Luận văn thạc sĩ về ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa phổ trong đánh giá chất lượng thực phẩm tươi sống

Luận văn thạc sĩ khám phá ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa phổ trong đánh giá chất lượng thực phẩm tươi sống, mang lại giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Lê Nguyễn Ngọc Tuyết
• Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Quang Linh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa phổ trong đánh giá chất lượng thực phẩm tươi sống
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa phổ trong đánh giá chất lượng thực phẩm tươi sống là một lĩnh vực đang nhận được sự quan tâm lớn, đặc biệt trong bối cảnh an toàn thực phẩm ngày càng trở thành ưu tiên hàng đầu. Việc đánh giá chất lượng thực phẩm không chỉ dựa vào các yếu tố cảm quan mà còn cần có các phương pháp khoa học và chính xác. Đánh giá chất lượng thực phẩm tươi sống thông qua công nghệ hình ảnh đa phổ giúp phát hiện sớm các dấu hiệu ô nhiễm và giảm thiểu rủi ro cho sức khỏe người tiêu dùng. Theo tài liệu của WHO, thực phẩm không an toàn có thể gây ra nhiều bệnh tật nghiêm trọng, điều này càng làm tăng thêm tầm quan trọng của việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới trong lĩnh vực này.

1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng công nghệ hình ảnh đa phổ có thể được áp dụng hiệu quả trong việc đánh giá chất lượng thực phẩm. Các nghiên cứu này đã sử dụng kỹ thuật hình ảnh để phân tích các mẫu thực phẩm như thịt, rau củ và trái cây. Việc áp dụng phương pháp đa phổ cho phép xác định các thành phần hóa học trong thực phẩm mà không cần xâm lấn, góp phần vào việc kiểm soát an toàn thực phẩm. Nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy rằng việc sử dụng hình ảnh đa phổ có thể phát hiện được các dấu hiệu hư hỏng và ô nhiễm trong thực phẩm, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho người tiêu dùng và nhà sản xuất.

II. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật hình ảnh đa phổ

Kỹ thuật hình ảnh đa phổ hoạt động dựa trên nguyên lý phân tích ánh sáng phản xạ từ các mẫu thực phẩm. Khi ánh sáng chiếu vào mẫu, một phần ánh sáng sẽ được phản xạ và một phần sẽ được hấp thụ. Phân tích quang phổ cho phép nhận diện các thành phần hóa học có trong thực phẩm. Các thông số quang học như độ hấp thụ, độ phản xạ và độ tán xạ của ánh sáng sẽ được ghi lại và xử lý để đưa ra các kết luận về chất lượng thực phẩm. Kỹ thuật này không chỉ nhanh chóng mà còn an toàn, giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm cho mẫu thử. Việc áp dụng công nghệ hình ảnh trong nghiên cứu thực phẩm giúp phát hiện những thay đổi trong cấu trúc và thành phần của thực phẩm theo thời gian, từ đó cải thiện quy trình bảo quản và chế biến thực phẩm.

2.1. Các thông số quang học liên quan

Các thông số quang học đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng thực phẩm. Độ hấp thụ và độ phản xạ của ánh sáng từ thực phẩm được sử dụng để xác định hàm lượng các chất dinh dưỡng như đường, chất chống oxy hóa và diệp lục. Nghiên cứu cho thấy rằng hình ảnh đa phổ có thể cung cấp những thông tin chi tiết về sự thay đổi hàm lượng chất dinh dưỡng trong thực phẩm qua các giai đoạn khác nhau. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các phương pháp kiểm soát chất lượng thực phẩm hiệu quả hơn, từ đó đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

III. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa phổ trong đánh giá chất lượng thực phẩm tươi sống không chỉ mang lại những kết quả lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao. Các kết quả thu được từ nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc phát triển các hệ thống kiểm tra chất lượng thực phẩm tự động, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho các nhà sản xuất thực phẩm. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ hình ảnh trong kiểm soát chất lượng thực phẩm có thể giúp phát hiện sớm các vấn đề liên quan đến an toàn thực phẩm, từ đó bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực an toàn thực phẩm và hứa hẹn sẽ tạo ra những thay đổi tích cực trong ngành thực phẩm.

3.1. Tiềm năng phát triển trong tương lai

Tiềm năng phát triển của kỹ thuật hình ảnh đa phổ trong lĩnh vực thực phẩm là rất lớn. Các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục cải thiện và mở rộng ứng dụng của công nghệ này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp đến chế biến thực phẩm. Việc kết hợp công nghệ hình ảnh với các phương pháp phân tích khác như phân tích hóa học có thể tạo ra những giải pháp tối ưu hơn cho việc đánh giá chất lượng thực phẩm. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong sản xuất mà còn đảm bảo an toàn thực phẩm cho người tiêu dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ NGUYỄN NGỌC TUYẾT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HÌNH ẢNH ĐA PHỔ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI THỰC PHẨM TƯƠI SỐNG Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2023 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Quang Linh Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Thế Thường Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Trung Hậu Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.

