画像処理による凝固検査装置の開発
米沢裕司*

漢 野 救 泰 * 松 浦 隆 弘 ** 天 野 原 成 ***豆腐をはじめとする食品には，その凝固状態が重要な品質項目であるものが多い。しかし，凝固検査は手作業で行うほかなく，また検査の際には包装を開封する必要があった。そこで，非接触，非破壊かつ自動的に凝固検査を行える装置の開発を行った。
本研究では，まず，凝固状態によって検査対象物のスペックルパターン画像の特徴が異なることを明らかにした。次に，ラインセンサで撮影したスペックルパターン画像の時間的な変化をコンピュータで求めることにより凝固検査を行う方法を考案し，凝固検査装置の試作を行った。そして，性能検証実験の結果，コンベア上を移動する豆腐の凝固検査が可能なことを確認した。
キーワード：凝固検査，スペックルパターン，画像処理，ラインセンサ

Development of a Coagulated Product Inspection System Using Image Processing
Yuji YONEZAWA, Sukeyasu KANNO, Takahiro MATSUURA and Motonari AMANOThe state of coagulation of products is one of the important quality factors for a lot of food including bean curd.
However, the inspection of the coagulated state of products requires manual operations and the opening of food packages.
We developed a system that enables the inspection of the coagulated state of foods to be carried out without contact, nondestructively and automatically.
In this study, first we found that the characteristics of the speckle pattern image of the object being inspected depended
on the state of coagulation. Next, we devised a method for inspecting coagulated products by computing the transition of
the speckle pattern image using a line sensor, and we made a prototype of our inspection system. Then, it was confirmedby experiments that the system that we had developed could inspect the coagulated state of bean curd moving along theconveyer.
Keywords：coagulated product inspection, speckle pattern, image processing, line sensor

１．緒言

よって凝固状態の判断ができるという報告もなされ製造現場における検査は，製品の品質を維持するていない。

上で必要不可欠なものであり，全数検査を行うこと

しかも，開封による検査では，全数検査は不可能ができる自動検査装置を導入し，製品の品質維持にであり，抜き取り検査にならざるを得ない。そして，努めている製造現場も多い。

抜き取り検査では，そのロットがすべて同じ結果で一方，食品はその硬さや弾力などの物性が非常にある保証はなく，検査漏れのリスクを伴う。その結重要な品質項目であるものが多い。例えば，豆腐，果，品質の悪い製品が出荷され市場に流通すること

ゼリー，ヨーグルトなどはその硬さや弾力，つまりがあり，その場合，信用の失墜と多大な経済的損失

物体の凝固状態が重要な品質項目である。しかし自を被ることになる。

動的に物体の凝固状態を計測する手段がなく，現状

そこで，本研究開発では，食品，特に豆腐を対象

1)にして，非接触，非破壊かつ自動的に凝固状態を検は，容器を開封した上で手作業によりレオメータ等の物性試験機で計測しているにすぎない。これは，査できる凝固検査装置の開発を行った。

これらの製品が容器に封入されている状態では，外２．凝固状態検査の原理

観からは凝固状態の判断ができないためである。また， X 線，超音波など容器を透過する既存の手段に

２．１

スペックルパターンと凝固状態

本装置の開発に際して，スペックルパターンに着*電子情報部*****

株式会社松浦電弘社

株式会社高井製作所

目した。スペックルパターン

2)とは，レーザなどの干渉性の強い光を物体に照射した際に，物体の粗面から散乱した光が干渉し合って形成される粒状の干渉模様である。
このスペックルパターンに関して分析したところ，凝固状態によってスペックルパターンの特徴が異なる こ と が わ か っ た 。 図 1 は 豆 腐 (凝 固 状 態 )と 豆 乳 (未凝固（豆腐）図１

凝 固 状 態 ) に レ ー ザ を 照 射 し ， CCD カ メ ラ に よ り

撮影したものである。豆腐ではスペックルパターンになっている。これは，豆乳の場合，スペックルパ豆腐と豆乳のスペックルパターンの違い（ＣＣＤカメラにより撮影）

1/60 秒 の シ ャ ッ タ ス ピ ー ド で ス ペ ッ ク ル パ タ ー ン をが粒状になっているが，豆乳では粒がぼやけたよう未凝固（豆乳）拡大
凝固（豆腐）

1/8000秒後拡大

ターンが時間とともに激しく変化しているためではないかと推測した。
これを確かめるため，スペックルパターンの時間

拡大
未凝固（豆乳）1/8000秒後

拡大的変化について分析した。高速度カメラを使用して1/8000 秒 の シ ャ ッ タ ス ピ ー ド で 連 続 撮 影 し た ス ペ ッ
クルパターンを図 2 に示す。

