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浙江大学硕士学位论文 摘要 果蔬干燥过程仿真研究中的若干问题 摘要 热风干燥是被广泛使用的一种果蔬干燥方法。本文以红富士苹果为研究 对象，对果蔬干燥过程仿真研究中的若干问题进行研究探讨。全文主要内容 如下： 1 ) 本文在综述了国内外干燥数学模型的基础上，针对当前的模型一般都 有存在忽略边界收缩或考虑不足的缺点，提出通过量纲分析，实验获取小块 果蔬体积收缩率与其含水率变化之间的关系，并将这一关系应用于果蔬内部 每一质点，从一维的径向线收缩推导出通用公式；从三维球体的立体角度推 导出球形公式。对所获得的理论方程，设计实验进行验证，结果发现球形公 式较通用公式预测结果与实际结果更吻合，更合理。 2 ) 果蔬在流通、加工和贮藏过程中的质量是以研究水分性质为基础的， 数值仿真方法研究果蔬干燥过程时，含水率的数值计算结果也必需得到实验 的验证。然而测量果蔬含水率的传统方法，只能取得实验平均值，缺乏在线 无损检测的能力，不能精确获取果蔬内部含水率的分布信息。本文为无损获 取果蔬内部水分的含量及其分布形态，利用c r 技术，实验研究c t 值与其对 应点含水率、c t 值与c t 图像上对应点的r g b 值之间的关系，数据分析发现 两组关系中的两参量之间都有着十分显著的线性相关性，并得到c t 值和含水 率( 红富士苹果) 之间、c t 图像上点的r g b 值与其c t 值之间的函数关系式。 从而可以通过c t 技术，为精确无损的果蔬水分检测提供新思路。 3 ) 获得的c t 片是大量信息的存贮集合。本文在综述了图像信息处理在 果蔬检测方面的应用后，总结了当前应用的一些特点和方法，针对c t 图像， 进行图像处理应用。首先对c t 图像进行预处理：为后续处理的需要提供了方 便的区域选取工具：将2 4 位真彩图转化为8 位灰度图；用中值滤波进行图像 增强。随后进行物体识别，从背景中将物体分离出来，该算法适用于多个不 连通物体的同时识别，具有很好的通用性和抗干扰性。在物体识别后，探讨 了轮廓跟踪算法和腐蚀方法在获取物体边界时的特点。 4 ) 在图像信息可视化方面，本文采用伪彩色处理的方法，提高了对c t 图像细节的视觉辨别力，取得明显的效果；在状态栏中，动态显示鼠标所在 点的灰度值、c t 值以及含水率，从而可以方便地了解各点的相关信息。数据 统计分析方面，本文在物体识别的基础上，对各物体信息进行有需要的统计 ( 如：求取某一含水率范围内的物体面积所占整个物体面积的百分比) ，并动 态直观的显示出来。 浙江太学硕士学位论文摘要 本文针对当前果蔬干燥过程中普遍存在的几个问题，提出了新的研究思 路和方法，取得一定的进展和效果：将图像处理应用于c t 图像检测，快速全 面获取各种特征量，实现数字信息的可视化。这些研究对我国果蔬干燥工艺 的改进和优化，有着十分积极的参考和利用价值 关键词：热风干燥；量纲分析：边界收缩；c t ；含水率；图像处理；信息可 视化 l t 塑兰盔兰堡主差垡堡兰 竺! 坐! ! t h eq u e s t i o n si nt h es t u d yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ed r y i n gp r o c e s so ff r u i ta n dv e g e t a b l e a b s t r a c t t h e r m a ld r y i n gb yh o t - a i ri saw i d e l yu s e d w a yt od r yf r u i t sa n dv e g e t a b l e s i np r a c t i c e i nt h i sp a p e r ，r e df u s h ia p p l ew a st h eo b j e c ti nt h er e s e a r c h a i m i n ga ts e v e r a lq u e s t i o n si nt h es t u d yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ed r y i n g p r o c e s so ff r u i ta n dv e g e t a b l e ，s e v e r a lt h e o r i e sa n dm e t h o d sw e r ei n v e s t i g a t e d a n dd e v e l o p e d w ef i n i s h e ds o i n ew o r k sa sf o l l o w i n g ： 1 ) a f t e rr e v i e w i n gt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to fd r y i n gm a t h e m a ti c a lm o d e l a th o m ea n da b r o a d ，t h es h o r t c o m i n go fi g n o r i n gb o u n d a r y ss h r i n