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食品供应链可追溯系统模型及关键技术研究 研究生：方超导师：赵林度( 教授) 东南大学 摘要 随着食品工业和贸易的全球化发展，食品安全恶性突发事件呈迅速扩展和蔓延 之势。疯牛病、禽流感和口蹄疫等人畜共患疾病对食品安全和人类健康构成了极大 的威胁，并对疫情地区造成了严重的经济损失和社会恐慌。为了保障消费者健康， 减少损失，一些发达国家已经实施了食品安全追溯系统。 其中肉类食品是关系国计民生和国际贸易的重要食品种类，目前我国在处置食 品安全事件方面准备不足，缺乏准确有效的可追溯关键技术，进行肉类食品供应链 可追溯系统和关键技术的研究具有十分重要的理论价值和现实意义。本文的研究内 容如下： 第一，选择大型动物虹膜识别作为从技术层面提高肉食品供应链可追溯系统有 效性的切入点，讨论了人眼虹膜识别技术应用于动物识别在图像采集、虹膜定位、 特征提取等方面存在的技术难点，给出了实现大型动物虹膜识别的技术路线，最后 构建了基于大型动物虹膜识别技术的肉类食品可追溯系统模型。 第二，在对大量牛眼图像几何特征分析和现有人眼虹膜识别算法研究的基础上， 提出了种动物虹膜预处理算法，包括虹膜图像平滑处理，虹膜定位，虹膜图像分 割和归一化，和虹膜图像增强。其中虹膜定位是预处理算法的关键部分，本文采用 了先通过阈值化分割图像和s o b e l 算子边缘检测实现虹膜的内外边缘的粗定位，再 用二次b 样条曲线拟合和h o u g h 变换确定内外边界圆的参数的两步定位法。通过计 算机程序验证，该算法可以快速有效地定位出牛眼虹膜边界的大致位置，具有较好 的鲁棒性，适用于牛眼的虹膜预处理。 第三，在特征编码过程中，对二维g a b o r 滤波器进行了仿真，通过多次实验和 对实验结果的比较，根据实际情况得到了相关参数，取得了较好的识别效果。采用 的是4 9 个滤波器组成的滤波器族，用来检测图像中不同方向和频率的特征，并且把 图像分割为由8 8 的予块。图像最终编码部分是由各个小块的相位信息加滤波器选 择序号等组成，产生的编码为2 0 4 8 位，并对其进行了小样本识别实验。 实验所用图像由上海交通大学研制的非接触式虹膜采集设备得到，图片为分辨 率为3 2 0 2 4 0 的8 位灰度图，使用v i s u a lc + + 6 0 对文中所用算法编程实现。 关键词：食品供应链；可追溯关键技术；大型动物虹膜识别；虹膜定位；特征提取 与匹配；g a b o r 滤波器；海明距离 r e s e a r c ho nt h e1 1 r a c e a b i l i 坶s y s t e mm o d e ia n dk e y t e c h n o l o g yi nf o o ds u p p l yc h a i n g r a d u a t e ：f a n gc h a os l l p e i s o r ：z h a ol i n d u ( p m f e s s o r ) s o u m e a s tu n i 、铘i t y a b s t r a c t a sm e 酉o b a ld e v e l o p m e n to ff o o di n d u s t i ya 1 1 dt r a d e ，a b m p tv i c i o u sa 丘a i r so nf o o d s a f e t ys h o wr a p i de x p a n s i o na 1 1 ds p r e a d i n g 1 1 1 ez o o n o s i s ，s u c ha sb s e ，a v i a ni n f l u e n z a a n dm o u t ha i l df o o td i s e a s e s ，p o s eat 1 1 i e a tt of o o ds a f e t ya j l dh 啪a nh e a l t h a n di tb r i n g s h e a v ye c o n o m i cl o s sa n ds o c i a lp a l l i ct o 印i d 锄i ca r e a s o m ed e v e l o p e dc o u l l t r i e sh a v e e s t a b l i s h e df o o ds a 佗t yt r a c e a b i l i t ys y s t 锄t og u a m n t e et h el w l m a l lh e a l t l la n dl e s s e nt l l e l o s t m e a tp m d u c t sa r ee s s e n t i a l i n d u s t a n dt l l ei m p o n a i l tk i n do ff o o di ni n t e n l a t i o n a l t r a d e i nc h i n a ，o u rc o u n t 巧d o e sn o th a v ep r 印a r e d 如1 l yt ot r e a