基于多传感器融合的新鲜苹果损伤敏感度无损检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新鲜苹果损伤敏感度无损检测方法，尤其是一种可视/近红外光 谱和高光谱图像技术的多传感器集成的无损检测方法。
【背景技术】
[0002] 苹果的外部损伤是影响其品质和市场认可程度的主要缺陷。损伤发生在苹果的采 摘、包装、运输等过程中，尤其是从果园到市场的运输过程。随着时间的变化，损伤破坏苹果 的细胞并使受伤的组织变得干燥，难以被消费者接受。在苹果的损伤检测过程中，虽然可以 根据其损伤特点判别损伤程度，但是由于新鲜水果的机械损伤形成需要一定的时间，这给 水果的损伤的快速探测和评估带来了困难。事先了解苹果在各个加工处理环节的损伤特点 和可能性，为采取合适的操作、防护等措施提供信息，对于减少苹果损伤具有重要的价值。 损伤敏感度被定义为单位碰撞或吸收能量下的损伤体积，由于其能够评价水果抵抗外力所 导致的损伤潜力，已成为水果采摘后包装、运输过程的研究焦点。目前采用的损伤敏感度检 测中，主要是采用类钟摆装置来检测苹果的损伤敏感度。该测量方法依据少量样本的破坏 性试验，根据一些外部因素评估水果的损伤，而忽略了水果内在的一些固有的物理形态结 构和化学成分。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提出一种基于多传感器融合的新鲜 苹果损伤敏感度无损检测方法，其采用可视/近红外光谱技术和高光谱图像散射技术的融 合实现对新鲜苹果损伤敏感度的无损检测，实时性好，方便便捷及可靠性高。
[0004] 按照本发明提供的技术方案，所述基于多传感器融合的新鲜苹果损伤敏感度无损 检测方法，包括如下步骤：
[0005] a、选取新鲜苹果样本；b、将新鲜苹果样本放在可视/近红外光谱采集系统中，采 集并获取对应的可视/近红外光谱，并提取不同光波长的光谱数据矩阵；c、将相同的样本 放在高光谱散射图像采集系统中，采集并获取与可视/近红外同样位置的样本高光谱图 像，利用广义高斯函数获得高光谱图像不同光波长的特征参数矩阵；d、利用步骤b和步骤c 求得的光谱数据矩阵和高光谱图像特征参数矩阵，构建特征融合矩阵；e、利用类钟摆装置 进行碰撞损伤实验对新鲜苹果进行损伤敏感度测试，得到对应新鲜苹果样本的损伤敏感度 评价结果；f、利用步骤d所得的特征融合矩阵和最小二乘支持向量机建立新鲜苹果损伤敏 感度指标的评价预估模型；g、利用可视/近红外光谱系统和高光谱图像系统采集待测新鲜 苹果的可视/近红外光谱和高光谱图像，利用步骤d得到待测新鲜苹果的光谱数据矩阵和 高光谱图像特征参数矩阵构建的特征融合矩阵输入到步骤f得到的评价预估模型中，获得 新鲜苹果的损伤敏感度指标预测值。
[0006] 所述的可视/近红外光谱采集系统包括采光室、电源、石英卤素钨灯、光纤、环形 导管、镜头组、光谱仪，其中：所述环形导管与镜头组连接放在采光室内，通过光纤连接光谱 仪；所述石英卤素钨灯与电源相连，并通过光纤连接至环形导管，形成系统的环形光源；所 述系统光源照射在待测对象省，通过连接在镜头组上的光谱仪，采集待测对象的光谱。
[0007] 所述可视/近红外光谱仪的覆盖波长是400-1000nm。所述环形导管的直径为 25mm。所述可视/近红外光谱仪的分辨率是3.lnm。所述石英卤素钨灯的输出功率为100W。
[0008] 所述可视/近红外光谱采集系统采集相应新鲜苹果样本的光谱步骤包括：
