基于BP和Adaboost-BP神經(jīng)網(wǎng)絡的羊肉新鮮度高光譜定性分析

范中建，朱榮光，張凡凡，姚雪東，邱園園，閻 聰

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832003；2.石河子大學動物科技學院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】在貯存過程中羊肉新鮮度逐漸降低，揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)含量常作為評價肉類新鮮度的重要指標，通常以TVB-N<15 mg/100 g、15 mg/100 g25 mg/100 g將肉品新鮮度分為新鮮、次鮮和腐敗[1]。新鮮度傳統(tǒng)檢測方法主要依賴感官評價、理化或微生物實驗，但感官評價主觀性較強，TVB-N理化指標測定步驟繁瑣、檢測速度慢，無法滿足肉品新鮮度快速檢測的要求，需要一種快速、準確的肉類新鮮度檢測方法?！厩叭搜芯窟M展】高光譜圖像技術(shù)融合了圖像處理與光譜分析的優(yōu)點，近年來在肉類新鮮度無損檢測中已有一些應用，郭培源等[2]利用主成分分析(PCA)和神經(jīng)網(wǎng)絡方法開展了豬肉高光譜圖像的新鮮度定性分級研究。成軍虎[3]對不同新鮮度的草魚樣品建立多種分類模型進行比較分析，其中最小二乘支持向量機(LS-SVM)預測準確率最優(yōu)為91.46%。Stuart等[4]利用高光譜圖像技術(shù)基于pH值指標開展了牛肉新鮮度的分級研究，所建SVM模型精度達91%以上。羊肉檢測方面，朱榮光等[5]利用高光譜圖像技術(shù)檢測羊肉TVB-N含量，建立的偏最小二乘回歸模型預測相關(guān)系數(shù)為0.92。【本研究切入點】目前，多為采用反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡或SVM方法對豬肉、牛肉新鮮度進行檢測，而對羊肉新鮮度的定性檢測研究較少，且利用自適應提升BP算法(Adaboost-BP)的肉類品質(zhì)檢測研究也較少。研究基于BP和Adaboost-BP神經(jīng)網(wǎng)絡的羊肉新鮮度高光譜定性分析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】揭示羊肉的光學特性及腐敗機理，利用高光譜圖像技術(shù)開展不同貯藏時間的羊肉新鮮度快速檢測研究。獲取羊肉純肌肉部分提取代表性光譜，經(jīng)光譜預處理后分別采用連續(xù)投影算法(SPA)提取特征波長，PCA降維提取主成分，建立基于BP和Adaboost-BP的羊肉新鮮度等級判別模型，比較確定較優(yōu)的建模方法。為實現(xiàn)羊肉新鮮度的快速檢測提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗肉樣取自20只當天宰殺的小尾寒羊外脊部位，購于新疆石河子市農(nóng)貿(mào)市場。將羊肉置于4℃冷藏箱運回農(nóng)畜產(chǎn)品實驗室，切片處理成大小約4 cm×4 cm×2 cm的羊肉樣品共72個，使用保鮮袋密封、編號后于4℃恒溫箱中貯藏1～14 d，每隔24 h隨機取出5個樣品進行羊肉高光譜圖像采集和新鮮度指標TVB-N值的測定，其中第7 d測7個樣品。

1.2 方 法

1.2.1 高光譜圖像采集系統(tǒng)

高光譜圖像采集系統(tǒng)主要包括：圖像光譜儀(ImSpector V10E-QE，芬蘭)、CMOS相機(MV-1024E，Rocketech科技)、兩個150 W的光纖鹵素燈(3 900 Illuminatior, Illumination科技)、暗箱、電控位移平臺和控制計算機等。該光譜儀光譜范圍為400～1 000 nm，光譜分辨率為0.63 nm。為確保采集的圖像清晰，經(jīng)反復實驗確定相機曝光時間為10 ms，樣品與鏡頭間距為38 cm，位移平臺移動速度為1.25 mm/s。

為去除相機中的暗電流以及不均勻光強對圖像的噪聲影響，需對高光譜圖像進行黑白校正。校正公式R=DN×(Rraw-Rdark)/(Rwhite-Rdark)[6]，其中R為校正后圖像；Rraw為原始圖像；Rwhite為標準白板掃描圖像；Rdark為黑板參考圖像；DN是亮度最大值，取4 095[7]，由于高光譜系統(tǒng)輸出為12位，因此數(shù)值DN范圍為0～4 095。

1.2.2 TVB-N測定及羊肉新鮮度評價

采集完樣品高光譜圖像后，按照GB/T 5009.44-2003中半微量定氮法測定TVB-N值[8]，為保證實驗結(jié)果的一致性，實驗前先對樣品集中進行預處理，將濾液保存在冰箱中待測，每個樣品作2次平行實驗，取平均值作為最終測定結(jié)果。依據(jù)測定結(jié)果將羊肉新鮮度劃分為3個等級：新鮮(TVBN≤15 mg/100 g)，次鮮(1525 mg/100 g)，并分別用1、2、3表示。