tt h ef o o ds a f e t yp r o b l 锄， 砸l dl ac _ kt h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yt ot m c eb a c k s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yo nt h et r a c e a b i l i t y s y s t e ma n dk e yt ec _ h n o l o g yi nm e a tf o o ds u p p l yc h a i n ，t h em a j o rc o n t e n t ss t u d i e da r ea s f o l l o w s ： f i r s t l y ，m e i r i sr e c o g n i t i o no fl a r g ea 1 1 i m a l si sc h o s e l la sm ek e yt e c h n o l o g y r l l e t e c h j l i c a ld i m c u l t i e si ni m a g ea c q u i r e d ，i r i sl o c a t i o n 觚di r i sf e a t i l r e se x t r a c t i o na r e d i s c u s s e d ，a 1 1 dt h et e c h j l i c a lr o u t eo fi r i sr c c o 嘶t i o ni sp u tf 0 刑a r d 7 r h et r a c e a b i l i t y s y s t e mi nm e a tf o o ds u p p l yc h a i ni se s t a b l i s h e do nt h ei r i sr e c o g n i t i o no fl 嘲ea i l i m a l s s e c o n d l y ，o nt h eb a s j so fs t u d y i n ga n da n a l y z i n gl o t so fg e o m e t r i cf e a t u r e so fc o w s e y e s ，an e wa 1 1 i m a li r i sp r 印r o c e s s i n ga p p r o a c hi sp r e s e l l t e d ，i n c l u d i n gp i 曲玎es m o o m t r e a 缸i l e n t ， i r i s l o c a t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，i m a g en o m a l i z a t i o n a n di m a g e e 1 1 h a n c e m e n t t h ei r i sl o c a t i o ni st h ek e ys t e po fi m a g ep r e p r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，t h e6 r s t s t 印i st h r e s h o l d i n gt h ei r i si m a g ei n t e n s 时t ob u i l d 觚ob i n a r yb i t m a p sf o re d g ed e t e c t i o n w i mi m p r o v e ds o b e lo p e r a t o r ，f o rt h er e a l i z i n gc o a r s ei r i s1 0 c a t i o no fi n t e m a l 觚d e x t e m a le d g e ；t l l 9s e c o n ds t 印i su s i n gq u a d r a t i cb s p l i n ec u r v e sa 1 1 dh o u 曲仃a n s f o 肌t o 丘ti n t e m a la n de x t e n l a le d g e e x p 嘶m e n t ss h o wt h a tm em e t h o dc a na c h i e v eg o o dr e s u l t s ， i ss u i t a b l ef o ri r i sp r 印r o c e s s i l l go fc o w se y e s 1 i t h i r d l y ，t h e2 - dg a b o rf i l t e ri sr e s e a r c h e di nt l l i sp 印a i l dt h ep a m m e t e r so f t h e f i l t e r si sg e tb ys i m u l a t i o n t h ef i l t e r si sc o n s