几种水果组织光学参数的无损测量技术
几种水果组织光学参数的无损测量技术
摘要: 本文设计了激光散射图像系统，并采集了红富士苹果、水晶梨和信丰脐橙的激光高光谱图像。分析了红富士苹果、水晶梨和信丰脐橙的空间分辨漫反射率和距光源入射中心处半径之间的关联性，根据光漫射传输理论分析了水果组织的漫反射光分布规律，并应用非线性最小二乘拟合的方法得到这三种水果的光学参数(波长为632nm)。最后用此这些参数进行了蒙特卡罗模拟光子传输过程，并比较了蒙特卡罗方法模拟的结果和高光谱图像系统的试验测量的结果。结果表明，模拟结果与测量结果符合得较好，最大误差为0.32‰，高光谱图像系统可以准确地用于无损测量水果组织光学参数。
关键词: 水果组织; 无损测量; 激光散射图像; 光学特性参数; 蒙特卡罗模拟
中图分类号: TN247;Q63 文献标识码: A 文章编号: 1671 - 7775(2007)01 - 0008 – 04
光子在水果组织中的衰减主要由于光子的被吸收和被散射 ,而且光子在水果组织中的传播特性与水果品质是密切相关的。光在水果组织中由散射产生的空间分辨漫反射率和透射率都含有介质的光子参数信息，因此能确定水果组织的光学特性系数是实现水果无损检测的一个重要问题。测量生物组织的光学特性参数主要有三种方法：频域法、时域法和空间分辨法.其中空间分辨法是通过测定组织表面漫反射和透射来完成生物组织光学参数的无损测量，与前两种方法相比，成本低、时间短。因此通过测定水果组织表面的漫反射率和透射率来确定水果的光学参数也是其光学参数无损测量的有效方法。而测量组织的表面漫反射率和透射率主要有光纤扫描介质表面法、多光纤探头接触组织表面法等。但由于这些方法都会对组织产生压力而影响测量精度。而运用图像技术测量生物组织的表面漫反射率从而测定组织[1,2]光学参数是近年来的新技术 . [3]苏万钧等 对生物组织光学参数目前常用的一些测量方法进行了分析研究 ,着重研究了基于空间分辨技术、时间分辨技术和积分球技术的光学参数测量方法 ,并对这些方法的优缺点做了比较 ,对测量生物组织光学性质的单积分球系统和双积分球系
统进行分析 ,提出了一种应用比较法进行测量生物组织漫反射率和透射率的单积分球技术 ,并通过Kubelka2Munk模型获得了离体猪肌肉组织的光学[4]特性参数.张连顺等 通过测量生物组织的表面漫射光分布 ,利用漫射近似得到的解析表达式 ,反演其光学特性参数 ,实现了生物组织光学特性参数的无[5]损测量. Kienle等 应用空间分辨扩散反射研究了生物组织光学参数的测量技术.作者采用基于激光散射图像的 CCD测量装置研究水果组织在激光 (632 nm)照射下空间分辨的相对漫散射光分布 ,通过非线性偏最小二乘法拟合获取水果组织的光学吸收系数和散射系数.
测量水果组织表面的漫反射率和透射率主要有光纤扫描介质表面，多光纤探头接触组织表面法等。前者测量较困难，后者测量简单，但对组织会产生压力而影响测量精度。运用CCD视频照相测量生物组织的光学参数是近年来的新技术[26]。本章采用二维CCD测量装置研究水果组织在连续光(632nm)照射下空间分辨的相对漫反射率，从而通过非线性最小二乘法拟合获取光学参数。
1 测量方法和材料
1. 1 试验材料
分别购买具有同一等级、无缺陷及内在品质基本一致的苹果、梨和脐橙三种水果各 30个 ,先用水洗净再用干布擦干放在恒温 21 ℃的环境中.
1. 2 试验装置
基于激光散射图像的 CCD测量水果组织漫反射光分布的装置如图 1所示.
1.He-Ne激光器 2.透镜 3.样品 4.CCD探测器 5.Matrix采集卡 6.计算机
图1 水果组织光学特性参数测量装置示意图
Fig 1 Sketch map of measurement system for fruit optical properties
CCD采用了 HoneyWell GC 755P探测器 ,分辨率为 768 ×576. 该设备具有 DSP自动光圈模糊控制、自动背光补偿和自动白平衡等功能,采集的图像清晰.其中 He Ne激光束以一个较小的入射角 (≤5°)入射到水果表面 ,这样可以减少垂直入射时样品表面的镜面反射对 CCD成像的影响.透镜用于改变入射光束的直径.光束入射到水果组织内以后,漫反射光形成以入射光束入射点为中心光强逐渐向外衰减的圆形分布 ,由 CCD探测器对样品成像.
1. 3 试验方法
1. 3. 1 图像标定
标定的目的是为了确定被测水果样品的实际尺寸与采集图像中的像素之间的量化对应关系 ,以便将图像中的点与被测物体中的点联系起来,方便提取几何特征参数。红富士苹果、水晶梨和信丰脐橙的高度用游标卡尺测量.作者采用标准块成像法对检测系统进行标定.
