畢業(yè)論文—水果損傷紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　水果損傷紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘 要：在水果的整個生產(chǎn)和消費過程中，水果損傷檢測始終不容忽視，本文嘗試運用脈沖紅外熱波技術(shù)進行檢測，以具有代表性的蘋果和甜瓜為例，所檢測的損傷類型包括表面壓傷、碰傷、表面腐爛和表面疤痕等。該檢測系統(tǒng)以脈沖閃光燈作為熱激勵源，當被測物體即水果感受到脈沖光的作用時會產(chǎn)生熱響應(yīng)，將水果熱響應(yīng)的圖像用紅外熱像儀記錄下來，再對圖像進行進一步的處理和分析

2、，據(jù)此判斷所測物體是否含有缺陷。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：水果損傷; 脈沖紅外熱波技術(shù); 熱響應(yīng); 損傷檢測</p><p>　　Abstract：In the entire process of production and consumption of the fruit, the detection of the damage would never be ignored. I

3、n this paper, we tried to test whether the technology of the thermal wave imaging would work in detecting the damage, we chose apples and melon as experimental subject, the damage types we tested include the bruised in t

4、he surface, bruising, decay and the scars in the surface, etc. The detection system uses pulse flash as a heat source, when the object, that is to say, </p><p>　　Key words： Fruit damage; Thermal wave imaging

5、; Thermal response; Damage detection</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　我國水果的種植面積大、產(chǎn)量高，而現(xiàn)在，水果生產(chǎn)的重點已經(jīng)慢慢從提高數(shù)量轉(zhuǎn)移到提高質(zhì)量上來了。但由于水果的收購來源不一，因而水果的品質(zhì)就有好有壞，再加上在采摘、儲存及運輸?shù)冗^程中極易造成水果表面或內(nèi)部不同程度的損傷，因而進行水果損

6、傷檢測很有必要。一般來說，比較嚴重的損傷(如破損、 腐爛等)肉眼即可識別或者可運用計算機視覺技術(shù)在可見光范圍內(nèi)檢出。而輕微受損的水果從外表看不出明顯的變化, 受水果果皮顏色的影響，運用傳統(tǒng)的視覺檢測技術(shù)也很難檢出，但這些損傷卻導致水果極易被感染，隨著時間的推移,損傷部位就會慢慢腐爛變質(zhì)且影響周圍其他水果。與此同時，由于水果損傷檢測技術(shù)的短板，我國現(xiàn)在的果品分級系統(tǒng)遠落后于國際標準，這也是導致我國水果售價遠低于其它發(fā)達國家售價的一大原因。

7、所以，及時檢出受損水果對于減少經(jīng)濟損失具有重要意義，也有利于提高我國水果在國際市場中的競爭力等。</p><p>　　關(guān)于水果損傷的檢測，早已提出多種方法，每個方法都各有其優(yōu)、缺點。其中，X射線成像技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)均可用于檢測水果內(nèi)部缺陷，但由于設(shè)備昂貴難以運用于實際生產(chǎn)[1-2]。計算機視覺技術(shù)可用于檢測較嚴重的損傷，如明顯的腐爛和破損等[3]，但對于水果表皮下的損傷則無能為力，而且對于深色水果的擦傷檢測

8、易產(chǎn)生誤判。近紅外光譜分析技術(shù)可檢測出多種水果損傷，如蘋果內(nèi)部發(fā)生的褐變、水心、淀粉、淺層損傷等，又如柑橘的局部失水、浮皮等，檢測范圍也很廣泛，包括薄皮中小型果實如桃等，及厚皮大型果實如西瓜等[4-5]。高光譜圖像技術(shù)可檢測出圖像信息和光譜信息，圖像信息可反映出水果的外部品質(zhì)，光譜信息則可反映出水果的內(nèi)部品質(zhì)，根據(jù)水果內(nèi)、外部的綜合品質(zhì)就可實現(xiàn)分類的目的[6-7]。</p><p>　　近年來，紅外熱成像技術(shù)被發(fā)

