Influence des conditions d'acquisition de l'image
sur l'évaluation de la couleur de la viande.
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© Boutten B. novembre 2014 |
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Résumé Le consommateur lors de son acte d'achat dans un rayon libre service utilise principalement la perception visuelle pour choisir le produit. La vision peut être utilisée précocement, par le transformateur, pour caractériser sur la matière première les critères de choix du consommateur et adapter le process technologique mis en œuvre pour y répondre. La vision est le meilleur outil pour évaluer la couleur, le bicolorisme et le parage de la viande. Par la relation pH couleur, la vision est également adaptée pour évaluer le pH, critère de qualité pour l'industrie de la viande. Compte tenu de l'évolution du matériel (processeurs à architecture multicoeurs) qui peut être exploité par une programmation multitâche et parallèle, les puissances de calcul communément disponibles ont fortement progressé. L'acquisition et le traitement de l'image sont contrôlés, ce qui confère à l'analyse par vision industrielle une grande robustesse. L'objet de cette communication est de présenter l'influence de l'ouverture de l'objectif et du temps d'acquisition. Ces facteurs permettent une adaptation de la vision aux conditions expérimentales. L'utilisation de gamme colorimétrique permet une caractérisation fine de cette évolution. Une évolution similaire entre la gamme colorimétrique et les pièces de viande est observée (figure 6, tableau 5). La reproductibilité de la mesure a été étudiée par répétition des manipulations, le même jour, à des jours différents, à des semaines différentes. Aucune différence significative n'est observée en fonction de la manipulation, des jours et des semaines. Sur une zone de couleur allant de 5,9 à 4,9 équivalent pH, les écarts type de l'ordre de 0,02 témoigne d' une bonne sensibilité. Les données sont présentées tableau 2 et 3. Cette unité, le pH équivalent permet le passage d'un système tri dimensionnel (RVB) à un système mono dimensionnel plus explicite pour appréhender la qualité de la viande. La robustesse du système, la sensibilité, la représentativité de la mesure ( la totalité de la pièce anatomique est analysée) permettent de nous consacrer totalement à la variabilité biologique (génétique, anatomique, alimentation, condition d' abattage et de découpe) et à son influence sur le pH et le comportement technologique.
Le consommateur lors de
son acte d'achat dans un rayon libre service utilise principalement
la vision comme critère de sélection ( couleur, bicolorisme, parage
de la viande ). La vision également, peut être utilisée
précocement, par le transformateur pour caractériser sa matière
première et adapter le process technologique mis en œuvre pour
répondre à la demande du consommateur.
La mise au point de tri qualité de la viande par vision industrielle ne doit pas se limiter à la couleur, au bicolorisme et au parage. Par la relation pH couleur, la vision est également adaptée pour évaluer le pH, critère de qualité pour l'industrie de la viande. Le pH est le meilleur prédicteur du rendement technologique et de tranchage. Ces derniers sont des critères primordiaux pour le transformateur mais sont d'une évaluation difficile. Ils ne peuvent être prise en référence qu'occasionnellement. Ces rendements sont sous l'influence de facteurs multiples dont le contrôle est difficile. La référence pH est indispensable car elle est plus accessible que les rendements technologique et de tranchage. La relation entre pH et couleur (RGB) est étroite (r > 0.8 ) et permet de calculer un équivalent pH par vision le pHcam. La relation est en constante progression compte tenu de l'évolution des techniques. Cette relation permettra au pHcam de remplacer la mesure des pHs sur ligne de production car cette derniere nécessite une grande rigueur de réalisation et entraîne de fortes contraintes pour le transformateur. Les appareils de mesures conventionnelles de la couleur (colorimétre, spectrocolorimétre) ne sont pas adaptés à l'évaluation de la viande sur ligne de production (fragile, pas assez rapide, surface analysée non représentative de la pièce de viande). Les caméras sont plus adaptées pour assurer cette évaluation : - des vitesses d'acquisition entre 20 et 100 images/ s par caméra sont faciles à obtenir, - le champs de vision peut être adapté aux conditions expérimentales par l'utilisation d'objectif approprié. Compte tenu de l'évolution du matériel, (ordinateurs à architecture multicoeurs) qui peut être exploité par une programmation multitâche et parallèle, les puissances de calcul communément disponibles ont fortement progressé. Les ordinateurs disponibles peuvent ainsi assurer le fonctionnement de plusieurs système de tri en ligne simultanément. Les caméras G Ethernet assurent rapidité et simplicité et permettent un éloignement de l'ordinateur des caméras. L'évaluation de la couleur sur ligne de production est influencée par différents éléments : - la caméra, - l'éclairage, - l'enceinte d'acquisition d'image, - la vitesse de convoyage de la viande. Une fois mis en place ces différent éléments, une grande stabilité est observée dans l'acquisition d'image. Le traitement de l'image parfaitement contrôlé, confère à la vision industrielle une grande robustesse. Nous avons étudier deux paramètres permettant d'adapter l'acquisition de l'image aux conditions expérimentales (éclairage, vitesse convoyage, temps de calcul) : - l'ouverture de l'objectif, - le temps d'acquisition de l'image. Afin de simplifier la mise au point, dans un premier temps, les différentes mesures ont été réalisées sur une gamme colorimétrique adaptée. Celle ci permet de travailler dans des conditions moins contraignantes qu'avec de la viande (température, temps) et de contrôler plus facilementl'absence de dérive des conditions expérimentales. Ces résultats ont ensuite été validés sur des pièces de viandes. Mesure de la couleur La couleur est une notion complexe, qui fait intervenir : - la source de lumière qui illumine, - l'objet lui-même, - l'observateur ou l'instrument de mesure qui perçoit cette couleur. La couleur est la perception de l'énergie lumineuse réémise par l'objet suite à l'illumination de cet objet par une source de lumière. L'absorption sélective des radiations du spectre visible (400 - 700 nm) détermine la couleur des objets. Le système le plus souvent retenu est le système défini en 1976 par la Commission Internationale de l'Eclairage (C.I.E.) (Honikel , 1998 ; AMSA , 1991) dans un repère L*a*b* (figure 1) : - la composante clarté allant du blanc au noir : L*, - la composante chromatique allant du rouge au vert : a*, - la composante chromatique allant du jaune au bleu : b*. |
figure 1 : Représentation tri-dimensionnelle de la mesure de la couleur dans le système L*a*b*. |
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En règle générale les caractéristiques de la source lumineuse,
de l'environnement et de l'observateur sont bien définies.
Par exemple les recommandations de l'AMSA sont : - géométrie à sphère intégratrice diffuse d/8°, - composante spéculaire inclus, - illuminant D65, - observateur standard 10°. Cette mesure de la couleur, assurée par un colorimètre ou un spectrocolorimètre, présente de nombreux avantages dont la reproductibilité et la simplicité de la mesure . Elle ne peut pas être appliquée dans le cadre de tri qualité viande sur site de production, les pièces à évaluer présentant une hétérogénéité et une surface importante. Mesure de la couleur par traitement d'images Il nous est nécessaire de recourir à la vision industrielle dans le but de quantifier la couleur des pièces. La vision industrielle sera sous les mêmes contraintes que la couleur évaluée par un appareil type spectrocolorimétre. Elle nécessite une stabilité des conditions d'acquisition d'image ( éclairage, environnement ). Eclairage En site industriel différentes situations d'éclairage peuvent être rencontrées : - lumière du jour, - lampe à incandescence, au tungstène, halogène, - tube fluorescent ("néon"), - LED. Il est souvent possible par des enceintes de confinement de limiter l'influence de l'environnement. Cet affranchissement sera validé par l'évaluation de gammes colorimétriques adaptées au modèle expérimental. Espace colorimétrique Les caractéristiques de l'espace colorimétrique seront fonction de la camera utilisée et du modèle expérimental traité. Nous ne recherchons pas comme dans le modèle du CIE à avoir un modèle fixe mais un modèle adapté à ce que nous mesurons. Une transition relative entre notre modèle et le CIE pouvant être assuré par l'intermédiaire de gammes colorimétriques stables. Notre espace colorimétrique en vision industrielle est de tri chromatique ( à la différence de certains espaces monochromes). Nous travaillons avec des matrices de Bayer en Rouge Vert Bleu et une sensibilité pour chaque couleur pouvant aller de 0 à 255 (8 bits) et de 0 à 4095 (12 bits). Ceci nous donnes respectivement des espaces colorimétriques à 16,7 millions de couleurs et 68,7 milliards de couleurs. Dans cette présentation nous nous limiterons à l'espace en 16,7 millions de couleurs. Gammes colorimétriques Les gammes colorimétriques doivent remplir deux fonctions : - être proches de l'espace colorimétrique des objets étudiés, - être stables dans le temps. Notre gamme colorimétrique est composée de neuf couleurs allant du blanc au noir et passant par différentes couleurs de viandes. Une composante bleue a également été retenue en référence au tapis de convoyage. L'évaluation d'une de ces gammes est représentée figure 2 dans un espace Rouge Vert Bleu à 16,7 millions de couleurs. |
Figure 2 : évaluation de la gamme colorimétrique avec une ouverture d'objectif de 5.6 et un temps d'acquisition de 8 ms. 1 noir , 2 bleu ,3 rouge (représentatif de viande DFD) , 4 rouge (représentatif de viande normale), 5 rouge (représentatif de viande normale), 6 orange, 7 rose (représentatif de viande blanche), 8 blanc cassé (représentatif du tissu conjonctif), 9 blanc. |
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Caméra Les cameras utilisées sont de marque Bashler. Les connections cameras/ordinateur sont assurées par protocole G Ethernet, simple et standard. Les vitesses d'acquisition sont à considérer en fonction de l'environnement (vitesse de défilement des objets, éclairage ) et des temps de calcul pour l'évaluation de la couleur et des différents autres paramètres. Compte tenu des caractéristiques des processeurs, dans une situation de tri qualité, 3 cameras peuvent être connectées à un même poste de travail ; soit le contrôle de trois lignes d'approvisionnement par un même poste. Le temps d'acquisition et de traitement pour une pièce anatomique est d'environ 1s. Le réglage de la caméra résulte d'une optimisation : - face à des facteurs environnementaux : - éclairage, - distance par rapport à la pièce à anlyser, - vitesse de défilement du tapis de convoyage. - face à des facteurs techniques : - temps d'acquisition, - caractéristiques du capteur CCD utilisé, - caractéristiques de l'objectif utilisé (agrandissement, luminosité). Cette optimisation ayant pour but de garder des possibilités d'ajustement entre temps d'acquisition, temps de traitement et temps de restitution, il ne faut pas oublier que nous sommes en situation temps réels. Cette étude a pour objectif d'évaluer l'influence de deux facteurs techniques : le temps d'acquisition et l'ouverture de l'objectif sur la qualité d'évaluation d'une gamme colorimétrique et ses répercutions sur la mesure colorimétrique de pièces de viande. Cette étude sera réalisée avec une camera Baslher Pilot 60 gc. La vitesse d'acquisition est de 60 images/s. L'image, définie sur 1002 x 1002 pixels, est un espace colorimétrique de 68,7 milliards de couleurs. Nous nous limiterons à une exploitation dans un espace à 16,7 millions de couleurs. L'objectif utilisé est un NIKON 24 mm f/2.8. Les ouverture de diaphragme sont 2.8 , 4, 5.6, 8, 11, 16, 22. La quantité de lumière entrant est divisée par 2 d'une valeur d'ouverture à la suivante (la quantité de lumière traversante étant