Результат интеллектуальной деятельности: Способ и устройство для оценки визуальной динамики заваривания холодных и горячих напитков и составления "цифрового портрета" процесса приготовления напитков

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности, к способу визуальной цифровой регистрации процесса заваривания (извлечения или накопления) веществ, входящих в состав широко употребляемых напитков на основе растительного сырья.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время существуют различные способы визуальной оценки процесса заваривания.

Распространенный способ визуальной оценки состоит в наблюдении изменения окраски водного экстракта при заваривании порции продукции, причем наблюдение может вестись как на просвет, если емкость выполнена из стекла, так и при отражении света от дна и стенок чашки. В качестве экспертной системы используется персональный опыт испытателя и/или сравнительное заваривание изучаемых образцов с образцами-стандартами.

Недостатком данного способа является невозможность стабильного воспроизведения условий заваривания и неодинаковой восприимчивости человеческого зрения в разные периоды времени суток. Также в искажение оценки вносит свой вклад варьирование интенсивности и цветового спектра освещения при проведении тестирования. Большим минусом является невозможность сохранения результатов в объективном цифровом виде, так как фотографирование или видеосъемка (на стационарные или мобильные устройства) также подвержены влиянию нестабильности освещенности в различные периоды времени и меняющихся условий съемки.

На воспроизводимость и объективность оценки накопления цвета экстракта также влияют способ заваривания, скорость добавления воды, ее температура и интенсивность перемешивания, причем перемешивание нельзя исключать из процесса – в ином случае большую роль начинает играть локальное слипание кусочков растительного сырья и уменьшения скорости экстракции.

Из уровня техники известен способ измерения количества зеленого пигмента в чаях с помощью лазерной Рамановской спектроскопии. (CN102890079A). Недостатком данного метода является регистрация только одного компонента спектрального диапазона и дорогая аппаратура, требующая регулярной поверки и калибровки, помимо профессионального обслуживания при проведении измерений.

Также из уровня техники известен способ контроля наличия посторонних добавок в листовой чай с помощью ИК-спектроскопии ближнего диапазона (CN104122225B). Несмотря на важность этого метода как борьбы с контрафактной (а иногда и опасной) продукцией, ИК-спектр не воспринимается зрением человека и не дает информации о видимом процессе заваривания напитка.

Другой известный способ использовался как контрольный при разработке чаев с нанесенными на них сухими экстрактами (RU 2318392C2). Утверждается, что измерение оптической плотности при 445 нм в течение 30 сек наблюдается корреляция между поглощением света экстрактом и симпатиями потребителя. Этот метод оперирует только одной длиной волны и в кратком промежутке времени, не обеспечивая оценки реальной цветности получаемого напитка с точки зрения потребителя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке простого, нетрудоемкого, надежного, недорогого способа для цифровой видеорегистрации изменения окраски водного экстракта при заваривании образца в горячей или холодной воде в сравнении с контрольным или сравнительным образцом, завариваемым в тот же момент в той же установке и последующего анализа видеозаписи с целью изучения скорости накопления окрашенных соединений в изучаемом и сравнительном экстрактах, причем в момент заваривания также регистрируется цвет и интенсивность полупрозрачного стандарта (окрашенного стекла) для коррекции возможных изменений в спектре источника освещения.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в замене ненадежного и невоспроизводимого процесса визуальной оценки человеком процесса заваривания напитка простым, надежным и воспроизводимым способом с помощью широко доступного видео-, осветительного и электромеханического оборудования. Изобретение также позволяет обеспечить надежный метод получения "динамического цифрового паспорт заваривания" образцов сырья для последующего контроля входного сырья на его соответствии утвержденному стандарту.

Разработанный способ позволяет реализовать метод цифровой оценки скорости заваривания горячих и холодных напитков по изменению цветовых характеристик образцов настоя с помощью цифровой камеры, установленной в светонепроницаемом боксе, с возможностью установки источников света с различными спектральными характеристиками и системой синхронного погружения и подъема различных образов завариваемой продукции на основе сервопривода, управляемого микроконтроллером.

Предложенный метод, в том числе, отличается от методов оценки оптической плотности тем, что в течение всего процесса параллельно с оценкой цветности настоев идет регистрация текущей цветности светоцветового стандарта, проходящего регулярную переоценку на обычном сканере в присутствии промышленных стандартов цветности (Фиг. 1) по разработанному методу.

Указанный технический результат достигается при обеспечении следующих технологических приемов: обеспечение образцов изучаемого, сравнительного и стеклянного цветовых стандартов, размещение образцов продукта в перфорированных контейнерах, прикрепленных к механизму, обеспечивающему возвратно-поступательные движения, опускание контейнеров в две прозрачные емкости с горячей или холодной водой, расположенные слева и справа от цветового стеклянного стандарта, последующее поднимание образцов, пропускание потока света параллельно через две емкости и стандарт с одновременной регистрацией объективом USB-камеры, покадровый анализ получившегося видеофайла в видимых участках двух образцов настоя и участке стеклянного стандарта, вычисление реальных RGB значений получившихся цветовых стандартов, усреднение цветности и извлечение истинных RGB показателей цветности образцов настоя,

причем механизм, обеспечивающий возвратно-поступательные движения, приводят в действие с помощью привода, управляемого микроконтроллером.