主要步骤如下:
(1)在载物台上水平放置标块 ,使标块的边与摄像头的成像平面的坐标轴平行 (可通过调节标块与摄像头的姿态进行调整 ).
(2)标块的宽度为 40 mm,进而可求得在特定焦距、物距下视觉系统的空间分辨率.经过测量计算得出标块所对应的像素点数为 160个 ,所以空间分辨率为 4 pixel/mm.
1. 3. 2 样品图像的获取和分析
先将完整的红富士苹果、水晶梨和信丰脐橙分别置于如图 所1示的装置中进行图像拍摄 ,然后切除水果表皮露出果肉 ,再置于图 1所示的装置中进行图像拍摄.试验中将水果放在 CCD的正下方 ,激光以小角度入射到水果上 ,苹果、梨和脐橙各拍摄 20幅图像.获取的水果图像如图 2所示。分析漫反射光强时 ,取图像中 x, y轴四个方向上各个像素的灰度值 (归一化处理后 )进行处理. 图2的各分图中光斑的大小与光子散射的距离有关系.由图 2中 x, y轴四个方向上图像各个像素的灰度平均值统计结果如图 3所示.总体来说 ,完整水果和果肉组织由于散射引起的灰度值随着散射半径增大而减小.当半径超过一定的距离 ,散射引起的灰度值逐步减小为零.从图 3的结果看 ,完整苹果和苹果果肉组织的激光散射图像区别不是很明显 ,这主要是由于苹果的果皮薄 ,大部分光子可以穿透果皮层进入果肉.而梨和脐橙的完整水果和果肉组织的激光散射图像区别比较明显 ,这是因为梨和脐橙的果皮比较厚 ,有许多光子在果皮层内发生散射 (包含了各种弹性碰撞所产生折射 ).对于这三种水果 ,完整苹果与苹果果肉之间的灰度曲线吻合较好 ,而完整梨和脐橙与果肉之间灰 度曲线差别明显
图3 距离入射光源点不同半径处完整水果和果肉的灰度平均值
Fig 3 Gray value of fruit and flesh imaging from incident light source point
2 水果组织光学特性参数的确定
光在水果组织中的传输由组织光学特性决定,描述组织光学特性的参数主要有吸收系数μ、散射系数aμ等 水果组织的吸收系数μ、散射系数μ与水果组s . a s织的糖度、硬度、水分等状态有关.光子在水果组织中的传输与其他生物组织一样是遵从 Boltzman传输方程的.若已知组织表面的光分布规律,可以由解析表达式方便地反演光学参数,因此可根据试验得到的组织表面光分布和光在水果组织表面分布规律的解析表达式,来反演水果组织光学特性参数.
2. 1 漫射近似理论
光在水果组织中的传输过程 ,可以应用输运理论 (也称为辐射传输理论 )来描述.考虑单色的连续光照射下 ,组织体中的光分布是一种与时间无关的稳定状态 ,从粒子数守恒出发 ,可建立基于外推边界条件的光在介质表面的分布规律:
2. 2 非线性偏最小二乘法拟合
所谓偏最小二乘法 (回归分析法 ) ,是在掌握大量观察数据的基础上 ,利用数理统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式 (称回归方程式 ).在回归分析中 ,将因变量 R (ρ)和自变量μa ,μ进行非线性偏最小二乘拟合 利用图 所示装置s . 1测量数据 ,拟合得到的光学参数结果如表 1.
从表 1中可以看出 ,总体上完整水果组织的吸收系数和散射系数都比果肉组织的吸收系数和散射系数大;完整苹果组织和果肉组织的吸收系数和散射系数变化不大 ,而完整梨、脐橙组织与其果肉的吸收系数和散射系数之间变化比较大 ,主要由于梨和脐橙的果皮相对苹果果皮比较厚.
2. 3 试验结果与模拟分析
利用表 1中测出的完整水果组织的光学特性参数进行蒙特卡罗模拟 ,把结果与试验测出的结果比较 (图 4所示 ). 结果表明:两者有很好的吻合性 ,蒙特卡罗模拟结果与测量结果的最大误差为 3. 21%.由于蒙特卡罗方法对任意的反射率、测量位置和边界条件都是成立的 ,所以可认为蒙特卡罗模拟结果是足够精确的.因此利用漫射近似方程 (1)求水果的光学特性
参数是可行的.
3 结 论
开发了基于激光散射图像测量水果组织漫反射光分布的试验装置 ,该测量装置简单 ,易于操作.采用基于外推边界条件的漫射近似光传输理论来分析漫反射光分布 ,应用偏最小二乘拟合方法确定了水果组织的光学参数 ,并用此参数进行了水果组织中光子传输的蒙特卡罗模拟;将光谱图像测量结果 (经归一化处理 )与蒙特卡罗模拟结果进行了比较 ,结果表明 ,两者有很好的吻合性 ,最大误差为3. 21%.因此 ,光谱图像技术能准确地测量水果组织光学特性参数 ,该方法为类似生物组织的光学特性参数测量提供了借鉴.
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