基于高光譜成像技術(shù)的三文魚肉脂肪含量可視化研究

章海亮 代啟 葉青 劉雪梅 羅微

摘要：采用高光譜成像技術(shù)實現(xiàn)三文魚的脂肪含量檢測，并基于Matlab編程語言實現(xiàn)三文魚肉脂肪含量分布的可視化。將5條整魚按照相同切分規(guī)則切分成100個三文魚樣本，并分別采集100個樣本的高光譜成像數(shù)據(jù)，在此基礎上，提取每個樣本感興趣區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)。利用偏最小二乘（PLS）模型，對100個樣本的光譜數(shù)據(jù)進行三文魚脂肪建模分析，其中75個樣本組成建模集，25個樣本組成預測集，分析結(jié)果顯示，預測集決定系數(shù)為0.913，均方根誤差（RMSEP）為0.921%。為簡化模型，對全譜利用連續(xù)投影算法（SPA）提取特征波長，然后基于特征波長建立PLS模型，模型預測集的決定系數(shù)為0.913，均方根誤差為0.920%，說明模型得到簡化的同時，精度并沒有降低。最后采用Matlab語言編程對三文魚的脂肪含量進行可視化研究，結(jié)果顯示，基于Matlab語言編程可以很形象地表達三文魚的脂肪含量分布。

關(guān)鍵詞：三文魚;脂肪含量分布;偏最小二乘（PLS）模型;連續(xù)投影算法;可視化表達

中圖分類號： S126;TP391.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0220-04

收稿日期：2018-06-13

基金項目：國家自然科學基金（編號：61565005）。

作者簡介：章海亮（1977—），男，江西南昌人，博士，副教授，主要從事高光譜成像技術(shù)及其應用研究。E-mail：hailiang.zhang@163.com。

通信作者：羅?微，碩士，講師，主要從事高光譜成像技術(shù)及其應用研究。E-mail：15270030556@163.com。

三文魚是一種高檔魚類消費品種，其肉質(zhì)細嫩，富含脂肪、維生素、蛋白質(zhì)和脂肪酸等物質(zhì)，近年來隨著我國對外貿(mào)易日益便捷，三文魚日漸成為我國消費者喜歡的一種魚類消費品種，其價格比一般的普通淡水魚相對高一些[1]。

三文魚的脂肪同蛋白質(zhì)一樣，是影響三文魚肉品質(zhì)的一個重要物質(zhì)，脂肪含量的高低，對三文魚的口感影響較大[2]。因此，三文魚的脂肪含量可作為評價三文魚品質(zhì)好壞的一個重要參數(shù)，脂肪含量是三文魚檢測參數(shù)中必須檢測的一個參數(shù)。傳統(tǒng)的三文魚脂肪含量檢測方法一般都是破壞性的，須將三文魚肉搗碎，并須經(jīng)過提取、分離等化學步驟，費時費力，且污染環(huán)境，不符合在線大批量實時檢測要求[3-4]。

近紅外光譜檢測技術(shù)作為一種近年來得到快速發(fā)展的無損檢測方法，在食品品質(zhì)檢測中得到大量應用和研究，檢測精度較高[5]。但是近紅外光譜檢測方法只能檢測被檢測對象的內(nèi)在品質(zhì)屬性，如三文魚的蛋白質(zhì)、脂肪含量，不能反映被檢測對象品質(zhì)的空間屬性;而常規(guī)的圖像檢測方法只能檢測被檢測對象的外在空間屬性，不能對被檢測對象的內(nèi)在品質(zhì)屬性進行表達，或者能表達但準確度不能保證，隨著技術(shù)的發(fā)展，高光譜成像檢測技術(shù)因具備光譜檢測和圖像檢測的雙重優(yōu)勢，得到了廣泛關(guān)注和報道[6-9]。采用高光譜成像技術(shù)檢測三文魚品質(zhì)參數(shù)的研究在國內(nèi)外都有所報道，但采用高光譜成像技術(shù)檢測三文魚脂肪含量的同時進行可視化表達的相關(guān)研究報道并不多見[10-15]。