В качестве перфорированных контейнеров (или емкостей) могут использоваться металлические или пластиковые ситечки или пакетики для заваривания например, бумажные фильтр-пакетики или пакетики из синтетических нитей.

При этом, расстояние от емкостей с горячей или холодной водой до цифровой камеры может регулироваться перемещением по направляющим профилям от 250 до 400 мм.

При этом, размер перфорированных контейнеров позволяет варьировать количество завариваемого образца продукта от 0.5 до 10 г.

При этом, частота опускания и подъема перфорированных контейнеров с образцами варьируется от 0.05 Гц до 2 Гц, глубина погружения варьируется от 2 см до 12 см.

В качестве механизма, обеспечивающего возвратно-поступательное движение для опускания и поднятия перфорированных контейнеров с образцами продукта могут использоваться следующие механизмы: вал, соединенный с двумя барабанами с намотанными на них тросиками, связанными в свою очередь с контейнерами, или зубчатая рейка с закрепленным на ней коромыслом, соединенным с перфорированными контейнерами, или кривошипно-шатунный механизм с прикрепленными к нему перфорированными контейнерами.

Указанные механизмы приводятся в движение посредством привода, управляемого микроконтроллером.

При этом, в ходе обработки видеоданных есть возможность задавать области сканирования 2-х емкостей и стандарта от 5 мм до 30 мм высотой и от 5 мм до 60 мм шириной, давая возможность использовать емкости для заваривания разной геометрии.

При этом, регулярную переоценку цветности светоцветового стандарта проводят на обычном сканере в присутствии как минимум 5 промышленных стандартов цветности Pantone ® следующих цветовых вариантов – красный, желтый, зеленый, синий и коричневый.

При этом, алгоритм обработки видеоданных перед анализом формы кривых отличается тем, что учитывается реальная цветность стандарта в каждый момент видеосъемки для удаления шума.

При этом, алгоритм вычисления коэффициентов уравнений, описывающих кривые накопления цветности, основывается на оптимизационном генетическом алгоритме.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ. 1 - Скан 2-х светоцветовых стеклянных стандартов в присутствии стандартов цветности Pantone®

ФИГ. 2 – принципиальная схема оборудования визуальной цифровой оценки динамики завариваемости образцов напитков (пример);

ФИГ. 3 (а, б, в) – детальная схема оборудования в проекции;

ФИГ. 4 (а, б, в) - кривые падения яркости по 3-м RGB показателям цветности для каждого образца до и после корректировки и сглаживания остаточных шумов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Оборудование визуальной цифровой оценки динамики завариваемости образцов напитков состоит из пластикового бокса с плотно закрывающейся крышкой, в которой над расположением лампы встроен вентилятор. Лампа (световая панель) набрана из светодиодной ленты на плоском пластиковом листе и закреплена вертикально у дальнего узкого торца бокса. Параллельно световой панели расположен белый матовый пластиковый лист для рассеивания и выравнивания светового потока. Для дополнительного контроля освещенности происходит непрерывное измерение напряжения, подаваемого на световую панель. Световой поток проходит через 2-е прозрачные емкости с горячей или холодной водой, куда под управлением контроллера окунают образцы продукта по заданной программе, и стеклянный нормализованный цветовой стандарт. Изображение всех 3-х областей регистрируются USB камерой (Фиг. 2, 3).

В процессе экспериментов было выявлено, что между камерой и емкостями возможно разместить шторку из непрозрачного материала с прорезью напротив нижней части стаканов, для ограничения области регистрации и компенсации шумов и помех, создаваемыми движущимися контейнерами.

Используемое оборудование позволяет, в том числе, вести анализ текущей видеозаписи непосредственно при измерении завариваемости.

Процесс измерения происходит автоматически за исключением небольших ручных операций в начале процесса.

После всех модификаций и улучшений был проведен сравнительный анализ динамики завариваемости идентичных образов чая, при этом было получено практически полное совпадение кривых падения яркости по 3-м RGB для каждого образца (фиг. 4а).

Необходимо отметить, что без включения светоцветового стандарта в оптическую схему прибора и непрерывной регистрации его цветности как эталона сравнения результаты были зашумленными и различия между идентичными образцами в итоге были значительными (фиг. 4б).

После улучшения устройства при сравнении разных образцов чая были получены информативные результаты (фиг. 4с).

Это позволяет исследовать влияние самых различных параметров на развитие цветовой картины заваривания различных образцов продукции, оптимизируя кроме вкуса и аромата напитков также и внешнее восприятие продукции.

