糧食。對(duì)國(guó)民消費(fèi)和出口而言，食品工業(yè)都是許多國(guó)家的經(jīng)濟(jì)支柱。食品工業(yè)為全球人口的就業(yè)和生計(jì)作出了貢獻(xiàn)，是文化和價(jià)值觀的一種表達(dá)，對(duì)人類的生存至關(guān)重要。

這個(gè)行業(yè)正處在變化之中。雖然現(xiàn)在衡量新冠疫情對(duì)全球貿(mào)易和消費(fèi)的真正影響還為時(shí)尚早，但其他因素，尤其是氣候變化和人口增長(zhǎng)，正在推動(dòng)糧食生產(chǎn)發(fā)生變化。

一些糧食供應(yīng)可以輕易地延續(xù)下去，很少中斷。雖然全球有5萬(wàn)多種可食用的植物，但其中只有15種提供全球人口90%的食物能量攝入。其中，大米、玉米和小麥占據(jù)近三分之二的比例。這些核心主食易于儲(chǔ)存和加工。許多種植小麥和水稻的美國(guó)農(nóng)民已經(jīng)能夠依靠機(jī)械化工具和流程來(lái)限制人與人之間的接觸，即使在新冠疫情大流行期間也能滿足CDC安全操作指南的要求。因此，國(guó)際食物政策研究所于2020年3月報(bào)告稱，新冠疫情目前并未對(duì)全球糧食安全構(gòu)成重大威脅；我們的主食儲(chǔ)備充足。

農(nóng)作物在追求高價(jià)值和精細(xì)化的過(guò)程中將面臨更多的挑戰(zhàn)。水果和有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品在小型農(nóng)場(chǎng)種植，產(chǎn)生了更多的勞動(dòng)力需求。根據(jù)聯(lián)合國(guó)和國(guó)際貨幣基金組織的資料，新冠疫情防控措施將對(duì)這些農(nóng)場(chǎng)產(chǎn)生不成比例的影響，并可能導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格飆升，從而影響餐館和供應(yīng)鏈下游的消費(fèi)者。隨著成本的全面上升，已經(jīng)有證據(jù)表明水果價(jià)格的上漲超過(guò)了蔬菜產(chǎn)量的下跌。

資料來(lái)源：國(guó)際貨幣基金組織，“新冠疫情期間的食品市場(chǎng)”，2020年6月29日

蘋果就是一個(gè)很好的例子，它是當(dāng)今世界上最具經(jīng)濟(jì)和文化意義的水果之一，產(chǎn)地遍布全球溫帶地區(qū)。作為一種高價(jià)值的水果，蘋果的種植和采摘耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，以確保果樹(shù)健康和產(chǎn)量豐收。蘋果是一項(xiàng)大產(chǎn)業(yè)，主要的產(chǎn)業(yè)參與者遍布世界各地。

資料來(lái)源：農(nóng)產(chǎn)品外銷局/USDA，2020年6月4日

原諒我的雙關(guān)語(yǔ)，但蘋果也是一個(gè)成長(zhǎng)型產(chǎn)業(yè)！即使在新冠疫情大流行期間，預(yù)計(jì)2019/20年度的全球蘋果產(chǎn)量增長(zhǎng)近7%，達(dá)到7580萬(wàn)公噸。中國(guó)今年的蘋果產(chǎn)量增長(zhǎng)了24%，從2018/2019年的低谷中反彈，再次成為全球最大的蘋果出口國(guó)，彌補(bǔ)了霜凍、干旱、高溫和冰雹造成的歐盟區(qū)產(chǎn)量下跌。據(jù)估計(jì)，美國(guó)的蘋果產(chǎn)量增加了30余萬(wàn)噸，達(dá)到480萬(wàn)噸。這主要是因?yàn)橹鳟a(chǎn)地華盛頓州夏季氣候適宜，產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了反彈。更高品質(zhì)的供應(yīng)——以及更大的供應(yīng)量——預(yù)計(jì)將進(jìn)一步提振對(duì)主要市場(chǎng)的出口。

