用图像法分析茄子在冻干过程中的水分动态运移规律.pdf

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1、第32卷第1期3042016年1月农业工程学报.I’ransactionsoftheChineseSocietyofA扣culturalEn舀nee而ngV01.32No.1Jan.2016用图像法分析茄子在冻干过程中的水分动态运移规律李晓斌1,郭玉明脒,崔清亮1,付丽红z,张静1,邱述金·(1.山西农业大学工学院,太谷030801;2.山西农业大学食品科学与工程学院,太谷030801)摘要:为研究真空冻干果蔬内部水分扩散及运移过程和规律,以茄子为研究对象,运用图像处理技术建立水分运移微位移场并以微位移量对真空冻干过程中果蔬内

2、部水分扩散及运移规律进行表达和定量分析。使用ccD(chargecoupleddevice)相机每隔1h采集茄子样本在真空冻干过程中横截面图像,直至6h冷冻干燥完成终止。用自动阈值分割法、K均值聚类算法、伪彩色图像处理法可准确提取出原始图像中未冻干区域,再用Sobel边缘检测法提取得到水分边界。将6幅边界图像叠加并以物料几何中心为原点建立微位移场,用Harris角点检测法提取水分边缘与坐标轴相交的各个角点及其坐标值,计算得到每隔1h各角点的位移量。通过对角点位移量与物料含水率相关性分析可知,模型显著性检验概率<0.0001,决

3、定系数达0.9998,说明模型检验极显著且拟合精度高。回归参数的检验结果表明,四个角点的微位移量对物料含水率平方的响应极显著,说明物料干燥水分边界微位移场变化量与含水率的关系可用该回归模型预测,物料含水率可用表达水分边界的微位移场参数来表示。该研究为果蔬冻干水分在线检测提供了一种新的方法,同时也为探索冻干机理和低能耗冻干工艺提供了参考。关键词:冷冻;干燥;图像处理;茄子;真空冷冻干燥;水分运移;水分检测doi:10.11975/j.issn.1002—6819.2016.01.042中图分类号:TS255文献标志码:A文章编号

4、:1002—6819(2016)一01—0304—08李晓斌,郭玉明,崔清亮,付丽红,张静,邱述金.用图像法分析茄子在冻干过程中的水分动态运移规律【J】.农业工程学报,2016,32(01):304—311.doi:10.11975/j.issn.1002—6819.2016.叭.042http:/^^Mntcsae.o唱“xiaobin,GuoYuming,CuiQin掣ian昏Fu“hong,zhangJing,QiuShujin.Moisturedimlsionandtransferdynamicanalysisofeg

5、gplantduringvacuumfreeze—dryingbasedonimageprocessingtechnique[J】.7IhnsactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(T啪sactionsoftheCSAE),2016,32(01):304—311.(inchinesewithEnglishabstmct)doi:10.11975,j.issn.1002—6819.2016.01.042http://www.tcsae.org0引言真空冷冻干燥技术可

6、使物料内部水分由固态直接升华为气态而干燥,并使物料外形、味道、颜色等性质基本得以保留,因此是一种先进的农产品加工技术。但由于冻干能耗大、成本高,这项技术在农产品加工中还不能广泛地应用,需要针对不同加工对象探索冻干过程的水分在线检测方法,以求获得最佳冻干工艺和参数。果蔬冻干过程含水率的在线检测方法主要有称质量法、介电参数法等[1】,本研究运用果蔬冻干过程水分收缩轮廓线动态变化图像特征来表达冻干过程的含水率,同时可了解果蔬冻干过程水分扩散及运移规律。目前对果蔬和农产品物料在干燥过程中内部水分运移的研究方法主要有有限元分析法和核磁共

7、振法等。傅志一等[21研制出空间轴对称湿扩散有限元计算软收稿日期:2015一08—25修订日期:2015一ll—12基金项目:国家自然科学基金资助项目(30771242。31171450);山西农业大学科技创新基金项目(2014004)作者简介:李晓斌,男,山西平定人,讲师,博士,主要从事图像处理和分析方面的研究。太谷山西农业大学工学院,03080l。Email:lxb8008105858@163.com※通信作者:郭玉明,男,山西平定人,教授,博士生导师,主要从事农业生物力学与物料机械特性方面的研究。太谷山西农业大学工学院,

8、03080l。Email:guoyumin999@sina.com件,利用该软件得到稻谷在干燥和缓苏状态下湿度及其梯度场随时间变化的规律,并客观比较了稻谷圆球模型和椭球模型在不同烘干温度下的差异,但该软件仅能分析谷物湿扩散过程,适应性不理想。而核磁共振技术则具有明显优势。该技