図２

（高速度カメラにより撮影）

1/8000 秒 の 時 間 差 で 撮 影 さ れ た 2 枚 の 画 像 を 拡 大して比較すると，豆腐の場合はこの 2 枚の連続画像はよく似ている。一方，豆乳の場合は 2 枚の連続画像 は 明 ら か に 異 な る 。 つ ま り 1/8000 秒 と い う ご く 短
時間にスペックルパターンが変化しているといえる。
このことから，豆腐の場合はスペックルパターンが時間的に比較的安定なのに対し，豆乳の場合は時間的な変動が大きいことがわかった。そして，この時間的な変動が，図 1 の豆乳のスペックルパターンにおいて粒がぼやけたようになる原因であることがわ

豆腐と豆乳のスペックルパターンの違いことによってスペックルパターンが変動し，その結果，豆腐でも豆乳の場合と同様にスペックルパターンがぼやけてしまう。この場合，豆腐と豆乳のスペックルパターンを区別することはできない。工場内のコンベア上を移動する検査対象物を検査する場合，検査対象物を静止させて検査することは一般的に容易ではなく，この方法をコンベア上のオンライン検査で使用することは困難である。
一方，図 2 のようなごく短時間で連続撮影された画像間のスペックルパターンの変動量をコンピューかった。

タで分析することによって，凝固状態を検査する方
２．２

凝固検査方法の検討

前節で述べた凝固状態によるスペックルパターンの違いを利用すれば，凝固状態を自動的に検査することができると考えられる。例えば，図 1 のようなスペックルパターン画像の粒の鮮明さの違いをコンピュータで分析することによって凝固状態を検査する方法が考えられる。しかしながら，この方法は，
検 査 対 象 物 (豆 腐 な ど )が 静 止 し て い る 場 合 の み 適 用することができる。これは，スペックルパターンがどの場所でも同一というわけではなく，場所によってランダムに変化するためである。つまり，検査対象 物 が 移 動 し て い る 場 合 ， 1/60 秒 の シ ャ ッ タ ス ピ ードの間にスペックルパターンの撮影領域が変動する法も考えられる。この方法は，検査対象物が静止していなくても適用することができる。これは，画像の 撮 影 時 間 間 隔 が ご く わ ず か で あ り ( 図 で は 1/8000秒 )， 検 査 対 象 物 の 動 き に よ る 影 響 が 軽 微 な た め で ある。
しかしながら，このような高速で連続撮影可能な
カ メ ラ (高 速 度 カ メ ラ )は 通 常 の カ メ ラ に 比 べ て 非 常に 高 価 で あ る 。 ま た ， 通 常 の CCD カ メ ラ に 比 べ て 大型であったり，コンピュータからの制御に制約があったりする。そのため，高速度カメラを用いた凝固検査装置は，実用に供するには不向きである。
そこで，高速度カメラの代わりにラインセンサを用いてスペックルパターンを撮影しコンピュータで解析する方法を考案した。これについて次節で述べ

ラインセンサ出力信号る。

ラインセンサ レーザ
ラインセンサを用いた凝固検査方法

ラインセンサを用いた凝固検査方法の概要につい蓄積

検査対象物て 図 3 に 示 す 。 通 常 の カ メ ラ は CCD 等 の 撮 像 素 子 が

時間

２．３

1/8000秒後1/8000秒後1/8000秒後拡大

面状に配置されているのに対し，ラインセンサは撮像素子が一列に並んでいる撮像装置である。そのた場所

ラインセンサによりある１ラインの光強度を取得

め，スペックルパターンを撮影した場合，通常のカメラでは 2 次元のスペックルパターンが得られるのに対し，ラインセンサでは 1 次元のスペックルパタ

図３

パソコンで解析

ラインセンサを用いた凝固検査の概要ーンが得られる。つまり，図 3 右上のように，ある1 ラインにおける濃淡情報が得られる。
一方で，ラインセンサは非常に高速に撮影できるという特徴がある。一般のカメラを用いた場合，1秒 間 に 撮 影 で き る 回 数 は 30 回 程 度 だ が ， ラ イ ン セ ン

凝固（豆腐）

サでは毎秒 1 万回以上の撮影が可能である。この撮影速度は高速度カメラと比べても遜色がない。そし図４て，ラインセンサは画像検査装置などの産業用に広未凝固（豆乳）

豆腐と豆乳のスペックルパターンの違い（ラインセンサにより撮影）
コンベア
進行方向

検査対象物

く普及しており，高速度カメラと比べて小型で低価格でもある。
そこで，ラインセンサを用いて，ごくわずかの時間差でスペックルパターンを高速に連続撮影して蓄光スイッチ積し，このスペックルパターンの時間的な変動の大きさをコンピュータで解析することを検討した。

