随着现代社会的发展，人们的生活水平在不断提高，食品品质越来越成为人们关注的焦点。传统食品品质检测分析技术不仅价格昂贵、检测速度慢，并且对研究对象具有破坏性，不再能满足食品的即时检测需求，因此寻找高效无损检测技术迫在眉睫。近年来，HSI技术以其先进的非破坏技术成为品质检测领域关注的焦点。HSI技术是一种非侵入性、非接触式、非传统技术，它能提供研究对象的空间信息和光谱信息。该技术具有光谱分辨率高、光谱响应范围广、波段多而窄、“谱像合一”以及数据量大、信息丰富、数据描述模型多、分析灵活等基本特点。这些特点决定了HSI技术不仅能检测食品外部的质量，还可以检测到食品内部的品质，图像数据能反映产品的外部特征，而光谱数据又可以对物体内部物理结构及化学成分进行分析，所以说HSI技术是图像技术与光谱技术的完美结合。HSI技术形成的数据可以用“三维数据块”来形象地描述，比传统机器视觉或光谱技术更可靠，这是HSI技术在食品品质无损检测方面的独特优势。

13.1.1 HSI技术在食品品质检测应用中的发展现状

HSI技术最早应用于军事和卫星遥感领域，后被引入医药学和农业检测，其许多卓越的优点逐渐被应用和发展。高光谱图像是一系列光波波长处的光学图像，其光谱分辨率可达2～3nm,光谱波段数多达数十甚至上百个，各光谱波段间是通常连续图像数据的每个单元均可以提取一条完整的高分辨率光谱曲线。HSI是一门化学或光谱的成像技术，融合了传统成像和光谱学，同时获得被检对象的光谱和空间信息。HSI技术相似于分光技术，包括反射、透射和散射等模式。与多光谱图像相比，高光谱图像不仅在信息丰富程度方面有了极大的提高，在处理技术上，对该类光谱数据进行更为合理、有效的分析处理提供了可能。

高光谱图像检测分析技术，具有速度快、无破坏性、无侵入性等优点。最近几年的研究使其成为无损检测食品品质和安全方面有效的分析技术，在食品生产和加工过程的在线检测方面具有广阔的应用前景。食品少产和加工需要在关键过程利用实时、快速和精确的检测分析方法对食品质量安全进行确定，高效液相色谱(HPLC)、质谱(MS)等传统的检测方法不仅耗时而且损坏样本。近红外光谱虽然可以对食品的多组分进行无损检测，但近红外光谱技术只能对被测物体的一个小区域进行检测，然而食品的品质在空间上是存在差异的，所以该方法还存在一定的局限性。HSI技术将成像技术和光谱技术相结合，不仅可以得到被测物体的光谱信息而且能获得其图像信息，从而克服了上述局限性。美国食品及药物管理局(FDA)提出过程分析技术(PAT)的首要目标是认识和控制在生产过程中对关键性能属性的监控。HSI技术的无损性、稳定性、灵活性使它成为识别影响食品质量关键性能参数的一个有效的过程分析技术。虽然高光谱成像技术优点众多，但在食品工业上仍有其局限性，因为高光谱图像系统对软、硬件均要求较高，导致数据采集和分析的时间过长，但近些年来随着计算机的普及，HSI技术应用在食品工业的在线检测进入了一个新的阶段。

例如，N. Aleixos等人利用计算机视觉技术和数字信号处理器对柑橘类进行多光谱适时检测，对水果的外部特性(颜色、纹理、尺寸、形状、表面缺陷等)以及内部品质进行评估，对商品进行分级。计算机视觉系统安装在传送带上面，该系统可以以每秒5个水果的速度检测大小、颜色、表面缺陷等。

HSI技术在肉类的检测方面也运用广泛。K.Cha等人利用高光谱和多光谱图像分析来检测肉鸡表皮瘤。采集8幅波长在420～850nm的有表皮瘤的肉鸡图像，然后运用主成分分析法从图像中选择有用的465 nm , 575 nm和 705 nm的波段。之后，利用多光谱成像技术同时采集在上述3个波段下60只病鸡和20只正常鸡的多光谱图像，从采集到的图像中得到图像的变异系数、偏斜系数、峰度等特征：如果同时用以上3个特征进行分析，可得到91％的准确率。Y. R.Chen等人用计算机视觉技术和多光谱技术对家禽进行自动在线品质检测。

