摘要：豬胴體作為豬肉生產(chǎn)加工企業(yè)將豬肉交付給經(jīng)銷(xiāo)商的最主要形式，其品質(zhì)直接關(guān)系著廣大民眾的飲食質(zhì)量。傳統(tǒng)的豬胴體分級(jí)方法普遍存在不夠準(zhǔn)確或硬件價(jià)格過(guò)高的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著深度學(xué)習(xí)理論的日趨成熟以及設(shè)備計(jì)算能力的極大發(fā)展，使深度學(xué)習(xí)在許多不同領(lǐng)域大放異彩。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為深度學(xué)習(xí)在圖像視覺(jué)領(lǐng)域最有效的手段之一，在圖像分類(lèi)問(wèn)題中有著非常廣泛的應(yīng)用。本文構(gòu)建了針對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的豬胴體圖像數(shù)據(jù)集，通過(guò)研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)豬胴體圖片基于深度學(xué)習(xí)理論中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理對(duì)豬胴體進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)的系統(tǒng)。

　　針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)集在豬胴體圖像方面的空白。根據(jù)鐵嶺九星集團(tuán)的生豬加工生產(chǎn)線的實(shí)際情況，采集了在生產(chǎn)線環(huán)境下的豬胴體圖片，通過(guò)數(shù)據(jù)增廣、SMOTE算法和針對(duì)CNN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，構(gòu)建了二進(jìn)制格式的豬胴體圖像數(shù)據(jù)集。設(shè)計(jì)了基于AlexNet的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將其應(yīng)用于豬胴體圖像的訓(xùn)練與識(shí)別實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中分類(lèi)結(jié)果的分析對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行不斷優(yōu)化，得出采用較小的卷積核尺寸和更多的卷積核數(shù)量、增加卷積層的數(shù)量以及縮小池化范圍能夠提升分類(lèi)效果的結(jié)論。最終形成了豬胴體圖像分級(jí)的模型CNN-P?；谀Ｐ虲NN-P，利用構(gòu)建的豬胴體圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，并將識(shí)別結(jié)果與其他基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的豬胴體分級(jí)方法進(jìn)行比較。

　　研究結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整卷積核尺寸及數(shù)量以及調(diào)整網(wǎng)絡(luò)卷積層數(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)豬胴體圖像進(jìn)行分級(jí)。目前其對(duì)豬胴體圖像等級(jí)的識(shí)別效果可以達(dá)到92.7%，作為國(guó)內(nèi)外將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于豬胴體無(wú)損分級(jí)中的第一次嘗試，系統(tǒng)在解決了傳統(tǒng)分級(jí)技術(shù)繁復(fù)的預(yù)處理步驟且較低的泛化能力等問(wèn)題的同時(shí)，極大地降低了自動(dòng)化豬胴體分級(jí)設(shè)備的價(jià)格，具有一定的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，圖像分類(lèi)，豬胴體分級(jí)，構(gòu)建數(shù)據(jù)集

　　中國(guó)是世界生豬生產(chǎn)第一大國(guó)，每年的豬肉產(chǎn)量占世界豬肉總產(chǎn)量的一半以上，但對(duì)于國(guó)際公認(rèn)的衡量豬肉品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)瘦肉率而言，我國(guó)商品豬平均瘦肉率僅50%，與歐盟、加拿大等畜牧業(yè)管理體系更加健全的國(guó)家相比還有很大差距。對(duì)于我國(guó)高產(chǎn)量卻沒(méi)有高質(zhì)量的現(xiàn)狀，究其原因，很重要的一點(diǎn)是因?yàn)槲覈?guó)的豬胴體分級(jí)體系落后且落實(shí)不到位。毋庸置疑我國(guó)是一個(gè)豬肉生產(chǎn)大國(guó)，卻并不是豬肉強(qiáng)國(guó)。排除對(duì)肉豬進(jìn)行選育改良的品種因素，加拿大、美國(guó)、歐盟等豬肉生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)的經(jīng)驗(yàn)證明，規(guī)范并落實(shí)合理的分級(jí)體系可以在短時(shí)間內(nèi)有效地改善商品豬肉的品質(zhì)。

