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作者：張毅          

  在種蛋孵化過程中，活性是其品質(zhì)的一項重要指標(biāo)，究其原因主要是種蛋中存在部分無精蛋，浪費了大量勞動力和能源，高溫環(huán)境使無精蛋變質(zhì)且產(chǎn)生大量微生物，感染其他種蛋孵化，從而影響“活珠子”的生產(chǎn)。在實際生產(chǎn)中，主要采用種蛋入孵5～7 d后進(jìn)行人工照蛋的方法檢測種蛋品質(zhì)情況，而人工照蛋檢測費時耗力，也極易受主觀因素影響。因此在孵化過程中對其進(jìn)行的快速、無損檢測可提高種蛋孵化產(chǎn)業(yè)的自動化水平，具有一定的實用價值。

  種蛋在孵化過程中，蛋黃中的胚胎會逐漸發(fā)育，并形成大量血管，同時由于蒸發(fā)、新陳代謝等因素吸收、消耗蛋黃和蛋白的營養(yǎng)物質(zhì)，使其內(nèi)部組成發(fā)生變化�；�于此過程，目前檢測受精蛋主要是根據(jù)其光學(xué)特性、振動特性及光譜特性方面的差異，采用機(jī)器視覺、近紅外光譜分析、敲擊振動和高光譜圖像等檢測種蛋品質(zhì)。但上述研究受蛋殼顏色、厚薄等因素影響，研究仍處于實驗室階段，且大多采用復(fù)雜的處理和分類算法以克服種蛋個體差異或環(huán)境干擾所產(chǎn)生的影響，無法滿足在線智能化檢測的要求。

  近年來，熱成像技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品無損檢測的應(yīng)用發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于果蔬質(zhì)量控制、谷物質(zhì)量安全評估和異物檢測等方面。在利用熱成像技術(shù)進(jìn)行種蛋品質(zhì)檢測方面，用種蛋的熱成像來判斷受精蛋和無精蛋，結(jié)果表明，孵化期內(nèi)，受精蛋表面溫度比無精蛋表面溫度高0.3℃～1.3℃；Lin等拍攝種蛋孵化兩周的熱圖像，利用Sobel算子提取種蛋輪廓，灰度共生矩陣計算種蛋特征值以區(qū)分種蛋活性，總體識別率在90%以上。目前研究仍處于實驗室階段，試驗樣本均為單一批次種蛋，且未考慮相鄰種蛋的熱輻射現(xiàn)象。

  試驗擬采用紅外熱成像技術(shù)獲取種蛋在低溫激勵條件下的熱圖像序列，根據(jù)種蛋降溫過程中的溫度場分布特性，采用圖像增強(qiáng)方法提高不同活性種蛋的可區(qū)分性，并提取相對高溫區(qū)域面積與整體面積之比作為特征參數(shù)判別種蛋活性，試驗結(jié)果表明，該方法具有較高的識別率。

1  試驗裝置、材料和方法

1.1試驗裝置

  采用的種蛋熱成像檢測裝置如圖1所示，包括計算機(jī)、熱成像儀(型號為FLIR A615，熱靈敏度為0.05℃)、密封箱和雞蛋托盤。其中，熱像儀與計算機(jī)相連，采用BM_IR軟件獲取種蛋表面溫度信息；密封箱用于抑制周圍空氣流動不均勻所產(chǎn)生的干擾，且其溫度控制在22℃+2℃；雞蛋托盤用于平穩(wěn)放置被測種蛋，使其處于靜止?fàn)顟B(tài)。

