鲐鱼片中鱼骨刺X射线图像不同增强处理技术

胡记东，年睿，林洪，曹立民*

(1. 中国海洋大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266003; 2. 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100)

鲐鱼片中鱼骨刺X射线图像不同增强处理技术

胡记东1，年睿2，林洪1，曹立民1*

(1. 中国海洋大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266003; 2. 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100)

近些年，X射线技术已开始应用于海产鱼片中鱼骨刺的检测。为提高X射线检测鲐鱼片中鱼骨刺的图像质量，进而提高残留鱼骨刺检出率，研究了6种不同的X射线图像增强处理技术(正反相线性增强；数学形态学增强；对比度增强；掩模锐化图像；高斯低通滤波；受限对比度自适应直方图均衡化)，以图像质量主观评价和检出率为指标，评价鲐鱼片中鱼刺的检测效果。结果表明，在X光机切身4检测模式下，对比度增强和掩模锐化图像两种方法为整体图像增强的最佳选择，正反相线性增强和受限对比度自适应直方图均衡化两种方法在特殊部位(腹部和鱼肉边缘)的图像处理方面也有可以借鉴应用的潜力。通过多种图像增强算法的比较，筛选得到的增强方案可以改善图像质量和提高残留鱼骨刺检出率，改善水产品加工企业X光机检测人员的视觉感受，并一定程度上降低鱼片产品鱼刺残留问题的投诉频率。[中国渔业质量与标准，2016,6(6):20-26]

鲐鱼片；X射线；鱼刺；图像处理；图像增强；检出率

鱼类产品是人们日常生活中重要的蛋白质来源，且经常食用。但其中的鱼刺误食后往往对人体产生一定危害，如因不慎误食鱼刺导致消化道黏膜受损、肠道穿孔、甲状腺肿及腹腔包块等并发症[1-3]。近些年，加工出口冷冻海水鱼片产品的市场良好，而日本、欧美等国食用鱼片产品标准不允许有残留鱼刺[4-7]。目前，国内多数水产加工企业主要靠烛光法(日光灯下)人工初次摸刺、二次摸刺、残留复检等步骤去除冷冻鱼片中的鱼刺，劳动强度大且效率低[8]。少数水产品出口加工企业被迫购置了X射线机检测鱼片中鱼刺残留，但目前专门检测海产鱼片鱼骨刺的X射线设备在国内尚未普及，且已有的检测设备也存在诸多问题。例如对于一些鱼刺细小、分布不规律的鱼种，如鲐、鲽鱼、红鱼等，容易造成漏检，消费者误食后，可能造成不良影响。

通过对X射线机成像分辨率的改进，可以提高鱼骨刺的检出率[8]，影响X射线成像系统分辨率的因素有很多[9]，目前研究者普遍通过X射线机整体设计[10]、X射线机单元配件升级优化[11-13]、X射线检测图像的增强处理[14-15]等方面提高其检测食品中异杂物的能力。其中，由于图像增强在很多实际应用场合中都具有必要性，因此一直是图像处理领域一个重要的研究课题[16]，图像增强可以针对特定图像设计，用于突出图像中某些特征。

本实验选用鱼刺相对较小，且分布规律性不强，残留鱼骨刺较为难检的鲐(Pneumatophorusjaponicus)为样本，在已有的X射线检测设备成像的基础上，从检测后序X射线图像增强处理技术着手，针对鲐鱼骨刺X射线检测图像，开发了20多种图像增强算法，并从中筛选出较好的6种进行研究，对于改进已有设备图像质量不高的情况，具有一定的应用价值。筛选出的6种相应算法也有望应用于鲆鲽、三文鱼等其他海水鱼类，具有一定的普适性和延展性。本研究可为提高鲐鱼片中残留鱼骨刺检出率，改善冷冻海产鱼片加工产品的质量提供方法参考。