　　分級(jí)體系落后的原因不僅是在建立分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)適合我國(guó)商品豬的相應(yīng)分類(lèi)技術(shù)的研究都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，更重要的是各地生豬屠宰加工企業(yè)對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的選擇和應(yīng)用程度不一。雖然目前對(duì)整豬進(jìn)行全面機(jī)械化處理的相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)在一些歐美國(guó)家的大型豬肉加工企業(yè)投入使用，但國(guó)內(nèi)大部分豬肉屠宰加工企業(yè)對(duì)全自動(dòng)生產(chǎn)線的引進(jìn)仍保持著觀望的態(tài)度，目前我國(guó)絕大多數(shù)的豬肉屠宰加工企業(yè)的生產(chǎn)線仍然處于半自動(dòng)化生產(chǎn)線與工人混搭生產(chǎn)的現(xiàn)狀。中國(guó)作為豬肉生產(chǎn)大國(guó)卻持續(xù)應(yīng)用較低端生產(chǎn)技術(shù)的主要原因在于相關(guān)分類(lèi)專(zhuān)用機(jī)械儀器普遍需要從國(guó)外進(jìn)口，一旦應(yīng)用不僅需要大量資金引進(jìn)設(shè)備、同時(shí)還需要對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模的改造并要專(zhuān)門(mén)引進(jìn)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才用于使用及維護(hù)設(shè)備，其投入之巨大以及其創(chuàng)造利益的可靠性都令眾多企業(yè)望而卻步。在這樣的行業(yè)大環(huán)境下，絕大多數(shù)豬肉企業(yè)仍選擇了通過(guò)人工目視及粗略測(cè)量來(lái)進(jìn)行分級(jí)的方法。分級(jí)水平參差不齊，使市場(chǎng)對(duì)于豬肉品級(jí)的重視性不高，導(dǎo)致我國(guó)的豬肉流通過(guò)程中優(yōu)質(zhì)肉和次品肉的區(qū)分性不夠強(qiáng)。

　　但總體來(lái)說(shuō)近年來(lái)我國(guó)的養(yǎng)豬生產(chǎn)觀念發(fā)生了從數(shù)量型到質(zhì)量型的轉(zhuǎn)變，豬肉消費(fèi)從脂肪型轉(zhuǎn)為瘦肉型。熱胴體重和瘦肉產(chǎn)量仍然普遍反映了豬胴體的商業(yè)價(jià)值。在基于市場(chǎng)和行業(yè)的需求下，如果可以實(shí)現(xiàn)一種更適合地方豬肉加工企業(yè)使用的準(zhǔn)確統(tǒng)一的豬肉分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，使豬肉加工企業(yè)可以用極少量的資金實(shí)現(xiàn)對(duì)其生產(chǎn)的豬胴體進(jìn)行穩(wěn)定而準(zhǔn)確地分級(jí)，地方豬肉加工企業(yè)將更愿意接受使用豬胴體自動(dòng)分級(jí)設(shè)備。隨之改變的將是我國(guó)對(duì)于豬肉消費(fèi)的整體理念發(fā)生的變化，將對(duì)在豬肉流通過(guò)程中真正地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)產(chǎn)生推動(dòng)作用。將對(duì)我國(guó)的養(yǎng)豬業(yè)、屠宰業(yè)及肉食產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用。

　　在豬胴體影像分級(jí)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的主要差異有兩個(gè)方面：豬肉分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不同以及豬肉分級(jí)實(shí)施方法的不同。豬肉分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外的總體思想是一致的：決定了豬胴體優(yōu)質(zhì)與否的關(guān)鍵要素是豬胴體的質(zhì)量和豬胴體的瘦肉率兩個(gè)參數(shù)。其中豬胴體瘦肉率的精確測(cè)定方法是將豬胴體完全分解，分別對(duì)瘦肉和脂肪進(jìn)行稱(chēng)重。但這種方法嚴(yán)重破壞了豬肉的完整性，無(wú)法對(duì)每一片胴體進(jìn)行這樣的精確測(cè)量?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的方法是通過(guò)大量的數(shù)據(jù)積累來(lái)建立豬胴體特定位置的脂肪厚度與豬胴體瘦肉率的聯(lián)系，通過(guò)測(cè)定指定位置的背部脂肪厚度（后文統(tǒng)稱(chēng)膘厚）來(lái)估算豬胴體瘦肉率，這種方法早已被證明有效且準(zhǔn)確率較高。

　　1.2.1 我國(guó)的豬胴體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備研發(fā)使用現(xiàn)狀

