為什么高分辨率檢測對食物產(chǎn)品很重要？

By Kwok Wong

當(dāng)您打開一包堅(jiān)果時(shí)，您期望里面只有好的堅(jiān)果。存在任何種類的異物（例如堅(jiān)果殼、碎石或塑料）對公司來說都可能是災(zāi)難性的結(jié)果。消費(fèi)者偏好度可能會(huì)下降，負(fù)面的公關(guān)會(huì)產(chǎn)生持久影響。

杏仁生產(chǎn)商 Travaille & Phippen 位于加利福尼亞的農(nóng)業(yè)中心地帶。他們的產(chǎn)品質(zhì)量非常高，這是因?yàn)樗麄円呀?jīng)開始使用 Bratney Companies 的杏仁分揀機(jī)，該分揀機(jī)配備 Headwall 的高光譜成像傳感器和定制的 PCO sCMOS 相機(jī)。Travaille & Phippen 的首席執(zhí)行官 Scott Phippen 解釋了光譜成像在他的業(yè)務(wù)中的優(yōu)勢：“我們希望讓我們的產(chǎn)品在質(zhì)量方面與眾不同，光譜成像和機(jī)器人的結(jié)合使我們能夠以非常高精度的水平對杏仁進(jìn)行分級(jí)和分類?！?

高光譜成像技術(shù)能夠根據(jù)材料之間的光譜反射差異對食品進(jìn)行檢測和分級(jí)。Headwall 光譜成像產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)理 Kwok Wong 指出，“傳統(tǒng)的 RGB 相機(jī)系統(tǒng)和人工檢測員通?？梢詸z測產(chǎn)品流中在可見光范圍內(nèi)看起來不同的異物，但他們無法持續(xù)如一地檢測異物或檢測與好產(chǎn)品外形相似的缺陷產(chǎn)品，例如分辨杏仁殼與杏仁皮或腐爛的堅(jiān)果與健康的堅(jiān)果?！毙尤史謷C(jī)中使用的 VNIR（可見光 - 近紅外）高光譜成像傳感器提供 300 多個(gè)光譜帶數(shù)據(jù)，可以測量場景中每個(gè)像素的光譜反射曲線。這意味著 Travaille & Phippen 等食品生產(chǎn)商可以準(zhǔn)確檢測和去除異物和不適合食用的堅(jiān)果，以及對堅(jiān)果進(jìn)行分類，以滿足特定客戶/用途所需的更高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?！拔覀兊目蛻舯椴既?，他們的各種偏好是光譜成像傳感器可以幫助我們識(shí)別的，”Phippen 說。

每種材料都有自己的光譜反射曲線。高光譜成像傳感器與光譜算法結(jié)合使用，不僅可以區(qū)分杏仁與樹皮或其他異物，還可以區(qū)分顏色較深的杏仁和較淺的杏仁。大小、腐爛、顏色和形狀是傳感器經(jīng)過訓(xùn)練可以檢測的其他特征。這使 Travaille & Phippen 能夠以人工檢測員或 RGB 相機(jī)系統(tǒng)無法達(dá)到的精度對產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)和分類?！霸搨鞲衅骶哂蟹浅８叩墓庾V和空間分辨率，因此它可以準(zhǔn)確地確定它所看到的內(nèi)容及其在檢測線上的位置，”Kwok 說。

高光譜成像儀實(shí)際上是一個(gè)行（線）掃描儀，它可以在每個(gè)瞬間捕獲穿過傳送帶的一行的光譜數(shù)據(jù)，從而在傳送帶移動(dòng)時(shí)構(gòu)建傳送帶上物體的 2D 圖像。Headwall高光譜成像傳感器包括幾個(gè)組件。一個(gè)是前視鏡，或輸入鏡頭，它將來自場景的光成像到狹縫上。這允許來自場景圖像“行”的光進(jìn)入下一個(gè)組件，即光譜儀。光譜儀將通過狹縫的光擴(kuò)散成光譜成分。焦平面陣列 (FPA) 或相機(jī)捕獲已被光譜擴(kuò)散的行圖像，該圖像顯示了原圖像上每個(gè)點(diǎn)的數(shù)百個(gè)窄波段。該系統(tǒng)的輸出稱為高光譜數(shù)據(jù)立方體，包括所有收集的幀，每個(gè)幀都包含視野內(nèi)每個(gè)像素的全光譜數(shù)據(jù)。

在 Travaille & Phippen 系統(tǒng)中，兩個(gè)傳感器被安置在傳送帶上方。杏仁在掃描之間被翻轉(zhuǎn)以獲取兩側(cè)的信息，自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)傳感器收集的非常精確的空間數(shù)據(jù)從生產(chǎn)線上挑出有問題的物品。

在生產(chǎn)環(huán)境中使用光譜成像的挑戰(zhàn)之一是將來自場景的少量光子分布在焦平面陣列的每個(gè)像素上。來自每個(gè)場景像素的光分布在焦平面上的許多像素上，以啟用數(shù)百個(gè)光譜帶。如此多的窄光譜帶是高光譜成像傳感器可以根據(jù)前面討論的許多不同變量進(jìn)行產(chǎn)品分類的原因。此外，在快速傳送帶速度的應(yīng)用中，需要高相機(jī)幀速以避免運(yùn)動(dòng)模糊并捕獲精細(xì)的空間分辨率圖像，這些圖像經(jīng)過處理后產(chǎn)生彈射指令，并傳達(dá)給下游機(jī)器人。

圖 1：發(fā)光光線檢測線。每條檢測線都包含兩個(gè)高光譜傳感器，因此可以對杏仁的兩面進(jìn)行檢測和分級(jí)。高光譜傳感器實(shí)時(shí)將空間（位置）信息傳達(dá)給下游機(jī)器人。

圖 2：算法驅(qū)動(dòng)的高光譜軟件為食品檢測公司提供豐富的數(shù)據(jù)分析。

為什么 Headwall 選擇 PCO 來為這個(gè)應(yīng)用定制相機(jī)？ Headwall 需要一臺(tái)定制的高性能相機(jī)，而此相機(jī)需來自可靠相機(jī)制造商。相機(jī)必須具有非常好的弱光靈敏度、非常低的讀出噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍、高幀速、良好的線性和穩(wěn)定性以及高可靠性。 PCO 是行業(yè)有名的科學(xué)相機(jī)制造商，愿意并且能夠以合理的成本和快速的周轉(zhuǎn)時(shí)間制造這樣一種在內(nèi)部集成特殊光學(xué)組件的相機(jī)。由此生產(chǎn)的相機(jī)具有sCMOS (Scientific CMOS) 焦平面陣列，并結(jié)合了集成的熱電冷卻器和出色的電子設(shè)備。對于 Travaille & Phippen 的這種特殊的高級(jí)機(jī)器視覺應(yīng)用，以下是主要特點(diǎn)和優(yōu)勢：

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