【技術文章】瓦赫寧根大學及研究中心的研究人員如何開發用于新鮮農產品分析的完全獨立的光譜成像系統

基于芬蘭制造商 Specim 的高光譜相機，瓦赫寧根大學及研究中心 (WUR) 的研究人員開發了一種智能一體化光譜成像 (ASI) 實驗室系統，用于標準化、自動化的數據采集和實時光譜模型部署。一個完全獨立的系統集成了兩個在互補光譜范圍內工作的不同高光譜相機，已證明其能夠可靠地進行新鮮農產品分析。

高光譜成像已在科學和工業應用中使用很長時間。在眾多用例中，高光譜成像已被證明是一種用于高級分類和材料分析的強大技術。與傳統成像系統相比，高光譜成像的范圍超出了可見光譜，使其能夠檢測人眼不可見的信息。

高光譜成像在許多領域提供了無與倫比的能力，而精確表征和識別是至關重要的。雖然高光譜成像已在各個行業和研究領域展現出顯著的優勢和潛力，但數據采集和分析的復雜性阻礙了它的廣泛應用——到目前為止。

為了克服這一挑戰，荷蘭瓦赫里大學和研究中心的 Puneet Mishra 博士及其同事開發了一套系統，讓沒有高光譜成像深度知識的用戶也能從這項技術中獲益。芬蘭制造商 Specim 的高光譜線掃描相機是該項目的關鍵組成部分。

在傳統的圖像處理市場中，智能相機等眾多系統使用戶無需機器視覺知識即可解決任務。高光譜成像沒有這種按鈕式成像系統，因此需要構建一個易于使用的一鍵式系統。Mishra 等人 (2022) 開發了一種智能一體化光譜成像 (ASI) 實驗室系統，用于標準化、自動化的數據采集和實時光譜模型部署，以簡化高光譜圖像采集。

過去，為了將光譜成像應用于常規分析，我們必須克服一些困難。光譜成像面臨的主要挑戰之一是市場上現有的相機通常需要系統集成和校準建模。

此外，目前市場上的大多數高光譜傳感器都是作為數據采集工具提供的。為了進行測量和開發模型，用戶需要設計必須集成傳感器的實驗裝置。研究實驗室遵循的最佳實踐是分步進行數據采集和建模。盡管這種方法已顯示出潛力，但非專家不能認為它是日常使用的實用解決方案。

為了讓高光譜成像更加簡單，尤其是對于非專業用戶，WUR 研究人員開發了一種標準化的光譜成像系統，該系統內置了計算功能，可最大程度地減少來自不必要來源對測量的影響。目標是避免系統重新集成，并重復使用校準模型以實現可重復的測量。

成功實現該系統的關鍵決定是選擇合適的高光譜相機。在這一點上，WUR 的開發人員選擇了 Specim 的高光譜線掃描 Specim FX10 和 FX17 相機。對于系統所需的緊湊設計，Specim 相機的機械尺寸非常完美。在分辨率和速度方面，這些相機也能夠毫無問題地滿足規格要求。

作為 Specim 相機的補充，研究人員集成了受控的標準化照明環境、內置計算系統以及用于自動圖像采集和模型部署的嵌入式軟件。此設置是實時探索 ASI 系統中樣本屬性的空間分布的基礎。

圖 3：配備 Specim FX10 和 FX17 相機的一體式光譜柜。數據建模的靈感來自互補數據融合，并采用 Puneet Mishra 博士開發的特殊數據融合方法執行。圖片來源：瓦赫寧根大學及研究中心

為了展示 ASI 框架的能力，WUR 研究人員進行了水果特性分析的典型案例。ASI 設置分析水果特性的能力針對葡萄、櫻桃、梨和獼猴桃等多種水果進行了展示。人眼和傳統機器視覺相機對 380 至 760 nm 之間的波長敏感。由于局限于該范圍，了解與水果成熟度相關的化學參數（例如水分和可溶性固體含量）很困難。相比之下，高光譜相機的擴展波長范圍使得預測水分和可溶性固體含量等參數成為可能。

