農(nóng)業(yè)行業(yè)
枇杷是薔薇科、枇杷屬植物，常綠小喬木被譽(yù)為“果之冠”,是一種藥食兩用的經(jīng)濟(jì)型水果，果味甘酸，供生食、蜜餞和釀酒用；枇杷在春末夏初成熟，正值水果淡季，是度淡水果。從成熟到最終售賣，枇杷需要經(jīng)過(guò)采摘、儲(chǔ)藏、包裝、運(yùn)輸?shù)纫幌盗羞^(guò)程，由于枇杷皮薄、質(zhì)細(xì)、松軟多汁，在此過(guò)程中極易發(fā)生碰傷，表面變黑，影響終端售賣，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，判斷枇杷是否碰傷及其碰傷程度至關(guān)重要，提前挑選出碰傷枇杷可以節(jié)省倉(cāng)儲(chǔ)成本和運(yùn)輸成本：碰傷較輕的可以制作枇杷汁、枇杷膏等；碰傷程度略重的可以去除損傷部分制作枇杷罐頭進(jìn)行保存；碰傷程度嚴(yán)重的直接處理掉以節(jié)約倉(cāng)儲(chǔ)成本。
目前，在枇杷的采摘及采后處理過(guò)程中，枇杷是否受損往往通過(guò)操作員的肉眼進(jìn)行辨別，受到個(gè)人習(xí)慣、光線強(qiáng)度和主觀心理因素影響，效率低、準(zhǔn)確度差，因此需要一種方法可以實(shí)現(xiàn)枇杷碰傷程度的高精度、快速、無(wú)損檢測(cè)。
1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1樣品
實(shí)驗(yàn)樣品枇杷購(gòu)買某果園，共計(jì)135個(gè)。為減少其他無(wú)關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，枇杷的大小均為長(zhǎng)軸60 mm,短軸40 mm左右。試驗(yàn)前先對(duì)樣品進(jìn)行挑選，去除表面損傷和畸形樣品，保證樣品外觀無(wú)缺陷，無(wú)機(jī)械損傷等，最后對(duì)枇杷表面進(jìn)行清潔處理并編號(hào)。
傳統(tǒng)人工分類依據(jù)GB/T 13867—1992鮮枇杷果的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，操作員依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)碰傷枇杷做了大概劃分，由于操作員的主觀性以及光線強(qiáng)度等環(huán)境影響，對(duì)枇杷分類極易造成誤判。枇杷本身存在個(gè)體差異，受到枇杷自身的硬度、大小、成熟度等影響，在相同大小的力作用下，枇杷損傷區(qū)域的面積以及碰傷深度也會(huì)存在差異，這不符合單一變量原則，因此本研究通過(guò)控制碰撞高度來(lái)調(diào)節(jié)作用力，保持相同的力碰撞同一組內(nèi)樣品來(lái)獲取碰傷枇杷。力的大小通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境中的跌落力，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的枇杷的常規(guī)跌落高度推出力的大小，進(jìn)一步根據(jù)碰撞面積選擇合適的金屬球，最終計(jì)算出碰撞高度。
實(shí)驗(yàn)中的表面碰傷樣品，通過(guò)自由落體碰撞裝置(如圖1所示)獲取，將直徑30 mm,質(zhì)量100 g的金屬球在距離枇杷表面0.4、0.5和0.6 m處進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，撞擊枇杷赤道區(qū)域，以此來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中的不同損傷程度枇杷。開關(guān)閉合時(shí)，電磁感應(yīng)裝置垂直向下投射紅外光用于定位碰傷區(qū)域；開關(guān)打開時(shí)，電磁感應(yīng)裝置末端充斥著磁場(chǎng)，發(fā)生電磁感應(yīng)作用，此時(shí)將碰撞金屬球放置在此處可固定；最后，開關(guān)閉合，磁場(chǎng)消失，金屬球進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，對(duì)枇杷進(jìn)行碰撞。操作完成后將樣品置于室溫24 ℃環(huán)境中保存，使樣品溫度與室溫保持一致。同一儲(chǔ)存時(shí)間的不同碰傷等級(jí)枇杷，如圖2所示。碰傷樣品靜置3 h后開始實(shí)驗(yàn)，利用高光譜成像系統(tǒng)獲取輕度、中度、重度的碰傷枇杷高光譜圖像，用于后續(xù)建立模型。由于枇杷樣品是逐個(gè)測(cè)量，因此所有樣品的測(cè)量時(shí)間略有差異。
本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用杭州彩譜科技有限公司產(chǎn)品FS13進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。