Помимо 3-х кривых накопления цветности экстракта во времени, полученный данные можно описать следующими 3 уравнениями для каждого образца по 3-м цветовым каналам:

R_Color_level (t) = Ar * (1- exp(Br + Cr*t + Dr*t^2)

G_Color_level (t) = Ag * (1- exp(Bg + Cg*t + Dg*t^2)

B_Color_level (t) = Ab * (1- exp(Bb + Cb*t + Db*t^2)

Здесь A – максимально достижимый уровень накопления цветности по соответствующему каналу, а BCD – параметры, отвечающие за форму кривой во времени.

Полученный набор из 12 коэффициентов (4 набора ABCD для 3-х цветов) составляет уникальный вектор (цифровую подпись) для каждого образца. Кроме этого, описание кривых с помощью уравнений позволяет провести дополнительное сглаживание остаточных шумов, возникающих вследствие мгновенных локальных неоднородностей при смешивании потоков жидкостей в стаканах, проводить численную оценку достижения максимальной скорости заваривания, оценить предельный уровень цветности, время его достижения и оптимальное время заваривания, моделировать цвет настоя с учетом «человеческого восприятия». Поскольку человеческое зрение способно различить малейшую разницу при сравнении 2-х цветов в одном поле зрения, но плохо справляется с оценкой абсолютной цветности индивидуального образца, извлечение кривых цветности и моделирование процесса заваривания 2-х и более «виртуальных образцов» на основе цифровых подписей позволяет проводить эксперимент визуального сравнения изменения цвета большего количества образцов, чем это возможно при обычном способе.

Пример реализации способа.

Образец черного чая помещают в металлическое ситечко 16, ситечко закреплено на тросике, намотанном на барабан. Барабан соединен с валом, который приводится в действие приводом, управляемым микроконтроллером 4. В результате вращения вала и, соответственно, барабана, обеспечивается опускание ситечка с чаем в прозрачную емкость 12 с горячей или холодной водой на фиксированное время с образованием в емкости 12 настоя. При вращении вала в другую сторону тросик наматывается на барабан и ситечко поднимается из емкости 12 с полученным настоем. Перемещение ситечка 16 осуществляется по оси 6. Ситечко 16 опускают в две емкости 12 с горячей или холодной водой по очереди. Рядом с емкостями 12 с горячей или холодной водой установлен цветовой стеклянный стандарт (на фиг. 3 не показан) – являющийся образцом сравнения. Напротив емкостей 12 и цветового стандарта установлено записывающее устройство (камера) 8. Причем камера установлена с возможностью вертикального перемещения (ось движения камеры 5) для регистрации бо`льшей площади объекта. Камера 5 обеспечивает регистрацию изображения цвета настоя в емкостях 12 и стандарта по оси 19. При этом, емкости 12 с настоем и стандарт установлены на передвижной платформе 14, таким образом, упомянутые емкости и стандарт передвигаются по оси 7, если есть необходимость в приближении данных объектов или их отдалении для регистрации более четких изображений. Емкости 12, стандарт, камера 8, передвижная платформа 14 установлены внутри бокса с плотно закрывающейся крышкой для стандартизации условий освещенности во время съемки. Внутри бокса также установлено оборудование для освещения: световая панель 10 с контроллером источника света 3 световой панели, рассеиватель 11 со шторкой рассеивателя 17, установленный на шторке 15 датчик освещенности 9, связанный с контроллером датчика освещенности 1 кабелем 20 контроллера, стандарт света 13. Датчик освещенности 9 располагается по оси 21. Световая панель 10 обеспечивает направление светового потока 18 на емкости 12 с настоем и стандарт через рассеиватель 11.

Камера 5 связана с компьютером 2 для передачи данных регистрации. После чего компьютер 2 производит анализ полученных данных цветности настоя.

В качестве перфорированных контейнеров (или емкостей) могут использоваться металлические или пластиковые ситечки или пакетики для заваривания например, бумажные фильтр-пакетики или пакетики из синтетических нитей.

При этом, расстояние от емкостей с горячей или холодной водой до цифровой камеры может регулироваться перемещением по направляющим профилям от 250 до 400 мм.

При этом, размер перфорированных контейнеров позволяет варьировать количество завариваемого образца продукта от 0.5 до 10 г.

При этом, частота опускания и подъема перфорированных контейнеров с образцами варьируется от 0.05 Гц до 2 Гц, глубина погружения варьируется от 2 см до 12 см.

Осуществление настоящего способа при указанных технологических установках позволяет достичь высокой воспроизводимости заваривания образцов горячих (кофе, зеленого, черного, травяного (в том числе Иван-чая) и т.п. чаев) и холодных напитков, что позволяет заваривать и сравнивать разные образцы в контролируемых и воспроизводимых условиях разными людьми в разное время года и разнообразных географических локациях, а затем сравнивать полученные данные как «динамический цифровой паспорт заваривания» с накопленной базой данных ранее анализированных образцов. Также настоящий способ позволяет анализировать влияние различных факторов на процесс заваривания, таких как жесткость и состав воды, ее температура и интенсивность перемешивания, добавление различных ингредиентов к чаю, влияние плотности и состава материала, из которого сделан чайный пакетик и так далее.