Aktuálně

více aktualit

Aktuální vydání

2024

MSV 2024

celé číslo

Obrazová analýza v potravinářství – měření plochy plísní na salámech

Článek ve formátu PDF je možné stáhnout

zde.

Anna Korbářová, Emil Jirák, Petr Pipek, Bo-Anne Bělková

Článek popisuje využití automatické obrazové analýzy při vyhodnocování plochy plísně Penicillium cammemberti na povrchu salámu. Nárůst plísní na potravinářských produktech je závažný problém, kterým se musí zabývat každý výrobce, protože ohrožuje zdraví zákazníků. Jedinou nedestruktivní metodou, která umožňuje stanovit jak plochu plísní, tak rychlost, s jakou plísně na povrchu salámu rostou, je právě obrazová analýza. Vzhledem k charakteru sledovaného materiálu (bílá plíseň na lesklém povrchu salámu ve tvaru válce) je ale přesné nastavení podmínek analýzy a její provádění obtížné. Proto byla sestavena aparatura, jíž je možné za stálých podmínek sejmout digitální videozáznam zavěšeného salámu otáčejícího se konstantní rychlostí okolo podélné osy. Získaný obrazový záznam byl poté automaticky vyhodnocen programem v prostředí LabView pro přesně definovanou obrazovou analýzu. Celý systém vznikal ve spolupráci s ústavem konzervace potravin a technologie masa VŠCHT Praha a byl úspěšně využit při zjišťování účinnosti činidel používaných v průmyslu právě k eliminaci nárůstu plísní na povrchu trvanlivých salámů.

1. Aparatura

Obraz pohybujícího se salámu byl získáván s využitím aparatury (obr. 1), kterou tvoří především digitální videokamera, kruhová otočná podložka, stativ pro zavěšení salámů, tmavý stínicí box a počítač se zabudovanou kartou pro sběr obrazového signálu.

Základem tohoto snímacího systému je digitální kamera připojená přes rozhraní FireWire k počítači. Je připevněna na posuvném stativu pro variabilní nastavení její horizontální i vertikální polohy. Vzdálenost kamery od vzorku byla nastavena tak, aby byl salám zachycen celý (bez koncových spon a prvků pro uchycení), tj. přibližně v délce 25 cm. Analyzovaný salám byl zavěšen na druhém posuvném stativu a spodní částí pevně přichycen ke kruhové podložce otáčející se nastavitelnou rychlostí okolo svislé osy. Jako pohon může být použit buď elektromotor, jehož otáčky jsou regulovány analogovým napěťovým signálem, nebo např. krokový motor ovládaný digitálními pulzy. Výhodou krokového motoru je možnost začlenit ovládání motoru do programu provádějícího analýzu. Tím se sníží počet externě ovládaných prvků v systému a také se umožní řídit otáčení salámu dálkově, pořídit videozáznam a ten pak vyhodnotit. Krokový motor ovládaný příkazy z počítače má navíc velmi krátkou dobu náběhu a zastavení, proto dovoluje snadno vykonávat opakovaná měření bez časových prodlev. Rychlost otáčení krokového nebo analogového motoru byla stanovena tak, aby se salám otočil okolo podélné osy jednou za osmnáct sekund. Tato doba byla experimentálně stanovena jako nejvhodnější pro pozdější manipulaci s videozáznamem i vlastní obrazovou analýzu.

2. Programové vybavení

2.1 Získání sekvence obrazů

Záznam kamery je do počítače převáděn prostřednictvím programu Adobe Premiere firmy Adobe Systems Incorporated. Tento program komunikuje s kamerou přes rozhraní FireWire a umožňuje sledovat aktuální živý obraz snímaný kamerou a ukládat do počítače libovolně dlouhý videozáznam. Obrazová analýza ovšem nepracuje s videozáznamem, proto byl rozstříhán na jednotlivé snímky o frekvenci jeden snímek za sekundu. Protože se salám otáčel rychlostí jedné otáčky za osmnáct sekund, zobrazuje celý povrch salámu osmnáct různých snímků. Ty byly ukládány do zvoleného adresáře, který je dále využíván jako výchozí zdroj sekvence obrazů při analýze virtuálním měřicím přístrojem.

2.2 Obrazová analýza

Sled funkcí obrazové analýzy byl sestaven v programu IMAQ Vision BuilderTM firmy National Instruments a v něm bylo rovněž prováděno jejich počáteční testování na několika vzorových snímcích salámů. V tomto programu je možné si vyzkoušet různé strategie pro zpracování obrazu, otestovat jednotlivé funkce nebo jejich série i prohlížet si výsledky každého kroku při obrazové analýze. Použité funkce a jejich parametry jsou ukládány do tzv. skriptu, který lze uložit a opakovaně používat na libovolné obrazy. V této práci byly využívány především funkce pro kalibraci, barevnou korekci obrazu, hledání barev v obraze, prahování (thresholding) obrazu a úprava a měření morfologických vlastností nalezených kolonií plísní.

