[发明专利]基于水果双层平板模型的光子传输模拟的水果高光谱品质检测方法

说明书

本发明公开了一种基于水果双层平板模型的光子传输模拟的水果高光谱品质检测方法，包括以下步骤：构建水果双层平板模型；基于蒙特卡洛方法进行光子传输模拟获得光亮度分布图；将光亮度分布图输入到预调好的卷积神经网络中进行卷积以及反卷积；分析卷积与反卷积结果，得到源探距离；使用该源探距离对水果进行品质检测。双层平板模型可用来替代曲面模型，这样减少了曲面模型的复杂度，同时保证准确度。相较于苹果曲面模型，经过简化后的双层平板模型可以减少模拟时间，同时也使这种方法更具有普适性(对梨等果肉厚的核果类水果均适用)。

技术领域

本发明涉及检测领域，具体是一种基于基于水果双层平板模型的光子传输模拟的水果高光谱品质检测方法。

背景技术

便携式光谱检测仪因其体积小、便携性、操作简单等特点受到广泛应用。目前对于水果便携式检测仪的研究已有很多，但是较少针对水果便携式检测仪的光源与探头距离的研究，清华大学丁海曙课题组利使用蒙特卡洛方法对光在多层生物体组织模型中的平均穿透深度、光子平均飞行距离和空间灵敏度分布进行了仿真和分析，结果表明光源与光检测器之间的距离是影响检测灵敏度的重要因素，提出了针对特定组织部位，存在着最优的光源-探测器距离，即源探距离这一概念。

目前也有一些针对源探距离的研究，郭志明在使用高光谱技术进行品质分析时，设置了50,100,150,200和250几个不同横向像素大小的方形区域以及对应的圆形区域。对这些不同区域分别采用偏最小二乘法建立苹果的可溶性固形定量分析模型。验证了高光谱图像中检测区域形状和大小的选择会影响检测结果，最终得出感兴趣区域横向最大选择为150像素时得到的模型结果最好，同时发现圆形感兴趣区域的最优建模和预测结果优于方形感兴趣区域的结果。赵凡为了了解高光谱图像中光谱提取区域对果品糖度检测魔心精度的影响，以“华优”猕猴桃为对象分别提取了10*10、20*20、30*30(像素*像素)的正方形区域进行糖度拟合，发现光谱提取面积的增加能够提升糖度拟合的相关系数，说明在高光谱图像中选择合适的光谱提取区域有助于提高模型的预测精度。

这些对源探距离的研究都是在实测数据的基础上进行的。使用实测数据进行研究有两点缺点，一是由于此方面的研究无法获得大量足够的数据，且受到品种批次的影响，得出的结果有很大局限性。二是在数据较少的情况下，实测数据还存在着不可避免的误差，着更加造成了结果的不够准确。故提出使用基于蒙特卡洛方法的产生的数据来代替实测数据的办法。

CN109856064A提出了一种基于光子传输模拟的苹果高光谱品质检测方法，它包括以下步骤：(1)基于椭球曲面方程构建苹果模型；(2)将点光源对准苹果赤道，源探距离选择1.5mm～10.15mm，基于苹果模型进行蒙特卡洛光子传输模拟；(2.1)光子初始化；(2.2)计算光子运动方向和步长，同时进行越界和出界判断；(2.21a)越界判断，越界则进行步骤(2.21b)，否则进行步骤(2.22a)；(2.21b)出界判断，出界则进行出界处理并转步骤(2.5)，否则进行步骤(2.22b)；(2.22a)光子吸收与散射计算，转入步骤(2.3)；(2.22b)光子折射、反射计算，转入步骤(2.3)；(2.3)判断光子权值是否过小，是则进行步骤(2.4)，否则返回步骤(2.2)；(2.4)判断光子是否存亡，是则进行步骤(2.5)，否则返回步骤(2.2)；(2.5)判断是否为最后一个光子，是则结束，否则返回步骤(2.1)；(3)取大量光子和不同光学参数组合重复步骤(2)，获得苹果模型的无噪声光亮度分布图。

该方案采用椭球曲面方程构建苹果模型，苹果曲面模型在对实际苹组织的模拟上还原度更高，模拟出的数据更加精准，但是此模型在运算时过于复杂，这种用复杂度换取精确度的方法在有的生科类研究中实用度不高。另外，仅仅为了一种水果构造模型，普适性很低。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种基于水果双层平板模型的光子传输模拟的水果高光谱品质检测方法。

技术方案：