基于主動熱成像技術的蘋果表面缺陷分類方法

周建民，張瑞豐

（華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013）

蘋果的分級技術一直以來都是農產品加工中的重要步驟之一。目前常用的是基于可見光檢測技術[1-2]和建立水果空間模型的技術[3]，這些檢測技術可以檢測比較嚴重的缺陷，但蘋果的早期機械損傷、深度顏色的缺陷果以及水果表面斑所造成的干擾卻很難識別[4]。這些方法的局限性就在于蘋果缺陷特征必須非常的明顯，因此尋求一種能夠減少水果表面其他因素的干擾，準確識別水果缺陷特征的方法就具有非常現實的意義。主動紅外熱成像技術具有高靈敏度、非接觸式、實時與快速的檢測特性。由于水果缺陷部位與正常部位的熱傳導率不同，在熱激勵的作用下這兩個區域表面就會出現溫度差異，這就為利用主動紅外熱成像技術檢測蘋果缺陷和實現蘋果的缺陷分類提供了理論依據和可能。

1 檢測原理

紅外熱成像技術是利用物體因自身各部分溫度差異，其向外的紅外熱輻射存在不同，把物體不可見的熱輻射情況轉換為可視化熱像圖的技術[5]。自然界中，凡高于絕對溫度零度的任何物體都會不停地向外界輻射紅外電磁波。對于均勻表面，如果物體內部溫度相同，則理論上其向外輻射的電磁波（表現為紅外輻射能量）就應相同。但如果物體表面或內部存在缺陷，則理論上其內部溫度也會存在一定的差異，這種差異必然導致其表面溫度場也存在差異，從而向外輻射的紅外能量也會存在差異。紅外熱成像檢測技術就是利用物體發射的紅外波段對物體內的缺陷進行檢測。

圖1 物體內部缺陷的熱傳導過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal conduction in inner defect

物體被周期或脈沖熱源加熱后，在趨于熱平衡的過程中，其表面溫度場的三維變化方式既與物體材料的性質有關，同時也與其內部結構和材質的不均勻性有關[6]。根據熱輻射理論，物體的材料特性、幾何邊界形狀和邊界條件決定了熱波的傳播方式。不同材料表面及表面下的物理特性以及相同材料的材質不均勻性將影響熱波的傳輸。如圖1所示，大多數情況下，材料內部局部的缺陷將導致非均勻熱傳播，此時熱波將會發生散射和反射等，這種散射和反射會造成紅外輻射的差異，這種差異會在材料表面的溫度場變化上反映出來，這種溫度場變化載有材料的缺陷特征信息，利用紅外熱成像技術記錄材料表面的溫度圖像，即可以達到檢測和探傷目的[6-9]。

由此可見，通過熱像儀接收來自物體的輻射，從而測定物體表面的溫度場分布，然后根據溫度場的異常分布情況可以識別物體內是否存在缺陷。

2 材料與實驗設計

2.1 實驗平臺的構建

如圖2所示，實驗設計的檢測裝置包括1臺紅外熱像儀，2個250 W的紅外燈。紅外熱像儀為加拿大加創公司生產的IR970型，視場角20.4°×15.4°，波長范圍8～14 μm，在30℃時熱靈敏度為0.1℃，空間分辨率為1.1 mrad。為保證蘋果受熱的均勻性，2個紅外燈對稱放置，互成90°分布，離蘋果表面為0.8 m，紅外熱像儀的鏡頭離蘋果表面為1 m。為防止外界環境的熱噪聲干擾，將采集箱內壁涂黑以降低熱反射，采集箱開有采集口以方便紅外輻射、主動熱激勵及紅外熱像儀采集信息。

圖2 水果缺陷紅外熱成像檢測系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermography detecting system of fruit defect

2.2 實驗方法

采用人工模擬的方法，將購買回來的蘋果置于室內26℃，85%濕度24 h，將蘋果從0.5 m高投到光滑的混凝土地面上形成早期的機械損傷。在蘋果表面用直徑為2 mm的鐵絲制造出深度為1 cm，直徑為2 mm的孔洞。用鑰匙在蘋果表面輕劃模仿蘋果擦傷的情況，然后放置于溫度為3℃的環境中24 h，瘀傷發展。腐爛的蘋果則由瘀傷發展到較長時間后形成。