9、現(xiàn)可應(yīng)用于水果損傷的檢測，國內(nèi)外均有相關(guān)研究。江蘇大學的黃星奕等人設(shè)計了一種可在900～1100nm處采用近紅外圖像處理技術(shù)對水果輕微損傷進行在線檢測的裝置[3] 。J.Varith等以熱風作為熱激勵源，同時運用3.4-5µm熱像儀成功檢測到蘋果碰傷缺陷[8]。X. Cheng等同時使用近紅外和中紅外攝像機成功實現(xiàn)了對經(jīng)過4攝氏度冷藏后的水果的外部品質(zhì)檢測[9]。Baranowsk等利用長波熱像儀檢測了經(jīng)過1.5度冷藏后到室溫

10、的蘋果，可檢測蘋果水心[10],用兩只大功率碘鎢燈加熱3秒，分析加熱過程溫度變化規(guī)律以及用脈沖相位算法分析降溫特征，實現(xiàn)了蘋果的早期碰傷檢測[11]。</p><p>　　我們所使用的脈沖紅外熱波技術(shù)不僅可以實現(xiàn)無損檢測，不破壞被測水果，還具有檢測速度快的特點，在工業(yè)生產(chǎn)上具有較高的可行性。在簡要介紹反射式脈沖紅外熱波技術(shù)的基本原理后，我們以蘋果和甜瓜為例，檢測了包括表面腐爛、表面壓傷、碰傷和表面疤痕在內(nèi)的損傷類

11、型，記錄下實驗結(jié)果，同時分析了各種缺陷在熱圖中反映出熱異常的原因。</p><p>　　2 脈沖紅外熱波技術(shù)原理</p><p>　　無損檢測技術(shù)是指在不破壞被檢測對象的前提下，通過運用物理方法，包括聲、光、電、圖像視覺技術(shù)等，實現(xiàn)對物體內(nèi)、外部品質(zhì)的檢測分析。一般情況下是將一個較高的能量施加給待測物體，通過研究待測物在所施加能量下的表現(xiàn)獲得待測物的某些物理化學特性。無損檢測技術(shù)最大的特

12、點就是在獲取所需待測物體的信息的同時保證了樣本的完整性。脈沖紅外熱波技術(shù)作為光技術(shù)，就是一種無損檢測技術(shù)，在不損傷待測水果的條件下實現(xiàn)損傷檢測。</p><p>　　水果損傷紅外檢測系統(tǒng)的設(shè)計如圖1所示，實驗中所用熱源是兩個脈沖閃光燈，它們在脈沖模式下可以釋放出高熱量，實現(xiàn)對被測水果表面的瞬時加熱。當水果表面吸收了瞬時熱量后溫度會瞬間升高，緊接著熱量逐漸從水果表面向內(nèi)部傳遞，從而導致表面溫度的降低和內(nèi)部溫度的升高

13、。當水果內(nèi)部有變質(zhì)腐爛等損傷時，會表現(xiàn)出不同于正常果肉的溫度變化。在整個過程中使用高速紅外熱像儀記錄下水果表面溫度的變化過程，通過后期處理和分析熱圖，我們就能判斷被測水果是否有缺陷。</p><p>　　圖1 水果損傷紅外檢測系統(tǒng)</p><p>　　當物體表面感受到脈沖閃光燈的作用后，其表面會吸收瞬時熱能，熱量以熱波的形式迅速從物體表面向其內(nèi)部傳播，當遇到兩種不同材料的非絕熱界面后會發(fā)

14、生反射和透射，受損果肉和正常果肉就是兩種不同材料，所以在熱圖上會表現(xiàn)出兩種狀態(tài)。</p><p>　　實驗前需要對被測物體表面進行處理，使其表面更均勻且具有較好的表面熱輻射率和熱吸收率，這在一定程度上可以減少實驗誤差。處理過后的表面可近似看做是均勻的，當被測物體內(nèi)部有缺陷或結(jié)構(gòu)有異常時，通過觀察熱對比度可明顯看出正常區(qū)域和缺陷區(qū)域之間的差異，從而實現(xiàn)對物體缺陷的檢測。同時熱對比度與缺陷部位所在的深度有關(guān)，當深度越

