specim高光譜相機(jī)應(yīng)用之一，開發(fā)用于新鮮農(nóng)產(chǎn)品的分析系統(tǒng)

荷蘭瓦赫寧根大學(xué)與研究中心（wur）開發(fā)了一種智能一體化光譜成像（asi）實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，用于流程標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)光譜模型部署，搭配specimfx10和fx17高光譜相機(jī)，在形成光譜范圍互相補(bǔ)足的集成系統(tǒng)后，已證明其能夠可靠地預(yù)測(cè)食品特性和新鮮農(nóng)產(chǎn)品分析。
高光譜成像在科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中使用了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，已實(shí)證是**分類和材料分析領(lǐng)域的強(qiáng)大技術(shù)。與傳統(tǒng)成像系統(tǒng)相比，高光譜成像**出了可見光譜，使其能夠檢測(cè)人眼不可見的信息。它在眾多需要精確表征和識(shí)別的用例中提供了**的功能。
雖然高光譜成像在各個(gè)行業(yè)和研究領(lǐng)域都顯示出顯著的優(yōu)勢(shì)，但數(shù)據(jù)采集和分析的復(fù)雜性限制了他的泛用性，但是現(xiàn)在有了突破。為了克服復(fù)雜性，來(lái)自荷蘭wur研究所的puneetmishra博士的期望目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)類似智能相機(jī)的一鍵式一體化的高光譜成像分析系統(tǒng)，使沒(méi)有深入了解高光譜成像的用戶也能夠從這項(xiàng)技術(shù)中受益。而specim的線掃描高光譜相機(jī)是該項(xiàng)目的關(guān)鍵組成部分。
圖1：瓦赫寧根大學(xué)和研究所的智能一體化光譜成像（asi）實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，用于標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)光譜模型部署。圖片來(lái)源：瓦赫寧根大學(xué)與研究院
項(xiàng)目第一步：標(biāo)準(zhǔn)化高光譜成像
“為了實(shí)現(xiàn)常規(guī)分析光譜成像的實(shí)際實(shí)施，過(guò)去必須克服許多障礙，”mishra說(shuō)?！肮庾V成像的主要挑戰(zhàn)之一是市場(chǎng)上可用的相機(jī)通常需要系統(tǒng)集成和校準(zhǔn)建模。
此外，目前市場(chǎng)上的大多數(shù)高光譜傳感器都是作為數(shù)據(jù)采集工具來(lái)使用的。為了進(jìn)行測(cè)量和開發(fā)模型，用戶需要自己去設(shè)計(jì)和集成傳感器的實(shí)驗(yàn)設(shè)置?！把芯繉?shí)驗(yàn)室遵循的較佳試驗(yàn)過(guò)程通常是在一個(gè)步驟中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)建模。盡管這種方法非常好，但是由于集成傳感器需要技術(shù)支持，無(wú)法0基礎(chǔ)上手，不符合項(xiàng)目的目的“mishra說(shuō)。
為了使高光譜成像較*，特別是對(duì)于非*用戶，wur開發(fā)了一種具有嵌入式計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化光譜成像系統(tǒng)，以屏蔽大部分非測(cè)量目標(biāo)的干擾。目標(biāo)是避免系統(tǒng)重新整合，并不需要重復(fù)校準(zhǔn)就可進(jìn)行重復(fù)的測(cè)量。
圖2：asi系統(tǒng)通過(guò)預(yù)測(cè)幾種水果的特性證明了其可靠性。圖片來(lái)源：瓦赫寧根大學(xué)與研究中心
項(xiàng)目第二步：選擇高光譜相機(jī)
成功實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵決策是選擇合適的高光譜相機(jī)。在這一點(diǎn)上，wur的開發(fā)人員選擇了specim的高光譜線掃描相機(jī)。
根據(jù)mishra的說(shuō)法，wur之前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中使用過(guò)specim相機(jī)進(jìn)行其他應(yīng)用，并且一直對(duì)結(jié)果非常滿意：“specimfx10和fx17高光譜相機(jī)完全滿足我們的要求。對(duì)于所需的系統(tǒng)緊湊設(shè)計(jì)，specim相機(jī)的機(jī)械尺寸是**的。在分辨率和速度方面，這些相機(jī)也能夠滿足規(guī)格而不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。這些原因，讓specim成為了我們這個(gè)項(xiàng)目的可以選擇。
除了相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)外，specim*的支持也說(shuō)服了wur開發(fā)人員?！霸陧?xiàng)目開始時(shí)，specim的*在幾次會(huì)議上就系統(tǒng)設(shè)計(jì)、較佳軟件的選擇和其他成像組件向我們提供了詳細(xì)的建議。這種有力的支持大大加快了開發(fā)進(jìn)程。通常，其他公司只想銷售他們的產(chǎn)品，但在我看來(lái)，specim的員工對(duì)解決我們的問(wèn)題非常感興趣，并且愿意以他們的專業(yè)知識(shí)支持我們。這種合作對(duì)我們的項(xiàng)目非常有幫助，“mishra強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
作為specim相機(jī)的補(bǔ)充，mishra集成了可控制的標(biāo)準(zhǔn)化照明環(huán)境、內(nèi)置計(jì)算系統(tǒng)以及用于自動(dòng)圖像采集和模型部署的嵌入式軟件。該設(shè)置是在asi系統(tǒng)中實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)樣品屬性空間分布的基礎(chǔ)。
圖3：帶specimfx10和fx17相機(jī)的多合一光譜柜。