1 实验部分

1.1 仪器、软件与试剂

EV-60A/D型 工业用X射线异物检测装置(日本理学株式会社，Rigaku Corporation)； TE601型 电子天平(赛多利斯)；HH-4型 数显电子恒温水浴锅(常州国华电器有限公司)；STARTER3100型 pH计(奥豪斯仪器(上海)有限公司)。其中，X射线异物检测装置选择的是EV-60A/D系列12英寸标准型号，4等分透视检测物的扫描范围，基本参数见表1。

表1 X射线异物检测装置的主要工作参数

Tab.1 Main working parameters of X-ray detection device for foreign matters

项目Item参数设定值Parametersettingvalue射线管电压设定范围15～25kV射线管电流设定范围2mA最大功率25kV～2mA焦点尺寸0.8mm×0.8mm,单焦点X射线管玻璃管X射线管冷却方式强制空冷式

Matlab R2014b 软件由美国Math Works公司出品。碱性蛋白酶由Solarbio公司生产。

1.2 材料与方法

1.2.1 鱼片样本

实验中鱼片可分为全刺/冷冻鱼片、全刺/解冻鱼片、残留刺/解冻鱼片和残留刺/冷冻鱼片等4种形态。全刺/冷冻鱼片：三枚卸(料理的一种手法，就是把整只鱼剥成三片除去中间的鱼排骨，取左、右没有鱼排骨的那两片鱼肉)操作后的原始鱼片，保留自然状态下的鱼骨刺；全刺/解冻鱼片：全刺/冷冻鱼片经过自然状态或水解冻之后的鱼片；残留刺/解冻鱼片：全刺/解冻鱼片经过人工初拔刺得到的鱼片；残留刺/冷冻鱼片：全刺/解冻鱼片经过单冻机冷冻过后的鱼片。

样本随机采自原料鲐并进行去头、去尾、去鳍、去内脏、三枚卸等初步处理。取30片全刺/冷冻状态鲐鱼片进行实验，其主要参数见表2。

1.2.2 图像采集

具体实验步骤如下：第一，将全刺/冷冻鱼片30片均匀放在托盘中；第二，给托盘编号(精确到每个样本的摆放顺序)；第三，根据待检测的鱼片种类，选择相应的X光机检测模式(切身4模式)；第四，将托盘按编号依次通过X光机进行检测并保留图像(图1中流程①)；第五，全刺/冷冻鱼片，经过冷水解冻后，编号顺序不变，依次通过X光机进行检测并保留图像(图1中流程②)；第六，全刺/解冻鱼片，经过人工初步摸刺、拔刺之后，编号顺序不变，依次通过X光机进行检测并保留图像(图1中流程③)。操作中拔出的鱼刺搜集起来，且编号同鱼片；第七，残留刺/解冻鱼片，经过单冻机速冻后，编号顺序不变，依次通过X光机进行检测并保留图像(图1中流程④)。最终得到鲐鱼片在4种不同状态下的X射线检测图像。

表2 鲐鱼片的基本参数

Tab.2 Basic parameters of mackerel fillets

对象Object参数名称Parametername参数值Parametervalue鱼片质量大小0.15kg·片-1长约30cm,宽约10cm厚度约2cm腹刺数量11～12根直径0.5～2mm长度23～54mm中刺数量16～18根直径0.5～1.5mm长度12～35mm

图1 图像采集流程①为全刺/冷冻鱼片的X光射线检测图像采集流程；②为全刺/解冻鱼片的X光射线检测图像采集流程；③为残留刺/解冻鱼片的X光射线检测图像采集流程；④为残留刺/冷冻鱼片的X光射线检测图像采集流程。Fig.1 Process for collecting images①Image acquisition process of X-ray detection for whole fishbone / frozen fish fillet； ②Image acquisition process of X-ray detection for whole fishbone /thawed fish fillet； ③Image acquisition process of X-ray detection of residual fishbone / thawed fish fillet； ④Image acquisition process of X-ray detection of residual fishbone / frozen fish fillet.

