基于线阵X射线检测技术的鱼刺快速检测及延时显示系统*

陆志文**  蔡瑞明

（上海高晶检测科技股份有限公司，上海市奉贤区奉城镇德胜路252号，201400）

摘要：三文鱼、罗非鱼、沙巴鱼等各种鱼类本身自带的有害物质（鱼刺）和外来污染物质（金属、石头、笔帽等异物）的快速检测难题一直影响着水产品加工厂鱼片的大规模生产和良好销售。本文研制了一种基于线阵X光检测技术的鱼刺快速检测及高速延时显示系统，该系统能快速、有效地识别鱼片中的小鱼刺和鱼片异物污染物。本系统对细小短金属线（直径为0.2mm，长度至少为2mm）和小鱼刺（直径为0.6mm，长度为4mm）具有较高的分辨率，并能有效地识别冷冻鱼片中的小鱼刺。本文还讨论了高速高分辨率延迟显示X射线检测系统的理论和实践基础。实验结果表明，该系统对小鱼刺的检测是高效、快速、方便的。本文为水产加工厂鱼片中小鱼刺的快速检测提供了一种有效的方法。

关键词：鱼刺检测 线阵X射线  快速检测  高速延时显示  检测技术

实际应用

本文的实际应用是利用高速延时显示X射线系统对水产品加工厂鱼片批量生产中的本身自带有害物质（鱼刺）和外来污染物质（金属、石头、笔帽等）进行识别。与传统的手指触摸和眼睛观察方法相比，高速延迟显示X射线系统可以快速、方便地识别鱼刺和异物。此外，该系统对直径0.6mm、长4mm的小鱼刺具有较高的分辨率，能够满足国际食品标准《速冻鱼片标准》，特别适用于冷冻鱼片中小鱼刺的有效识别。

1 简介

水产品是改善世界各国人民健康、营养和福祉的重要食品资源^[1]。在过去的几十年里，水产品的消费总量急剧增加。水产品的质量保证问题越来越受到生产者、销售者和消费者的重视。目前，对鱼类本身自带的有害物质（鱼刺）的快速检测和清除以及防止外来物质（金属、石头、笔帽等）的污染是水产品加工厂面临的重大问题。通过严格的管理和加工，可以有效地限制外来物质的污染。然而，在水产品加工厂鱼片产品生产过程中，鱼刺尤其是小鱼刺的检测和去除一直备受关注。

机器视觉技术，如高光谱成像、热成像、X射线成像等，以其速度快、性价比高、结果一致、无损分析^[2][3]。鱼刺主要存在于鱼片中，不存在于鱼片表面。因此，需要一种透射式机器视觉技术来检测鱼片中的鱼刺。

图1a 冷冻鱼片加工过程中的鱼片切片步骤（直接用刀去除大鱼刺）

图1b 冷冻鱼片加工过程中的小鱼刺处理步骤（工人手指触摸和眼睛观察来去除小鱼刺）

医院对人体骨骼的成像技术有磁共振成像技术、线阵X射线成像技术、基于X射线的CT成像技术、高分辨率实时超声成像技术等。其中，线阵X射线成像技术成像速度快，且无需对样品进行偶联试剂处理，在水产加工厂鱼刺检测中具有广阔的应用前景。

线阵X射线成像技术已应用于整条罗非鱼的重量估算^[4]、谷仓象甲在小麦籽粒中的侵染识别^[5]、洋葱空洞和腐烂的检测^[6]，鱼刺检测^[7]等等。这些检测结果均采用静态X射线成像技术，不能满足食品工业流水线生产的要求。因此，高速线阵X射线检测系统对于食品流水线生产是必要的。另外，X射线检测系统检测的样品一般在X射线源和X射线检测仪之间，由主机安全罩包装。考虑到生产线工作人员应迅速取出劣质或受污染的食品，显示延迟功能（X射线主机后，显示延迟图像和相应的食品同时显示给生产线工人，因此，生产线工人可以方便地取出劣质或受污染的食品）是高速线阵X射线检测系统所必需的。因此，食品流水线生产急需开发高速显示延时线阵X射线检测系统。