2.3 Virtuální měřicí přístroj

Sestavený skript byl převeden na vývojový diagram programovacího prostředí LabView, kde byl vytvářen celý program vykonávající obrazovou analýzu, prováděny výpočty i tisknuty výsledky do protokolu. Analýza snímků salámu s využitím tohoto programu, obecně nazývaného virtuální měřicí přístroj, je tvořena pěti kroky. Prvním krokem je načtení sekvence osmnácti uložených snímků ze zvoleného adresáře do programu. Při jednom spuštění programu je možná analýza i několika různých vzorků, ať už jde o více salámů a nebo o více dní analýzy. Pak je ovšem nutné pro každý den analýzy a každý salám vytvořit samostatný adresář s již zmíněnými osmnácti snímky. Dále program koriguje všechny získané obrazy tak, že zjistí orientaci salámu vzhledem k vertikální ose a středu a podle zjištěných hodnot posune a vyrovná salám na střed snímku. Z takto upraveného snímku vyřízne pouze svislou střední část o šířce 50 pixelů. Tak se získá pro každý vzorek salámu skupina osmnácti nových snímků, jejichž složením je možné vytvořit jakýsi „plášť“ salámu, tedy povrch válce rozvinutý do plochy (obr. 2). Tím je zajištěno, aby se na snímcích neopakovaly stejné kolonie plísní a žádná část povrchu salámu na snímcích nechyběla. Obraz plísní na této střední části snímků navíc téměř není zkreslen zaoblením salámu, jak tomu bývá, je-li salám vyfotografován pouze ze čtyř stran a tyto fotografie jsou vyhodnoceny.

Tuto sekvenci nově vytvořených snímků program vyhodnotí prostřednictvím předem vyzkoušených funkcí obrazové analýzy.

Konkrétně v obrazech zvýší kontrast plísní od pozadí a povrchu salámu, převede obraz na binární s využitím funkcí prahování a ten upravuje a filtruje několika morfologickými funkcemi tak, aby obsahoval pouze plísně. Při úpravách jsou odstraněny rušivé odlesky a stíny. V upraveném binárním obraze je pak vypočítána celková plocha nalezených objektů (tj. plísní) v pixelech a po kalibraci i v milimetrech čtverečných (obr. 3).

Naměřené hodnoty pro každý analyzovaný salám (osmnáct snímků) program zaznamená do tabulky (zvlášť pro každý vzorek a každý den analýzy) a podle nich vytváří graf zlepšující vizualizaci nárůstu plochy. Pro snazší archivaci výsledků analýzy navíc program automaticky generuje protokol, který obsahuje stručnou anotaci měření, jména osob vykonávajících analýzu, datum měření a především tabulku naměřených hodnot.

V uživatelském rozhraní programu (tzv. přední panel virtuálního měřicího přístroje) na obr. 4 je žluté pole určeno k nastavení parametrů měření: cesty k adresáři, v němž jsou uloženy snímky určené k analýze, a textu, který bude zobrazen ve výsledném protokolu. Po spuštění měření si může uživatel stanovit, zda chce ukládat protokol a střední výřezy snímků. Světle modrý oddíl indikátorů zobrazuje číselná pole údajů o počtu již analyzovaných snímků, tabulku s naměřenými plochami plísní a graf s křivkou nárůstu plochy plísní na jednotlivých salámech po celou dobu experimentů (tedy asi dvacet dní). Poslední částí uživatelského rozhraní je tmavě modré pole ovládacích prvků, kterými se spustí nebo ukončí měření.

3. Závěr

V rámci projektu byl vytvořen měřicí systém, který je schopen velkou rychlostí (řádově v jednotkách až desítkách minut, v závislosti na počtu vzorků a době trvání celé analýzy) vyhodnotit plochu plísní na sérii vzorků salámů, naměřené hodnoty zobrazuje do tabulky i grafu a ukládá v podobě přehledného protokolu do souboru. Při snímání nových obrazů salámů za stejných podmínek umožňuje tento postup velmi rychlou, jednoduchou, opakovatelnou a relativně levnou analýzu. Výhodou je automatické řízení celého měřicího procesu od otočení salámu a sejmutí snímku až po jeho vyhodnocení a uložení naměřených údajů. Díky analýze osmnácti výřezů snímků namísto obvyklých čtyř nejsou výsledky příliš zkresleny zaoblením povrchu salámu a lépe odpovídají skutečnosti. Relativně jednoduchou modifikací celého systému je navíc možné obdobně analyzovat několik dalších vzorků, na jejichž povrchu je třeba měřit plochu žádoucích či nežádoucích objektů, opticky odlišitelných od podkladu.