13.1.2 HSI技术原理

根据光谱的分辨率，成像光谱技术可分为多光谱成像技术、HSI技术、超光谱成像技术3大类。其中多光谱成像技术的光谱分辨率为△λ/λ= 0.1数量级，它一般只能提供可见光和近红外光区域内的几个波段：HSI技术的光谱分辨率在△λ/λ= 0.01数量级，可达纳米级，它能提供可见光和近红外光区域内的几十至几百个波段。超光谱成像技术的光谱分辨率在△λ/λ=0.001数量级，它在可见光和近红外光区域内可提供上千个波段。目前常用的成像光谱的波段范围有两种，可见光/近红外光区的波段范围是400～1000nm，短波红外光区的波段范围是900～2500nm。

成像光谱仪，也称为光谱成像仪，是成像光谱技术中必不可少的部件，能将电磁辐射与物质的相互作用以成像的方式表达出来。一套完整的HSI系统应包括成像光谱仪、图像采集卡、光源、传输装置及计算机等，其中成像光谱仪是最关键的部件。在了解成像光谱仪采集原理之前，必须要认识到高光谱数据采集是一种四维问题，其中包含两维空间信息、一维光谱信息、一维时间信息。因此，根据采集空间信息与光谱信息在时间序列上的不同，成像光谱仪数据采集方式可以分为两种类型：一种是按时间序列逐波长采集一维空间图像；另一种是按时间序列逐行采集一行像元光谱数据(即一维图像包含所有的光谱波段)。

其中基于第一种测试方法的被称为时间调制型成像光谱仪，其核心是一组迈克尔逊干涉仪，对入射图像通过移动动镜产生时间序列干涉图，进而通过傅里叶变换形成光谱图。因此其需要一个高精度的动镜系统，并且测量时要求高度安静平稳的操作环境，适用范围比较狭窄，主要用于卫星大型平台。同时，由于实时性差，因此对光谱在时间序列上的变化不敏感。

目前市场上常见的仪器都是基于第二种测量方式的空间调制型成像光谱仪，它是以面状阵列为探测器来获取数据的，主要包括前置光学系统、分光光栅、汇聚透镜、校正镜系统、指向镜、电子学系统和机械结构等。每个光谱仪都含有一套将景物成像到狭缝的折射式前置光学系统。通过狭缝的光被一个平面光栅在狭缝垂直的方向进行色散，然后成像在一个两维焦平面阵列上。沿狭缝方向的阵列提供空间景物信息，另一方向的阵列(狭缝光沿此阵列方向色散)提供光谱信息。沿垂直狭缝的方向推扫并依次存储焦面阵列所收集的空间/光谱信息，就可以产生一个二维的每个像素有多个谱段的空间影像。

成像光谱的获取包括3种模式，分别是逐点扫描式(point)、线推扫式(line)、画幅式(frame)。目前用得最多的是线推扫式，也称推扫式成像光谱，在推扫过程中，每个扫描位置将获得一个窄带空间位置上多个像素点的光谱图像，这就是原始图像，对推扫过程中多个窄带空间区域的原始图像进行图像拼接，即可得到整个样本的成像光谱，称为数据立方体。在数据立方体中，每个波长下都对应样本的图像。

13.1.3 HSI检测系统的构成

一个典型的推扫式近红外光成像光谱系统由光源、成像光谱仪、红外光照相机、镜头、移动样本台、计算机图像采集系统和运动控制系统等组成，系统构成如图13-1所示。其中成像光谱仪多采用光栅进行分光。移动样本台由步进电动机驱动做匀速移动。有些系统为了调节方便，配制了三维运动平台，可作x, y轴方向上的匀速移动，还可根据样本尺寸在z轴方向上调整高度。有些成像光谱系统中样本是固定不动的，而红外光照相机和成像光谱仪匀速移动，完成光谱图像的扫描。

图13-1 成像光谱系统的构成

文章来源：《多光谱食品品质检测技术与信息处理研究》

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