届毕业设计论文模板计信本三.docx
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届毕业设计论文模板计信本三
毕业设计/论文
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题目
计算机视觉技术
在瘦肉精快速检测中的应用
学生姓名
杨圣洁
学号
070910089
系部
计算机与信息工程系
专业班级
电信0921
指导教师
滕召胜
职称
教授
2013
年
5
月
原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的本科毕业论文(设计),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
论文版权使用授权书
本人了解湖南商学院北津学院有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。
作者签名:
导师签名日期:
年月日
(以上所有签名必须手签,本页单面打印,此说明打印时删除)
内容摘要(单面打印,此说明打印时删除)
食品安全是社会广泛关注的敏感问题,与消费者权益密切相关。
本文针对当前影响较大的肉类食品瘦肉精残留问题,研究了现有瘦肉精检测技术及其不足,提出了一种基于数字图像处理与多元信息融合的瘦肉精快速检测方法,详细论述了计算机视觉技术在瘦肉精快速检测中的应用,给出了肌肉颜色、脂肪层厚度等特征参数的图像信息获取、处理、识别与描述方法。
全文共分四部分。
论文首先论述瘦肉精检测的意义和现有的检测方法、原理以及不足之处,引出基于数字图像处理与多元信息融合的瘦肉精快速检测的必要性与可行性。
其次,本文介绍基于数字图像处理与多元信息融合的瘦肉精快速检测系统的构成与工作原理,给出系统数字图像采集部分的硬件选择与图片文件格式选择方法,探讨系统的关键研究技术。
再次,本文针对系统的关键研究技术之一——计算机视觉技术在瘦肉精快速检测中的应用进行深入研究,重点研究基于计算机视觉的肌肉颜色判定与脂肪层厚度检测方法。
最后,总结本文的创新与不足,介绍项目研究的后续工作,展望基于数字图像处理与多元信息融合的瘦肉精快速检测方法的应用前景。
在附录中,本文还将给出一些重要的程序设计,供参考之用。
关键词
瘦肉精快速测定;计算机视觉;肌肉颜色;脂肪厚度
ABSTRACT(单面打印,此说明打印时删除)
Foodsecurityisasensitiveissuewiththesocialwidespreadattention,andithasclosecorrelationwithconsumerrightsandinterests.Inthispapertheissueofremnantofclenbuteralinmeatfoodisdiscussed,theexistingtechniquesforrapidclenbuteraldetectionandtheirinsufficiencyarestudied,thenakindofmethodbasedondigitalimageprocessingandmanyentityinformationfusionisproposed.Indetailtheapplicationforthecomputervisiontechniqueinrapidclenbuteraldetectioniselaborated,anditisproducedhowtogain,process,recognizeanddescriptthecharacteristicparametersonmusclecolor,fatthickness.
Thefulltextisdividedintofourparts.Atfirstthesignificanceforclenbuteraldetectionandtheexistingmethods,principlesaswellastheirdeficienciesareelaborated,thenthenecessityandfeasibilityonrapidclenbuteraldetectionbasedondigitalimageprocessingandmanyentityinformationfusionaredrawedout.
Secondly,theconstitutionandprincipleofthisrapidclenbuteraldetectionsystembasedondigitalimageprocessingandmanyentityinformationfusionareintroduced,thenitisproducedhowtochoosethehardwareandthepicturedocumentformatforthisdigitalimagegatheringsystem,thekeytechniquesarealsodiscussed.
Next,oneofthekeytechniques,theapplicationofcomputervisiontechniqueforrapidclenbuteraldetectionisresearchedinto,thewaysonmusclecolordeterminationandfatthicknessdetectionarelaidparticularemphasis.
Finally,theinnovationandinsufficiencyofthispaperaresummarized,thefollowingresearchworkofthisprojectisintroduced,theapplicationforthemethodofrapidclenbuteraldetectionbasedondigitalimageprocessingandmanyentityinformationfusionisprospected.
Atthesupplement,somethinglikeprogramcode,dialogsetcwillbewritten.Itmaybehelpfulforthefuturedesign.