t i t u t e dw i t h4 9g a b o rf i l t e r d i 毹r e n tf i l t e r s a r es e n s i t i v et od i 骶r e n tf e 咖r e s ，s ot h e yc a i lb eu s e dt od ot h ef e a t u r ee x t r a c t i o n t h e i m a g ei sd i v i d e di n t 0s o m es q u a r e s ，a 1 1 dm es i z eo f e a c hs q u a r ei s8 木8 t h ei m a g ec a n b e 仃a n s f 0 姗e dt oac o d eh a v i n g2 0 4 8b i t s a tl a s t ，r e c o g n i t i o ne x p e r i m e n tw i ms m a l l s a m p l e si sd o n ei nt h i sp a p e r t l e e q u i p m e n t u s e dt o a c q u i r ei m a g e si sp r o d u c e db ys h a n g h a ij i a 0t o n g u 1 1 i v e r s i t y ，m es i z eo fe a c h 伊a yi i i l a g ei s3 2 0 奉2 4 0 t h ei r i sr e c o g n i t i o ns y s t 锄i s d e v e l o p e db y s u a lc + + 6 o k e yw o r d s ： f o o ds u p p l yc h a i l l ；t r a c e a b i l i 锣k e yt e c h n o l o g y ；i r i sr e c o g n i t i o no f l a r g ea n i m a l s ；i r i sl o c a t i o n ；f b a t u r ee x t r a c t i o na n dm a t c h i i l g ；g a b o r f i l t e r s ；h a m 瑚【i n gd i s t a n c e i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：右歪导师签 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，一系列食品安全事件的发生以及人畜共患传染病的爆发带给人们极大 的恐慌，在经济全球化的大潮下，各国生产商对出口市场越来越重视，疯牛病、口 蹄疫和禽流感等疾病的爆发给相关国家的畜牧养殖业造成巨大的甚至是毁灭性的打 击，畜禽产品出口受阻，市场销售下降。这一切有力地促进了世界各国食品可追 溯系统的发展，世界各国对食品安全越来越关注乜1 ，越来越多的企业开始试图降低 生产过程中的风险，同时越来越多国家的消费者要求提供产品在食品供应链中的流 动情况，并对其进行跟踪和追溯1 。 一些发达国家已经实施了食品安全追溯制度。欧盟管理法规n o 1 7 8 ( 2 0 0 2 ) 要求从2 0 0 5 年1 月1 日起在欧盟范围内销售的所有食品都能够进行跟踪与追溯( 4 ， 美国食品与药品管理局( f d a ) 要求在美国销售、消费的食品的生产、加工、包装或 流通部门必须向f d a 进行登记等1 ，此外，食品的追溯标识也逐步成为国际上消费 者购买食品的选择标准。由此可见，增强食品供应链可追溯性是增加消费者信心， 减少召回损失和国际食品贸易的基本要求。其中肉类食品可追溯系统的实施，更是 得到了相关国家部门和消费者的普遍关注。消费者希望能够在肉类食品供应链系统 中提供大型动物及其产品的流动信息，要求能够进行跟踪和追溯，肉类食品供应链 可追溯已经成为保障大型动物养殖、加工和销售安全的重要条件。 目前国内外对食品供应链可追溯系统模型的研究主要有两种思路，一种是从构 建可追溯制度、法规、标准的角度，各个国家政府通过强制性制度建设，推行食品 可追溯系统；一种是通过食品可追溯系统中关键技术的研究，增强食品供应链可追 溯性。国内外学者对于关于食品供应链可追溯性的研究主要集中在利用机制体制， 在政府主导下，以企业为主体，通过设计追溯程序和制度，达到追溯目的，而对于 如何通过对可追溯关键技术的研发，从技术层面上切实有效的增强追溯效力，涉及 的比较少，我国应用于全程溯源的标签技术只在有限的食品种类中的某些过程得到 应用，大型动物食品个体鉴别技术研究才刚刚起步。总的来说，我国的食品溯源技 术严重不足，溯源系统还未得到广泛应用，严重影响了食品安全的风险管理和我国 食品的国际竞争力。从我国食品链可追溯系统的长期发展来看，研究出与国外接轨 东南大学硕上学位论文第一章绪论 的准确、可行、快速、便捷的可追溯关键技术是十分必要的。 本文是“十一五 国家科技支撑计划重大项目“食品安全关键技术 “食 品污染溯源技术研究( 2 0 0 6 b a k 0 2 a 1 6 ) 和“超市食品安全的质量控制技术研究 ( 2 0 0 6 b a k 0 2 a 2 8 ) ”的研究成果。