多源異構(gòu)大米品質(zhì)等級非線性高光譜信息耦合識別模型研究

林 萍， 蔣善超， 陳永明， 輔小榮， 顧春雷

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

大米是世界上最重要的糧食作物之一，我國大米總產(chǎn)量為世界大米產(chǎn)量之首，約占全球大米總產(chǎn)量的30%。大米的品質(zhì)直接決定其市場銷售價(jià)格，因此對大米品質(zhì)進(jìn)行研究具有重要的意義[1]。大米品質(zhì)受多種因素影響，靠某單一手段或某一指標(biāo)很難從整體上實(shí)現(xiàn)對大米綜合品質(zhì)的準(zhǔn)確評價(jià)。常規(guī)大米品質(zhì)檢測方法主要是基于可見光與近紅外光譜技術(shù)的大米內(nèi)部理化品質(zhì)檢測技術(shù)和基于感官視覺或機(jī)器視覺的大米外觀品質(zhì)檢測技術(shù)。基于可見光與近紅外光譜技術(shù)的大米品質(zhì)檢測技術(shù)，缺乏同步獲取大米外部感官品質(zhì)信息的能力。為了適應(yīng)國際市場上對大米品質(zhì)快速無損檢測的需求，國內(nèi)外一些學(xué)者嘗試用可見光與近紅外光譜技術(shù)對大米品質(zhì)進(jìn)行快速檢測[2-3]，例如利用近紅外光譜技術(shù)建立不同類型和粒度的大米樣品蛋白質(zhì)含量預(yù)測模型；結(jié)合近紅外光譜技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立大米脂肪酸值的近紅外分析模型并對模型進(jìn)行預(yù)測準(zhǔn)確性評價(jià)；使用偏最小二乘法建立近紅外光譜和水稻糙米直鏈淀粉含量的數(shù)學(xué)模型，用于糙米直鏈淀粉含量的預(yù)測。以上利用可見光譜和近紅外光譜技術(shù)建立的大米理化品質(zhì)參數(shù)的預(yù)測模型表明，光譜反射率與蛋白質(zhì)含量、脂肪酸值、直鏈淀粉含量、氨基酸含量指標(biāo)間有較好的相關(guān)性，但建立的可見近紅外光譜預(yù)測模型無法定量分析大米外部感官品質(zhì)參數(shù)，即模型無法關(guān)聯(lián)大米的物理參數(shù)，品質(zhì)評價(jià)手段單一，因此品質(zhì)評價(jià)結(jié)果存在片面性。另外傳統(tǒng)的感官檢測方法主要是由人工對大米的碎米率、完整率、黃粒米、堊白率、互混率等進(jìn)行評價(jià)，對檢驗(yàn)人員能力要求較高，同時(shí)存在主觀性和片面性，并且檢測結(jié)果難以量化[4-5]。傳統(tǒng)的感官檢測或?qū)嶒?yàn)室理化分析方法無法滿足快速、定量檢測要求。利用新技術(shù)研究大米內(nèi)部理化和外部感官綜合品質(zhì)指標(biāo)信息的快速、無損、同步獲取方法并對獲取的異構(gòu)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行有效融合，可以有效避免單一指標(biāo)檢測的片面性，必然有助于解決大米綜合品質(zhì)的快速準(zhǔn)確檢測問題，是實(shí)現(xiàn)貯藏、流通過程中大米綜合品質(zhì)動(dòng)態(tài)評估、等級標(biāo)注和實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，對于大米綜合品質(zhì)快速、無損檢測具有較強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究利用高光譜圖譜合一技術(shù)結(jié)合多源異構(gòu)信息融合技術(shù)，探索由大米內(nèi)部理化指標(biāo)和外部感官參數(shù)構(gòu)成的綜合品質(zhì)快速無損準(zhǔn)確檢測新方法。本研究立足于當(dāng)前大米質(zhì)量檢測技術(shù)發(fā)展的總體趨勢，將信息科學(xué)與食品科學(xué)相結(jié)合，采用高光譜成像技術(shù)開展大米綜合品質(zhì)的快速、無損、準(zhǔn)確檢測研究，這對大米產(chǎn)品質(zhì)量的快速無損檢測具有較強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。通過提出的理論模型，可以進(jìn)一步開發(fā)出基于高光譜成像技術(shù)的大米綜合品質(zhì)專用檢測儀器，直接應(yīng)用于大米產(chǎn)品質(zhì)量檢測實(shí)踐，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 理論和算法

1.1 高光譜影像特征提取算法

在最優(yōu)分辨率配置下利用多尺度濾波器提取大米高光譜影像多分辨率特征；其中，濾波函數(shù)采用余弦函數(shù)調(diào)制的二維的帶通Gabor函數(shù)[6]，見公式(1)。

(1)