KEYWORDS
rapidclenbuteraldetection;computervision;musclecolor;fatthickness
目录(双面打印,此说明打印时删除)
(正文另起一页。
正文、结束语、参考文献、致谢、附录均双面打印,此说明打印时删除)
计算机视觉技术在瘦肉精快速检测中的应用
1.绪论
瘦肉精即盐酸克伦特罗CLB(Clenbuteral),又称氨哮素、克喘素,化学名称为羟甲叔丁肾上腺素,分子式:
C12-H18-Cl2-N2-O,用于治疗哮喘。
20世纪80年代初,美国科学家意外发现盐酸克伦特罗进入体内后能够改变养分的代谢途径,促进动物肌肉,特别是骨骼肌中蛋白质的合成,抑制脂肪的合成和积累,从而改善胴体品质,使动物生长速度加快,瘦肉相对增加10%以上,所以,称它为“瘦肉精”。
1.1项目研究的意义
有关研究发现,食品中含有盐酸克伦特罗对人是有害的。
盐酸克伦特罗进入体内在胃肠道吸收快,人或动物服后15~20分钟即起作用,2~3小时血浆浓度达到峰值,作用维持时间持久,在体内代谢慢,主要分布于肝脏,在肝脏中去甲基后从尿中排出,肌肉中含量较肝脏低很多[1]。
瘦肉精的理化性质非常稳定,需加热到172℃才能分解,一般的加热方法不能将其破坏。
近年来,随着城乡人们生活水平的提高,畜禽肉的食用量越来越大,人们对鲜肉的质量要求越来越高。
但不法商贩为牟取暴利,在牲畜喂养过程中使用含有瘦肉精饲料的现象越来越多,肉类瘦肉精超标已经成为严重威胁人们身体健康的一大公害。
几年来,全国每年约有600起瘦肉精中毒重大事件上报中央和国务院,国家组织有关部门狠抓食品安全,下决心杜绝瘦肉精坑民行为。
但受暴利驱动,瘦肉精违法现象却愈演愈烈。
由于检测仪器的缺乏,我国长期以来屠宰执法、工商管理、卫生防疫、质量监督部门的执法检验人员不能直接定性判断含瘦肉精肉品,只能将样品提交中心城市具有瘦肉精检测仪器的单位寻求出证。
由于中途移交过程和检测时间过长,造成肉品的变质或贬值。
如果经检测肉品合格,执法检验人员还将面临行政诉讼和行政赔偿,大大削弱了执法的质量和效率,国家“三绿工程”(绿色生产、绿色流通、绿色消费)也因此无法畅通执行。
因此,瘦肉精快速检测技术与仪器的研究刻不容缓。
1.2瘦肉精残留检测研究现状与发展方向
测量信息的获取,无非是从物理、化学和生物三个角度出发,瘦肉精残留检测也是如此。
其化学方面的研究方法可以归根于色谱法,生物方面的方法则归根于免疫法,关于物理检测方面目前则鲜有其例。
1.2.1瘦肉精猪肉感观检验法
对于现场缺乏检验仪器的场所,有关专家提供了以下三种识别瘦肉精猪肉的感观检验法[2]。
(1)观察活猪
该法适合于宰前检疫。
进栏待宰的生猪,凡皮毛异常光亮,呼吸急促,后臀部外形饱满并且突出,四肢严重颤抖或非外因而卧地不起者,可以初步判断为喂养过瘦肉精的猪。
(2)观察肉品
含有瘦肉精的猪肉具有以下四个方面的特点:
①肉色较深而鲜艳;②脂肪层非常薄,往往肉皮紧贴着肌肉,中间无肥肉;③后臀肌肉饱满突出;④相对同畜龄品种,骨骼较软。
(3)试纸测试
正常新鲜猪肉多呈中性或弱碱性,宰后1小时PH值变为6.2~6.3,自然条件下冷却6小时以上PH值变为5.6~6.0;含有瘦肉精的猪肉则偏酸性,PH值明显小于正常范围。
后两种方法适合于宰后检验。
1.2.2瘦肉精残留检测研究现状及不足
目前,检测CLB残留的方法主要有以下几种——高效液相色谱法HPLC(HighPerformanceLiquidChromatography)、气相色谱-质谱法GC-MS(GasChromatographic-MassSpectrometric)、毛细管区带电泳法CZE(CapillaryZoneElectrophoresis)和免疫分析技术IA(Immunoassay),以下逐一介绍。
(1)高效液相色谱法
色谱法又叫层析法。
它是根据各组分的物理或化学性质的差异,将多组分混合物进行分离,而后逐个分析,它是分析混合物的最有利的手段。
