使用DigiEye數(shù)字彩色成像系統(tǒng)（電子眼）

分析果蔬湯的顏色和外觀

Gerard van Dalen, Faisal Osman, Aat Don

聯(lián)合利華研發(fā)部; P.O. Box 114, 3130 AC Vlaardingen, The Netherlands

韻鼎應用研發(fā)部：Rm1501, BL1,Lane 388, Zhongjiang RD, Shanghai, China

摘要

聯(lián)合利華食品研發(fā)科學家,、廚師和工程師們的共同目標是：在保持產品安全性的同時,，發(fā)展出以天然水果和蔬菜為主的菜湯,，且具備最佳的風味,、質感,、外觀和健康益處,。而顏色和外觀在感知質量（如營養(yǎng)和新鮮）方面有著重大的影響,。本文介紹了一種能測定含有蔬菜粒的湯類顏色的方法,，即在受控的照明條件下，使用DigiEye成像系統(tǒng)捕捉樣品的數(shù)碼影像的方法,。它通過色度數(shù)字化來準確記錄樣品的影像和外觀,，亦適用于測量顏色均勻性、大小和形狀,。實驗使用不同的參考樣品和湯類樣品,，來研究漫反射、定向照射兩種模式下照明的均勻性。為了進行精確的色彩分析,，必須進行均勻性校正,，并將樣品固定于光源箱樣品臺中心以外的一個位置，然后測量顏色,。使用定向照射模式（附加反光鏡,，產生定向光線）模式，可清晰顯示樣品光澤,，這樣生成的樣品影像就非常接近湯和蔬菜顆粒的實際外觀,。在漫照射模式下，有光澤的湯類樣品的影像上會出現(xiàn)黑斑,。湯樣品在漫照射、定向照射模式下的顏色值差異較小,。不過在定向照射模式下,，測試結果的重復性更好。此外,，分別使用DigiEye系統(tǒng)和兩種結構的色度計（0°/45°和d/0°結構）測量36種不同的湯,，再比較分析它們的測量結果。研究發(fā)現(xiàn)：DigiEye系統(tǒng)測得CIE Lab值,，與兩種色度計的存在著線性關系,；且DigiEye系統(tǒng)和0°/45°色度計間的相關性最好（r²= 0.980-0.996）。從短期精度來說,，DigiEye系統(tǒng)略優(yōu)于這兩種色度計,。

引言

食品必須是悅目的、美味的,、健康的,，因此顏色是食品的一個關鍵屬性。食品的整體外觀強烈地影響消費者對食品的感知,，以及最終的消費,、享受和購買行為。對消費者而言,，他們偏好顏色鮮艷的水果和蔬菜,。食品的顏色和外觀對消費者的感知質量（如新鮮度）的影響很大。褐變或泛黃的未加工綠色蔬菜,，如西蘭花,，則不受消費者歡迎。加工處理綠色蔬菜,，有可能將它們變成喪失吸引力的暗橄欖綠色（葉綠素的降解）,。顏色或許能評估過度加工（熱處理），以及伴隨的營養(yǎng)物分解和利用率的變化。消費者對顏色的感知,，不只影響對產品外觀的解讀,，而且還延伸到產品的風味和對整體質量的感知。如根據(jù)番茄湯的顏色,，判斷它是奶油風味或番茄風味[1],。對顏色、質地的感知,，最終可聯(lián)系到它的營養(yǎng)價值,。

以水果和蔬菜為主的湯，是人類一個重要的營養(yǎng)來源[2],。顏色能反映特定抗氧化劑和其他植物化學物質的存在情況,，這些物質能中和人體內的自由基（如番茄中的番茄紅素、及在胡蘿卜和南瓜中的β-胡蘿卜素）,?？茖W營養(yǎng)協(xié)會間有一個共識，即我們的飲食應該盡可能地豐富多彩,，以獲得抗氧化劑帶來的最大益處和保護,。食品研究旨在保持產品安全性的同時，開發(fā)具備最佳的風味,、質感,、外觀和健康益處的果蔬湯。

通過目視進行色彩評估是一個主觀的,、不可控的方法,，比如說評估結果會隨觀察者和觀察條件的改變而變。使用儀器,，如色度計或分光光度計,，可以很容易地測量樣品顏色[1,3]。對于均勻,、不透明,、具有光滑表面的材料，儀器測量得到的顏色都非常接近到消費者所感知的色彩,。然而,，只有極少數(shù)食品的顏色是真正均勻的。何況食品表面的紋理,、光澤,、形狀及狀態(tài)具有多樣性，這都深刻影響了人們對色彩的感知,。

