路紹軍

摘要： 同時(shí)實(shí)現(xiàn)蘋果內(nèi)外部品質(zhì)的無損檢測是現(xiàn)代果業(yè)發(fā)展的必然要求，文章采用光譜成像技術(shù)，通過采集待測蘋果在不同波長通道的圖像，進(jìn)行圖像處理與蘋果表面散射光譜分析，實(shí)現(xiàn)蘋果外形尺寸與糖度信息的同時(shí)檢測，為快速有效的蘋果分級(jí)檢測提供一定技術(shù)支撐。

Abstract： The development of modern fruit industry need detect the internal and external quality of apple nondestructively and simultaneously. Spectral imaging technology is used in this paper， acquired the images of measured apple at different wavelength， by image processing and analysis of apple surface scattering spectrum， detected the size sugar content information of apple simultaneously. Some technical support is provided for apple fast and effective detection and grading.

關(guān)鍵詞： 光譜成像；外形；糖度；同時(shí)檢測

Key words： spectral imaging；size；sugar content；simultaneous detection

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）31-0125-02

0 引言

我國是世界第一蘋果生產(chǎn)大國，2015年全國蘋果產(chǎn)量達(dá)到4300萬噸。但我國的蘋果在國際市場上大多數(shù)檔次較低，國內(nèi)的蘋果出口比例只占到生產(chǎn)總量的1.5%左右[1，2]，而國內(nèi)高檔蘋果市場也被國外蘋果壟斷，2015年進(jìn)口蘋果量激增50%，其中一個(gè)很重要的原因是我國對(duì)蘋果分級(jí)檢測投入不夠，難以滿足消費(fèi)者對(duì)蘋果品質(zhì)越來越高的要求，導(dǎo)致蘋果品種混雜、質(zhì)量優(yōu)劣不齊。提高蘋果內(nèi)外部品質(zhì)的檢測水平是提升蘋果競爭力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)外部品質(zhì)采用人工目視檢測，而內(nèi)部品質(zhì)多利用機(jī)械化學(xué)手段，檢測時(shí)間長、非無損。

利用機(jī)器視覺開展的蘋果外部品質(zhì)檢測，可以實(shí)現(xiàn)蘋果外形尺寸、顏色等信息的自動(dòng)化檢測，但對(duì)反映蘋果品質(zhì)的內(nèi)部參數(shù)很難提取。

近紅外光譜技術(shù)作為一種無損檢測手段被廣泛用于測定農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部品質(zhì)，能夠同時(shí)檢測蘋果內(nèi)部的多個(gè)參數(shù)，而且具有非接觸無損檢測的優(yōu)點(diǎn)，但利用近紅外光譜分析技術(shù)主要集中于目標(biāo)局部信息分析，不適合成分不均勻目標(biāo)檢測，要實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo)檢測要耗費(fèi)較多時(shí)間。

本文綜合利用圖像處理技術(shù)與光譜分析技術(shù)的光譜成像技術(shù)，基于模式識(shí)別與化學(xué)計(jì)量學(xué)等學(xué)科知識(shí)，開展蘋果外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)的無損檢測研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果外部尺寸和糖分含量的同時(shí)無損檢測，降低了光譜成像技術(shù)進(jìn)行蘋果品質(zhì)檢測的難度。

1 光譜成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于光譜成像技術(shù)進(jìn)行蘋果品質(zhì)檢測，需要同時(shí)記錄蘋果的光譜信息與圖像信息，設(shè)計(jì)了CCD成像探測基礎(chǔ)上同時(shí)獲取目標(biāo)光譜信息的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