在過(guò)去的幾年中，蘋果產(chǎn)業(yè)的需求在發(fā)展中逐漸追求更好的品質(zhì)，食品安全，以及產(chǎn)品的可追溯性。隨著勞動(dòng)力待遇要求提高，能源和水資源消耗降低，農(nóng)用化學(xué)品安全性提高，蘋果的生產(chǎn)成本也不斷上升。這給種植者、加工商和零售商帶來(lái)了巨大的壓力，迫使他們調(diào)整供應(yīng)鏈。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、分子生物學(xué)、表型組學(xué)、作物建模和采后生理學(xué)的最新發(fā)展應(yīng)該能夠提高全球溫帶水果的產(chǎn)量和品質(zhì)，并降低生產(chǎn)成本。

用機(jī)器視覺(jué)生產(chǎn)更好的蘋果

如果蘋果變得更加脆弱、稀缺和昂貴，機(jī)器視覺(jué)能提供什么幫助呢？

每個(gè)人類個(gè)體都不一致，他們的日常行為也往往不一致。傳統(tǒng)的檢查一般涉及人工切開(kāi)并檢查農(nóng)產(chǎn)品。這一費(fèi)時(shí)費(fèi)力的操作會(huì)破壞農(nóng)產(chǎn)品，且除了成本較高之外，檢查的結(jié)果往往帶有主觀性。相比之下，成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速、無(wú)損的品質(zhì)檢查和分級(jí)?？梢?jiàn)、多光譜和紅外成像技術(shù)已經(jīng)在水果和蔬菜分級(jí)系統(tǒng)中得到了不同程度的應(yīng)用。然而，品質(zhì)和分級(jí)檢查的自動(dòng)化仍然具有挑戰(zhàn)性，這減緩了其在水果和蔬菜分級(jí)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

挑戰(zhàn)是多方面的：

● 物理和生物多樣性（僅在美國(guó)就有成千上萬(wàn)種蘋果）

● 大小和形狀變化顯著的不均勻圓形物體需接受表面檢測(cè)。

● 區(qū)分缺陷與自然特征

● 迄今為止算法的可靠性

● 光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中速度與精度之間的沖突

你所追求的：定義品質(zhì)

從這些挑戰(zhàn)來(lái)看，我們難以定義“品質(zhì)”。這不是一個(gè)定義明確的單一屬性，而是優(yōu)質(zhì)水果所具備的眾多特征。研究表明，在相對(duì)類似的文化中，即使品質(zhì)相對(duì)一致，人們對(duì)品質(zhì)的認(rèn)可方式也存在很大的差異。當(dāng)問(wèn)及更多樣化的群體時(shí)，關(guān)于“品質(zhì)”的文化共識(shí)很快就會(huì)瓦解。這些文化差異在研究中隨處可見(jiàn)（在對(duì)待“幸福”的定義時(shí)可能會(huì)變得非常瘋狂），但這迫使我們?nèi)パ芯刻囟ǖ?、更容易量化的因素?/p>

這項(xiàng)任務(wù)稍稍簡(jiǎn)單了一點(diǎn)。我們培育蘋果是為了讓它們的外表好看。不僅如此，可見(jiàn)光往往停留在果皮上，色素、葉綠素和其他波段的光可以被下層的結(jié)構(gòu)化組織散射。通過(guò)近紅外和短波紅外（SWIR）技術(shù)，你可以更清楚地看到蘋果內(nèi)部的水密度和分布情況。這說(shuō)明關(guān)鍵的物理屬性有助于預(yù)測(cè)可測(cè)量的蘋果“品質(zhì)”、紋路、持水能力和比重。

食品加工廠傳送帶上的新鮮蘋果，準(zhǔn)備接受自動(dòng)化包裝

紋路和密度異常表明可能存在淤傷，這對(duì)品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)尤為重要。“淤傷”是指外力、擠壓、切割或蘋果皮和果肉擦傷造成的水果組織損傷。這會(huì)導(dǎo)致水果的紋路和化學(xué)成分發(fā)生物理變化，對(duì)產(chǎn)品的顏色、氣味、味道和壽命直接造成長(zhǎng)期影響。

蘋果對(duì)機(jī)械損傷的敏感性取決于許多因素，包括土壤栽培、營(yíng)養(yǎng)和水果生長(zhǎng)過(guò)程中的氣候條件，所有這些因素在過(guò)去幾十年里都變得愈發(fā)的復(fù)雜和極端。收獲和運(yùn)輸會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成淤傷，生產(chǎn)線上的條狀物和其他碎片也會(huì)造成同樣的損傷。

