【技術(shù)文章】使用 Specim FX17 高光譜相機(jī)測(cè)量棉花中的水分
發(fā)布時(shí)間：2023-09-18
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使用 Specim FX17
高光譜相機(jī)測(cè)量棉花中的水分
類(lèi)別：應(yīng)用,高光譜成像
翻譯：肖立財(cái)
水分的量化對(duì)于許多工業(yè)和研究應(yīng)用至關(guān)重要。基于光譜學(xué)的定量模型可高效、無(wú)損且準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水分含量。高光譜相機(jī)還揭示了水分的空間分布，而點(diǎn)光譜儀僅提供一般分布。在這項(xiàng)研究中，我們監(jiān)測(cè)了一塊棉布的水分含量及其干燥情況。
NIR = 近紅外 (900 – 1700 nm)
PLS = 偏最小二乘法
PLS DA = 偏最小二乘判別分析
近紅外光譜范圍內(nèi)的吸水峰
監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中的水分至關(guān)重要，例如在食品、造紙和木材行業(yè)。近紅外 (NIR) 光譜廣泛用于監(jiān)測(cè)各種應(yīng)用中的水分含量。
光譜學(xué)家依靠水吸收峰作為 NIR 光譜范圍的一部分。如下圖所示，水強(qiáng)烈吸收 970、1150 和 1450 納米的光。Specim FX17相機(jī)的光譜范圍覆蓋 900 – 1700 nm，非常適合檢測(cè)吸水峰。除了為水分量化提供相關(guān)數(shù)據(jù)外，與高光譜圖像一起嵌入的空間維度還揭示了水分分布。
在這項(xiàng)研究中，我們監(jiān)測(cè)并量化了一塊棉布的干燥時(shí)間。我們蘸了一個(gè)圓形的化妝棉。5 厘米（通常用于卸妝）放入水中，然后將其應(yīng)用于 Specim 實(shí)驗(yàn)室掃描儀 40×20。我們使用 Specim FX17 高光譜相機(jī)監(jiān)測(cè)它的干燥情況，并每 4 分鐘進(jìn)行一次測(cè)量，直到它完全干燥。它需要在 264 分鐘內(nèi)總共進(jìn)行六十七 (67) 次測(cè)量。我們使用 SpecimINSIGHT 軟件分析數(shù)據(jù)。
干燥棉墊的光譜分析
每個(gè)圖像首先根據(jù)黑暗和白色參考進(jìn)行歸一化。然后通過(guò)將實(shí)驗(yàn)期間獲取的所有 67 張圖像組合到一個(gè)文件中來(lái)創(chuàng)建馬賽克。這幅馬賽克描繪了不同干燥階段的棉墊，從右上角開(kāi)始，當(dāng)時(shí)它非常潮濕，在右下角干燥。馬賽克從左到右，從上到下，一行一行地填滿。
如圖 1A 所示，在干燥過(guò)程后可以看到假 RGB 馬賽克圖像的清晰漸變。光譜揭示了相同的趨勢(shì)：那些與濕樣品相關(guān)的光譜在 970、1150 和 1420 nm 處表現(xiàn)出最深的光譜吸收，而這些峰隨著干燥時(shí)間的推移而消失。在 3.5 小時(shí)后（在過(guò)去的十次測(cè)量中），干燥的加速也很明顯。
A) RGB 偽色圖像（紅色：1133 nm；綠色：1280 nm 和藍(lán)色：1488 nm）
B) 具有空間選擇的 RGB 偽色圖像 [與 (A) 相同]
C) 與每個(gè)圖像相關(guān)的光譜，對(duì)每個(gè)選擇進(jìn)行平均 (B)
圖 1：與化妝棉干燥相關(guān)的錯(cuò)誤 RGB 和 NIR 光譜
建模——PLS 回歸
建立 PLS 回歸來(lái)量化化妝棉的干燥程度。回歸變量稱(chēng)為“干燥”，范圍從 0 到 264（對(duì)應(yīng)于以分鐘為單位的干燥時(shí)間）。請(qǐng)注意，使用 SpecimINSIGHT，回歸可以只建立在樣本上，而不管背景如何。為了訓(xùn)練模型，每隔兩張圖像都會(huì)被考慮在內(nèi)。模型的準(zhǔn)確性是在所有其他圖像上估計(jì)的。