HCM ngày 11 tháng 02 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Lý Anh Tú - Chủ tịch hội đồng 2. Nguyễn Xuân Thanh Trâm - Thư ký 3. Nguyễn Thế Thường - Phản biện 1 4.

Nguyễn Trung Hậu - Phản biện 2 5. Lưu Gia Thiện - Ủy viên Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG TS. Lý Anh Tú ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Nguyễn Ngọc Tuyết MSHV: 2070277 Ngày, tháng, năm sinh: 30/10/1996 Nơi sinh: Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401 I.

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa phổ đánh giá chất lượng một số loại thực phẩm tươi sống Study on the application of multi-spectral imaging techniques to evaluate the quality of some kinds of fresh food NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu một số công nghệ đánh giá chất lượng không xâm lấn - Khảo sát tổng quan về cơ chế tương tác của ánh sáng với mô sinh học - Khảo sát và hệ thống các thông số quang học liên quan tương tác với mô - Ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô phỏng tương tác ánh sáng VIS với mô hình thịt, cà chua và táo - Thực nghiệm đánh giá chất lượng thực phẩm bằng hình ảnh với các mẫu lựa chọn II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/2022 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. Huỳnh Quang Linh i Tp.HCM, ngày tháng năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) PGS.

Huỳnh Quang Linh TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG (Họ tên và chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy PGS.TS Huỳnh Quang Linh, thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy tận tình những kiến thức và kinh nghiệm, không chỉ về chuyên môn mà còn là những kiến thức thực tế mà em có thể áp dụng vào thực tiễn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô trong khoa Khoa học ứng dụng đã tận tình chỉ dạy những kiến thức nền tảng để có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Con xin cảm ơn Ba, Mẹ và gia đình đã luôn là chỗ dựa vững chắc để con có được như ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện Lê Nguyễn Ngọc Tuyết iii TÓM TẮT NỘI DUNG An toàn thực phẩm là mối quan tâm hàng đầu trên thế giới.

Nhằm kiểm soát chất lượng thực phẩm, nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công; trong đó phương pháp hình ảnh đa phổ có thể phân tích dựa vào thông tin hình ảnh trực quan lẫn quang phổ. Đó là một kỹ thuật tiềm năng không xâm lấn, nhánh chóng, an toàn và hiệu quả. Hai nhiệm vụ chính của luận văn bao gồm phân tích sự lan truyền của ánh sáng dựa vào chương trình mô phỏng MCML trên các mẫu thịt bò, cà chua và táo; và tiến hành thực nghiệm thu nhận hình ảnh mẫu vật qua camera và tiến hành xử lý phân tích. Kết quả cho thấy mẫu thịt đáp ứng tốt khi phân tích ở vùng quang phổ ánh sáng đỏ, mẫu táo và cà chua cho phép dự đoán dự tính sự thay đổi hàm lượng chất chống oxy hóa khi đánh giá trên vùng quang phổ đỏ; quang phổ xanh lục cho thấy tiềm năng khi đánh giá sự thay đổi hàm lượng diệp lục tố trong vỏ quả cà chua qua các giai đoạn chín.

Ngoài ra, quang phổ xanh lam được tìm thấy có khả năng sử dụng trong việc đánh giá hàm lượng đường của thịt quả. Các kết quả nghiên cứu ban đầu của luận văn chỉ mang tính định tính, còn mang tính thăm dò các điều kiện tối ưu để thực hiện các phép đo thực tiễn. Nghiên cứu tạo tiềm năng cho các nghiên cứu về sau, phát triển thành một mô hình đa phổ đơn giản phù hợp để đánh giá thực phẩm không xâm lấn và cho mục đích sử dụng rộng rãi trong cộng đồng. iv ABSTRACT Food safety is one of primary concerns around the world.

In order to monitor food quality, many techniques have been successfully researched and implemented, in which the multispectral imaging method can be used based on both visual and spectral image information. It is a potentially non-invasive, rapid, safe and effective technique. The two main tasks of the thesis are firstly analyzing the propagation of light in meet, tomato and apple samples based on MCML simulation program; and secondly conducting pilot experiments to acquire through the camera image samples, which were thus processed and analyzed. The results showed that the image of meat samples has a good response in the range of redlight spectrum region, the apple and tomato samples could allow predictable capability of the change in antioxidant content when evaluated in the red spectral region; green spectroscopy shows potential change of chlorophyll content in tomato skins across ripening stages.

