柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測(cè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文基于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)柑橘內(nèi)部品質(zhì)的實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，現(xiàn)有在線無(wú)損實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和方法還不成熟且投入商業(yè)化應(yīng)用較少的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套近紅外光譜采集與處理軟件。該軟件采用面向?qū)ο蠡膙isual C++編程技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光譜的顯示、光譜文件的管理、光譜信號(hào)的實(shí)時(shí)處理以及光譜預(yù)測(cè)模型的選擇等，解決了一些在線檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為柑橘內(nèi)部品質(zhì)的實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)提供了理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

引言

　　大多數(shù)近紅外光譜^[1-5]儀所帶的光譜分析軟件功能千差萬(wàn)別，并且這些軟件大多只適合靜態(tài)實(shí)驗(yàn)室離線分析使用，沒(méi)有成熟的在線檢測(cè)分析控制軟件。本文設(shè)計(jì)的“近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測(cè)軟件系統(tǒng)^[6]基于所設(shè)計(jì)的檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)和在線檢測(cè)的要求，力圖實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的要求，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)光譜采集^[7]、實(shí)時(shí)光譜預(yù)處理^[8]、模型算法^[9]選擇多樣性、內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性、軟件系統(tǒng)易維護(hù)性和用戶(hù)使用操作方便性等特點(diǎn)，為近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)提供快速、準(zhǔn)確的品質(zhì)檢測(cè)手段。

　　采用面向?qū)ο?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/Visual C++">Visual C++^[10-12]編程技術(shù)，向量、矩陣運(yùn)算的封裝技術(shù)，結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)與復(fù)合文檔技術(shù)等，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測(cè)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)由實(shí)時(shí)光譜文件管理、實(shí)時(shí)光譜顯示、實(shí)時(shí)光譜信號(hào)處理(預(yù)處理)、實(shí)時(shí)光譜校正模型的選擇與管理、未知樣品糖酸度預(yù)測(cè)及等級(jí)評(píng)價(jià)五大功能模塊構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)多種光譜儀器光譜格式兼容性和光譜分析功能多樣性，具有建模算法選擇較多、內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)較準(zhǔn)、軟件系統(tǒng)易維護(hù)容易、用戶(hù)使用操作方便等特點(diǎn)，為柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測(cè)提供了很好的技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

　　基于所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)建立適合于近紅外光譜內(nèi)部品質(zhì)在線檢測(cè)軟件系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)光譜采集、實(shí)時(shí)光譜預(yù)處理、模型算法選擇多樣性、內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性、軟件系統(tǒng)易維護(hù)性和用戶(hù)使用操作方便性等特點(diǎn)，為近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)提供快速、準(zhǔn)確的品質(zhì)檢測(cè)手段。

2 系統(tǒng)功能

　　根據(jù)上述系統(tǒng)目標(biāo)，近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測(cè)軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)包括光譜文件管理、實(shí)時(shí)信息單元、實(shí)時(shí)控制單元、數(shù)據(jù)處理單元、評(píng)價(jià)決策單元和數(shù)據(jù)庫(kù)單元等。如圖1所示。

2.1 實(shí)時(shí)光譜文件管理

　　該模塊主要實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)、試驗(yàn)臺(tái)硬件參數(shù)數(shù)據(jù)和檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和格式轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)對(duì)多家光譜儀的光譜格式兼容，方便光譜數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和相互轉(zhuǎn)換。

2.2 實(shí)時(shí)顯示

　　實(shí)時(shí)顯示主要包括光譜數(shù)據(jù)、在線檢測(cè)參數(shù)和檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。光譜數(shù)據(jù)既可以通過(guò)表格化以數(shù)字形式顯示，方便查詢(xún)被測(cè)樣品某一波長(zhǎng)點(diǎn)下的吸光度數(shù)值，又可以通過(guò)以圖形化譜的圖形式顯示，直觀地反映了譜圖的變化情況;既可以顯示單個(gè)樣品的譜圖，又可以顯示多個(gè)樣品的譜圖，便于檢查出譜圖異常的樣品及觀察光譜曲線中噪聲嚴(yán)重的譜區(qū)。在線參數(shù)的顯示主要反映實(shí)時(shí)檢測(cè)速度和光照強(qiáng)度，便于檢測(cè)中根據(jù)樣品譜圖的情況通過(guò)軟件調(diào)整修改參數(shù)，檢測(cè)評(píng)價(jià)的結(jié)果也要相應(yīng)地顯示出來(lái)。