1.2.3 光譜特征提取

為了有效處理數(shù)據(jù)，需對數(shù)據(jù)進行壓縮。目前壓縮波段有兩種方法：1.從眾多波段中選擇感興趣的若干波段進行分析；2.利用所有波段通過數(shù)學變換進行數(shù)據(jù)壓縮。連續(xù)投影算法(SPA)是一種簡單、快速的特征變量選擇方法，基于光譜變量之間的投影分析提取含有最低限度冗余和最小共線性影響的特征變量組，最大程度地減少信息重疊[9]；主成分分析(PCA)是通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將原始變量化為較少幾個綜合指標的降維方法，可以利用少數(shù)幾個主成分來反映原始數(shù)據(jù)中的大部分信息，通常取累計貢獻率在85%或90%以上的前幾個主成分進行分析[10]。

1.2.4 分類模型及模型參數(shù)設置

反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡是一種誤差逆向傳播算法，通過不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡權(quán)重，使網(wǎng)絡的最終輸出與期望輸出盡可能接近，具有良好的非線性逼近能力，但由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡初始權(quán)值和閾值一般隨機選擇，模型易陷入局部極小值[11,12]。模型以SPA、PCA提取的特征作為輸入、新鮮度等級為輸出，優(yōu)化隱含層神經(jīng)元個數(shù)，參數(shù)設置如下：訓練函數(shù)選擇‘trainlm’，隱含層和輸出層傳遞函數(shù)分別為‘tansig’、‘logsig’，網(wǎng)絡訓練目標誤差設為0，學習速率為0.1，訓練最大步數(shù)設為1 000。

自適應提升BP算法(Adaboost-BP)是以BP神經(jīng)網(wǎng)絡作為弱分類器，經(jīng)過多次訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測樣本輸出，通過Adaboost算法組合多個BP神經(jīng)網(wǎng)絡弱分類器構(gòu)建的強分類器。其核心思想是通過在迭代過程中改變訓練樣本的權(quán)值分布，對訓練的BP網(wǎng)絡得到的多個分類結(jié)果，采用加權(quán)投票法組合決定最終的分類，具有適用性強、精度高的優(yōu)點。具體計算過程參見文獻[13]。Adaboost-BP參數(shù)設置如下：BP弱分類器個數(shù)設為10，訓練函數(shù)選擇‘trainlm’，隱含層和輸出層傳遞函數(shù)分別為‘tansig’、‘logsig’，網(wǎng)絡訓練目標誤差設為0，學習速率為0.1，訓練最大步數(shù)設為20。

1.3 數(shù)據(jù)處理

高光譜圖像的采集基于Spectral Cube軟件平臺，高光譜數(shù)據(jù)的分析與處理使用ENVI 4.8(Research System，美國)、Matlab R2010b(Mathworks，美國)軟件完成，模型效果主要依據(jù)預測集準確率進行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 羊肉新鮮度等級劃分

實驗共計72個羊肉樣品，其中新鮮肉20個、次鮮肉26個、腐敗肉26個。以試驗測得的TVB-N理化值濃度排序，按隔三選一法劃分為54個校正集樣品和18個預測集樣品，校正集樣品用于建立模型，預測集樣品用于驗證所建模型的準確性，列出羊肉新鮮度等級劃分結(jié)果。表1

表1 不同新鮮度等級的樣品集劃分
Table 1 The sample set division results of different freshness levels

樣本集Sampleset新鮮Fresh次鮮Sub-fresh腐敗Corrupt總數(shù)Total校正集Calibrationset15192054預測集Predictionset57618

2.2 高光譜數(shù)據(jù)的提取與預處理

采用波段加減法運算、二值化和掩膜法[14]依次去除羊肉樣品高光譜圖像的背景、陰影、脂肪、亮點和結(jié)締組織，獲取與羊肉TVB-N值相對應的純肌肉部分提取光譜數(shù)據(jù)，72個羊肉樣品的代表性原始平均光譜為，采集的高光譜數(shù)據(jù)由于受到儀器電噪聲和樣品粗糙導致的散射干擾，譜峰之間信息相互掩蓋，需進行預處理以去除干擾，提高模型預測能力。研究采用1階導數(shù)、15點S-G平滑和中心化相結(jié)合的方法對光譜進行預處理。圖1

