1、第 0 页 (共 9 页)水果损伤红外检测系统设计摘 要：在水果的整个生产和消费过程中，水果损伤检测始终不容忽视，本文尝试运用脉冲红外热波技术进行检测，以具有代表性的苹果和甜瓜为例，所检测的损伤类型包括表面压伤、碰伤、表面腐烂和表面疤痕等。该检测系统以脉冲闪光灯作为热激励源，当被测物体即水果感受到脉冲光的作用时会产生热响应，将水果热响应的图像用红外热像仪记录下来，再对图像进行进一步的处理和分析，据此判断所测物体是否含有缺陷。 关键词：水果损伤; 脉冲红外热波技术; 热响应; 损伤检测Abstract：In the entire process of production and consump
2、tion of the fruit, the detection of the damage would never be ignored. In this paper, we tried to test whether the technology of the thermal wave imaging would work in detecting the damage, we chose apples and melon as experimental subject, the damage types we tested include the bruised in the surfa
3、ce, bruising, decay and the scars in the surface, etc. The detection system uses pulse flash as a heat source, when the object, that is to say, the tested fruit felt the energy of the pulsed light, it would have a response. After we recorded the response with infrared thermal imager, we could judge
4、whether the fruit has been damaged when we have a further processing and analysis.Key words： Fruit damage; Thermal wave imaging; Thermal response; Damage detection1 引言我国水果的种植面积大、产量高，而现在，水果生产的重点已经慢慢从提高数量转移到提高质量上来了。但由于水果的收购来源不一，因而水果的品质就有好有坏，再加上在采摘、储存及运输等过程中极易造成水果表面或内部不同程度的损伤，因而进行水果损伤检测很有必要。一般来说，比较严重的损
5、伤(如破损、腐烂等)肉眼即可识别或者可运用计算机视觉技术在可见光范围内检出。而轻微第 1 页 (共 9 页)受损的水果从外表看不出明显的变化, 受水果果皮颜色的影响，运用传统的视觉检测技术也很难检出，但这些损伤却导致水果极易被感染，随着时间的推移,损伤部位就会慢慢腐烂变质且影响周围其他水果。与此同时，由于水果损伤检测技术的短板，我国现在的果品分级系统远落后于国际标准，这也是导致我国水果售价远低于其它发达国家售价的一大原因。所以，及时检出受损水果对于减少经济损失具有重要意义，也有利于提高我国水果在国际市场中的竞争力等。关于水果损伤的检测，早已提出多种方法，每个方法都各有其优、缺点。其中，X 射线
6、成像技术和核磁共振成像技术均可用于检测水果内部缺陷，但由于设备昂贵难以运用于实际生产 1-2。计算机视觉技术可用于检测较严重的损伤，如明显的腐烂和破损等 3，但对于水果表皮下的损伤则无能为力，而且对于深色水果的擦伤检测易产生误判。近红外光谱分析技术可检测出多种水果损伤，如苹果内部发生的褐变、水心、淀粉、浅层损伤等，又如柑橘的局部失水、浮皮等，检测范围也很广泛，包括薄皮中小型果实如桃等，及厚皮大型果实如西瓜等 4-5。高光谱图像技术可检测出图像信息和光谱信息，图像信息可反映出水果的外部品质，光谱信息则可反映出水果的内部品质，根据水果内、外部的综合品质就可实现分类的目的 6-7。近年来，红外热成像