15、小時，熱對比度越大，在熱圖序列中出現(xiàn)的時間越早。</p><p>　　將其應(yīng)用于水果檢測時，因為水果表面可能存在不同損傷，所以不可能做類似于其他無損檢測時的表面均勻處理。而對于已經(jīng)變黑的表面腐爛果肉，相對于正常區(qū)域的果肉，由于水分流失且存在微生物反應(yīng)等，其熱特性相差會更大，同時其熱輻射率和熱吸收率也有較大差異。這些因素對實驗結(jié)果的影響會在后文對實驗結(jié)果的分析中進行解釋。</p><p>&

16、lt;b>　　3 材料和實驗</b></p><p>　　準備貯存的水果，要保證其表面無黑、紅點且無碰撞、破損等，這樣的水果才能真正實現(xiàn)長期貯存，所以分級過程就要求要能夠正確識別出這些缺陷。我們知道水果在采摘、包裝、儲運及加工等各個環(huán)節(jié)中都有可能受到損傷，而且受損傷的概率較高，各種外力作用或是水果間的相互碰撞等就是造成機械損傷的主要原因之一。在這里我們選擇了易出現(xiàn)常見缺陷類型的蘋果和甜瓜作為實

17、驗對象，以脈沖紅外熱波技術(shù)作為實驗依據(jù)，以兩個高能脈沖閃光燈作為脈沖熱源。閃光燈的最高能量為4.8KJ，其輸出能量可調(diào)，距離被測水果大約30cm。實驗中所選用的紅外熱像儀的波段范圍為8-9 μm，在室溫下其熱靈敏度低于20mk，其距離被測水果大約35cm，采集頻率均設(shè)為60Hz。</p><p>　　3.1 蘋果損傷檢測</p><p>　　4個富士蘋果，從左至右依次編為1號、2號、3號

18、、4號。1號、2號兩個蘋果較大且品種相同，1號顏色較淺，2號顏色較深；3號、4號兩個蘋果較小且品種相同，顏色均相對較淺。1號蘋果有一條縱向的較長的壓痕，并且已經(jīng)變色，在這條壓痕下方有一條較短的橫向壓痕與之相交，其顏色相對較淺，肉眼基本上發(fā)現(xiàn)不了。2號蘋果下方有一處較大的碰傷，已經(jīng)凹陷并且明顯變色。3號蘋果上方有兩處明顯的腐爛。4號蘋果左上角和右方分別有一處小的壓痕，且已變色。</p><p>　　1秒作用下時的紅

19、外熱波實驗結(jié)果如圖3所示。對于1號蘋果，盡管橫向壓痕顏色比縱向壓痕淺的多，肉眼幾乎難以發(fā)現(xiàn)，但在熱圖中我們可以看到，相對于正常區(qū)域，橫向壓痕同縱向壓痕一樣均表現(xiàn)出了明顯的熱異常。對于2號蘋果，在熱圖中可以明顯看到，碰傷部位的邊緣區(qū)域相對于正常區(qū)域來說更亮，與此同時碰傷位置的中央?yún)^(qū)域相對于正常區(qū)域要稍暗一點。對于3號蘋果，兩處腐爛位置反映在熱圖中均較亮，而且除了這兩處以外，在熱圖中3號蘋果還有好幾處位置較亮，仔細觀察3號蘋果也隱約可發(fā)現(xiàn)對

