基于多傳感器融合的新鮮蘋果損傷敏感度無損檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新鮮蘋果損傷敏感度無損檢測(cè)方法，尤其是一種可視/近紅外光 譜和高光譜圖像技術(shù)的多傳感器集成的無損檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 蘋果的外部損傷是影響其品質(zhì)和市場(chǎng)認(rèn)可程度的主要缺陷。損傷發(fā)生在蘋果的采 摘、包裝、運(yùn)輸?shù)冗^程中，尤其是從果園到市場(chǎng)的運(yùn)輸過程。隨著時(shí)間的變化，損傷破壞蘋果 的細(xì)胞并使受傷的組織變得干燥，難以被消費(fèi)者接受。在蘋果的損傷檢測(cè)過程中，雖然可以 根據(jù)其損傷特點(diǎn)判別損傷程度，但是由于新鮮水果的機(jī)械損傷形成需要一定的時(shí)間，這給 水果的損傷的快速探測(cè)和評(píng)估帶來了困難。事先了解蘋果在各個(gè)加工處理環(huán)節(jié)的損傷特點(diǎn) 和可能性，為采取合適的操作、防護(hù)等措施提供信息，對(duì)于減少蘋果損傷具有重要的價(jià)值。 損傷敏感度被定義為單位碰撞或吸收能量下的損傷體積，由于其能夠評(píng)價(jià)水果抵抗外力所 導(dǎo)致的損傷潛力，已成為水果采摘后包裝、運(yùn)輸過程的研究焦點(diǎn)。目前采用的損傷敏感度檢 測(cè)中，主要是采用類鐘擺裝置來檢測(cè)蘋果的損傷敏感度。該測(cè)量方法依據(jù)少量樣本的破壞 性試驗(yàn)，根據(jù)一些外部因素評(píng)估水果的損傷，而忽略了水果內(nèi)在的一些固有的物理形態(tài)結(jié) 構(gòu)和化學(xué)成分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出一種基于多傳感器融合的新鮮 蘋果損傷敏感度無損檢測(cè)方法，其采用可視/近紅外光譜技術(shù)和高光譜圖像散射技術(shù)的融 合實(shí)現(xiàn)對(duì)新鮮蘋果損傷敏感度的無損檢測(cè)，實(shí)時(shí)性好，方便便捷及可靠性高。
[0004] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于多傳感器融合的新鮮蘋果損傷敏感度無損 檢測(cè)方法，包括如下步驟：
[0005] a、選取新鮮蘋果樣本；b、將新鮮蘋果樣本放在可視/近紅外光譜采集系統(tǒng)中，采 集并獲取對(duì)應(yīng)的可視/近紅外光譜，并提取不同光波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)矩陣；c、將相同的樣本 放在高光譜散射圖像采集系統(tǒng)中，采集并獲取與可視/近紅外同樣位置的樣本高光譜圖 像，利用廣義高斯函數(shù)獲得高光譜圖像不同光波長(zhǎng)的特征參數(shù)矩陣；d、利用步驟b和步驟c 求得的光譜數(shù)據(jù)矩陣和高光譜圖像特征參數(shù)矩陣，構(gòu)建特征融合矩陣；e、利用類鐘擺裝置 進(jìn)行碰撞損傷實(shí)驗(yàn)對(duì)新鮮蘋果進(jìn)行損傷敏感度測(cè)試，得到對(duì)應(yīng)新鮮蘋果樣本的損傷敏感度 評(píng)價(jià)結(jié)果；f、利用步驟d所得的特征融合矩陣和最小二乘支持向量機(jī)建立新鮮蘋果損傷敏 感度指標(biāo)的評(píng)價(jià)預(yù)估模型；g、利用可視/近紅外光譜系統(tǒng)和高光譜圖像系統(tǒng)采集待測(cè)新鮮 蘋果的可視/近紅外光譜和高光譜圖像，利用步驟d得到待測(cè)新鮮蘋果的光譜數(shù)據(jù)矩陣和 高光譜圖像特征參數(shù)矩陣構(gòu)建的特征融合矩陣輸入到步驟f得到的評(píng)價(jià)預(yù)估模型中，獲得 新鮮蘋果的損傷敏感度指標(biāo)預(yù)測(cè)值。