k a g eo r l i t t l et a k i n gi ti n t oa c c o u n tw a su n i v e r s a l l yf o u n di nm o d e l s ，s on e we q u a t i o n s w e r ei n v e s t i g a t e dt od e s c r i b et h ep h e n o m e n o n b a s i n go na n a l y s i so fd i m e n s i o n ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es 1 1 r i l l i c i n gr a t eo ft h ev o l u m eo fap i e c eo ff r u i t a n di t sw a t e rc o n t e n tw a so b t a i n e dt h r o l i g h e x p e r i m e n t a t i o n t h e nt h i s r e l a t i o n s h i pw a sa p p l l e dt oe a c hi n t e r i o re l e m e n t a r yp a r t i c l eo ff r u i t s e q u e n t i a l l y “t h eu n i v e r s a lf o r m u l a ”t h i n k i n go v e rt h es h r i n k a g ei nt h e d i a m e t e r sd i r e c t i o na n d “t h es p h e r i f o r mf o r m u l a ”t h i n k i n go v e rt h e s l r i n k a g eo fat h r e e d i m e n s i o n a ls p h e r ew e r ee s t a b l i s h e d w ed e s i g n e da c a l c u l a t e d e x p e r i m e n t t ov a l i d a t et h ee f f e c to ft h e s ef o r m u l a s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t “t h es p h e r i f o r mf o r m u l a ”张sb e t t e rt h a n “t h eu n i v e r s a lf o r m u l a ”t of o r e c a s tt h ee x p e r i m e n td a t a 2 ) t h es t u d yo ft h eq u a l i t yo ff r u i ta n dv e g e t a b l ei ns t o r e ，t r a f f i ca n d p r o c e s si sf o u n do nt h ec h a r a c t e ro fi n t e r i o rw a t e r i ns t u d y i n gt h ed r y i n g p r o c e s sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so fm o i s t u r em u s t b ev a l i d a t e db ye x p e r i m e n t h o w e v e r ，t r a d i t i o n a lm e t h o d st oo b t a i nt h ed a t a o fm o i s t u r er u ns h o r to f a b i l i t yo f n o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n t h e c o m p u t a t i o n a lv a l u ew a so n l yv a l i d a t e db yt h ev a l u eo fa v e r a g em o i s t u r ei n t h ef r u i t ，a n dw a sn o tc o n f i r m e db yt h ed i s t r i b u t i o nv a l u eo ft h em o i s t u r e t ot e s tt h ed i s t r i b u t i o no fw a t e ri nf r u i t s ，t h r o u g he x p e r i m e n ta n da n a l y s i s o ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t t h er e l a t i o n so fd i f f e r e n tp o i n tm o i s t u r