本文針對含有水果和蔬菜顆粒的湯類產品,，描述了一種集彩色影像采集和分析為一體的方法的發(fā)展過程,。這些影像上的樣品顏色必須精確，且與目視外觀一致,，還可直接,、實時比較全球各地所生產的產品，以研究工藝參數(shù)的影響和貨架期內顏色的穩(wěn)定性,。這些影像還能用于色彩均勻性,、大小、形狀和結構分析,，以及通訊傳輸和存檔,，進行屏幕操作和人工顏色替換。雖然使用平板式掃描儀（FBS）或攝像頭系統(tǒng),，也能獲得精確的彩色影像,，但FBS僅適用于相對較薄的平面樣品如大米[4]或紡織品[5]。對于湯和蔬菜顆粒,，Verivide公司所生產的DigiEye彩色影像系統(tǒng)已被使用,，該系統(tǒng)是為紡織行業(yè)[6,7,8]設計開發(fā)的，最近也被越來越多地應用在食品工業(yè),，如雪花肉的測量、魚類宰殺保鮮方法,、加工食品,、水產品貨架期評估等等領域。一般而言,，色彩分析需要一個均勻的漫照射條件,，這樣就能避免在圖像中引入明亮的鏡面反射光。但是,，在這樣條件下得到的樣品影像發(fā)暗,，表面紋理不清晰，亦并不適合于外觀分析（圖1）,。使用定向照射模式（附加反光鏡,，產生定向光線），可清晰顯示樣品光澤,，這樣生成的樣品影像就非常接近湯和蔬菜顆粒的實際外觀,。在這項研究中，研究了這些圖像能否用于色彩分析,。

圖1 不同照射模式下番茄/甜椒湯的圖像[漫照射模式（左）和定向照射模式（右）],。圖像大小= 10cm*10cm。

實驗過程

使用英國VeriVide公司的DigiEye成像系統(tǒng)和尼康D70數(shù)碼相機,、尼康35mm的F/2 D型鏡頭,，在受控照明條件下獲得樣品的數(shù)碼影像,。照明柜（光源箱）提供標準的漫照射條件，將反光鏡固定于光源箱頂部合適的位置（圖2）,，兩支VeriVide D65熒光燈管（人造日光）發(fā)出的光就能沿45°方向定向照射樣品【已加入LED燈以便更精確地模擬D65光源（包括紫外部份）】,。改變反光鏡的位置，就能改變D65光線的定向照射角度,。因為目視外觀與光澤密切相關,，借助于反射鏡，就能把樣品表面的光澤清晰地展示在圖像中,。

圖2   湯類成像原理圖（DigiEye系統(tǒng)的光源箱內部前視圖）

相機的設置為：定向照射模式選1/13秒,、F/6.3，漫照射模式選1/8秒,、F/6.3,，感光度為ISO200。對于每幅圖像,，均保存一個12像素位數(shù)的原始文件（NEF無損壓縮）和一個TIF格式文件,，并選擇Adobe RGB色彩空間（模式2）。使用Gretagmacbeth白平衡（WB）卡校正白平衡,。使用一塊DigiEye灰色鋁合金板（30×42cm²）和愛普生inkjet S041328白色優(yōu)質啞光照片紙（33×42cm²,，251g/cm²，ISO亮度是93％,，不透明度是97％）校正均勻性,。圖像分辨率是3008×2000像素，對應大小為34×22cm²,。使用DigiTizer（DigiEye）彩卡校準相機（DigiEye軟件使用35×3多元多項式擬合相應的RGB值至目標的已知CIE XYZ值）,。容器為特制的鋁制灰色涂層容器，其內徑為9.5cm,，將樣品倒入容器至厚度分別為1cm,、2cm和3cm。對于均勻樣品,，測量容器內5cm×5cm的區(qū)域,。使用DigiEye軟件的DigiPix工具（版本3.4.2）得到測量區(qū)域的平均CIE Lab值，及使用Leica QWIN Pro程序（版本2.4）得到平均R,、G和B值,。

使用1.0mm*1.0mm孔徑的篩子篩湯，并用自來水沖洗剩下的蔬菜顆粒,，并將其分布在36cm * 26cm的灰板上（圖3）,。使用DigiEye系統(tǒng)在室溫下捕捉樣品、濾液和殘渣的影像,。