In addition, the blue spectrum was found to be useful in assessing the sugar content of fruit pulp. The initial research results of the thesis are only qualitative and exploratory for the optimal conditions to make practical measurements. The study offers the potential for further research to develop a simple multispectral method suitable for non-invasive food evaluation and for general public use. v LỜI CAM ĐOAN Tôi, Lê Nguyễn Ngọc Tuyết xin cam đoan mọi kết quả trong luận văn đều xuất phát từ quá trình tôi thực hiện luận văn này, mọi thông tin tham khảo tôi đầu dẫn nguồn và trích dẫn đầy đủ.

Nếu phát hiện có kết quả tôi sao chép từ nguồn khác hoặc thông tin tham khảo không được dẫn nguồn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức xử lý của nhà trường mà không liên quan đến người hướng dẫn. Tác giả Lê Nguyễn Ngọc Tuyết vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ. iii TÓM TẮT NỘI DUNG. iv LỜI CAM ĐOAN.

vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. xiii GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI. Hiện trạng đánh giá chất lượng thực phẩm ở nước ta hiện nay. Tương tác của ánh sáng với mẫu thực phẩm.

6 Phản xạ - Khúc xạ [11]. Các phương pháp đánh giá chất lượng thực phẩm không xâm lấn. Phương pháp đa phổ và phương pháp siêu phổ. 16 Phương pháp siêu phổ (Hyperspectral imaging– HSI).

17 Khái quát về phương pháp siêu phổ [1]. 17 Ưu và nhược điểm của hình ảnh siêu phổ. 17 Chế độ thu nhận hình ảnh siêu phổ và chế độ cảm biến hình ảnh [17]. 18 Nguyên lý hoạt động và các thành phần cấu tạo.

21 Hình ảnh và dữ liệu siêu phổ. 22 Phương pháp đa phổ (Multispectral image – MSI). 22 Nguyên lý của hình ảnh đa phổ. 22 Ứng dụng phương pháp đa phổ trong kiểm soát an toàn thực phẩm.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới. 25 Tổng quan tình hình nghiên cứu. 25 Các nghiên cứu trên mẫu rau, củ, quả và trái cây. 25 Các nghiên cứu trên mẫu thịt – Thịt bò.

30 Bảng tổng hợp một số ứng dụng HSI/MSI trong đánh giá chất lượng thực phẩm. 31 Các thiết bị ứng dụng phương pháp đa phổ trong tầm soát an toàn thực phẩm. 38 Thiết bị thương mại trên thị trường. 38 Mô hình thiết kế phần cứng của Hệ thống Hình ảnh Đa phổ:.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp Monte Carlo. 41 Mô tả vận chuyển photon trong môi trường đục. 41 Mô phỏng bằng MCML.

44 Thông số quang học. Lựa chọn mô hình chụp ảnh đa phổ. 60 Mô hình thu nhận ảnh. 60 Nguồn sáng - LED trắng.

60 Mô hình màu RGB cho hình ảnh thu nhận [50]. THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM. Thiết hệ hộp thu nhận hình ảnh. 65 Thiết kế mô hình.

65 Mô hình thực tế. Quy trình thử nghiệm. 69 Mẫu cà chua. Quy trình thu nhận và xử lý hình ảnh.

73 Thu hình ảnh RGB. 74 Tách kênh màu R, G, B. 75 Tính toán giá trị trung bình của từng kênh màu. 76 Tính phần trăm từng kênh màu.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN. 79 Kết quả mô phỏng. 79 Phổ phản xạ khuếch tán. 79 Phổ phản xạ bề mặt.

81 Kết quả thực nghiệm. 82 Đánh giá sự thay đổi của thịt theo thời gian bảo quản (Led trắng thương mại):. 83 Đánh giá sự thay đổi của thịt theo thời gian bảo quản (Flash điện thoại). Mẫu cà chua.

89 Kết quả mô phỏng. 90 Phổ phản xạ khuếch tán. 90 Phổ phản xạ bề mặt. 93 Kết quả thực nghiệm.

96 Dự đoán thay đổi diệp lục tố ở quả cà chua khi chín dựa vào kênh màu xanh – Green. 97 Dự đoán sự thay đổi hàm lượng lycopene theo các giai đoạn chín của quả cà chua dựa vào kênh màu đỏ - Red Channel. 101 Kết quả mô phỏng. 101 Phổ phản xạ khuếch tán.

102 Phổ phản xạ bề mặt. 103 Kết quả thực nghiệm. 104 Khảo sát đánh giá trên bề mặt vỏ còn nguyên vẹn. 104 Khảo sát đánh giá trên thịt táo.

106 So sánh giữa táo còn vỏ (skin) và thịt táo (flesh). KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. Hướng phát triển. 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

113 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Máy phân loại, rửa và đánh bóng cà chua [5] .2 Hệ thống phân loại rau củ quả [6] .3 Biểu diễn sơ đồ các chế độ khác nhau của tương tác ánh sáng với các mô [34] .