基于高光譜成像技術的包子在線檢測研究

更新時間：2019-11-22

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隨著生活品質的提高以及消費者對食品安全意識的不斷增強，消費者對包子食品安全問題越來越關注。在實際包子加工過程中，由于生產規模、生產速度、包子餡的加工機械等的影響，包子在生產過程其表面可能會存在污物或包子露餡、包子發霉等問題，因而存在嚴重的食品安全隱患。

成像技術和光譜技術是傳統的光學技術的兩個重要方向，成像技術能夠獲得物體的影像，得到其空間信息；光譜技術能夠得到物體的光學信息，進而研究其物質屬性。20 世紀 70 年代以前，成像技術和光譜技術是相互獨立的學科，隨著遙感技術的發展，成像光譜技術迅速發展起來，它是一種快速、無損的檢測技術，具有光譜分辨率高、多波段和圖譜合一的特點，能在大尺度范圍內識別地表并深入研究其地表物質的成分及結構。目前，成像高光譜技術已成熟應用于農業、食品、藥品、化工產品、刑偵、文物保護等領域，但用于包子的品質檢測目前尚未有研究者對其進行開展研究。

1. 可見、近紅外設備介紹

高光譜圖像數據采集采用四川雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter高光譜分選儀系統（fx10e）。該系統主要由高光譜成像儀、面陣列相機、鹵素燈光源、暗箱、計算機組成，如圖1。

圖1 GaiaSorter高光譜分選儀

高光譜圖像采集軟件采用四川雙利合譜科技有限公司提供的高光譜成像系統采集軟件Specview完成。圖像處理采用 ENVI5.3 軟件進行處理。在進行圖像處理之前，先要對采集的光譜圖像進行圖像校正，圖像校正公式如下：

(1)

式中，R_ref 是校正過的圖像，DN_raw 是原始圖像，DN_white為白板校正圖像，DN_dark 是黑板校正圖像，R_white為白板的反射率。

2. 實驗目標

本次實驗對包子的混雜金屬、混雜玻璃片、混雜塑料片、包子完整情況（是否有餡露出來）、有無包裝紙、有何種顏色的包裝紙進行了初步的檢測，目的是為了分辨出包子中混雜的金屬、玻璃片、塑料片，以及是否露餡、是否包含包裝紙和用何種包裝紙對其進行包裝。

3. 分析方法

3.1 波段選擇方法

目前應用比較廣泛的波段選取方法有各波段信息量的比較、波段間相關性比較、指數法(O IF)、各波段數據的信息熵和聯合熵、協方差矩陣特征值法、波段指數法等。

在各種方法中，由美國查維茨提出的指數法( OIF)綜合考慮單波段圖像的信息量及各波段間的相關性，更接近于波段選擇的原則，且計算簡單，易于實現，得到廣泛的應用。OIF指數的計算公式如下：

(2)

其中：S_i 為第i個波段的標準差，R_ij為i、j 兩波段的相關系數。對n波段圖像，先統計計算單波段圖像的標準差，計算各波段間的相關系數矩陣，再分別求出所有可能的波段組合對應的OIF指數，根據該指數大小來判斷各種波段組合的優劣。指數越大，則相應組合影像所包含的信息量就越大。對OIF指數從大到小進行排序，大O IF指數對應的波段組合即為波段組合。