线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置

1.本实用新型涉及农产品品质无损检测技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置。


背景技术：

2.随着国内外水果消费需求和品位不断提高，市场对水果的品质提出了更多更高的要求。在选购水果时不仅注重水果大小、外观形状等外部品质，而且更加关注水果内部品质如口感、糖度以及营养成分等。
3.现在水果可以根据外部质量特性进行手工或机械的分类。但内部水分水量、总可溶性固体和硬度等属性在增长趋势中也越来越重要。大多数用于测量这些特性的仪器方法都是破坏性的，涉及到手工工作。水果内部质量属性的无损测量对消费者和整个行业都变得越来越重要。因此，亟待解决水果品质快速无损检测问题，满足市场对高品质水果的要求，增强特色水果品牌的竞争力和影响力，提高经济效益，推动水果产业化发展。
4.在机器视觉技术系列中，高光谱成像已经成为一种强大的技术，它结合可见成像和光谱学，从物体获取空间和光谱信息。目前，高光谱成像技术已经应用在果实无损检测中，由于其综合特征，高光谱成像技术可以大大提高其识别和检测果实的各种化学成分及其空间分布的能力。水果内部组织较为复杂，不同水果内部成分具有差异，尤其是不同品种的水果差异更大，在高光谱成像检测过程中要得到清晰可靠的光谱图像信息，检测装置尤为重要。
5.在目前的研究中，水果高光谱成像无损检测装置的功能相对比较单一，只是针对某种水果进行检测，不能对不同果型不同品种水果进行无损检测，对于某些果形较长的水果，无法进行完整的检测。如申请号为2015106454534的中国专利公开的类球形水果透射高光谱成像无损检测装置，其设置有电脑、箱体、高光谱成像仪、电动位移台和样品室，水果样品置于样品室内，且需要直接对准高光谱成像仪，检测时，光源照射水果样品表面，高光谱成像仪采集高光谱图像，该检测装置只能检测类球形水果，而无法检测果形较长的水果。


技术实现要素：

6.本实用新型的一个目的是解决至少上述缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
7.本实用新型的另一个目的是提供一种线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置，其不但可以满足不同光源功率、光源入射角度以及光源距水果距离等功能的检测实验要求，且设置反射器对准样品，高光谱成像设备对准反射器，而采集反射器中样品的高光谱图像，代替传统高光谱成像设备直接对准样品采集高光谱图像的方式，实现水果品质高光谱成像快速无损检测，解决已有高光谱成像检测装置无法检测长条形水果，或检测长条水果时拍摄图像容易变形的问题。
8.为了实现本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型提供的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置，包括：电脑、箱体、高光谱成像设备、载物台、光源和反射器；
9.所述箱体底部设置有光学面包板，在光学面包板上设置有第一载物台，水果样品通过托盘放置在第一载物台上，在箱体内设置有高光谱成像设备，高光谱成像设备下方设置有第二载物台进行支撑；高光谱成像设备分别与箱体外的电脑连接；
10.其中，所述反射器设置在箱体内并对准水果样品，使得水果样品投影至发射器；所述高光谱成像设备对准发射器，用于拍摄反射器中的水果样品图像。
11.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述反射器由调节机构进行支撑，调节结构用于调节反射器的俯仰角和高度。
12.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述调节机构包括：连接杆、第一直角接头、第一伸缩件、第二直角接头和第二伸缩件；
13.连接杆、第一直角接头、第一伸缩件、第二直角接头和第二伸缩件依次连接形成z型结构，第一伸缩件呈横向布置结构，用于进行横向调节，第二伸缩件成竖向布置结构，用于进行竖向调节；