　　我國(guó)在二十世紀(jì)五十年代后，也陸續(xù)開(kāi)始了對(duì)豬肉優(yōu)劣區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)的研究，但由于產(chǎn)能與市場(chǎng)需求的限制，發(fā)展速度一直比較緩慢，針對(duì)國(guó)內(nèi)生豬種類(lèi)的相關(guān)規(guī)則制定研究一直進(jìn)展不大。到改革開(kāi)放后，政府對(duì)供應(yīng)肉食的生豬活體選擇以及豬肉品質(zhì)的評(píng)定上發(fā)展出了一系列條例和規(guī)則，其中被豬肉加工企業(yè)應(yīng)用較廣泛的包括NY/T1759-2009《豬肉等級(jí)規(guī)格》、GB9959.1-2001《鮮、凍片豬肉》和SB /T10656-2012《豬肉分級(jí)》。作為近二十年來(lái)中國(guó)農(nóng)業(yè)部下發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)有效地推進(jìn)了我國(guó)豬肉品質(zhì)的提升，也促進(jìn)了更多對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判別方法的研究。歐美國(guó)家中的一些豬肉強(qiáng)國(guó)對(duì)豬肉分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格，中國(guó)通過(guò)這幾年豬肉分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的完善，也在向國(guó)際化接軌。在二十世紀(jì)末被廣泛使用GB9959.2-1988《無(wú)皮鮮、凍片豬肉》和GB9959.1-1988《帶皮鮮、凍片豬肉》由于內(nèi)容分散、不易實(shí)施等原因，在二十一世紀(jì)初經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)部的完善，將條例升級(jí)成為GB9959.1-2001《鮮、凍片豬肉》。在《鮮、凍片豬肉》中判斷豬胴體分類(lèi)級(jí)別的因素在于背部特定點(diǎn)的脂肪尺寸以及豬胴體的整體重量，胴體重量與背膘厚度共同將不同將豬肉分為I-III三個(gè)等級(jí)，但背膘厚度與整體質(zhì)量存在潛在的矛盾情況，這也構(gòu)成了該標(biāo)準(zhǔn)的潛在不足。而NY/T1759-2009《豬肉等級(jí)規(guī)格》中對(duì)這一部分進(jìn)行了改進(jìn)，由豬胴體的瘦肉比例以及整體重量對(duì)豬進(jìn)行第一輪評(píng)級(jí)，得到A-C的標(biāo)準(zhǔn)，然后再根據(jù)其他因素如外觀狀態(tài)的不同、肌肉顏色與脂肪顏色鮮亮的的程度等將豬肉分為I-III三個(gè)等級(jí)。

　　而在實(shí)際生產(chǎn)中，遼寧省的地方肉類(lèi)加工企業(yè)普遍應(yīng)用的仍是2001年頒布的《鮮、凍片豬肉》，相對(duì)于世界各國(guó)豬胴體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的GB9959.1-2001《鮮、凍片豬肉》分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容并不完善，且沒(méi)有標(biāo)明具體的評(píng)定方法。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不僅大幅落后于國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而且采用的分級(jí)方法也嚴(yán)重落后于國(guó)家出臺(tái)的新標(biāo)準(zhǔn)。

　　而在對(duì)相關(guān)分級(jí)設(shè)備的使用方面，目前我國(guó)并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造擁有自主產(chǎn)權(quán)的相關(guān)設(shè)備的企業(yè)，若決定采用專(zhuān)業(yè)設(shè)備則必須從國(guó)外進(jìn)口設(shè)備與技術(shù)。目前只有極少數(shù)規(guī)模極大的肉類(lèi)企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)了成體系的大型豬肉分級(jí)設(shè)備，還有一部分企業(yè)使用國(guó)外進(jìn)口的手持探針式瘦肉率檢測(cè)儀進(jìn)行豬肉分級(jí)作業(yè)。前者從國(guó)外成套引進(jìn)的價(jià)格不菲，而后者價(jià)格雖不及前者，但花銷(xiāo)仍十分高昂，同時(shí)因?yàn)槭褂檬殖质皆O(shè)備，仍需有經(jīng)驗(yàn)的工人進(jìn)行人工操作。兩者同時(shí)存在對(duì)使用者技術(shù)水平要求高、維護(hù)難度大的問(wèn)題。

　　在對(duì)豬胴體圖像進(jìn)行分析的研究在我國(guó)遠(yuǎn)不及對(duì)牛肉圖像進(jìn)行分析這樣廣泛與深入，計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面在豬胴體瘦肉率及分級(jí)的檢測(cè)中遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出足夠的作用，針對(duì)豬胴體圖像進(jìn)行的研究在國(guó)內(nèi)寥寥無(wú)幾，研究方向也普遍集中于肉類(lèi)新鮮度及肉質(zhì)分析方面，如周光宏通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)切塊牛肉的圖像進(jìn)行分析與估算從而確定其新鮮程度。而少數(shù)涉及豬胴體分級(jí)內(nèi)容的研究重點(diǎn)也是集中在對(duì)我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中固定指標(biāo)的測(cè)量，李青、彭彥昆利用機(jī)器視覺(jué)，在獲得豬胴體的標(biāo)準(zhǔn)化圖像后，根據(jù)我國(guó)制定的背膘測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圖像進(jìn)行處理與分析，從而獲得豬胴體的背膘厚度來(lái)計(jì)算豬胴體的瘦肉率。而對(duì)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化豬胴體圖像對(duì)豬胴體重量進(jìn)行估算這一研究方向在國(guó)內(nèi)基本是空白的。