1.2試驗材料和方法

1.2.1試驗材料

  試驗樣本：鎮(zhèn)江溫氏畜牧有限公司。

1.2.2試驗方法

  試驗樣本的孵化期為4d，數(shù)量為108，孵化箱內(nèi)溫度和相對濕度分別為38.5℃+1 ℃和57.0%±5%。試驗中將種蛋分成6批進(jìn)行檢測，為了消除種蛋從孵化箱搬至檢測裝置的時間差異性，統(tǒng)一從孵化箱取出2 min后開始采集種蛋熱圖像，采樣時間間隔為15 s，連續(xù)采集15 min記錄種蛋降溫過程。種蛋孵化7 d后，對其進(jìn)行破壞性檢測，由孵化廠員工對種蛋胚胎發(fā)育情況進(jìn)行檢測，并以此為標(biāo)準(zhǔn)與熱紅外技術(shù)檢測結(jié)果進(jìn)行對比。

2試驗流程及結(jié)果討論

  研究采用低溫激勵的方法使種蛋在特定溫度下自然降溫，并采用紅外熱成像儀記錄與分析種蛋降溫過程，其熱圖像處理過程主要包括感興趣區(qū)域提取和圖像增強(qiáng)兩部分。

2.1圖像生成

  為了使溫度信息可視化，將范圍為20℃～40℃的溫度場通過公式(1)轉(zhuǎn)換至8位灰度圖像，溫度場灰度分布如圖2所示，圖中方框標(biāo)注的為無精蛋，其余為受精蛋，圖像分辨率為640×480。

  式中：(x，y)為圖像像素點坐標(biāo)；f(x，y)為對應(yīng)點(x，y)溫度值；g（x，y）為對應(yīng)(x，y)坐標(biāo)處圖像灰度值；round為取整運(yùn)算。

2.2感興趣區(qū)域提取

  種蛋、蛋托及背景的熱傳導(dǎo)特性差異極大，而種蛋表面灰度值變化較小，與背景可分性明顯，因此采用區(qū)域增長的方法分割各種蛋區(qū)域目標(biāo)，具體為：將灰度值大于一定閾值的每個像素均看作種子點，并將與該種子點灰度值差≤4的四鄰域點歸為同一區(qū)域，最終保留面積大于4 000個像素的區(qū)域，提取的種蛋區(qū)城如圖3a所示。觀察發(fā)現(xiàn)，該方法所提取的種蛋邊緣并不規(guī)則，目標(biāo)區(qū)域提取并不完整。為此假設(shè)種蛋為橢球體，采用橢圓擬合修復(fù)種蛋缺損區(qū)域（如圖3b所示）。由于種蛋邊緣部分易受周邊物體熱輻射影響，無法準(zhǔn)確表征其實際溫度，因此，選用半徑為15.5像素的圓形結(jié)構(gòu)體對種蛋擬合區(qū)域進(jìn)行腐蝕運(yùn)算，并以腐蝕后保留的區(qū)域作為后續(xù)處理的感興趣區(qū)域（如圖3c所示）。

2.3種蛋圖像增強(qiáng)

  在自然冷卻過程中，部分無精蛋和受精蛋表面平均溫度極其接近，無法在原始圖像的基礎(chǔ)上對不同批次的種蛋活性進(jìn)行判別�；�于上述原因，擬采用圖像疊加、直方圖均衡化和高頻區(qū)域增強(qiáng)方法提高不同活性種蛋在灰度圖像上的可區(qū)分性。

  將各檢測批次圖像序列的感興趣區(qū)域進(jìn)行灰度值疊加處理，并規(guī)整化為8位圖像（如圖4a所示）。經(jīng)觀察，疊加后的圖像灰度值集中于150～255之間，采用直方圖均衡化處理拉伸對比度，結(jié)果如圖4b所示�？砂l(fā)現(xiàn)不同活性種蛋有了較高的可區(qū)分性，但同時還存在個別無精蛋（如第2行第4個）和受精蛋（如第3行第6個）灰度值差異并不明顯，這是由于種蛋擺放位置引起的環(huán)境干擾所致。為此對每個種蛋進(jìn)行局部高頻區(qū)域增強(qiáng)，以放大隱含的高頻信息，其結(jié)果如圖4e所示。