圖3從意式蔬菜湯中分離出蔬菜顆粒,，使用定向照射模式獲得圖像

測試使用的樣品是購買的含有水果和蔬菜塊的湯（罐裝,、袋裝或袋裝）。大多數(shù)蔬菜湯中蔬菜是以蔬菜泥形式存在（由稀到稠）,，少數(shù)是以肉汁清湯形式存在（含水分較多）,。這些湯中可能含有的顆粒從非常小（如含量較低的香草）,，到大包裝湯中含有高達50％的蔬菜塊和面條,、谷物和肉類等成分。只有很稠的湯,，才能被視為不透明樣品,，目視所見皆為反射光，其他湯類或多或少是半透明的,。即使是清湯,，因存在非常小的散射粒子，也不是*透明的,。由于半透明樣品的顏色會隨著光程長度的改變而變化,，所以當樣品杯內樣品不夠厚時，部分入射光會照射到杯底,，測量結果是樣品,、背景的綜合色。因此,，要么加大樣品厚度至不透明,，要么固定樣品厚度，從而保證測量結果的一致性,。分別將稀、稠奶油湯及清湯倒入容器至不同厚度,，并將容器放置于光源箱樣品臺上一個固定位置,，然后拍攝樣品影像，并分析樣品厚度對顏色的影響,。

使用Hunterlab色度計（Labscan ）和美能達色度計（CR400）各一臺測量樣品的顏色,，并比較測試結果。在CIE D65光源,、10°觀察者下,，使用標準白反射板、標準黑反射板來校正Labscan（0°/45°）,，測量孔徑為50mm（2.00英寸）,，照明面積為44mm（1.75英寸）。使用紅瓷板,、綠瓷板作為參考板：CRM編號為400的番茄紅BCR瓷板（D65/10°：L*=31.1,，a*=43.5,，b*= 32.2，生產機構為Institute of Reference Materials and Measurements, Belgium）和編號為14161的Hunterlab綠瓷板（D65/10°：L*= 52.3,，a* = -25.7,，b* = 13.9）。對樣品輕輕攪拌（防止引入空氣）后,，裝滿內徑58mm,、高37mm玻璃樣品杯，直至樣品表面平滑,，且從杯底看,，樣品是不透明的。將樣品杯置于儀器測試口上面,，并用黑光罩罩?。ǚ乐故覂拳h(huán)境光線進入測試口）。

在CIE D65光源,、2°觀察者下,，使用標準白反射板校正美能達CR400色度計d/0°（包含鏡面反射）。再將液態(tài)樣品專用測量頭（測量面積為8mm）放入一個充滿了湯的玻璃樣品杯（內徑58mm,、高37mm）,。

結果

為了檢查DigiEye系統(tǒng)生成影像的均勻性，對灰色鋁板（由DigiEye提供的標準件）和白色啞光照片紙進行拍攝,。這些均勻參考板能覆蓋整個成像區(qū)域,。從圖4可以看出，鋁板的非均勻性遠大于白紙（注意LUT的差異）,，但在漫照射模式下二者就差不多了,。使用DigiTizer軟件對鋁板或白紙作均勻性校正，可獲得較好的均勻分布,，但它們間的差異較大（見表1）,。使用白紙進行校正，色彩更精確（色差較低）,。白紙的反射性質可與那些校準標板的媲美,。可將各種不同的白色相片紙（有光澤的,、啞光的之間無顯著差異）作為均勻板,，不過要均勻和足夠厚（250g/cm²）。

圖4　分別使用DigiEye成像系統(tǒng)在漫照射,、定向照射模式下拍攝兩個不同的均勻樣品,，其光強度的空間分布（每個像素的平均RGB值）

表1標樣在均勻性校正前、后的平均RGB值（鋁板,、紙的測量面積= 34×22cm²,，白平衡卡的測量面積=26×17cm²）,。對DigiTizer彩色校正板，測量了邊緣上的15塊白色色塊,。色差值為測量值和預測值間的差異,。（注：**指飽和）

將一個裝滿樣品的容器（深2cm）放置于光源箱樣品臺上15個不同位置，使測量面積（5*5cm²）覆蓋整個成像面積,，來檢查湯在不同位置處影像的均勻性,。兩個篩過的稠奶油湯（視為不透明）的測試結果如圖5所示。將番茄湯放置于光源箱樣品臺中心處,，漫照射模式下測得的RGB值較低,，尤其是G、B值,。由于這個位置正處于攝像機的下方,，樣品表面有光澤時，影像上就會出現(xiàn)一個暗斑（圖11）,。攝像機鏡頭則位于光源箱頂部一個黑色開口（在光源箱的灰色內表面上有一個9×12 cm²的區(qū)域,，見圖2）。對定向照射模式,，影響則非常小,。在白色蘆筍/花椰菜/芹菜/洋蔥湯的影像上，RGB信號的分布更均勻,，影像中心未出現(xiàn)暗斑（圖5）,。光線照射強度的空間分布取決于湯表面的反射特性。