[0006] 所述的可視/近紅外光譜采集系統(tǒng)包括采光室、電源、石英鹵素鎢燈、光纖、環(huán)形 導(dǎo)管、鏡頭組、光譜儀，其中：所述環(huán)形導(dǎo)管與鏡頭組連接放在采光室內(nèi)，通過光纖連接光譜 儀；所述石英鹵素鎢燈與電源相連，并通過光纖連接至環(huán)形導(dǎo)管，形成系統(tǒng)的環(huán)形光源；所 述系統(tǒng)光源照射在待測(cè)對(duì)象省，通過連接在鏡頭組上的光譜儀，采集待測(cè)對(duì)象的光譜。
[0007] 所述可視/近紅外光譜儀的覆蓋波長(zhǎng)是400-1000nm。所述環(huán)形導(dǎo)管的直徑為 25mm。所述可視/近紅外光譜儀的分辨率是3.lnm。所述石英鹵素鎢燈的輸出功率為100W。
[0008] 所述可視/近紅外光譜采集系統(tǒng)采集相應(yīng)新鮮蘋果樣本的光譜步驟包括：
[0009] sl、將環(huán)形導(dǎo)管、鏡頭組放置在采光室內(nèi)；s2、關(guān)掉光源，采集全黑標(biāo)定光譜及光譜 光強(qiáng)值TD;s3、打開光源，在采光室內(nèi)放置白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板，所述白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板放置 在環(huán)形導(dǎo)管上，獲取校正光源影響的參考光譜及所述參考光譜的光強(qiáng)值TF;s4、移出采光室 內(nèi)的白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板；s5、將實(shí)驗(yàn)或待測(cè)新鮮蘋果放置在環(huán)形導(dǎo)管上，每個(gè)蘋果連續(xù)采集 P次光譜；s6、對(duì)每個(gè)蘋果的p次光譜進(jìn)行平均處理，SP
:其中，T為p次光譜的平均 光強(qiáng)值A(chǔ)為第i次可視/近紅外光譜的光強(qiáng)值；s7、利用全黑標(biāo)定光譜及參考光譜，計(jì)算 每個(gè)蘋果的可視/近紅外光譜的相對(duì)光強(qiáng)值
其中，f為每個(gè)蘋果的光譜相對(duì)光 強(qiáng)值；T為每個(gè)蘋果的光譜平均光強(qiáng)值；TD為全黑標(biāo)定光譜光強(qiáng)值；TF為白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板 光譜光強(qiáng)值；s8、根據(jù)可視/近紅外光譜儀的光譜分辨率，提取每個(gè)蘋果相對(duì)光譜f對(duì)應(yīng)不 同光波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)矩陣RT，所述RT;
其中m為波段數(shù)，/了為第i個(gè)波段的光強(qiáng)值。
[0010] 所述的高光譜圖像采集糸統(tǒng)包括采光室；所述采光室內(nèi)設(shè)有C⑶控制器、C⑶數(shù)字 照相機(jī)與聚焦透鏡；所述CCD控制器與CCD數(shù)字照相機(jī)連接，所述的CCD控制器的輸出端與 計(jì)算機(jī)連接；所述CCD數(shù)字照相機(jī)上設(shè)置光譜儀，所述光譜儀的前端設(shè)有透鏡；所述聚焦透 鏡通過光纖匯聚石英鹵素鎢燈發(fā)出的光線，并在采光室內(nèi)形成1_的點(diǎn)光源；石英鹵素鎢 燈的電源端連接電源；所述系統(tǒng)光源照射在待測(cè)對(duì)象上，通過光譜儀與CCD數(shù)字照相機(jī)，采 集待測(cè)對(duì)象的高光譜圖像。