　　值得注意的一點(diǎn)是，目前在國(guó)內(nèi)關(guān)于豬胴體圖像分析現(xiàn)有的研究成果中，其中有一部分是依托于國(guó)外進(jìn)口的分析設(shè)備來(lái)開(kāi)展的，張楠利用PG-100探針式測(cè)定儀便于操作、反饋明確的特點(diǎn)，結(jié)合原有的非自動(dòng)化分級(jí)方法，對(duì)大量商品豬進(jìn)行了一系列相關(guān)的指標(biāo)測(cè)量，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，創(chuàng)立了面向國(guó)內(nèi)生豬的全新生豬品級(jí)預(yù)測(cè)模型。但由于國(guó)內(nèi)豬肉企業(yè)對(duì)相關(guān)設(shè)備的需求度不高，所以這也不符合地方豬肉加工企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀的，少部分研究如李青、彭彥昆進(jìn)行的另一項(xiàng)基于機(jī)器視覺(jué)的豬胴體背膘厚度在線檢測(cè)技術(shù)研究中，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)較符合實(shí)際生產(chǎn)需求的攝影模塊來(lái)捕捉豬胴體的標(biāo)準(zhǔn)化圖像。

　　1.2.2 國(guó)外的豬胴體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備研發(fā)使用現(xiàn)狀

　　其他國(guó)家在豬肉分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定上也在不斷地發(fā)展完善，加拿大、美國(guó)等老牌豬肉強(qiáng)國(guó)在豬肉分級(jí)領(lǐng)域較我國(guó)起步早、規(guī)模大、發(fā)展快且自動(dòng)化程度更高。同時(shí)日本和歐盟等國(guó)也有獨(dú)立的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。加拿大作為最早對(duì)肉品行業(yè)頒布行政要求的國(guó)家，其對(duì)豬胴體評(píng)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施具有政府強(qiáng)制性，達(dá)到一定規(guī)模的生豬飼養(yǎng)及豬肉加工企業(yè)必須根據(jù)豬胴體品質(zhì)的不同對(duì)豬胴體進(jìn)行標(biāo)記分級(jí)；率先建立了一套根據(jù)豬胴體特定位置脂肪的厚度來(lái)判別豬胴體品級(jí)的計(jì)算模型。利用該模型，豬胴體品級(jí)信息得到了有效的量化。同時(shí)這樣的規(guī)定更方便政府實(shí)時(shí)的計(jì)算不同等級(jí)的豬肉的價(jià)格，提高豬肉質(zhì)量的同時(shí)，也推動(dòng)了國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。美國(guó)的豬肉分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)由分塊品質(zhì)和整體瘦肉率兩方面組成，其中分塊品質(zhì)部分將商品肉用豬的評(píng)級(jí)分為U.S.1-4級(jí)，首先對(duì)豬胴體的外觀進(jìn)行評(píng)定，確認(rèn)四塊主要商品瘦肉的品質(zhì)，四塊主要分割部分均達(dá)標(biāo)，可以進(jìn)行參評(píng)US1-4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，若存在外部特征不達(dá)標(biāo)則只能劃分到U.S.utility品級(jí)。同時(shí)，另一種評(píng)級(jí)方法應(yīng)用于供應(yīng)肉食的商品豬肉中，對(duì)豬胴體進(jìn)行瘦肉率的檢測(cè)，根據(jù)其重量和脂肪比例的情況，決定其評(píng)級(jí)分劃為1-3級(jí)。同時(shí)美國(guó)在豬肉分級(jí)規(guī)定的制定過(guò)程中也構(gòu)建了胴體特征與胴體等級(jí)的關(guān)系模型。與其他國(guó)家分級(jí)方法不同的是，美國(guó)的關(guān)系模型中引入了“瘦肉飽滿度”這一指標(biāo)，將胴體的瘦肉飽滿度根據(jù)胴體瘦肉的豐滿情況分為1-3的不同級(jí)別。與在外觀檢測(cè)合格的情況下，通過(guò)代入(1.58×背膘厚,cm)-(1.0×肌肉豐度)公式計(jì)算相應(yīng)的產(chǎn)量等級(jí)。

