基于手机拍照和ImageJ软件的大米外观形状参数的测定

徐炜桢 许 东 林亲录 吴 伟 董 界 俞淑芳 殷月芹 阳 芬

(中南林业科技大学食品科学与工程学院;稻谷及副产物深加工国家工程实验室，长沙 410004)

稻米是我国65%以上人口的主食。大米的形状参数中长度、宽度、长宽比、碎米率等是衡量稻米外观品质的重要指标之一[1]。如GB/T 17891—2017中对籼稻粒型进行了分类，分长粒(>6.5 mm)、中粒(5.6～6.5 mm)、短粒(<5.6 mm)[2]。国际中仍采用人工检测的方法进行测定，例如对大米的长度测定时，人工随机取10粒完整无损的稻米平放于测量板上，头对头，尾对尾，不重叠，不留间隙地紧靠直尺排成一行，读出长度，求出的平均值即为稻米的长度[3]。利用同样的方法，让10粒稻米肩并肩，测出稻米的宽度，这种人工检测的方法获得的参数有限，并且有一定的主观性、测定的效率低、误差较大、可重复性较差。

随着计算机技术的发展，计算机视觉技术在农产品品质检测领域有着广泛的应用前景，它以图像处理技术为核心，在计算机和图像处理技术的基础上产生的，其利用相机代替人眼获取图像，再用电脑对目标物体进行识别和分析[4]。其在大米外观品质分析中有一定的应用，例如郑华东等[5]利用计算机视觉技术对大米裂纹进行检测，但这过程需要用到复杂的数学计算公式；刘光蓉等[6]利用改进的直方图均衡化算法对图像增强后，利用直方图求出最佳阈值对图像进行二值化，最后用八邻域分析法提取稻米轮廓；袁佐云等[1]对利用计算机图像处理技术检测稻米粒型的方法进行了探索, 设计了一种利用稻米轮廓的最小外接矩形(MER)计算粒型的方法；包晓敏等[7]分析了使用Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子及模板匹配法和快速模栩边缘检浏法对大米轮廊进行边缘检浏, 并通过对大米图像的分割实验, 验证了快速模糊边缘检浏法最为有效，这些方法虽然能够测出大米外观品质特征量，但是方法不易推广，实现过程繁琐，需要较深的数学和计算机背景知识。ImageJ软件由美国国立卫生研究院开发，是功能强大、可免费获取的图像处理软件，已经在生物学单分子领域获得广泛应用[8]。

在本研究中，用手机对大米进行拍照，通过ImageJ软件对图像处理和分析，能够获得大米的面积、周长、长度、宽度和圆形度等参数。其中，拍照时，放一把尺子是准确获取尺寸的关键，可实现像素尺寸和实际尺寸的换算。同时对东北大米和湖南大米进行对比分析，以研究该方法在大米外观品质相关特征量的测定上的应用价值。

1 材料与方法

1.1 实验材料

东北大米、湖南大米。

1.2 实验设备

具有拍照功能的手机(像素300万以上，具有微距功能更佳，本实验采用iPhone7 plus机型)；刻度直尺；黑色实验桌面；数据线；具有ImageJ软件的电脑；JMWT12大米外观品质判定仪。

1.3 方法

1.3.1 图像采集

将150～200粒大米米粒小范围分散至黑色实验桌面上，米粒之间尽量不要有重叠。拍照时，需在拍照区域内放一把直尺，这是准确获取大米尺寸参数的关键，可实现像素值与实际距离的转换。以东北大米为例，拍照结果如图1所示。通过3个步骤可以获得大米米粒形状参数：1)在直尺上沿刻度画一定长度的直线(如2 cm)，然后通过命令Analyze→Set Scale设定标尺，然后在窗口处设定实际长度和单位。2)调节图像对比度和临界值，用于区分白色大米和黑色背景。先通过软件命令：Image→Type→8bit，将图像转变为黑白图，然后通过Image→Ajust→Brightness/Contrast→Auto打开窗口后自动调节对比度，最后通过Image→Ajust→Threshold调整临界值，使米粒轮廓与背景明确分开，结果如图2所示，经过调节后大米米粒为红色，背景为黑色。计算后也获得了所有的大米米粒轮廓，如图3。3)点击命令自动给

图1 东北大米原始图片

图2 调整临界值后的图片

出数据结果。打开Analyze→Analyze particles设置窗口，将待测尺寸范围设置为0.01～Infinity，点击OK设定待测范围大于0.01 cm2，是为了进一步与背景噪音分开)。

图3 东北大米的轮廓图

1.3.2 数据处理

按照1.3.1图像采集的方法，将图像导入电脑后，用ImageJ.exe 软件打开图片，设定图像标尺、调节图像对比度和调整图像临界值，使用Analyze particles 插件自动计算出大米米粒的形状参数数值，包括长度、宽度、周长和面积，将数值导入excel 和origin中对数据结果统计分析。

1.3.3 外观品质参数的计算分析

大米的圆形度是米勒于1963 年提出的城市形状测度方法，以区域面积与区域周长的比值关系作为衡量标准[9]。由面积和周长计算得出：

E=4×π×面积/周长2

大米的碎米率根据GB 1354—2009《大米》定义计算。碎米是长度小于同批试样米粒平均长度四分之三的不完整米粒[10]。

1.3.4 结果对比1.3.4.1 人工检测大米的长度和宽度

随机选取10粒完整无损的稻米平放于测量板上，头对头，尾对尾，不重叠，不留间隙的方式，紧靠直尺排成一行，读出长度，求出的平均值即为稻米的长，利用同样的方法，让10粒稻米肩并肩，测出稻米的宽度[4]。