[0011] 所述C⑶照相機(jī)的覆蓋的波長(zhǎng)是400-1000nm。所述光譜儀的光譜分辨率為3.lnm。 所述石英鹵素鎢燈的輸出功率為20W。
[0012] 所述高光譜圖像采集系統(tǒng)采集相應(yīng)新鮮蘋果樣本的高光譜圖像步驟包括：
[0013]s9、將C⑶控制器、C⑶數(shù)字照相機(jī)、光譜儀及聚焦透鏡放置在采光室內(nèi)；s10、在采 光室內(nèi)蓋上光譜儀前端的聚焦透鏡鏡頭蓋，采集全黑標(biāo)定圖像及圖像光強(qiáng)值ID;sll、在采 光室內(nèi)放置白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板，所述白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板放置在CCD數(shù)字照相機(jī)、光譜儀及 聚焦透鏡下方，獲取校正光源影響的參考圖像及所述參考圖像的光強(qiáng)值IF;sl2、移出采光 室內(nèi)的白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板；sl3、將實(shí)驗(yàn)或待測(cè)新鮮蘋果放置在CCD數(shù)字照相機(jī)、光譜儀及 聚焦透鏡下方，每個(gè)蘋果連續(xù)采集q副圖像；sl4、對(duì)每個(gè)蘋果的q副高光譜圖像進(jìn)行平均處 理，S
其中，I為q副光譜圖像的平均光強(qiáng)值士為第j副高光譜圖像的光強(qiáng)值； sl5、利用全黑標(biāo)定圖像及白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板的參考圖像，計(jì)算每個(gè)蘋果的高光譜圖像的相 對(duì)光強(qiáng)彳]
其中，F(xiàn)為每個(gè)蘋果的高光譜圖像相對(duì)光強(qiáng)值；I為每個(gè)蘋果的高光 譜圖像平均光強(qiáng)值；ID為全黑標(biāo)定高光譜圖像光強(qiáng)值；IF為白色標(biāo)準(zhǔn)校正白板高光譜圖像 光強(qiáng)值；S16、根據(jù)高光譜圖像的空間分辨率和光譜分辨率，將每個(gè)蘋果的高光譜圖像相7 量化成對(duì)應(yīng)不同光波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)矩陣&，所述&為
_中111為波段數(shù)， η為蘋果空間采集位置點(diǎn)數(shù)，Γι]為第i個(gè)波段的第j個(gè)位置點(diǎn)的光強(qiáng)值；采用廣義高斯函 數(shù)對(duì)矩陣每一行進(jìn)行擬合，即對(duì)每一個(gè)波段求取均值特征參數(shù)爾和形狀特征參數(shù)α和〇， 構(gòu)建高光譜圖像的特征參數(shù)矩陣
[0014] 利用步驟b和步驟c求得的光譜數(shù)據(jù)矩陣RT和高光譜圖像特征參數(shù)矩陣R:，構(gòu)建 特征融合矩網(wǎng)
：然后執(zhí)行步驟。
[0015] 所述步驟e中采用類鐘擺裝置進(jìn)行碰撞損傷實(shí)驗(yàn)對(duì)蘋果進(jìn)行損傷敏感度測(cè)試；類 鐘擺中的木球以30度、60度、90度不同的能量高度擺動(dòng)下落，碰撞結(jié)束后，樣本放置于室溫 環(huán)境，24小時(shí)后對(duì)損傷面積和深度值進(jìn)行測(cè)試；利用木球下落的高度計(jì)算碰撞能量；利用 損傷面積和深度值計(jì)算損傷體積；通過計(jì)算損傷體積與碰撞能量的比值得到蘋果損傷敏感 度結(jié)果。
[0016] 利用特征融合矩陣f和損傷敏感度標(biāo)準(zhǔn)值建立建立新鮮蘋果損傷敏感度指標(biāo)的 最小二乘