食品污染溯源技术研究课题，以关系国计民生和 国际贸易的重要食品种类为研究对象，利用以电子标签为核心的编码技术、虹膜技 术、同位素技术、d n a 指纹技术等，建立大型动物食品个体鉴别技术、食品产地溯源 技术等，构建食品供应链全程污染物溯源技术系统( 如图卜l 所示) ，为完善我国食 品溯源系统提供理论和技术支撑；超市食品安全的质量控制技术研究课题，以超市 生鲜加工配送中心为关键控制点，研究集成示范食品安全信息采集技术、食品安全 标识技术、食品安全溯源技术和安全预警技术，在整个食品供应链系统中建立一套 示范食品安全溯源及预警系统以及食品安全信息综合查询平台，为消费者构筑一个 放心消费的环境。 屠宰个体一养殖 肉及制品一屠宰个体的d n a 印迹 个体虹膜鉴别 诵嚼泌豳豳囫圆 = 二二二二二二二二二二二二 = = 二= 二二二= 二二= 二二二二二= 二二 同位素鉴别技术 图卜1 食品污染溯源技术系统 动物处于活体和肉体阶段，分别采用虹膜识别和d n a 印记技术。其中，养殖到屠 宰是肉食品供应链中耗时最长的一个环节，也是食品安全问题频繁发生的环节，需 要技术的要求是易于收集，能够快速、廉价、准确的获取信息；防止作假；有效的 管理；易将标示信息录入数据库等阳1 。 本文的研究重点是肉类食品供应链中大型动物虹膜识别技术的算法研究与实 现，应用于动物活体阶段的信息记录与追溯。在现有人眼虹膜识别算法思想的基础 上，完整实验出了一套适用于大型动物虹膜识别的核心算法，并对其进行了具体实 2 东南大学硕上学位论文第一章绪论 现，其中包括图像的预处理、特征提取、二维g a b o r 滤波器的构造、参数选择、虹 膜编码以及h a 唧i n g 距离的计算等，通过计算机程序实现虹膜图像的识别过程。通 过构建基于虹膜识别的肉类食品可追溯系统，完成了虹膜识别技术应用于动物识别 领域和肉食品安全领域的初步研究。 1 2 相关文献综述 1 2 1 肉类食品供应链可追溯系统研究现状 2 0 0 3 年美国发生的疯牛病感染奶牛事件，使得在整个生产加工过程中建立动物 产品可追溯系统变得乒加紧急，可追溯系统的范围由单个企业扩展到整个国家，最 终演变为欧盟标准。 国际上，欧美等发达国家和地区要求对出口到当地的部分食品必须具备可追溯 的要求。欧盟管理法规n o 1 7 8 2 0 0 2 要求从2 0 0 5 年1 月1 日起在欧盟范围内销售的 所有肉类食品都能够进行追踪和追溯，否则不允许上市销售，并且要求大多数国家 对家畜和肉食品实施强制性可追溯技术h 1 。美国建立了“国家动物个体识别系统 ( n a t i o n a la n i m a li d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，n a i s ) ，用于追踪与外来动物疾病有 接触的所有牲畜和饲养场地，美国的食品可追溯要求也贯穿与各个食品法规中，通 过公布食品安全跟踪条例，要求对所有设计食品运输、配送和进口的企业要建 立相关食品流通的过程记录障3 ；日本从2 0 0 1 年起在肉牛生产供应体制中全面导入信 息可追踪系统，2 0 0 4 年1 2 月开始实施牛肉以外食品的追踪制度，并应用d n a 样本 进一步证实数据库的准确型7 刮。加拿大、乌拉圭、澳大利亚和新西兰等国家，也都 已经建立了可稽查的食品安全可追溯系统来确保食品安全生产阳1 ，使肉类食品生产 和流通过程变得可监督和稽查，并制定相关法律和制度，试图从源头上控制和杜绝 疾病的引入和传播n 0 1 。 我国畜产品可追溯系统的研究和试点才刚刚起步，现有的方法和技术尚不成熟。 2 0 0 2 年国家科技部重要技术标准研究专项设立“肉用猪工厂化生产全程质量管理与 畜产品可追溯计算机软件研究”子课题；2 0 0 3 年国家“8 6 3 ”项目设立“饲料和畜 禽产品数字化安全监控体系研究”专题，进行畜产品可追溯性研究，探索适合中国 国情的可追溯技术n 1 。通过对可追溯系统及其关键技术的研究，可以实现满足消费 者食品安全需求、抢占国际市场和提高供应链管理水平的目的。 3 东南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 2 2 食品供应链可追溯关键技术研究现状 食品供应链可追溯关键技术是可追溯系统有效运作的核心所在，近几年来，食 品可追溯系统关键技术的研究和应用都有了很大的突破。可追溯系统中的关键技术 之一是可追溯信息链源头信息的载体技术，由此产生和发展起来一门重要技术一标 识技术。 大型动物个体识别技术是实现畜产品安全可追溯性的重要内容，为此，目前， 国内外使用的个体标识技术主要有：条形码、电子纽扣式标签n 、塑料标签、血型 鉴定n2 1 、虹膜图像识别n 引、基于蛋白质脂类化合物的标识方法、g p s 和g i s 技术、d n a 指纹技术n q 等。其中条码自动识别技术己经取得了较大的发展。 2 0 世纪9 0 年代电子标识( e 1 e c t r o n i ci d e n t i f i c a t i o n ，e i d ) 技术开始应用于 动物管理中。