2.3 光譜信號(hào)的實(shí)時(shí)處理

　　光譜信號(hào)處理也稱(chēng)為光譜預(yù)處理，是提高校正模型的適應(yīng)性和穩(wěn)定性的必要措施，也是提高未測(cè)樣品糖酸度預(yù)測(cè)精度的有力保證。軟件可以對(duì)原始光譜信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)處理，其中包括對(duì)光譜信號(hào)的坐標(biāo)變換(橫軸的波長(zhǎng)、波數(shù)等單位變換，縱軸的吸光度、透過(guò)率、反射率等單位變換)、光譜信號(hào)的代數(shù)運(yùn)算(加、減、乘、除常數(shù)，如中心化與標(biāo)準(zhǔn)化處理)、光譜信號(hào)的平滑、光譜信號(hào)的微分(一階和二階微分)和高頻噪聲濾除(平滑去卷積和傅立葉變換)。

2.4 實(shí)時(shí)光譜預(yù)測(cè)模型的選擇和管理

　　近紅外光譜柑橘糖酸度在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的一般流程通常分為兩部分：模型選擇與基于該模型成分預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)模型庫(kù)的維護(hù)。在檢測(cè)開(kāi)始之前，首先要選取適宜的預(yù)測(cè)模型來(lái)對(duì)被測(cè)柑橘的成分進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，我們篩選出多元線性回歸模型MLR^[13]，主成分回歸PCR^[14]和偏最小二乘法PLS^[15]等多種軟件系統(tǒng)，貯存于軟件模型庫(kù)，用戶(hù)可以針對(duì)不同的水果樣品和不同的預(yù)測(cè)成分，根據(jù)預(yù)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇適宜的模型進(jìn)行運(yùn)算預(yù)測(cè)。另外，模型庫(kù)內(nèi)模型的維護(hù)和內(nèi)部模型的不斷改進(jìn)是決定軟件對(duì)柑橘種類(lèi)和內(nèi)部成分種類(lèi)適應(yīng)能力的基礎(chǔ)。

2.5 未知柑橘樣品內(nèi)部品質(zhì)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)

　　未知柑橘樣品內(nèi)部品質(zhì)在線預(yù)測(cè)的流程圖如圖2所示，其包括的主要環(huán)節(jié)有：軟件參數(shù)選擇、硬件參數(shù)選擇、實(shí)時(shí)光譜采集和預(yù)處理以及糖酸度預(yù)測(cè)和顯示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　Visual C++是美國(guó)微軟(Microsoft)公司推出的Win32可視化C++開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。它不但具有應(yīng)用程序框架自動(dòng)生成、類(lèi)管理靈活方便、可開(kāi)發(fā)多種程序(如:應(yīng)用軟件、ActiveX控件及動(dòng)態(tài)連接庫(kù)等)、代碼編寫(xiě)和界面設(shè)計(jì)集成交互操作等優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置就可使其生成的應(yīng)用程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)接口和3D控件界面等。目前，它已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)Win32應(yīng)用程序的主要開(kāi)發(fā)工具。它具有一個(gè)功能龐大的MFC類(lèi)庫(kù)，該類(lèi)庫(kù)封裝了許多常用的Windows API函數(shù)，是Visual C++程序設(shè)計(jì)的核心，絕大多數(shù)基于Visual C++的應(yīng)用程序都是在該類(lèi)庫(kù)基礎(chǔ)上構(gòu)造的。本檢測(cè)軟件系統(tǒng)就是基于Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)完成的。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第70頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。