圖5 樣品的強度空間分布,。均勻性校正后,，使用DigiEye系統(tǒng)分別在漫照射（左）、定向照射（右）模式下獲得已過濾的紅番茄湯,、白色蘆筍/花椰菜/芹菜/洋蔥湯的影像,，計算不同位置處RGB和平均RGB^®之間的絕對差異。對番茄湯,，漫照射、定向照射模式下測得L*a*b*值（CIEDE2000）的最大偏差^®分別是1.5和2.1,；而白湯則分別是0.6和0.9,。 ^®表示不包括光源箱樣品臺中心處的測量。

為準確測量顏色,，需將樣品固定在一個位置,。將樣品杯放在光源箱樣品臺上3個不同的位置，測量樣品上光線分布情況（圖6）：在成像區(qū)域的邊緣（x = 6cm）,，剛好避開暗斑處（x= 10cm）,，及在正中央（x= 18cm）,。在樣品杯的邊緣，光照強度較低,。在6cm處,，均勻性校正亦不足以將光照強度均勻化；而在18cm處,，出現(xiàn)了一個較低光照強度的暗斑,。10cm位置處，則是一個光照強度恒定的最大區(qū)域,。在這種情況下,，可取一個直徑約5cm的區(qū)域用于顏色測量。

圖6用白紙作均勻性校正后,，番茄湯在漫反射,、定向照射模式下的RGB強度分布圖（平均100像素）。計算中心線（x）上像素和10cm處中心位置處的像素（定向照射模式下R=121,，G=31,， B=10；漫照射模式下R = 126,，G = 45,，B= 27）之間的RGB值差異。

測量不同湯的顏色時,，樣品杯的深度分別為1cm,、2cm和3cm。每個樣品杯裝滿樣品后,，分別在漫照射,、定向照射模式下各測量2次；整個測量過程重復3遍,，每一遍均分別執(zhí)行白平衡,、均勻性校正和相機校正。從而可確定樣品厚度,、照明模式對測量結果的影響,，以及測量重復性（r）。實驗樣品有3種不透明度很高的奶油濃湯,，以及2種半透明的蔬菜清湯,；這些湯都被篩過以去除蔬菜粒子。使用差異分析方法計算精度,，及各種因素的影響程度,。平均結果及置信區(qū)間如圖7所示。對于清湯而言，樣品厚度對測量結果具有顯著的影響（F值偏大）,，如a*,、b*值會增加（顏色更趨飽和）。對于奶油湯而言,，樣品厚度對測量結果影響較?。粚t色番茄湯,，無論是定向照射,，還是漫照射，a*值隨厚度的變化發(fā)生明顯變化,。為了保證顏色測量結果的一致性,，取內深2cm的樣品杯；若使用深3cm的樣品杯,，且樣品未裝滿樣品杯,，則杯壁會引起陰影，從而影響測量結果,。定向照射和漫照射兩種模式測得的平均CIE Lab值間的差異不明顯,。精度如表2所示，由表可知定向照射模式下L*,、b*值的標準偏差更小,，故定向照射模式比漫照射模式更準確。

圖7   已篩過的紅番茄湯,、綠豌豆湯,、白色蘆筍/花椰菜/芹菜/洋蔥湯和兩個蔬菜湯（肉湯1、2）分別在定向照射,、漫照射兩種模式和3種樣品厚度下的CIE色度參數(shù),。每個厚度下樣品（n= 6）顏色的平均值與每個樣品顏色的平均值（n=18）之間的CIE DE2000色差[9,10]。

表2   已篩過的3種奶油濃湯和2種清湯在兩種模式下的CIE色度的精度（S₁為短期重復性（r₁）的標準偏差,，S₂為測量過程間重復性（r₂）的標準偏差）,。

為了驗證方法的可行性，取36種不同的奶油湯,，每種各兩份,，分別在DigiEye系統(tǒng)的定向照射、漫照射兩種模式下測量,，再在兩種不同結構的色度計：Hunterlab Labscan 和美能達CR400下測量,。已篩過湯的代表性圖像如圖10所示，湯中還可能含有少量香草片,。Labscan的光學結構是0°/45°,，CR400為d/0°（包含鏡面反射）。0°/45°光學結構的色度計的測量結果能更好地與產品的目視外觀匹配,。使用0°/45°結構光度計進行目視評估和色彩分析時,，有光澤樣品的顏色可能會比無光澤樣品的更暗、更飽和,，即使它們的顏料濃度相當,。d/0°結構色度計，在包含鏡面反射模式下測量,，能盡量弱化光澤,、紋理和方向性對測量結果的影響。樣品的顏料濃度相當,，但光澤性不同,，目視外觀也不同，便可比較測量結果的差異,。雖然Labscan（10°）和CR400（2°）使用不同的CIE標準觀察者,，但對CIE Lab測量值影響很小。

