基於高光譜成像技術的小龍蝦品質分析

四川雙利合譜科技有限公司  黃宇

1. 可見
、近紅外設備介紹

高光譜圖像數據采集采用四川雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter雙係統高光譜分選儀係統（V10E
、N25E-SWIR）。該係統主要由高光譜成像儀、麵陣列相機、鹵素燈光源、暗箱、計算機組成
，如圖1。實驗儀器參數設置如表1。

圖1  GaiaSorter雙係統高光譜分選儀

表1   GaiaSorter 雙係統高光譜分選儀係統參數

高光譜圖像采集軟件采用四川雙利合譜科技有限公司提供的高光譜成像係統采集軟件Specview完成。圖像處理采用 ENVI5.3 軟件進行處理。在進行圖像處理之前，先要對采集的光譜圖像進行圖像校正，圖像校正公式如下：

              (1)

式中
，Rref 是校正過的圖像，DNraw 是原始圖像，DNwhite為白板校正圖像，DNdark 是黑板校正圖像
，Rwhite為白板的反射率。

2.  實驗目標

liyongkejianjinhongwaiyijiduanbohongwaigaoguangpuchengxiangjishuduichengshudexiaolongxiajinxingpinzhifenxi，yanjiubutongpinzhixiaolongxiadeguangpuchayibingtongguogaoguangpuchengxiangjishukuaisushibiebutongpinzhidexiaolongxia

，weicanyinxingyexingyekuaisushibiebutongpinzhixiaolongxiatigongjishuzhichi。圖2為需要利用高光譜成像設備采集分析的小龍蝦樣本
，左邊為品質好的小龍蝦，右邊為品質壞的小龍蝦。

圖2  需要高光譜設備采集的實驗目標

3.  實驗結果

3.1  可見近紅外、短波紅外高光譜的小龍蝦光譜分析

    在小龍蝦身上不同部分分別選取約200個像素點取均值代表小龍蝦該部分的光譜反射率
，如圖3所示，分別列舉了品質好的和壞的小龍蝦外殼、蝦爪
、xiaweihexiafuzaikejianjinhongwaibochangfanweideguangpujinxingfenxi
，bingduiyuanshiguangpuzuoleyijiedaoshufenxi
，mudeshiweilegengjiashenrudilejiebutongpinzhidexiaolongxiaqibutongbuweideguangpuchayi。tu3左為品質好的與壞的小龍蝦不同部位的原始光譜反射率曲線
，從圖中可知，小龍蝦不同部位的光譜反射率在400-530nm之前差異較小，但在530nm之後小龍蝦不同部位的光譜曲線差異較大。對於品質壞的小龍蝦

，其外殼光譜的陡坡位置相對於品質好的小龍蝦而言，發生了“藍移”；另外品質壞的小龍蝦，其蝦爪、蝦尾、蝦腹等部位與品質好的小龍蝦，其光譜反射率差異也較大。圖3右更能清晰地看出不同品質的小龍蝦不同部位的光譜差異及品質好與品質差的小龍蝦在400-1000nm範圍內的光譜差異，從其峰穀位置及峰穀的高低，很顯著地看出品質好與品質差的小龍蝦的光譜差異。

圖3  基於可見/近紅外高光譜成像技術小龍蝦不同部位的光譜曲線

與可見、近紅外高光譜成像技術分析小龍蝦光譜一樣，在短波紅外的高光譜圖像上分別選取小龍蝦身上不同部分約200個像素點取均值代表小龍蝦該部分的光譜反射率，如圖4所示，分別列舉了品質好的和壞的小龍蝦外殼、蝦爪

、xiaweihexiafuzaiduanbohongwaifanweideguangpujinxingfenxi，bingduiyuanshiguangpuzuoleyijiedaoshufenxi，mudeshiweilegengjiashenrudilejiebutongpinzhidexiaolongxiaqibutongbuweideguangpuchayi。tu4 左為短波紅外1000-2500nmdeguangpufanshelvquxiantu，congtuzhongkezhi，zaiduanbohongwaifanwei，butongpinzhidexiaolongxiajixiaolongxiadebutongbuweiguangpufanshelvquxianbianhuaqushixiangsi
，butongdeshiquxianfanshelvdegaodijifenggudegaodi。tu4youweibutongpinzhixiaolongxiajibutongbuweizaiduanbohongwaifanweideyijiedaoshuguangpuquxian。congtuzhongkezhi，butongpinzhidexiaolongxia，qifengguweizhijifenggudezhichayijiaoda，xiaolongxiabutongbuweizhijiandeguangpuyeyouxianzhuchayi。

