異形比色皿中的待測牛奶后的光譜圖像；

劃分數據集，對所述光譜圖像進行預處理，并將預處理后的所述光譜圖像劃分為訓練集和測試集；

提取特征，基于圖像邊緣特征和梯度提升決策樹構建IDF-GBDT模型，基于圖像邊緣檢測對所述訓練集進行卷積，檢測垂直邊緣，獲得垂直條紋，取條紋像素平均值后獲得垂直特征；