С.Л.Белецкий, к.т.н., доц., заместитель заведующего лабораторией, Е.В. Соболева, к.с-х.н., ведущий научный сотрудник (ФГБУ НИИПХ Росрезерва), А.Г.Желудков, к.ф.-м.н. (ГНУ АФИ)

Современное программное обеспечение для

рентгенографического экспресс-анализа

качества зерна злаковых культур

Наука сегодня располагает многочисленными методами, позволяющими оценить качество зерна, его товарную, пищевую, технологическую ценность. Многие из них предусмотрены государственными стандартами. Однако, достаточно полную характеристику по наиболее важным свойствам зерна можно дать лишь при широком и комплексном подходе к оценке, применяя не только стандартизованные, но и другие методы, известные в мировой практике.

Одним из экспресс-методов, повышающих надежность контроля качества зерна, является метод рентгенографического исследования объектов, ранее применявшийся только в контрольно-семенной службе РФ при оценке качества семенного материала в процессе его выращивания, уборки, сушки, послеуборочной подработки и определения режимов, обеспечивающих получение партий семян с минимальным уровнем скрытой травмированности [1].

Исследования в ФГБУ НИИПХ Росрезерва  совместно с Агрофизическим институтом в данной области проводятся по следующим направлениям:

• разработка специализированной рентгентехнологии, позволяющей визуализировать объекты малого размера для выявления структурных дефектов их внутренней структуры;
• обеспечение возможности получения нового биологического материала, а именно: зерна с минимальным уровнем скрытой дефектности;
• разработка новых видов услуг в зерновом секторе – контроль биологической безопасности зерна;
• осуществление контроля технологий режимов, обеспечивающих минимально возможный уровень дефектности партий зерна [2].

Имеющийся в настоящее время широкий рынок зерна в различных регионах России, а также странах ближнего и дальнего зарубежья требует привлечения ускоренных методов контроля качества больших объемов зерна. Одним из наиболее эффективных и перспективных экспресс-методов анализа качества зерновых культур является метод рентгенографии.

Для реализации и автоматизации рентгенографического метода специалистами Санкт-Петербургского электротехнического университета (ЛЭТИ) и Агрофизического института в сотрудничестве с Научно-исследовательским институтом проблем хранения Росрезерва для рентгенодиагностической установки ПРДУ-02 было разработано программное обеспечение, обеспечивающее съемку, визуализацию и оцифровку рентгеновских изображений зерновок [5, 6].

Данное программное обеспечение было названо «Агротест 2.0», которое разработано на языке С++ в среде разработки Microsoft Visual C++ 2008 с использованием встроенного в среду разработки компилятора и предназначенного для автоматического анализа графических файлов рентгенобразов семян зерновых культур (пшеницы, риса, ржи, ячменя). Данная версия программы ориентирована на изображения, получаемые с использованием рентгендиагностического комплекса ПРДУ-02 и сканера Digora. Программа предназначена для работы в операционных системах семейства Windows на персональных компьютерах.

Помимо общих показателей выполненности программа обеспечивает анализ зерновки на наличие скрытой травмированности, заселенности и поврежденности насекомыми и некоторых других видов скрытых дефектов. На основании автоматического исследования рентгеновских изображений проб зерновок программа дает оценку всей анализируемой партии зерна.

Программа получает на вход графический файл, содержащий в среднем рентгеновские изображения 100–130 зерновок. Также на вход программы могут поступать не только отдельные графические файлы, но и пакеты таких файлов, содержащие до 50 рентгеновских изображений. Такие пакеты обрабатываются совместно, и, соответственно, за один проход программа может анализировать порядка 5-6 тысяч зерновок. Более обширные пробы могут обрабатываться в несколько проходов.

Обработка каждой рентгенограммы включает в себя предварительную фильтрацию снимка, идентификацию зерновок на снимке и последовательный анализ каждой зерновки в отдельности.

Рисунок. Интерфейс программы «Агротест 2.0»

В результате анализа отдельной зерновки для нее производится как вычисление общих показателей (ширины, высоты, площадь фронтальной проекции, общей выполненности), так и анализ наличия дефектов. Программой выявляются следующие дефекты зерновки:

• трещиноватость;
• энзимомикозное истощение эндосперма;
• механические повреждения (сколы);
• поражения сосущими насекомыми (в частности, клопом – вредной черепашкой);
• признаки заселенности насекомыми – наличие ходов насекомых и камер личинок насекомых;
• количество щуплого зерна.

Для каждого из типов дефектов автоматически вычисляются его количественные показатели. Для поражения насекомыми, энзимомикозного истощения эндосперма и механических повреждений таким показателем является оценка доли эндосперма, утраченного в результате наличия дефекта. Для трещиноватости таким показателем является суммарная глубина всех найденных в зерновке трещин, масштабированная в соответствии с площадью фронтальной проекции зерновки. Данные по каждой исследованной зерновке сохраняются в виде таблиц, которые можно просматривать и обрабатывать в программе MicrosoftExcel.

Для всей обработанной пробы вычисляются средние размеры и выполненность зерновки, а также ее общая трещиноватость и степень пораженности пробы каждым из исследованных типов дефектов. Результаты анализа пробы сохраняются в виде текстового файла, в который может заноситься также любая пользовательская информация о пробе: номер пробы, номер партии, время анализа и т.д.

На основе количества зерновок в исследуемых образцах и распределения в них анализируемых характеристик программа оценивает репрезентативность обработанной выборки и вычисляет статистические оценки получаемых показателей для всей партии зерна, из которой была взята данная проба. Эти результаты также сохраняются в виде текстового файла.

Таким образом, результатами работы программы являются три уровня показателей: данные по каждой зерновке в отдельности, результаты анализа исследуемой пробы в целом и статистические оценки всей партии зерна по исследованной пробе.

Программа «Агротест» проста в использовании и устойчива к аппаратурным погрешностям при съемке, а также к наличию в исследуемых образцах мелких механических примесей (пыли, песчинок и т.д.). Это делает программу достаточно надежной и применимой не только в лабораторных исследованиях, но и в промышленных условиях оценки партий зерна в целях его переработки или дальнейшего хранения.

Список литературы

1. Архипов М. В., Алексеева Д. И., Батыгин Н. Ф. и др. Методика рентгенографии в земледелии и растениеводстве. − М. : РАСХН, 2001г.

2. Рогова А. Н., Гурьева К. Б., Иванова Е. В., Архипов М. В. Оценка скрытых дефектов зерна пшеницы при длительном хранении рентгенографическим методом : сборник докладов / Первая межведомственной научно-практической конференции «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров». -М. : Издательский комплекс МГУПП, 2008. − 306 с.

3. Архипов М. В. Алексеева Д. И., Батыгин Н. Ф. и др. Методика рентгенографии в земледелии и растениеводстве. − М. : РАСХН, 2001. − 102 с.

4. Grundas S., Velikanov L. Methodological and technological aspects of X-ray imaging of wheat grain. Book of Abstracts of 16th ICC Conference, May 8-12, 1998. − Vienna, Austria.

5. Якушев В. П, Архипов М. В., Желудков А. Г., Великанов Л. П. Анализ качества семян по рентгенограмме с помощью ЭВМ  // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. − 2001. − № 1. − С. 16-17.

6. Программа автоматического распознавания образов семян зерновых культур и анализа качества зерна по рентгенограммам, полученным на рентгенодиагностической установке ПРДУ-02 («Агротест») : свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010610289 от 11.01.10  / А. Г. Желудков, Е. Н. Потрахов.