1.2.3 X射线检测图像的增强处理

本实验对鲐鱼片X射线检测原始图像进行了预处理，并编写6种不同算法进行图像增强(增强方案1：原始图像；增强方案2：正反相线性增强；增强方案3：数学形态学增强；增强方案4：对比度增强；增强方案5：掩模锐化图像；增强方案6：高斯低通滤波；增强方案7：受限对比度自适应直方图均衡化)，通过比较不同的图像处理方法对提高残留鱼刺检出率的效果，从而做出筛选。统计在不同X射线图像增强方案下不同状态的鲐鱼刺检出率，统计结果数据处理方式详见1.2.5。

1.2.4 酶解验证

现场图像采集完毕，将所有样本带回实验室并分别单个酶解，经酶解后，鱼肉变为液态，鱼骨刺被分离出来，统计每个样品中残留的实际鱼骨刺数目。具体酶解步骤参见文献[17-18]。酶解后鱼骨刺采用国际食品法典(CAC)Codex Stan 190-1995标准[19]进行判断，具体判断准则为：如果一个鱼骨刺长度小于或等于5 mm，且直径不超过2 mm，则不被认为是一个缺陷；残留在切割面上用于连接鱼刺和脊柱的部分，因切割形成的鱼骨碎片如果其宽度小于或等于2 mm，或者它可以很容易地用指甲剥离，可以忽略。

1.2.5 鱼骨刺检出率的计算

鱼骨刺的检出率分全刺状态和残留刺状态下的两种检出率。其具体的计算方法参见胡记东等[20]的研究。

1.2.6 图像质量评价

图像质量判断分为主观和客观判断两种，主观判断是指直接肉眼观察图像并对图像质量进行好坏评价，客观判断是指采用图像均值、信噪比等性能指标作为参数评价图像质量[21-22]。本研究利用人为主观评价和以残留鱼刺检出率为指标的客观评价相结合的形式对增强后的图像质量进行评价。

2 结果与分析

2.1 全刺/冷冻鱼片经不同的X射线图像增强方案处理后的图像分析

全刺/冷冻鱼片经不同的X射线图像增强方案处理后的图像如图2所示。选择图2中的左图鱼刺相对较多，分布较为清晰的区域，用红色框圈标识，右图即为左图红框区域放大效果图。通过人为主观评价，全刺/冷冻鱼片原始检测图像，图像整体质量一般，鱼肉和背影及鱼刺有一定的灰度区分(图2A)；正反相线性增强的图像，腹部鱼刺与鱼肉背景灰度区分十分明显(图2B箭头所示)；受限对比度自适应直方图均衡化的图像，鱼片边缘部位灰度低，与鱼刺对比明显(图2G箭头所示)。不同增强处理图像的特点及适用度见表3。

2.2 不同产品形态的鱼骨刺检出率

由表4可以看出，本次统计，在方案A(原始图像)的状态下，残留刺解冻状态下的检出率低于90%；每种图像增强方案下，冷冻状态的鱼骨刺检出率均高于解冻状态时的检出率；残留刺的检测误差高于全刺检测；残留刺的检测，只有方案D和方案E的检出率高于方案A，其中方案D的检出率均高于100%；全刺的检测，方案B、方案D、方案E和方案G的检出率和方案A基本一致；方案C和方案F效果不理想；4种不同状态下，鱼骨刺的检出率均在90%以上的是方案D(对比度增强)和方案E(掩模锐化图像)。

3 讨论

不同的增强方案表现出不同的增强效果。数学形态学增强和高斯低通滤波两种增强方案，其增强图像整体质量不高，视觉模糊，肉和刺的灰度区分度不大，检出率低于原始图像，检测效果不理想；正反相线性增强方案，其增强图像腹刺与鱼肉背景差异十分明显，虽然由于腹部靠近头部第1根刺或者说头刺部分亮度过高，无法显示，造成残留刺检出率较低，但是此方案对于腹部鱼肉较厚的鱼片种类具有应用潜力；受限对比度自适应直方图均衡化方案，其增强图像中刺靠近头部区域灰度堆积，检测残留时也由于鱼刺与某些地方的灰度接近而被忽略，尤其是中刺残留，但鱼肉背景的边缘部分，灰度降低，增加了与边刺的对比，因此，有利于带边缘刺残留的鱼片的检测，如虹鳟、鲑等。对比度增强和掩模锐化图像两种方案，其增强图像清晰度高，读图感受舒服，整体效果较好，且检出率均高于90%，且相对原图有所提高。

