柑橘內部品質(zhì)在線(xiàn)檢測軟件系統的設計與實(shí)現

摘要：本文基于目前國內外對柑橘內部品質(zhì)的實(shí)時(shí)無(wú)損檢測還處在實(shí)驗室研究階段，現有在線(xiàn)無(wú)損實(shí)時(shí)檢測技術(shù)和方法還不成熟且投入商業(yè)化應用較少的現狀，設計并開(kāi)發(fā)了一套近紅外光譜采集與處理軟件。該軟件采用面向對象化的visual C++編程技術(shù)，可以實(shí)現實(shí)時(shí)光譜的顯示、光譜文件的管理、光譜信號的實(shí)時(shí)處理以及光譜預測模型的選擇等，解決了一些在線(xiàn)檢測中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為柑橘內部品質(zhì)的實(shí)時(shí)無(wú)損檢測提供了理論指導和參考依據。

引言

　　大多數近紅外光譜^[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)驗室離線(xiàn)分析使用，沒(méi)有成熟的在線(xiàn)檢測分析控制軟件。本文設計的“近紅外光譜柑橘內部品質(zhì)在線(xiàn)檢測軟件系統^[6]基于所設計的檢測試驗臺和在線(xiàn)檢測的要求，力圖實(shí)現在線(xiàn)檢測的要求，實(shí)現在線(xiàn)檢測光譜采集^[7]、實(shí)時(shí)光譜預處理^[8]、模型算法^[9]選擇多樣性、內部品質(zhì)指標預測準確性、軟件系統易維護性和用戶(hù)使用操作方便性等特點(diǎn)，為近紅外光譜柑橘內部品質(zhì)檢測提供快速、準確的品質(zhì)檢測手段。

　　采用面向對象Visual C++^[10-12]編程技術(shù)，向量、矩陣運算的封裝技術(shù)，結構化存儲與復合文檔技術(shù)等，設計并開(kāi)發(fā)了近紅外光譜柑橘內部品質(zhì)在線(xiàn)檢測軟件系統。該系統由實(shí)時(shí)光譜文件管理、實(shí)時(shí)光譜顯示、實(shí)時(shí)光譜信號處理(預處理)、實(shí)時(shí)光譜校正模型的選擇與管理、未知樣品糖酸度預測及等級評價(jià)五大功能模塊構成。實(shí)現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、內部品質(zhì)指標預測較準、軟件系統易維護容易、用戶(hù)使用操作方便等特點(diǎn)，為柑橘內部品質(zhì)在線(xiàn)檢測提供了很好的技術(shù)支持。

1 系統目標

　　基于所設計的試驗臺建立適合于近紅外光譜內部品質(zhì)在線(xiàn)檢測軟件系統、實(shí)現在線(xiàn)檢測光譜采集、實(shí)時(shí)光譜預處理、模型算法選擇多樣性、內部品質(zhì)指標預測準確性、軟件系統易維護性和用戶(hù)使用操作方便性等特點(diǎn)，為近紅外光譜柑橘內部品質(zhì)檢測提供快速、準確的品質(zhì)檢測手段。

2 系統功能

　　根據上述系統目標，近紅外光譜柑橘內部品質(zhì)在線(xiàn)檢測軟件系統的功能結構包括光譜文件管理、實(shí)時(shí)信息單元、實(shí)時(shí)控制單元、數據處理單元、評價(jià)決策單元和數據庫單元等。如圖1所示。

2.1 實(shí)時(shí)光譜文件管理

　　該模塊主要實(shí)現光譜數據、試驗臺硬件參數數據和檢測與評價(jià)結果數據的存儲和格式轉換。為了實(shí)現數據共享，系統對多家光譜儀的光譜格式兼容，方便光譜數據的儲存和相互轉換。

2.2 實(shí)時(shí)顯示

　　實(shí)時(shí)顯示主要包括光譜數據、在線(xiàn)檢測參數和檢測評價(jià)結果的實(shí)時(shí)顯示。光譜數據既可以通過(guò)表格化以數字形式顯示，方便查詢(xún)被測樣品某一波長(cháng)點(diǎn)下的吸光度數值，又可以通過(guò)以圖形化譜的圖形式顯示，直觀(guān)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(guān)察光譜曲線(xiàn)中噪聲嚴重的譜區。在線(xiàn)參數的顯示主要反映實(shí)時(shí)檢測速度和光照強度，便于檢測中根據樣品譜圖的情況通過(guò)軟件調整修改參數，檢測評價(jià)的結果也要相應地顯示出來(lái)。

2.3 光譜信號的實(shí)時(shí)處理

　　光譜信號處理也稱(chēng)為光譜預處理，是提高校正模型的適應性和穩定性的必要措施，也是提高未測樣品糖酸度預測精度的有力保證。軟件可以對原始光譜信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的預處理，其中包括對光譜信號的坐標變換(橫軸的波長(cháng)、波數等單位變換，縱軸的吸光度、透過(guò)率、反射率等單位變換)、光譜信號的代數運算(加、減、乘、除常數，如中心化與標準化處理)、光譜信號的平滑、光譜信號的微分(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)光譜預測模型的選擇和管理

　　近紅外光譜柑橘糖酸度在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測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測和預測模型庫的維護。在檢測開(kāi)始之前，首先要選取適宜的預測模型來(lái)對被測柑橘的成分進(jìn)行預測。因此，我們篩選出多元線(xiàn)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，貯存于軟件模型庫，用戶(hù)可以針對不同的水果樣品和不同的預測成分，根據預備的實(shí)驗結果選擇適宜的模型進(jìn)行運算預測。另外，模型庫內模型的維護和內部模型的不斷改進(jìn)是決定軟件對柑橘種類(lèi)和內部成分種類(lèi)適應能力的基礎。

2.5 未知柑橘樣品內部品質(zhì)的實(shí)時(shí)預測

　　未知柑橘樣品內部品質(zhì)在線(xiàn)預測的流程圖如圖2所示，其包括的主要環(huán)節有：軟件參數選擇、硬件參數選擇、實(shí)時(shí)光譜采集和預處理以及糖酸度預測和顯示。

3 系統實(shí)現

　　Visual C++是美國微軟(Microsoft)公司推出的Win32可視化C++開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是面向對象的可視化集成編程系統。它不但具有應用程序框架自動(dòng)生成、類(lèi)管理靈活方便、可開(kāi)發(fā)多種程序(如:應用軟件、ActiveX控件及動(dòng)態(tài)連接庫等)、代碼編寫(xiě)和界面設計集成交互操作等優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)簡(jiǎn)單的設置就可使其生成的應用程序框架支持數據庫接口和3D控件界面等。目前，它已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)Win32應用程序的主要開(kāi)發(fā)工具。它具有一個(gè)功能龐大的MFC類(lèi)庫，該類(lèi)庫封裝了許多常用的Windows API函數，是Visual C++程序設計的核心，絕大多數基于Visual C++的應用程序都是在該類(lèi)庫基礎上構造的。本檢測軟件系統就是基于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。