一种基于CNN特征提取的色差-光谱同步检测系统的制作方法
本发明涉及香精检测领域，具体涉及一种基于cnn特征提取的色差-光谱同步检测系统。
背景技术：
1、香精产品的色泽和浓度是影响其质量稳定性的重要指标。在香精生产、来料检验和实验室质控过程中，通常需要对液体香精或固体香精进行色差检测和光谱检测，以判断待测样本是否相对于标准样本存在质量偏差。色差检测能够反映样本的明度、红绿偏移和黄蓝偏移，近红外光谱检测能够反映样本的成分吸收特征和浓度变化，因此，将色差数据与近红外光谱数据结合用于香精检测，有利于提高检测结果的全面性。
2、现有香精检测方式通常存在以下不足：色差数据和近红外光谱数据多由不同检测单元分别采集，采样时刻、采样状态和样本位置难以保持一致，导致后续融合分析时存在数据不同步的问题；液体香精样本和固体香精样本的光谱响应差异较大，液体样本易受透射波动、气泡和浑浊度影响，固体样本易受表面粗糙度、颗粒状态和漫反射散射影响，若采用统一的简单预处理方式，难以兼顾两类样本；同时，传统检测系统多采用人工阈值、简单峰值提取或固定权重融合方式，难以充分表达光谱序列、色差参数和样本形态之间的非线性关联，导致色泽浓度差异判定的准确性和稳定性不足。
技术实现思路
1、为实现上述目的及其它相关目的，本发明公开了一种基于cnn特征提取的色差-光谱同步检测系统，包括检测终端、数据采集模块、同步质控模块、样本形态补偿模块、双分支cnn特征提取模块、门控融合模块和判定输出模块，其中：
2、数据采集模块用于根据检测终端下发的检测任务采集同一香精样本的近红外光谱数据和色差数据，生成同步采样对；
3、同步质控模块用于根据同步采样对生成有效采样数据；
4、样本形态补偿模块用于根据有效采样数据生成标准化光谱序列和色差扩展特征向量；
5、双分支cnn特征提取模块用于根据标准化光谱序列和色差扩展特征向量生成光谱特征向量和色差特征向量；
6、门控融合模块用于根据光谱特征向量、色差特征向量和采集质量特征向量生成融合特征向量；
7、判定输出模块用于根据融合特征向量生成浓度偏差值、差异等级和复检建议。
8、优选的，所述数据采集模块包括光谱检测单元、色差检测单元和采样编号生成单元；
9、采样编号生成单元用于根据检测终端下发的检测任务编号生成采样编号；
10、光谱检测单元用于在所述采样编号下采集近红外光谱数据；
11、色差检测单元用于在同一采样编号下采集色差数据，数据采集模块根据近红外光谱数据、色差数据、采样时间戳和样本形态标识生成同步采样对，所述同步采样对表示为：
12、
13、其中，表示第次同步采样对，表示第次采集得到的近红外光谱数据，表示第次采集得到的色差数据，表示第次近红外光谱数据的采样时间戳，表示第次色差数据的采样时间戳，表示第次采样对应的样本形态标识，且表示液体香精样本，表示固体香精样本。
14、优选的，所述同步质控模块用于根据第次同步采样对中的和计算同步时间差，并在不大于允许的最大同步时间差时，将对应的同步采样对写入有效采样数据集合；
15、所述同步时间差表示为：
16、
17、其中，表示第次同步采样对对应的同步时间差，表示第次近红外光谱数据的采样时间戳，表示第次色差数据的采样时间戳；
18、同步质控模块还用于根据同一检测任务中的多个有效采样对计算光谱重复性误差和色差重复性误差，并在光谱重复性误差或色差重复性误差超过对应阈值时生成重新采集指令。
19、优选的，所述样本形态补偿模块包括光谱预处理单元，光谱预处理单元用于根据有效采样数据中的近红外光谱数据进行暗电流校正和参考光校正，生成初始吸光度数据，所述初始吸光度数据表示为：
20、
21、其中，表示第次采样时第个波长点的初始吸光度数据，表示第次采样时第个波长点的参考光强，表示第次采样时第个波长点的样本光强，表示第个波长点的暗电流响应值，表示第一稳定常数；
22、光谱预处理单元还用于对初始吸光度数据依次进行s-g平滑、airpls基线校正和标准正态变量变换，生成标准化光谱序列。
23、优选的，所述样本形态补偿模块还包括散射补偿单元，散射补偿单元用于根据标准化光谱序列计算散射影响系数，并根据样本形态标识和散射影响系数生成形态补偿光谱序列；
24、所述散射影响系数和形态补偿光谱序列分别表示为：
25、
26、
27、其中，表示第次采样对应的散射影响系数，表示第次采样对应的标准化光谱序列，表示标准化光谱序列的二阶差分序列，表示标准差函数，表示均值函数，表示第二稳定常数，表示第次采样对应的形态补偿光谱序列，表示与样本形态标识对应的补偿系数。