与传统方式相比较，电子标识方法能够遥感测定、收集数据、监控胴 体品质，并在后继屠宰加工过程中，实现产品的可追溯性。许多国家已经将条码与 耳标结合使用，获得了很好的效果。此外，电子标识( 耳标) 与监控设备，可以替 代传统的人工方法，能够快速而详尽地采集数据，发现管理中存在的问题，并及时 纠正，挽回损失。电子设备自动采集的数据可以辅助d n a 指纹方法和虹膜识别技术应 用于动物标识系统中，极大提高的识别的准确性和追溯的有效性。 相对而言，我国可追溯关键技术的发展远远落后于国外，这也是制约我国食品 可追溯系统发展的薄弱环节。技术的薄弱短期内可能不会产生太大问题，但是从我 国食品链可追溯系统的长期发展来看，研究出与国外接轨的准确、可行、快速、便 捷的可追溯关键技术是十分必要的。 1 2 3 虹膜识别技术研究现状 眼睛的外观由巩膜、虹膜、瞳孔三部分组成，巩膜即眼球外围的白色部分，眼 睛的中心为瞳孔，虹膜位于巩膜和瞳孔之间，它的纹理含有极丰富的特征。虹膜识 别最早是起源于人眼的虹膜识别，眼科学家和解剖学家经过大量的观察发现虹膜具 有独特的结构，再加上眼睛虹膜部分的不可侵犯性，从而引发了人们对虹膜识别的 研究。近年来，基于虹膜特征的识别技术得到了人们的关注，虹膜因其唯一性、稳 定性、高可靠性和非接触性等特点而备受关注。为此，国内外学者围绕虹膜定位、 虹膜表示、虹膜特征提取、虹膜编码和虹膜识别等关键环节开展了深入研究。 4 东南人学硕十学位论文第一章绪论 虹膜识别的概念，首先在1 9 8 7 年由眼科专家a r a ns a f i r 和l e n o a r df o r m 首次 提出提出n5 l ，将虹膜特征用于个人鉴别，但是他们并没有开发出一个实际的应用系 统。1 9 5 1 年j o h n s o n 实现了第一个自动虹膜识别系统。1 9 9 3 年，d a ug i t l a n 博士提出 了虹膜识别算法，实现了第一个高性能的自动虹膜识别系统n6 l 。1 9 9 6 年，w i l d e 研 制成功基于虹膜的身份认证系统n7 1 。国内方面中科院自动化研究所于2 0 0 1 年开发出 具有我国自主知识产权的虹膜识别原型系统，并建立公开的c a s i a 虹膜图像数据库。 上海交通大学图像处理与模式识别研究所于2 0 0 3 年开发出了国内第一套商用虹膜 识别系统。 在动物识别方面，美国、日本等国家已经研制出了动物虹膜识别系统，如美国 n a i s 、日本的赛马身份鉴别系统等，但出于商业专利权的考虑，相关的文献几乎没 有，国外已有的文献中也只是对算法的思想和系统的构建做了笼统的介绍。m a s a h i k o s u z a k i ，o s 硼uy a m a k i t a 等针对虹膜识别在赛马身份鉴别中的应用进行了研究 1 3 。 目前，国内外还没有将动物虹膜识别引入肉类食品安全追溯系统的文献。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 论文的内容安排 虹膜识别作为一种稳定有效的生物特征识别方式，代表了个体识别的新技术， 应用于动物识别中，可以消除其他动物识别系统中的欺骗和设备功能异常现象，也 满足欧盟等组织对动物福利的要求，避免发达国家以动物福利产生的贸易壁垒。本 文对大型动物虹膜识别算法和肉食品供应链可追溯系统进行了详细的研究，主要包 括两部分内容： 第一部分( 第二章) 选择以食品链关键技术作为切入点，首先讨论了人眼虹膜 识别技术应用于大型动物识别在图像采集、虹膜定位、特征提取三方面存在的技术 难点，给出了实现动物虹膜识别的技术路线；最后构建了基于虹膜识别的肉食品可 追溯系统，并进行了详细功能划分和流程设计，为虹膜技术在肉食品可追溯系统中 的应用实施提供了参考。 第二部分( 第三、四章) 进行了了大型动物虹膜识别的算法研究与系统实现， 以实地采集的大型动物眼睛图片为基础，从虹膜定位、归一化、特征编码及匹配几 个方面，以人眼虹膜识别算法为基础，完整的进行了动物虹膜识别算法的研究。在 人眼虹膜识别的基础上，着重研究和掌握了大型动物虹膜识别系统的核心算法，并 s 东南人学硕十学位论文第一章绪论 对其进行了具体实现，其中包括图像的预处理、特征提取、二维g a b o r 滤波器的构 造、参数选择、虹膜编码以及h a 姗i n g 距离的计算等，通过计算机程序实现虹膜图 像的识别过程。 1 3 3 论文的研究思路 本文研究框架图如下，选择大型动物虹膜识别作为动物活体阶段追溯的关键技 术，构建基于虹膜识别的肉食品可追溯系统。重点从虹膜内外缘定位、纹理特征编码 与匹配等几个阶段，结合人眼虹膜识别理论和计算机图形学相关知识，对大型动物虹 膜识别技术的算法实现进行详细研究，给出了每一步的图片处理结果。对算法进行了 编程实现，得到了2 0 4 8 位虹膜编码，并对其进行了小样本识别实验。结果表明，这 种方法在大型动物虹膜识别上具有一定可行性。 卜2 论文研究框架图 6 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 大型动物虹膜识别技术作为一种前沿性的食品溯源关键技术，初始使用可能存在 成本过高等问题，但是随着研究的深入和设备的完善，将越来越显现出其高效、稳定、 精确的优势，在食品安全领域发挥着更为重要的作用。 