馬偉民，祝 賀，邢艷霞

（1.臨清市君博食品有限公司，山東 聊城 252600；2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

畜牧業(yè)作為衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的專(zhuān)業(yè)標(biāo)桿，發(fā)展畜牧業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)國(guó)家來(lái)說(shuō)有著非凡的意義[1]。伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求更是精益求精，作為充斥著國(guó)民點(diǎn)滴生活的牛肉消費(fèi)也出現(xiàn)了較大的改變。2019年，我國(guó)已成為世界最大牛肉進(jìn)口國(guó)，2020年我國(guó)牛肉進(jìn)口量已超過(guò)200萬(wàn)噸。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷攀升，消費(fèi)者對(duì)肉牛類(lèi)消費(fèi)品的質(zhì)量要求也在不斷提高，孕育出極為可觀的高檔牛肉市場(chǎng)，未來(lái)我國(guó)對(duì)牛肉的消費(fèi)潛力將迅猛提升。但我國(guó)當(dāng)前牛肉消費(fèi)多依賴(lài)于進(jìn)口，無(wú)法依靠自身生產(chǎn)完成市場(chǎng)供給。

我國(guó)肉牛業(yè)起步較晚，且目前多以低質(zhì)量、低產(chǎn)量的普通肉牛發(fā)展為主，高速發(fā)展的背景之下，低水平的肉牛發(fā)展已不能滿(mǎn)足我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，因此，追求高質(zhì)量化肉牛建設(shè)將成為我國(guó)未來(lái)畜牧業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。

高檔雪花牛肉通常表面呈現(xiàn)色澤鮮艷的大理石花紋外形，為了規(guī)范市場(chǎng)、加強(qiáng)牛肉的生產(chǎn)銷(xiāo)售一體化，促進(jìn)牛肉產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，目前日本、澳大利亞等主要牛肉生產(chǎn)及消費(fèi)國(guó)均已建立較為完善的牛肉評(píng)級(jí)體系[2]。盡管我國(guó)也頒布了相關(guān)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但目前國(guó)內(nèi)高檔牛肉的評(píng)級(jí)仍然依靠人工肉眼識(shí)別判定，極易受到主觀因素影響，從而影響牛肉評(píng)級(jí)工作的展開(kāi)，不利于我國(guó)高檔牛肉市場(chǎng)規(guī)范化建設(shè)。因此，本文擬采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，建立牛肉評(píng)級(jí)系統(tǒng)，以機(jī)械代替人工，建立高效、規(guī)范的高檔牛肉市場(chǎng)。

1 牛肉分級(jí)系統(tǒng)研究進(jìn)展

我國(guó)傳統(tǒng)牛肉大理石花紋評(píng)級(jí)，通常由專(zhuān)業(yè)人員經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后，通過(guò)肉眼識(shí)別將真實(shí)樣品與標(biāo)準(zhǔn)牛肉等級(jí)圖示進(jìn)行比對(duì)，達(dá)到評(píng)級(jí)的目的。該方法存在較大的人為主觀判斷，且效率低下，并不利于建立規(guī)范、高質(zhì)量的高檔牛肉市場(chǎng)。

因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)建立高效、自動(dòng)的牛肉評(píng)級(jí)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)高效、市場(chǎng)發(fā)展均有著深遠(yuǎn)的意義。

1.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)牛肉質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)包括胴體質(zhì)量等級(jí)及胴體產(chǎn)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，牛肉質(zhì)量評(píng)級(jí)包括對(duì)肌肉顏色、大理石紋、脂肪豐富程度以及生理成熟度等多個(gè)指標(biāo)的評(píng)定[3]，較為復(fù)雜。因此在牛肉等級(jí)評(píng)定過(guò)程中，主要評(píng)定對(duì)象通常以牛肉眼肌橫切面為主。

所謂計(jì)算機(jī)視覺(jué)即利用成像系統(tǒng)取代傳統(tǒng)視覺(jué)器官，建立一種視覺(jué)系統(tǒng)[4]。通過(guò)多樣的獲取方式獲取牛肉的圖像信息，后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)雪花牛肉中大理石花紋等級(jí)做出合理的評(píng)定。其中重點(diǎn)在于分割牛肉胴體眼肌切面圖像以及對(duì)大理石花紋的提取。參考當(dāng)下對(duì)于牛肉分級(jí)技術(shù)的研究進(jìn)展，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)進(jìn)行圖像處理的方法進(jìn)行牛肉分級(jí)是當(dāng)前公認(rèn)最為理想的解決方法[5]。