2 X射线检测系统的设计与制造

在水产品加工厂，冻鱼片加工主要包括放血、切片、剥皮、鱼片处理、小鱼刺处理、鱼片冷冻等几个步骤。在鱼切片步骤中，脊椎和鱼头被移除。在鱼片敷料步骤中，用刀将大鱼刺取出（图1a）。在小鱼刺治疗步骤中，通过工人的手指触摸和眼睛观察来检测和移除小鱼刺（图1b）。根据国际食品标准《速冻鱼片标准》规定，在指定为无骨的包装内骨骼方面，“每公斤产品长度大于或等于10毫米，或直径大于或等于1毫米的产品有一块以上的骨头；长度小于或等于5mm的骨头，如果其直径不超过2mm，则不视为缺陷。如果骨头的宽度小于或等于2mm，或如果可以用指甲轻易地将其剥离，则应忽略骨头的食物（如果它已附着在脊椎上），则应视为有缺陷。实际上，5-10mm长的骨头很难被发现和取出。

图2a  X射线检测系统方案设计

图2b 实物照片

为了快速检测鱼片中的鱼刺，我们尝试开发一种高速显示延迟线阵X射线检测系统。线阵X射线检测系统的原理图设计和制造产品分别如图2a、图2b所示。线阵X射线检测系统主要由前输送机、主机、后输送机和显示器组成。前输送机安装在生产线和主机之间。主机^[8]主要由X射线源（IXS400BP120，VJ公司）、准直器、输送机、高速X射线探测器（X-card2 0.2-256G，DT公司）、安全盖和操作显示器组成。后输送机安装在主机右侧。显示器（4K高清晰度工业显示器，飞利浦）安装在后部输送机的背面。生产线、前输送器、主机、后输送器的皮带连接紧密，鱼片可以从生产线顺利地输送到前输送器、主机、后输送器。高速X射线探伤机检测到主机输送带上的鱼片。当鱼片被输送到后面的传送带时，鱼片的X射线图像在显示器上延迟显示。站在后输送机前的生产线工人根据显示屏上鱼片的显示延迟图像，发现鱼片有鱼刺时，将鱼片捡起来。没有鱼刺的鱼片会被送到鱼片收集框那里。

图3 采用高速线阵X射线检测系统对鱼片进行典型的高速鱼刺检测过程。这些图像的时间间隔为1s。

黑色箭头表示鱼片的X射线图像。白色箭头表示鱼片实物。

图4 高速X射线检测系统对一些典型的小鱼刺鱼片的X射线图像。

3 样机实测结果和讨论

罗非鱼鱼片有或没有小鱼刺是由生产线工人供应的，在小鱼刺处理步骤中，通过工人的手指触摸和眼睛观察，鱼刺的位置很清楚（图1b）。鱼片的典型高速鱼刺检测过程如图3所示。所有的图像都是用数码相机从数字电影中提取出来的，时间间隔为1s（996-1003ms）。随着时间的推移，鱼片（图3a中白色箭头1所示）从生产线输送到前面的传送带，到主机，再到后部的传送带，然后传送到鱼片收集器。鱼片在主机上输送时，记录并保存鱼片的X射线图像。当第一块鱼片（图3e中白色箭头2所示）刚被传送到后部传送带时，显示屏上的X射线图像没有变化（图3a，e中黑色箭头1表示）。然后，当第一片鱼片（图3f中白色箭头2所示）在后传送带上再传送一点时，第一片鱼片（图3f中黑色箭头2所示）的X射线图像同时显示在显示器上。此外，第二片鱼片（图3g，h中白色箭头3所示）被传送到后部传送带上，其X射线图像（图3h中黑色箭头3所示）同时出现在显示器上。有趣的是，X射线图像2和X射线图像3之间的X射线图像切换被捕捉到。此时显示器上没有显示X射线图像，如图3g所示，这些结果表明线阵X射线检测系统既具有高速检测功能，又具有显示延迟功能。站在后输送机前的生产线工人可以很容易地在显示屏上观察到鱼片的延迟X射线图像，并提取出相应的鱼刺鱼片。没有鱼刺的鱼片会被送到鱼片收集框那里。

采用高速显示延时线阵X射线检测系统，对鱼片修整步骤后出现的一些典型鱼刺细小的鱼片进行检测，如图4所示。这些X射线图像显示鱼片的不同位置有明显的小鱼刺（用黑色箭头表示）。结果表明，高速显示延迟线阵X射线检测系统能有效地显示鱼片中的小鱼刺。此外，利用高速显示延迟线阵X射线检测系统对多平行片鱼片进行检测。如图5所示，在输送机上可以检测到两（A）和三（B）条平行的鱼片。如图5b所示，鱼片中的小鱼刺可以在X射线图像中显示出来。这些结果表明，将平行的鱼片片放在传送带上可以显著提高检测速度（2到3倍）。