　　對(duì)豬胴體外表特征的選取方式的區(qū)別和強(qiáng)制性是國(guó)外與中國(guó)分類(lèi)方法的主要不同之處。相比我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中選取豬胴體第六條肋骨與第七條肋骨之間的背部脂肪尺寸作為評(píng)判豬胴體瘦肉率的關(guān)鍵指標(biāo)，日本豬半胴體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中所測(cè)量的位置為第九條肋骨至第十三條肋骨之間背部脂肪尺寸的極小值；歐盟公認(rèn)采用的分級(jí)手段中采用雙測(cè)量點(diǎn)F（指臀肌中間位置與背中線成90度角位置的脂肪尺寸極小值，如圖1.1所示）、M（指臀肌中部由末端到脊椎錐孔輪廓處的長(zhǎng)度，如圖1.1所示）作為衡量的指標(biāo)；加拿大豬胴體產(chǎn)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所測(cè)量的位置為X（指豬胴體腰椎位置到腰部瘦肉前端脂肪厚度極大值處）。針對(duì)不同國(guó)家的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，劉海龍等人的研究中指出與胴體瘦肉率相關(guān)性最強(qiáng)的是F位置膘厚（達(dá)- 0.89843），第九條肋骨到第十三條肋骨之間背部脂肪厚度最小值位置與加拿大出臺(tái)的規(guī)則中的X點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)分析比對(duì)確定了其于生豬瘦肉比例呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性，數(shù)值分別是- 0.80699和-0.78241；而周光宏的研究中顯示：歐盟標(biāo)準(zhǔn)中的F標(biāo)定點(diǎn)處脂肪尺寸與生豬胴體瘦肉比例的相關(guān)系數(shù)為各個(gè)樣本點(diǎn)中最高，數(shù)值是-0.92463，相關(guān)度很高的標(biāo)定點(diǎn)還包括第六條肋骨至第七條肋骨之間的脂肪尺寸以及最后一條肋骨處的背部脂肪厚度，分別呈現(xiàn)了-0.80372以及-0.85216的負(fù)相關(guān)率。這在一定程度上反映了我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)選取的不準(zhǔn)確性，歐盟的選取方法雖然對(duì)于人工操作而言較我國(guó)的選取方法更難以測(cè)量，但其準(zhǔn)確性更高。若能將兩個(gè)變量共同測(cè)量，則準(zhǔn)確性將更加提高。

　　二十世紀(jì)九十年代至今，針對(duì)豬肉品質(zhì)的檢測(cè)儀器層出不窮，有針對(duì)豬肉顏色進(jìn)行檢測(cè)的色值計(jì)，通過(guò)豬胴體表面PH值進(jìn)而檢測(cè)豬肉新鮮程度的PH計(jì)，還有判斷豬胴體脂肪含量的脂肪分析儀，檢測(cè)豬肉肉質(zhì)的肌肉嫩度計(jì)，通過(guò)超聲波技術(shù)對(duì)豬胴體實(shí)施無(wú)損檢測(cè)的超聲波測(cè)定儀，利用近紅外線判斷背膘厚度的近紅外線探針，通過(guò)豬胴體表面熒光性質(zhì)判斷新鮮程度的分光光度計(jì)，利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行豬胴體背膘檢測(cè)的光學(xué)探針，利用醫(yī)用核磁共振原理對(duì)豬胴體進(jìn)行掃描確定豬胴體瘦肉率的核磁共振掃描儀等。

　　而現(xiàn)今應(yīng)用最廣的肉質(zhì)檢測(cè)儀器普遍是探針式的，其中電子探針儀利用輻射射線技術(shù)，設(shè)備通過(guò)對(duì)受檢樣品極小的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，避免了對(duì)商品豬肉的損壞，可通過(guò)不同的掃描方式對(duì)豬胴體進(jìn)行化學(xué)組成等方面的分析。

圖 1.1 歐盟標(biāo)準(zhǔn)中F和M兩個(gè)點(diǎn)的測(cè)量位置

　　在利用電子探針對(duì)豬胴體進(jìn)行檢測(cè)的領(lǐng)域，加拿大Destron公司設(shè)計(jì)制造的探針式檢測(cè)儀PG-100作為一款經(jīng)典型號(hào)，廣受?chē)?guó)內(nèi)外大型豬肉加工企業(yè)的青睞，PG-100瘦肉率檢測(cè)儀基于豬胴體瘦肉與脂肪具有不同的可見(jiàn)光反射比例的原理，是一款利用了光電傳感器的智能化設(shè)備。在進(jìn)行豬胴體瘦肉率檢測(cè)時(shí)，探針發(fā)出光信號(hào)，光信號(hào)照射到脂肪和瘦肉時(shí)會(huì)有不同的信號(hào)反饋，當(dāng)探針到達(dá)脂肪與瘦肉的交界處時(shí)，信號(hào)反饋會(huì)出現(xiàn)一次大的波動(dòng)，將此點(diǎn)記為脂肪的邊界點(diǎn)，從而獲得探測(cè)處的脂肪厚度，通過(guò)特定點(diǎn)的背膘厚度確定其瘦肉率。在我國(guó)的豬胴體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程中，由于國(guó)外豬種與國(guó)內(nèi)品種的不同，豬胴體瘦肉率的判定一直沒(méi)有準(zhǔn)確的模型。加拿大、德國(guó)、捷克、日本等國(guó)都研發(fā)有相關(guān)的大型或手持式專(zhuān)業(yè)設(shè)備應(yīng)用于豬肉生產(chǎn)中的品質(zhì)區(qū)分，而我國(guó)在豬胴體相關(guān)檢測(cè)儀器的領(lǐng)域一直未能實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，主要原因在于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)豬肉生產(chǎn)企業(yè)長(zhǎng)期依靠人工粗略分級(jí)，對(duì)一次性耗巨資引進(jìn)相關(guān)儀器存在一定的抵觸情緒，需求情況不強(qiáng)烈。

