基于AE-BiRNN的片烟含水率高光谱检测.pdf
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1、2024 年 2 月第 57 卷第 2 期烟草科技Tobacco Science&TechnologyFeb.2024Vol.57 No.2摘要:为解决高光谱数据维度高、预测精度容易受降维方法影响等问题,构建了一种嵌入点积注意力机制的双向循环神经网络 AE-BiRNN(Attention mechanism Embed Bidirectional RecurrentNeural Networks)模型用于片烟含水率预测。AE-BiRNN通过双向门控制单元BiGRU(BidirectionalGate Recurrent Unit)关联片烟含水率光谱序列前后波段的光谱信息,使用基于点积结构的注意
2、力机制根据相似度信息对波段分配不同的权重参数,起到特征波长选择的作用。利用155个尺寸为640 px640 px的片烟高光谱图像数据开展训练与验证,结果表明:AE-BiRNN在无特征波长选择条件下同样能够获得较好预测准确率,点积注意力机制的引入显著提高了模型收敛速度;AE-BiRNN对验证集回归预测的决定系数R2v为0.940 4,均方根误差RMSEV为0.014 71,明显优于PLSR(Partial Least Squares Regression)、RF(Random Forest)、卷积神经网络 LeNet 和 MLP(Multilayer Perceptron)方法。该研究可为实时监
3、测片烟含水率分布、快速调控松散回潮机工艺参数提供支持。关键词:松散回潮;片烟;高光谱成像;含水率;降维;注意力机制;循环神经网络中图分类号:O657.3;TS452.2文献标志码:A文章编号:1002-0861(2024)02-0070-09收稿日期:2023-06-28录用日期:2023-10-24基金项目:安徽中烟工业有限责任公司科技项目“基于高光谱成像技术的片烟沁润度评价方法研究”(2021175)。第一作者:魏雷(1998),男,本科,从事光谱学与光谱分析研究。E-mail:*通信作者:张超(1978),男,本科,高级工程师,从事烟草工艺研究。E-mail:引用本文:魏雷,徐迎波,曹海
4、兵,等.基于AE-BiRNN的片烟含水率高光谱检测 J .烟草科技,2024,57(2):70-78.(WEI Lei,XU Yingbo,CAO Haibing,et al.AE-BiRNN-based hyperspectral detection of moisture content in tobacco strips J.TobaccoScience&Technology,2024,57(2):70-78.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.2023.0381)基于AE-BiRNN的片烟含水率高光谱检测魏雷1,2,徐迎波3,曹海兵3,薛训明3,王澍2,何金华4,
5、严志景4,计敏2,张龙2,张超*41.安徽大学物质科学与信息技术研究院,合肥市九龙路111号2306012.中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,合肥市蜀山湖路350号2300313.安徽中烟工业有限责任公司生产制造部,合肥市天达路9号2300884.安徽中烟工业有限责任公司技术中心,合肥市天达路9号230088AE-BiRNN-based hyperspectral detection of moisture contentin tobacco stripsWEI Lei1,2,XU Yingbo3,CAO Haibing3,XUE Xunming3,WANG Shu2,HE
6、Jinhua4,YAN Zhijing4,JI Min2,ZHANG Long2,ZHANG Chao*41.Institute of Physical Science and Information Technology,Anhui University,Hefei 230601,China2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China3.Production and Manufacturing Department,China Tobacco Anhu
7、i Industrial Co.,Ltd.,Hefei 230088,China4.Technology Center,China Tobacco Anhui Industrial Co.,Ltd.,Hefei 230088,ChinaAbstract:To address the issues including high dimensionality of hyperspectral data and the influenceof dimensionality reduction on prediction accuracy,an Attention mechanism Embed Bi
8、directionalRecurrent Neural Networks(AE-BiRNN)model embedded with a dot product attention mechanismwas developed to predict moisture content in tobacco strips.The AE-BiRNN model associates thespectral information of the front and back bands of the spectral sequence of moisture content intobacco stri