2.4種蛋的活性特征

  經(jīng)圖像增強(qiáng)后，受精蛋與無精蛋感興趣區(qū)域的灰度直方圖如圖5所示�？梢园l(fā)現(xiàn)，無精蛋熱圖像灰度值≤150的區(qū)域面積明顯大于受精蛋，考慮到種蛋大小并不相同，因此將其與整個感興趣區(qū)域面積的比值作為種蛋活性判別特征。

  以面積比為特征，采用最小錯誤率貝葉斯準(zhǔn)則選取面積比閾值區(qū)分不同活性種蛋，并探討疊加時間序列圖像的數(shù)量對檢測結(jié)果的影響，圖像疊加結(jié)果如圖6所示。可發(fā)現(xiàn)，隨著圖像疊加數(shù)量的增加，其檢測準(zhǔn)確率也隨之提高，當(dāng)疊加數(shù)量為12幅時準(zhǔn)確率已達(dá)到最大值，再疊加時間序列圖像已經(jīng)沒有價值，因此確定試驗參數(shù)為：將種蛋離開孵化箱后2～5 min之間的2幅熱圖像進(jìn)行疊加處理，即可判別種蛋活性。

 將108枚種蛋隨機(jī)等量分為校正集和預(yù)測集，其中受精蛋和無精蛋均為40枚和14枚。校正集面積比的散點圖與其正態(tài)分布概率密度如圖7和圖8所示。

  整體判別結(jié)果如表1所示，校正集和預(yù)測集判別率均高于90%。對誤判種蛋的圖像分析表明，出現(xiàn)誤判的種蛋其表面溫度特征確實與所判類別相符，這可能受其從孵化箱取出時的溫度、種蛋活性和個體差異影響所致，目前尚無法明確誤判原因。也可能是因為機(jī)器檢測在第4天，人工檢驗在第7天，期間存在活性小的種蛋在這3d內(nèi)生命體征消失的可能性。

3結(jié)論

基于紅外熱成像技術(shù)采集孵化第4天種蛋自然冷卻過程的熱圖像序列，結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)提取種蛋感興趣區(qū)域，并采用圖像增強(qiáng)方法提高不同活性種蛋的可區(qū)分性，選取種蛋感興趣區(qū)域內(nèi)灰度值≤150的面積與整個感興趣區(qū)域面積的比值為特征參數(shù)，根據(jù)最小錯誤率貝葉斯準(zhǔn)則設(shè)定閾值以判別種蛋活性，結(jié)果表明，采用該方法在5 min內(nèi)即可實現(xiàn)種蛋活性判別，且其總體判別率達(dá)到90.7%，可證明該方法可應(yīng)用于種蛋活性無損檢測，后期研究將致力于種蛋表面溫度場分布情況分析，以期在更短時間內(nèi)實現(xiàn)對種蛋活性的識別。

4摘要對孵化期為4 d的種蛋從38.5℃的孵化箱放到22℃恒溫箱進(jìn)行自然冷卻，通過熱成像技術(shù)采集時間序列圖像，并轉(zhuǎn)換成8位灰度圖。采用區(qū)域增長、橢圓擬合和形態(tài)學(xué)處理等方法提取種蛋感興趣區(qū)域；利用對序列圖像疊加和對比度增強(qiáng)的方法提高無精蛋和受精蛋灰度差異性；將種蛋感興趣區(qū)域內(nèi)灰度值≤150的面積與總面積之比作為種蛋活性判別特征，根據(jù)最小錯誤率貝葉斯準(zhǔn)則設(shè)定判定閡值，發(fā)現(xiàn)疊加2～5 min之_間的序列熱圖已有較好的判別

效果，總體判準(zhǔn)率為90.7%。研究表明，熱成像技術(shù)結(jié)合圖像處理技術(shù)，可以實現(xiàn)對種蛋活性的無損檢測。