1 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
针对传统光谱法检测鸡蛋新鲜度存在的效率低、 准确率不够高等问题, 提出采用可见-近红外光谱结合极度提升树(XGBoost)等算法对鸡蛋新鲜度分类进行研究, 以期在保证足够高准确度的同时大幅提高检测效率。 将不同储存条件下的鸡蛋作为样本, 并分别划分为训练集和测试集, 采用训练集的综合评价指标(F-measure)和准确率(Accuracy)评估分类模型的性能。 具体地, 首先利用可见-近红外光谱系统采集鸡蛋的反射光谱, 将所得的光谱数据经过不同预处理后再结合随机森林(random forest, RF)、 偏最小二乘(partial least squares, PLS)、 支持向量机(support vector machine , SVM)、 多层感知机(muhi-layer perception , MLP)以及XGBoost等分类算法构建鸡蛋新鲜度分类评估模型, 并对比各模型性能指标。 分析结果发现, 经Savitzky-Golay一阶导(Savitzky Golay first-order derivative, SG-1st-Der)预处理后的RF、 SVM、 XGBoost模型和经标准正态变量(standardized normal variate, SNV)预处理后的PLS、 MLP模型具有较好的训练结果。 为进一步提高模型精度和运算效率, 提出利用区间偏最小二乘法(interval partial least squares, IPLS)对SG-1st-Der和SNV预处理后的光谱数据首先进行降维, 然后再分别建立基于RF、 SVM、 XGBoost、 PLS及MLP等算法的预估模型, 最后通过测试集对模型进行验证。 结果发现原始光谱数据经SG-1st-Der预处理后所建立的IPLS-XGBoost分类模型性能最优, 在不同储藏条件下测试集的F-measure分别为92.33%和90%, Accuracy分别达到94.44％和91.67％, 而程序运行时间均不超过0.6 s。 表明, 可见-近红外光谱结合IPLS-XGBoost分类算法可应用于鸡蛋新鲜度评估, 该方法在模型分类性能、 准确度评估、 运行速度等方面比传统方法更具优越性。
可见/近红外光谱技术 XGBoost算法 区间偏最小二乘法 鸡蛋新鲜度 VIS-NIR spectrum Interval partial least squares XGBoost algorithm Egg freshness 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1711
1 西安石油大学 理学院，西安 710065
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 中国科学院光谱成像技术重点实验室，西安 710072
3 中国科学院大学 光电学院，北京 100049
开展了基于仿生曲面复眼相机的空间目标定位实验研究。采用CALibration Tag标定板结合MATLAB标定工具箱对自研仿生复眼相机进行内外参数的标定。针对目标的三维定位，从曲面复眼相机成像原理出发并利用相机定标参数，确定目标点在复眼相机中各子眼坐标系下坐标的线性关系并建立线性方程组，通过最小二乘法进行求解以获得目标点的准确空间定位。设计了光斑定位实验，实验结果表明，在至少4 m的工作距离内，仿生曲面复眼相机的定位误差可以控制在2%以内，该目标定位方法应用于仿生曲面复眼相机能实现较高精度的目标定位。在此基础上，采用尺度不变特征转变算法实现了两个子眼所拍摄子图像的特征点粗匹配，结合随机抽取一致算法去除错误匹配点，进而由特征点在子眼像素坐标系中的二维坐标反演出其在空间坐标系中的三维坐标，最后通过对所有点进行点云拼接获得完整的重构点云。实验结果表明，对距离相机约0.6 m处的边长为5.5 cm的正方体可以实现较好的三维立体重构。
多通道成像 相机标定 图像处理 三维定位 三维重构 Multichannel imaging Camera calibration Image processing 3D positioning 3D reconstruction 
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
4 中国人民解放军总医院介入放射科, 北京 100853