1.3.4.2 大米外观品质判定仪测量

利用JMWT12大米外观品质检测仪进行测定，按照操作标准上样后，摄像后由系统得出结果[11]。

2 结果与分析

2.1 ImageJ软件测定大米米粒长度、宽度、面积和周长

按照1.3.1的方法将图像采集完成后，使用Analyze particles 插件自动实现对所有大米米粒外观形状参数的获取，如表1。

表1 东北大米外观形状参数结果 (只列出部分)

2.2 数据分析

图4为大米米粒外观尺寸的统计结果。由图4可知，大米的长度、宽度、面积和周长数值均参差不齐，其原因是大米中掺有较多小碎米。使用平均值进行计算时会引入较大误差、偏离真实值，所以本研究对大米的长度、宽度、面积和周长的结果分别进行统计和高斯分布拟合，以得到更真实结果。

由高斯分布拟合结果，得到东北大米的长度为0.496 cm，宽度为0.309 cm，长宽比为1.61，面积为0.121 cm2，东北大米的周长为1.36 cm，并且通过方法1.3.3中圆形度公式算出试样东北大米圆形度为0.821 6。

在GB 1354—2009《大米》中规定：碎米的长度小于同批试样米粒平均长度四分之三。计算得出试样东北米粒的平均长度为0.462 cm。因此，当试样米粒中长度小于0.346 cm的米粒为碎米，经过统计，该批东北大米碎米率为15.06%。

图4 长度、宽度、面积、周长的柱状图和高斯分布图

2.3 不同方式测得东北大米情况

由表2所示，不同的测量方式所测试的结果具有一定的差异。其结果与外观品质分析相当，优于人工检测。ImageJ软件测试结果的相对标准偏差最小，说明ImageJ软件的测试效果最好，稳定性最佳，而人工检测的相对标准偏差最大，这是由于人工在检测时，随机选取10粒完整无损的稻米平放于测量板上，头对头，尾对尾，不重叠，不留间隙的方式读出长度取平均值，在排列时很难保证不留间隙，并且在平行实验时随机选取的10粒完整米粒可能差异性很大；从表2可以看出大米长度大小(由大到小排序)依次为ImageJ软件(0.496 cm)>人工检测(0.48 cm)>大米外观品质判定仪(0.47 cm)，在测量结果中长度和宽度的大小都是ImageJ软件>人工检测>大米外观品质判定仪，这可能是由于在大米外观品质判定仪和人工检测时，都是采取的平均值的方式计算长度和宽度(平均长度在0.462 cm)，取平均值时，掺有一些细小碎米影响真实值，ImageJ软件对大米米粒长度和宽度进行测量时，采用高斯分布法对所有大米米粒尺寸进行统计，省略影响真实值的小碎米，获得最真实的一段区间值，而该值是最准确、最接近大部分大米米粒尺寸的值。

人工检测碎米率的结果14.85%与ImageJ软件检测碎米率的结果15.06%相比偏小，可能因为人工检测存在一定的偶然性、误差、视觉生理、视觉心理等诸多影响因素，人工检测的碎米率结果与ImageJ软件检测碎米率的结果存在的差异在可接受范围内。通过ImageJ软件处理后，再通过公式计算能够得到大米圆型度，这是大米外观品质判定仪所不具备的，但大米外观品质判定仪可以得出大米的垩白粒率。总体来说，用手机拍照结合ImageJ软件能够实现对大米外观品质参数的测定，测定结果与外观品质分析仪相当(但价格更低)，优于人工检测，是一种便捷、高效、准确、快速、低成本的方法。

表2 不同方式测得东北大米尺寸特征值

2.4 对比东北大米和湖南大米外观品质特征量

用手机拍照结合ImageJ软件处理的方法获得东北大米和湖南大米的品质参数，如表3所示。由于东北大米圆形度0.822>湖南大米圆形度0.638，更接近1，说明东北大米的外观圆而饱满，湖南大米的外观细而长，数据统计与拍摄图所观察结果相符。所以在一定程度上手机拍照结合ImageJ软件可以对不同品种大米的外观特征量进行测定，区分不同品种大米。

同时，由表3所示湖南大米的碎米率是25.5%，远高于东北大米的碎米率15.1%，这可能是由于东北大米籽粒阔而宽，较厚，米粒强度大，耐压性能好，湖南大米籽粒细而长，米粒强度小，抗压和抗剪切强度较差，在加工时湖南大米比东北大米更易产生碎米；湖南大米的长宽比3.01与东北大米的长宽比1.61相比较更大，说明湖南的大米更细长，在脱粒、翻晒和运输等过程中由于遭受强烈的机械打击和剧烈的撞击作用，更容易使米粒出现裂纹最后在加工时易变成碎米；也有可能湖南大米在储藏过程中更容易遇到各种虫害和各种潮湿霉变等因素[12]，造成湖南大米的碎米率更高。

表3 东北大米和湖南大米外观品质特征值

3 结论

通过手机拍照和ImageJ软件的结合，提供了一种便捷、高效、准确、低成本的大米外观品质参数的测定方法。测定结果明显优于人工检测，与现有的商业化的外观品质分析仪相当。对于大米米粒长度、宽度、面积和周长等参数的获取，采用高斯拟合的方式实现，结果更为准确。将此方法应用于东北大米和湖南大米的品质分析，结果显示东北大米圆形度大，更接近圆形，与眼睛观察的结果类似，东北大米的碎米率要小于湖南大米的碎米率。该方法简单方便、使用成本低，便于进一步推广，通过手机App开发后可以在粮食企业和检测机构获得广泛的应用。