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1、第32卷第1期3042016年1月农业工程学报.I’ransactionsoftheChineseSocietyofA扣culturalEn舀nee而ngV01.32No.1Jan.2016用图像法分析茄子在冻干过程中的水分动态运移规律李晓斌1,郭玉明脒,崔清亮1,付丽红z,张静1,邱述金·(1.山西农业大学工学院,太谷030801;2.山西农业大学食品科学与工程学院,太谷030801)摘要:为研究真空冻干果蔬内部水分扩散及运移过程和规律,以茄子为研究对象,运用图像处理技术建立水分运移微位移场并以微位移量对真空冻干过程中果蔬内

2、部水分扩散及运移规律进行表达和定量分析。使用ccD(chargecoupleddevice)相机每隔1h采集茄子样本在真空冻干过程中横截面图像,直至6h冷冻干燥完成终止。用自动阈值分割法、K均值聚类算法、伪彩色图像处理法可准确提取出原始图像中未冻干区域,再用Sobel边缘检测法提取得到水分边界。将6幅边界图像叠加并以物料几何中心为原点建立微位移场,用Harris角点检测法提取水分边缘与坐标轴相交的各个角点及其坐标值,计算得到每隔1h各角点的位移量。通过对角点位移量与物料含水率相关性分析可知,模型显著性检验概率<0.0001,决

3、定系数达0.9998,说明模型检验极显著且拟合精度高。回归参数的检验结果表明,四个角点的微位移量对物料含水率平方的响应极显著,说明物料干燥水分边界微位移场变化量与含水率的关系可用该回归模型预测,物料含水率可用表达水分边界的微位移场参数来表示。该研究为果蔬冻干水分在线检测提供了一种新的方法,同时也为探索冻干机理和低能耗冻干工艺提供了参考。关键词:冷冻;干燥;图像处理;茄子;真空冷冻干燥;水分运移;水分检测doi:10.11975/j.issn.1002—6819.2016.01.042中图分类号:TS255文献标志码:A文章编号

4、:1002—6819(2016)一01—0304—08李晓斌,郭玉明,崔清亮,付丽红,张静,邱述金.用图像法分析茄子在冻干过程中的水分动态运移规律【J】.农业工程学报,2016,32(01):304—311.doi:10.11975/j.issn.1002—6819.2016.叭.042http:/^^Mntcsae.o唱“xiaobin,GuoYuming,CuiQin掣ian昏Fu“hong,zhangJing,QiuShujin.Moisturedimlsionandtransferdynamicanalysisofeg

5、gplantduringvacuumfreeze—dryingbasedonimageprocessingtechnique[J】.7IhnsactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(T啪sactionsoftheCSAE),2016,32(01):304—311.(inchinesewithEnglishabstmct)doi:10.11975,j.issn.1002—6819.2016.01.042http://www.tcsae.org0引言真空冷冻干燥技术可

6、使物料内部水分由固态直接升华为气态而干燥,并使物料外形、味道、颜色等性质基本得以保留,因此是一种先进的农产品加工技术。但由于冻干能耗大、成本高,这项技术在农产品加工中还不能广泛地应用,需要针对不同加工对象探索冻干过程的水分在线检测方法,以求获得最佳冻干工艺和参数。果蔬冻干过程含水率的在线检测方法主要有称质量法、介电参数法等[1】,本研究运用果蔬冻干过程水分收缩轮廓线动态变化图像特征来表达冻干过程的含水率,同时可了解果蔬冻干过程水分扩散及运移规律。目前对果蔬和农产品物料在干燥过程中内部水分运移的研究方法主要有有限元分析法和核磁共

7、振法等。傅志一等[21研制出空间轴对称湿扩散有限元计算软收稿日期:2015一08—25修订日期:2015一ll—12基金项目:国家自然科学基金资助项目(30771242。31171450);山西农业大学科技创新基金项目(2014004)作者简介:李晓斌,男,山西平定人,讲师,博士,主要从事图像处理和分析方面的研究。太谷山西农业大学工学院,03080l。Email:lxb8008105858@163.com※通信作者:郭玉明,男,山西平定人,教授,博士生导师,主要从事农业生物力学与物料机械特性方面的研究。太谷山西农业大学工学院,

8、03080l。Email:guoyumin999@sina.com件,利用该软件得到稻谷在干燥和缓苏状态下湿度及其梯度场随时间变化的规律,并客观比较了稻谷圆球模型和椭球模型在不同烘干温度下的差异,但该软件仅能分析谷物湿扩散过程,适应性不理想。而核磁共振技术则具有明显优势。该技

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