由内而外成像：苹果产业中的SWIR

粮食。对国民消费和出口而言，食品工业都是许多国家的经济支柱。食品工业为全球人口的就业和生计作出了贡献，是文化和价值观的一种表达，对人类的生存至关重要。

这个行业正处在变化之中。虽然现在衡量新冠疫情对全球贸易和消费的真正影响还为时尚早，但其他因素，尤其是气候变化和人口增长，正在推动粮食生产发生变化。

一些粮食供应可以轻易地延续下去，很少中断。虽然全球有5万多种可食用的植物，但其中只有15种提供全球人口90%的食物能量摄入。其中，大米、玉米和小麦占据近三分之二的比例。这些核心主食易于储存和加工。许多种植小麦和水稻的美国农民已经能够依靠机械化工具和流程来限制人与人之间的接触，即使在新冠疫情大流行期间也能满足CDC安全操作指南的要求。因此，国际食物政策研究所于2020年3月报告称，新冠疫情目前并未对全球粮食安全构成重大威胁；我们的主食储备充足。

农作物在追求高价值和精细化的过程中将面临更多的挑战。水果和有机农产品在小型农场种植，产生了更多的劳动力需求。根据联合国和国际货币基金组织的资料，新冠疫情防控措施将对这些农场产生不成比例的影响，并可能导致农产品价格飙升，从而影响餐馆和供应链下游的消费者。随着成本的全面上升，已经有证据表明水果价格的上涨超过了蔬菜产量的下跌。

相关信息：Teledyne DALSA扩展了SWIR线扫描相机产品线（链接：https://www.teledynedalsa.com/en/news/newsroom/teledyne-dalsa-expands-its-family-of-swir-line-scan-cameras/）

资料来源：国际货币基金组织，“新冠疫情期间的食品市场”，2020年6月29日

苹果就是一个很好的例子，它是当今世界上比较具经济和文化意义的水果之一，产地遍布全球温带地区。作为一种高价值的水果，苹果的种植和采摘耗费大量的劳动力，以确保果树健康和产量丰收。苹果是一项大产业，主要的产业参与者遍布世界各地。

资料来源：农产品外销局/USDA，2020年6月4日

原谅我的双关语，但苹果也是一个成长型产业！即使在新冠疫情大流行期间，预计2019/20年度的全球苹果产量增长近7%，达到7580万公吨。中国今年的苹果产量增长了24%，从2018/2019年的低谷中反弹，再次成为全球比较大的苹果出口国，弥补了霜冻、干旱、高温和冰雹造成的欧盟区产量下跌。据估计，美国的苹果产量增加了30余万吨，达到480万吨。这主要是因为主产地华盛顿州夏季气候适宜，产量实现了反弹。更高品质的供应——以及更大的供应量——预计将进一步提振对主要市场的出口。

在过去的几年中，苹果产业的需求在发展中逐渐追求更好的品质，食品安全，以及产品的可追溯性。随着劳动力待遇要求提高，能源和水资源消耗降低，农用化学品安全性提高，苹果的生产成本也不断上升。这给种植者、加工商和零售商带来了巨大的压力，迫使他们调整供应链。精准农业、分子生物学、表型组学、作物建模和采后生理学的比较新发展应该能够提高全球温带水果的产量和品质，并降低生产成本。

用机器视觉生产更好的苹果

如果苹果变得更加脆弱、稀缺和昂贵，机器视觉能提供什么帮助呢？

每个人类个体都不一致，他们的日常行为也往往不一致。传统的检查一般涉及人工切开并检查农产品。这一费时费力的操作会破坏农产品，且除了成本较高之外，检查的结果往往带有主观性。相比之下，成像系统可以实现高速、无损的品质检查和分级。可见、多光谱和红外成像技术已经在水果和蔬菜分级系统中得到了不同程度的应用。然而，品质和分级检查的自动化仍然具有挑战性，这减缓了其在水果和蔬菜分级系统中的应用。

挑战是多方面的：

● 物理和生物多样性（仅在美国就有成千上万种苹果）

● 大小和形状变化显著的不均匀圆形物体需接受表面检测。

● 区分缺陷与自然特征

● 迄今为止算法的可靠性

● 光学检测系统中速度与精度之间的冲突

你所追求的：定义品质

从这些挑战来看，我们难以定义“品质”。这不是一个定义明确的单一属性，而是优质水果所具备的众多特征。研究表明，在相对类似的文化中，即使品质相对一致，人们对品质的认可方式也存在很大的差异。当问及更多样化的群体时，关于“品质”的文化共识很快就会瓦解。这些文化差异在研究中随处可见（在对待“幸福”的定义时可能会变得非常疯狂），但这迫使我们去研究特定的、更容易量化的因素。