　　1.3 利用圖像進(jìn)行肉類(lèi)分級(jí)的研究現(xiàn)狀

　　目前，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在生豬無(wú)損檢測(cè)的領(lǐng)域，國(guó)外對(duì)豬胴體圖像分級(jí)的研究早已開(kāi)展：早在2000年，美國(guó)的Lu等人在《Evaluation of pork color by using computervision》一文中發(fā)表了使用圖像視覺(jué)技術(shù)對(duì)豬肉進(jìn)行采樣，通過(guò)對(duì)肉質(zhì)顏色的分析，得出豬肉的品質(zhì)信息。研究的目的在于對(duì)相關(guān)圖像處理方法進(jìn)行測(cè)試，以確定其是否能夠應(yīng)用于豬肉品質(zhì)的判斷中，為了實(shí)現(xiàn)其研究，Lu等人構(gòu)建了淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用以對(duì)豬肉顏色進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型用以支持網(wǎng)絡(luò)模型的工作，其結(jié)論為利用淺層學(xué)習(xí)的方法解決豬胴體分級(jí)問(wèn)題是一種可靠有效的方法。

　　而在國(guó)內(nèi)，針對(duì)豬胴體圖片進(jìn)行分級(jí)的研究中，早期最具啟發(fā)性的的研究由羅明、朱礪等人（2002）進(jìn)行，通過(guò)對(duì)豬肉加工生產(chǎn)過(guò)程中的豬胴體進(jìn)行測(cè)量和檢測(cè)，將獲得的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有線性函數(shù)進(jìn)行比對(duì)，逐步獲得與實(shí)際數(shù)據(jù)相符合的模型。通過(guò)對(duì)豬胴體二分體眼肉部分的面積、豬胴體背側(cè)特定測(cè)量點(diǎn)的脂肪尺寸的測(cè)量，根據(jù)符合數(shù)據(jù)情況的模型函數(shù)，得到了一系列相關(guān)結(jié)論，構(gòu)建了符合我國(guó)生豬種類(lèi)的胴體外部特征與胴體瘦肉比例的關(guān)系模型。這是我國(guó)學(xué)者在利用機(jī)器視覺(jué)方法解決豬胴體分級(jí)問(wèn)題的關(guān)鍵性研究，為之后許多我國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究打下了基礎(chǔ)。

　　而在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決豬胴體圖像分級(jí)問(wèn)題的方面，國(guó)內(nèi)的研究始于2005年，研究方法大多采用淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)，其中于鉑（2005）獲取了商品豬豬胴體的的圖像，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行處理，利用邊緣檢測(cè)等算法獲取了豬胴體圖片中腿部周長(zhǎng)與臀部周長(zhǎng)的尺寸、眼肉部分面積以及背部脂肪厚度。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，構(gòu)建并訓(xùn)練了適合豬胴體分級(jí)功能的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LNN。實(shí)現(xiàn)了對(duì)片豬肉等級(jí)的預(yù)測(cè)。研究表明，生豬品級(jí)評(píng)定的工作可以從圖像處理技術(shù)角度入手進(jìn)行解決，可以達(dá)到和人工類(lèi)似的準(zhǔn)確率且識(shí)別效率更高。劉艷國(guó)（2005）、張萌（2016）則從另一角度解決瘦肉率的預(yù)測(cè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)圈舍中的生豬進(jìn)行圖像獲取，對(duì)其背方向、肋方向及臀方向進(jìn)行分別拍攝。在獲取圖像后，對(duì)圖像進(jìn)行一系列預(yù)處理和特征檢測(cè)。其中在建立活體豬外觀特點(diǎn)尺寸與其對(duì)應(yīng)分級(jí)情況的模型的過(guò)程中，劉艷國(guó)選擇了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建。張萌則采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模并對(duì)各自性能進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，生豬活體的外部尺寸與對(duì)應(yīng)的豬胴體等級(jí)存在密切的聯(lián)系。