1.2 國(guó)內(nèi)牛肉分級(jí)系統(tǒng)研究進(jìn)展

早在20世紀(jì)80年代初，國(guó)外便已經(jīng)展開(kāi)了對(duì)牛肉大理石花紋評(píng)級(jí)系統(tǒng)的相關(guān)研究，而國(guó)內(nèi)相關(guān)方面研究起步較晚，21世紀(jì)初才剛剛開(kāi)始[6]。目前，國(guó)內(nèi)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)牛肉評(píng)級(jí)的研究主要集中于對(duì)眼肌橫切面特征參數(shù)的圖像分析。

通過(guò)利用MATLAB識(shí)別牛肉肌間脂肪比例，任發(fā)政[6]等得出可以采用MATLAB圖像域值化方法來(lái)判定牛肉大理石花紋等級(jí)。楊偉龍[7]等在手持設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)立人機(jī)交互界面，利用VC++開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，建立牛肉大理石花紋自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)所拍攝照片進(jìn)行圖像處理，提取大理石花紋比例進(jìn)而達(dá)到評(píng)級(jí)的目的。周彤[8]等提出一種能夠快速提取大理石花紋及其特征參數(shù)的算法，結(jié)合多個(gè)指標(biāo)建立預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。馬鵬鵬[9]在其研究中提出多種圖像分割方法，并得出OTSU閾值分割法優(yōu)于其他幾種方法的結(jié)論。逄濱[2]則對(duì)牛肉樣本圖像進(jìn)行圖像分割算法，得到牛肉多個(gè)區(qū)域的二值化圖像，對(duì)大理石花紋、肌肉顏色以及脂肪顏色分別建立了相對(duì)應(yīng)的分級(jí)模型。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)除了在牛肉大理石花紋分級(jí)方面有所應(yīng)用，也有一些研究將其與其他肉食品質(zhì)聯(lián)系在一起。趙慧[10]等則利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)午餐肉進(jìn)行色彩測(cè)定，將得到的L，a，b值進(jìn)行線(xiàn)性回歸，從而達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)定午餐肉顏色，代替色差計(jì)的目的。孫永海[11]等運(yùn)用大理石紋與灰度空間相關(guān)矩陣兩種方法，就是否含有脂肪組織進(jìn)行圖像特征分析，并利用線(xiàn)性回歸方法對(duì)牛肉的嫩度做出等級(jí)評(píng)定。吳貴茹[5]分別利用OTSU分割、色差法兩種方法對(duì)采集到的12-13胸肋處眼肌切面的圖像信息進(jìn)行分割，以胴體重、眼肌面積。背膘厚度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，建立預(yù)測(cè)雪花牛胴體產(chǎn)量的模型。

盡管目前國(guó)內(nèi)對(duì)牛肉分級(jí)技術(shù)以及牛肉品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)確定了一定的研究，但利用計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像分割法對(duì)大理石花紋牛肉樣品進(jìn)行等級(jí)評(píng)定尚缺乏一種通用的算法流程，且對(duì)于評(píng)級(jí)結(jié)果的也沒(méi)有一個(gè)較為權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)[9]。當(dāng)前，大部分研究并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用于市場(chǎng)，較多的尚停留在實(shí)驗(yàn)室科研階段。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，較多的外界環(huán)境因素均會(huì)干擾計(jì)算機(jī)對(duì)牛肉分級(jí)造成影響，為確保牛肉大理石花紋分級(jí)系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，單靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理是遠(yuǎn)不夠的，本文研究擬創(chuàng)建一套手持式牛肉大理石花紋評(píng)級(jí)體系，確保在生產(chǎn)過(guò)程中能夠取代人工，達(dá)成機(jī)械智能化牛肉評(píng)級(jí)的目的。