式中：變量x、y表示像素的橫、縱坐標(biāo)值；σx、σy為高斯函數(shù)核寬；u0為調(diào)制頻率。將上述函數(shù)變換到Fourier空間，為公式(2)。

(2)

式中：u、v為空間頻率變量；σu=1/2πσx、λ=2πσxσy；u0為調(diào)制頻率。二維的帶通Gabor濾波函數(shù)無法實(shí)現(xiàn)正交分解，因此，基于二維的帶通Gabor濾波函數(shù)變換后的圖像中會(huì)有頻帶交疊的重復(fù)信息。

本研究在空頻域中構(gòu)建“菊花狀”的最優(yōu)多分辨率二維的帶通Gabor濾波函數(shù)，該帶通Gabor濾波函數(shù)呈現(xiàn)近似正交的形狀，即濾波器在空間頻率域的上半峰幅值接觸但不出現(xiàn)重疊，這樣使得多分辨率下的二維的帶通Gabor濾波函數(shù)的輸出重復(fù)信息量最小[7]。把函數(shù)g(x,y)作為母函數(shù)，通過適當(dāng)?shù)某叨群托D(zhuǎn)變換建立自相仿濾波函數(shù)：

(3)

式中：x′=τm(xcosθ+ysinθ)，y′=τm(-xsinθ+ycosθ)，θ=nπ/K，n∈[0,1,…,N]，N為旋轉(zhuǎn)的方向總數(shù)；m∈[0,1,…,M]，M為在同一旋轉(zhuǎn)方向上的變換尺度總數(shù)。尺度因子τ可通過公式(4)獲得。

(4)

式中：Umax、Umin分別為最大、最小徑向中心頻率。變換后的頻率函數(shù)為(u′,v′)=(ucosθ+vsinθ,-usinθ+vcosθ)。方程中Fourier域中的尺度參數(shù)σu|m和σv|m可以按公式(5)計(jì)算。

(5)

式中：a為尺度因子。

將大米圖像以4×4的網(wǎng)格劃分為16塊，計(jì)算每一塊圖像在不同尺度和方向上濾波函數(shù)輸出的均值并統(tǒng)計(jì)概率值，其中濾波旋轉(zhuǎn)方向數(shù)為N=8個(gè)，尺度數(shù)為M=4個(gè)，最終獲得表述大米外觀品質(zhì)信息的自然度、粗糙度、膨脹度等512維語義特征向量。

1.2 異構(gòu)高光譜特征無綱量化算法

(6)

(7)

式中：J為輸入樣本總數(shù)。

1.3 非線性異構(gòu)信息耦合算法

在投影的Hilbert空間中估計(jì)耦合特征的協(xié)方差矩陣[8]：

(8)

建立其特征方程：

Aυ=λυ。

(9)

(10)

在特征空間根據(jù)樣本之間的度量方法推斷大米品質(zhì)等級信息[9]，首先要最小化模型樣本xi與對應(yīng)的目標(biāo)近鄰樣本平均度量：

(11)

式中：Ω是半正定矩陣；Ni為模型樣本xi目標(biāo)鄰近索引集合。

其次是讓模型樣本xi到其目標(biāo)近鄰樣本的度量與其到入侵近鄰的距離保持單位間隔[10]：

(12)

式中：l為入侵近鄰樣本索引；yl和yi為類別標(biāo)簽集。

該求解問題可被重新表達(dá)為

(13)

最后，由輸入大米樣本附近的目標(biāo)之間的度量來確定大米的品質(zhì)等級。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

本研究所用高光譜成像系統(tǒng)構(gòu)件主要包括美國Dolan Jenner Industries有限公司研發(fā)的Fiber-Lite DC950線性光源，芬蘭光譜成像有限公司研發(fā)安裝的C-mount成像高精密級鏡頭OLES22的N17E-QE高光譜成像儀，中國臺灣Isuzu光學(xué)有限公司開發(fā)的型號為IRCP0076的電控移位載物臺平臺，這些設(shè)備被安裝在密閉暗室固定支架上，設(shè)定物鏡垂直高度參數(shù)為278 mm，設(shè)置高光譜相機(jī)曝光時(shí)間為 2 550 μs，調(diào)整電控移位載物臺平臺運(yùn)動(dòng)速度為30 mm/s，設(shè)定高光譜圖像分辨率大小為310×260像素點(diǎn)，光譜分辨率為 5 nm。本高光譜儀成像系統(tǒng)試驗(yàn)平臺搭建于農(nóng)業(yè)部光譜學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大米高光譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2017年年初。構(gòu)建的高光譜儀成像系統(tǒng)用于獲取陳米與新米2種大米的特征高光譜圖，其原理如圖1所示。

