高光譜相機技術

高光譜相機是一種結(jié)合了光學、成像技術和計算機科學的先進設備。它能夠獲取物體的高光譜信息，這些信息包含了物體反射、透射、散射等多個維度的數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，我們可以得到物體的詳細物理和化學特性。高光譜相機在核桃仁品質(zhì)檢測和等級分類中的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)非破壞性的、高效的檢測。

核桃仁內(nèi)部品質(zhì)檢測

利用高光譜相機技術，我們可以獲取核桃仁內(nèi)部品質(zhì)的信息。如水分、油脂含量、蛋白質(zhì)含量等都可以通過高光譜數(shù)據(jù)進行無損檢測。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，我們可以判斷核桃仁的內(nèi)部品質(zhì)是否符合標準。

核桃仁外觀等級分類

高光譜相機還可以用于核桃仁外觀等級的分類。通過對核桃仁的形狀、大小、色澤等外觀特征的高光譜數(shù)據(jù)進行分析，可以實現(xiàn)核桃仁外觀等級的自動化分類。這大大提高了分類的準確性和效率，減少了人為錯誤。

高光譜相機實現(xiàn)核桃仁內(nèi)部品質(zhì)檢測和外觀等級分類

本研究應用了400-1000nm的高光譜相機，可采用廣東賽斯拜克科技有限公司產(chǎn)品SP130M進行相關研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優(yōu)于2.5nm，可達1200個光譜通道。采集速度全譜段可達128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

為了探索同時實現(xiàn)核桃仁內(nèi)部品質(zhì)檢測和外觀等級分類的方法，本研究采用高光譜成像技術開展了核桃仁脂肪含量、蛋白質(zhì)含量及色澤的特征光譜篩選，篩選出了品質(zhì)指標的相關特征波段以期為核桃仁品質(zhì)無損檢測的應用提供參考。

　　核桃仁樣品在近紅外區(qū)域（863~1704 mm）的平均光譜信息及預處理后的光譜信息如圖3所示。樣品原始光譜信息總體特征基本一致，除了水分的吸收峰外，其它成分的吸收峰并不明顯，需要對光譜進行進一步處理。通過MSE和SNV組合的預處理方法，去除了部分背景噪聲的影響，使樣品光譜信息更平滑。同時，進一步增強了光譜信息的一致性，突出了光譜峰谷，使光譜特征得到了強化。

基于光譜信息與圖像特征的核桃仁外觀等級分類，圖6為3種色澤核桃仁樣品在可見光和短波近紅外區(qū)域（382~1027nm）的平均光譜曲線，由于光譜前后段噪聲影響較大，因此去除了前段和后段各20個波段點。由圖6可見，在原始光譜中，3種色澤核桃仁樣品的光譜曲線在可見光范圍內(nèi)光譜反射率隨著色澤由淺到深呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，在近紅外范圍內(nèi)光譜較雜亂。經(jīng)過MSC和SNV組合方法預處理后的光譜信息，光譜反射率呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性和一致性，有助于后續(xù)的光譜處理。

采用高光譜成像技術，開展了核桃仁內(nèi)外部品質(zhì)檢測方法研究，通過光譜與圖像信息相結(jié)合的方法實現(xiàn)了核桃仁蛋白質(zhì)和脂肪含量預測以及基于完整度和色澤的核桃仁外觀品質(zhì)分級。結(jié)果表明，采用CARS算法與相關系數(shù)法相結(jié)合的方式，有效地去除了全光譜波段中的無關信息和冗余信息。與全光譜波段相比，特征波段預測模型蛋白質(zhì)含量的驗證集R?由0.66增長到0.91，RMSEP由1.37%下降到0.78%；脂肪含量的驗證集R?由0.83增長到0.93，RMSEP由0.98%下降到0.47%，表明篩選出的特征波段有效的降低的模型的復雜度，提高了模型預測能力。

　　將色差特征光譜與圖像統(tǒng)計特征參數(shù)相結(jié)合，采用高光譜圖像提取了總色差特征波段光譜，能夠大幅降低冗余信息的干擾，提高建模效率。通過總色差特征波段光譜與圖像統(tǒng)計特征參數(shù)相結(jié)合的方法，與RGB波段相比進一步提升分類的準確率，當采用DT算法建立的色澤分類模型時，模型具有最高的分類準確率（98.6%）。采用高光譜圖像同時實現(xiàn)了核桃仁內(nèi)部品質(zhì)參數(shù)（蛋白質(zhì)含量、脂肪含量）的檢測和外觀品質(zhì)（完整度、色澤）的分類，為核桃仁品質(zhì)無損檢測的應用提供了新的解決方案。

高光譜相機技術的發(fā)展為核桃仁的品質(zhì)檢測和等級分類提供了新的解決方案。通過高光譜數(shù)據(jù)的獲取和分析，我們可以實現(xiàn)核桃仁內(nèi)部品質(zhì)的無損檢測和外觀等級的自動化分類。這無疑將提高檢測的準確性和效率，保障食品安全，提升消費者體驗。然而，如何進一步優(yōu)化高光譜數(shù)據(jù)的分析算法，以提高檢測的精確度和穩(wěn)定性，是我們未來需要關注和研究的問題。