枇杷平均反射光譜如圖4所示，幾種等級(jí)的枇杷光譜波形變化趨勢(shì)基本一致，波峰波谷位于同一波長(zhǎng)點(diǎn)，只是反射率的數(shù)值有所差異，在相同波長(zhǎng)，隨著碰傷程度增加，反射率下降。造成這種情況的原因是枇杷發(fā)生碰撞之后，原有的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)部的水分流失到枇杷表側(cè)，隨著碰傷程度增加，釋放的水分增加。在圖像上，枇杷表面變黑，枇杷碰傷時(shí)間越久，碰傷部位顏色越黑；在光譜上，由于枇杷內(nèi)側(cè)水分的釋放，造成表面含水量增加，反射率降低。由于枇杷細(xì)胞水分的流失是一個(gè)緩慢變化的過(guò)程，隨著水分的流失，枇杷的表側(cè)顏色以及光譜也會(huì)出現(xiàn)緩慢的變化，因此枇杷碰撞不同時(shí)間后光譜檢測(cè)結(jié)果會(huì)略有差異，但整體趨勢(shì)是不變的。本次實(shí)驗(yàn)采集枇杷碰傷3 h后的光譜，是基于枇杷從果農(nóng)果園中采集到入庫(kù)儲(chǔ)藏的運(yùn)輸時(shí)間在3h左右，而在入庫(kù)儲(chǔ)藏前對(duì)碰傷枇杷的高精度分揀可以減少碰傷枇杷腐爛感染正常枇杷帶來(lái)的損失。
高光譜成像系統(tǒng)采集的枇杷圖像分辨率為960×366pixel,圖像中過(guò)多的采集了傳送帶背景，由于其不是純黑背景，在鹵素?zé)舻淖饔孟拢斐善渥陨韼в谢叶戎怠?shí)驗(yàn)采用的變量為RGB通道的均值及HSI模型的均值作為變量結(jié)合光譜信息進(jìn)行建模分析，因此利用閾值分割的方法將枇杷樣品圖像作為前景從圖片中分離出來(lái)，根據(jù)獲取的邊界值選用圖像掩膜的方法保留前景灰度值進(jìn)行后續(xù)計(jì)算,作為顏色特征與光譜特征混合建模進(jìn)行分析。整體流程如圖6所示。利用提取出的光譜特征、圖像RGB特征、圖像HSI特征建立光譜特征模型、光譜特征結(jié)合圖像RGB特征模型、光譜特征結(jié)合圖像HSI特征模型、光譜特征結(jié)合混合圖像特征模型四種枇杷碰傷程度模型。
2、實(shí)驗(yàn)分析
2.1基于RF算法的枇杷碰傷程度分析
RF通過(guò)集成多個(gè)弱分類器,在多個(gè)分類器輸出的分類結(jié)果中票選出投票次數(shù)最多的類別作為分類結(jié)果，精度和泛化能力較高。基于RF算法建立的枇杷碰傷程度模型如表1所示，其中基于光譜特征、光譜特征結(jié)合RGB圖像特征、光譜特征結(jié)合HSI圖像特征、光譜特征結(jié)合混合圖像特征的RF模型預(yù)測(cè)集準(zhǔn)確率分別為86.67%、91.11%、91.11%、91.11%。RF模型中，基于光譜特征建立的模型準(zhǔn)確率最低，加入顏色特征后所建立的模型準(zhǔn)確率都獲得了提高，但是該模型中光譜特征結(jié)合RGB顏色特征、HSI顏色特征、混合圖像特征情況下建模集的準(zhǔn)確率相同，觀察組內(nèi)誤判數(shù)可知準(zhǔn)確率的提高主要是通過(guò)減小重度碰傷組的誤判數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.2基于PLS-DA算法的枇杷碰傷程度分析
PLS-DA,是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將高維數(shù)據(jù)降維后建立回歸模型并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。基于PLS-DA算法建立的枇杷碰傷程度模型如表2所示，其中基于光譜特征、光譜特征結(jié)合RGB圖像特征、光譜特征結(jié)合HSI圖像特征、光譜特征結(jié)合混合圖像特征的PLS-DA模型建模集準(zhǔn)確率分別為88.89%、91.11%、91.11%、90%,預(yù)測(cè)集準(zhǔn)確率分別為86.67%、86.67%、88.89%、86.67%。PLS-DA模型中，從訓(xùn)練集結(jié)果來(lái)看，基于光譜特征建立的模型準(zhǔn)確率最低，加人顏色特征后所建立的模型準(zhǔn)確率都獲得了提高。光譜特征、光譜特征結(jié)合RGB顏色特征、混合圖像特征模型的預(yù)測(cè)集準(zhǔn)確率相同，這是由于預(yù)測(cè)集組內(nèi)樣本數(shù)較小造成的，其RMSEC分別為0.323、0.304、0.321,相較于單光譜特征模型，結(jié)合顏色特征的模型RMSEC更小，穩(wěn)定性更好。
3、結(jié)論
利用高光譜成像系統(tǒng)采集不同碰傷程度的枇杷樣品的高光譜圖像，基于閾值分割和圖像掩膜方法提取出枇杷樣品的圖像信息，并從碰傷枇杷圖像中提取出R、G、B通道的平均灰度值和H、S、I通道的平均灰度值作為枇杷碰傷程度模型的顏色特征，感興區(qū)內(nèi)100個(gè)像素點(diǎn)的平均光譜作為光譜特征。利用光譜特征和顏色特征結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立光譜特征、光譜特征結(jié)合RGB顏色特征、光譜特征結(jié)合HSI顏色特征、光譜特征結(jié)合混合顏色特征的碰傷程度模型，進(jìn)行定性判別。結(jié)果表明，利用RF、PLS-DA、ELM、LIN-LS-SVM、RBF—LS-SVM算法建立的枇杷碰傷程度模型中，皆為光譜特征結(jié)合混合顏色特征模型分類效果最好，其準(zhǔn)確率分別為91.11%、86.67%、95.56%、100%其中RBF-LS-SVM模型精度最高，達(dá)到了100%。利用高光譜成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)枇杷不同碰傷程度的定性分析，該研究為后續(xù)利用高光譜成像技術(shù)結(jié)合顏色特征對(duì)水果進(jìn)行定性判別提供理論基礎(chǔ)。