結(jié)合vnir和nir高光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)較精確的檢測(cè)
為了展示asi框架的能力，wur進(jìn)行了水果特性預(yù)測(cè)的示例性案例。asi設(shè)置功能用于預(yù)測(cè)水果特性，適用于葡萄、櫻桃、梨和獼猴桃等各種水果案例。人眼和傳統(tǒng)的機(jī)器視覺相機(jī)對(duì)380至760nm之間的波長(zhǎng)具有靈敏度。由于**于該范圍，因此很難知道與水果成熟度相關(guān)的化學(xué)參數(shù)，例如水分和可溶性固體含量。相比之下，高光譜相機(jī)的擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍使得預(yù)測(cè)水分和可溶性固體含量等參數(shù)成為可能。
mishra和他的團(tuán)隊(duì)建造的**臺(tái)機(jī)器使用了specimfx10高光譜相機(jī)，該相機(jī)在400至1000nm的可見光和近紅外（vnir）光譜范圍內(nèi)運(yùn)行?！巴ㄟ^(guò)這種設(shè)置，我們能夠檢查水果的糖含量和其他一些特征，但后來(lái)我們希望實(shí)現(xiàn)滿足較高要求的設(shè)備，以收集較高質(zhì)量的較詳細(xì)信息，能夠可靠地分析肉類和其他食品，”mishra解釋道?！拔覀兺ㄟ^(guò)添加ingaas材質(zhì)的specimfx17近紅外高光譜相機(jī)來(lái)做到這一點(diǎn)，該相機(jī)覆蓋900至1700nm的波長(zhǎng)范圍。這為分析食物開辟了進(jìn)一步的選擇，但也為其他**物體開辟了道路。
圖4：fx10和fx17高光譜相機(jī)是水果檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，覆蓋波長(zhǎng)范圍為400至1700nm。
mishra說(shuō)，fx10和fx17相輔相成，特別是在測(cè)量新鮮水果等高水分樣品時(shí)?！霸谛迈r水果的情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于水分子在400–1000nm光譜范圍內(nèi)的吸水系數(shù)低，vnir光的穿透深度較高，從而可以捕獲更多的地下體積信息。在900至1700nm范圍內(nèi)，水分子的吸水系數(shù)很高，因此可以較好地預(yù)測(cè)樣品中的表面水分。
specimfx17相機(jī)在記錄速度方面也非常靈活，因?yàn)樗峁┝藦?24個(gè)波段中選擇和評(píng)估的選項(xiàng)，并且可以僅使用那些為當(dāng)前應(yīng)用提供相關(guān)信息的波段。通過(guò)減少觀察到的波長(zhǎng)數(shù)量以增加線掃速度，例如當(dāng)使用所有17個(gè)波段時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)specimfx670記錄速度為每秒224行，當(dāng)僅聚焦于幾個(gè)波段時(shí)，可以提高到每秒數(shù)千行。此屬性稱為多感興趣區(qū)域（mroi）。specimfx10和fx17相機(jī)都有這個(gè)功能，在速度方面為用戶提供了非常高的靈活可調(diào)性，而不會(huì)降低準(zhǔn)確性。此外，mroi減少了數(shù)據(jù)量，以便于處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。mishra表示，在一個(gè)系統(tǒng)中使用specimfx10和fx17相機(jī)提高了檢測(cè)精度，并實(shí)現(xiàn)了400至1700nm全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的質(zhì)量檢測(cè)。
圖5：僅使用一臺(tái)相機(jī)和使用fx10+fx17的對(duì)比，使用2臺(tái)可以較精確地預(yù)測(cè)水果特性。
通過(guò)高光譜成像進(jìn)行可靠的新鮮農(nóng)產(chǎn)品分析和食品特性預(yù)測(cè)
wur對(duì)項(xiàng)目的結(jié)果非常滿意，mishra總結(jié)道：“我們基于specimfx10和fx17高光譜相機(jī)開發(fā)的一體化光譜成像系統(tǒng)完全滿足了我們精確預(yù)測(cè)：一系列新鮮水果中水分和可溶性固體含量的要求。我們根據(jù)廣泛用于近紅外分析的商用光譜儀系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試。asi系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與長(zhǎng)期建立的技術(shù)相似的性能，asi設(shè)置的預(yù)測(cè)與商用光譜儀之間只有微不足道的差異。此外，與光譜儀相比，高光譜成像還具有其他優(yōu)勢(shì)。
與光譜儀相比，asi開發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，由于specimfx高光譜相機(jī)捕獲了豐富的空間信息，它允許探索空間分布的特性。此外，asi設(shè)置可以重復(fù)使用之前在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中獲取的光譜數(shù)據(jù)和模型。“這為光譜傳感的較廣泛使用開辟了新的選擇，其中模型和數(shù)據(jù)可以在光譜學(xué)的不同用戶之間共享，”mishra說(shuō)。
此外，asi是一個(gè)完全移動(dòng)的系統(tǒng)，可以帶到樣品而不是將樣品帶到實(shí)驗(yàn)室。在許多用例中，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。最后一點(diǎn)是，獲得結(jié)果只需不到40秒。在以前可能需要等待幾天才能獲得水份含量分析的結(jié)果。
“結(jié)合其易用性，無(wú)論是業(yè)余還是*都可以輕松使用高光譜技術(shù)。wur已經(jīng)在使用asi系統(tǒng)對(duì)各種食品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于該設(shè)備具有良好的便攜性，它甚至可以用于捕獲后立即在船上檢查魚等項(xiàng)目。因此，該系統(tǒng)的可能性遠(yuǎn)未窮盡。
圖6：用于獼猴桃分析的一體化光譜成像（asi）設(shè)置和工作流程概述。
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