基于核磁共振成像的梨果品质无损检测方法研究

摘要

水果含有人体所需的多种矿物质和维生素等，对维持人体正常的生理功能有着重要的作用，它是人类饮食结构的基本组成部分，在人们的日常生活中必不可少。我国是水果生产大国，水果种植面积和产量在全世界名列前茅。水果采后商品化处理水平低是影响国内水果在国际市场竞争力的主要因素之一，因此实现水果外观与内部品质的无损检测及分级已成为国内水果产业化的必要前提。目前水果无损检测与分级主要有基于可见光技术的外部品质检测与光谱技术的内部品质检测两大类，外部品质检测技术较为成熟，但对于外部轻微损伤缺陷及内部缺陷的检测还存在不足之处，如检测效果受损伤时间影响，内部缺陷受检测位置及水果大小影响等。核磁共振成像技术可反映水果内部含水量的变化，应用其进行检测具有无损、可视化、安全无辐射、不受样品大小影响等优点。
　　梨是国内水果产量居第三位的水果。本研究利用核磁共振成像技术和图像处理技术，对梨果挤压损伤、跌落损伤、内部褐变三种不同缺陷进行无损鉴别与分级，并建立了梨果坚实度与磁共振质地系数间的相关模型。利用医用核磁共振设备，采集了梨果中的鸭梨、香梨和黄花梨的冠状面核磁共振T2加权图像，经过图像转换、图像预处理、特征提取等处理实现对鸭梨挤压损伤及跌落损伤的识别、香梨内部褐变的识别，并对鸭梨跌落损伤阶段及香梨褐变严重程度进行分级;通过统计和分析黄花梨坚实度和核磁共振图像质地系数间的皮尔森相关关系，建立了多元回归模型。本文的研究目的在于验证核磁共振成像技术检测水果外部的机械损伤及内部缺陷的可行性，排除损伤时间对检测结果的影响，并确定内部褐变的严重程度，为研发具有自主知识产权的水果品质在线检测生产线提供方法依据。
　　本论文的主要研究内容、结果和结论如下:
　　1)确定了用于梨果缺陷检测的核磁共振图像采集方式。分析了核磁共振设备所采集的图像，结果表明:T2加权成像的清晰度可以完成本研究所需检测的缺陷和内部品质;且梨果冠状面图像比矢状面图像采集速度快，图像处理简单方便;对于不同品种的梨果，由于大小不同，可采取不同的切片厚度和切片间距，以适合水果缺陷与品质检测。
　　2)提出了用于鸭梨表面轻微损伤检测的角点特征法，分析了挤压损伤与正常鸭梨组织核磁共振图像灰度的差异。对于采用万能试验机模拟的轻微压伤，通过Otsu阈值分割、膨胀操作并提取边界的图像处理方法，最后对水果边界进行角点检测。试验对207幅有效鸭梨样本图像进行轻微损伤检测，轻微损伤鸭梨样本的检测正确率为92.1％;正常鸭梨截面图像的检测正确率为100％，畸形鸭梨截面图像检测正确率100％。试验还对真实轻微损伤鸭梨进行损伤识别，结果发现对32个鸭梨真实损伤样本识别时，识别率可达96.8％。结果表明，对鸭梨冠状面切片边界提取角点特征的方法可判断鸭梨是否存在轻微挤压损伤。
　　3)提出了用于鸭梨新旧跌落损伤检测的图像处理方法，分析了正常鸭梨与不同跌落损伤阶段鸭梨组织核磁共振图像灰度的差异，发现跌落损伤新伤组织图像灰度比正常鸭梨组织图像灰度高，跌落损伤旧伤组织图像灰度比正常鸭梨组织图像低。对于从离地面40mm架子上通过自由落体运动形成的跌落损伤，通过Otsu阈值分割、去除果核、旧伤特征提取等图像处理方法可以识别出旧伤水果;然后对判断不为旧伤的水果作进一步图像处理，通过固定阈值分割、去除果核、新伤特征提取可以识别出新伤水果，余下的均为完好水果。试验对100个切片进行跌落损伤检测，60个旧伤切片中有59个被检测为旧伤，1个被检测为新伤，识别正确率为98.3％;20个新伤切片均被检测为新伤，识别正确率为100％;20个完好切片均被检测为完好水果，识别正确率为100％。结果表明，利用核磁共振成像不仅可以实现鸭梨跌落损伤的识别，还可以同时实现对新伤和旧伤的识别。
　　比较了损伤不同阶段损伤组织灰度的变化情况，采用典型判别分析方法，利用代表鸭梨切片图像的图像直方图参数对鸭梨损伤阶段判别的可行性进行了研究。研究所选样本的分类准确率为81.3％;能够较好地区分损伤第1阶段和第4阶段的鸭梨图像，分类准确率达到100％;但对于损伤第2阶段和第3阶段的图像容易形成误判，有较大的交叉区域，第2阶段损伤鸭梨有6个被归为第3阶段损伤鸭梨，1个被归为第1阶段鸭梨（该鸭梨损伤区域非常小），第3阶段损伤鸭梨有8个被归为第2阶段损伤鸭梨。对于同一鸭梨切片，第2阶段与第3阶段图像用肉眼观察灰度差别也不是特别大，因此使用直方图参数特征无法较好区分损伤第2阶段与第3阶段这种微弱的变化。将鸭梨分为损伤初期、中期和晚期三个阶段重新进行判别分析，该方法能较好区分鸭梨损伤阶段，总的分类正确率为98.75％。结果表明，利用核磁共振成像结合直方图特征参数可实现鸭梨损伤阶段的判别，并且分为三个阶段（损伤初期、中期和晚期）效果较好。
　　4)针对库尔勒香梨在贮藏过程中出现的内部褐变缺陷，提了基于核磁共振图像的自动图像处理方法。对室温贮藏六个月的新疆库尔勒香梨，通过定期采集图像，观察其贮藏过程中的褐变变化情况，通过Otsu阈值分割、果核/水果区域像素比、形态学操作、去除果核、提取褐变特征等图像处理步骤，可以判断香梨是否存在内部褐变。试验对贮藏过程中42个香梨的128个有效切片进行内部褐变检测，该图像处理方法对褐变切片的识别正确率达到100％，对于正常切片的识别正确率为84％，总的识别正确率为98％。同时，通过分析我们还发现，该算法对贮藏后期的香梨总体褐变识别率比较高，这可能与贮藏前期香梨内部复杂的物理化学变化有关。结果表明，利用形态学的图像处理方法可实现褐交香梨的无损识别。
　　分析了褐变香梨区域直方图，将香梨分为完好香梨、轻度褐变、中度褐变及重度褐变四类，结合褐变识别图像处理方法，各类香梨对应的识别准确率分别为84％、95％、94.4％和100％，轻度和中度褐变香梨各有1个切片被误判。结果表明，利用核磁共振成像结合褐变香梨区域直方图技术，可实现对香梨褐变程度的定性判断。
　　5)分析了黄花梨在成熟和贮藏过程中坚实度与磁共振质地系数间的相关关系，选择对坚实度相关性较高的质地系数对成熟过程和贮藏过程分别建立了多元回归模型，并使用该模型进行了预测评估，该模型的稳定性和重复性有待进行更多的试验研究来补充和完善。