高效液相色谱法是用高压输液泵将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱,经进样阀注入供试品,由流动相带入柱内,当两相相对运动时,在固定相中分配系数大的组分洗脱速度较慢,分配系数小的组分洗脱速度较快,因此达到组分的分离,然后使各组分依次进入检测器,色谱信号由记录仪或积分仪记录[3]。
HPLC比较权威,检测灵敏度高,而且假阳性率低,但其检测设备昂贵、实验成本相当高、检测时间长、对实验人员的专业要求相当高;所以除了少数有条件的实验机构将其作为科研研究或作为最后的确认方法,在常规的检测中较少使用该方法。
目前,中国将HPLC法作为检测CLB残留的半确证性方法,其最低检测限范围为1~15ng/g[4]。
(2)气相色谱-质谱法
用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法,根据固定相的状态不同,又可将其分为气固色谱和气液色谱。
质谱法是将试样分子或原子在离子源中电离,离子加速后,在质量分析器的作用下,按大小分离聚焦,可以用质谱方程式表达离子与运动轨道曲线半径R的关系。
将这两种方法联合使用的GC-MS联用仪可用于有机复杂组分的分离和鉴定。
GC-MS常用于测定血液及组织中CLB残留。
GC-MS具有较高的灵敏度,可以准确地对CLB进行定性和定量分析。
测定前要对分子上羟基、氨基等极性基团衍生化,硅烷衍生物是最常用的一种,VanRhijn等报道联合使用三甲基硅烷(TMS)和环状二甲基硅烷吗啉(DMS)两种衍生物可提高检测限[5]。
Wilson等报道用此法检测动物组织中的CLB,检测限达到0.25ng/g[6]。
GC-MS法优点是能在多种残留物同时存在的情况下对某种特定的残留物进行定性、定量分析。
GC-MS法与HPLC法相比,检测灵敏度更高,假阳性率更低。
中国将GC-MS法定为检测CLB的确证性方法[7]。
GC-MS法的缺点同HPLC相似。
(3)毛细管区带电泳法
CZE法非常适用于那些难以用传统的液相色谱法分离的离子化样品的分离与分析。
具有很大的灵活性,操作简便,所需样品少。
应用CZE技术检测人尿中CLB的残留,最低检测限达到0.5ng/ml[8]。
精确度、准确度均已符合生物样品中残留物的检测标准;缺点是检测时间较长,需要复杂的仪器。
目前使用范围不广。
(4)免疫分析技术
IA技术,主要有放射免疫分析技术RIA(Radioimmunoassay)和酶免疫分析技术EIA(EnzymeImmunoassay)。
RIA最低检测限可达到0.5ng/g,国外已生产出RIA测定CLB的试剂盒,还建立了放射受体分析法。
检测CLB较高效的EIA是酶联免疫分析技术ELISA(Enzyme-LinkedImmunosorbentAssay),检测限可达0.05ng/g,最高可达0.003ng/g[9]。
ELISA试剂盒的工作基础是样品中瘦肉精和酶联瘦肉精之间为与板上经抗体包被的微孔中有限的结合位点结合而进行的竞争反应。
样品或标准溶液加入到微孔中,然后加入已经稀释的酶联瘦肉精,混合物在室温下温育。
在温育过程中,样品中的瘦肉精或酶联瘦肉精与固定在微孔板上的微孔中的抗体结合。
温育之后,洗涤微孔板3次以去除没有结合的样品中的瘦肉精和酶联瘦肉精,加入底物进行显色反应以检测结合的酶联瘦肉精。
可于白色背景上,直接用肉眼观察结果:
反应孔内颜色越深,阳性程度越强,阴性反应为无色或极浅,依据所呈颜色的深浅,以“+”、“-”号表示。
定量测试结果可通过用微孔板读数仪测定(650nm)[10]。
英国的RandoxLaboratoriesLtd和德国的R-biopharm公司均开发出了检测肉品、饲料中CLB残留的ELISA试剂盒[11]。
现在国产瘦肉精检测试剂盒及试纸也已经开发成功,是由农业部、大连普瑞康生物技术有限公司及台湾三方共同研发完成。
该试剂盒更加着重于对血清样本的检测,使检验结果在准确性及稳定性方面有了一定的提高,灵敏度可达到5ng/g[12]。
不过相比前面的几种方法,ELISA法的假阳性率高则是个不争的事实,所以只能用于初步筛选,ELISA也是国家标准检测方法之一[13]。