ei nf r u i t w i t ht h ec o r r e s p o n d i n gc tv a l u eo nt h ec ri m a g ea n dt h er 6 bv a l u eo nt h ei m a g e w i t ht h ec o r r e s p o n d i n gc tv a l u ew e r ef o u n d t h em a r k e dl i n e a rr e l a t i v i t i e s i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e t w e e na p o i n tm o i s t u r eo ff r u i ta n di t sc tv a l u e b e t w e e nc tv a l u eo nai m a g e a n di t sr g bv a l u eb o t hw e r ee x i s t e d s oe v e r yp o i n tm o i s t u r ei naf r u i tc a n b ef o u n dt h o u g ht h ec tv a l u eo rt h er g bv a l u ea tt h i sp o i n t i ti san e ww a y t ot e s tt h em o i s t a r eo fd i f f e r e n tp o i n t si nf r u i t 3 ) c ti m a g ei sak i n do fa g g r e g a t i o nt h a tc o n t a i n i n gal o to fi n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r ，ar e v i e wo ft h ec u r r e n ts t u d yo fi m a g ep r o c e s s i n gf o rd e t e c t i n g f r u i t sa n dv e g e t a b l e sw a si n t r o d u c e d ，a n ds o m em e t h o d sa n da p p l i c a t i o n sw e r e s u m m a r i z e dt o o ，t h e nw ea p p ll e dt h et e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n gt oa n a l y z e c ti m a g e s a tf i r s ti m a g ep r e p r o c e s s i n gw a sd o n e ，i ti n c l u d e ：p r o v i d i n gt o o l s b yw h i c hy o uc a ns e l e c td i f f e r e n tz o n e so nac ti m a g e ，i m a g ef o r m a tc o n v e r t i n g f r o ma2 4b i t sc o l o ri m a g et oa8b i t sg r a yi m a g ea n di m a g ee n h a n c e m e n tw i t h m e d i u mv a l u ef ii t e r ，t h e nam e t h o df o rr e c o g n i z i n gd i f f e r e n to b j e c ta tt h e s a n l et i m eh a db e e np u tf o r w a r d ，b yw h i c ho b j e c t sw e r es e p a r a t e df r o mb a c k g r o u n d a n di d e n t i f i e d i np r a c t i c e t h em e t h o dw a sp r o v e dw i t hu n i v e r s a la p p l i c a t i o n a n dg o o dn o i s er e d u c t i o n t w om e t h o d su s e dt oo b t a i nt h eb o r d e r l i n e c o n t o u r t r a c i n ga n de r o s i o na l g o r i t h m ，w e r es t u d i e d 4 ) a tt h ea s p e c to fi n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ，t h em e t h o do fp s e u d o c o l o r p r o c e s s i n gw a su s e dt oa n h a n c et h eo f f e c to fd i s t