高光譜成像技術(shù)在水果品質(zhì)無損檢測中的研究現(xiàn)狀

張 飛，羅華平※，高 峰，王長旭，張 輝，于智海，王玉婷

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活品質(zhì)的日益提高，水果在日常飲食中的比例越來越大，人們對水果品質(zhì)安全的關(guān)注也越來越重視。水果中含有的豐富纖維素、礦物質(zhì)以及鐵、鈣、磷、錳、鋅等人體必需的微量元素，對身體有較大裨益[1]。果品經(jīng)濟(jì)是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分之一，目前主要用傳統(tǒng)化學(xué)檢測手段對水果品質(zhì)進(jìn)行檢測，化學(xué)檢測方法既費(fèi)時又費(fèi)力，是一種破壞性的檢測，嚴(yán)重破壞了水果外觀和內(nèi)部組織成分，檢測結(jié)果受外界環(huán)境和人為因素影響最大，不適用于水果的批量及流水線化處理，嚴(yán)重制約了果品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。

常見的無損檢測技術(shù)有光學(xué)無損檢測、聲學(xué)無損檢測、電磁學(xué)無損檢測和氣味無損檢測[3]。高光譜成像技術(shù)能同時得到對象的高光譜數(shù)據(jù)信息和RGB圖像信息，將兩者優(yōu)勢融合于一身，可以獲取更多內(nèi)外部品質(zhì)參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)圖像信息與光譜信息融合。

1 高光譜成像系統(tǒng)

如圖1，高光譜圖像上的每個像元均可獲取一個光譜區(qū)間內(nèi)的窄波段信息，并得到一個平滑而完整的光譜曲線[4]。光譜信息和對象的物理特性和化學(xué)成分息息相關(guān)，而圖像信息能反映物體的形狀、大小、顏色等特征，因此高光譜成像技術(shù)能采集到豐富的光譜信息和完整的RGB圖像。高光譜成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對水果進(jìn)行表面腐爛、損傷等的定性檢測分析，以及糖度、水分、硬度、可溶性固形物等的定量檢測分析。

圖1 高光譜圖像數(shù)據(jù)立體圖

高光譜成像系統(tǒng)的組成有兩部分，一部分是數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)分析軟件，另一部分是硬件組成，如圖2，主要包含成像光譜儀、光源、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)與運(yùn)動平臺等。高光譜成像系統(tǒng)的核心部件為CCD相機(jī)和成像光譜儀，能實(shí)現(xiàn)對檢測對象光譜和圖像信息的快速獲取，利用在檢測過程中光譜儀接收到的反射光、散射光和透射光，最終得到檢測對象的高光譜圖像。

圖2 高光譜系統(tǒng)組成

高光譜成像系統(tǒng)常采用“推掃式”成像方式獲得對象在空間中的每個像素在不同波長下的高光譜圖像信息，可以從紫外光波段到可見光波段再到紅外光（200~2500 nm）波段。常見的成像光譜儀光譜范圍有400~1000nm、900~1 700 nm、900~2 500 nm等。高光譜圖像能包含對象的光譜信息和空間信息，不僅能反映外部特征，也能反映內(nèi)部品質(zhì)特征。

2 數(shù)據(jù)處理方法

高光譜圖像的光譜分辨率高，因此物體的微小特征也能精細(xì)的顯示出來。成像光譜儀在每個波段都進(jìn)行拍照，數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性高，同時包含了樣品內(nèi)外部信息。但是采集的數(shù)據(jù)包含噪聲以及其他無用信息，以全波段信息建立模型并計(jì)算不僅耗費(fèi)大量時間，噪聲也會影響建模精度。因此需要進(jìn)行光譜信息預(yù)處理，消除噪聲，對數(shù)據(jù)降維、壓縮、提取特征波段數(shù)據(jù)等，提高處理效率和精度。通常采用的預(yù)處理方法有：標(biāo)準(zhǔn)化（standardization）、多元散射校正（multiplicative scatter correction,MSC）、Savitzky-Golay卷積平滑算法（SG平滑）、移動平均平滑算法（moving average smoothing）等[5]。

目前國內(nèi)外對光譜數(shù)據(jù)處理的過程是：光譜數(shù)據(jù)校正，選擇感興趣區(qū)域（region of interest,ROI），獲取光譜信息數(shù)據(jù)，采用連續(xù)投影算法（successive projections algorithm,SPA）、競爭性自適應(yīng)重加權(quán)算法（competitive adaptive reweighted sampling,CARS）、和主成分分析法(principal component analysis,PCA)等算法對數(shù)據(jù)處理，去除無用信息，找出特征波段，建立相應(yīng)的模型。常用建模方法有：主成分回歸（PCR）、隨機(jī)森林（RF）、支持向量機(jī)（SVM）和偏最小二乘法（PLS）等。