兔肝VX2肿瘤是一种快速生长的肿瘤模型, 可以在多种器官如肝、 肺、 直肠等快速生长, 常用于肿瘤研究。 采用可见-近红外高光谱技术对四只兔子的兔肝VX2肿瘤和正常组织进行活体和离体的反射光谱检测, 然后采用支持向量机分别实现了二分类(正常肝组织和肝VX2肿瘤组织)和四分类(未出血活体正常肝组织、 未出血活体VX2肿瘤组织、 出血离体正常肝组织和出血离体肝VX2肿瘤组织)。 根据其光谱反射曲线的特征, 选择了400~1 800 nm区间的数据为特征变量。 为进一步提高分类准确率, 分别采用5折交叉验证和遗传算法对支持向量机的核函数参数g和惩罚因子c进行了优化。 其中5折交叉验证优化参数和分类结果为: 二分类优化的惩罚参数c为4, 核函数参数g为0.125 0, 其校正集和预测集的准确率都达到了100%; 四分类中优化出的参数c为8, g为0.121 1, 其校正集和预测集的准确率分别达到了99.242 4%和93.333%。 遗传算法优化参数和结果为: 二分类中优化的参数c为0.845 6, g为0.062 5, 其校正集和预测集的准确率同样都达到了100%; 四分类中优化的参数c为5.5307, g为0.068 5, 其校正集和预测集的准确率分别达到了99.242 4%和100%。 结果显示两种优化方法都取得了很好的效果, 遗传算法优化参数对四分类的分类更为精确。 为进一步提升算法速度, 采用间隔选取变量的方法来不断减少特征变量, 最终每隔100 nm谱段选择一个变量, 共选择14个谱段作为特征变量。 采用遗传算法优化支持向量机参数并对其分类进行了研究, 结果表明: 二分类和四分类的校正集和预测集结果准确率均为99.242 4%, 而且运行时间分别为11.4和20.0 s, 与选择全波段的运行时间: 340.3和491.0 s相比, 说明多光谱技术可以进行肝VX2肿瘤组织和正常肝组织的鉴别, 且分类准确率可达99%以上, 而且运行时间缩短了很多。 为未来多光谱技术在未来临床肿瘤诊断中实现肿瘤组织的快速实时在线检测和分类奠定了基础, 显示出巨大的应用潜力。
兔肝VX2肿瘤 可见-近红外光谱 遗传算法 支持向量机 Rabbit liver VX2 tumor The visible-near-infrared Vis-NIR spectroscopy Genetic algorithm Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3123
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 中国科学院光谱成像技术重点实验室,西安 710119
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,长春 130033)
针对小型无人机载大视场光学成像观测需求, 设计了一款仿生复眼大视场微小型相机.该相机光学系统总焦距为4 mm, F数为4, 视场角可达106°, 在500 m的飞行高度分辨率可达0.5 m.所设计系统由曲面排布的微透镜阵列、光学像面变换子系统、图像接收和数据采集处理单元三部分组成.仿生复眼中的子透镜采用双胶合透镜组合以减小系统像差, 相邻子透镜在满足视场一定重叠率的前提下, 可允许相邻多达7个子透镜同时对地面目标进行成像, 达到目标定位和测速的目的.仿真结果表明无人机载大视场复眼相机系统在给定的公差范围内像质满足要求, 每个通道的光学畸变可控制在1.2%以下.
复眼 大视场 透镜阵列 光学设计 公差分析 目标定位 Compound eye Large field of view Microlens array Optical design Tolerance analysis Target positioning
西安工业大学 光电工程学院 光电信息技术研究所, 陕西 西安 710021
为了提高双波段光学系统成像性能, 结合可见光和中波红外的特点, 设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导, 采用4片透镜并引入二元衍射面, 通过合理匹配光学系统光焦度, 实现了系统共用一组光路, 在可见光和中波红外两个波段的焦距一致, 提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 ?滋m, 3~5 ?滋m, 系统的焦距为90 mm, 视场角为0.5°, F数为3, 在-40~+60 ℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明: 系统结构简单, 体积小, 成像质量接近衍射极限。
双波段 共口径/共光路 齐焦设计 消热差 dual-band co-caliber/co-path parfocal design athermalization 红外与激光工程
2017, 46(5): 0518003
西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
为了满足高校教学和人才培养的需求,便于系统的小型化、低成本,设计了低成本光谱仪的光学系统和机械结构,制作了低成本的光谱仪实物并完成了对仪器的性能测试。该光谱仪的工作波长为400~800 nm,分辨率为20 nm,仪器尺寸为200 mm×120 mm×80 mm,成本控制在2 000元以内。通过对仪器的测试,获得了六个光谱特征峰,验证了低成本光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。
光谱仪 光学设计 波长标定 spectrometer optical design wavelength calibration