目录

论文说明

声明

致谢

摘要

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表格清单

英文缩略表

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 我国水果品质检测现状

1．3 无损检测技术及其在水果品质检测中的应用

1．3．1 基于可见光技术的水果品质无损检测

1．3．2 基于近红外光谱技术的水果品质无损检测

1．3．3 基于高光谱技术的水果品质无损检测

1．3．4 基于核磁共振技术的水果品质无损检测

1．3．5 其它水果品质无损检测方法

1．3．6 各种水果品质无损检测技术的优缺点比较

1．4 本文研究目的和内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究技术路线

1．5 本章小结

第二章 试验材料与方法

2．1 试验样品预处理

2．1．1 鸭梨碰压伤无损检测样本预处理

2．1．2 香梨内部褐交无损检测样本预处理

2．1．3 黄花梨质地无损检测样本预处理

2．2 核磁共振成像设备采集方法和参数介绍

2．2．1 核磁共振成像设备介绍

2．2．2 梨果图像采集方法

2．2．3 核磁共振成像参数介绍

2．3 数据处理软件

2．3．1 图像格式转换软件

2．3．2 数据处理软件(Matlab／MaZda／SPSS)

2．4 图像处理与分析方法

2．4．1 图像处理

2．4．2 核磁共振图像质地分析

2．5 本章小结

第三章 基于核磁共振成像的鸭梨挤压损伤研究

3．1 材料与方法

3．1．1 主要试验设备

3．1．2 鸭梨挤压损伤形成

3．1．3 核磁共振图像采集方法与参数确定

3．2 结果与分析

3．2．1 图像分析与处理

3．2．2 轻微损伤检测

3．2．3 结果分析

3．2．4 鸭桑真实轻微损伤应用

3．3 本章小结

第四章 基于核磁共振成像的鸭梨跌落损伤研究

4．1 材料与方法

4．1．1 主要试验设备

4．1．2 跌落损伤形成

4．1．3 核磁共振图像采集方法与参数确定

4．2 新旧损伤．鸭梨图像识别研究

4．2．1 图像预处理

4．2．2 基于核磁共振成像的跌落旧伤检测方法研究

4．2．3 基于核磁共振成像的跌落新伤检测方法研究

4．2．4 鸭梨新旧损伤混合图像分割与特征提取方法研究

4．3 鸭梨跌落损伤阶段判断方法研究

4．3．1 灰度直方图定义

4．3．2 灰度直方图统计特征

4．3．3 特征参数选择

4．3．4 鸭梨头落损伤阶段判断

4．4 鸭梨表面损伤识别方法研究

4．5 本章小结

第五章 基于核磁共振成像的香梨内部褐变研究

5．1 材料与方法

5．1．1 主要试验设备

5．1．2 香梨贮藏环境及取样方法

5．1．3 核磁共振图像采集方法与参数确定

5．2 香梨内部褐变识别方法与结果分析

5．2．1 内部褐变香梨切片结果

5．2．2 内部褐变香梨图像分割与特征提取方法研究

5．3 香梨内部褐变程度分析

5．3．1 香梨褐变程度分级

5．3．2 图像处理

5．3．3 香梨截面直方图绘制

5．3．4 结果分析

5．4 本章小结

第六章 成熟与冷藏过程中的黄花梨品质检测

6．1 材料与方法

6．1．1 主要试验设备

6．1．2 试验方法

6．1．3 核磁共振图像采集方法与参数确定

6．2 理化分析结果

6．2．1 黄花梨在成熟过程中的可溶性固形物、坚实度定量分析

6．2．2 黄花梨在冷藏过程中的可溶性固形物、坚实度定量分析

6．2．3 黄花梨坚实度变化模型的建立

6．3 成熟和冷藏过程中黄花梨坚实度与质地系数统计分析

6．3．1 回归分析

6．3．2 成熟过程竖实度回归分析及结果

6．3．3 冷藏过程坚实度回归分析及结果

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结果和结论

7．2 本文创新点

7．3 研究展望

参考文献

科研成果