7 东南人学硕十学位论文 第一二章大型动物虹膜识别技术 第二章基于虹膜识别的肉类食品供应链可追溯系统 肉食品相对于其他食品供应链具有更加复杂的结构和环节，从饲养、屠宰、加 工、包装、配送到零售，每一个阶段都包含引发肉类食品安全问题的因素，因此肉 类食品的安全追溯系统的构建已经刻不容缓。一个有效的肉食品可追溯系统有助于 食品的安全和质量保证，通过构建可追溯系统，对肉食品生产、流通过程中各环节 的信息加以有效监控和管理，可以实现食品质量安全问题的预警和溯源，控制食源 性疾病的危害范围，促使食品企业生产优质安全产品，增进食品质量安全的目的。 其中，可追溯关键技术的研究是构建肉类食品可追溯系统的核心部分。 2 1 食品供应链可追溯系统 2 1 1 食品供应链可追溯的含义 食品供应链，又称饲料和食品链，i s 0 2 2 0 0 0 对其定义为“从初级生产直至消费 的各环节和操作的顺序，设计食品及其辅料的生产、加工、分销、贮存和处理”，包 括用于生产食品的动物的饲料生产，也包括与食品接触材料或者原材料的生产。 可追溯性，又可称为“溯源”、“溯源性”。目前，关于食品可追溯性的定义还没 有统一的权威定论。联合国食品法典委员会( c o d e xa 1 i m e n t a r i u sc o 咖i s s i o n ，c a c ) 给出的定义是指能够追溯食品在生产、加工和流通过程中任何指定阶段的能力：欧 盟委员会( e c1 7 8 2 0 0 2 ) 关于食品可追溯性的定义，是指在食品、饲料、食用性禽 畜及有可能成为食品或饲料组成成分的所有物质，在全部生产、加工和销售过程中 发现并追寻其痕迹的可能性，其实质就是整个食品链的可追溯性 7 。溯源信息包括 从食品原产地、加工处理到最终消费者整个信息追踪，逆向来讲，即从最终消费者 一直可追溯到食品原产地所用的饲料、兽药等信息障3 。 根据食品可追溯系统自身特性的差异，美国学者e 1 i s eg 0 1 a n 设定了衡量食品 可追溯系统的三个标准：宽度( b r e a d t h ) 、深度( d e p t h ) 和精确度( p r e c i s i o n ) 。 其中，宽度值系统所包含的信息范围，深度指可以前或向后追溯信息的距离，精确 度指可以确定问题源头或者产品某种特性的能力n 1 。 2 1 2 研究食品供应链可追溯系统的两种思路 对食品供应链可追溯系统模型的研究主要集中在两个方面：( 1 ) 通过构建可追 8 东南大学硕士学位论文第二章人型动物虹膜识别技术 溯体制机制、法规标准的角度，各个国家通过强制性制度建设，建立健全食品可追 溯系统模型；( 2 ) 通过对食品可追溯系统中关键技术的研究，加强食品供应链可追 溯的宽度、深度和准确度。 ( 1 ) 可追溯体制机制建设。 目前国内外的研究大多集中在第一个方面。欧盟制定1 7 6 0 2 0 0 0 指令，对牛的 识别、注册一级牛肉标识做出了明确规定，欧盟管理法规n o 1 7 8 2 0 0 2 要求从2 0 0 5 年1 月1 日起在欧盟范围内销售的所有肉类食品都能够进行追踪和追溯，否则不允 许上市销售。美国的食品可追溯要求也贯穿与各个食品法规中，通过公布食品安 全跟踪条例，要求对所有设计食品运输、配送和进口的企业要建立相关食品流通的 过程记录；日本从2 0 0 1 年起在肉牛生产供应体制中全面导入信息可追踪系统，2 0 0 4 年1 2 月开始实施牛肉以外食品的追踪制度，并应用d n a 样本进一步证实数据库的准 确性； 我国食品可追溯制度建设还处于起步阶段，各地区、各部门开展了一些试点示 范工作。2 0 0 2 年国家科技部重要技术标准研究专项设立“肉用猪工厂化生产全程质 量管理与畜产品可追溯计算机软件研究”子课题；2 0 0 4 年工业部启动“进京蔬菜产 品质量追溯制度”；上海市搭建“上海食用农副产品达质量安全信息平台 ，对食用 农副产品的生产过程监控、条码识别等进行系统管理，企业通过“食用农副产品安 全信息条形码：给每个产品建立其相应的生产档案n 8 1 ( 2 ) 可追溯关键技术研究 食品供应链可追溯关键技术是可追溯系统有效运作的核心所在，主要包括动物 个体识别技术、现代信息网络和通讯技术等其中动物个体标识技术是可追溯关键 技术体系的核心所在。目前国内外采用的关键技术大体可分为三类：机械方法( 烙 铁、纹身等) ；电子方法( 条形码塑料耳标、电子纽扣式标签n 、无线射频识别n 钉 等) ；以及生物方法( d n a 分型、眼虹膜识别、视网膜识别等) 。其中无线射频技术和 生物学身份识别技术( 如眼虹膜识别和d n a 分型) 是个体识别的一种新技术，未来发 展潜力巨大。下面对无线射频技术、d n a 技术、虹膜识别技术做了详细介绍。 9 东南人学硕上学位论文 第二章大型动物虹膜识别技术 2 2 食品链可追溯关键技术 2 2 1 无线射频识别技术( r f i d 技术) 射频识别技术( r f i d ) 是一项利用射频信号通过空间耦合，实现无接触双向信 息传递并通过所传递的信息达到自动识别目标对象并获取相关数据的技术，具有精 度高、适应环境能力强、抗干扰、操作快捷等许多优点。