i n g u i s h i n gd e t a i l sa m o n g s i m i f a rc o l o r s ，t h e r e b yd i f f e r e n tp a r t i c u l a r so n ai m a g ec o u l db ee a s i l y d i s c o v e r e d ，a n di nt h es t a t u sb a ro ft h ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mt h ea c c u r a t e i n f o r m a t i o n ( g r a ys c a l ev a l u e ，c tv a l u ea n dw a t e rc o n t e n t ) o ft h ep o i n tt h e m o u s es t a yw a sd i s p l a y e di nr e a lt i m e a tt h ea s p e c to fs t a t i s t i c a la n a l y s i s ， a f t e ro b j e c tr e c o g n i z e d ，t h es t a t i s t i c a li n f o r m a t i o no fe a c hi d e n t i f i e d o b j e c tw a sc o m p u t e do u ta n ds h o w e ds y n c h r o n o u s l y f o re x a m p l e ：t h ep e r c e n t a g e o fa r e ai nw h i c ht h ev a l u eo fw a t e rc o n t e n ta ta n yp o i n ti sn o tl a r g et h a n ap r e s c r i b e dv a l u ew a sc a l c u l a t e d i nt h i sp a p e r ，n e ww a y sa n dm e t h e d sh a db e e nh r o u 【g h tf o r w a r dt os o l v es o m e a tl a r g ee x i s t e n tq u e s t i o n si nt h ed r y i n gp r o c e s so ff r u i ta n dv e g e t a b l e ，s o m e h e l p f u ld e v e l o p m e n t sa n ds i g n i f i c a t i v er e s u l t sh a db e e na c h i e r e d ：t h e t a n h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n gh a db e e na p p l i e dt or a p i d l ya n de x a c t l yg a i n v a r i o u sd a t ao fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so nac t i m a g e ，a n dd i g i t a l i n f o r m a t i o nc o u l db et r a n s f o r m e di n t og r a p h i ci n f o r m a t i o n t h e s es t u d i e sw i l l b ew o r t hd e v e l o p m e n ta n di m p r o v i n go ft h et e c h n o l o g yo ft h ed r y i n gp r o c e s s i n g o ff r u i ta n dv e g e t a b l e k e y w o r d s ：t h e r m a ld r y i n gb yh o t a i r ：a n a l y s i s o f d i m e n s i o n ；s h r i n k a g e e q u a t i o n ：c t ：w a t e rc o n t e n t ；i m a g ep r o c e s s i n g ：i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 l - 1 研究的目的和意义 果蔬是人们日常生活中不可缺少的副食品，是仅次于粮食的世界第二重 要农产品。果蔬含有丰富的营养物质，这些物质是维持人体正常生理机能， 保持人体健康不可缺少的，此外还以其特有的色、香、味在人们的生活中扮 演着特殊的角色。随着人民生活水平的提高，人们对果蔬的需求不断增加， 对品质的要求也越来越高。 改革开放以来，我国果蔬产业快速发展，己成为农民增收的支柱产业和 创汇农业的重要组成部分。