proportionnelle à la surface de l'ouverture). Influence de l'ouverture de l'objectif La variation de l'ouverture de l'objectif entraîne une variation de l'intensité du signal reçu par le capteur CCD de la caméra comme montré à la figure 3. Le but est d'obtenir un étalement maximum de la gamme colorimétrique, tout en évitant les phénomènes de saturation. Notre gamme est composée de 9 points. Tous non pas la même fonction : Les points 9 et 8 représentent le tissu conjonctif. Les points 3 à 7 représentent les couleurs de la viande, de DFD à blanche. Le point 2, bleu, représente le tapis de convoyage. Le point 1, le noir, représente l'origine. Le but, outre de discriminer chaque point, est de séparer facilement chaque groupe : le tissu conjonctif, la viande, le tapis de convoyage. L'objectif est d'avoir des volumes colorimétriques statistiquement différents pour chaque groupe, et le maximum de sensibilité en ce qui concerne la viande. |
Figure 3 : Influence de l'ouverture de l'objectif sur l'évaluation de la gamme colorimétrique pour un temps d'acquisition de 2 ms. Ouverture de l'objectif : 
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Avec la fermeture du diaphragme, on voit disparaître la saturation dans les blancs (points 1, 2 et 3). Pour l'ouverture de l'objectif à 8, voire à 5,6 , on observe une faible discrimination entre les différentes couleurs de la viande, et même le tapis de convoyage. Avec ce temps d'acquisition (2ms) ces ouvertures seront donc à éviter. Influence du temps d'acquisition Une situation similaire à l'ouverture de l'objectif est observée pour le temps d'acquisition comme montrée figures 4 A, B, C, D, E, F. Dans cette expérience le temps d'acquisition évolue entre 2 ms et 8 ms. La diminution du temps d'acquisition entraîne une diminution du signal reçu par le capteur CCD. Si nous réalisons une vitesse d'acquisition de 60 images/s, et que le temps d'acquisition est de 8 ms, le temps par seconde nécessaire pour l'acquisition sera de 480 ms. Si le programme n'est pas multithreads et parallèle, près de 50 % du temps sera occupé à attendre les images de la caméra. Il faudra donc que le programme gère cette tache en plus des autres qui lui sont imparties : traitement d'images, stockage des données, transmission des informations à la chaîne de décision. L'augmentation du temps d'acquisition, nous permet de suivre la dispersion de la gamme qui est traduit par la norme du vecteur noir blanc (points de gamme 1 et 9), tableau 1. Dans notre expérience un maximum de dispersion est atteint à 5 ms. L'évolution du pH équivalent, des points de gamme représentant la viande, est suivie en fonction du temps d'acquisition et est représentée dans le tableau 2. Les valeurs de pH obtenues pour une gamme à un temps d'acquisition donné sont très significativement différentes entre elles. Elles caractérisent le temps d'acquisition. Cette gamme nous signale toute modification du temps d'acquisition. La stabilité de l'éclairage peut également être suivie de cette manière. |
A
B 
C 
D 
E 
F 
Figure 4 : Evolution de la gamme colorimétrique pour une ouverture objectif à 5.6 et un temps d'acquisition de 2 ms(A), 4 ms(B), 5 ms(C), 6 ms(D), 7 ms(E), 8 ms(F). |
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Temps acquisition (ms) |
2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
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Norme Noir-Blanc |
148 | 284 | 317 | 315 | 314 | 315 |
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Temps acquisition (ms) |
2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| 3 | 6,38 | 6,15 | 6,02 | 5,93 | 5,79 | 5,69 | |
| pH | 4 | 6,28 | 5,94 | 5,77 | 5,63 | 5,43 | 5,30 |
| de | 5 | 6,25 | 5,89 | 5,68 | 5,52 | 5,38 | 5,34 |
| gamme | 6 | 6,08 | 5,54 | 5,34 | 5,32 | 5,28 | 5,25 |
| 7 | 5,92 | 5,25 | 5,03 | 4,98 | 4,86 | 4,79 |
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Adaptation aux conditions expérimentales
La modulation de l'ouverture de l'objectif et du temps d'acquisition
permet une adaptation du système d'acquisition aux conditions expérimentales.