它是一种非接触的自动识 别技术，它通过射频信号自动识别目标对象、获取相关数据，与其它软硬件信息系 统协同实施更为高层的目标对象管理。它具有信息读取方便，不受脏污等恶劣环境 影响，读取距离较远，准确率高，是畜体标识的理想选择。 r f i d 国际标准已经出台，随着成本的进一步降低，可望大范围应用。最基本 的r f i d 系统由三部分组成：( 1 ) 射频卡标签：由耦合元件及芯片组成，标签含有 内置天线，用于和射频天线间进行通信。( 2 ) 阅读器：读取标签信息的设备。( 3 ) 天线：在标签和读取器间传递射频信号。中国已在该方面进行应用研究，2 0 0 3 年国 家在高技术研究发展( 8 6 3 ) 计划中设立“数字农业精细养殖技术平台构建与应用” 重大课题，进行“精细养殖中的数据采集与无线传输技术的研究 ，利用r f i d 、p d a 和无线局域网等技术，探索中国国情的奶牛个体信息采集的无线终端等研究。 由于各种自动识别技术都有其一定的局限性，多种技术共存既可充分发挥各自 的优势，还可以有效地实现功能性互补。当前，发达国家都积极开展条码技术与射频 识别技术等技术的集成研究，我国在r f i d 技术方面也进行了大量的研究。钱平、郑 业鲁、熊本海等介绍了射频识别( r f i d ) 技术及其在国内外农业领域中的应用，并提出 我国开展以“电子标签”为主的r f i d 技术在农业领域应用的展望啪3 。王立方、陆昌 华、谢菊芳等阐述了构建家畜和畜产品可追溯系统对于食品安全和国际贸易的重要 性和必要性，比较不同类型的畜体标识方法，重点介绍了r f i d 电子技术，d n a 标识技 术以及模式识别技术等等，并提出了家畜标识制作的新工艺与新方法，指出可追溯系 统的发展方向和趋势n 1 。文汉云和金升藻等研究了基于r f i d 技术的动物识别与跟踪 管理系统的结构和工作原理，介绍了系统的硬件设计、软件设计方案，同时指出在 动物的识别与跟踪管理中进一步研究和使用r f i d 技术，将能促进我国畜牧业向更高 层次发展乜。可以预料，条码技术和r f i d 技术在未来将会大有可为。 1 0 东南人学硕十学位论文第二章大型动物虹膜识别技术 2 2 2d n a 标识技术 d n a 标识是动物天生固有的条形码，利用它能够实现从餐桌肉品到饲养场种畜 的追溯，肉品可以是新鲜的、加工的甚至是烹调过的。j e f f r e y s 等发现当利用特定 的酶消化d n a 时，凝胶电泳分解的结果d n a 片段模式，对于每个个体均是特定的。这 项d n a 指纹识别技术己应用于法医研究。m u l l i s ( 1 9 8 6 ) 等发展了新的处方法，即聚合 物链反应( p c r ) ，随着技术的不断进步，微卫星方法( m i c r o s a t e l l i t e s ) 和一种称作单 核苷酸多态性( s n p ) 标识方法已经出现并获得应用，利用微卫星标志和单核苷酸多态 性进行家畜个体追溯方法是可行的，与微卫星方法有许多等位基因相比，单核苷酸多 态性( s n p ) 方法仅有两个等位基因，技术相对简单，成本相对低廉，这有益于全自动 s n p 分析，在基于d n a 的可追溯系统中将更多地采用s n p 分析方法。爱尔兰学者2 0 世纪9 0 年代中期开始从事d n a 分析研究，并于1 9 9 8 年开始了首次超市供应链追溯应 用，2 0 0 1 年通过d n a 序列分析对欧洲牛的近东起源进行了研究。新西兰学者研究利 用d n a 微卫星标志进行牛肉绞肉源头追溯时，发现如果1 0 头以上的牛肉绞和在一起 或者不同的批次绞肉使用了同一头牛的牛肉，追溯将出现限制。西班牙o v i e d o 大学 进行了4 年利用d n a 指纹进行肉牛追踪的研究，建议采用3 个多态微卫星标识来进行 日常检测，此时两个体检测标识信息相同的概率为千分之一。2 0 0 3 年加拿大枫叶公 司联合p y x i s 基因公司、o r c h i d 生物科学公司以及i b m 公司，研究利用s n p 技术，实 现猪肉或肉制品到饲养场种母猪的追溯目标。但基于d n a 的追溯系统也有缺点，从超 市到分销商到加工商到屠宰场之间不可追溯，但是可追溯至农场以及种畜。其优点是， 它有非常高的准确率，对疾病控制有重要意义瞳2 。2 4 1 。 生物信息学技术的发展和应用使得基于d n a 的可追溯成为可能，尽管现在检测 成本很高、检测时间长，但是其基于畜体本身“条形码的优越性不可改变，是终极 的解决方案，对生物信息技术也提出了更高的要求。d n a 标识需要建立庞大的基因数 据库，需要研制专用的基因匹配搜索引擎，没有现代信息技术的支撑就无法实现基于 d n a 的可追溯系统。生物识别技术代表了国际上农业领域中的一些最新研究成果，具 有相当高的识别准确度，但是该技术还不很成熟，成本较高。 东南大学硕上学位论文第二章大型动物虹膜识别技术 2 2 3 虹膜识别技术 虹膜识别是一个新兴的热门发展方向，虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色巩 膜之间的圆环状区域，在红外光下可以看到丰富的纹理信息，如斑点、条纹、细丝、 隐窝等细节特征。虹膜识别已经成功地用于大规模人群的身份鉴定，如海关的出入 境检查、社会福利发放、建筑物的进出控制、银行自动提款机、电子护照和第二代 身份证、公安和司法等领域。