2 0 0 2 全国蔬菜种植面积1 7 3 5 万公顷，产量5 2 9 亿吨；水果9 1 0 万公顷，产量6 9 5 2 万吨。蔬菜、水果总产量居世界首位， 其中苹果、梨的产量也居世界首位，柑桔产量列世界第三位。2 0 0 2 年蔬菜水 果出口额占农产品出口总额的1 9 9 。- 其中蔬菜和水果的出日额为2 8 3 3 亿 美元和9 8 2 亿美元，分别比1 9 9 7 年的1 9 4 6 亿美元和6 3 1 亿美元增长了 3 5 3 和5 5 6 。由此可见，蔬菜、水果产业将是我国加入世贸组织后具有较 强潜在优势的产业。 但另一方面，由于果蔬生产季节性强，上市量集中，而在营销、储运、 保鲜及深加工等方面的发展水平还很落后，与发达国家相比差距很大，难以 适应果蔬产量的迅速增长，出现了果蔬在时闻上和空间上的相对过剩，滞销 跌价，果蔬腐烂损耗率高，各地丰产不丰收的现象。这不仅制约了果蔬产业 的持续发展，而且造成的采后损失巨大。据调查，我国水果产后损失为 2 0 - 2 5 ，蔬菜产后损失高达3 0 左右。而欧美发达国家的损失仅为1 7 _ 5 。 我国水果贮藏能力仅占总产量的2 0 0 , 6 ，而且多以简易贮藏为主，冷藏、气调 贮藏仅占贮藏能力的7 。发达国家9 5 以上的水果都能得到及时贮藏，并且 7 0 - 8 0 是气调贮藏。据有关部门分析，我国果蔬由此造成的损失高达7 5 0 亿 元人民币，主营果菜农民按2 亿估算，平均每个农民年均少收入3 0 0 元。 如何解决这个问题，保持果蔬生产者的利益，减少损失? 果蔬深加工就 是解决这一问题的重要途径。因而对果蔬深加工方面进行研究，是十分迫切 新江大学硕士学位论文第一章绪论 和需要的。 果蔬干燥是对果蔬深加工的一种重要手段，它有助于果蔬的贮藏、口味 增加和附加值的提高，有助于解决果蔬季节性和地域性过于集中，果蔬保鲜 贮藏能力不足的问题。它对改善人民生活、繁荣经济、增办人民收入有着重 要的作用。自6 0 年代初，就已开始生产出口脱水蔬菜，2 0 多年来，多采用 隧道式热风烘干房加工脱水蔬菜，数量达l o 多个品种，其产品远销西欧、日 本及美国等市场，享有一定信誉。脱水蔬菜的年销售量已近两万吨，如脱水 大蒜片、大蒜粒( 粉) 已成为德国和美国销售量较大的品种，然而遗憾的是由 于我国的干燥技术理论落后，脱水后的果蔬品质明显差于西方国家，产量虽 然很高，但出口量仅占世界贸易的1 0 ，售价为西方国家的1 3 一 2 。如 日本的干香菇国际市场售价为2 8 3 2 万美元吨，而我国的干香菇只有0 8 1 2 万美元吨，所以很有必要对果蔬热风干燥过程、机理进行深入的研究， 以期提高和优化我国果蔬干燥的工艺水平，让我国的农产品在国际市场上无 论在数量和质量上都能与西方国家一争高下。 水分是果蔬的主要成分之一，同时也是确定果蔬性质和耐藏性的重要因 素。不同种类的品种间的含水率差异很大，大多数为8 5 一9 5 。苹果、梨、 葡萄、白菜的含水率在9 0 以上，马铃薯的含水率为8 5 ，大蒜和山楂的含 水率较低，为6 5 “1 。可以说水分含量占果蔬成分含量的第一位。对果蔬进 行脱水干燥，就是将鲜果蔬细胞中所含的大量游离水和部分胶体结合水蒸发 搏，使湿的状态，变为干的状态。不论采用什么方法，果蔬干燥的基本过程， 就是将热量传递给果蔬，促使其组织中的水分向外转移，并从表面蒸发而去 除。 果蔬干燥加工采用的方法有自然干燥和人工干燥两种。人工干燥起始于 1 8 世纪，当时由于战争的需要，很多蔬菜包括青刀豆、胡萝卜、菠菜等经过 干燥运往前线，在战争中起了很大作用，之后，蔬菜干制发展很快。人工干 燥不受气候条件的限制，可以人为地控制干燥条件，因此干燥速度迅速、效 率高、干制品的品质优良，完成干燥所需时间短，例如一般自然干燥需7 3 0 天或更长时间的蔬菜，人工干燥只需2 3 h 到6 8 h ，人工干燥具有自然 干燥不可比拟的优越性，是果蔬干燥的方向。 热风干燥是人工干燥广泛使用的果蔬干燥方法，它具有投资少、成本低、 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 操作简单、维护方便、经济效益好等特点。热风干燥量大面广，常以烘箱、 烘道和供房的形式实施，吹向多层物料盘的热风将热量传递给物料，使之升 温脱湿，达到干燥要求。干燥过程中，热风和相接触的物料产生热湿交换， 当干燥介质( 热空气) 与原料接触后，就被原料所吸收，待原料温度升高到 一定程度时，其所含水分就由液态变为气态，随着流动的空气散发出去。在 干燥过程中果蔬水分不断地蒸发，是借水分外扩散和内扩散作用的结果，两 种作用必须配合好，对原料干燥是非常重要的，否则对干制品品质都是不利 的。 果蔬干燥是一个复杂的传熟传质过程，物科在干燥过程中要发生物理、 化学和生物等方面的变化，这些变化都与物料内部的水分分布和温度分布密 切相关。如果能了解物料内部的水分、温度分布及其变化，就能为合理选择 干燥的较佳工艺提供依据。当前国内外对粮食( 如：谷物) 干燥方面的研究 很多。果蔬与粮食相比存在很大差别，其含水率远远高于粮食，干燥后，体 积缩小、重量减轻。果品干燥后，体积约为原料的2 0 一3 5 ，重量为原料 2 0 - - 3 0 ；蔬菜干燥后，重量减轻l o 一2 0 倍，体积缩小l o 倍左右，当果 蔬原料干燥失水时，随着水分的消失，物料大小也将随之缩小“。 