DigiEye系統(tǒng)和Labscan,、CR400測得的CIE Lab值之間存在線性關系,。然而，發(fā)現(xiàn)在DigiEye和Labscan之間的線性關系更好（圖8）,?；貧w參數(shù)如表3所示。無論如何,，不能直接比較DigiEye和Labscan的測量結果的絕對值,。只有結構相同的色度儀才可直接進行比較（最好來自同一品牌和型號）。對儀器間的一致性,，DigiEye系統(tǒng)可以使用湯樣品校準,。DigiEye和Labscan測得XYZ值相關性很好（r²= 0.997，見表3）,。顏色測量主要用于估計樣品之間的差異（例如,，經(jīng)處理或貯存后）。色差是兩個顏色值在CIE三維色度空間對應坐標間的歐幾里德距離,，CIE DE2000色差計算公式[9,10]也考慮了人的眼睛對色彩的識別能力（包括飽和度和色調）,。不管兩個顏色位于在色彩空間的哪個位置，若它們間的CIE DE2000色差約1.0,，則代表兩個顏色之間剛好有明顯的區(qū)別,。圖10中所示顏色相近湯樣品間的色差如圖9呈示。DigiEye系統(tǒng)的辨別力可媲美Hunterlab Labscan ,。

圖8  DigiEye（定向照射模式）,、Hunterlab Labscan 色度計測得樣品的CIE Lab值對比圖（虛線：95％置信區(qū)間）,。

圖9   在驗證性研究（圖10）中，分別使用DigiEye（定向照射模式）,、Hunterlab Labscan 色度計測量顏色相近的湯,，兩種儀器測得樣品間色差比較（虛線：y=x±1）

圖10用于驗證性研究的湯樣本的圖像（5cm×5cm，按顏色排序）,。圖像是在定向照射模式下獲得,，并測量CIE Lab值（L*/a*/b*）。

直接比較定向照射,、漫照射兩種模式的測量結果,，可發(fā)現(xiàn)：b*值間差異較小，而a*值間相關系數(shù)值較低（見表3）,。對于a*值,，DigiEye（漫照射模式）和Labscan的相關性低于定向照射模式的（即DigiEye定向照射模式與Labscan間的相關性）（r²分別為0.94、0.98）,。對幾個有光澤的深色樣品而言,，在漫照射模式下可觀察到黑斑，從而導致CIE Lab值較低（圖12）,。為了實現(xiàn)驗證性研究,，只測量黑斑以外區(qū)域的顏色。

表3   對于測得CIE Lab值,，將DigiEye系統(tǒng)分別和Hunterlab Labscan,、美能達CR400色度計關聯(lián)，得到回歸參數(shù),。

圖11 紅色陶瓷番茄板（上方）和篩過的番茄湯（狹縫）分別在漫照射（左）,、定向照射（右）模式下的圖像。圖像大小= 10cm*10cm,。

圖12 光照條件對棕色豆湯上暗紅色區(qū)域的影響,。左圖、中圖為漫照射模式,，右圖為定向照射模式,。紅色區(qū)域外：L*=44.9，a*=12.7,，b*=23.1,；紅色區(qū)域內：L*=40.5，a*=11.5,，b*= 31.2,。

結論

DigiEye系統(tǒng)可用于含有水果和蔬菜顆粒的湯類的顏色、外觀的分析,。為與湯和蔬菜顆粒的實際外觀相匹配,，應采用定向照射模式（附加反光鏡,，產生定向光線），可清晰顯示樣品光澤,。表面有光澤的湯在漫照射模式下的影像會出現(xiàn)暗斑現(xiàn)象,。湯樣品在漫照射、定向照射模式下的顏色值差異較小,。在定向照射模式下，測試結果的重復性更好,。對36種不同的湯樣品而言,，DigiEye系統(tǒng)測得CIE Lab值，與兩種不同結構色度計（0°/45°和d/0°結構）的測量值存在線性關系,。且DigiEye和0°/45°色度計之間的相關性最好（r²=0.980-0.996）,。對短期精度而言，DigiEye系統(tǒng)比這些色度計更好一些,。

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