本研究對100個三文魚樣本的脂肪含量進行檢測，并采用偏最小二乘（PLS）建模方法進行建模分析，在此基礎上，采用Matlab語言進行編程，對三文魚的脂肪含量進行可視化表達。

1?材料與方法

1.1?三文魚肉樣本

5條新鮮大西洋鮭整魚片購于加拿大蒙特利爾市當?shù)爻小Ｃ織l魚總質(zhì)量為1 kg左右，誤差在±120 g范圍內(nèi)，所有樣本的長度在50 cm左右，誤差為±3 cm。首先將每條魚分成背部和腹部2部分，然后分別將背部和腹部等分成10份，因此，每條三文魚樣本被細分成20塊試驗樣本，5條三文魚共細分成100塊試驗樣本。將每塊樣本裝入塑料袋中并編號，在2～4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2?采集高光譜成像數(shù)據(jù)

采集100塊三文魚試驗樣本的高光譜成像數(shù)據(jù)，然后采用常規(guī)方法測定脂肪含量。長波近紅外高光譜成像系統(tǒng)的波段范圍是900～1 700 nm，共有167個波段，2個光源與樣本平臺呈45°放置于金屬架上，距樣本平臺的高度為40 cm。為保證采集的高光譜成像數(shù)據(jù)圖像不失真、不變形，需要調(diào)整電荷耦合器件（CCD）相機的曝光時間、樣本輸送平臺的水平運行速度和CCD鏡頭的高度，最終調(diào)試CCD相機鏡頭與樣本平臺的垂直距離為40 cm，曝光時間為0.9 s，平臺的水平運行速度為1.58 mm/s。同時為消除光線不均和電子噪聲等產(chǎn)生的影響，需要對高光譜成像數(shù)據(jù)進行校正，校正公式為

I=I0-BW-B×100%。（1）

式中：B為黑板數(shù)據(jù);W為白板數(shù)據(jù);I0為原始高光譜成像數(shù)據(jù);I為校正后高光譜成像數(shù)據(jù)。

1.3?脂肪含量測定和光譜數(shù)據(jù)提取

采用索氏提取法提取三文魚中的脂肪，采用的儀器為索氏脂肪提取儀，儀器型號為意大利Usmate公司生產(chǎn)的SER148。采用感興趣區(qū)域（ROI）法提取樣本光譜數(shù)據(jù)，選取的正方形ROI邊長為80像素左右，取平均值得到每個樣本的光譜數(shù)據(jù)，光譜的波段數(shù)為167個，因此，最終的光譜矩陣維度為167×100。ROI光譜數(shù)據(jù)的提取在軟件ENVI 4.6中完成。

1.4?特征波長選擇算法

連續(xù)投影算法（SPA）是一種常用的特征波長提取方法，本研究采用的連續(xù)投影算法是基于Matlab語言工具箱的，運行時需要設定光譜和樣本脂肪理化值的建模集和預測集，根據(jù)提取特征波長數(shù)量需要，一般要設定一個波長數(shù)量范圍閾值，本研究設定的波長數(shù)量范圍閾值為5～30個。采用連續(xù)投影算法提取的特征波長建立的模型，大大簡化了建模數(shù)量，提高了模型運行效率和精度，關(guān)于連續(xù)投影算法的原理詳見文獻[16]。

1.5?PLS回歸模型的建立

PLS回歸模型是一種線性模型，在光譜建模分析中的應用較多，該建模方法將光譜變量轉(zhuǎn)變?yōu)榫S度更小的建模因子，同時生成建?；貧w曲線，通過分析回歸曲線，可以提取有效波長，以方便后續(xù)建模分析[17]。本研究中的100個樣本，75個組成PLS建模集，25個組成PLS預測集，模型的評價參數(shù)為決定系數(shù)和均方根誤差。PLS模型運算在軟件Unscramble V9.7中完成。