20、應(yīng)位置其內(nèi)部為黑色，說明熱圖中所反映的蘋果內(nèi)部的相應(yīng)位置確實有變質(zhì)。而對于4號蘋果，除了可以看到兩個明顯的壓痕較亮外，圖片的下方也有較亮區(qū)域，說明其內(nèi)部果肉已變質(zhì)。</p><p>　　8秒作用下時的紅外熱波實驗結(jié)果如圖4所示，該熱圖反映的是相對較晚時刻的結(jié)果，也就是說它所反映的是較深的缺陷，相對1秒時的熱圖結(jié)果，其對應(yīng)缺陷部位的熱對比度也相對較小。對于1號蘋果，此時縱向壓痕的熱對比度明顯小于與其相交的橫向壓痕，

21、表明橫向壓痕所損傷的深度與縱向壓痕相比更深；同時，與縱向壓痕平行的右側(cè)在1秒時沒有出現(xiàn)熱異常，但現(xiàn)在可以隱約看到熱異常，表明該部位內(nèi)部可能存在較深的損傷，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是越深的缺陷在熱圖中顯現(xiàn)的時間越晚。對于2號蘋果，由于其損傷面積和深度均較大，8秒時的熱圖也可以看到明顯的熱對比度差異。對于3號蘋果，除了兩處腐爛位置外，依舊存在好幾處較亮區(qū)域，與1秒時的熱圖相對比，可以確認這些較亮區(qū)域?qū)儆趦?nèi)部損傷。對于4號蘋果，其表面存在較小壓痕，

22、但反映到較晚時刻熱圖中，熱量已經(jīng)達到平衡狀態(tài)，所以其對應(yīng)熱對比度很小。</p><p>　　圖2 不同損傷類型的蘋果</p><p>　　圖3 1秒后的受損圖像</p><p>　　圖4 8秒后的受損圖像</p><p>　　3.2 甜瓜損傷檢測</p><p>　　如圖5所示，，可以看到我們所挑選的甜瓜的表面

23、有一處很明顯且面積較大的腐爛部位，同時還可看到幾處明顯的傷疤。在紅外熱波的作用下，其0.016和2秒時的熱圖如圖6、圖7所示，我們可以看到，腐爛部位和傷疤部位在熱圖中均較亮。在0.016秒時刻的熱圖中，表面存在的較小的壓痕和碰傷等都較亮，但由于熱擴散效應(yīng)，在2秒時這些小損傷的熱量已經(jīng)散發(fā)。同時，我們發(fā)現(xiàn)瓜蒂在熱圖中也表現(xiàn)為較亮區(qū)域，所以實際運用時還需要注意排除瓜蒂對實驗結(jié)果的影響。 </p><p><

24、;b>　　圖5 受損的甜瓜</b></p><p>　　圖6 0.016秒后的受損圖像</p><p>　　圖7 2秒后的受損圖像</p><p><b>　　3.3 討論</b></p><p>　　實驗選取了蘋果和甜瓜兩種水果，且涵蓋了包括表面壓傷、碰傷、表面腐爛和表面疤痕等在內(nèi)的常見的水果

25、損傷類型，運用脈沖紅外熱波技術(shù)都能夠進行有效的檢測，當然，得到的熱圖各不相同，而產(chǎn)生熱異常的原因也不一樣。在脈沖能量的作用下，水果顏色不同會造成熱輻射率和熱吸收率存在差異，同時從而導致不同水果的初始溫度并不相同，而腐爛部位的降溫過程與正常部位之間也存在著較大差異，這些差異綜合到一起就表現(xiàn)為熱圖之間的差異。相對較淺的損傷，比如微小的壓痕等，它的受損面積和深度都較小，所以其表面可能并未變色，也正是因為其損傷深度較小，所以熱波反射會出現(xiàn)得更早

26、，反映在熱圖中就表現(xiàn)為可以更早地得到更好的觀察效果。而對于碰傷類的損傷，由于受損的蘋果會出現(xiàn)水分流失等，所以會造成其熱特性改變較大，反映在熱圖中就表現(xiàn)為在較早時刻損傷部位會出現(xiàn)較好的熱對比度，能夠很清晰地觀察到損傷邊緣。而在較晚時刻，由于熱擴散效應(yīng)，整個碰傷區(qū)域都會表現(xiàn)出較好的熱對比度，有利于我們觀測到整個損傷區(qū)域。腐爛部位在脈沖能量作用后的較長的時間段內(nèi)仍然存在相對較大的熱對比度，也就更容易被檢測到。</p><p