产品形态对检测效果有一定的影响。全刺图像的增强技术，每种增强方案都可以达到90%的检出率，而残留刺则符合条件的较少，主要原因可能是因为全刺状态时，鱼刺分布区域规律，鱼刺较大，且相互之间对照映衬，一些不易发现的鱼刺根据周围对比对照，也可以有判断的依据；残留刺的分布无规律，且鱼刺多为断刺和难检刺，加之此时鱼肉组织杂乱，判定十分困难，所以误差较大，方案难以体现效果。在遇到投诉或者检出率的技术指标时，应注意是残留刺的检出率还是全刺的检出率。冷冻状态下的鱼骨刺检出率高于解冻状态，原因可能是因为解冻状态时，鱼肉组织杂乱，部分组织在X射线检测图中和鱼刺的纹理和灰度十分接近，导致人为判定时，会将该处的鱼刺忽略掉；而冷冻后，鱼肉组织重新恢复一定形态，较为容易和鱼刺进行区分。因此，对于销售出口时容易出现残留的鱼片，残留刺解冻状态下通过X射线机检测后，可以尝试二次冷冻再通过X射线机进行检测。

图2 不同的X射线图像增强方案处理后的全刺/冷冻鱼片图像

Fig.2 Pictures of whole fishbone / frozen fish fillet after different X-ray image enhancement processing

表3 全刺/冷冻鱼片图像在不同的X射线增强处理后的图像特点及适用度

Tab.3 Features and applicabilities of images of whole fishbone / frozen fish fillet by different X-ray enhancement processing

增强方案Enhancementscheme图像特点Imagefeature适用度DegreeofapplicabilityA稍显模糊,鱼肉和背影及鱼刺有一定的灰度区分,整体质量一般。较为适用B腹刺与鱼肉背景差异十分明显,但腹部靠近头部第1根刺或者说头刺部分亮度过高,无法显示,该部分容易残留鱼刺。适合全刺C整体质量不高,视线模糊,判断费力,部分难检刺直接被模糊化。不适用D噪点多,但清晰度高,读图感受舒服,检测残留刺时,假阳性高,但高假阳性可以控制,当然也有利于安全。适用E比方案4的噪声小,但整体质量不错,稍微好于原图,原图中个别难检刺在该方案里可以基本检测出来,是原图的一种提高。适用F鱼刺与鱼肉组织缝隙的白度接近,不易区分,容易忽略一些特殊部位的刺。不适用

续表3,Tab.3 continued

表4 鲐鱼骨刺在不同图像增强方案下的X射线检出率

Tab.4 X-ray detection rate of chub mackerel’s fish-bone after seven image enhancement processing %

在残留鱼刺X射线图像处理方面，本研究与已有研究的不同之处在于，其他研究多采用某种特定算法进行图像处理，如钟锦敏等[14]针对鱼刺图像的特点和检测目的，提出了一种canny算子结合小波变换的检测方法，可有效抑制鱼肉厚度、鱼块边缘等无用信息，准确检测出残留鱼刺的位置，但该算法只用于鱼刺位置定位且检出率只有83%。Han等[23]尝试运用图像预处理和粒子群聚类算法来检测鱼骨刺，比较有效，检出率在90%左右，但并没有给出相关检出率计算方法等，也没有对图像中鱼刺真假性进行判断。Mery等[24]研究设计了一种X射线自动检测设备并开发一种局部特定区域精密算法应用于鲑形目鱼肉中鱼刺检测，声称判别鱼刺的准确率高达99%[25]，主要在于其检测鱼种鱼刺形态较大，检测图像清晰度高，利用已有鱼刺标准模型进行摆放检测且只检测某个特定区域，因此比较容易，但是并没有很好地结合生产实际。