在我国这样人口众多的国家开展自主知识产权的虹膜 识别研究尤其具有特别重要的战略意义。从已经公布的大规模实验室测试和实际应 用的结果来看，虹膜是最可靠和最稳定的生物特征。 虹膜图像数据采集模块实现的主要功能是采集虹膜图像，并将采集到的虹膜图 像转化成计算机可以存储和识别的特征编码，为虹膜识别和匹配工作做好相应的准 备工作。虹膜图像数据采集模块主要涉及虹膜原始图像的采集、虹膜图像的预处理 以及虹膜图像的特征提取与编码等几个部分。在虹膜图像数据采集模块中，首先利 用虹膜图像采集装置采集到虹膜原始图像，在原始虹膜图像基础上，根据相应的算 法，对虹膜图像进行预处理，定位出准确的虹膜区域，并对图像做归一化处理，增 强虹膜图像的对比度，将虹膜图像精确化。 虹膜识别模块要实现的主要功能是，用户能够通过采集到的虹膜在虹膜数据库 中找出对应虹膜编码，然后对相关信息进行添加或修改。首先将采集到的虹膜图像 转化为虹膜特征编码，然后将该编码与数据库中的已知虹膜编码逐一比对，计算码 字间的相似度，加以判决。本模块的模式匹配理论是基于比较两个虹膜编码的 h a 咖i n g 距离来实现的。 虹膜识别所用成本较为固定，一次购置采集设备以及识别软件就可以一直使用， 而且识别率高，成本低。目前国际上针对人眼虹膜识别已经取得了显著成果，但是 对于动物个体的虹膜识别仍然处于研究过程中。 2 3 大型动物虹膜识别技术 虹膜识别技术是属于动物识别技术的一种，动物个体识别是肉食品可追溯系统的 首要因素，是指利用特定的标签，以某种技术手段与拟识别的动物相对应，并能随时 对动物的相关安全信息进行跟踪与管理，发生问题时，可以快速追溯到动物在食品链 上经过的各节点以及出生地的一种技术。参照发达国家实施的畜产品追溯系统与技 1 2 东南大学硕十学位论文第一二章大型动物虹膜识别技术 术，综合比较集中畜体标识技术的优劣和发展趋势，采用虹膜识别作为动物个体溯源 的关键技术更为准确有效。 2 3 1 人眼虹膜识别系统 虹膜是位于眼睛黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分，在红外光下可以看到丰 富的纹理细腻，如斑点、条纹、细丝、隐窝等细节特征，就像指纹和d n a 编码一样， 虹膜纹理具有唯一性，而且终生不变。虹膜识别是一种新的身份鉴别方法，通过特定 的识别算法，可以达到极高的准确率。虹膜识别作为无接触式的识别方式，具有唯一 性、稳定性、可采集性等优点，与脸像等非接触式的生物识别方法相比，虹膜具有更 高的准确性，瞳孔的缩放使虹膜具有活体组织的显著特征，可有效的防止人工伪造。 虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的 2 2 。 国外对虹膜识别研究较早，传统的虹膜识别算法有d a u g m a n 和w i l d e s 提出的识 别算法。 ( 1 ) d a u g m a n 系统：利用如下微积分算子( i n t e g r o d i f f e r e n t i a l o p e r a t o r ) 来 定位虹膜2 2 6 1 ： 。嬲，l 吒( ，) 唔面。掣西i ( 2 1 ) 其中，q ( r ) 是标准差为的高斯函数，起平滑滤波作用，i 为虹膜图像，表 示卷积，除以2 万r 是为了归一化。整个算子的作用为一个以一定尺度的高斯函数模 糊化的圆的边缘检测器，它在三维的参数空间，儿，r ) 迭代求最优解。检测眼睑时 积分路径改为圆弧形( a r c u a t e ) ，然后用统计方法判断是否有眼睑。特征抽取时采 用g a b o r 滤波器的相位编码算法，该算法利用g a b o r 滤波器的局部性和方向性对虹 膜纹理进行分解编码，依据是g a b o r 小波具有与人类简单视觉细胞相似的视觉特性， 能够很好地分析现实世界中的各种模式 1 1 6 一1 1 8 ，因此d a u g 帆n 设计了如下的二维 的g a b o r 滤波器对归一化后的虹膜纹理进行滤波： 。) = s g i l 蝴) 工，( p ，矽) p 砌州可州k 2 万州刎 ( 2 2 ) 然后提取其相位信息，并将所得到的相位信息量化为二值的虹膜编码，利用归一 化的海明距离( h a 眦i n gd i s t a n c e ) 实现虹膜特征匹配。此方法是识别性能最好的方 法。 1 3 东南人学硕士学位论文 第- 二章大型动物虹膜识别技术 ( 2 ) w 订d e s 系统：w i l d e s 系统乜7 刮使用边缘检测与h o u g h 变换相结合的方法定 位虹膜，先用二维高斯函数结合拉普拉斯算子来寻找虹膜边缘点，再用h o u g h 变换来 得到虹膜参数，也是在三维参数空间求内外圆的参数最优解。由于h o u g h 变化具有一 系列优点被认为是高效的匹配滤波器工具一1 ，但是由于其计算量与参数空间成指数 关系，因此这种方法的计算时间是个不能忽视的问题，此外，当虹膜被睫毛及眼睑 遮挡的时候，这种方法的准确性会显著下降。检测眼睑时，利用h o u 曲变换进行抛物 线的拟合，由于拟合抛物线时，需要在四维参数空间求最优解，见公式( 2 3 )