Des évaluations de gamme similaire peuvent être obtenues avec
des paramètres d'ouverture de l'objectif et de temps d'acquisition
différents comme montré à la figure 5. Une évaluation comparable est obtenu pour :
- un temps d'acquisition de 4 ms et une ouverture de l'objectif à 5,6 ;
- une temps d'acquisition de 8 ms et une ouverture d'objectif de 8.
Si on divise par un facteur 2 la lumière entrant, on multiplie par
un facteur 2 le temps d'acquisition de l'image.
Ces deux facteurs ainsi que d'autres (valeurs des gains au niveau du capteur CCD,
intensité de l'éclairage) vont donc permettre une optimisation
des conditions d'acquisition d'image en fonction principalement
des cadences rencontrées dans les différentes situations de tri.
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Figure 5 : évaluation de la gamme colorimétrique dans l'espace colorimétrique pour une ouverture d'objectif de 5.6 et un temps d'acquisition de 4 ms 
et pour une ouverture d'objectif de 8 et un temps d'acquisition de 8 ms 
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Reproductibilité de la mesure.
La mesure de la couleur est influencée par plusieurs facteurs :
- l'éclairage,
- le capteur CCD, - le système optique.
Si le système optique et le capteur CCD sont stables, l'éclairage semble plus instable.
Cependant nous travaillons en chambre d'acquisition ce qui limite
l'influence de lumière parasite non contrôlée.
L'éclairage que nous utilisons est de type néon qui présente une remarquable stabilité.
Depuis un an, aucune dérive n'a été observée.
A titre indicatif nous montrons l'évaluation de gamme colorimétrique
pendant 5 jours à raison de trois évaluations quotidiennes,
une étude sur 4 semaines a également été réalisée (tableaux 3 et 4).
L'ouverture de l'objectif est de 2,8 et le temps d'acquisition de 2 ms.
Ce réglage a été retenu car ce temps d'acquisition très court nous paraît le plus intéressant.
Nous nous sommes limités aux cinq points de gamme les plus importants
car les plus proches du comportement de la viande.
Des résultats comparables auraient été obtenus avec les autres points de gamme.
Toutefois, des situations de saturation sont observées pour les points de gamme 7, 8,et 9
(blanc) si les réglages ne sont pas adaptés.
Les évaluations du rouge et du vert sont alors de 255 et l'écart type de 0.
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| Point gamme | jour |
Répétitions journalières |
moyenne | écart type | nb mesure |
| 3 | 5 | 3 | 5,88 | 0,03 | 15 |
| 4 | 5 | 3 | 5,56 | 0,03 | 15 |
| 5 | 5 | 3 | 5,47 | 0,03 | 15 |
| 6 | 5 | 3 | 5,31 | 0,01 | 15 |
| 7 | 5 | 3 | 4,93 | 0,02 | 15 |
| Point gamme | jour |
Répétitions journalières |
moyenne | écart type | nb mesure |
| 3 | 4 | 3 | 5,88 | 0,02 | 12 |
| 4 | 4 | 3 | 5,54 | 0,02 | 12 |
| 5 | 4 | 3 | 5,45 | 0,02 | 12 |
| 6 | 4 | 3 | 5,31 | 0,01 | 12 |
| 7 | 4 | 3 | 4,93 | 0,01 | 12 |
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Les tableaux 3 et 4 montrent une grande stabilité de la mesure de l'équivalent pH dans le temps.
Sur cinq jours à raison de trois évaluations par jour,
aucune différence significative entre les jours n'est observée.
Sur 4 semaines à raison de trois évaluations par semaine aucune
différence significative entre les semaines n'est observée.
L'électronique (capteur, caméra) et éclairage sont stables.
Ces résultats témoignent de l'efficacité des outils mis en place pour évaluer toutes les dérives.
Evolution de la quantification de la couleur de la viande
en fonction de l'ouverture de l'objectif.
L'objectif de cette manipulation est de suivre l'évaluation
de la couleur de pièces de viandes (n = 41) simultanément
à l'évaluation de la gamme en modifiant l'ouverture de l'objectif.
Cette expérience est représentée à la figure 6.