該機器最初使用的是 Specim FX10 高光譜相機，該相機在 400 至 1000 nm 的可見和近紅外 (VNIR) 光譜范圍內工作。僅使用 FX10，就可以檢查水果的含糖量和其他一些特征，但為了實現更高要求的設備，以收集更詳細的信息和更高質量的信息，以便能夠可靠地分析肉類和其他食品等，還添加了基于 InGaAs 的 Specim FX17 近紅外 (NIR) 高光譜相機，該相機的波長范圍為 900 至 1700 nm。傳感器融合為分析食品和其他有機物體提供了更多選擇。

圖 4： Specim 的 FX10 和 FX17 高光譜相機是水果檢測系統的關鍵組件，波長范圍覆蓋 400 至 1700 nm。圖片來源：Specim

Specim FX10 和 Specim FX17 相互補充，尤其是在測量新鮮水果等高水分樣品時。對于新鮮水果，研究發現，由于 400 – 1000 nm 光譜范圍內水分子的吸水系數較低，因此 VNIR 光的穿透深度更高，從而可以捕獲更多的地下體積信息。在 900 至 1700 nm 范圍內，水分子的吸水系數較高，因此可以更好地分析樣品的表面水分。

Specim FX17 相機在記錄速度方面非常靈活，因為它提供了從 224 個波長帶中進行選擇和評估的選項，并且僅使用那些為當前應用提供相關信息的波長帶。通過減少觀察到的波長數量，當使用所有 224 個波長帶時，Specim FX17 的標準記錄速度為每秒 670 線，而當僅關注幾個波長帶時，記錄速度可以提高到每秒幾千線。此屬性稱為多感興趣區域 (MROI)。它在 Specim FX10 和 FX17 相機上都可用，為用戶提供了非常高的速度靈活性，而不會降低準確性。此外，MROI 減少了數據量，以便于處理和數據存儲。在一個系統中使用 Specim FX10 和 FX17 相機提高了檢查精度，并能夠在 400 至 1700 nm 的整個波長范圍內進行質量檢查。

圖 5：使用 Specim 的 FX10 和 FX17 高光譜相機可以比僅使用一臺相機更精確地預測水果特性。圖片來源：Specim

Puneet Mishra 博士及其同事開發的一體化光譜成像系統基于 Specim FX10 和 FX17 高光譜相機，滿足了精確分析各種新鮮水果中水分和可溶性固體含量的要求。該系統的性能與廣泛用于近紅外分析的商用點光譜儀系統進行了對比。ASI 系統實現了與長期成熟的技術類似的性能，ASI 設置的預測與商用光譜儀之間的差異很小。此外，高光譜成像還具有點光譜儀無法比擬的其他優勢。

與點光譜儀相比，ASI 開發的一個主要優勢是，由于 Specim FX 高光譜相機捕獲了豐富的空間信息，它允許探索空間分布特性。此外，ASI 設置可以重復使用在實驗室實驗期間獲得的現有光譜數據和模型。這為更廣泛地使用光譜傳感開辟了新的選擇，其中模型和數據可以在不同的光譜用戶之間共享。

此外，ASI 是一個完全移動的系統，可以帶到樣品現場，而不是將樣品帶到實驗室。在許多用例中，這比傳統技術具有巨大優勢。最后但并非最不重要的是，它只需不到 40 秒即可獲得結果。在過去，人們可能需要等待幾天才能獲得水分含量分析的結果。

ASI 系統使用起來非常方便，即使是非專家用戶也有機會了解這項技術的潛力。研究人員已經在使用 ASI 系統對各種食品進行實驗。由于該設備的便攜性，該系統的可能性還遠遠沒有耗盡。

圖 6：獼猴桃分析的一體化光譜成像 (ASI) 設置和工作流程概述。圖片來源：瓦赫寧根大學及研究中心