3 在水果品質(zhì)檢測中的應(yīng)用

3.1 水果外部品質(zhì)檢測

水果的外部品質(zhì)無損檢測主要是對顏色、大小、形狀、表面缺陷、表面污染等外部特征進(jìn)行檢測判斷，外部品質(zhì)特征能最直觀的反應(yīng)水果的品質(zhì)。傳統(tǒng)方式靠分揀人員的肉眼和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，效率低、誤差大。機(jī)器視覺技術(shù)雖然能實(shí)現(xiàn)外觀品質(zhì)的快速自動檢測，但是對不明顯的表面損傷和缺陷，例如凍傷、碰傷、病菌等區(qū)域的識別準(zhǔn)確度較低，不能精確的反映出外部品質(zhì)缺陷。

3.1.1 水果表面損傷和缺陷的檢測

方益明等[6]利用高光譜成像技術(shù)對庫爾勒香梨表面損傷進(jìn)行檢測（400~1000nm），根據(jù)不同波段下香梨的高光譜圖像清晰度及與背景區(qū)域?qū)Ρ冗x擇863 nm處高光譜圖像建立掩膜圖像，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，采用的是主成分分析（PCA）算法，根據(jù)損傷區(qū)域與背景區(qū)域光譜差異選擇主成分圖像，與其他主成分圖像進(jìn)行比值處理，將圖像進(jìn)行分割、運(yùn)算及形態(tài)學(xué)分析，結(jié)論表明能夠有效識別出香梨的表面損傷，準(zhǔn)確度為93.75%。

Janos等[7]開發(fā)了蘋果早期淤傷無損檢測系統(tǒng)，使用高光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線快速檢測，該系統(tǒng)在光譜數(shù)據(jù)與處理的基礎(chǔ)上加入了眩光校正，結(jié)果表明對淤傷識別準(zhǔn)確度達(dá)98%。Keresztes等[8]對蘋果表面挫傷進(jìn)行高光譜成像技術(shù)檢測，通過光譜歸一化處理和采用偏最小二乘算法建模對于挫傷預(yù)測最準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率可達(dá)90.1%。

3.1.2 水果表面農(nóng)藥殘留檢測

趙曼彤等[9]利用高光譜成像技術(shù)對香梨表面不同濃度杜邦萬靈檢測進(jìn)行了研究。首先對香梨376~1 051 nm波段的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并采用連續(xù)投影算法選取特征波段，結(jié)果表明通過多元線性回歸建立農(nóng)藥殘留檢測模型正確率可達(dá)到80%。

徐潔等[10]使用高光譜成像技術(shù)對農(nóng)藥殘留種類進(jìn)行了研究，在鹵素?zé)粝虏杉?50~1000nm波長范圍數(shù)據(jù)，將不同種類的農(nóng)藥溶液滴在哈密瓜表面，提取感興趣區(qū)域（ROI）光譜數(shù)據(jù)后結(jié)合貝葉斯判別法，分析結(jié)果表明在鹵素?zé)粝聦r(nóng)藥殘留識別準(zhǔn)確率可達(dá)100%。

3.1.3 水果表面腐敗檢測

薛書凝等[11]采集不同貯藏時間香蕉的高光譜數(shù)據(jù)，對原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理后進(jìn)行主成分分析，使用Wilks統(tǒng)計(jì)量結(jié)合主成分分析數(shù)據(jù)提取特征波長，做出不同貯藏時間下平均光譜反射值曲線。同時對香蕉色差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析測試隨時間變化色差數(shù)據(jù)異常點(diǎn)發(fā)生時間。結(jié)果表明特征光譜數(shù)據(jù)與色差指標(biāo)分析結(jié)果一致，確定了腐敗基準(zhǔn)為第6個貯藏日。利用馬氏距離構(gòu)建了腐敗預(yù)警模型，驗(yàn)證結(jié)果與香蕉實(shí)際腐敗過程相吻合。

張棣等[12]對同一批不同貯藏時間段黃瓜進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行光譜預(yù)處理后使用偏最小二乘回歸提取特征波長，使用馬氏距離建立腐敗預(yù)警模型，結(jié)果與黃瓜貯藏實(shí)際情況符合。

3.2 水果內(nèi)部品質(zhì)檢測

水果內(nèi)部品質(zhì)特征是衡量水果營養(yǎng)價值的重要依據(jù)，主要包含糖度、水分、硬度、可溶性固形物等指標(biāo)。因此利用高光譜成像技術(shù)對糖度、水分和可溶性固形物等的檢測成為研究熱點(diǎn)。

3.2.1 成熟度

曹曉峰等[13]使用高光譜成像技術(shù)采集了未成熟果、白熟—初紅果和半紅—全紅果冬棗的高光譜圖像，用CARS和SPA算法對光譜進(jìn)行處理，提取特征波長，同時從冬棗生理成分變化計(jì)算得到7個光譜參數(shù)（SIs）。分別對兩種算法和SIs建立偏最小二乘模型（PLS）進(jìn)行對比,判別精度分別為：99.27%，95.45%，98.18%。結(jié)果表明SIs建立的模型效果最好，并通過回歸分析將結(jié)果以不同顏色表示出來。

