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原文传递辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置及方法

专利名称：	辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置及方法
摘要：	本发明涉及一种辣椒颗粒色价可见‑荧光成像检测装置及方法，属于农产品无损检测技术领域。一种辣椒颗粒色价可见‑荧光成像检测装置，包括显示屏(1)、控制器(2)、旋转样品盘底座(4)、白色LED光源(7)、紫外LED光源固定板(8)、相机(9)、相机及光源固定架(10)、控制器供电电池(11)、光源供电电池(12)、滤光片垫片(14)、滤光片(15)、紫外LED光源(16)和样品盘(17)；本发明提供的检测装置具有低成本、无损的优点，且待测样品无需前处理，分析过程不需要消耗有机试剂。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国农业大学
发明人：	李永玉;马劭瑾;彭彦昆
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-21T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-21T00:00:00+0800
申请号：	CN202311055674.7
公开号：	CN117092039A
代理机构：	北京中安信知识产权代理有限公司
代理人：	徐林
分类号：	G01N21/25;G01N21/64;G01N21/01;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/25;G01N21/64;G01N21/01
申请人地址：	100083 北京市海淀区清华东路17号
主权项：	1.一种辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置，其特征在于：所述检测装置包括显示屏(1)、控制器(2)、旋转样品盘底座(4)、白色LED光源(7)、紫外LED光源固定板(8)、相机(9)、相机及光源固定架(10)、控制器供电电池(11)、光源供电电池(12)、滤光片垫片(14)、滤光片(15)、紫外LED光源(16)和样品盘(17)；显示屏(1)、控制器(2)、控制器供电电池(11)和光源供电电池(12)固定在装置外壳上；装置外壳的内部的一侧为图像采集侧；所述图像采集侧设有相机及光源固定架(10)；相机及光源固定架(10)的底部固定在装置外壳的内部的底部；旋转样品盘底座(4)布置在辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置的图像采集侧的底部；旋转样品盘底座(4)包括通孔(401)和凹槽(403)；其中，旋转样品盘底座(4)的内侧上表面设有凹槽(403)，用于放置样品盘(17)；样品盘底座(4)的外侧中部设有通孔(401)；样品盘底座(4)能够以通孔(401)为轴心进行周向旋转；旋转样品盘底座(4)的上方设有白色LED光源(7)、紫外LED光源固定板(8)、滤光片垫片(14)、滤光片(15)和紫外LED光源(16)；紫外LED光源固定板(8)的外围设有多个光源固定通孔(801)，中部设有光源中心通孔；所述光源中心通孔的内壁面设有水平的光源凹槽(802)，紫外LED光源(16)放置在光源凹槽(802)中；紫外LED光源(16)为环形光源，紫外LED光源(16)的灯珠布置于紫外LED光源(16)的外围的下表面上，垂直向下照射；紫外LED光源(16)的中部设有紫外LED光源中心通孔；白色LED光源(7)的上表面设有4个螺纹孔；每个白色LED光源(7)上表面的螺纹孔和与其对应的紫外LED光源固定板(8)的光源固定通孔(801)同轴心；通过螺栓穿过所述螺纹孔和光源固定通孔(801)，紫外LED光源固定板(8)固定在白色LED光源(7)的上表面上；白色LED光源(7)为环形光源，白色LED光源(7)的灯珠布置于白色LED光源(7)的内侧，朝向旋转样品盘底座(4)的凹槽(403)，白色LED光源(7)的中部设有白色LED光源中心通孔；滤光片垫片(14)包括外圆周部和中心部，所述外圆周部的位于紫外LED光源固定板(8)的上方；所述外圆周部设有多个滤光片固定通孔(1401)，每个滤光片固定通孔(1401)和与其对应的光源固定通孔(801)同轴心；所述中心部设有滤光片中心通孔；所述滤光片中心通孔的内壁面设有水平的滤光片凹槽(1402)，滤光片(15)放置在滤光片凹槽(1402)中；滤光片(15)的上方设有相机(9)；相机(9)的镜头朝向下方，正对滤光片(15)；旋转样品盘底座(4)的凹槽(403)、白色LED光源中心通孔、紫外LED光源中心通孔、滤光片(15)和相机(9)的镜头自下而上位置对应且同轴心，形成检测光路；控制器(2)与显示屏(1)、白色LED光源(7)、相机(9)和紫外LED光源(16)电连接；控制器(2)由控制器供电电池(11)供电；白色LED光源(7)和紫外LED光源(16)由光源供电电池(12)供电。 2.如权利要求1所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置，其特征在于：旋转样品盘底座(4)的外侧一端设有定位挡片(402)。 3.如权利要求1所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置，其特征在于：为了便于图像采集时的背景扣除，样品盘(17)为黑色。 4.如权利要求1所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置，其特征在于：白色LED光源(7)的灯珠与竖直方向夹角为20°。 5.