图5多片鱼片的检测。（a）采用高速显示延时线阵X射线检测系统对两片鱼片进行检测。（b）三片鱼片的X射线照片。

图6 高速显示延迟线阵X射线检测系统检测本身（鱼刺）和异物（金属、石头、笔帽等）危险品。（a）鱼片的实物照片，上面有一个薄金属片（1cm×1.25cm，用黄色箭头表示）和一些小石头（蓝色箭头表示）。（b）利用该X射线检测系统对鱼片（a）的X射线图像进行检测。（c）笔帽的实物照片。（d）用这个X射线检测系统拍摄的带笔帽的鱼片的X光图像。（e）通过该X射线检测系统对HDMI到DVI连接电缆、显示遥控器、显示音频电缆和一包石头的X光图像

通过高速延迟显示线阵X射线检查系统（图6）检测到本身（鱼刺）和异物（金属、石头、笔帽等）危险品。将一块薄金属片（1cm×1.25cm，用黄色箭头表示）和一些小石头（蓝色箭头所示）放在鱼片上，用数码相机（图6a）拍摄下来，然后通过线阵X射线检测系统传送。X射线图像结果（图6b）表明，金属和石头以及鱼片可以通过线阵X射线检测系统进行区分。此外，鱼片中的短鱼刺（黑色箭头1和2表示）的长度约为4 mm，直径约为0.6 mm，说明该系统的应用能够满足国际食品标准《速冻鱼片标准》。将笔帽（数码相机拍摄，如图6c所示）放在鱼片上，然后通过线阵X射线检测系统传送。X射线图像结果（图6d）表明，通过线阵X射线检测系统可以区分笔帽和鱼片。最后，将HDMI-DVI连接电缆、显示器遥控器、显示音频电缆和一包石头放在一起，并通过线阵X射线检查系统进行传输。X射线图像结果（图6e）显示这些物质的清晰图像。这些结果证实了线阵X射线检测系统可用于鱼片加工过程中的国内外有害物质检测。

图7 高速显示延迟线阵X射线检测系统检测鱼片上的短金属线。（a）高速平面X射线检测系统。（b）利用该X射线检测系统对鱼片上短金属线的X射线图像。黑色箭头表示金属线（长2 mm，直径0.2 mm）

鱼片上短金属线的检测分别如图7a、图7b所示。结果表明，在高速检测过程中，该线阵X射线检测系统至少能检测到直径为0.2mm、长度为2mm的金属短线。水产品加工厂有时需要对冷冻鱼片中的小鱼刺进行检测。冷冻鱼片中的鱼刺是不可能用手指触摸和肉眼观察的。在这种情况下，所有冷冻鱼片都必须解冻，然后由工作人员用手指触摸和眼睛观察来检测，这将大大降低鱼片的质量，并耗费大量宝贵的时间。为了分析冷冻鱼片线阵X射线检测系统对小鱼刺的检测能力，对含有一些小鱼刺的鱼片用线阵X射线检测系统进行检测，用双滚筒螺旋冷冻机冷冻，然后用线阵X射线检测系统进行检测。冷冻前后鱼片的X射线图像（图8）均显示存在四个小鱼刺（由黑色箭头1-4表示），没有明显差异。结果表明，该系统可用于冷冻鱼片中细小鱼刺的鉴别。

图8 用高速平面X射线检测系统检测带小鱼刺的冷冻鱼片。（a）利用该X射线检测系统对未冻小鱼刺鱼片的X射线图像进行了研究。（b）冷冻鱼片经X射线检查后的数字照片。（c）小鱼刺冻鱼片的X射线图像

高速X射线检测主要与X射线探测器和中央处理器有关。本文采用了X射线线阵检测卡（X-card2 0.2-256G，DT公司）。该卡的最小积分时间为0.28毫秒，像素间距为0.2毫米。因此，理论最大检测速度可计算如下：

理论检测速度=像素间距/最小积分时间=0.2mm/0.28ms=0.714mm/ms=0.714 m/s=42.84 m/min。

此外，还采用了高速中央处理器（ARK-6610研华工控机）来保证高速检测。在实际应用中，输送带速度设计为不超过15m/min。

图9 基于FPGA芯片的显示延迟处理算法时序图。（A-E）五片鱼片。MM：主机。DSP：数字信号处理。FPGA：现场可编程门阵列。T1：延时显示时间，可由软件界面设定。T2：鱼片在高清显示屏上的显示时间，可由软件设定。

