基于高光譜成像技術(shù)的青香蕉碰撞損傷檢測(cè)

香蕉是中國(guó)嶺南特色水果之一，統(tǒng)計(jì)顯示，2020年中國(guó)香蕉產(chǎn)量達(dá)到了1151.3萬(wàn)t。香蕉在采收和運(yùn)送過(guò)程中往往處于綠硬期（青香蕉），在此過(guò)程中易受到各種碰撞損傷。傳統(tǒng)的青香蕉碰撞損傷檢測(cè)方法主要是人工肉眼識(shí)別和常規(guī)RGB圖像識(shí)別。然而人工識(shí)別受主觀因素影響較大，常規(guī)RGB圖像識(shí)別難以檢測(cè)出碰撞初期的碰傷情況。鑒于傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，利用高光譜技術(shù)開展無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用迅速發(fā)展。高光譜成像技術(shù)融合了傳統(tǒng)的圖像和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)獲取被檢測(cè)物體的空間信息和光譜信息，對(duì)其內(nèi)外部的品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并依據(jù)這些參數(shù)建立與青香蕉碰撞損傷之間的關(guān)系，進(jìn)行碰傷程度區(qū)分，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足。

1、青香蕉碰撞損傷程度分類

青香蕉的品質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，果身表面的機(jī)械類損傷面積是一個(gè)重要指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，果身表面無(wú)碰壓傷的青香蕉屬于優(yōu)等品；碰壓傷面積小于1cm2的屬于一等品；碰壓傷面積為1～2cm2的屬于二等品；碰壓傷面積大于2cm2，屬于劣等品將不進(jìn)入市場(chǎng)。

2、高光譜檢測(cè)青香蕉碰撞損傷的機(jī)理分析

近紅外波段的光譜特征主要與樣品中有機(jī)分子含氫基團(tuán)振動(dòng)有關(guān)。青香蕉的創(chuàng)面會(huì)和空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞果肉細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，釋放部分水分，造成光的散射減少，導(dǎo)致創(chuàng)面的含水量和光譜反射率數(shù)據(jù)與健康表面呈現(xiàn)不同。所以即使沖擊能量較小，其碰傷創(chuàng)面在肉眼和RGB圖像中無(wú)法識(shí)別的條件下，經(jīng)過(guò)高光譜圖像技術(shù)處理后，在光譜波段下的圖像依然能清晰地看出其碰傷部位和碰傷程度，如圖a與圖b的對(duì)比所示，這說(shuō)明了高光譜成像技術(shù)檢測(cè)青香蕉早期輕微碰撞損傷的可行性。如下圖所示是同一份樣品在不同波段下（500、600、700、800nm）的圖像，對(duì)比可知：不同波段下的圖像其呈現(xiàn)出的碰傷情況存在差異。

特征波長(zhǎng)下的圖像能充分顯示其因碰撞所呈現(xiàn)的表征，為利用此部分表征的數(shù)據(jù)信息，采用二值化處理、Canny邊緣檢測(cè)和圖像分割算法，按如圖8所示流程，獲取了全部樣品特征波長(zhǎng)下圖像的碰傷區(qū)域。

3、可視化碰傷等級(jí)圖像

通過(guò)圖像分割流程，將918張灰度圖像進(jìn)圖像分割，提取香蕉碰傷部位的輪廓區(qū)域，同時(shí)利用圖像全像素點(diǎn)下的反射率數(shù)據(jù)，用光譜反射率數(shù)據(jù)去表示碰傷輪廓區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)所代表的信息。

為了更好地展示分類結(jié)果，同時(shí)考慮檢測(cè)的可視化，對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)用“00”代表健康，標(biāo)記為黃色RGB（255,255,0）；“01”代表輕度碰撞傷，標(biāo)記為藍(lán)色RGB(67,142,219)；“10”代表中度碰撞傷，標(biāo)記為紫色RGB(128,0,128)；“11”代表重度碰撞傷，標(biāo)記為紅色RGB(255,0,0)的方式進(jìn)行最后的輸出顯示。其中區(qū)域的總體識(shí)別結(jié)果若有85%以上的相同數(shù)值和顏色，那么本區(qū)域都用此數(shù)值和顏色進(jìn)行歸一顯示，最后的可視化圖像如下圖所示。

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審核編輯 黃宇