　　除了瘦肉率方面的檢測(cè)外，李卓（2016）利用雙目視覺(jué)系統(tǒng)采集了活體生豬的深度圖像，利用其中的背面圖和側(cè)面圖，通過(guò)圖像處理和基于凹陷結(jié)構(gòu)的拐點(diǎn)提取算法，篩選體尺檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)，計(jì)算體長(zhǎng)、體寬、體高、臀寬、臀高5個(gè)體尺，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生豬體型尺寸的測(cè)量并評(píng)估。在雞肉、牛肉等其他種類(lèi)肉品的檢測(cè)中，針對(duì)雞翅圖片的顏色、形狀和紋理等方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)雞翅的品質(zhì)檢測(cè)；國(guó)內(nèi)外對(duì)于牛肉大理石花紋的圖像識(shí)別分級(jí)研究屢見(jiàn)不鮮。

　　以上肉品品質(zhì)檢測(cè)的研究中，普遍采用的是傳統(tǒng)的圖像分類(lèi)算法和淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。至本文截稿時(shí)，仍未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者有關(guān)于利用深度學(xué)習(xí)理論對(duì)豬胴體圖像進(jìn)行分級(jí)的研究。

　　1.4 研究目標(biāo)及內(nèi)容

　　1.4.1 需求分析與研究目標(biāo)

　　通過(guò)對(duì)鐵嶺九星集團(tuán)生產(chǎn)線的實(shí)際考察并對(duì)其生產(chǎn)及管理人員的深入溝通，了解到九星集團(tuán)的豬肉加工生產(chǎn)線與國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)大中型豬肉加工企業(yè)的生產(chǎn)線基本一致，均是采用生豬屠宰-半自動(dòng)加工生產(chǎn)線-冷卻排酸車(chē)間的一體化模式，其中加工生產(chǎn)線環(huán)節(jié)如圖1.2所示。

圖 1.2 九星集團(tuán)豬肉加工生產(chǎn)線

　　豬胴體在加工流程中由頂部鏈?zhǔn)絺魉脱b置懸掛移動(dòng)，加工的大部分步驟則由下方工作平臺(tái)上的工人手動(dòng)完成，雖然歐美等國(guó)的一些大規(guī)模豬肉加工工廠已經(jīng)采用了全自動(dòng)無(wú)人化車(chē)間進(jìn)行豬肉加工，但由于空間、資金和人員等諸多限制，像九星集團(tuán)豬肉生產(chǎn)線這種國(guó)內(nèi)廣泛采用的方式未來(lái)十年內(nèi)將仍是大部分豬肉加工企業(yè)的選擇。而針對(duì)胴體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)落后及始終采用人工分級(jí)方式的疑問(wèn)經(jīng)過(guò)與企業(yè)管理人員的溝通了解到：

　?。?）企業(yè)希望新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的出現(xiàn)和使用；

　?。?）設(shè)備的采用與否與經(jīng)濟(jì)效益直接掛鉤，使用先進(jìn)技術(shù)的儀器價(jià)格過(guò)高，在市場(chǎng)整體對(duì)豬胴體分級(jí)要求不夠嚴(yán)格的現(xiàn)狀下，使用進(jìn)口探針式檢測(cè)儀器的早期型號(hào)至少需要65萬(wàn)人民幣以上的資金來(lái)引進(jìn)設(shè)備、改造生產(chǎn)線及雇傭?qū)I(yè)人員（2016年數(shù)據(jù)）。價(jià)格過(guò)高且無(wú)法創(chuàng)造更大利潤(rùn)；

　?。?）目前單條生產(chǎn)線的運(yùn)作中，需要人工分級(jí)員兩名，企業(yè)雇傭分級(jí)員共四名，每月工資2800元左右（2016年數(shù)據(jù)）。

　　根據(jù)以上了解到的情況，本文實(shí)現(xiàn)的基于深度學(xué)習(xí)的豬胴體圖像分級(jí)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下要求：

　?。?）采樣、檢測(cè)時(shí)間短，不影響流水線工作；

　?。?）易于操作，工人進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上崗使用；

　　（3）整體價(jià)格低，為企業(yè)減輕資金負(fù)擔(dān)；

　?。?）判別準(zhǔn)確率高，真正實(shí)現(xiàn)替代人工目測(cè)判別的要求。

　　本文的研究目標(biāo)就是圍繞以上要求，構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的豬胴體分級(jí)模型，且系統(tǒng)可以對(duì)采集到的豬胴體圖像進(jìn)行迅速的圖像預(yù)處理并將其輸入網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行判斷，基于現(xiàn)有的模型下對(duì)有效豬胴體圖像的分級(jí)準(zhǔn)確率應(yīng)高于90%。