目前果蔬干燥研究方面，果蔬含水率的数值计算，是可以得出其含水率 的分布值，但由于缺乏在线的含水率分布检测手段，只能将计算的平均值与 试验值相比较，无法全面的验证果蔬内部含水率的精确分布状况。在果蔬脱 水的数值模拟报道中，所用的模型一般很粗糙，如假定物料体积不变，边界 规则，果蔬内部要么存在汽化，要么不存在汽化。果蔬外部边界层条件一致 等等，在一些粗略的假定下的计算出来的结果与试验的比较也只是整体比较 而不是分布逐点的比较，结论只是定性的参考，离实际较远。 因此建立果蔬干燥过程中的边晃收缩方程和了解果蔬内部水分的含量及 其分布形态对果蔬干燥技术的研究有着十分重要的意义。 为精确且无损的对果蔬内部水分进行检测，可以利用c t 技术。c t 在医 学领域的应用已十分广泛，技术比较成熟，主要用于人体内部组织器官的病 理检测，以得到其内部物质状态的信息。可以通过对干燥过程中的果蔬进行 c t 扫描，获得c t 片，通过对c t 值与果蔬内部相关性质的试验研究，以期达 到得出果蔬体内含水率动态分布状况的目的。 新豇大学硕士学位论文第一章绪论 目前农业应用方面，图象处理技术在国内外的科研机构中，己被应用到 物料特性研究、蔬菜栽培、果类收获、田间自动引导、农副产品质量分选及 加工等农业生产过程中。“1 。通过对c t 片的图像处理分析，全面观测内部组 织( 水分) 分布的状况及其变化，获取果蔬干燥过程中的各种特征量，以期 对其内部动态情况迸行观测、分析与判断，为研究果蔬干燥特性快速准确地 提供必要信息，得出较佳的干燥工艺参数；为促进我国果蔬脱水品质的提高， 提供必要的科学依据，同时也能大大减少为获得良好工艺而花费的大量试验 经费。因此，有着广泛的应用背景。 1 2 干燥数学模型国内外研究概述 模型是对现实世界的某种放大和缩小，也是现实世界的抽象。数学模型 就是指用数学表达式表示现实事物，即运用数学语言对现实世界的信息加以 归纳和描述，是对现实世界的抽象。现在，国内外有很多研究，利用传热传 质模型来分析干燥过程的水分扩散和热扩散过程，预测干燥过程物料内部水 分分布和温度分布。在现有描述物料干燥过程内部传热传质的数学模型中， 扩散模型用的最多。 早在1 9 4 0 年以前，就出现了预测干燥机内谷物和热空气间的传热传质模 型，其中比较著名的是w v h u k i l l 教授的谷物深床干燥模型，他利用一个 干燥方程和一系列的无因次曲线计算干燥过程中一定干燥时间后谷床深处的 谷物水分；1 9 6 7 年以来，美国t l t h o m p s o n 对各种类型的谷物干燥机进行 大量研究，提出了模拟干燥过程的平衡模型，他的理论依据是假设在一定时 间段内，谷物水分与一定温度和一定湿度的热空气处于平衡状态，还假设谷 物温度与热空气的温度相等。是一个经验模型。1 9 7 0 年以来， f w b a k k e r - a r k e m a 根据传热传质的基本理论推导了谷物干燥的理论模型， 它由四个偏微分方程组成。利用数值解法可求解一定时间后，薄层谷物的水 分、温度和热空气的温度、湿度。随着低温干燥技术的恢复和发展，s h o v e 利用s a b a h 的薄层干燥模型结合t h o m p s o n 的深床干燥模型，建立了一个玉 米常温通风干燥模型“1 。 但到目前为止，还没有一个模型被普遍接受。此外，由于各物料自身的 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 复杂组织结构以及在干燥过程中的物理、化学变化，使得这些理论模型更难 以应用准确。现有模型还存在许多简化如不考虑干燥过程中物料的收缩，把 水分扩散系数看成是与水分和温度无关的常数等。由于果蔬含有大量水分， 随着果蔬干燥过程中水分的失去，明显的物理收缩对干燥速率的影响是显著 的。 要提高模型的适用性，增强模型参数的有效性，如：扩散系数 ( y a m a g u c h i 口1 ( 1 9 9 2 ) 、m u l e t 嘲( 1 9 9 4 ) 、q u e r i r o z 和n e b r a “( t 9 9 6 ) ) ，作为 重要物理变化现象的体积收缩，自然应当被考虑进来。通常认为在干燥过程 的早期，体积收缩是随着含水率的变化而相应线性关系变化的( t u l a s i d a s 1 9 9 5 ) 。 对不同的干燥对象，在考虑体积收缩的研究中，l o z a n o “”( 1 9 8 3 ) 提出一 个试验的方法，测试不同谷物的体积收缩率：m i s r a 和y o u n g “”( 1 9 8 0 ) 假设 物料的密度和浓度依赖于水分扩散系数，分析物料的收缩对水分分布的影响； v i o l l a z 和s u a r e z “4 ( 1 9 8 5 ) 用不同的方法计算随水分收缩或膨胀的多孔渗水 厚片非稳态温度梯度分布问题。w a a n a n e n 等“”( 1 9 9 3 ) 用有限元和有限差方 法求解微分方程，描述边界移动时水分的传输河题。7 0 h n s o n 。”