基于核磁共振成像的梨果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)方法研究.pdf

1、水果含有人體所需的多種礦物質(zhì)和維生素等，對(duì)維持人體正常的生理功能有著重要的作用，它是人類飲食結(jié)構(gòu)的基本組成部分，在人們的日常生活中必不可少。我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，水果種植面積和產(chǎn)量在全世界名列前茅。水果采后商品化處理水平低是影響國(guó)內(nèi)水果在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素之一，因此實(shí)現(xiàn)水果外觀與內(nèi)部品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)及分級(jí)已成為國(guó)內(nèi)水果產(chǎn)業(yè)化的必要前提。目前水果無(wú)損檢測(cè)與分級(jí)主要有基于可見(jiàn)光技術(shù)的外部品質(zhì)檢測(cè)與光譜技術(shù)的內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)兩大類，外部品質(zhì)檢測(cè)

2、技術(shù)較為成熟，但對(duì)于外部輕微損傷缺陷及內(nèi)部缺陷的檢測(cè)還存在不足之處，如檢測(cè)效果受損傷時(shí)間影響，內(nèi)部缺陷受檢測(cè)位置及水果大小影響等。核磁共振成像技術(shù)可反映水果內(nèi)部含水量的變化，應(yīng)用其進(jìn)行檢測(cè)具有無(wú)損、可視化、安全無(wú)輻射、不受樣品大小影響等優(yōu)點(diǎn)。
　　梨是國(guó)內(nèi)水果產(chǎn)量居第三位的水果。本研究利用核磁共振成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)，對(duì)梨果擠壓損傷、跌落損傷、內(nèi)部褐變?nèi)N不同缺陷進(jìn)行無(wú)損鑒別與分級(jí)，并建立了梨果堅(jiān)實(shí)度與磁共振質(zhì)地系數(shù)間的相關(guān)模型

3、。利用醫(yī)用核磁共振設(shè)備，采集了梨果中的鴨梨、香梨和黃花梨的冠狀面核磁共振T2加權(quán)圖像，經(jīng)過(guò)圖像轉(zhuǎn)換、圖像預(yù)處理、特征提取等處理實(shí)現(xiàn)對(duì)鴨梨擠壓損傷及跌落損傷的識(shí)別、香梨內(nèi)部褐變的識(shí)別，并對(duì)鴨梨跌落損傷階段及香梨褐變嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí);通過(guò)統(tǒng)計(jì)和分析黃花梨堅(jiān)實(shí)度和核磁共振圖像質(zhì)地系數(shù)間的皮爾森相關(guān)關(guān)系，建立了多元回歸模型。本文的研究目的在于驗(yàn)證核磁共振成像技術(shù)檢測(cè)水果外部的機(jī)械損傷及內(nèi)部缺陷的可行性，排除損傷時(shí)間對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并確定內(nèi)部褐

4、變的嚴(yán)重程度，為研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水果品質(zhì)在線檢測(cè)生產(chǎn)線提供方法依據(jù)。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容、結(jié)果和結(jié)論如下:
　　1)確定了用于梨果缺陷檢測(cè)的核磁共振圖像采集方式。分析了核磁共振設(shè)備所采集的圖像，結(jié)果表明:T2加權(quán)成像的清晰度可以完成本研究所需檢測(cè)的缺陷和內(nèi)部品質(zhì);且梨果冠狀面圖像比矢狀面圖像采集速度快，圖像處理簡(jiǎn)單方便;對(duì)于不同品種的梨果，由于大小不同，可采取不同的切片厚度和切片間距，以適合水果缺陷與品質(zhì)檢測(cè)。<

5、br>　　2)提出了用于鴨梨表面輕微損傷檢測(cè)的角點(diǎn)特征法，分析了擠壓損傷與正常鴨梨組織核磁共振圖像灰度的差異。對(duì)于采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)模擬的輕微壓傷，通過(guò)Otsu閾值分割、膨脹操作并提取邊界的圖像處理方法，最后對(duì)水果邊界進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)。試驗(yàn)對(duì)207幅有效鴨梨樣本圖像進(jìn)行輕微損傷檢測(cè)，輕微損傷鴨梨樣本的檢測(cè)正確率為92.1％;正常鴨梨截面圖像的檢測(cè)正確率為100％，畸形鴨梨截面圖像檢測(cè)正確率100％。試驗(yàn)還對(duì)真實(shí)輕微損傷鴨梨進(jìn)行損傷識(shí)別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)