3.2.2 硬度

孟慶龍等[14]以高光譜成像技術(shù)結(jié)合誤差方向傳播（error Back Propagation,BP）網(wǎng)絡(luò)算法采集李子的高光譜數(shù)據(jù)，提取感興趣區(qū)域的反射率，使用不同預(yù)處理與BP網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合，之后采用主成分分析提取李子硬度特征光譜。結(jié)果表明采用一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理的光譜建立的模型RC=0.939，采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換處理的光譜建立的模型RC=0.723，有較好預(yù)測能力。

3.2.3 糖度

程麗娟等[15]利用高光譜成像技術(shù)與化學(xué)計(jì)量方法建立了蔗糖的無損預(yù)測模型，采用高效液相色譜法檢測蔗糖含量，對光譜數(shù)據(jù)處理后建立三種回歸模型對比，結(jié)果表明采用競爭性自適應(yīng)加權(quán)算法和主成分分析建模效果最好，校正集、預(yù)測集相關(guān)系數(shù)為0.861、0.843，實(shí)現(xiàn)了對糖分的預(yù)測。

王風(fēng)云等[16]獲取了套袋和不套袋兩種種植模式的紅富士蘋果的高光譜數(shù)據(jù)，利用三種光譜預(yù)處理方法（全光譜、主成分分析、蟻群算法）和兩種建模算法（反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最小二乘模型），建立了六種模型，對比發(fā)現(xiàn)蟻群算法和偏最小二乘模型在套袋和不套袋蘋果糖度的預(yù)測上都表現(xiàn)出了最高的預(yù)測精度，套袋校正集R為0.9449，預(yù)測集為0.9602，不套袋正集R為0.9258，預(yù)測集為0.9279，能夠預(yù)測糖分含量。

3.2.4 可溶性固形物

MaT等[17]采用高光譜成像技術(shù)對蘋果可溶性固形物進(jìn)行檢測，分別獲取蘋果表面4個區(qū)域的高光譜圖像，計(jì)算光譜反射率與可溶性固形物含量關(guān)系，得到結(jié)果交叉驗(yàn)證系數(shù)0.89，均方根誤差0.55%，結(jié)果說明高光譜成像技術(shù)可以檢測蘋果可溶性固形物。

邵園園等[18]將0%、0.5%和1%濃度的殼聚糖涂膜草莓分別儲藏1天、2天和4天后進(jìn)行成像并測量樣品的SSC。對樣品SSC分析后發(fā)現(xiàn)，在相同貯藏時間內(nèi)，表面含有殼聚糖涂層的草莓SSC增加量更高。采用蒙特卡洛—偏最小二乘法剔除異常數(shù)據(jù)樣本，采用不同預(yù)處理方法，通過競爭性自適應(yīng)重加權(quán)采樣算法和連續(xù)投影算法選擇特征波段，最后采用偏最小二乘回歸和支持向量回歸建立回歸模型。結(jié)果表明競爭性自適應(yīng)算法—支持向量回歸方法最優(yōu)，模型結(jié)果表明0%濃度、0.5%濃度和1%濃度的決定系數(shù)分別為0.865、0.808、0.834。表明高光譜成像技術(shù)在殼聚糖涂膜草莓的無損檢測中有較好效果。

4 結(jié)語

高光譜成像技術(shù)在各類水果無損檢測中得到廣泛應(yīng)用，尤其是對水果表面損傷、內(nèi)部糖分水分、表面農(nóng)藥殘留等的檢測，相較于傳統(tǒng)的檢測方式有有快速、高精度、無破壞性等特點(diǎn)。大量研究性論文已經(jīng)證明了高光譜成像作為水果品質(zhì)的檢測工具是可行的，在水果品質(zhì)檢測方面有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前高光譜成像技術(shù)主要有以下不足：首先是高光譜成像技術(shù)采集的數(shù)據(jù)量大，冗余信息多，通常需要利用各種算法提取特征波長進(jìn)行降維，使得數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析耗費(fèi)時間長，不利于大規(guī)模在線檢測；其次，高光譜相機(jī)不易攜帶，通常需要配合三角架等設(shè)備才能工作，高光譜成像技術(shù)目前主要工作范圍仍然為近地面，不能同無人機(jī)及衛(wèi)星區(qū)域遙感建立相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)戶外果樹果品大范圍采集檢測；最后，高光譜相機(jī)價格較為昂貴，不利于推廣，增加了應(yīng)用成本。高光譜成像技術(shù)作為一種有效的無損檢測技術(shù)未來將在農(nóng)產(chǎn)品、食品等領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮作用以促進(jìn)高光譜成像實(shí)現(xiàn)便捷、快速、高精度的實(shí)時在線檢測。