【技术文章】瓦赫宁根大学及研究中心的研究人员如何开发用于新鲜农产品分析的完全独立的光谱成像系统

基于芬兰制造商 Specim 的高光谱相机，瓦赫宁根大学及研究中心 (WUR) 的研究人员开发了一种智能一体化光谱成像 (ASI) 实验室系统，用于标准化、自动化的数据采集和实时光谱模型部署。一个完全独立的系统集成了两个在互补光谱范围内工作的不同高光谱相机，已证明其能够可靠地进行新鲜农产品分析。

高光谱成像已在科学和工业应用中使用很长时间。在众多用例中，高光谱成像已被证明是一种用于高级分类和材料分析的强大技术。与传统成像系统相比，高光谱成像的范围超出了可见光谱，使其能够检测人眼不可见的信息。

高光谱成像在许多领域提供了无与伦比的能力，而精确表征和识别是至关重要的。虽然高光谱成像已在各个行业和研究领域展现出显著的优势和潜力，但数据采集和分析的复杂性阻碍了它的广泛应用——到目前为止。

为了克服这一挑战，荷兰瓦赫里大学和研究中心的 Puneet Mishra 博士及其同事开发了一套系统，让没有高光谱成像深度知识的用户也能从这项技术中获益。芬兰制造商 Specim 的高光谱线扫描相机是该项目的关键组成部分。

在传统的图像处理市场中，智能相机等众多系统使用户无需机器视觉知识即可解决任务。高光谱成像没有这种按钮式成像系统，因此需要构建一个易于使用的一键式系统。Mishra 等人 (2022) 开发了一种智能一体化光谱成像 (ASI) 实验室系统，用于标准化、自动化的数据采集和实时光谱模型部署，以简化高光谱图像采集。

过去，为了将光谱成像应用于常规分析，我们必须克服一些困难。光谱成像面临的主要挑战之一是市场上现有的相机通常需要系统集成和校准建模。

此外，目前市场上的大多数高光谱传感器都是作为数据采集工具提供的。为了进行测量和开发模型，用户需要设计必须集成传感器的实验装置。研究实验室遵循的最佳实践是分步进行数据采集和建模。尽管这种方法已显示出潜力，但非专家不能认为它是日常使用的实用解决方案。

为了让高光谱成像更加简单，尤其是对于非专业用户，WUR 研究人员开发了一种标准化的光谱成像系统，该系统内置了计算功能，可最大程度地减少来自不必要来源对测量的影响。目标是避免系统重新集成，并重复使用校准模型以实现可重复的测量。

成功实现该系统的关键决定是选择合适的高光谱相机。在这一点上，WUR 的开发人员选择了 Specim 的高光谱线扫描 Specim FX10 和 FX17 相机。对于系统所需的紧凑设计，Specim 相机的机械尺寸非常完美。在分辨率和速度方面，这些相机也能够毫无问题地满足规格要求。

作为 Specim 相机的补充，研究人员集成了受控的标准化照明环境、内置计算系统以及用于自动图像采集和模型部署的嵌入式软件。此设置是实时探索 ASI 系统中样本属性的空间分布的基础。

图 3：配备 Specim FX10 和 FX17 相机的一体式光谱柜。数据建模的灵感来自互补数据融合，并采用 Puneet Mishra 博士开发的特殊数据融合方法执行。图片来源：瓦赫宁根大学及研究中心

为了展示 ASI 框架的能力，WUR 研究人员进行了水果特性分析的典型案例。ASI 设置分析水果特性的能力针对葡萄、樱桃、梨和猕猴桃等多种水果进行了展示。人眼和传统机器视觉相机对 380 至 760 nm 之间的波长敏感。由于局限于该范围，了解与水果成熟度相关的化学参数（例如水分和可溶性固体含量）很困难。相比之下，高光谱相机的扩展波长范围使得预测水分和可溶性固体含量等参数成为可能。

该机器最初使用的是 Specim FX10 高光谱相机，该相机在 400 至 1000 nm 的可见和近红外 (VNIR) 光谱范围内工作。仅使用 FX10，就可以检查水果的含糖量和其他一些特征，但为了实现更高要求的设备，以收集更详细的信息和更高质量的信息，以便能够可靠地分析肉类和其他食品等，还添加了基于 InGaAs 的 Specim FX17 近红外 (NIR) 高光谱相机，该相机的波长范围为 900 至 1700 nm。传感器融合为分析食品和其他有机物体提供了更多选择。

图 4： Specim 的 FX10 和 FX17 高光谱相机是水果检测系统的关键组件，波长范围覆盖 400 至 1700 nm。图片来源：Specim

Specim FX10 和 Specim FX17 相互补充，尤其是在测量新鲜水果等高水分样品时。对于新鲜水果，研究发现，由于 400 – 1000 nm 光谱范围内水分子的吸水系数较低，因此 VNIR 光的穿透深度更高，从而可以捕获更多的地下体积信息。在 900 至 1700 nm 范围内，水分子的吸水系数较高，因此可以更好地分析样品的表面水分。

Specim FX17 相机在记录速度方面非常灵活，因为它提供了从 224 个波长带中进行选择和评估的选项，并且仅使用那些为当前应用提供相关信息的波长带。通过减少观察到的波长数量，当使用所有 224 个波长带时，Specim FX17 的标准记录速度为每秒 670 线，而当仅关注几个波长带时，记录速度可以提高到每秒几千线。此属性称为多感兴趣区域 (MROI)。它在 Specim FX10 和 FX17 相机上都可用，为用户提供了非常高的速度灵活性，而不会降低准确性。此外，MROI 减少了数据量，以便于处理和数据存储。在一个系统中使用 Specim FX10 和 FX17 相机提高了检查精度，并能够在 400 至 1700 nm 的整个波长范围内进行质量检查。

图 5：使用 Specim 的 FX10 和 FX17 高光谱相机可以比仅使用一台相机更精确地预测水果特性。图片来源：Specim

Puneet Mishra 博士及其同事开发的一体化光谱成像系统基于 Specim FX10 和 FX17 高光谱相机，满足了精确分析各种新鲜水果中水分和可溶性固体含量的要求。该系统的性能与广泛用于近红外分析的商用点光谱仪系统进行了对比。ASI 系统实现了与长期成熟的技术类似的性能，ASI 设置的预测与商用光谱仪之间的差异很小。此外，高光谱成像还具有点光谱仪无法比拟的其他优势。

与点光谱仪相比，ASI 开发的一个主要优势是，由于 Specim FX 高光谱相机捕获了丰富的空间信息，它允许探索空间分布特性。此外，ASI 设置可以重复使用在实验室实验期间获得的现有光谱数据和模型。这为更广泛地使用光谱传感开辟了新的选择，其中模型和数据可以在不同的光谱用户之间共享。

此外，ASI 是一个完全移动的系统，可以带到样品现场，而不是将样品带到实验室。在许多用例中，这比传统技术具有巨大优势。最后但并非最不重要的是，它只需不到 40 秒即可获得结果。在过去，人们可能需要等待几天才能获得水分含量分析的结果。

ASI 系统使用起来非常方便，即使是非专家用户也有机会了解这项技术的潜力。研究人员已经在使用 ASI 系统对各种食品进行实验。由于该设备的便携性，该系统的可能性还远远没有耗尽。

图 6：猕猴桃分析的一体化光谱成像 (ASI) 设置和工作流程概述。图片来源：瓦赫宁根大学及研究中心