近年來(lái)，食品安全問(wèn)題備受關(guān)注，人們對(duì)果蔬品質(zhì)與安全標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來(lái)越高，已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)果蔬品質(zhì)檢測(cè)方法如化學(xué)法、高效液相色譜法、質(zhì)譜分析法等通常對(duì)待測(cè)物具有破壞性，且速度慢。隨著成像技術(shù)和光譜技術(shù)的快速發(fā)展，高光譜成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種果蔬產(chǎn)品的快速和非破壞性檢測(cè)中。本文介紹了高光譜成像儀在果蔬品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用。
果實(shí)品質(zhì)檢測(cè)的方法：
果蔬是人們生活中不可或缺的食物，雖然我國(guó)果蔬產(chǎn)量位居世界前列，但果蔬出口量比例很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。造成這個(gè)問(wèn)題的主要原因是有關(guān)部門(mén)不能?chē)?yán)格地按照出口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)果蔬品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)及分級(jí)，果蔬商品化處理水平低。隨著人們生活水平的提高，以及我國(guó)綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)，在國(guó)際果蔬市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈的情況下，消費(fèi)者對(duì)果蔬的品質(zhì)要求越來(lái)越高，除了果蔬的外部品質(zhì)，對(duì)其內(nèi)部品質(zhì)也更加關(guān)心。
目前，果蔬的品質(zhì)檢測(cè)方法主要有化學(xué)檢測(cè)法、近紅外光譜檢測(cè)法、可見(jiàn)光圖像檢測(cè)法等。其中，化學(xué)檢測(cè)法進(jìn)行測(cè)定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重破壞了果蔬內(nèi)部的組織成分，測(cè)定結(jié)果受人工操作影響較大，且不適用于大批量果蔬處理；近紅外光譜分析法和可見(jiàn)光圖像技術(shù)都各自有自己的特點(diǎn)，但是不能同時(shí)獲取被測(cè)物的圖像和光譜信息，且在應(yīng)用方面有一定的局限性。
隨著光譜技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，高光譜成像技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于果蔬的快速無(wú)損檢測(cè)中，并且國(guó)內(nèi)外大量研究表明高光譜技術(shù)在果蔬的品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域中具有發(fā)展?jié)摿Α８吖庾V技術(shù)集合了成像技術(shù)和光譜技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有“圖譜合一”的特點(diǎn)，其中圖像信息可以檢測(cè)果蔬的外部品質(zhì)，光譜信息則可用于果蔬內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè)，同時(shí)可以將圖像信息和光譜信息進(jìn)行特征融合，以此達(dá)到更好的檢測(cè)效果。但是由于獲取的信息數(shù)據(jù)量較大，也存在數(shù)據(jù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理過(guò)程較為復(fù)雜等問(wèn)題。因此，高光譜技術(shù)目前還不能實(shí)現(xiàn)果蔬品質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
高光譜成像技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)信息量大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信息和光譜信息進(jìn)行判別、分類(lèi)、識(shí)別的全面分析。圖像特征和光譜特征都有助于評(píng)價(jià)果蔬品質(zhì)，將最佳波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)與空間信息特征進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并應(yīng)用到預(yù)測(cè)模型中，可以得到更好的預(yù)測(cè)結(jié)果，也能更好地體現(xiàn)高光譜成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大高光譜成像技術(shù)的潛在應(yīng)用。
高光譜成像儀在蔬菜品質(zhì)與安全無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用：
高光譜成像儀融合了傳統(tǒng)的成像技術(shù)和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既可以像傳統(tǒng)的成像技術(shù)一樣獲取被檢測(cè)物體的空間信息，又可以像光譜技術(shù)一樣獲取光譜信息。其在蔬菜品質(zhì)與安全無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
1.用于蔬菜外部品質(zhì)檢測(cè)
外部品質(zhì)是蔬菜最重要的感官品質(zhì)，是蔬菜品質(zhì)最直接的反映。蔬菜的外部品質(zhì)主要通過(guò)其顏色、紋理、尺寸、形狀和表面缺陷進(jìn)行評(píng)估。目前傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述外觀品質(zhì)特征的自動(dòng)檢測(cè)，但是對(duì)于大部分特征不明顯的缺陷，例如損傷、腐爛、凍傷等，缺陷區(qū)域的顏色、紋理等信息和正常區(qū)域處的高度相似，基于RGB彩色相機(jī)的傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)無(wú)能為力。高光譜成像技術(shù)的多波長(zhǎng)圖像優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)成像技術(shù)的缺點(diǎn)，近年來(lái)被越來(lái)越多的應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品表面缺陷的檢測(cè)中。