14.所述发射器通过铰接件或轴承铰接在第二伸缩件下端，而能够调节俯仰角。
15.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述连接杆顶端设置有螺纹段，并配合有上螺母、滑块和下螺母；箱体顶部开设有横向延伸的槽口，螺纹段穿过槽口，下螺母位于槽口下侧，滑块和上螺母位于槽口上侧，形成对槽口的夹持而将连接杆固定在箱体。
16.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述箱体顶部设置有滑槽，滑槽位于槽口的两侧，滑块与滑槽滑动配合，用于调节连接杆的固定位置。
17.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述第二载物台顶面设置有滑轨，滑轨沿第二载物台顶面横向延伸，高光谱成像设备底部与滑轨滑动配合，而能够进行横向位置调节。
18.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述第一载物台和第二载物台为手动升降台或者电动升降台。
19.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述高光谱成像设备为高光谱照相机或高光谱成像仪。
20.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述光源有若干个，光源为卤素灯，光学面包板上的连接杆，光源通过光源旋转支架设置在连接杆上端。
21.优选的是，所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置中，所述箱体为遮光箱体。
22.本实用新型至少包括以下有益效果：
23.1、不同水果个体质构差异、大小果型差异、光源功率、光源不同入射光角度等都会对光传播路径产生较大影响，尤其是长条类和小果形水果，高光谱成像设备拍摄出来的图像会产生变形。而本实用新型的装置设置有反射器，无论是长条类水果或小果形水果，均可以投影至反射器，形成比例缩小的水果样品图像，然后高光谱成像设备在拍摄反射器中的水果样品图片，通过反射器反射的方式获取水果表面及内部组织的高信噪比的光谱和图像信息，获取到水果深层信息，满足目前的实验研究所用到功能需求，提高了适用性。
24.2、本实用新型的装置设置有高度、功率、角度可调的光源、俯仰角可调的反射器、
升降可调的高光谱成像设备、升降可调的载物台，因此可以满足各类型水果反射光谱采集方式、不同光源功率、光源入射角度以及光源距水果距离等功能的检测实验要求，为水果品质高光谱成像快速无损检测提供多功能实验装置。
25.3、根据水果不同类别、不同果型、不同大小在反射检测过程中受光源影响较大以及信噪比往往较低等特点，本实用新型设置可调节照明单元角度及光照强度的光源，尤其是长条类水果，图片较长，通过调节反射器让光的传输偏转或光的传输折叠，高精度反射器能够降低因色散造成的光线损失量，使高光谱相机拍摄的图片中水果更加清晰并实现长条形水果的完整拍摄，从而满足不同形状水果在检测过程中的完整拍摄。
26.4、本实用新型的载物台可以根据不同水果的大小调节高度满足高光谱成像仪采集光谱图像信息焦距一致，光源选用两个功率可调节卤素灯可以满足水果在检测过程中对不同光源能量的需要，进而提高检测精度和检测效益。
27.5、本实用新型的装置设计合理，调节方便，功能全面，适用于芒果、香蕉、羊角蜜瓜、蓝莓、草莓、冬枣、木瓜等长条形和小形水果的无损检测和试验研究。
28.本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
29.图1为本实用新型所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置的结构示意图：
30.图2为本实用新型所述的线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置另一种实施方式的立体结构示意图；