Les distances entre le point bas (noir, point 1 gamme) et
le point haut (blanc, point 9 gamme) de la gamme sont données au tableau 5,
ainsi que les distances entre le point bas viande (haut pH)
et le point haut viande (bas pH) en fonction de l'ouverture de l'objectif.
La distance est la norme du vecteur (noir, blanc) et (haut pH, bas pH) respectivement.
Le rapport entre ces distances est constant.
Les pièces de viande montrent la même évolution que la gamme ce qui traduit un comportement similaire de la viande et de la gamme vis à vis du système d'acquisition d'images et permet de conclure que l'utilisation d'une gamme colorimétrique est adapté pour effectuer les réglages.
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| Ouverture objectif | 2,8 | 4 | 5,6 | 8 |
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Dispersion gamme (n = 9) |
312 | 278 | 148 | 85 |
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Dispersion viande (n = 41) |
189 | 162 | 83 | 49 |
| Rapport dispersion gamme/viande | 1,65 | 1,72 | 1,79 | 1,71 |
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Application à l'évaluation du pH de pièces de viande.
L'évaluation
de 55 pièces de viande est montrées figure 7. La relation entre pH
et pHcam est forte (r=0,9). Cette relation est encore fortement
dépendante de la pièce anatomique analysée. La noix est, pour
l'instant, la pièce qui donne les coefficients de corrélation les
plus élevés car elle présente une forte variabilité bien connue
des technologues. Des résultats comparables ont été obtenus pour les différentes pièces anatomiques :
la pointe, la semelle, la noix pâtissière et le semi tendineux. Des études sont en cours
pour caractériser de façon plus efficace ces différentes pièces.
Figure 7 : Evaluation du pH de différentes pièces de viande ( n = 55 )
ouverture objectif 4, temps d'acquisition 2 ms (r = 0,9). |
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Conclusion
L'objet de ce travail était la mise en place d'outil permettant une
évaluation des variations du système d'acquisition et de traitement
d'image. La gamme colorimétrique permet de suivre et d'évaluer les
variations du système. La conversion du caractère tridimensionnel
de la couleur en un pHcam monodimensionnel permet d'appréhender plus
facilement la sensibilité et la spécificité des mesures par une
unité évocatrice au niveau de la viande. La variation de
l'éclairage a été caractérisée par l'intermédiaire de
l'ouverture ou de la fermeture de l'objectif sur l'ensemble des
couleurs qui nous intéresse. La variation du temps d'acquisition a
également été appréhendée.
Une fois les différents paramètres d'acquisition fixés, une grande stabilité est observée pour l'évaluation de la couleur (tableau 3 et 4). La vision industrielle permet l'évaluation de la qualité de la viande, elle présente de nombreux avantages :
- une grande stabilité dans le temps de l'ensemble du système
d'acquisition tant au niveau de l'éclairage que du système de
traitement de l'image,
- une grande rapidité liée à l'amélioration des caractéristiques des
caméras et des ordinateurs. Les vitesses d'acquisition d'images
sont en constante progression, capteur CCD plus performant,
performance des ordinateurs disponibles accrus (multicoeur,
multithreads). Les processeurs actuels peuvent gérer 3 caméras
simultanément.
- une adaptation à la mesure de caractères colorimétriques purs tels
que la couleur, le bicolorisme et le parage de la viande.
- une adaptabilité à la mesure du critère de qualité qu'est le pH
grâce à une relation entre pH et couleur.
Des améliorations importantes sont possibles. Les études ont principalement porté sur l'évaluation de la noix (demi membraneux, adducteur), pièces très importantes d'un point de vue pondéral et d'un point de vue technologique, celle ci étant la source des problèmes les plus importants ( http://qualite.viande.free.fr ). Les résultats obtenus sur l'ensemble des pièces anatomiques permettent déjà d'assurer une bonne corrélation avec le pH au niveau du jambon mais surtout avec le rendement technologique. La vision permet également de maîtriser la couleur au niveau du jambon.
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et de pièces de viande