6、對(duì)32個(gè)鴨梨真實(shí)損傷樣本識(shí)別時(shí)，識(shí)別率可達(dá)96.8％。結(jié)果表明，對(duì)鴨梨冠狀面切片邊界提取角點(diǎn)特征的方法可判斷鴨梨是否存在輕微擠壓損傷。
　　3)提出了用于鴨梨新舊跌落損傷檢測(cè)的圖像處理方法，分析了正常鴨梨與不同跌落損傷階段鴨梨組織核磁共振圖像灰度的差異，發(fā)現(xiàn)跌落損傷新傷組織圖像灰度比正常鴨梨組織圖像灰度高，跌落損傷舊傷組織圖像灰度比正常鴨梨組織圖像低。對(duì)于從離地面40mm架子上通過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)形成的跌落損傷，通過(guò)Otsu閾值分割、

7、去除果核、舊傷特征提取等圖像處理方法可以識(shí)別出舊傷水果;然后對(duì)判斷不為舊傷的水果作進(jìn)一步圖像處理，通過(guò)固定閾值分割、去除果核、新傷特征提取可以識(shí)別出新傷水果，余下的均為完好水果。試驗(yàn)對(duì)100個(gè)切片進(jìn)行跌落損傷檢測(cè)，60個(gè)舊傷切片中有59個(gè)被檢測(cè)為舊傷，1個(gè)被檢測(cè)為新傷，識(shí)別正確率為98.3％;20個(gè)新傷切片均被檢測(cè)為新傷，識(shí)別正確率為100％;20個(gè)完好切片均被檢測(cè)為完好水果，識(shí)別正確率為100％。結(jié)果表明，利用核磁共振成像不僅可以實(shí)現(xiàn)

8、鴨梨跌落損傷的識(shí)別，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)新傷和舊傷的識(shí)別。
　　比較了損傷不同階段損傷組織灰度的變化情況，采用典型判別分析方法，利用代表鴨梨切片圖像的圖像直方圖參數(shù)對(duì)鴨梨損傷階段判別的可行性進(jìn)行了研究。研究所選樣本的分類準(zhǔn)確率為81.3％;能夠較好地區(qū)分損傷第1階段和第4階段的鴨梨圖像，分類準(zhǔn)確率達(dá)到100％;但對(duì)于損傷第2階段和第3階段的圖像容易形成誤判，有較大的交叉區(qū)域，第2階段損傷鴨梨有6個(gè)被歸為第3階段損傷鴨梨，1個(gè)被歸為第1

9、階段鴨梨（該鴨梨損傷區(qū)域非常?。?，第3階段損傷鴨梨有8個(gè)被歸為第2階段損傷鴨梨。對(duì)于同一鴨梨切片，第2階段與第3階段圖像用肉眼觀察灰度差別也不是特別大，因此使用直方圖參數(shù)特征無(wú)法較好區(qū)分損傷第2階段與第3階段這種微弱的變化。將鴨梨分為損傷初期、中期和晚期三個(gè)階段重新進(jìn)行判別分析，該方法能較好區(qū)分鴨梨損傷階段，總的分類正確率為98.75％。結(jié)果表明，利用核磁共振成像結(jié)合直方圖特征參數(shù)可實(shí)現(xiàn)鴨梨損傷階段的判別，并且分為三個(gè)階段（損傷初期、中

10、期和晚期）效果較好。
　　4)針對(duì)庫(kù)爾勒香梨在貯藏過(guò)程中出現(xiàn)的內(nèi)部褐變?nèi)毕荩崃嘶诤舜殴舱駡D像的自動(dòng)圖像處理方法。對(duì)室溫貯藏六個(gè)月的新疆庫(kù)爾勒香梨，通過(guò)定期采集圖像，觀察其貯藏過(guò)程中的褐變變化情況，通過(guò)Otsu閾值分割、果核/水果區(qū)域像素比、形態(tài)學(xué)操作、去除果核、提取褐變特征等圖像處理步驟，可以判斷香梨是否存在內(nèi)部褐變。試驗(yàn)對(duì)貯藏過(guò)程中42個(gè)香梨的128個(gè)有效切片進(jìn)行內(nèi)部褐變檢測(cè)，該圖像處理方法對(duì)褐變切片的識(shí)別正確率達(dá)到100％

11、，對(duì)于正常切片的識(shí)別正確率為84％，總的識(shí)別正確率為98％。同時(shí)，通過(guò)分析我們還發(fā)現(xiàn)，該算法對(duì)貯藏后期的香梨總體褐變識(shí)別率比較高，這可能與貯藏前期香梨內(nèi)部復(fù)雜的物理化學(xué)變化有關(guān)。結(jié)果表明，利用形態(tài)學(xué)的圖像處理方法可實(shí)現(xiàn)褐交香梨的無(wú)損識(shí)別。
　　分析了褐變香梨區(qū)域直方圖，將香梨分為完好香梨、輕度褐變、中度褐變及重度褐變四類，結(jié)合褐變識(shí)別圖像處理方法，各類香梨對(duì)應(yīng)的識(shí)別準(zhǔn)確率分別為84％、95％、94.4％和100％，輕度和中度褐變香