28、优选的，所述样本形态补偿模块还包括色差扩展单元，色差扩展单元用于根据有效采样数据中的色差数据获取明度值、红绿轴色差值和黄蓝轴色差值，并根据明度值、红绿轴色差值和黄蓝轴色差值生成彩度特征、色相特征和色差扩展特征向量，其中：
29、
30、
31、
32、其中，表示第次采样对应的彩度特征，表示第次采样对应的红绿轴色差值，表示第次采样对应的黄蓝轴色差值，表示第次采样对应的色相特征，表示第三稳定常数，表示第次采样对应的色差扩展特征向量，表示第次采样对应的明度值。
33、优选的，所述双分支cnn特征提取模块包括光谱一维卷积分支、色差特征分支和样本形态嵌入单元；
34、光谱一维卷积分支用于根据形态补偿光谱序列生成光谱特征向量；
35、色差特征分支用于根据色差扩展特征向量生成色差特征向量；
36、样本形态嵌入单元用于根据样本形态标识生成样本形态特征向量；
37、其中，光谱一维卷积分支包括依次连接的一维卷积层、批归一化层、非线性激活层、残差卷积层和全局平均池化层，色差特征分支包括全连接层和非线性激活层。
38、优选的，所述门控融合模块用于根据同步时间差、光谱重复性误差、色差重复性误差和散射影响系数生成采集质量特征向量，并根据光谱特征向量、色差特征向量、样本形态特征向量和采集质量特征向量生成门控系数，再根据门控系数生成融合特征向量；
39、其中，采集质量特征向量、门控系数和融合特征向量分别表示为：
40、
41、
42、
43、其中，表示第次采样对应的采集质量特征向量，表示第次采样对应的同步时间差，表示第次采样对应的光谱重复性误差，表示第次采样对应的色差重复性误差，表示第次采样对应的散射影响系数，表示第次采样对应的门控系数向量，表示sigmoid激活函数，表示门控权重矩阵，表示第次采样对应的光谱特征向量，表示第次采样对应的色差特征向量，表示第次采样对应的样本形态特征向量，表示门控偏置项，表示第次采样对应的融合特征向量，表示逐元素乘法，表示光谱特征映射矩阵，表示色差特征映射矩阵，表示样本形态特征映射矩阵。
44、优选的，所述判定输出模块包括cnn回归单元、pls1校准单元和等级分类单元；
45、cnn回归单元用于根据融合特征向量生成浓度偏差预测值；
46、pls1校准单元用于根据融合特征向量生成浓度偏差校准值；
47、等级分类单元用于根据融合特征向量生成等级概率向量；
48、判定输出模块还用于根据采集质量特征向量生成可信融合系数，并根据浓度偏差预测值、浓度偏差校准值和可信融合系数生成最终浓度偏差值，其中：
49、
50、
51、
52、其中，表示第次采样对应的浓度偏差校准值，表示训练集中浓度偏差标签的均值，表示训练集中融合特征向量的均值，表示pls1回归系数矩阵，表示可信融合系数，表示可信融合权重向量，表示可信融合偏置项，表示最终浓度偏差值。
53、优选的，所述判定输出模块还包括复检控制单元，复检控制单元用于根据最终浓度偏差值、等级概率向量和采集质量特征向量生成复检建议；
54、当采集质量特征向量低于预设质量阈值、连续多个有效采样对的最终浓度偏差值之间的差异超过重复性阈值、或者等级概率向量中的最高等级概率低于预设置信度阈值时，复检控制单元输出复检建议；
55、检测终端用于根据判定输出模块输出的最终浓度偏差值、等级概率向量和复检建议，存储并显示待测香精样本的检测结果。
56、通过采用上述技术方案，本发明在同一检测任务下为近红外光谱数据和色差数据配置采样编号及时间戳，并由同步质控模块筛选有效采样数据，避免将非同步采集的数据直接用于融合判定；样本形态补偿模块根据样本形态标识和散射影响系数生成形态补偿光谱序列，同时根据色差数据生成彩度特征、色相特征和色差扩展特征向量，使液体香精样本和固体香精样本能够进入同一后续处理链路；双分支cnn特征提取模块分别根据形态补偿光谱序列和色差扩展特征向量生成光谱特征向量和色差特征向量，门控融合模块再根据采集质量特征向量自适应生成融合特征向量，减少固定权重融合带来的误判；判定输出模块通过cnn回归单元、pls1校准单元和等级分类单元分别生成浓度偏差预测值、浓度偏差校准值和等级概率，并结合复检控制单元输出复检建议，使检测结果既包含差异等级，也包含浓度偏差和结果可信性的判断依据，从而提高香精样本色泽浓度检测的稳定性和可追溯性。