高分辨率X射线检测与显示主要涉及高速探测器、X射线源和显示器。一般来说，X射线检测依赖于感兴趣材料的密度，并且可以区分感兴趣材料中不同密度的特性。为了获得高分辨率的X射线检测和显示，我们使用了X射线线阵检测卡，像素间距为0.2 mm，像素宽度为0.15 mm，并且动态范围大于8000。此外，高速X射线探测器的信号处理单元具有偏移和增益校准、自适应恒定积分时间、像素合并、像素求和、像素平均等功能，可用于调整图像的亮度和对比度。本文所用的X射线源（IXS400BP120，VJ公司）具有400瓦的高输出功率，120kv的高输出电压，X射线焦斑尺寸50μm，因此可以获得高分辨率的图像来分辨鱼刺。此外，4K超高清晰度工业显示器（飞利浦）的应用，以确保生产线工人可以看到鱼刺和鱼肉在图像中的区别。

同时，通过增加算法对软件进行调整，以提高分辨率和对比度。经过努力，可以获得理论上高分辨率的鱼刺图像，并在生产线工人面前显示出来。最后，采用基于FPGA芯片的显示延迟功能^[9]，如图9所示。在该原理图中，利用该高速显示延迟线阵X射线检测系统，实现了5片鱼片的显示延迟检测。例如：当主机完全检测到鱼片A时，会产生一个上升的脉冲信号。此时，数字信号处理产生一个方形信号用于记录，并由FPGA的第一输入第一输出单元触发信号输入和输出。然后，方波信号复位，准备读取主机上升脉冲信号。当生产线工作人员到达设定的延时时间（T1）时，产生一个上升脉冲信号，显示鱼片a的X射线图像，将鱼片在高清显示器上的显示时间（T2）定义为鱼片X射线图像通过显示器的时间。它可以通过将显示宽度除以传送带速度来计算。此外，需要注意的是，通过将高清显示器和X射线源之间的距离除以传送带速度，可以计算出设置的延迟时间（T1）。

4 结论

本文针对水产加工厂鱼片中的小鱼刺，研制了一种高速显示延迟线阵X射线检测系统。结果表明，该X射线检测系统能够对鱼片进行高速检测，所获得的X射线图像可以延迟显示。此外，该检测系统对短金属线（直径为0.2mm，长度为2mm）和小鱼刺（直径为0.6mm，长度为4mm）具有较高的分辨率。该检测系统能有效区分鱼片中的异物污染（金属、石头、笔帽等）。尤其能有效地鉴别冻鱼片中的小鱼刺。因此，根据国际食品标准《速冻鱼片标准》的规定，可以用来区分无骨包装中鱼刺的缺陷。本文还讨论了高速高分辨率显示延迟X射线检测系统的理论和实践基础。今后，应进一步探索该系统的应用，分析应用过程中的优缺点，以及一些最新的延迟控制方法^[10]可能会被引入到这个高速高分辨率显示延迟X射线检查系统的优化中。本研究为水产加工厂生产线上的小鱼刺鱼片的快速检测提供了一种有效的方法。我们相信这种高速显示延迟线阵X射线检测系统将在食品工业中发挥越来越重要的作用。

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[8]X射线检测装置，上海高晶检测科技股份有限公司，专利授权公开号CN202101952U, 2012-01-04

[9] 产品排斥装置，上海高晶检测科技股份有限公司，专利授权公开号202224371U, 2012-05-23

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Rapid detection and display-delayed system of small fishbones based on linear array X-ray Inspection technology

LU Zhi-wen, CAI Rui-ming

(Shanghai Gaojing Metal Detector Instrument Co., Ltd. No.252 Deshen Rd., Fengxian District, Shanghai, 201400)

Abstract:The fast detection of native hazardous material (fishbones) and foreign material contamination (metals, stones, pen caps, etc.) have limited mass production and good sale of fish fillets in aquatic product processing plant. In this work, we developed a high speed display-delayed planar X-ray inspection system, which could be applied to rapidly and efficiently distinguish small fishbones in fish fillets and foreign material contamination with fish fillets. It had a high resolution of short metal lines (at least 2 mm in length and 0.2 mm in diameter) and small fishbones (4 mm in length and 0.6mmin diameter).Moreover, it could be applied to efficiently distinguish small fishbones in frozen fish fillets. The theoretical and practical basis of high speed high resolution display-delayed X-ray inspection system is also discussed in this work. All the results confirmed that this system was efficient, fast, and convenient for the detection of small fishbones. This work provides a useful way for fast detection of small fishbones in fish fillets in aquatic product processing plant.

LU Zhi-wenreceived his master degree in Shanghai University in 2005. His major research field was optical metrology. At present he is working on the X-ray inspection technique for the foreign objects in food products in Shanghai Gaojing Metal Detector Instrument Co., Ltd.