7、技术被发现可应用于水果损伤的检测，国内外均有相关研究。江苏大学的黄星奕等人设计了一种可在 9001100nm 处采用近红外图像处理技术对水果轻微损伤进行在线检测的装置 3 。J.Varith 等以热风作为热激励源，同时运用 3.4-5m 热像仪成功检测到苹果碰伤缺陷 8。X. Cheng 等同时使用近红外和中红外摄像机成功实现了对经过 4 摄氏度冷藏后的水果的外部品质检测9。Baranowsk 等利用长波热像仪检测了经过 1.5 度冷藏后到室温的苹果，可检测苹果水心 10,用两只大功率碘钨灯加热 3 秒，分析加热过程温度变化规律以及用脉冲相位算法分析降温特征，实现了苹果的早期碰伤检测 11。我
8、们所使用的脉冲红外热波技术不仅可以实现无损检测，不破坏被测水果，还具有检测速度快的特点，在工业生产上具有较高的可行性。在简要介绍反射式第 2 页 (共 9 页)脉冲红外热波技术的基本原理后，我们以苹果和甜瓜为例，检测了包括表面腐烂、表面压伤、碰伤和表面疤痕在内的损伤类型，记录下实验结果，同时分析了各种缺陷在热图中反映出热异常的原因。2 脉冲红外热波技术原理无损检测技术是指在不破坏被检测对象的前提下，通过运用物理方法，包括声、光、电、图像视觉技术等，实现对物体内、外部品质的检测分析。一般情况下是将一个较高的能量施加给待测物体，通过研究待测物在所施加能量下的表现获得待测物的某些物理化学特性。无损检
9、测技术最大的特点就是在获取所需待测物体的信息的同时保证了样本的完整性。脉冲红外热波技术作为光技术，就是一种无损检测技术，在不损伤待测水果的条件下实现损伤检测。水果损伤红外检测系统的设计如图 1 所示，实验中所用热源是两个脉冲闪光灯，它们在脉冲模式下可以释放出高热量，实现对被测水果表面的瞬时加热。当水果表面吸收了瞬时热量后温度会瞬间升高，紧接着热量逐渐从水果表面向内部传递，从而导致表面温度的降低和内部温度的升高。当水果内部有变质腐烂等损伤时，会表现出不同于正常果肉的温度变化。在整个过程中使用高速红外热像仪记录下水果表面温度的变化过程，通过后期处理和分析热图，我们就能判断被测水果是否有缺陷。图 1
10、 水果损伤红外检测系统第 3 页 (共 9 页)当物体表面感受到脉冲闪光灯的作用后，其表面会吸收瞬时热能，热量以热波的形式迅速从物体表面向其内部传播，当遇到两种不同材料的非绝热界面后会发生反射和透射，受损果肉和正常果肉就是两种不同材料，所以在热图上会表现出两种状态。实验前需要对被测物体表面进行处理，使其表面更均匀且具有较好的表面热辐射率和热吸收率，这在一定程度上可以减少实验误差。处理过后的表面可近似看做是均匀的，当被测物体内部有缺陷或结构有异常时，通过观察热对比度可明显看出正常区域和缺陷区域之间的差异，从而实现对物体缺陷的检测。同时热对比度与缺陷部位所在的深度有关，当深度越小时，热对比度越大，
11、在热图序列中出现的时间越早。将其应用于水果检测时，因为水果表面可能存在不同损伤，所以不可能做类似于其他无损检测时的表面均匀处理。而对于已经变黑的表面腐烂果肉，相对于正常区域的果肉，由于水分流失且存在微生物反应等，其热特性相差会更大，同时其热辐射率和热吸收率也有较大差异。这些因素对实验结果的影响会在后文对实验结果的分析中进行解释。3 材料和实验准备贮存的水果，要保证其表面无黑、红点且无碰撞、破损等，这样的水果才能真正实现长期贮存，所以分级过程就要求要能够正确识别出这些缺陷。我们知道水果在采摘、包装、储运及加工等各个环节中都有可能受到损伤，而且受损伤的概率较高，各种外力作用或是水果间的相互碰撞等就
12、是造成机械损伤的主要原因之一。在这里我们选择了易出现常见缺陷类型的苹果和甜瓜作为实验对象，以脉冲红外热波技术作为实验依据，以两个高能脉冲闪光灯作为脉冲热源。闪光灯的最高能量为 4.8KJ，其输出能量可调，距离被测水果大约 30cm。实验中所选用的红外热像仪的波段范围为 8-9 m，在室温下其热灵敏度低于 20mk，其距离第 4 页 (共 9 页)被测水果大约 35cm，采集频率均设为 60Hz。3.1 苹果损伤检测4 个富士苹果，从左至右依次编为 1 号、2 号、3 号、4 号。1 号、2 号两个苹果较大且品种相同，1 号颜色较浅，2 号颜色较深；3 号、4 号两个苹果较小且品种相同，颜色均相
13、对较浅。1 号苹果有一条纵向的较长的压痕，并且已经变色，在这条压痕下方有一条较短的横向压痕与之相交，其颜色相对较浅，肉眼基本上发现不了。2 号苹果下方有一处较大的碰伤，已经凹陷并且明显变色。3 号苹果上方有两处明显的腐烂。4 号苹果左上角和右方分别有一处小的压痕，且已变色。1 秒作用下时的红外热波实验结果如图 3 所示。对于 1 号苹果，尽管横向压痕颜色比纵向压痕浅的多，肉眼几乎难以发现，但在热图中我们可以看到，相对于正常区域，横向压痕同纵向压痕一样均表现出了明显的热异常。对于 2 号苹果，在热图中可以明显看到，碰伤部位的边缘区域相对于正常区域来说更亮，与此同时碰伤位置的中央区域相对于正常区域