腐爛是水果和蔬菜在存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程中的最嚴(yán)重的常見(jiàn)缺陷。腐爛不僅影響水果蔬菜的美觀，還會(huì)使它們的內(nèi)部品質(zhì)發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致食品安全問(wèn)題。對(duì)于青霉菌引起的柑橘腐爛，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是在紫外光源的照射下人工完成。
研究者試圖通過(guò)搭建高光譜成像系統(tǒng)和各種線性非線性分類(lèi)方法找到腐爛柑橘的自動(dòng)檢測(cè)方法。他們利用相關(guān)分析、互信息、逐步分析和基于線性判別分析的遺傳算法挑選了適合檢測(cè)的特征波長(zhǎng)。然后基于分類(lèi)回歸樹(shù)（CART）和線性判別分析（LDA）等像素分類(lèi)方法實(shí)現(xiàn)了腐爛區(qū)域在特征波長(zhǎng)圖像上的分割。試驗(yàn)結(jié)果表明利用搭建的高光譜機(jī)器視覺(jué)平臺(tái)和特征波長(zhǎng)圖像能夠檢測(cè)青霉菌引起的腐爛。
2.用于蔬菜內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè)
內(nèi)部品質(zhì)是水果和蔬菜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的衡量依據(jù)。一般來(lái)講，內(nèi)部品質(zhì)主要通過(guò)檢測(cè)水果和蔬菜的糖度、酸度、硬度、可溶性固形物含量、淀粉含量、水分和成熟度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是通過(guò)物理化學(xué)等破壞性的檢測(cè)手段進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且只適合同批次農(nóng)產(chǎn)品的抽檢。高光譜成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的化學(xué)成像，這也使水果和蔬菜的內(nèi)部品質(zhì)快速無(wú)損檢測(cè)成為可能。
可溶性固形物含量（SSC）是指水果和蔬菜中所有溶解于水的化合物的總稱(chēng)，包括糖、酸、維生素、礦物質(zhì)等。利用高光譜成像技術(shù)無(wú)損檢測(cè)水果和蔬菜中可溶性固形物含量是近年來(lái)內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)的研究熱點(diǎn)。研究人員利用高光譜成像系統(tǒng)采集蘋(píng)果的高光譜圖像，然后通過(guò)測(cè)量蘋(píng)果的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)蘋(píng)果的硬度和可溶性固形物含量。研究發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)與硬度和SSC含量都相關(guān)，其中吸收系數(shù)與硬度和SSC含量的相關(guān)性較高?？扇苄怨绦挝锖款A(yù)測(cè)的相關(guān)系數(shù)為0.864，該研究表明高光譜成像技術(shù)是測(cè)量水果光學(xué)特性的一種有效手段，可用于水果內(nèi)部品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)。
3.用于蔬菜品質(zhì)安全的檢測(cè)
食品安全關(guān)系到消費(fèi)者的飲食安全和健康，因此得到全社會(huì)持續(xù)性的高度關(guān)注。同內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)一樣，食品安全的檢測(cè)目前仍是以傳統(tǒng)的化學(xué)方法為主。品質(zhì)安全主要通過(guò)檢測(cè)水果和蔬菜的動(dòng)物糞便等外來(lái)物污染、各種病害、品質(zhì)劣變、細(xì)菌感染和農(nóng)藥殘留等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。大量的成功應(yīng)用案例證明了高光譜成像技術(shù)在水果和蔬菜品質(zhì)安全檢測(cè)方面的可行性和有效性，高光譜成像技術(shù)作為一種新的科學(xué)有效的檢測(cè)工具在未來(lái)食品安全檢測(cè)中也將扮演更加重要的角色。
動(dòng)物糞便往往含有各種病菌、細(xì)菌，被動(dòng)物糞便污染的水果和蔬菜對(duì)人類(lèi)的健康是一種潛在的威脅。因此及時(shí)檢出并清洗或剔除被糞便等污染物污染的水果蔬菜是有必要的。研究人員通過(guò)搭建了一個(gè)高光譜反射和熒光成像系統(tǒng)用于在線檢測(cè)蘋(píng)果的缺陷和糞便污染。利用所搭建的線掃描高光譜成像系統(tǒng)結(jié)合商業(yè)的蘋(píng)果分選生產(chǎn)線能以每秒鐘三個(gè)以上的速度在線檢測(cè)蘋(píng)果的糞便污染和缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用熒光成像系統(tǒng)和簡(jiǎn)單的波長(zhǎng)比算法可以獲得 100%的檢測(cè)正確率。蔬菜中的糞便污染物會(huì)引起人類(lèi)患上食源性傳染疾病。為了快速自動(dòng)地檢測(cè)菠菜葉表面的糞便污染，研究人員搭建了線掃描高光譜熒光成像系統(tǒng)，并利用主成份分析（PCA）實(shí)現(xiàn)了菠菜表面糞便污染區(qū)域的提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用所搭建的高光譜成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)菠菜葉表面糞便污染的檢測(cè)。
高光譜成像儀融合了傳統(tǒng)的成像技術(shù)和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，所產(chǎn)生的圖像是一個(gè)“圖譜合一”的三維數(shù)據(jù)立方體，高光譜圖像的多波長(zhǎng)特點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)成像技術(shù)的弱點(diǎn)。大量的成功應(yīng)用案例已經(jīng)證明了高光譜成像技術(shù)是果蔬外部品質(zhì)、內(nèi)部品質(zhì)和品質(zhì)安全檢測(cè)的科學(xué)有效工具。