27、><b>　　4 結(jié)語</b></p><p>　　本文實驗了將紅外熱波技術(shù)運用于檢測水果損傷，以蘋果、甜瓜為例，所檢測的缺陷損傷包括表面壓傷、碰傷、表面腐爛和表面疤痕等等。通過紅外熱波技術(shù)我們可以得到熱圖，通過分析熱圖就能夠判斷出所測水果是否受到損傷，而且應(yīng)用該技術(shù)不僅能夠?qū)⒈砥び袚p傷的水果成功檢測出來，還能夠更進一步檢測出肉眼完全發(fā)現(xiàn)不了的存在于水果內(nèi)部的缺陷。在成功檢測到水果損

28、傷的同時，我們也簡要解釋了能夠進行將該技術(shù)應(yīng)用于檢測的理論依據(jù)，以及內(nèi)部損傷的深度不同造成不同時間的熱圖不同的原因。雖然脈沖紅外熱波技術(shù)可以檢測出不同水果表面及內(nèi)部的一些常見損傷，但要實現(xiàn)實際應(yīng)用過程中所涉及的水果分類和分級等，還需要對熱圖中所反映的缺陷的圖像進行進一步處理和識別等，深入研究方可達到實用的目的。</p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p

29、>　　[1] Diener, R. G., Mitchell, J. P., Rhoten, M. L, Using an X ray image scan to sort bruised apples, Agricultural Engineering, 1970, 51(6), 356 –361. </p><p>　　[2] Chen, P., McCarthy, M. J., Kauten, R.,

30、 NMR for internal quality evaluation of fruits and vegetables. Transactions of the ASAE. 1989, 32(5), 1747 –1753.</p><p>　　[3] 黃星奕，劉益權(quán)，趙杰文.基于近紅外圖像技術(shù)的水果輕微損傷檢測.微計算機信息.2007, 23(34)，p 229-231. </p>&

31、lt;p>　　[4] 韓東海，王加華，水果內(nèi)部品質(zhì)近紅外光譜無損檢測研究進展，中國激光，2008，35（8），1123-1131</p><p>　　[5] Pen, C. L., Bilanski, W. K., & Fuzzen, D. R. (1985). Classification analysis of good and bruised peeled apple tissue using

32、 optical reflectance. Transactions of the ASAE, 18(1), 326 –330. </p><p>　　[6] 洪添勝，李震，吳春胤，劉敏娟，喬軍，Wang Ning，高光譜圖像技術(shù)在水果品質(zhì)無損檢測中的應(yīng)用，2007,23（11）：280-285.</p><p>　　[7] Piotr Baranowski, Wojciech Mazur

33、ek, Joanna Wozniak, Urszula Majewska, Detection of early bruises in apples using hyperspectral data and thermal imaging, Journal of Food Engineering 110 (2012) 345–355.</p><p>　　[8] J. Varith, G.M. Hyde, A.L

34、. Baritelle, J.K. Fellman, T. Sattabongkot, Non-contact bruise detection in apples by thermal imaging, Innovative Food Science and Emerging Technologies 4 (2003) 211–218</p><p>　　[9] X. Cheng, Y. Tao, Y. R.

35、Chen, Y. Luo，NIR/MIR dual-sensor machine vision system for online apple stem-end/calyx recognition, Transactions of the ASAE, 2003, Vol. 46(2): 551–558.</p><p>　　[10] Piotr Baranowski, Janusz Lipecki, Wojcie

36、ch Mazurek, Ryszard T. Walczak, Detection of watercore in ‘Gloster’ apples using thermography, Postharvest Biology and Technology 47 (2008) 358–366.</p><p>　　[11] Piotr Baranowski ,Wojciech Mazurek, Barbara