14、要稍暗一点。对于 3 号苹果，两处腐烂位置反映在热图中均较亮，而且除了这两处以外，在热图中 3 号苹果还有好几处位置较亮，仔细观察 3 号苹果也隐约可发现对应位置其内部为黑色，说明热图中所反映的苹果内部的相应位置确实有变质。而对于 4 号苹果，除了可以看到两个明显的压痕较亮外，图片的下方也有较亮区域，说明其内部果肉已变质。8 秒作用下时的红外热波实验结果如图 4 所示，该热图反映的是相对较晚时刻的结果，也就是说它所反映的是较深的缺陷，相对 1 秒时的热图结果，其对应缺陷部位的热对比度也相对较小。对于 1 号苹果，此时纵向压痕的热对比度明显小于与其相交的横向压痕，表明横向压痕所损伤的深度与纵向压
15、痕相比更深；同时，与纵向压痕平行的右侧在 1 秒时没有出现热异常，但现在可以隐约看到热异常，表明该部位内部可能存在较深的损伤，出现这一现象的原因是越深的缺陷在热图中显现的时间越晚。对于 2 号苹果，由于其损伤面积和深度均较大，8 秒时的热图也可以看到明显的热对比度差异。对于 3 号苹果，除了两处腐烂位置外，第 5 页 (共 9 页)依旧存在好几处较亮区域，与 1 秒时的热图相对比，可以确认这些较亮区域属于内部损伤。对于 4 号苹果，其表面存在较小压痕，但反映到较晚时刻热图中，热量已经达到平衡状态，所以其对应热对比度很小。图 2 不同损伤类型的苹果图 3 1 秒后的受损图像图 4 8 秒后的受损
16、图像3.2 甜瓜损伤检测如图 5 所示， ，可以看到我们所挑选的甜瓜的表面有一处很明显且面积较大的腐烂部位，同时还可看到几处明显的伤疤。在红外热波的作用下，其 0.016 和2 秒时的热图如图 6、图 7 所示，我们可以看到，腐烂部位和伤疤部位在热图中均较亮。在 0.016 秒时刻的热图中，表面存在的较小的压痕和碰伤等都较亮，但由于热扩散效应，在 2 秒时这些小损伤的热量已经散发。同时，我们发现瓜蒂在热图中也表现为较亮区域，所以实际运用时还需要注意排除瓜蒂对实验结果的影响。 第 6 页 (共 9 页)图 5 受损的甜瓜图 6 0.016 秒后的受损图像图 7 2 秒后的受损图像3.3 讨论实验
17、选取了苹果和甜瓜两种水果，且涵盖了包括表面压伤、碰伤、表面腐烂和表面疤痕等在内的常见的水果损伤类型，运用脉冲红外热波技术都能够进行有第 7 页 (共 9 页)效的检测，当然，得到的热图各不相同，而产生热异常的原因也不一样。在脉冲能量的作用下，水果颜色不同会造成热辐射率和热吸收率存在差异，同时从而导致不同水果的初始温度并不相同，而腐烂部位的降温过程与正常部位之间也存在着较大差异，这些差异综合到一起就表现为热图之间的差异。相对较浅的损伤，比如微小的压痕等，它的受损面积和深度都较小，所以其表面可能并未变色，也正是因为其损伤深度较小，所以热波反射会出现得更早，反映在热图中就表现为可以更早地得到更好的观
18、察效果。而对于碰伤类的损伤，由于受损的苹果会出现水分流失等，所以会造成其热特性改变较大，反映在热图中就表现为在较早时刻损伤部位会出现较好的热对比度，能够很清晰地观察到损伤边缘。而在较晚时刻，由于热扩散效应，整个碰伤区域都会表现出较好的热对比度，有利于我们观测到整个损伤区域。腐烂部位在脉冲能量作用后的较长的时间段内仍然存在相对较大的热对比度，也就更容易被检测到。4 结语本文实验了将红外热波技术运用于检测水果损伤，以苹果、甜瓜为例，所检测的缺陷损伤包括表面压伤、碰伤、表面腐烂和表面疤痕等等。通过红外热波技术我们可以得到热图，通过分析热图就能够判断出所测水果是否受到损伤，而且应用该技术不仅能够将表皮
19、有损伤的水果成功检测出来，还能够更进一步检测出肉眼完全发现不了的存在于水果内部的缺陷。在成功检测到水果损伤的同时，我们也简要解释了能够进行将该技术应用于检测的理论依据，以及内部损伤的深度不同造成不同时间的热图不同的原因。虽然脉冲红外热波技术可以检测出不同水果表面及内部的一些常见损伤，但要实现实际应用过程中所涉及的水果分类和分级等，还需要对热图中所反映的缺陷的图像进行进一步处理和识别等，深入研究方可达到实用的目的。参考文献:第 8 页 (共 9 页)1 Diener, R. G., Mitchell, J. P., Rhoten, M. L, Using an X ray image scan
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