31.图3为本实用新型所述的调节机构的结构示意图；
32.图4为本实用新型所述的调节机构的分解结构示意图。
33.图中：100-水果样品；1-电脑；2-箱体；201-滑槽；202-槽口；3-高光谱成像设备；4-载物台；4b-第一载物台；4a-第二载物台；401-滑轨；5-托盘；6-光源；7-光源旋转支架；8-反射器；9-调节机构；901-连接杆；902-第一直角接头；903-第一伸缩件；904-第二直角接头；905-第二伸缩件；906-铰接件；907-上螺母；908-下螺母；10-光学面包板；11-支撑杆；12-支撑台；13-滑块。
具体实施方式
34.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
35.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
36.需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
37.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的
具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
38.如图1和2所示，本装置所需材料或部件包括：水果样品100、电脑1、箱体2、高光谱成像设备3、载物台4、光源6和反射器8组成。
39.电脑1是一种通用件，如选用联想(thinkpad)公司的台式电脑；其功能是处理高光谱仪3采集到的样品100的光谱信号。
40.箱体2可以选用铝合金金属壳体，长为0.8米，宽为0.8米，高为1米，壳体厚度为2mm；其功能用于保护高光谱成像设备、载物台4光影不受外界环境干扰和灰尘污染。
41.高光谱成像设备3可以选用高光谱照相机或高光谱成像仪。
42.其中，高光谱成像仪是一种通用件，如headwall micro-hyperspec可见光-近红外高光谱成像仪，其功能是可以在vnir区域(400-1000nm)范围内获取高光谱图像，采集高光谱图像在暗室中进行以减少杂散光的干扰，高光谱成像系统的光谱分辨率为5.8nm，获取的高光谱图像共327个波段。
43.载物台4包括支撑高光谱成像设备的第二载物台4a和支撑水果样品的的第一载物台4b，载物台可以选用手动升降台或电动升降台。
44.其中，手动升降台或电动升降台是一种光学元件，从市场采购；其功能用于调节水果样品100的高度，以及调节高光谱成像设备3的调节手动升降台可以根据不同水果的大小调节高度满足高光谱成像设备3采集光谱图像信息焦距一致。
45.托盘5是一种橡胶柔性长方体；用于放置水果样品100，防止水果样品100移动。
46.光源6是一种400w卤素灯，从市场购得；用于不同入射角度研究水果样品100在检测过程中，光源入射角度对检测精度和检测效果的影响，寻找最佳入射角度，提高光谱检测的信噪比。
47.光源旋转支架7是一种光学元件，从市场购得；其功能用于类球形水果在内部品质无损检测试验过程中，通过调整光源旋转支架7角度满足不同水果样品100不同入射角度的需要，满足不同水果样品100试验条件的要求。
48.反射器8是一种光学元器件，从市场购得，可以让光的传输偏转或光的传输折叠、在光学领域广泛的应用在光学成像的光学组件。高精度反射器能够降低因色散造成的光线损失量。
49.为使得反射器8能够进行调节，反射器8可以通过调节机构9支撑连接在箱体2上，所述调节机构9可以选用光源旋转支架实现俯仰角的调节，也可以选用机械臂实现在箱体2空间位置的调节，也可以选用下述的结合了机械臂特点和光源旋转支架特点的调节机构进行空间位置和俯仰角的调节。
50.其中，光源旋转支架是一种光学元件，市场购得；其功能用于长条形和小形水果在内部品质无损检测试验过程中，通过调整调节机构9角度满足不同水果样品100不同入射角度的需要，满足不同水果样品100试验条件的要求。
51.伸缩机械臂是一种常用的操控调节机构，可以直接调节反射器的空间位置和俯仰角。