这项任务稍稍简单了一点。我们培育苹果是为了让它们的外表好看。不仅如此，可见光往往停留在果皮上，色素、叶绿素和其他波段的光可以被下层的结构化组织散射。通过近红外和短波红外（SWIR）技术，你可以更清楚地看到苹果内部的水密度和分布情况。这说明关键的物理属性有助于预测可测量的苹果“品质”、纹路、持水能力和比重。

食品加工厂传送带上的新鲜苹果，准备接受自动化包装

纹路和密度异常表明可能存在淤伤，这对品质检测系统尤为重要。“淤伤”是指外力、挤压、切割或苹果皮和果肉擦伤造成的水果组织损伤。这会导致水果的纹路和化学成分发生物理变化，对产品的颜色、气味、味道和寿命直接造成长期影响。

苹果对机械损伤的敏感性取决于许多因素，包括土壤栽培、营养和水果生长过程中的气候条件，所有这些因素在过去几十年里都变得愈发的复杂和极端。收获和运输会对产品造成淤伤，生产线上的条状物和其他碎片也会造成同样的损伤。

光学分拣技术可捕获和移除淤伤的产品。事实上，提高分选效率可减少浪费的可能性。相反，可根据苹果与其他产品（比如果酱、蜜饯和冷冻混合物）之间的匹配度进行分拣。尽管淤伤是水果在分拣生产线上被拒收的首要原因，但自动分拣系统在检测淤伤方面仍然缺乏精度，这迫使公司寻求人工分拣。

红外成像应用于食品保质期

那么我们如何才能达到更高的精度呢？我们已经了解了短波红外成像如何帮助实现田间作物的精准种植。

但在作物收获后，需求即发生了改变。植物性食品行业面临的一个主要挑战在于，植物性食品的保质期通常很短，这几乎是一个普遍的事实。一般而言，国内消费食品的保质期为七天左右，海外消费食品的保质期为7-15天。食品在收获后接受加工、储存和运输，随后其生理品质不断变化。

2007年，研究人员能够使用近红外/SWIR测量技术来区分苹果品种、储存类型和储存时间。后来，研究人员利用红外光谱技术检测了在室温或气调贮藏环境下储存6个月后的苹果的食用和感官品质（即我们所说的味道和口感）。然而，这两项研究都不具有预测性；他们只检查了储存后的苹果。红外成像技术需要更大的改进才能迈出下一步。

图片由Edmunds Optics提供

对于可为生产决策提供信息的行业评估，确定水果品质需要的不仅仅是在商店中放置消费者信赖的明显标识，如形状、大小、颜色、纹路和缺陷。水果生产商需要重视那些表明未来品质和寿命的不可见特征：糖含量、硬度、可溶性固形物含量和营养成分。为此，研究人员创建了一个系统，将可见光、SWIR和MWIR成像范围内（400-5000nm）的反射辐射成像纳入其中。事实证明，整个光谱有助于检测淤伤。成像所延伸的红外线范围越深，研究人员就能对苹果组织进行更深的评估。

显然，我们需要一种更全面的方法来为生产决策提供动力。研究人员随后转向高光谱图像分析（包括近红外和SWIR波段），给出了目标图像苹果的不同“深度”。分析证明，MWIR成像技术可用于更广泛的淤伤识别。

这需要同时使用大量数据，主要是因为目标对象是3D而非2D对象。使用比较小噪声分离变换（MNF）旋转可以获得更好的结果，可以确定图像数据的固有维数，分离数据中的噪声，并减少后续处理MNF变换的计算量。MNF变换成分可以更好地用于图像分割目的。

比较小噪声分离变换（MNF）对典型的“金冠苹果”SWIR波长范围图像进行评分。https://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0260877412000027

对单个范围（VNIR、SWIR或MWIR）图像的总得分进行分析后表明，与将这些范围联合纳入模型的情况相比，预测值较低。基于VNIR、SWIR和MWIR范围建立的监督分类模型表明，将这三个范围整合在一起的模型在区分淤伤和健全组织以及不同深度的淤伤方面具有比较佳的预测效率。这表明将MWIR范围纳入分拣系统是合理的。

很好，那我们该怎么做呢？

……请参见第二部分