2.2 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

在獲得的大米樣本高光譜圖像數(shù)據(jù)中心區(qū)域選取 110×

110像素點(diǎn)面積區(qū)域作為感興趣區(qū)域，計(jì)算每一波段圖像上感興趣區(qū)域中全部像素點(diǎn)上的光譜反射率均值，作為該樣例的特征光譜曲線。高光譜分析軟件ENVI被用于校正獲得的大米高光譜圖像：

∑=(ηo-ηd)/(ηw-ηd)。

(2)

式中：ηo表示使用高光譜原始圖像反射率強(qiáng)度值；ηd表示高光譜圖像黑色吸光板校正后反射率強(qiáng)度值；ηw為高光譜圖像白色反光板校正后反射率強(qiáng)度值；∑為使用黑色吸光板和白色反光板聯(lián)合校正的高光譜圖像反射率強(qiáng)度值。在使用高光譜儀掃描大米樣本試驗(yàn)過程中得到的漫反射大米光譜曲線一般都會(huì)夾雜一定程度的噪聲信號，本試驗(yàn)使用多元光譜散射矯正法預(yù)處理大米高光譜反射數(shù)據(jù)，可消除隨機(jī)噪聲、光散射、雜散光、基線漂移等多重因素的影響[11-12]。

2.3 算法性能

將2種不同品質(zhì)等級大米(陳米與新米)的高光譜特征圖作為輸入特征來驗(yàn)證提出的模型。測試大米的樣本總數(shù)為200個(gè)，其中不同等級的大米測試樣本各100個(gè)，從同一等級的大米樣本中隨機(jī)抽取80個(gè)樣本用于建模，其余20個(gè)大米樣本用于驗(yàn)證。使用高光譜影像特征信息提取算法抽取給定最優(yōu)分辨率配置下多尺度濾波器輸出的大米高光譜影像特征和提取特征波段高光譜影像上選擇區(qū)域中全部像素點(diǎn)上大米的光譜反射特征值；通過異構(gòu)特征無綱量化函數(shù)將無綱量化異質(zhì)最優(yōu)分辨率配置下多尺度濾波器輸出大米高光譜影像特征和特征波段高光譜影像上選擇區(qū)域中全部像素點(diǎn)上的光譜反射特征作為非線性信息耦合模型的輸入，將耦合特征映射到高維Hilbert空間中，消除由于非線性異質(zhì)特征異構(gòu)維度表達(dá)引起的影響，使得異質(zhì)數(shù)據(jù)在高維線性同構(gòu)空間中可以進(jìn)行語義相似度度量，最后實(shí)現(xiàn)在高維特征空間中劃分大米品質(zhì)等級的語義歸屬。建模數(shù)據(jù)集的模型預(yù)測精度使用N-fold交叉驗(yàn)證法[13]來估計(jì)，獲得的單模態(tài)與多源異構(gòu)模態(tài)大米品質(zhì)信息等級建模集和預(yù)測集精度計(jì)算結(jié)果如表1所示。最終，可以根據(jù)返回的預(yù)測精度來了解大米品質(zhì)等級的置信度。

表1 單模態(tài)與多源異構(gòu)模態(tài)大米品質(zhì)等級信息建模和預(yù)測精度

3 結(jié)論與討論

本研究創(chuàng)新之處在于提出了通過構(gòu)建有效耦合多源異構(gòu)高光譜波譜信息和影像信息模型來精確定性和定量劃分大米品質(zhì)等級。試驗(yàn)提取大米高光譜感興趣區(qū)域中全部像素點(diǎn)上的光譜反射率特征和最優(yōu)分辨率配置下多尺度濾波器輸出的大米高光譜影像特征，通過異構(gòu)特征無綱量化函數(shù)消除異質(zhì)波譜特征和影像特征量綱的影響，在高維Hilbert空間中構(gòu)建有效耦合機(jī)制，消除大米非線性高光譜多源品質(zhì)等級信息異構(gòu)特性的影響，在高維耦合空間中根據(jù)樣本之間的度量對多源異構(gòu)大米高光譜非線性特征品質(zhì)等級信息進(jìn)行分類。本研究異構(gòu)模態(tài)獲得84.5%的訓(xùn)練精度和82.2%的測試精度，測試集和訓(xùn)練集精度比傳統(tǒng)的基于單模態(tài)方法的平均識別精度分別提升了 4.10、4.65百分點(diǎn)，說明本研究提出的多源異構(gòu)大米品質(zhì)等級非線性高光譜信息耦合識別模型優(yōu)于傳統(tǒng)的僅基于單源特征信息分類的模型。根據(jù)構(gòu)建的理論模型，可以進(jìn)一步開發(fā)出基于高光譜成像技術(shù)的大米綜合品質(zhì)專用檢測儀器，直接應(yīng)用于大米產(chǎn)品品質(zhì)質(zhì)量檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景。