高光谱成像技术在水果无损检测中的应用

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1、2015年7月农机化研究第7期高光谱成像技术在水果无损检测中的应用刘燕德，邓清(华东交通大学机电学院光机电技术及应用研究所，南昌330013)摘要:高光谱成像技术结合了光谱学和成像技术的主要优势，可以同时获得一个样本的空间分布及物理和化学性能，是水果无损检测的发展趋势。为此，主要介绍了高光谱成像原理、装置、数据处理方法，以及国内外水果内外品质无损检测的应用，并对高光谱成像技术在水果无损检测中的不足及未来趋势进行了分析。关键词:高光谱成像技术;水果品质;无损检测中图分类号:S123;TP391．41文献标识码:A

2、文章编号:1003－188X(2015)07－0227－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.07.0531．1原理0引言可以用一系列波长处的光学图像组成的三维图像目前，高品质成为现代水果产业竞争的一个关键数据块来表示高光谱图像。其中，二维的是图像的横因素。随着人们生活水平的提高，加剧了国内水果市纵坐标信息(以坐标X和Y表示)，第三维是光谱信息［4］场的竞争，人们对高品质水果的标准也越来越严格。(以λ表示)，如图1所示。图像的横纵坐标信息反仅关注水果的外部品质是远远不够的，人们现在越来

3、映样本的形状大小、缺陷等外部品质，由于成分不同，越多的关注水果的内部品质。所以，在水果的整个处光谱吸收也会不同，所以某个缺陷在某个特定波长下理过程中，准确、快速和客观的质量检测系统的发展图像会有明显的不同。光谱信息则可以充分反映样是确保其安全生产及高产品质量的保证，并且是现代品物理结构和化学成分。这些特点决定了高光谱成水果产业的发展趋势。目前，人类视觉检查仍然广泛像技术在水果内外部品质的检测方面的独特优势。使用，不过这是主观的、耗时的、费力的、繁琐的，并且不稳定的。最近，国内外学者利用机器视觉等技术对水果进行无

4、损检测。水果无损检测是指在不破坏样品的情况下，对其内外部品质进行测定，并做出评价的过程。近几年，农产品无损检测技术得到快速的发展，光学无损伤检测技术以其独有的优势，如易于与其他技术［1］相融合，成为最受关注的无损伤检测技术之一。高光谱成像技术，作为新一代的光电无损检测技术，结合了光谱技术和图像技术的主要优势，可以同时获得光谱和空间信息，对水果无损预测具有非常大［2］图1高光谱图像数据块的应用前景。高光谱成像技术可以同时获得水果Fig．1Hyperspectralimagingdata外部特征、物理结构和化学成分

5、等，作为检测和分析［3］1．2检测装置水果质量安全的可靠工具已经得到广泛关注。一个典型的高光谱成像系统主要包括成像光谱1高光谱成像原理及检测装置仪、光源、输送装置和计算机等部件组成［5］，如图2所示。每个组件都会影响系统的精度。相机、光谱仪和收稿日期:2014－07－15光源条件决定系统光谱范围。400～1000nm之间的基金项目:国家“863计划”项目(2012AA101906)作者简介:刘燕德(1967－)，女，江西吉安人，教授，博士生导师，(E－可见近红外范围的系统，经常利用CCD摄像机。光源mail)j

6、xliuyd@163．com。通常使用钨灯或者LED光源。从样品反射的光线被通讯作者:邓清(1992－)，女，南昌人，硕士研究生，(E－mail)dengqing150@163．com。光谱仪中的分光系统分离成特征波长再进入物镜;摄·227·2015年7月农机化研究第7期像头中形成的二维图像在电脑上保存。通过使用一必须进行降维，减少过多的冗余信息对结果的影响。个电动平台使样品在物镜面前移动，并且过程重复;目前，国内外学者常采用降维的方法为主成分分析法二维图像在样品的邻点上被堆叠以形成三维超立方(PCA)、偏最小

7、二乘法(PLS)、独立变量分析法［6］［10］体，存储在计算机中进行进一步的分析。(ICA)及遗传算法(GA)等。此外，一些其他的数据压缩方法(如傅里叶变换、奇异值分解等)可以增强［11］高光谱图像处理能力。在得到有用的数据之后，下一步是建立可靠的校准模型，可采用线性判别分析(LDA)、Fishers判别分析(FDA)、多元线性回归［12］(MLＲ)，及人工神经网(ANN)等。2在水果无损检测中的应用国内外已经有许多研究利用高光谱成像技术对水果品质无损检测，涉及的水果品质主要包括缺陷、损伤、农药残留、表面污染、

8、病虫害、水分、酸度、含糖量、可溶性固形物及硬度等，研究对象大多集中在苹果、图2高光谱成像裝置结构示意图梨、番茄、草莓等小型水果。Fig．2Hyperspectralimagingsystembasedonspectrometer2．1水果外部品质检测1．3数据处理2．1．1表面损伤检测高光谱中的“高”是指“过”“太多”的意思，表明表面损伤(轻微损伤、碰伤、压伤等)是机器视觉有大量的测量