　　1.4.2 研究?jī)?nèi)容

　　本文是已知的學(xué)術(shù)界針對(duì)豬胴體圖像分級(jí)問(wèn)題在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的第一次嘗試，參考前人在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域進(jìn)行圖像分類(lèi)等方面成果的基礎(chǔ)上對(duì)豬胴體圖像分類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，本文研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

　?。?）建立豬胴體圖像數(shù)據(jù)集，鑒于國(guó)內(nèi)外面向人工智能領(lǐng)域的各類(lèi)數(shù)據(jù)集中普遍缺乏豬胴體的具體分類(lèi)，不具備對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練的規(guī)模，所以本次研究中初步構(gòu)建了一個(gè)在生產(chǎn)線環(huán)境下的豬胴體圖像分類(lèi)信息數(shù)據(jù)集，基于在鐵嶺九星集團(tuán)獲取的豬胴體圖像及其分級(jí)信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)增廣、數(shù)據(jù)均衡、數(shù)據(jù)預(yù)處理等步驟后制成規(guī)范二進(jìn)制格式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。

　?。?）以目前得到廣泛應(yīng)用的AlexNet為藍(lán)本，設(shè)計(jì)構(gòu)建豬胴體圖像分級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型的初始形態(tài)，從卷積核數(shù)量及大小；池化層數(shù)、池化方法和池化大?。痪矸e層及全連接層數(shù)量；激活函數(shù)及dropout使用幾方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果逐步確定網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化方向，最終獲得性能更加優(yōu)秀的豬胴體圖像分級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型CNN-P。

　?。?）通過(guò)構(gòu)建的豬胴體圖像數(shù)據(jù)集對(duì)優(yōu)化的CNN-P網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行測(cè)試，考察網(wǎng)絡(luò)性能并與從計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域解決豬胴體分級(jí)問(wèn)題的前人研究成果進(jìn)行對(duì)比。

　　1.5 本文結(jié)構(gòu)

　　本文由5個(gè)章節(jié)組成，各個(gè)章節(jié)的主要內(nèi)容如下。

　　第1章首先闡明了依靠豬胴體圖像進(jìn)行品質(zhì)分級(jí)的研究背景與意義，簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外豬肉分級(jí)領(lǐng)域以及利用機(jī)器視覺(jué)搭配深度學(xué)習(xí)進(jìn)行分類(lèi)運(yùn)算的研究現(xiàn)狀以及相應(yīng)的學(xué)術(shù)與應(yīng)用成果，分析了目前相關(guān)企業(yè)對(duì)豬胴體分級(jí)方法及設(shè)備的使用情況及需求，介紹了本文的研究對(duì)象、內(nèi)容和目標(biāo)，最后介紹本文各個(gè)章節(jié)的主要內(nèi)容安排。

　　第2章對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及本文使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，第一部分從單個(gè)神經(jīng)元的原理入手，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹；第二部分主要對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明。

　　第3章詳細(xì)說(shuō)明了豬胴體圖像數(shù)據(jù)集的制作過(guò)程，為了彌補(bǔ)現(xiàn)有數(shù)據(jù)集在豬胴體圖像方面的缺口，制作了針對(duì)豬肉生產(chǎn)企業(yè)的豬胴體分級(jí)數(shù)據(jù)集，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)增廣方法將數(shù)據(jù)集擴(kuò)大，介紹了用于平衡不均衡數(shù)據(jù)集的SMOTE算法，針對(duì)深度學(xué)習(xí)的特點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理，為了后期更多的研究。將經(jīng)過(guò)處理后的圖像制作成了與現(xiàn)有權(quán)威數(shù)據(jù)集接近的二進(jìn)制形式。

　　第4章通過(guò)TensorFlow機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)搭建了以AlexNet為基礎(chǔ)的豬胴體圖像網(wǎng)絡(luò)模型，研究模型參數(shù)和方法對(duì)豬胴體圖像分級(jí)的影響，分析結(jié)果并對(duì)原始的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行調(diào)參和優(yōu)化，設(shè)計(jì)完成最終的豬胴體圖像分級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型。將豬胴體圖像數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練集部分應(yīng)用于該模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)測(cè)試集對(duì)訓(xùn)練所得模型進(jìn)行評(píng)估，將評(píng)估結(jié)果與其他基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的胴體分級(jí)方法進(jìn)行對(duì)比。

　　第5章對(duì)本次研究進(jìn)行了分析和總結(jié)，得出本文結(jié)論。

 

　　《未完待續(xù)》