1.6?三文魚樣本脂肪含量的可視化

在Unscramble計量分析軟件中利用PLS建模分析自動生成一條回歸曲線，利用這條回歸曲線建立三文魚樣本脂肪含量的線性回歸方程，然后利用Matlab語言編程將通過回歸方程得到的每個樣本像素點脂肪含量指標以圖形化的形式顯示在每塊樣本上。

2?結(jié)果與分析

2.1?三文魚樣本的光譜吸收曲線

基于ROI提取的光譜吸收曲線如圖1所示，可以看出，在1 100～1 300 nm近紅外區(qū)域的光譜反射率高于1 301～1 700 nm 區(qū)域，在1 180 nm左右處，存在較大的光譜吸收峰，這是由于三文魚樣本中的C—H、N—H及O—H等功能鍵在該波段處存在光譜吸收峰。

2.2?PLS模型分析

采用PLS模型預測三文魚樣本脂肪含量，結(jié)果（表1）可以看出，PLS建模集（校準集）的決定系數(shù)和預測集的決定系數(shù)都較高，其中預測集的決定系數(shù)為0.913，均方根誤差為0.921%，且建模集決定系數(shù)和預測集決定系數(shù)數(shù)值較為接近，沒有出現(xiàn)過擬合和欠擬合現(xiàn)象。圖2為采用PLS模型得到的建模集和預測集樣本脂肪含量的散點圖，可以看出，PLS模型的預測結(jié)果較為理想，可以用于三文魚脂肪含量預測。

2.2?連續(xù)投影算法提取的特征波長具體位置

為了提高模型運行效率和簡化模型的復雜度，采用連續(xù)投影算法提取特征波長，原始光譜的波段數(shù)量為167個，采用連續(xù)投影算法后，提取到的波長數(shù)量為6個（表2），圖3是采用連續(xù)投影算法提取的6個特征波長在一條完整光譜曲線上的具體位置。表3列出了基于6個特征波長建立PLS模型的評價參數(shù)，可以看出，PLS的建模集決定系數(shù)和預測集決定系數(shù)都較高，其中預測集的決定系數(shù)為0.913，均方根誤差為0.920%，且建模集決定系數(shù)和預測集決定系數(shù)數(shù)值較為接近，沒有出現(xiàn)過擬合和欠擬合現(xiàn)象，相對基于全譜建立的PLS模型而言，基于特征波長建立的PLS模型不但預測精度稍有提高，而且極大地簡化了模型，提高了模型的預測運行效率。

2.3?三文魚肉脂肪含量的可視化

三文魚樣本的脂肪含量可視化效果如圖4所示，顏色由深到淺表示三文魚樣本脂肪含量由低變到高，可以看出，a～d 4個樣本試驗塊的脂肪含量逐漸升高，與真實脂肪含量情況基本相符，說明采用可視化方法可以準確表達三文魚的脂肪含量，且這種方法可以精確到像素級別，應用前景非常廣泛。采用高光譜成像技術(shù)檢測三文魚脂肪含量的優(yōu)勢，比采用光譜技術(shù)更為明顯，以圖形的形式表達脂肪含量更加直觀，脂肪含量分布檢測的主要步驟如圖5所示。

3?結(jié)論

本研究采用高光譜成像技術(shù)對三文魚脂肪含量進行檢測，并進行可視化表達，首先獲取到三文魚的原始高光譜成像數(shù)據(jù)并進行校正，然后提取樣本的光譜數(shù)據(jù)，建立PLS樣本脂肪含量預測模型， 并取得比較好的結(jié)果，在此基礎上，采用Matlab語言編程，利用回歸系數(shù)方程對三文魚脂肪含量進行圖形可視化表達，該表達方法可精確到每個像素點，更形象直觀，應用前景廣泛。

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