2 研究目標(biāo)及內(nèi)容

2.1 工作內(nèi)容

計(jì)算機(jī)視覺(jué)牛肉大理石花紋分級(jí)系統(tǒng)工作原理如圖2所示，由圖像采集系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)兩部分組成。

圖像采集系統(tǒng)以黑色罩臺(tái)為背景，以防外界光線(xiàn)對(duì)圖像采集帶來(lái)的干擾，利用LED光源以及CCD攝像頭對(duì)牛肉表面圖像進(jìn)行采集。采集好的牛肉樣品圖像手動(dòng)輸入至系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析。

系統(tǒng)將對(duì)采集到的圖像進(jìn)行顏色識(shí)別，以此來(lái)區(qū)分肌肉與脂肪分區(qū)，遍歷牛肉樣品整體顏色區(qū)塊后，系統(tǒng)將返還輸出牛肉樣品的RGB值。依據(jù)得到的結(jié)果與現(xiàn)有牛肉標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)能夠量化表示牛肉大理石花紋的分布。

2.2 目標(biāo)建設(shè)

考慮到想要將牛肉大理石花紋牛肉分級(jí)系統(tǒng)真正投入到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，除了在圖像分割處理、設(shè)備便攜度方面有待改進(jìn)外，還需要系統(tǒng)能夠?qū)εＨ鈽悠愤M(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，以此實(shí)現(xiàn)快速、高效的生產(chǎn)效率。以下，本文將闡述未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的完善思路。

在采集學(xué)習(xí)多幅牛肉眼肌切面圖像（其中包括多幅牛肉中國(guó)大理石狀牛肉標(biāo)準(zhǔn)圖譜）后，系統(tǒng)通過(guò)提取其中多個(gè)特征參數(shù)（大理石花紋豐富程度的量化指標(biāo)、脂肪顆粒、肌肉顏色等），用于學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)大理石花紋等級(jí)，建立用于評(píng)級(jí)的系統(tǒng)模型。依據(jù)前文得到的牛肉樣品RGB值進(jìn)行建模，系統(tǒng)能夠自動(dòng)與評(píng)級(jí)模型進(jìn)行比對(duì)，輸出得到待檢測(cè)牛肉樣品的相應(yīng)等級(jí)。

2.3 待解決問(wèn)題

大理石花紋牛肉分級(jí)評(píng)定工作需要在牛肉加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，因此系統(tǒng)需要考慮在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，如處理由于周?chē)h(huán)境影響造成的圖像識(shí)別誤差，將系統(tǒng)便捷一體化處理、上手簡(jiǎn)單等問(wèn)題。

本文擬定采用RGB色彩空間的目標(biāo)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)法，能夠有效解決雜亂背景色彩對(duì)圖像識(shí)別判定的影響。

此外，為確保本系統(tǒng)投入至實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)后，方便檢測(cè)人員操作，考慮后期開(kāi)發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序，能夠在手機(jī)上直接操作，通過(guò)攝像頭拍攝直接提取圖像信息，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)評(píng)級(jí)的目的。

3 牛肉大理石花紋牛肉評(píng)級(jí)系統(tǒng)的前景展望

綜上所述，近幾年國(guó)內(nèi)外針對(duì)牛肉大理石花紋的計(jì)算機(jī)視覺(jué)分級(jí)技術(shù)有了一定的研究進(jìn)展，符合中國(guó)食品工業(yè)的前進(jìn)路線(xiàn)。中國(guó)自加入世貿(mào)組織后，我國(guó)畜牧業(yè)與國(guó)際市場(chǎng)直接接軌，我國(guó)肉牛產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的沖擊。參照其他肉牛業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，其牛肉評(píng)級(jí)方法以及質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)無(wú)一例外均自成體系且已趨近完善。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活水平不斷提高，對(duì)食品品質(zhì)也更加看重。因此，想要形成高檔牛肉售賣(mài)體系，就必須建立一套規(guī)范的、符合本國(guó)肉牛的優(yōu)質(zhì)高檔牛肉大理石花紋分級(jí)系統(tǒng)，從而使我國(guó)肉牛業(yè)更加優(yōu)質(zhì)化、規(guī)范化、國(guó)際化，促進(jìn)高檔肉牛產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)步、快速發(fā)展。