半導体
レーザ

ラインセンサ
凝固状態の指標値を表示

ラインセンサで撮影した豆腐と豆乳のスペックルパターンを図 4 に示す。撮影は，高速度カメラと同
じ 1/8000 秒 の 間 隔 で 20 回 繰 り 返 し て 行 っ て お り ，
図 4 の縦軸は時間軸である。そして，図 4 からは，

図５試作した凝固検査装置の構成

豆乳の場合はスペックルパターンが時間とともに大きく変化しているのに対し，豆腐の場合はスペックルパターンの時間的な変化は少ないことがわかる。
このことから，ラインセンサで撮影したスペックルパターンの時間的な変化をコンピュータで解析する
ことにより，凝固状態を検査することができると考りレーザを照射し，照射した箇所をラインセンサにより撮影した。なお，レーザは近赤外半導体レーザを使用した。これは，近赤外光は豆腐の包装容器に対する透過性があり，包装容器内の豆腐のスペックルパターンを撮影することが可能なためである。つまり，近赤外光を使用することにより，包装容器をえられる。

開封することなく，凝固状態を検査できるようにし

３．凝固検査実験
３．１

実験方法

この凝固検査方法の有効性を確かめるために凝固検査装置を試作し，検査性能の検証を行った。
装置の構成を図 5 に示す。実験では，コンベア上を 移 動 す る 凝 固 検 査 対 象 物 (豆 腐 )に 対 し て ， 側 面 よた。
また，ラインセンサは予備実験で最も良好な結果
が 得 ら れ た 1/17000 秒 の 時 間 間 隔 で ， 4000 回 の 連 続撮影を行うように設定した。そして，撮影データはパ
ソ コ ン に 取 り 込 み ， ソ フ ト ウ ェ ア (図 6)に よ っ て ス ペックルパターンの時間的な変化を解析し，スペックルパターンの変化量，すなわち凝固状態の指標値を求めた。
な お ， コ ン ベ ア の 搬 送 速 度 は 毎 秒 200mm で あ る 。
そして，コンベアに設置した光スイッチによって，
検 査 対 象 物 (豆 腐 )の 通 過 を 検 知 し ， ラ イ ン セ ン サ の撮影開始タイミングの制御を行った。
そして，豆腐を作る際に使用する凝固剤の量を変化させ，凝固状態が異なる 7 種類の豆腐を作り，それをコンベア上に流し，凝固状態の違いが識別でき
図６るかどうかを検証した。

凝固検査用ソフトウェアの操作画面

0.120.11

実験結果

実験結果を図 7 に示す。グラフの横軸はレオメー
タで計測した破断力であり，破断力が大きいほど凝固していることを示している。そして，縦軸は，実験装置により出力された凝固の程度を示す指標値で0.1

装置の指標値３．２あり，数値が小さいほど凝固していることを示して0.090.080.070.06いる。図 7 からは，破断力と装置の出力との相関が0.05はっきりとわかる。つまり，考案した凝固検査方法

0204060801001202

硬さ（破断力） (gf/cm )図７ 実験結果

により，豆腐の凝固状態が自動的に検査できること
を 確 認 し た 。 な お ， パ ソ コ ン で の 処 理 時 間 は 約 0.5 秒であり，全数検査も可能な処理速度であった。
そして，このような良好な実験結果が得られたことから，㈱高井製作所と㈱松浦電弘社が共同で図 8のようなオンライン型凝固検査装置として商品化を行った

3)。本装置は，凝固状態の全数検査を行って結果をモニタに表示するとともに，不良品を自動的にコンベア上から排除することができる。

４．結言

スペックルパターンに着目し，画像処理によって

図８

オンライン型凝固検査装置

豆腐等の凝固検査を行う装置を開発した。そして，

謝

検証実験の結果から本装置により豆腐の凝固検査を行うことができることを確認した。本装置は，非接触，非破壊で，自動的に全数検査を行うという従来にはない優れた特徴があることから，凝固状態の検研究を遂行するに当たりご助言をいただいた，金沢大学自然科学研究科教授の安達正明氏に感謝します。

査や品質管理に大きな役割を果たすことができる装参考文献

置であると考えている。
なお，本稿では凝固検査の対象物として豆腐を取り上げたが，豆腐以外の各種製品への適用も可能だと考えている。今後は，本装置の適用範囲の拡大を図って行く予定である。また，処理速度の向上や検査精度の向上などに取り組みたいと考えている。

辞1) 内 藤 正 . 工 業 計 測 法 ハ ン ド ブ ッ ク . 東 京 , 朝 倉 書店 , 1982, p.402.
2) 谷 田 貝 豊 彦 . 応 用 光 学 光 計 測 入 門 . 東 京 , 丸 善 ,2001, p.152.
3) 天 野 原 成 他 . ゲ ル 状 食 品 の 凝 固 検 査 装 置 の 改 良 開
発 . 日 本 食 品 工 学 会 年 次 大 会 講 演 要 旨 集 , 2005,
p.140.