成像探測器采用大恒圖像的DH-HV1351UM型黑白面陣CMOS圖像傳感器，像元數(shù)1280×1024，像元尺寸5.2μm×5.2μm。通過CMOS前面的成像鏡頭調(diào)焦完成后可以在CMOS上得到蘋果的圖像信息，為了確定圖像中蘋果像所對(duì)應(yīng)的真實(shí)尺寸，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的目標(biāo)物進(jìn)行測量實(shí)現(xiàn)對(duì)成像系統(tǒng)垂軸放大倍率的校準(zhǔn)。蘋果表面光譜信息獲取通過在成像鏡頭前加入特定透過波長的濾光片實(shí)現(xiàn)，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)[3]，選擇峰值透過波長分別為633.3nm、649.3nm、669.4nm、778.9nm、850.8nm，峰值半寬高約為9nm的濾光片放置于成像鏡頭前，控制成像探測器的曝光得到不同波長對(duì)應(yīng)的蘋果圖像?？紤]到成像探測器對(duì)不同入射光波的響應(yīng)不均勻，利用各波長反射率一致的標(biāo)準(zhǔn)白板對(duì)探測器的波長響應(yīng)進(jìn)行均勻化處理，在此基礎(chǔ)上分析蘋果在不同波長的反射光譜特性，對(duì)不同波長強(qiáng)度值利用洛侖茲擬合確定糖度模型中參數(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行多元線性回歸確定模型系數(shù)，完成對(duì)蘋果糖度的預(yù)測，對(duì)比不同波長預(yù)測結(jié)果，可找出預(yù)測結(jié)果最接近測量值的最佳波長。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

2.1 外部品質(zhì)檢測

蘋果外部品質(zhì)中首要的指標(biāo)是果形大小，本文利用圖像處理算法通過對(duì)蘋果圖像的數(shù)字化處理得出蘋果果徑信息。檢測的思路為：選取某一波長下清晰灰度圖片并進(jìn)行二值化處理，計(jì)算二值圖像的最小外接矩形大小，外接矩形框長度和寬度中的最大值即為以像元數(shù)為單位的蘋果最大橫切面直徑。通過與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的目標(biāo)圖像所占據(jù)CCD中像元個(gè)數(shù)進(jìn)行比較，即可求出果徑的實(shí)際長度。波長為649.3nm的待測蘋果圖像如圖2（a）所示，選取合適閾值將圖像二值化如圖2（b）所示。

確定二值圖像的最小外接矩形[4]，分別讀取外接矩形的長度和寬度方向最大值如圖3所示，得到以像元數(shù)為單位的蘋果外形數(shù)據(jù)。通過對(duì)成像系統(tǒng)垂軸放大率的校準(zhǔn)，確定對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺寸。

通過記錄直徑為50mm標(biāo)準(zhǔn)白板的單色圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)垂軸放大率的校準(zhǔn)，即單個(gè)像元對(duì)應(yīng)物面尺寸的計(jì)算。選取一組實(shí)驗(yàn)中10個(gè)待測蘋果，分別用游標(biāo)卡尺測量結(jié)果和用該方案測量結(jié)果如表1所示。

可見，采用該方案進(jìn)行蘋果外形尺寸測量的最大偏差不超過1%，能夠滿足蘋果外形檢測的需要。

2.2 內(nèi)部品質(zhì)

本論文進(jìn)行了蘋果內(nèi)部品質(zhì)的糖度。將待測蘋果分為兩組，利用蘋果表面散射光包含的不同波段光譜信息進(jìn)行一定模型的參數(shù)擬合，通過糖度計(jì)實(shí)施的常規(guī)糖度檢測得到糖度值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理獲得糖度模型中的系數(shù)，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行蘋果糖度的預(yù)測。糖度檢測的流程如圖5所示。

通過對(duì)待測蘋果散射光譜的洛侖茲擬合以及五個(gè)不同透過波段對(duì)比分析，利用669.4nm進(jìn)行的蘋果糖度值預(yù)測殘差不超過0.1，達(dá)到了較好的糖度檢測效果。

3 結(jié)論

本文利用光譜成像技術(shù)，通過光譜分析技術(shù)與圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)蘋果內(nèi)外部品質(zhì)中外形尺寸以及糖度的同時(shí)檢測，代表了現(xiàn)代水果檢測的發(fā)展方向，具有較好的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

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[4]程國首，郭俊先，肉孜·阿木提，等.基于高光譜圖像技術(shù)預(yù)測蘋果大小[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（6）.