52.光学面包板10是一种铝合金方形面体，市场购得，表面平整，有若干个等间距6m螺纹孔；其功能是用于固定手动升降台位置，上方螺纹孔固定至少2根支撑杆11和手动升降台，光学面包板10上有若干个等间距6m螺纹孔，支撑杆11可以实现手动升降台和光源位置的固定作用。
53.支撑杆11是一种金属柱体，市场购得，要求表面光洁；其功能用于固定在光学面包板10上，起支撑作用，支撑杆11上用于固定光源旋转支架7，用于光源旋转支架7的固定和高度调节杆件。
54.图1示出了本实用新型所述线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置的一种实施方式，其中的调节机构9为光源旋转支架；
55.上述的部件具体的位置和连接关系是：
56.在箱体2内的底部设置有光学面包板10，在光学面包板10上设置有手动升降台作为第一载物台4b，在箱体2内的左上部设置有高光谱成像设备3，高光谱成像设备3下放置有手动升降台作为第二载物台4a，第二载物台4a以支撑台12作为安装基础；高光谱成像设备3分别与箱体2外的电脑1连接；水果样品100置于托盘5，托盘5置于手动升降台上，水果样品100对准反射器8，反射器对准高光谱成像设备3，反射器通过调节机构连接在箱体上，调节机构为光源旋转支架。
57.本实施方式的工作原理为：
58.手动升降台用于实现样品100的垂直移动；箱体2用于保护高光谱仪3、手动升降台、光源6以及样品100不受外界环境干扰和灰尘污染；电脑1用于设置高光谱成像设备3采集参数和对高光谱仪3采集到的光谱信号进行处理运算；反射器8用于将水果样品100图像反射至高光谱成像设备3。
59.图1中的高光谱成像设备为成像单元；高光谱成像设备使用的ccd高光谱相机是一种线扫描类型(也称为“扫帚”)，它记录的是一行高光谱图像，而不是一次整个空间。经反射器反射的水果样品的一条窄线被成像到高光谱图像中的一排像素上，ccd高光谱相机为这条线上的每个点生成一个光谱。
60.光源选用的照明单元为2个卤素灯(400w)固定在光学面包板上的连接杆上，为实验样品提供光源。
61.载物台；平台高度可以进行手动或自动调整，以获得清晰完整的高光谱图像。
62.反射器；反射器俯仰角度可以进行手动或自动调整，以获得不同拍摄范围以及清晰完整的高光谱图像。
63.除此以外还包括用来控制高光谱成像设备扫描的电脑和封闭遮光的箱体。电脑装载有相应的控制软件如spectralview软件。本装置的高光谱成像设备采用了近红外光谱范围(400-1000nm)，光谱分辨率约为5.8nm，利用高光谱图像采集系统共产生了327个光谱波段。采集高光谱图像在暗室中进行以减少杂散光的干扰，为了减少光和噪声的影响，也必须在相同的条件下获得暗参考和白参考图像。标准的白色参考图像通过获得光谱图像从高反射率(大约99.99％)白色校准瓷砖，和暗电流噪声图像(大约0％)通过记录光谱图像时光关闭和相机镜头完全覆盖一个黑帽。对于所得到的高光谱图像，我们使用envi软件在单个波段内查看空间信息。
64.图2～图4示出了线性扫描型水果反射高光谱成像无损检测装置的另一种实施方
式，其中的调节机构能够更好的调节反射器的空间位置及俯仰角；
65.所述装置包括：电脑1、箱体2、高光谱成像设备3、载物台、光源6和反射器8；
66.所述箱体2底部设置光学面包板10，在光学面包板10上设置第一载物台4b，水果样品100通过托盘放置在第一载物台4b上，在箱体2内设置高光谱成像设备3，高光谱成像设备3下方设置第二载物台4a进行支撑；高光谱成像设备3分别与箱体2外的电脑1连接；
67.其中，所述反射器8通过调节机构9设置在箱体2内并对准水果样品100，使得水果样品100投影至发射器；所述高光谱成像设备3对准发射器8，用于拍摄反射器8中的水果样品100图像。
68.具体参考图2～图4，所述调节机构9包括：连接杆901、第一直角接头902、第一伸缩件903、第二直角接头904和第二伸缩件905；
69.连接杆901、第一直角接头902、第一伸缩件903、第二直角接头904和第二伸缩件905依次连接形成图3所示的z型结构，此时第一伸缩件903呈横向布置结构，用于进行横向调节，第二伸缩件905成竖向布置结构，用于进行竖向调节；