综上所述,HPLC、GC-MS、CZE的最低检测限都在0.5ng/g以上,而且检测程序烦琐、用时长,仪器贵重、难于操作,无法用于现场检测;EIA法最低检测限可达0.05ng/g,灵敏度和精确度都符合标准,但假阳性率高而且也不能用于现场检测。
表1.1给出了以上各种方法的特点比较。
根据表1.1,可以考虑将几种方法联合使用。
一般来说,ELISA和HPLC主要用于筛选;GC-MS则具有足够的监测灵敏度,主要用于最后确认与仲裁;CZE目前使用范围不广。
农业部最近发文公布了一些行业标准,以期更好地指导瘦肉精检测工作,如猪尿中克伦特罗检测方法——酶联免疫吸附测定法、动物组织中盐酸克伦特罗的测定——气相色谱-质谱法、饲料中盐酸克伦特罗的测定——高效液相色谱法和气相色谱-质谱测定法。
利用上述方法构建一个完整的瘦肉精检测体系,除测量精度可以达到要求外,原有问题仍然没有消失——检测手段复杂,费用过高,检验时间过长。
猪尿中克伦特罗酶联免疫吸附测定方法是猪尿中克伦特罗的残留常规快速筛选检测方法,但酶联免疫试剂盒成本较贵,为保证质量,用德国产的试剂盒一般需要3000~4000元,做样品时不可能只做一个样品,一般一批近40个猪尿样品一起做,最快也要1~2天。
其它的动物组织如猪肝、猪肉的残留测定,因一般单位均没有气相色谱-质谱仪(每台仪器约150万元左右),而用酶联免疫法测定,一批样品要2~3周。
饲料中瘦肉精残留用高效液相法测定,一个样品最快也需要1~2天。
对于生猪和肉类食品进行瘦肉精专项检验,最低的价格一次也要200多元,这个成本无论摊给政府或企业,或是养猪户都显然难以承受。
表1.1瘦肉精检测方法比较
方法
检测限
优点
缺点
标准
HPLC
1~15ng/g
灵敏度高,假阳性率低
检测设备昂贵、实验成本高、检测时间长、对实验人员的专业要求高
是
GC-MS
0.25ng/g
与HPLC法相比,检测灵敏度更高,假阳性率更低
价格昂贵,样品处理时间长,难于操作
是
CZE
0.5ng/ml
具有很大的灵活性,操作简便
检测时间较长,需要复杂的仪器
否
ELISA
0.05ng/g
灵敏度和精确度高
假阳性率高
是
1.2.3瘦肉精残留检测发展方向
需要是创造的源泉和动力,CLB残留的检测技术的发展成就了金标免疫检测技术DIGFA(Dot-immuogoldFiltrationAssay)和生物传感器技术BS(BiologySensor)的进步。
如果能成功研制出检测CLB残留的DIGFA试纸条和酶免疫传感器,则可克服上述四种方法的缺点,并且从定性和定量两个方面同时实现CLB残留的现场监测。
因此,研制准确、方便、高效的DIGFA试纸条和酶免疫传感器将是今后检测CLB残留方法的目标和方向,值得深入研究和开发[11]。
DIGFA是90年代在免疫渗滤法基础上建立的一种快速简单的方法,其关键技术是CLB单克隆抗体的制备、胶体金的制备、胶体金标记的单克隆抗体的制备、免疫渗滤装置的制备。
若研制出特异性强、灵敏度高的CLB单克隆抗体,就能开发出具有市场潜力的检测试纸条,可实现CLB的高效现场检测。
目前,在猪尿液的检测方面试纸研究已经取得了突破。
由河南省农业科学院生物技术研究所、河南百澳生物工程有限公司研制生产的“盐酸克伦特罗快速检测试纸条”,采用胶体金标记克伦特罗单克隆抗体竞争性膜层析技术,通过试纸条上反应线颜色的变化,判定样品中的瘦肉精含量,只需8~10分钟完就可成测试,且无需添置其他仪器设备。
试纸条具有敏感、特异、快速、简便的特点,基本可以适用于现场快速检测、筛选工作。
BS是“迈向21世纪的医学检验技术”之一,也是当今世界上备受关注的一门综合性很强的技术领域。
将生物活性物质作为敏感元件(生物识别系统),再配上适当的换能器及输出显示装置所构成的分析工具,从而成倍地突破了微量检测的“极限”,大大加快检测过程,使得全自动无试剂检测成为可能。
国外已有生物传感器技术检测CLB残留的报道,PizzarielloA应用分子印记聚合膜作为分子识别系统检测牛肝中CLB残留,证明此方法特异性强。
