一種基于正弦函數(shù)擬合法的馬鈴薯發(fā)芽預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種果蔬缺陷檢測方法，尤其是涉及了一種基于正弦函數(shù)擬合法的馬 鈴薯發(fā)芽預(yù)警方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 馬鈴薯作為世界上的四大糧食作物之一，在全世界范圍內(nèi)廣泛種植。馬鈴薯營養(yǎng) 價值極高，在國外有著"第二面包"和"地下蘋果"的美譽(yù)，糧食、蔬菜、水果中所包含的大部 分營養(yǎng)，馬鈴薯基本都有。同時，馬鈴薯適合種植的地域很廣，土壤水分和肥力的要求不高， 增產(chǎn)潛力巨大，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織專家認(rèn)定為在未來世界出現(xiàn)糧食危機(jī)時，可以拯救人類 的糧食作物。
[0003] 馬鈴薯在收獲、存儲、運(yùn)輸?shù)冗^程中，極易發(fā)生各種機(jī)械損傷、病菌侵染、發(fā)芽發(fā)綠 等缺陷，嚴(yán)重影響馬鈴薯品質(zhì)，給薯農(nóng)和消費(fèi)者帶來經(jīng)濟(jì)損失。馬鈴薯國標(biāo)檢測指標(biāo)之一為 無凍傷、黑心、發(fā)芽、綠薯等缺陷。同時，發(fā)芽的馬鈴薯有毒（龍葵素（Solanine))，意外食用 會對人身安全造成威脅。
[0004] 開展馬鈴薯發(fā)芽檢測的研究，是為了防止貯藏或運(yùn)輸過程的不當(dāng)而引起的發(fā)芽商 品流入市場，同時也為馬鈴薯的品質(zhì)檢驗(yàn)和分級的自動化做好鋪墊。
[0005] 目前，國內(nèi)外對于馬鈴薯外部品質(zhì)的檢測已取得不少成果。目前針對馬鈴薯表面 缺陷的檢測主要集中在機(jī)械損傷、孔洞、瘡痂、表面碰傷、發(fā)芽發(fā)綠等，其中在馬鈴薯發(fā)芽檢 測方面，李錦衛(wèi)等采用基于快速G截留分割法和快速亮度截留分割法對發(fā)芽進(jìn)行判別。
[0006] 對高光譜數(shù)據(jù)的降維主要采用連續(xù)投影算法提取優(yōu)選特征波段。連續(xù)投影算法是 一種前向循環(huán)的變量選擇方法，能夠有效消除各波長變量之間的線性相關(guān)影響，降低模型 的復(fù)雜度，以其簡便、快速的特點(diǎn)在光譜信息特征變量的優(yōu)選中被廣泛使用。由于SPA能夠 簡化校正模型和縮短校正時間，在各類樣品的光譜變量選擇中得到越來越多的應(yīng)用并取得 了較好的效果。
[0007] 對于發(fā)芽馬鈴薯的檢測，可以利用RGB彩色機(jī)器視覺系統(tǒng)配合相應(yīng)算法完成，目 前國內(nèi)對于該方向的檢測已能達(dá)到較高準(zhǔn)確率。但這種依靠馬鈴薯表面的顏色特征進(jìn)行發(fā) 芽檢測的方法無法用于馬鈴薯發(fā)芽時間的預(yù)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于正弦函數(shù)擬合 法的馬鈴薯發(fā)芽預(yù)警方法，根據(jù)感興趣區(qū)域光譜擬合后得到的擬合參數(shù)來對該區(qū)域進(jìn)行分 類，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯發(fā)芽預(yù)警。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0010] 1)在相同條件下采集多個樣本馬鈴薯的高光譜圖像：
[0011] 所述步驟1)具體采用以下方式采集高光譜圖像：以黑色卡紙為背景，將至少150 個馬鈴薯分別采用泡沫膠固定在卡紙上，置于暗箱中每天采集高光譜圖像，連續(xù)采集5天， 整個采集周期中保持靜止不動。
[0012] 2)記錄馬鈴薯從開始采集高光譜圖像到發(fā)芽為止的天數(shù)作為預(yù)警時間，選取馬鈴 薯的發(fā)芽部位作為感興趣區(qū)域，提取發(fā)芽部位的光譜數(shù)據(jù)，按照預(yù)警時間的不同天數(shù)對光 譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類；
[0013] 所述步驟2)中，馬鈴薯的感興趣區(qū)域選取采用以下方式：找到并記錄發(fā)芽馬鈴薯 的芽眼位置中心（S，T)，建立以芽眼位置（S，T)為中心、以九個像素點(diǎn)為邊長的發(fā)芽部位區(qū) 域作為數(shù)據(jù)處理的感興趣區(qū)域。
[0014] 3)截取感興趣區(qū)域所在波段600-750nm離散的光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建擬合函數(shù)分別對具 有相同預(yù)警時間的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得該預(yù)警時間下的第一、第二、第三擬合參數(shù)a,、 bj、Cj，j為累加參數(shù)的計算序數(shù)；
[0015] 所述步驟3)中具體采用以下公式的擬合函數(shù)對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并利用 Matlab中nlinfit函數(shù)求解：
[0016]
[0017] 其中，橫坐標(biāo)X為波長值，縱坐標(biāo)f(X)為光譜均一化值，η表示累加參數(shù)，j表示累 加參數(shù)的計算序數(shù)。
[0018] 具體實(shí)施中，利用評價擬合程度的均方根誤差RMSE確定η的值為5。
[0019] 4)對擬合參數(shù)進(jìn)行分類：分類不同預(yù)警時間下的的第一、第二、第三擬合參數(shù)aP b,、C]，將預(yù)警時間k>3的擬合參數(shù)歸為I類，將預(yù)警時間k< 3的擬合參數(shù)歸為II類。
[0020] 按照市場規(guī)律，當(dāng)預(yù)警時間k>3時，即馬鈴薯在未來三天內(nèi)不會發(fā)芽，適合市場流 通，將k>3情況下的擬合參數(shù)歸為I類，而k< 3情況下的擬合參數(shù)歸為II類。因此本發(fā)明 將預(yù)警時間k>3的擬合參數(shù)歸為I類，將預(yù)警時間k< 3的擬合參數(shù)歸為II類。
[0021] 5)對I類和II類的第一、第二、第三擬合參數(shù)apbpc,進(jìn)行判別分析，分別得到各 個擬合參數(shù)各自對應(yīng)的判別系數(shù)pjP以及擬合參數(shù)類別對應(yīng)的判別常數(shù)qk，然后根據(jù)判別 系數(shù)Pk從中提取得到有效擬合參數(shù)進(jìn)行后續(xù)馬鈴薯檢測預(yù)警。
[0022] 所述的步驟5)中具體利用SPSS軟件提供的費(fèi)歇爾判別系數(shù)判別方法表示的以下 公式對I類和II類的第一、第二、第三擬合參數(shù)a,、bPC]進(jìn)行計算處理：
[0023] F!=p!XX+q!
