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高光譜成像結(jié)合ELM的雞蛋品種鑒別

更新時(shí)間：2025-06-18 點(diǎn)擊次數(shù)：449

高光譜成像結(jié)合 ELM 的雞蛋品種鑒別技術(shù)研究

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一、引言

雞蛋作為營養(yǎng)豐富的農(nóng)產(chǎn)品，不同品種在營養(yǎng)成分、市場(chǎng)價(jià)值上存在差異。然而，市場(chǎng)上以次充好、摻假等問題頻發(fā)，威脅食品安全，因此準(zhǔn)確鑒別雞蛋品種具有重要現(xiàn)實(shí)意義。高光譜成像技術(shù)可獲取物體豐富光譜信息，極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）在處理高維非線性數(shù)據(jù)時(shí)具備高效優(yōu)勢(shì)，二者結(jié)合為雞蛋品種鑒別提供了新途徑。

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二、材料與方法

（一）實(shí)驗(yàn)樣本

選取 4 種雞蛋作為試驗(yàn)對(duì)象，每種雞蛋按 2∶1 比例劃分訓(xùn)練集與測(cè)試集，共 240 枚樣本（訓(xùn)練集 160 枚、測(cè)試集 80 枚），保證樣本多樣性與代表性，涵蓋不同品種雞蛋特征。

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（二）高光譜成像采集

采用高光譜成像采集系統(tǒng)（包含高光譜成像儀、鹵素?zé)艄庠?、電控位移臺(tái)、暗箱和計(jì)算機(jī)等），在暗箱環(huán)境下獲取 935.61～1720.23 nm 范圍內(nèi)雞蛋光譜圖像。此環(huán)境可減少外界光干擾，確保光譜圖像質(zhì)量。

（三）圖像預(yù)處理

黑白校正：對(duì)采集的光譜圖像進(jìn)行黑白校正，消除成像系統(tǒng)自身誤差與光照不均勻影響，獲取更真實(shí)的雞蛋光譜信息。
感興趣區(qū)域（ROI）選取：框選雞蛋樣本中心 30×30 pixel 大小的 ROI，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)各像素點(diǎn)反射率均值，作為樣本原始光譜數(shù)據(jù)。同時(shí)，截取 949.43～1709.49 nm 范圍內(nèi)光譜，減少原始光譜首尾端隨機(jī)噪聲干擾。
光譜預(yù)處理：運(yùn)用 SG 平滑（SG）和多元散射校正（MSC）對(duì)截取后的光譜預(yù)處理。SG 平滑可有效去除光譜噪聲， MSC 能校正因樣品散射引起的光譜偏差，提升光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（四）特征波長提取

采用連續(xù)投影算法（SPA）、競(jìng)爭性自適應(yīng)重加權(quán)算法（CARS），以及 CARS - SPA、CARS + SPA 組合方式，對(duì)預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)提取特征波長。這些算法可在眾多光譜波段中，篩選出鑒別力的特征波長，降低數(shù)據(jù)維度，減少計(jì)算量。

（五）模型建立與評(píng)估

基于全波段（FB）和特征波段，分別建立支持向量機(jī)（SVM）、粒子群算法（PSO）優(yōu)化的 SVM（PSO - SVM）、極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）模型。通過對(duì)比不同模型在訓(xùn)練集與測(cè)試集上的鑒別準(zhǔn)確率，評(píng)估模型性能，篩選最佳雞蛋品種鑒別模型。

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三、結(jié)果與分析

（一）光譜特征分析

預(yù)處理后的光譜平均反射率曲線顯示，不同品種雞蛋在特定波長范圍內(nèi)反射率存在差異，為品種鑒別提供了光譜基礎(chǔ)。例如，某些波長下，品種 A 雞蛋反射率明顯高于品種 B，反映出內(nèi)部成分或結(jié)構(gòu)的不同。

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（二）特征波長提取結(jié)果

CARS 提取特征波長時(shí)，隨著采樣輪次增加，特征波長數(shù)目、RMSECV（交叉驗(yàn)證均方根誤差）、回歸系數(shù)呈現(xiàn)特定變化規(guī)律；SPA 提取特征波長也有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)（結(jié)合圖 4、圖 5、圖 6 等分析）。不同提取方法獲得的特征波長，對(duì)后續(xù)模型構(gòu)建影響不同。

（三）模型鑒別結(jié)果

SG - SPA - ELM 模型鑒別，測(cè)試集鑒別準(zhǔn)確率達(dá) 85.00% 。對(duì)比其他模型（如 SVM、PSO - SVM 等），ELM 在處理經(jīng) SG 平滑、SPA 提取特征后的光譜數(shù)據(jù)時(shí)，能更高效挖掘數(shù)據(jù)特征，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分類。表明高光譜成像技術(shù)結(jié)合 ELM，可有效達(dá)成雞蛋品種無損、高效、準(zhǔn)確檢測(cè) 。

四、結(jié)論

本研究利用高光譜成像技術(shù)獲取雞蛋光譜信息，經(jīng)預(yù)處理、特征波長提取后，結(jié)合 ELM 建立鑒別模型。結(jié)果驗(yàn)證了該技術(shù)在雞蛋品種鑒別中的有效性，SG - SPA - ELM 模型展現(xiàn)出良好性能，為雞蛋及其他農(nóng)產(chǎn)品品種鑒別提供了技術(shù)參考，有望推動(dòng)食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)，后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，擴(kuò)大樣本種類與數(shù)量，提升模型泛化能力，探索該技術(shù)在更多農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用。

以象科技作為一家由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強(qiáng)勁的實(shí)力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團(tuán)隊(duì)成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建起了一座堅(jiān)實(shí)的技術(shù)堡壘。西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場(chǎng)領(lǐng)航員，他們憑借對(duì)行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對(duì)市場(chǎng)需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準(zhǔn)對(duì)接市場(chǎng)痛點(diǎn)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個(gè)實(shí)際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場(chǎng)景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測(cè)到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會(huì)的各個(gè)角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場(chǎng)的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，無疑是其技術(shù)實(shí)力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價(jià)比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動(dòng)了我國光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進(jìn)程，提升了我國在全球光學(xué)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢(shì)與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對(duì)物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)以及食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營模式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的綜合實(shí)力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢(shì)，持續(xù)不斷地投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級(jí)和技術(shù)突破提供了源源不斷的動(dòng)力源泉。

與此同時(shí)，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個(gè)地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達(dá)每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機(jī)構(gòu)則像是一位貼心的守護(hù)者，隨時(shí)為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂，進(jìn)一步增強(qiáng)了客戶對(duì)公司品牌的信任度與忠誠度。

以象科技憑借其團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運(yùn)營模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至全球市場(chǎng)上取得更為輝煌的成就，為推動(dòng)光學(xué)科技的進(jìn)步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻(xiàn)。

以象科技由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)，行業(yè)資深專家，光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)，光學(xué)應(yīng)用博士等相關(guān)人員共同發(fā)起成立的科技型公司，目前投產(chǎn)市場(chǎng)可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，突破進(jìn)口技術(shù)壁壘，打破進(jìn)口短波紅外高光譜相機(jī)的技術(shù)限制。

以象科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的科技型公司。目前經(jīng)營產(chǎn)品有激光共聚焦，激光散斑血流成像儀，光譜儀，高光譜相機(jī)等光學(xué)產(chǎn)品。研發(fā)中心設(shè)立于西安，銷售網(wǎng)絡(luò)、完善售后服務(wù)機(jī)構(gòu)設(shè)立覆蓋全國。