目前利用酶的化学放大作用研制的酶免疫传感器的灵敏度最高可达0.01ng/g,比ELISA法更灵敏、更简便和快速,而且可用于各种抗原物质的测定,尤其对体液中的药物和激素的检测更为适用。
1.3本文的研究内容
可惜无论上述何种方法,都是在饲料、体液(如尿液、血清)、局部组织(如猪肝)上面做文章,对于消费者来说常见也是最关心的却是最后的环节——我买的这块猪肉是否含有瘦肉精。
如果可以制作一个直接面对上市猪肉检测,测量速度快,操作简单、价格适中甚至便携的仪器,无疑会为瘦肉精残留检测领域带来真正的春天。
据此,本文提出构建一种基于数字图像处理与多元信息融合的智能检测仪器的设想,利用计算机视觉做检测,结合人类专家经验判断给出结论,可望实现较准确的测量。
实际上,智能检测在工业领域应用是早有先例。
例如工业窑炉烧结带温度估测,传统、实用的方法是通过“看火工”——烧结专家对窑炉火焰特征的观察,结合自己长期的经验,进行温度估测。
实际上,“火焰”特征就是人眼看到的火焰图像。
结合人类专家的经验所进行的温度估测具有明显的智能特征。
又例如,烧结矿FeO含量的检测,传统的方法有化学分析法、磁导率法、废气分析法,烧结机尾直观观察法等。
其中烧结机尾直观观察法也是通过“看火工”——烧结专家从烧结机尾端面的现象判断烧结矿FeO的含量。
随着数字图像处理技术的发展,神经网络、专家系统、模糊处理等智能信息技术的成熟,出现了一种新型的检测技术——基于数字图像处理的智能检测技术,并已在许多相关领域取得了令人满意的成果,回转窑内火焰温度的智能检测就是一例[14],对于本课题有借鉴作用。
(另起一页,此说明打印时删除)
2.系统构成与工作原理
本文介绍基于数字图像处理与多元信息融合的瘦肉精快速检测系统的构成与工作原理,给出系统数字图像采集部分的硬件选择与图片文件格式选择方法,探讨系统的关键研究技术。
2.1瘦肉精猪肉快速检验法
感官检验含有瘦肉精的猪肉具有以下四个方面的特点:
(a)肉色较深而鲜艳;
(b)脂肪层非常薄,往往肉皮紧贴着肌肉,中间无肥肉;
(c)后臀肌肉饱满突出;
(d)骨骼较软,相对同畜龄品种。
2.2仪器原理框图
本文的目的是采用物理方法对猪肉试样进行检验,模仿人类感官检验专家经验,本项目拟研究、试制一种瘦肉精快速测定仪。
仪器利用计算机视觉和取样传感器,对被测试样(猪肉)的肉品颜色、脂肪层厚度、肌纤维形状等进行模糊测定,对骨骼进行定量测定,通过模糊信息与定量信息的信息融合处理,得出被测对象的瘦肉精含量程度,用数值、符号、语音等形式输出观测结果。
打印输出可保存试验时间、地点、送检人姓名、检验人员编号、检验结果等记录。
仪器由数字视觉系统、骨骼测定传感器、调理电路、计算机、LCD(液晶)显示、键盘、打印机等组成,如图2.1所示。
2.3数字视觉系统
数字视觉系统主要完成图像的数字化。
用计算机处理的图像必须是数字图像。
将一幅图像进行数字化的过程就是生成一个二维矩阵的过程,数字化过程包括三个步骤:
扫描、采样和量化。
扫描是按照一定先后顺序对图像进行遍历的过程。
采样是指在遍历过程中,在图像的每个最小寻址单元即像素位置上量测灰度值,采样结果是获得了图像的数字表示形式。
量化则是将采样得到的灰度值通过模数转换等器件转换为离散的整数值。
计算机
系统
数字视觉系统
LCD显示
打印机
调理电路
骨骼测定传感器
键盘
图2.1瘦肉精快速测定仪原理框图
2.3.1硬件采集设备的选择
视觉系统中的硬件采集设备,通常在数码相机和工业摄像头之间做出选择。
两者的成像原理其实没有本质的区别,甚至可以说是完全一样的:
使用镜头、光圈等成像系统来聚焦图像,将所得图像聚焦到CCD或CMOS图像传感器(半导体芯片)上,通过扫描产生电子模拟信号,然后经过A/D转换形成电子数字信号,最后以数字文件形式保存在电脑硬盘或其它存储价质上,并在网络上进行传送。
目前,两者都已经支持通用串行总线USB(UniversalSerialBus)接口,在传输速率上已经不是问题。
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