9、ps through the Bidirectional Gate Recurrent Unit(BiGRU),uses the dot product第 57 卷第 2 期structure-based attention mechanism to assign different weight parameters to the bands according tothe similarity information,and plays the role of characteristic wavelength selection.Training andverification were
10、 performed on data from 155 hyperspectral tobacco strip images 640 px640 px insize.The results showed that:1)The AE-BiRNN model could achieve satisfactory predictionaccuracy in the absence of characteristic wavelength selection,and the introduction of the dotproduct attention mechanism significantly
11、 increased the convergence speed of the model.2)Thedetermination coefficient R2vof AE-BiRNN for the regression prediction of the verification set was0.940 4 with the root mean square error RMSEV of 0.014 71,which were obviously better than thoseof Partial Least Squares Regression(PLSR)and Random For
12、est(RF),Convolutional Neural NetworkLeNet and Multilayer Perceptron(MLP)methods.The method supports real-time monitoring ofmoisture content in tobacco strips and timely regulation of ordering cylinder parameters.Keywords:Loosening and conditioning;Tobacco strip;Hyperspectral imaging;Moisture content
13、;Dimensionality reduction;Attention mechanism;Recurrent neural network松散回潮是卷烟加工过程中的关键工艺环节,松散回潮机的参数设置不仅会影响片烟含水率分布均匀性,还会对片烟的耐加工性以及制丝后的烟丝结构、填充值、出丝率、感官评价等指标产生影响。因此,实时检测松散回潮后片烟含水率对于提升卷烟产品质量具有重要意义。常用的片烟含水率检测方法有气相色谱法、近红外技术和卡尔费休-加热炉法1,但这些方法耗时长、测量范围小,难以直观反映片烟表面水分分布状况。目前基于机器视觉开展了大量烟叶含水率预测研究。其中,魏硕等2根据烘烤过程中烟叶形态
14、收缩情况判断水分含量;段史江等3通过量化烘烤过程中烟叶形态变化的数值特征指标,建立了含水率BP(Back Propagation)神经网络预测模型。上述根据烟叶物理形态和表面颜色变化建立的模型虽具有较好的预测精度,但在更换烟叶品种或叶片舒展性较差时容易产生误差,且实验结果无法直接观察水分分布状况。高光谱成像技术(Hyperspectral imaging,HSI)具有光谱分辨率高、测量范围广、图谱合一等特点4,普遍应用于地表监测、矿物探测等领域。随着便携式高光谱相机的发展和光谱分析方法的深入研究,高光谱成像技术被广泛应用于农副产品水分或化学成分含量检测。田美玲等5通过梯度提升回归树对光谱特征进
15、行重要性遴选,用于估算土壤含水量;孙红等6利用高光谱成像技术,使用随机蛙跳算法选择特征波长预测马铃薯叶片含水率;禹文杰等7通过 CARS(CompetitiveAdaptive Reweighted Sampling)提取牛肉水分特征波长预测牛肉样本水分含量。近年来高光谱成像技术在烟草制品的化学分析领域也取得广泛关注。赵科文等8使用高光谱成像技术结合 PCA(PrincipalComponent Analysis)降维实现了烟丝组分掺配均匀性检测;李士静等9通过高光谱成像技术结合F-Score算法选取烟叶高光谱特征波长实现了不同烟叶等级识别。然而,结合CARS、PCA等数据降维算法对原始高光谱
16、数据进行预处理,需要人工提前设置算法参数,若预处理方法使用不当,则容易导致模型预测准确率下降。为此,提出一种嵌入点积注意力机制的双向循环神经网络结构 AE-BiRNN(Attention mechanism Embed Bidirectional RecurrentNeural Networks)用于片烟含水率预测,并利用自制的155个高光谱数据开展方法性能验证,以期实现片烟含水率分布可视化,为快速调整松散回潮机工艺参数提供支持。1数据与方法1.1片烟样本及含水率测定实验样本为卷烟生产中松散回潮后的烤烟片烟,共选取38个等级(由安徽中烟工业有限责任公司提供)。要求外观平展无折叠,避免因片烟重叠
17、处含水率过高或过低而无法准确采集片烟光谱信息。利用烘箱法制作不同含水率片烟样本并测量真实含水率,首先将数片片烟(大于5 g)置于电子天平(精度0.001 g,赛多利斯科学仪器有限公司)进行3次称重取平均质量Mfn,采集片烟高光谱图像;然后根据表1中设定的烘烤温度和时间,将片烟置于40 的烘箱(宁国沙鹰科学仪器有限公司)中烘烤40 s,每次烘烤后记录片烟质量并采集高光谱图像,此过程连续进行5次;最后100 烘烤片烟120 min,设此时片烟质量为Md,含水率为0。因不同片烟初始含水率及失水速率不同,有部分片烟在第3次或第4次烘烤后质量变化不明显,则直接烘烤至含水率为0。片烟含水率计算方法见公式(