本研究选取鱼刺较为细小，容易出现残留的鲐为样本，检测难度较大，因此检出率变化幅度大；通过酶解验证实验，可以准确统计鱼片中残留鱼刺的数目，该计算残留鱼刺检出率的方法更加真实精确；针对X射线检测图像整体进行增强处理，采用多种算法且每种算法均为多种特定算法的组合，增强方法比较更为完善；对图像质量进行了人为主观评价和以检出率为指标的客观评价，评价方式更加科学。

4 结论

以实际生产中常见的残留刺解冻鱼片的检出率为参考，研究X射线图像不同增强处理技术对鲐残留鱼刺的检出效果，发现对比度增强和掩模锐化图像两种方法为整体图像增强的最佳选择，可有效改善肉眼读图的视觉感受，提高舒适度，并有效提高残留鱼骨刺检出率。正反相线性增强和受限对比度自适应直方图均衡化两种方法在鱼片特殊部位(腹部和鱼肉边缘)的图像处理方面也有可以借鉴应用的潜力，可以应用于腹部鱼肉较厚，带有边缘刺的鱼片的检测，如虹鳟、鲑等。本研究初步发现鱼片的冷冻与解冻状态对于检出率有一定的影响，后续将针对该问题进行深入研究。

今后，可针对特定鱼种选择特色增强方案，如显著性计算、彩色增强、视觉注意、多尺度检测及机器学习等。当然，X射线检测技术发展十分迅速，尤其是在工业设备缺陷检测等领域，催生了很多新兴的图像处理技术，后续研究会逐步完善已有图像增强技术的算法并尝试将部分工业设备缺陷检测的新兴图像处理技术应用到鱼骨刺检测上。

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The different enhancement processing technology on X-rayimage of fish bone in fish-fillets of chub mackerel

HU Jidong1, NIAN Rui2, LIN Hong1, CAO Limin1*

(1. College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266003, China;2. College of information science and engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In recent years, X-ray technique has been used in the detection of fish bone in fish-fillets of marine fish. In order to enhance the X-ray image quality for detecting fish bone, and improve detection rate of fish bone residue, the X-ray image of fish bone was studied by six different enhancement processing technologies (positive and negative phase linear enhancement, mathematical morphology corrosion expansion, contrast enhancement, mask sharpening image, gauss low pass filter, and constrained adaptive histogram equalization) for evaluating detection effect of fish bone in fish-fillets of chub mackerel based on the indexes of subjective evaluation of image quality and detection rate of fish bone. The results showed that contrast enhancement and mask sharpening image were the best choice for enhancing the overall image under 4 detection parameter modes, and positive and negative phase linear enhancement and constrained adaptive histogram equalization had also a potential application in the treatment of special site (abdomen and fish edge). By comparing different image enhancement algorithms, the screened enhancement scheme can improve the X-ray image quality and the detection rate of fish bone, improve inspector’s visual cues in X-ray apparatus in aquatic products processing enterprises, and further reduce complaint rate for fish bone residue in fish-fillets.[Chinese Fishery Quality and Standards, 2016, 6(6):20-26]

fish-fillets of chub mackerel; X-ray; fish bone; image processing; image enhancement; detection rate

CAO Limin, caolimin@ouc.edu.cn

2016-07-08；接收日期：2016-09-24

现代农业产业技术体系专项资金资助(CARS-50)

胡记东(1991-)，男，硕士，研究方向为水产品无损检测，hjdong521@126.com 通信作者： 曹立民，教授，研究方向为食品质量安全控制，caolimin@ouc.edu.cn

S98；TS2

A

2095-1833(2016)06-0020-07