食品行業(yè)
鴨梨是我國白梨品系的傳統(tǒng)優(yōu)良主栽品種，在全國出口水果中居重要位置，每年都為出口創(chuàng)匯做突出貢獻(xiàn)。為了提升我國鴨梨在國際市場上的地位和競爭力，滿足消費(fèi)者對外觀美、質(zhì)量好的高檔水果的需求，對鴨梨碰傷進(jìn)行檢測十分必要。本文以鴨梨為研究對象，采用反射方式采集樣本的高光譜圖像，初步探索了基于高光譜反射圖像分析的鴨梨皮下碰傷檢測方法。通過使樣本從不同高度自由下落撞擊地面制備不同程度的碰傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在400-1000 nm波段范圍內(nèi)，無碰傷樣本的相對反射率大于碰傷樣本，且碰傷程度越嚴(yán)重，其相對反射率值越小。對400-1000 nm波段高光譜反射圖像進(jìn)行主成分分析的結(jié)果表明，通過依次對第四主成分圖像進(jìn)行中值濾波、閾值分割、填充處理和連通區(qū)域面積篩選，可以實(shí)現(xiàn)碰傷區(qū)域的分割。該結(jié)果為后續(xù)鴨梨碰傷面積的定量檢測奠定了基礎(chǔ)。
1、樣本制備
將60個(gè)大小和顏色一致、表面無缺陷的鴨梨樣本分成4組，每組15個(gè)。第1-3組樣本分別從58、43和32 cm高度自由下落，通過與地面撞擊形成不同程度的碰撞瘀傷。第4組樣本表面沒有碰傷，用來作為對照組。由于樣本是自由下落，因此無法控制樣本與地面的撞擊點(diǎn)。但是為了保證所選取的感興趣區(qū)域位于所有樣本的相同位置，從而避免由于感興趣區(qū)域的位置不同對結(jié)果的影響，最終從每組中挑選出8個(gè)碰傷區(qū)域在赤道部位的樣本進(jìn)行后續(xù)的分析。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，所有樣本被放置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下(約7.5℃,相對濕度61%)保存。
2、反射高光譜圖像采集
首先打開光纖光源，待預(yù)熱好后，通過觀察重構(gòu)偽彩色圖像是否清晰、無失真來調(diào)整物距、鏡頭旋度和電動位移平臺的移動速度，使高光譜相機(jī)清晰成像。然后在載物臺上放置一塊標(biāo)準(zhǔn)白板(聚四氟乙烯板),遵循譜信號無飽和原則調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，再獲取白板反射光譜，對高光譜相機(jī)進(jìn)行白校正，并保存。接著蓋上鏡頭蓋，對高光譜相機(jī)進(jìn)行暗場校正，并保存。接著根據(jù)樣本的長度和寬度在視場中的大小調(diào)整高光譜圖像采集的幀數(shù)。最后，將樣本的放在載物臺上，并將碰傷部位調(diào)整到掃描面的頂點(diǎn)，每24小時(shí)按照采集一次樣本的高光譜反射圖像，共采集3次。
3結(jié)果與討論
3.1碰傷區(qū)域的相對反射光譜分析
在所獲取的高光譜圖像中選取赤道部位相同位置處50*50的區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)域(Regionofinerest:ROI),獲取該區(qū)域的相對反射光譜。然后對每組樣本的相對反射光譜取平均。
圖2所示的是在碰后第0、24和48小時(shí)各組樣本的平均相對反射光譜?？梢钥闯?，在400-1000nm波段范圍，無碰傷樣本的相對反射率均大于碰傷樣本，而且碰傷的程度越嚴(yán)重，樣本的相對反射率越小。此外，隨著時(shí)間的推移，無論樣本的碰傷程度如何，樣本碰傷區(qū)域的相對反射率均逐漸減小。
3.2碰傷區(qū)域的分割
通過對400-1000 nm波段的反射高光譜圖像進(jìn)行主成分分析，獲取前四個(gè)主成分圖像，如圖3所示。從圖中可以看出，第二、四主成分圖像中碰傷區(qū)域和正常區(qū)域灰度差別明顯。在第二主成分圖像(PC-2)中，碰傷區(qū)域顏色較深，灰度值小，而正常區(qū)域顏色較淺，灰度值大。而在第四主成分圖像(PC-4)中，這種情況正好相反，碰傷區(qū)域顏色較淺，而正常區(qū)域顏色較深。
由于鴨梨表面粗糙，在第二、四主成分圖像中形成了很多噪點(diǎn)，所以第二和第四主成分圖像都不能直接用于碰傷區(qū)域的分割。此外，第二主成分圖像中鴨梨表皮上的黑斑與噪點(diǎn)的灰度值十分接近，因此選取第四主成分圖像用于碰傷區(qū)域的分割。首先對PC-4進(jìn)行中值濾波，然后對濾波后的圖像進(jìn)行閾值分割，此處設(shè)定的閾值為170,接著進(jìn)行填充處理，最后計(jì)算結(jié)果圖像中各連通區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，保留像素點(diǎn)個(gè)數(shù)大于200的連通區(qū)域，即為碰傷區(qū)域，圖像分割過程的分步處理結(jié)果如圖4所示。
4、結(jié)論
本研究基于高光譜反射成像系統(tǒng)，探索了鴨梨碰傷的檢測方法。研究發(fā)現(xiàn)，在400-1000nm波段范圍內(nèi)，無碰傷樣本的相對反射率均大于碰傷樣本，而且碰傷的程度越嚴(yán)重，樣本的相對反射率越小。隨著時(shí)間的推移，無論樣本的碰傷程度如何，樣本碰傷區(qū)域的相對反射率均逐漸減小。對400-1000 nm波段的高光譜反射圖像進(jìn)行主成分分析的結(jié)果表明，第二、四主成分圖像中碰傷區(qū)域和正常區(qū)域灰度差別明顯。但在第二主成分圖像中鴨梨表面的黑斑與由于鴨梨表面粗糙形成的噪點(diǎn)的灰度值接近，不利于碰傷區(qū)域的分割。因此，通過依次對第四主成分圖像進(jìn)行中值濾波、閾值分割、填充處理和連通區(qū)域面積的篩選，最終將碰傷區(qū)域分割出來，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)鴨梨碰傷面積的定量檢測奠定了基礎(chǔ)。