18、1)。最终采集155张片烟高光谱图像,所有片烟样本含水率分布在025.05%之间,平均含水率为12.35%,标准差为6.14%。LWCnMfnMdMfn100%(1)魏雷,等:基于AE-BiRNN的片烟含水率高光谱检测 712024 年烟草科技式中:Mfn为片烟初始质量或烘烤后质量,g;Md为片烟含水率为0时的质量,g;LWCn为片烟含水率,%。1.2片烟高光谱数据采集Gaia Field高光谱成像仪(江苏双利合谱科技有限公司)主要由便携式高光谱成像仪主机(GaiaField Pro-V10)、成像镜头(HSIA-0LES30)、校正白板(HSIA-CT-150 mm150 mm)和数据采集软
19、件(SpecView)等组成,见图1。此外,还配备了2台33 W柏林二代卤素双臂台灯(朗德万斯照明有限公司)用于改善光源条件,1台天逸510 Pro计算机(联想集团有限公司)用于采集和保存光谱数据。采用推扫成像模式,光谱范围为8731 720 nm,光谱分辨率为1.7 nm,即512个波段,像素为640 px640 px。为避免日照光线的影响,实验在暗室环境中进行,使用卤素灯补充光源。高光谱成像仪镜头距离载物台30 cm,曝光时间设置为14 ms,两侧卤素灯保持等高、平行并折角45。采集光谱数据前进行黑白板校正,以减少光源或暗电流噪声的影响。打开高光谱成像仪后,先获得标准白板数据,再盖上镜头盖
20、获得黑板数据,然后对片烟高光谱数据进行采集。为减少卤素灯光源热量等环境因素对片烟含水率产生影响,应尽快完成数据采集。原始图像校正方法见公式(2)。RIBWB(2)式中:W为全漫反射标准白板校正图像上像素点(x,y)对应的光谱数据;B为黑板校正图像上像素点(x,y)对应的光谱数据;I为原始片烟图像光谱数据;R为黑白板校正过的片烟光谱数据。高光谱数据处理平台为PyCharm。其中,计算机系统为Ubuntu 18.04.6 LTS版本,硬件配置:CPU为AMDRyzen 5 2600 x six-core processor12,内存为 7.8 GiB,显 卡 为 NVIDIA GeForce RT
21、X 2060/PCIe/SSE2。1.3基于SG的光谱平滑因高光谱数据具有大量噪声,影响模型精度,故选取Savitzky-Golay(SG)算法对光谱曲线进行平滑处理。SG平滑算法主要通过移动窗口,对窗口内的光谱数据点进行K阶多项式拟合10,从而抑制噪声干扰、平滑曲线,并保持光谱长度和信号强度不变。1.4基于AE-BiRNN的含水率预测目前循环神经网络RNN被广泛应用于音频、文本、光谱等一维序列的分类与回归11-12。实验采集的高光谱图像尺寸为640 px640 px,每个像素点包含512个波段的光谱数据。当样本维度过高时,RNN容易出现梯度消失、预测准确率下降等问题。为此,本研究中将点积注意
22、力机制13嵌入双向循环神经网络组合成AE-BiRNN用于片烟含水率预测。如图2所示,AE-BiRNN 通过双向门控制单元 BiGRU14(Bidirectional Gate Recurrent Unit)关联片烟含水率光谱序列前后波段的光谱信息,Attention为基于点积结构的注意力机制。(1)BiGRU由两个方向(正向和反向)的循环神经网络组成,每个方向上的循环神经网络基本单元为门控循环单元(GRU)。门控循环单元由更新门(zt)和重置门(rt)组成,更新门用于控制隐藏状态的信息更新,重置门决定前一个时间步的隐藏状态信息保留。取值范围均在01之间。更新门(zt)和重置门(rt)的计算方法
23、见公式(3)。zt=Sigmoid(W(z)xt+U(z)ht-1+bz)rt=Sigmoid(W(r)xt+U(r)ht-1+br)(3)式中:xt为当前时刻的输入;W、U和b分别为更新门或重置门的权重和偏置;ht-1为上一时刻隐藏状态信息。隐藏状态信息ht的计算方法见公式(4)。ht=tanh(Wxt+U(rtht-1)+bh)ht=ztht-1+(1-zt)ht)(4)烘烤温度/4040404040100烘烤时间40 s40 s40 s40 s40 s120 min表1烘烤温度和时间设定Tab.1Setting of temperature and durationof flue cur
24、ing1.载物台2.样本3.光源4.成像镜头5.高光谱成像仪6.计算机图1高光谱成像系统结构图Fig.1Structure of hyperspectral imaging system 72第 57 卷第 2 期式中:ht表示当前时刻的新状态输出,用于更新隐藏状态;tanh为双曲正切激活函数。(2)注意力机制(Attention Mechanism)13是嵌入机器学习模型的一种特殊结构,用于自动学习和计算输入数据对输出数据的贡献大小。点积注意力15常用于文本翻译、音频分类等一维序列任务,主要利用相似度分数对特征光谱分配较大的权重信息,使得模型在计算加权求和时更多地关注权重大的片烟含水率波长,
25、从而起到特征波长选择、降低输入数据维度的作用。设网络输入信息 H h1,h2,hN。其中,N为输入信息数,hm为输入信息量,ht为查找关键信息的查询向量。通过softmax归一化点积相似度s,将其转化为注意力权重,并将注意力权重与输入信息量加权求和计算Attention作为输出。点积注意力机制计算过程见公式(5)。s(hm,ht)hmThtm=softmax(s(hm,ht)exp(s(hm,ht)exp(s(hm,ht)Attentionm=1Nmhmj=1N(5)式中:s为点积相似度;m为注意力权重;Attention为加权求和后的结果,输入全连接层16进行特征映射和非线性变换,最后输出回
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