基于高光譜成像技術(shù)的小龍蝦品質(zhì)分析

江蘇雙利合譜科技有限公司  黃宇

1. 可見、近紅外設(shè)備介紹

高光譜圖像數(shù)據(jù)采集采用江蘇雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter雙系統(tǒng)高光譜分選儀系統(tǒng)（V10E、N25E-SWIR）。該系統(tǒng)主要由高光譜成像儀、面陣列相機(jī)、鹵素?zé)艄庠?、暗箱、?jì)算機(jī)組成，如圖1。實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)設(shè)置如表1。

圖1  GaiaSorter雙系統(tǒng)高光譜分選儀

表1   GaiaSorter 雙系統(tǒng)高光譜分選儀系統(tǒng)參數(shù)

高光譜圖像采集軟件采用江蘇雙利合譜科技有限公司提供的高光譜成像系統(tǒng)采集軟件Specview完成。圖像處理采用 ENVI5.3 軟件進(jìn)行處理。在進(jìn)行圖像處理之前，先要對(duì)采集的光譜圖像進(jìn)行圖像校正，圖像校正公式如下：

              (1)

式中，Rref 是校正過的圖像，DNraw 是原始圖像，DNwhite為白板校正圖像，DNdark 是黑板校正圖像，Rwhite為白板的反射率。

2.  實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

利用可見近紅外以及短波紅外高光譜成像技術(shù)對(duì)成熟的小龍蝦進(jìn)行品質(zhì)分析，研究不同品質(zhì)小龍蝦的光譜差異并通過高光譜成像技術(shù)快速識(shí)別不同品質(zhì)的小龍蝦，為餐飲行業(yè)行業(yè)快速識(shí)別不同品質(zhì)小龍蝦提供技術(shù)支持。圖2為需要利用高光譜成像設(shè)備采集分析的小龍蝦樣本，左邊為品質(zhì)好的小龍蝦，右邊為品質(zhì)壞的小龍蝦。

圖2  需要高光譜設(shè)備采集的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

3.  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1  可見近紅外、短波紅外高光譜的小龍蝦光譜分析

    在小龍蝦身上不同部分分別選取約200個(gè)像素點(diǎn)取均值代表小龍蝦該部分的光譜反射率，如圖3所示，分別列舉了品質(zhì)好的和壞的小龍蝦外殼、蝦爪、蝦尾和蝦腹在可見近紅外波長(zhǎng)范圍的光譜進(jìn)行分析，并對(duì)原始光譜作了一階導(dǎo)數(shù)分析，目的是為了更加深入地了解不同品質(zhì)的小龍蝦其不同部位的光譜差異。圖3左為品質(zhì)好的與壞的小龍蝦不同部位的原始光譜反射率曲線，從圖中可知，小龍蝦不同部位的光譜反射率在400-530nm之前差異較小，但在530nm之后小龍蝦不同部位的光譜曲線差異較大。對(duì)于品質(zhì)壞的小龍蝦，其外殼光譜的陡坡位置相對(duì)于品質(zhì)好的小龍蝦而言，發(fā)生了“藍(lán)移”；另外品質(zhì)壞的小龍蝦，其蝦爪、蝦尾、蝦腹等部位與品質(zhì)好的小龍蝦，其光譜反射率差異也較大。圖3右更能清晰地看出不同品質(zhì)的小龍蝦不同部位的光譜差異及品質(zhì)好與品質(zhì)差的小龍蝦在400-1000nm范圍內(nèi)的光譜差異，從其峰谷位置及峰谷的高低，很顯著地看出品質(zhì)好與品質(zhì)差的小龍蝦的光譜差異。

圖3  基于可見/近紅外高光譜成像技術(shù)小龍蝦不同部位的光譜曲線

與可見、近紅外高光譜成像技術(shù)分析小龍蝦光譜一樣，在短波紅外的高光譜圖像上分別選取小龍蝦身上不同部分約200個(gè)像素點(diǎn)取均值代表小龍蝦該部分的光譜反射率，如圖4所示，分別列舉了品質(zhì)好的和壞的小龍蝦外殼、蝦爪、蝦尾和蝦腹在短波紅外范圍的光譜進(jìn)行分析，并對(duì)原始光譜作了一階導(dǎo)數(shù)分析，目的是為了更加深入地了解不同品質(zhì)的小龍蝦其不同部位的光譜差異。圖4 左為短波紅外1000-2500nm的光譜反射率曲線圖，從圖中可知，在短波紅外范圍，不同品質(zhì)的小龍蝦及小龍蝦的不同部位光譜反射率曲線變化趨勢(shì)相似，不同的是曲線反射率的高低及峰谷的高低。圖4右為不同品質(zhì)小龍蝦及不同部位在短波紅外范圍的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線。從圖中可知，不同品質(zhì)的小龍蝦，其峰谷位置及峰谷的值差異較大，小龍蝦不同部位之間的光譜也有顯著差異。