[0024] F2=p2XX+q2
[0025] 其中，匕為I類擬合參數(shù)所對應(yīng)馬鈴薯的得分值，F(xiàn)AII類擬合參數(shù)所對應(yīng)馬鈴 薯的得分值，X表示有效的擬合參數(shù)集合，PlSI類的判別系數(shù)集合，P2為II類的判別系數(shù) 集合，^為I類擬合參數(shù)對應(yīng)的判別常數(shù)，92為II類擬合參數(shù)對應(yīng)的判別常數(shù)；
[0026] 計算得到判別系數(shù)pk為零的擬合參數(shù)為無效的擬合參數(shù)，因此提取判別系數(shù)pkF 為零的擬合參數(shù)即為有效的擬合參數(shù)。
[0027] 6)預(yù)警方法：將被測馬鈴薯重復(fù)上述步驟1)~4)得到所有其擬合參數(shù)，從中提 取與步驟5)中有效擬合參數(shù)相同的擬合參數(shù)，并針對I類和II類分別進(jìn)行計算比較獲得 預(yù)警結(jié)果。
[0028] 所述步驟6)中針對I類和II類分別進(jìn)行計算比較獲得預(yù)警結(jié)果具體采用以下方 式：將被測馬鈴薯提取得到的擬合參數(shù)代入以下公式中，分別別計算I類和II類所對應(yīng)的 Fks：
[0029] Fls=piXXs+q!
[0030] F2s=p2XXs+q2
[0031] 其中，F(xiàn)ls為I類擬合參數(shù)所對應(yīng)馬鈴薯的得分值，F(xiàn)2s為II類擬合參數(shù)所對應(yīng)馬鈴 薯的得分值，Xs表示被測馬鈴薯的擬合參數(shù)集合，Pl為步驟5)得到的判別系數(shù)集合Pl，p2 為步驟5)得到的判別系數(shù)集合p2,qi為步驟5)得到的樣本馬鈴薯的判別常數(shù)^，q2為步 驟5)得到的樣本馬鈴薯的判別常數(shù)q2。
[0032] 當(dāng)Fls>F2s值時，被測馬鈴薯屬于I類馬鈴薯，三天內(nèi)不會發(fā)芽；當(dāng)Fls〈F2s值時，被 測馬鈴薯屬于II類馬鈴薯，三天內(nèi)會發(fā)芽，應(yīng)及時處理。
[0033] 本發(fā)明方法主要是通過每天采集馬鈴薯發(fā)芽前后的高光譜數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每個芽眼的 發(fā)芽情況。提取芽眼部位的正方形區(qū)域，以600-750nm的波長值為橫坐標(biāo)，相應(yīng)的芽眼光譜 值為縱坐標(biāo)，得出不同預(yù)警時間的馬鈴薯光譜離散點(diǎn)，對光譜離散點(diǎn)進(jìn)行正弦函數(shù)擬合，利 用擬合后得到的參數(shù)作為變量構(gòu)建判別函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對馬鈴薯發(fā)芽情況的預(yù)警。
[0034] 本發(fā)明的有益效果是：
[0035] 本發(fā)明可利用正弦函數(shù)擬合光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)擬合參數(shù)分類馬鈴薯芽眼狀態(tài)，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)馬鈴薯發(fā)芽預(yù)警，本發(fā)明簡單快速，能夠減少流通過程中馬鈴薯發(fā)芽造成的損失。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。
[0037]圖2是本發(fā)明馬鈴薯固定情況實(shí)物圖。
[0038] 圖3是實(shí)施例提取后的馬鈴薯芽眼部位感興趣區(qū)域。
[0039] 圖4是實(shí)施例600_750nm波段馬鈴薯芽眼部位預(yù)警時間為1 (dayl)的光譜曲線擬 合圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0041] 本發(fā)明的實(shí)施例如下：
[0042] 如圖1所示，首先，將馬鈴薯固定于黑色卡紙上（圖2所示），置于室溫下，遮光存 儲，每天采集其高光譜圖像。調(diào)試高