回歸的預(yù)測(cè)性能如圖 2 所示。對(duì)于每個(gè)棉墊，我們制作了一個(gè)代表干燥的熱圖，突出了高光譜成像與描述變量分布的相關(guān)性。構(gòu)建的模型具有非常高的準(zhǔn)確性，R2 為 0.98。查看實(shí)際值與預(yù)測(cè)值，非常濕潤(rùn)的棉花的干燥更難以量化。圖 1C 的光譜與此相關(guān)，表明在干燥開(kāi)始時(shí)，僅觀察到與水相關(guān)的吸收峰深度的輕微變化。
我們構(gòu)建了第二個(gè)模型，類(lèi)似于之前展示的模型，但這次是在每秒采集的 61 張圖像上。R2 為 0.97。在第二個(gè)模型中，更多地關(guān)注濕樣品，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值表明第二個(gè)模型在干燥過(guò)程開(kāi)始時(shí)更準(zhǔn)確。這突出表明，根據(jù)樣本及其水分含量，訓(xùn)練樣本的選擇對(duì)于構(gòu)建準(zhǔn)確的模型至關(guān)重要。
A) PLS 回歸熱圖（最小值 = 0；最大值 = 264）
B) 第一個(gè)回歸模型的回歸圖（每 4 分鐘獲取一次數(shù)據(jù)）
C) 第二個(gè)回歸模型的回歸圖（每 2 分鐘獲取一次數(shù)據(jù)）
圖 2：“干燥”回歸模型的預(yù)測(cè)性能
結(jié)論:
Specim FX17適用于準(zhǔn)確量化樣品的水分含量，此處為棉墊。此外，SpecimINSIHGT 是執(zhí)行此類(lèi)分析并構(gòu)建適當(dāng)回歸模型的相關(guān)軟件。這些模型可以加載到 SpecimCUBE 中進(jìn)行實(shí)時(shí)量化。
最后，這項(xiàng)研究表明，訓(xùn)練樣本的選擇強(qiáng)烈影響模型的預(yù)測(cè)性能。
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智能多維系統(tǒng)
一鍵自動(dòng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)如顯示屏，logo燈，氛圍燈等亮度，色度，均勻性的綜合發(fā)光品質(zhì)參數(shù)的測(cè)試要求，并輸出分析報(bào)告；可自定義測(cè)試條件或分析要求，如VESA 2.0，顯示屏國(guó)標(biāo)要求等，為用戶提供精準(zhǔn)的解決方案。
EOL
離線一鍵檢測(cè)，控制產(chǎn)品自動(dòng)點(diǎn)亮與熄滅，同步檢測(cè)電參數(shù)，掃碼追溯每個(gè)產(chǎn)品的光學(xué)參數(shù)品質(zhì)，可用于車(chē)載液晶、氛圍燈（單色或多色 ）、尾燈、儀表、閱讀燈等光度學(xué)和色度學(xué)綜合品質(zhì)控制指標(biāo)的體系化檢測(cè)和分析，為用戶提供精準(zhǔn)的解決方案。
RGB調(diào)光反饋校準(zhǔn)系統(tǒng)
RGB自動(dòng)化在線檢測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)，包含上料，燒錄，校準(zhǔn)，打標(biāo)，下料等工位，實(shí)現(xiàn)可整體、可獨(dú)立操作；支持多通道燒錄和校準(zhǔn)，提升工作效率；通過(guò)LIN通訊將校準(zhǔn)參數(shù)回寫(xiě)，并復(fù)測(cè)驗(yàn)證校準(zhǔn)的調(diào)光混色結(jié)果，為用戶提供精準(zhǔn)、可靠的解決方案。
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