在70%濕度，26℃的環境中，用紅外燈加熱60 s。停止加熱，利用紅外熱像儀記錄缺陷處的熱圖像，實驗采集圖像的速度為每30 s采集一張。

3 結果分析

如圖3所示，從采集到的紅外圖像看，有缺陷的蘋果部位與無缺陷部位的熱傳導系數不同，從而導致這兩個地方的溫度有差異。首先利用溫度曲線來判斷蘋果是否有缺陷，有缺陷的地方溫度比無缺陷地方的溫度低，所以曲線存在下降。蘋果由于其特殊的構造，在果梗和花萼地方也存在于類似的情況，可能造成誤判，因此需要加以單獨判斷。

圖3 蘋果損傷水平輪廓溫度曲線分布圖Fig.3 Distribution of temperature of horizontal contour of damage in apple

蘋果果梗與花萼和蘋果其他部位的材料不同，導熱系數也就不同，所以在熱像圖中，果梗、花萼的溫度要比果體低很多，在圖4中可以看到直線從果體到“暈環”處，溫度是一個下降的過程，而再往右時，溫度出現了急劇下降，再往右溫度曲線與左邊大致上是對稱的。而缺陷部位的溫度曲線沒有像果梗和花萼部位的溫度有一個二次下降的過程。由此，我們可以在熱像圖中配合溫度曲線就可以分辨出缺陷的所在位置。

圖4 蘋果的水平輪廓溫度曲線分布圖Fig.4 Distribution of temperature of horizontal contour of pedicle in apple

蟲孔一般比較小，在加熱的情況下，由于孔洞里是空氣與果體的熱傳導率有很大的差別。雖然在果體上蟲孔的溫度曲線和果梗與花萼的差不多，但由于空氣的熱傳導率為0.024 W·（m·k）-1，而蘋果組織的熱傳導率為0.55 W·（m·k）-1。因此可以從溫差方面來識別蟲孔，如圖5所示，可以看出溫差大概在0～2℃范圍內。

擦傷與撞傷、腐爛的區別就是擦傷的圖像一般都是長而細，而撞傷、腐爛所呈現的往往是圓形或者是橢圓形，而且面積比擦傷的要大很多，在圖像處理中很難辨別，只能看出缺陷的輪廓，不能辨別是那種缺陷。所以在這里可以利用缺陷處材料的導熱系數不同，在升溫和降溫的過程中，不同的材料升溫和降溫的幅度肯定是不一樣的，所以可以利用材料的升溫降溫曲線來定性的描述所對應的缺陷。在降溫過程中，因為蘋果的含水量是很高的，從而在降溫過程中溫度下降的幅度與材料的含水量有很大的關系，也和蘋果的表皮厚度有很大的關系，蘋果的表皮就相當于一層保護膜，所以綜合兩方面的因素。

圖5 蘋果蟲孔水平輪廓溫度曲線分布圖Fig.5 Distribution of temperature of horizontal contour of wormhole in apple

由圖6可以看出，對于不同的缺陷所對應的降溫曲線是不同的。首先，無缺陷的蘋果表面的在受熱的過程中溫度相比于缺陷處是最高的，而且在剛開始降溫過程中，溫度下降地很快，這是由于當撤掉熱源時，蘋果表面溫度和室溫的相差是最大的，所以冷卻地比較快，而當表面溫度和室溫差別縮小時，降溫的幅度減緩。其次，對于撞傷、擦傷、腐爛缺陷處在撤出熱源后，溫度都低于無缺陷的地方，由曲線的下降趨勢來看，溫度下降的快慢是腐爛處下降速率是最快的，其次是擦傷處，最慢的是撞傷處。

圖6 不同缺陷溫度下降曲線圖Fig.6 Descending curve of temperature of different defects

4 結論

利用紅外熱成像技術對蘋果不同缺陷種類的研究，發現有缺陷部位所對應表面的溫度與果體的溫度有著明顯的差別。可以通過熱像圖和溫度曲線判別出果梗、花萼與缺陷。從各種缺陷不同的特征來判別出不同種類的缺陷。蟲孔處的溫度與空氣的溫度差別最小，利用溫差范圍就可以來判斷。

紅外熱成像技術的原理就是利用不同材料在熱激勵的作用下由于材料的導熱系數不同而導致所對應的溫度不同，所以在判斷表面所形成的缺陷輪廓差不多的情況下，可以利用溫度曲線定性判斷缺陷的類型。

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