基于多光谱成像的水果品质检测理论与应用研究

Quality inspection and grading are important parts of produce processing technologies, and are of vital importance for the agriculture developments in the countries with large scale agriculture, such as China. This project will take thin skin fruits such as apples and pears as investigation examples. Utilizing theoretical analysis, simulations and experimental methods, we will systematically study light transmission theories and characteristics in fruit tissues, and establish light transmission models, which will significantly enrich and broaden the current theories and create new simulation and experimental methods. We will investigate the back-scattering and speckle properties around the incident beam on the fruit surface, and the light transmission characteristics inside fruits of different sugar, water and acid contents under illumination of different wavelengths of lights. A new fruit internal quality grading method based on backscattered image processing will be also studied. A fruit internal and external quality inspection and grading system based on multi-spectral imaging will be established. The results of this project will enrich tissue optics and fruit quality grading theory, and will make important contributions to the fine agriculture developments.

农产品的品质检测与分级是农产品精细加工技术的重要组成部分，对于我国这样的农业大国的农业发展有着重要意义。本项目将以苹果、梨等薄皮水果为研究对象，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，系统研究光在水果组织中的传输特性和理论，深入探讨光传输规律建立光传输模型，以期丰富和拓展相关研究的理论基础，探索新的数值模拟研究方法。研究在不同特征波长光束照射下，水果内部糖、酸和水含量的不同对于水果内部光传输特性的影响，及对后向散射光在水果表面入射光周围产生的散射光斑的光强分布的影响。采用多光谱成像技术获取不同波长近红外光束照射下水果表面的散射光斑的图像，研究利用散射光斑图像的光强分布特征检测水果内部品质的检测方法。在此基础上依据光谱特性研究水果内部品质与外观品质联合检测系统。本项目的研究将丰富和发展水果内部光传输理论，对水果品质的光学检测方法以及精细农业发展有重要意义。

以扩散方程为基础，结合外延边界条件，建立了水果组织内的光传输理论模型。以此理论模型为基础，研究了蒙特卡罗法应用于水果品质光学检测数值分析的计算方法，自行编写了具有高计算精度和效率的数值模拟分析程序。针对不同形式的入射光以及水果组织内部营养物质含量变化对水果组织内部光场的影响进行了数值分析与研究，获取了水果表面后向散射光斑强度分布及其变化规律。利用数字图像技术对水果组织内部光场分布进行了实验研究。研究了用于多光谱成像的特征波长优化选取办法，确定了最佳的波长组合。研制了基于多光谱成像的水果内部和外部品质检测系统，实现了糖含量和表面缺陷的无损检测。对后向散射光斑图像中可用来建模检测水果内部品质的多种参数及其建模效果进行了研究。本项目取得的研究成果丰富和发展了水果内部光传输理论，将对水果品质的光学检测方法以及精细农业发展产生重要的推动作用。