圖1 羊肉樣品原始光譜
Fig.1 The original spectrum of mutton samples

2.3 高光譜數(shù)據(jù)降維

由于全波段變量較多、冗余度大，分別采用SPA提取特征波長，PCA降維提取主成分信息。以預處理后的光譜數(shù)據(jù)和新鮮度類別賦值進行SPA特征波長選取，波長變量數(shù)設為1～20。繪出SPA提取的各特征波長分布圖，最終得到6個特征波長為：589.56、600.81、611.45、627.13、833.88和949.57 nm。繪出數(shù)據(jù)經(jīng)PCA降維后各主成分的累計貢獻率，選取前7個主成分時累計貢獻率已超過90%，已能夠代表原始數(shù)據(jù)的大部分信息，因此，研究選取前7個主成分信息作為后續(xù)模型的輸入。圖2，圖3

圖2 SPA選擇的特征波長分布
Fig.2 Characteristic wavelengths selected by SPA

圖3 PCs累計貢獻率
Fig.3 The cumulative contribution rates of PCs

2.4 羊肉新鮮度判別模型

為比較BP和Adaboost-BP的模型效果，分別以SPA提取的6個特征波長和PCA降維的7個主成分作為BP、Adaboost-BP模型的輸入變量，羊肉新鮮度等級作為輸出變量，建立羊肉新鮮度判別模型，并對模型效果進行驗證，建模和預測。

研究表明，采用SPA特征波長提取、PCA降維所建立的BP模型校正集準確率均為100%，對于預測集的18個樣品，采用SPA提取特征波長建立的BP模型1個次鮮羊肉樣品被誤分為新鮮，2個腐敗肉被誤分為次鮮，采用PCA降維建立的BP模型1個新鮮羊肉樣品被誤分為次鮮，1個次鮮肉被誤分為腐敗，1個腐敗肉被誤分為次鮮，二者準確率均為83.33%。發(fā)生誤判主要集中在兩新鮮度級別之間，原因可能在于相鄰新鮮度某些樣品TVB-N指標十分接近，其類間差異較小，判別時相互影響從而造成錯分。

采用SPA、PCA建立的Adaboost-BP模型各有一個樣品產(chǎn)生錯分，預測集準確率均為94.44%。相比BP分類結(jié)果，Adaboost-BP模型預測集分類準確率提高了11.11%，模型分類更加準確且穩(wěn)定性更好。試驗表明，Adaboost-BP算法改善了常規(guī)BP神經(jīng)網(wǎng)絡泛化能力低的不足，提高了模型預測精度。表2

表2 不同羊肉新鮮度等級的模型判別結(jié)果
Table 2 The model discriminant results of different freshness levels

降維壓縮方法Dimensionlitycompressionmethod建模方法Modelingmethod網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Networkstructure校正集準確率Calibrationsetaccuracy(%)預測集 Predictionset新鮮Fresh次鮮Sub-fresh腐敗Corrupt準確率(%)AccuracySPABP6-8-11006848333Adaboost-BP6-8-11006669444PCABP7-10-11004868333Adaboost-BP7-10-11005859444

3 討 論

根據(jù)羊肉新鮮度分類結(jié)果，從數(shù)據(jù)降維與壓縮的角度分析，采用PCA變換提取了反映羊肉新鮮度的有效信息，采用SPA從原始特征中挑選到了具有代表性、分類性能較好的波段特征，兩種降維方法均可以用于羊肉新鮮度特征信息的獲取；從BP和Adaboost-BP模型分類效果分析，BP模型預測集準確率較低為83.33%。在實際建模過程中，由于BP網(wǎng)絡權(quán)值和閾值的選取是隨機初始化的，造成每次訓練學習的預測結(jié)果都不穩(wěn)定，且由于BP網(wǎng)絡是在梯度法基礎(chǔ)上推導出來的，對初始權(quán)值的選取極為敏感，在訓練過程中收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)。通過合并多個BP弱分類器檢測結(jié)果構(gòu)成的adaboost-BP強分類器克服了傳統(tǒng)BP網(wǎng)絡的局限性，能夠提高BP網(wǎng)絡的分類精度，使分類結(jié)果更加準確可靠。經(jīng)驗證Adaboost-BP分類結(jié)果優(yōu)于多個BP網(wǎng)絡的簡單均值結(jié)果。

4 結(jié) 論

通過提取不同新鮮度的羊肉樣品純肌肉光譜并進行預處理，采用SPA、PCA兩種壓縮降維方法和BP、Adaboost-BP兩種建模方法開展羊肉新鮮度的快速無損檢測研究。兩種壓縮方法下Adaboost-BP模型檢測效果均優(yōu)于BP模型，建立的Adaboost-BP模型校正集準確率均為100%，預測集準確率均為94.44%。利用高光譜圖像技術(shù)結(jié)合Adaboost-BP方法對羊肉新鮮度等級進行分類判別是可行的。

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