( 1 9 9 8 ) 试验 分析不同厚度、不同温度- f d , 片圆柱形车前草水分扩散、形体收缩的热风干 燥过程，获得了含水率与体积变化之间关系的数学模型，并对其水分扩散过 程进行数值仿真；h e r n d n d e z “5 1 ( 2 0 0 0 ) 通过建立芒果平均含水率与体积收缩 之间关系的数学模型，对其在低风速下进行数值仿真；s s i m a l “”( 1 9 9 8 ) 探 讨了考虑圆柱体体积收缩的数学模型，预测得到椰菜茎在干燥过程中温度、 平均含水率和水分扩散的结果，与试验结果吻合；赵玉生”( 2 0 0 0 ) 针对根菜 类食品脱水的干缩现象，提出了量化干缩面积的数学模型，分别描述物料干 燥时气化表面与水分含量变化之间的关系。 1 3 图象信息处理在果蔬检测方面的应用 图像处理是随着计算机技术的发展应运而生的一门技术。近二十余年来， 计算机图像处理技术随着计算机技术日新月异的发展和普及，在各个领域得 到迅速的发展。在农业工程领域，从农作物的生态测量到农产品的质量检测， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 从可见光图像处理到红外线、x 射线等其他波谱图像的处理，从农作物受污 染程度的判别到某些营养成分的检测，到处可见图像技术的应用成果。计算 机图像处理技术已成为发展现代农业不可缺少的组成部分“。 农业工程中的图像处理涉及的内容有很多，其中一个重要的应用方面， 就是对农作物物料特性和品质进行检测。物料特性包括表面特性和内部特性， 可视图像可以表示景物的形状、颜色、纹理等基本表面特性：通过红外、近 红外、核磁共振( n m r ) 、x 射线、超声波图像等得到的不可见图像，使人们 从更深入的角度检测和评价对象的特征性质，对物料内部信息进行认识和利 用。品质检测就是提取可视或不可视图像中某一特征或多个单一特征的综合， 利用这些信息对物料进行评价和判断。 国内外对果蔬外部可视图像信息处理的研究很多”。1 。通过拍摄一幅或 多幅图像，依据农产品外观的单个或多个参数进行检测。在水果方面： t h r o o p “”等( 1 9 8 9 ) 通过检测平均灰度来确定可见光在苹果中的透射能力，可 以百分之百的测量苹果中是否有水芯存在，但无法确定水芯的严重程度。 d e l w i t h e c 2 。1 等( 1 9 9 0 ) 利用行扫描摄像机采集以1 z m s 的速度通过一个漫射 光照箱的干梅脯的图像，测出各种表面缺陷的光谱持性，根据灰度级的变化 确定完好或损伤的像素。m i l l e r o o 等( 1 9 9 1 ) 对市售的新鲜桃子进行表面缺 陷( 伤疤、切口、擦伤、等级、虫孔和褐色腐烂) 检测和鉴定，开发了用于桃 子，图像分析断面缺陷区域的算法。p e a r s o n m 等( 1 9 9 6 ) 利用机器视觉技术 检测阿月浑子壳上的旱期裂纹，有裂纹处的灰度级明显大于完好的果壳。 z h a n gs h u h a i 和t a k a h a s h i - t 等叫( 1 9 9 6 ) 通过模式识别来实现对苹果的检 测、定位，进而可以自动采摘苹果。他们利用一种算法来实现对苹果的识别， 对苹果树的原始图像进行滤波和边界提取。通过计算来确定与图形形状相关 的苹果轮廓线。何东健咖1 ( 1 9 9 7 ) 利用投影图像直接测定球形果实表面缺陷存 在的问题，并进行了验证。其后( 1 9 9 8 ) o “对放置在自制具有均匀光照的圆筒 形内的样品，选择h i s 颜色模型，用合适色相阀值下的累计着色面积百分比 进行苹果的颜色分类检测。王江枫( 1 9 9 8 ) 探讨了计算机视觉技术应用于芒 果质量及果面坏损检测的方法，建立了芒果质量与其投影图像的相互关系。 刘禾1 ( 1 9 9 8 ) 根据苹果光学反射特性建立了一套适用于苹果检测的计算机 图像系统，且具有较高的坏损检出率。应义斌等( 1 9 9 9 ) 利用机器视觉技 6 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 术检测黄花梨外形尺寸与表面状况，提出利用红( r ) 、绿( g ) 色彩分量在坏损 与非坏损交界处的突变，求出可疑点，再经区域增长定出整个黄花梨的整个 受损面。同时，还提出用傅里叶描述子的前1 6 个谐波的变化特性描述果实的 实际形状，对黄花梨进行外形尺寸检测，确定形心点找出代表果径，将神经 网络和傅里叶描述子相结合，识别果形。张书慧、陈晓光等( t 9 9 9 ) 设计了 苹果、桃等品质检测与分级图像处理系统，通过建立图像数据采集与分析系 统及相关的农副产品图像数据库，实现对农副产品品质( 表面颜色、形状、缺 陷) 的检测和分级。徐娟等呻1 ( 1 9 9 9 ) 提出了一种图像形态学开运算的处理 算法，以提高对果梗的检测速度。赵静。”( 2 0 0 1 ) 研究了果实形状的计算机识 别方法。 在蔬菜方面：s a r k e rn 等1 利用数字图像分析和模式识别技术研究了 一种用于新鲜市售西红柿的定向和根据尺寸、颜色、形状和表面缺陷分类的 特殊算法。s h e a r e r 等( 1 9 9 0 ) 提出了根据颜色对新鲜市售农产品进行品质 检测的新方法。该方法用于圆椒的品质评价时的正确率高达9 6 。h o w a r t h 等( 1 9 9 1 ) 采用相近的方法来区分弯曲、变形或破损的胡萝 ，也取得良好 的效果。v a nd ev o o r e n 等1 ( 1 9 9 2 ) 测定了蘑菇的各种形态学特征，用圆度、 弯曲能量、球形度和偏心距等来描述蘑菇的形状特征。