基于芬蘭制造商 Specim 的高光譜相機(jī)，瓦赫寧根大學(xué)及研究中心 (WUR) 的研究人員開發(fā)了一種智能一體化光譜成像 (ASI) 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，用于標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)光譜模型部署。一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)集成了兩個(gè)在互補(bǔ)光譜范圍內(nèi)工作的不同高光譜相機(jī)，已證明其能夠可靠地進(jìn)行新鮮農(nóng)產(chǎn)品分析。

高光譜成像已在科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中使用很長時(shí)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(qiáng)大技術(shù)。與傳統(tǒng)成像系統(tǒng)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(lǐng)域提供了無與倫比的能力，而精確表征和識別是至關(guān)重要的。雖然高光譜成像已在各個(gè)行業(yè)和研究領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢和潛力，但數(shù)據(jù)采集和分析的復(fù)雜性阻礙了它的廣泛應(yīng)用——到目前為止。

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

在傳統(tǒng)的圖像處理市場中，智能相機(jī)等眾多系統(tǒng)使用戶無需機(jī)器視覺知識即可解決任務(wù)。高光譜成像沒有這種按鈕式成像系統(tǒng)，因此需要構(gòu)建一個(gè)易于使用的一鍵式系統(tǒng)。Mishra 等人 (2022) 開發(fā)了一種智能一體化光譜成像 (ASI) 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，用于標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)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(yīng)用于常規(guī)分析，我們必須克服一些困難。光譜成像面臨的主要挑戰(zhàn)之一是市場上現(xiàn)有的相機(jī)通常需要系統(tǒng)集成和校準(zhǔn)建模。

此外，目前市場上的大多數(shù)高光譜傳感器都是作為數(shù)據(jù)采集工具提供的。為了進(jìn)行測量和開發(fā)模型，用戶需要設(shè)計(jì)必須集成傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置。研究實(shí)驗(yàn)室遵循的最佳實(shí)踐是分步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和建模。盡管這種方法已顯示出潛力，但非專家不能認(rèn)為它是日常使用的實(shí)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(yè)用戶，WUR 研究人員開發(fā)了一種標(biāo)準(zhǔn)化的光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)置了計(jì)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(biāo)是避免系統(tǒng)重新集成，并重復(fù)使用校準(zhǔn)模型以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的測量。

成功實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵決定是選擇合適的高光譜相機(jī)。在這一點(diǎn)上，WUR 的開發(fā)人員選擇了 Specim 的高光譜線掃描 Specim FX10 和 FX17 相機(jī)。對于系統(tǒng)所需的緊湊設(shè)計(jì)，Specim 相機(jī)的機(jī)械尺寸非常完美。在分辨率和速度方面，這些相機(jī)也能夠毫無問題地滿足規(guī)格要求。

作為 Specim 相機(jī)的補(bǔ)充，研究人員集成了受控的標(biāo)準(zhǔn)化照明環(huán)境、內(nèi)置計(jì)算系統(tǒng)以及用于自動(dòng)圖像采集和模型部署的嵌入式軟件。此設(shè)置是實(shí)時(shí)探索 ASI 系統(tǒng)中樣本屬性的空間分布的基礎(chǔ)。

圖 3：配備 Specim FX10 和 FX17 相機(jī)的一體式光譜柜。數(shù)據(jù)建模的靈感來自互補(bǔ)數(shù)據(jù)融合，并采用 Puneet Mishra 博士開發(fā)的特殊數(shù)據(jù)融合方法執(zhí)行。圖片來源：瓦赫寧根大學(xué)及研究中心

為了展示 ASI 框架的能力，WUR 研究人員進(jìn)行了水果特性分析的典型案例。ASI 設(shè)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(jìn)行了展示。人眼和傳統(tǒng)機(jī)器視覺相機(jī)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(guān)的化學(xué)參數(shù)（例如水分和可溶性固體含量）很困難。相比之下，高光譜相機(jī)的擴(kuò)展波長范圍使得預(yù)測水分和可溶性固體含量等參數(shù)成為可能。

該機(jī)器最初使用的是 Specim FX10 高光譜相機(jī)，該相機(jī)在 400 至 1000 nm 的可見和近紅外 (VNIR) 光譜范圍內(nèi)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(shí)現(xiàn)更高要求的設(shè)備，以收集更詳細(xì)的信息和更高質(zhì)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(jī)，該相機(jī)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(jī)物體提供了更多選擇。

圖 4： Specim 的 FX10 和 FX17 高光譜相機(jī)是水果檢測系統(tǒng)的關(guān)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(bǔ)充，尤其是在測量新鮮水果等高水分樣品時(shí)。對于新鮮水果，研究發(fā)現(xiàn)，由于 400 – 1000 nm 光譜范圍內(nèi)水分子的吸水系數(shù)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(nèi)，水分子的吸水系數(shù)較高，因此可以更好地分析樣品的表面水分。

Specim FX17 相機(jī)在記錄速度方面非常靈活，因?yàn)樗峁┝藦?224 個(gè)波長帶中進(jìn)行選擇和評估的選項(xiàng)，并且僅使用那些為當(dāng)前應(yīng)用提供相關(guān)信息的波長帶。通過減少觀察到的波長數(shù)量，當(dāng)使用所有 224 個(gè)波長帶時(shí)，Specim FX17 的標(biāo)準(zhǔn)記錄速度為每秒 670 線，而當(dāng)僅關(guān)注幾個(gè)波長帶時(shí)，記錄速度可以提高到每秒幾千線。此屬性稱為多感興趣區(qū)域 (MROI)。它在 Specim FX10 和 FX17 相機(jī)上都可用，為用戶提供了非常高的速度靈活性，而不會(huì)降低準(zhǔn)確性。此外，MROI 減少了數(shù)據(jù)量，以便于處理和數(shù)據(jù)存儲。在一個(gè)系統(tǒng)中使用 Specim FX10 和 FX17 相機(jī)提高了檢查精度，并能夠在 400 至 1700 nm 的整個(gè)波長范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量檢查。

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

Puneet Mishra 博士及其同事開發(fā)的一體化光譜成像系統(tǒng)基于 Specim FX10 和 FX17 高光譜相機(jī)，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(tǒng)的性能與廣泛用于近紅外分析的商用點(diǎn)光譜儀系統(tǒng)進(jìn)行了對比。ASI 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與長期成熟的技術(shù)類似的性能，ASI 設(shè)置的預(yù)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(diǎn)光譜儀無法比擬的其他優(yōu)勢。

與點(diǎn)光譜儀相比，ASI 開發(fā)的一個(gè)主要優(yōu)勢是，由于 Specim FX 高光譜相機(jī)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(shè)置可以重復(fù)使用在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)期間獲得的現(xiàn)有光譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可以在不同的光譜用戶之間共享。

此外，ASI 是一個(gè)完全移動(dòng)的系統(tǒng)，可以帶到樣品現(xiàn)場，而不是將樣品帶到實(shí)驗(yàn)室。在許多用例中，這比傳統(tǒng)技術(shù)具有巨大優(yōu)勢。最后但并非最不重要的是，它只需不到 40 秒即可獲得結(jié)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(jié)果。

ASI 系統(tǒng)使用起來非常方便，即使是非專家用戶也有機(jī)會(huì)了解這項(xiàng)技術(shù)的潛力。研究人員已經(jīng)在使用 ASI 系統(tǒng)對各種食品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于該設(shè)備的便攜性，該系統(tǒng)的可能性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有耗盡。

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