[0009] sl、将环形导管、镜头组放置在采光室内；s2、关掉光源，采集全黑标定光谱及光谱 光强值TD;s3、打开光源，在采光室内放置白色标准校正白板，所述白色标准校正白板放置 在环形导管上，获取校正光源影响的参考光谱及所述参考光谱的光强值TF;s4、移出采光室 内的白色标准校正白板；s5、将实验或待测新鲜苹果放置在环形导管上，每个苹果连续采集 P次光谱；s6、对每个苹果的p次光谱进行平均处理，SP
:其中，T为p次光谱的平均 光强值A为第i次可视/近红外光谱的光强值；s7、利用全黑标定光谱及参考光谱，计算 每个苹果的可视/近红外光谱的相对光强值
其中，f为每个苹果的光谱相对光 强值；T为每个苹果的光谱平均光强值；TD为全黑标定光谱光强值；TF为白色标准校正白板 光谱光强值；s8、根据可视/近红外光谱仪的光谱分辨率，提取每个苹果相对光谱f对应不 同光波长的数据矩阵RT，所述RT;
其中m为波段数，/了为第i个波段的光强值。
[0010] 所述的高光谱图像采集糸统包括采光室；所述采光室内设有C⑶控制器、C⑶数字 照相机与聚焦透镜；所述CCD控制器与CCD数字照相机连接，所述的CCD控制器的输出端与 计算机连接；所述CCD数字照相机上设置光谱仪，所述光谱仪的前端设有透镜；所述聚焦透 镜通过光纤汇聚石英卤素钨灯发出的光线，并在采光室内形成1_的点光源；石英卤素钨 灯的电源端连接电源；所述系统光源照射在待测对象上，通过光谱仪与CCD数字照相机，采 集待测对象的高光谱图像。
[0011] 所述C⑶照相机的覆盖的波长是400-1000nm。所述光谱仪的光谱分辨率为3.lnm。 所述石英卤素钨灯的输出功率为20W。
[0012] 所述高光谱图像采集系统采集相应新鲜苹果样本的高光谱图像步骤包括：
[0013]s9、将C⑶控制器、C⑶数字照相机、光谱仪及聚焦透镜放置在采光室内；s10、在采 光室内盖上光谱仪前端的聚焦透镜镜头盖，采集全黑标定图像及图像光强值ID;sll、在采 光室内放置白色标准校正白板，所述白色标准校正白板放置在CCD数字照相机、光谱仪及 聚焦透镜下方，获取校正光源影响的参考图像及所述参考图像的光强值IF;sl2、移出采光 室内的白色标准校正白板；sl3、将实验或待测新鲜苹果放置在CCD数字照相机、光谱仪及 聚焦透镜下方，每个苹果连续采集q副图像；sl4、对每个苹果的q副高光谱图像进行平均处 理，S
其中，I为q副光谱图像的平均光强值士为第j副高光谱图像的光强值； sl5、利用全黑标定图像及白色标准校正白板的参考图像，计算每个苹果的高光谱图像的相 对光强彳]
其中，F为每个苹果的高光谱图像相对光强值；I为每个苹果的高光 谱图像平均光强值；ID为全黑标定高光谱图像光强值；IF为白色标准校正白板高光谱图像 光强值；S16、根据高光谱图像的空间分辨率和光谱分辨率，将每个苹果的高光谱图像相7 量化成对应不同光波长的数据矩阵&，所述&为
_中111为波段数， η为苹果空间采集位置点数，Γι]为第i个波段的第j个位置点的光强值；采用广义高斯函 数对矩阵每一行进行拟合，即对每一个波段求取均值特征参数爾和形状特征参数α和〇， 构建高光谱图像的特征参数矩阵
[0014] 利用步骤b和步骤c求得的光谱数据矩阵RT和高光谱图像特征参数矩阵R:，构建 特征融合矩网
：然后执行步骤。
[0015] 所述步骤e中采用类钟摆装置进行碰撞损伤实验对苹果进行损伤敏感度测试；类 钟摆中的木球以30度、60度、90度不同的能量高度摆动下落，碰撞结束后，样本放置于室温 环境，24小时后对损伤面积和深度值进行测试；利用木球下落的高度计算碰撞能量；利用 损伤面积和深度值计算损伤体积；通过计算损伤体积与碰撞能量的比值得到苹果损伤敏感 度结果。
[0016] 利用特征融合矩阵f和损伤敏感度标准值建立建立新鲜苹果损伤敏感度指标的 最小二乘