r i g n e y 滢；等人( 1 9 9 2 ) 用图像处理算法检测芦笋的缺陷。k c h o i 呻1 等人( 1 9 9 5 ) 根据美国农业部的 标准将西红柿按成熟度分成6 个等级( 绿色、浅绿色、红绿交替色、粉红色、 浅红色和红色) 。陈晓光和于海业m ( 1 9 9 5 ) 对蔬菜进行图像平滑处理，用拉 普拉斯算子生成轮廓线，识别苗的位置坐标等特征量。周云山和李强等 “”( 1 9 9 5 ) 用矢量链描述了磨菇的边界，并计算了其周长、面积和中心坐标。 利用不可视图像对果蔬内部特征性质进行检测删。近红外技术： n i r ( n e a ri n f r a r e d ) 是近红外技术的简称，近红外光的波长为8 0 0 - - 2 5 0 0 n m ， 略高于可见光( t t 长4 0 0 - - - 7 5 0 n m ) 。当近红外光用于果蔬检测时，n i r 有反射 模式( 经果蔬反射后的情况) ，也有透射模式( 穿透果蔬后的情况) 。将待测样 品及标准样品透过或反射的光由光电管等检测，经放大a d 转换后输入计算 机，计算出反射率或透光率，再进行果实正常部分和损伤部分的灰度对比， 从而可检测出水果品质。当前主要用于测量内部成分嘲帆“1 。c r o w e o ”( 1 9 9 1 ) 用3 个摄像机检测可见光区域和近红外区域的狭窄波段的反射率，进行颜色 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 评估和缺陷检测，并利用该装置，使柑橘在不受任何破坏的情况下，测得糖 酸度值。何东健”1 等人探讨了农产品分光反射特性和近红外图像处理在果实 损伤检测、颜色和叶子相近果实中的识别应用。赵杰文等唧1 基于近红外图像 进彳亍纹理分析，来检测作物叶片含水率。s t e i n m e t z 嘞1 ( 1 9 9 9 ) 等人利用彩色 摄像机及分光光度计并合的方法在线预测了苹果的含糖量，其中利用摄像机 提供颜色的信息，而用分光光度计测定含糖量，该合成法有助于提高糖含量 在线无破坏预测的成功率。 核磁共振技术：核磁共振( n m r ) 是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场 同时作用，且满足一定条件时所发生的共振吸收现象，是一种利用原子核在 磁场中的能量变化来获得关于核信息的技术。核磁共振能产生果实内部组织 的高清晰图像。c h e n 等嘲( 1 9 8 9 ) 利用n m r 技术来测度桃和梨，分析在n m r 图 像中，果实的受损伤、虫害、成熟度等方面的图像信息特征；其后c h e n 泓1 ( 1 9 9 6 ) 进行了用n m r 技术高速在线检测鳄梨成熟度的可行性研究，并运用于新鲜杏 梅的含糖量检测上。k i ms e o n gm i n ”1 ( 1 9 9 9 ) 等人设计了一个在线n m r 质量 评价传感器，用于检测果品表面缺陷。 x 射线和c t ：x 射线具有穿透能力，而物质的密度大小又影响x 射线的 穿透量的多少，通过对穿透量的分折，就可探明物质内部的情况。韩东海等 ”3 进行了x 射线自动检测柑橘皱皮果的研究，并得出x 射线强度高，传送速 度慢，则有利于检测皱皮果的结论。b a r c e l o n 等咖1 ( 1 9 9 9 ) 用x 射线计算机层 析( c t ) 扫描仪监控成熟期间桃子的内在品质的变化，建立了c t 量与桃子的 物理化学含量之间的关系，实验结果表明：x 射线图像技术在桃子内在品质 评价中是很有效的工具。 1 4 本文研究内容 l通过量纲分析，建立经验公式。试验研究获得小块果蔬收缩量与它 的含水率、含水率的变化之间的关系，以此为基础加理论的推导建立整个果 蔬边界的收缩方程即果蔬边界形状变化与含水率分布变化的关系，设计 实验进行验证分析。 2 通过实验获得果蔬干燥过程中的c t 图片，对果蔬c t 图片特性进行 g 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 检测和分析，研究果蔬含水率与其c t 值之间的相关性，量化两者之间的对应 关系。 3 研究果蔬c t 图片r g b 值与c t 值两者之间的相关性，建立果蔬含水 率、c t 值和r g b 值三者之间的相互关系。 4 对c t 图片进行图象处理，从背景中识别分离物体区域。而后获取物 体边界，对图像信息进行可视化显示，统计分析单个物体。 9 浙江大学硕士学位论文第二章热风干燥果蔬边界收缩方程 第二章热风干燥果蔬边界收缩方程 目前国内外用数字计算来求解农产品物料内传质传热过程的研 究不少，对大豆、小麦、稻谷的计算较为成功，但对果蔬的计算还 不完善。其中有模型本身的问题，有参数选取不够准确的问题，也 有没考虑果蔬边界在干燥过程中的收缩问题。谷物在于燥的过程中 收缩是可以略去的，而果蔬的收缩则是相当明显而不能略去。果蔬 热风干燥过程的模拟是一个含质热交换的绕流问题，求解过程包括： 果蔬绕流流场传质传热的求解和果蔬内部含水率分布及其传质传热 的求解。但是不同时刻由于果蔬边界的收缩，它的绕流流场是不同 的，如果知道了果蔬边界的收缩规律，不同时刻的绕流流场才能得 以求解，整个干燥过程的模拟才能得以实现。研究果蔬边界的收缩 方程对最终实现数值仿真果蔬烘干过程