70.所述发射器8通过铰接件906或轴承铰接在第二伸缩件905下端，而能够调节俯仰角。
71.该调节机构9可以适应不同果形的扫描拍摄需要，以长果形水果样品为例，为使得水果样品100全部投影在反射器8的范围内，需要使用调节机构9调节反射器8的空间位置，拉远反射器8与水果样品100之间的距离；反之，当拍摄小果形水果样品100时，可以适当拉近发射器8与水果样品100之间的距离。通过调节机构中的第一伸缩件和第二伸缩件可以灵活调节反射器的空间位置，达到上述目的。配合铰接件906、第一载物台4b、第二载物台4a的升降调节，可以使得高光谱成像设备3、发射器8、水果样品100成对应关系，满足扫描拍摄需求。
72.第一伸缩件903和第二伸缩件905可以选用电动伸缩杆或电动气缸等常用伸缩器件。
73.铰接件906可以选用销轴或螺栓等，轴承可以选用万向轴承等。可以使得发射器可以摆动或转动而调节俯仰角。
74.进一步，在另一种实施方式中，如图2～4所示，为使得调节机构更好的与箱体连接固定，且能够灵活调节固定位置，所述连接杆901顶端设置有螺纹段，并配合有上螺母907、滑块13和下螺母908；箱体2顶部开设有横向延伸的槽口202，螺纹段穿过槽口202，下螺母908位于槽口202下侧，滑块13和上螺母907位于槽口202上侧，形成对槽口202的夹持而将连接杆901固定在箱体2内。进行调节时，将上螺母和下螺母松开，然后推动滑块13，使得连接杆901沿槽口移动到调节位置，然后拧紧上螺母907和下螺母908即可。
75.进一步，在另一种实施方式中，如图2所示，为使得滑块13更加顺畅的移动，所述箱体2顶部设置有滑槽201，滑槽201位于槽口202的两侧，滑块13底面设置凸块与滑槽201滑动配合，使得滑块更加顺利滑动，便于调节连接杆901的固定位置，也能够调节反射器8在箱体2内的空间位置。
76.进一步，在另一种实施方式中，如图2所示，所述第二载物台4a顶面设置有滑轨401，滑轨401沿第二载物台4a顶面横向延伸，高光谱成像设备3底部设槽部或轨道轮与滑轨401滑动配合，使得高光谱成像设备能够进行横向位置调节，而适应不同拍摄扫描需求。
77.进一步，在另一种实施方式中，所述第一载物台和第二载物台为手动升降台或者电动升降台。
78.进一步，在另一种实施方式中，所述高光谱成像设备为高光谱照相机或高光谱成像仪。
79.进一步，在另一种实施方式中，所述光源有若干个，光源为卤素灯，光学面包板上的连接杆，光源通过光源旋转支架设置在连接杆上端。
80.进一步，在另一种实施方式中，所述箱体为遮光箱体。槽口位置使用盖板盖合，而避免漏光。
81.实施例1
82.如图1所示，开启电脑1，打开高光谱采集软件，启动高光谱成像设备3，打开2盏卤素灯光源6，将芒果作为水果样品100放置在第一载物台4b上方的托盘5上，调整光源旋转支架7使得光源6入射位置均匀在芒果样品100的表面。
83.调节合适的第一载物台4b的高度，调整反射器8改变成像角度，高光谱成像设备3对准反射器8，经过采集软件信号处理得到该芒果样品100的高光谱图像信息，完成高光谱图像信息检测。
84.实施例2
85.如图2所示，开启电脑1，打开高光谱采集软件，启动高光谱成像设备3，打开2盏卤素灯光源6，将长条形的羊角蜜瓜作为水果样品放在第一载物台4b上，调整光源旋转支架7使得光源6入射位置均匀在水果样品100的表面。
86.通过滑块13调节连接杆901的固定位置，以及通过第一伸缩件903伸缩调节，使得反射器8位于水果样品100中部的正上方，然后通过第二伸缩件905缩短调节，使得反射器上调高度而拉远与水果样品100的距离，保证水果样品100完全投影在反射器8内，形成完整的图像，通过铰接件906调节反射器的俯仰角，配合第二载物台4a调节高光谱成像设备的高度，使得高光谱成像设备能够完整采集反射器中的图像。
87.经过采集软件信号处理得到该羊角蜜瓜水果样品100的高光谱图像信息，完成高光谱图像信息检测。
88.尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。