如权利要求1所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置，其特征在于：滤光片垫片(14)的中心部的下表面在垂直方向上位于滤光片垫片(14)的外圆周部与紫外LED光源固定板(8)的接触表面的下方；滤光片垫片(14)的中心部的下表面位于紫外LED光源(16)的下表面和上表面之间；滤光片垫片(14)的中心部的下表面与紫外LED光源(16)的下表面距离为0.6mm，与紫外LED光源(16)的上表面距离为1.0mm。 6.如权利要求1所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置，其特征在于：样品盘(17)内表面与白色LED光源(7)的下表面之间垂直距离为28mm，以保证白色LED光能够均匀地照射在辣椒颗粒表面；样品盘(17)内表面与紫外LED光源(16)的下表面之间垂直距离为47.4mm。 7.如权利要求1所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置，其特征在于：样品盘(17)内表面与滤光片(15)之间的垂直距离为49mm，与相机(9)镜头之间的垂直距离为52mm。 8.一种利用如权利要求1～7之一所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测装置的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤S1、将盛放有辣椒颗粒的样品盘(17)放入凹槽(403)中，将旋转样品盘底座(4)旋转至装置内；步骤S2、打开控制器(2)，相机(9)与控制器(2)连接，相机(9)上电开机；控制器(2)向白色LED光源(7)发送信号，依次使白色LED光源(7)的输出电流为第一电流强度和第二电流强度；步骤S3、当白色LED光源(7)的输出电流为第一电流强度时，利用相机(9)采集校正图像；所述校正图像为在辣椒颗粒表面出现明显过曝现象下获取的图像；步骤S4、当白色LED光源(7)的输出电流为第二电流强度时，利用相机(9)采集可见光图像；步骤S5、控制器(2)向紫外LED光源(16)发送信号，使紫外LED光源(16)的输出电流为第三电流强度，此时，利用相机(9)采集荧光图像；步骤S6、利用可见光图像进行背景去除，即将所有非辣椒颗粒的像素赋值为0，所述非辣椒颗粒的像素即背景像素，即可得到去除背景后的可见光图像；步骤S7、由于校正图像和可见光图像中的非辣椒颗粒的像素相同，在从可见光图像中提取到背景像素后即可得到校正图像中的背景像素；将校正图像中的背景像素赋值为0，即可得到去除背景后的校正图像；步骤S8、在去除背景后的校正图像中，过曝区域与辣椒颗粒其他区域具有明显的颜色差异；此时，将去除背景后的校正图像的B通道图像进行二值化，并进行中值滤波处理，则得到过曝区域；去除背景后的校正图像中的过曝区域数目与所采集的辣椒颗粒数目相同；此外，辣椒颗粒表面含有裂纹，为了便于识别裂纹的长度，对过曝区域拟合最小外接矩形；由于部分辣椒颗粒的断裂面不完全垂直于水平面，截取过曝区域拟合最小外接矩形长度和宽度的1/3作为待剔除裂纹像素的近似平面区域；利用待剔除裂纹像素的近似平面区域中裂纹像素和非裂纹像素的颜色和形状特征，得到所采集校正图像中每一个辣椒颗粒的近似平面区域；步骤S9、此时，得到的校正图像的非0像素区域为近似平面区域；对于每一个辣椒颗粒而言，均会得到一个近似平面区域；将每一个辣椒颗粒的近似平面区域中的0像素叠加至该辣椒颗粒的可见光图像和荧光图像中，即可得到该辣椒颗粒的可见光图像的近似平面区域和荧光图像的近似平面区域；分别从上述辣椒颗粒的可见光图像的近似平面区域和荧光图像的近似平面区域的HSV颜色空间各提取12个特征： 1、H通道均值； 2、S通道均值； 3、V通道均值； 4、H通道的颜色直方图上具有最大频率的像素的像素值； 5、S通道的颜色直方图上具有最大频率的像素的像素值； 6、V通道的颜色直方图上具有最大频率的像素的像素值； 7、H通道的颜色直方图的峰度； 8、H通道的颜色直方图的偏度； 9、S通道的颜色直方图的峰度； 10、S通道的颜色直方图的偏度； 11、V通道的颜色直方图的峰度； 12、V通道的颜色直方图的偏度；共计提取24个特征；对于校正图像中的每一个辣椒颗粒，重复步骤S9，则得到所测批次所有辣椒颗粒的24个特征；取所有辣椒颗粒特征值的平均值作为该批次辣椒颗粒的特征值；步骤S10、利用偏最小二乘回归算法，建立辣椒颗粒的色价预测模型； PLSR算法的具体步骤为：假定图像特征矩阵X为n×24维自变量矩阵，色价标准理化值Y为n×1维因变量矩阵，其中，n为待测样品数，则Y与X之间能够建立如下线性模型： Y＝XB+E 公式1 公式1中，E为残差阵；B为回归系数矩阵；X为图像特征矩阵；Y为色价标准理化值矩阵；其中，回归系数矩阵B的最小二乘解为： B＝(XTX)-1XY 公式2 公式2中，B为回归系数矩阵；X为图像特征矩阵；Y为色价标准理化值矩阵；T为转置矩阵；建立预测模型时，选取n批具有不同色价的辣椒颗粒样品；在已知每一批辣椒颗粒样品的色价标准理化值Y的前提下，利用步骤S1～S9的方法提取每批辣椒颗粒样品的图像特征；在此基础上，得到n批具有不同色价的辣椒颗粒样品的色价标准理化值矩阵Y以及图像特征矩阵X；利用公式1和公式2得到色价标准理化值矩阵Y与图像特征矩阵X之间的关系，即预测模型；步骤S11、采集任一批未知色价的辣椒颗粒样品的图像，将利用步骤S1～S9的方法从可见光图像的近似平面区域和荧光图像的近似平面区域的HSV颜色空间提取的24个特征代入到步骤S10中的预测模型，即可输出所测批次辣椒颗粒的色价预测值。 9.如权利要求8所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测方法，其特征在于：所述第一电流强度为9-15mA，所述第二电流强度为3-6mA，所述第三电流强度为245-255mA。 10.如权利要求8所述的辣椒颗粒色价可见-荧光成像检测方法，其特征在于：所述第一电流强度为9mA，所述第二电流强度为3mA，所述第三电流强度为250mA。
所属类别：	发明专利