圖4  基于短波紅外高光譜成像技術(shù)小龍蝦不同部位的光譜曲線

3.2  小龍蝦品質(zhì)識(shí)別研究

最小噪聲分離變換（Minimum Noise Fraction Rotation，MNF Rotation）工具用于判定圖像數(shù)據(jù)內(nèi)在的維數(shù)（即波段數(shù)），分離數(shù)據(jù)中的噪聲，減少隨后處理中的計(jì)算需求量。MNF本質(zhì)上是兩次層疊的主成分變換。第一次變換（基于估計(jì)的噪聲協(xié)方差矩陣）用于分離和重新調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中的噪聲，這步操作使變換后的噪聲數(shù)據(jù)只有最小的方差且沒有波段間的相關(guān)。第二步是對(duì)噪聲白化數(shù)據(jù)（Noise-whitened）的標(biāo)準(zhǔn)主成分變換。

主成分分析(PCA)是遙感數(shù)字圖像處理中運(yùn)用比較廣泛的一種算法，是在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的多維(多波段)正交線性變換。通過PCA變換,可以把多波段圖像中的有用信息集中到數(shù)量盡可能少的新的主成分圖像中，并使這些主成分圖像之間互不相關(guān)，從而大大減少總的數(shù)據(jù)量。但PCA變換對(duì)噪聲比較敏感，即信息量大的主成分分量，信噪比不一定高，當(dāng)某個(gè)信息量大的主成分中包含的噪聲的方差大于信號(hào)的方差時(shí)，該主成分分量形成的圖像質(zhì)量就差， PCA變換用于融合處理并不是為了減少噪聲，而是通過該變換,使得多光譜影像在各個(gè)波段具有統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性,便于分別采用相應(yīng)的融合策略。針對(duì)PCA變換的不足，Green等曾經(jīng)提出最小噪聲分離(MNF)變換，隨后，又對(duì)MNF變換進(jìn)行了修改，它本質(zhì)上是含有兩次疊置處理的主成分分析。

由此可知，MNF變換具有PCA變換的性質(zhì)，是一種正交變換，變換后得到的向量中的各元素互不相關(guān)，第一分量集中了大量的信息,隨著維數(shù)的增加,影像質(zhì)量逐漸下降,按照信噪比從大到小排列，而不像PCA變換按照方差由大到小排列，從而克服了噪聲對(duì)影像質(zhì)量的影響。正因?yàn)樽儞Q過程中的噪聲具有單位方差，且波段間不相關(guān)，所以它比PCA變換更加優(yōu)越。

圖5為可見、近紅外400-1000nm范圍內(nèi)基于MNF變化的前9個(gè)分量圖，從圖中可知，不同品質(zhì)的小龍蝦，在第三、第四和第五分量上可以實(shí)現(xiàn)很好的判別，而其他分量存則存在不同程度的誤判，結(jié)合第三、第四和第五分量以及CART決策樹分類法，可以實(shí)現(xiàn)小龍蝦品質(zhì)的鑒定，如圖6所示，紅色為品質(zhì)壞的小龍蝦，綠的為品質(zhì)好的小龍蝦。

圖5 小龍蝦基于400-1000nm的MNF前9個(gè)分量圖

圖6 基于400-1000nm范圍內(nèi)小龍蝦品質(zhì)分析結(jié)果

圖7為短波紅外1000-2500nm范圍內(nèi)基于MNF變化的前8個(gè)分量圖，從圖中可知，不同品質(zhì)的小龍蝦，除第一、第三、第四和第五MNF變量能區(qū)分出部分品質(zhì)好的小龍蝦或品質(zhì)不好的小龍蝦外，其余變量品質(zhì)好壞的小龍蝦并不顯著區(qū)別。我們利用第一、第三、第四和第五MNF變量結(jié)合圖像分類方法中的監(jiān)督分類法用于區(qū)分不同品質(zhì)的小龍蝦，區(qū)分效果如圖8所示，其中紅色為品質(zhì)壞的小龍蝦，綠的為品質(zhì)好的小龍蝦。

圖7 小龍蝦基于1000-2500nm的MNF前8個(gè)分量圖

圖8 基于1000-2500nm范圍內(nèi)小龍蝦品質(zhì)分析結(jié)果

4.  結(jié)果與討論

    從分析結(jié)果來看，基于400-1000nm和1000-2500nm波長(zhǎng)范圍的高光譜影像數(shù)據(jù)均能較好地區(qū)分成熟的品質(zhì)好與壞的小龍蝦。如果僅從MNF的分量上看，基于400-1000nm的可見近紅外高光譜影像識(shí)別不同品質(zhì)的小龍蝦高于基于1000-2500nm的短波紅外，但結(jié)合高光譜分析方法，兩者的識(shí)別精度并無(wú)顯著差別。另外如果將來想在產(chǎn)線上進(jìn)一步應(yīng)用，仍需要進(jìn)一步的分析，這是因?yàn)樾↓埼r的擺放姿勢(shì)對(duì)利用高光譜影像數(shù)據(jù)的判別效果影響很大。