圖4  基於短波紅外高光譜成像技術小龍蝦不同部位的光譜曲線

3.2  小龍蝦品質識別研究

最小噪聲分離變換（Minimum Noise Fraction Rotation，MNF Rotation）工具用於判定圖像數據內在的維數（即波段數），分離數據中的噪聲，減少隨後處理中的計算需求量。MNF本質上是兩次層疊的主成分變換。第一次變換（基於估計的噪聲協方差矩陣）用於分離和重新調節數據中的噪聲
，這步操作使變換後的噪聲數據隻有最小的方差且沒有波段間的相關。第二步是對噪聲白化數據（Noise-whitened）的標準主成分變換。

主成分分析(PCA)是遙感數字圖像處理中運用比較廣泛的一種算法
，是在統計特征基礎上的多維(多波段)正交線性變換。通過PCA變換,可ke以yi把ba多duo波bo段duan圖tu像xiang中zhong的de有you用yong信xin息xi集ji中zhong到dao數shu量liang盡jin可ke能neng少shao的de新xin的de主zhu成cheng分fen圖tu像xiang中zhong，並bing使shi這zhe些xie主zhu成cheng分fen圖tu像xiang之zhi間jian互hu不bu相xiang關guan，從cong而er大da大da減jian少shao總zong的de數shu據ju量liang。但danPCA變bian換huan對dui噪zao聲sheng比bi較jiao敏min感gan，即ji信xin息xi量liang大da的de主zhu成cheng分fen分fen量liang，信xin噪zao比bi不bu一yi定ding高gao，當dang某mou個ge信xin息xi量liang大da的de主zhu成cheng分fen中zhong包bao含han的de噪zao聲sheng的de方fang差cha大da於yu信xin號hao的de方fang差cha時shi
，該gai主zhu成cheng分fen分fen量liang形xing成cheng的de圖tu像xiang質zhi量liang就jiu差cha
， PCA變換用於融合處理並不是為了減少噪聲
，而是通過該變換,使得多光譜影像在各個波段具有統計獨立性,便於分別采用相應的融合策略。針對PCA變換的不足，Green等曾經提出最小噪聲分離(MNF)變換，隨後
，又對MNF變換進行了修改
，它本質上是含有兩次疊置處理的主成分分析。

由此可知
，MNF變換具有PCA變換的性質，是一種正交變換，變換後得到的向量中的各元素互不相關，第一分量集中了大量的信息,隨著維數的增加,影像質量逐漸下降,按照信噪比從大到小排列
，而不像PCA變換按照方差由大到小排列
，從而克服了噪聲對影像質量的影響。正因為變換過程中的噪聲具有單位方差，且波段間不相關，所以它比PCA變換更加優越。

圖5為可見、近紅外400-1000nm範圍內基於MNF變化的前9個分量圖，從圖中可知，不同品質的小龍蝦，在第三、第四和第五分量上可以實現很好的判別，而其他分量存則存在不同程度的誤判，結合第三
、第四和第五分量以及CART決策樹分類法，可以實現小龍蝦品質的鑒定
，如圖6所示，紅色為品質壞的小龍蝦，綠的為品質好的小龍蝦。

圖5 小龍蝦基於400-1000nm的MNF前9個分量圖

圖6 基於400-1000nm範圍內小龍蝦品質分析結果

圖7為短波紅外1000-2500nm範圍內基於MNF變化的前8個分量圖，從圖中可知
，不同品質的小龍蝦，除第一、第三、第四和第五MNF變量能區分出部分品質好的小龍蝦或品質不好的小龍蝦外
，其餘變量品質好壞的小龍蝦並不顯著區別。我們利用第一
、第三、第四和第五MNF變量結合圖像分類方法中的監督分類法用於區分不同品質的小龍蝦，區分效果如圖8所示，其中紅色為品質壞的小龍蝦
，綠的為品質好的小龍蝦。

圖7 小龍蝦基於1000-2500nm的MNF前8個分量圖

圖8 基於1000-2500nm範圍內小龍蝦品質分析結果

4.  結果與討論

    從分析結果來看
，基於400-1000nm和1000-2500nm波長範圍的高光譜影像數據均能較好地區分成熟的品質好與壞的小龍蝦。如果僅從MNF的分量上看
，基於400-1000nm的可見近紅外高光譜影像識別不同品質的小龍蝦高於基於1000-2500nm的de短duan波bo紅hong外wai，但dan結jie合he高gao光guang譜pu分fen析xi方fang法fa，兩liang者zhe的de識shi別bie精jing度du並bing無wu顯xian著zhu差cha別bie。另ling外wai如ru果guo將jiang來lai想xiang在zai產chan線xian上shang進jin一yi步bu應ying用yong，仍reng需xu要yao進jin一yi步bu的de分fen析xi，這zhe是shi因yin為wei小xiao龍long蝦xia的de擺bai放fang姿zi勢shi對dui利li用yong高gao光guang譜pu影ying像xiang數shu據ju的de判pan別bie效xiao果guo影ying響xiang很hen大da。