光學(xué)分揀技術(shù)可捕獲和移除淤傷的產(chǎn)品。事實(shí)上，提高分選效率可減少浪費(fèi)的可能性。相反，可根據(jù)蘋果與其他產(chǎn)品（比如果醬、蜜餞和冷凍混合物）之間的匹配度進(jìn)行分揀。盡管淤傷是水果在分揀生產(chǎn)線上被拒收的首要原因，但自動(dòng)分揀系統(tǒng)在檢測(cè)淤傷方面仍然缺乏精度，這迫使公司尋求人工分揀。

紅外成像應(yīng)用于食品保質(zhì)期

那么我們?nèi)绾尾拍苓_(dá)到更高的精度呢？我們已經(jīng)了解了短波紅外成像如何幫助實(shí)現(xiàn)田間作物的精準(zhǔn)種植。

但在作物收獲后，需求即發(fā)生了改變。植物性食品行業(yè)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)在于，植物性食品的保質(zhì)期通常很短，這幾乎是一個(gè)普遍的事實(shí)。一般而言，國(guó)內(nèi)消費(fèi)食品的保質(zhì)期為七天左右，海外消費(fèi)食品的保質(zhì)期為7-15天。食品在收獲后接受加工、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，隨后其生理品質(zhì)不斷變化。

2007年，研究人員能夠使用近紅外/SWIR測(cè)量技術(shù)來(lái)區(qū)分蘋果品種、儲(chǔ)存類型和儲(chǔ)存時(shí)間。后來(lái)，研究人員利用紅外光譜技術(shù)檢測(cè)了在室溫或氣調(diào)貯藏環(huán)境下儲(chǔ)存6個(gè)月后的蘋果的食用和感官品質(zhì)（即我們所說(shuō)的味道和口感）。然而，這兩項(xiàng)研究都不具有預(yù)測(cè)性；他們只檢查了儲(chǔ)存后的蘋果。紅外成像技術(shù)需要更大的改進(jìn)才能邁出下一步。

圖片由Edmunds Optics提供

對(duì)于可為生產(chǎn)決策提供信息的行業(yè)評(píng)估，確定水果品質(zhì)需要的不僅僅是在商店中放置消費(fèi)者信賴的明顯標(biāo)識(shí)，如形狀、大小、顏色、紋路和缺陷。水果生產(chǎn)商需要重視那些表明未來(lái)品質(zhì)和壽命的不可見(jiàn)特征：糖含量、硬度、可溶性固形物含量和營(yíng)養(yǎng)成分。為此，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)，將可見(jiàn)光、SWIR和MWIR成像范圍內(nèi)（400-5000nm）的反射輻射成像納入其中。事實(shí)證明，整個(gè)光譜有助于檢測(cè)淤傷。成像所延伸的紅外線范圍越深，研究人員就能對(duì)蘋果組織進(jìn)行更深的評(píng)估。

顯然，我們需要一種更全面的方法來(lái)為生產(chǎn)決策提供動(dòng)力。研究人員隨后轉(zhuǎn)向高光譜圖像分析（包括近紅外和SWIR波段），給出了目標(biāo)圖像蘋果的不同“深度”。分析證明，MWIR成像技術(shù)可用于更廣泛的淤傷識(shí)別。

這需要同時(shí)使用大量數(shù)據(jù)，主要是因?yàn)槟繕?biāo)對(duì)象是3D而非2D對(duì)象。使用最小噪聲分離變換（MNF）旋轉(zhuǎn)可以獲得更好的結(jié)果，可以確定圖像數(shù)據(jù)的固有維數(shù)，分離數(shù)據(jù)中的噪聲，并減少后續(xù)處理MNF變換的計(jì)算量。MNF變換成分可以更好地用于圖像分割目的。

最小噪聲分離變換（MNF）對(duì)典型的“金冠蘋果”SWIR波長(zhǎng)范圍圖像進(jìn)行評(píng)分。

對(duì)單個(gè)范圍（VNIR、SWIR或MWIR）圖像的總得分進(jìn)行分析后表明，與將這些范圍聯(lián)合納入模型的情況相比，預(yù)測(cè)值較低?；赩NIR、SWIR和MWIR范圍建立的監(jiān)督分類模型表明，將這三個(gè)范圍整合在一起的模型在區(qū)分淤傷和健全組織以及不同深度的淤傷方面具有最佳的預(yù)測(cè)效率。這表明將MWIR范圍納入分揀系統(tǒng)是合理的。

很好，那我們?cè)撛趺醋瞿兀?/p>

……請(qǐng)參見(jiàn)第二部分