IT202000022354A1 - Metodo e apparecchiatura per eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna di prodotti vegetali - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
annessa a domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
METODO E APPARECCHIATURA PER ESEGUIRE UN ESAME IPERSPETTRALE DELLA SUPERFICIE ESTERNA DI PRODOTTI VEGETALI
DESCRIZIONE
La presente invenzione ha per oggetto un metodo e una apparecchiatura per eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna di prodotti vegetali. Come ? noto, l?analisi iperspettrale pu? essere utilizzata per valutare diverse caratteristiche di interesse di un prodotto vegetale. Tra queste si ricordano la quantit? di sostanza secca, il contenuto zuccherino, l?acidit? e la turgidit?. Alcuni esempi di applicazione dell?analisi iperspettrale a prodotti vegetali sono descritte nelle seguenti pubblicazioni scientifiche:
- Ze?ev Schmilovitch, Amos Mizrach, Aharon Hoffman, Haim Egozi, Yoram Fuchs; "Determination of mango physiological indices by near-infrared spectrometry"; Postharvest Biology and Technology 19 (2000) 245-252; - Lembe S. Magwaza, Umezuruike Linus Opara, H?l?ne Nieuwoudt, Paul J.
R. Cronje, Wouter Saeys, Bart Nicolai; "NIR Spectroscopy Applications for Internai and External Quality Analysis of Citrus Fruit ? A Review"; Food Bioprocess Technol (2012) 5:425-444;
- Khayelihle Ncama, Umezuruike Linus Opara, Samson Zeray Tesfay, Olaniyi Amos Fawole, Lembe Samukelo Magwaza; 'Application of Vis/NIR spectroscopy for predicting sweetness and flavour parameters of ?Valencia? orange (Citrus sinensis) and ?Star Ruby? grapefruit (Citrus x paradisi Macfad)"; Journal of Food Engineering 193 (2017) 86-94;
- Hongyan Zhu, Bingquan Chu, Yangyang Fan, Xiaoya Tao, WenxinYin, Yong Fle; "Flyperspectral Imaging for Predicting th? Internai Quality of Kiwi Fruits Based on Variable Selection Algorithms and Chemometric Models"; Sci Rep 7, 7845 (2017);
- Yuan-Yuan Pu, Yao-Ze Feng, Da-Wen Sun; "Recent Progress of Flyperspectral Imaging on Quality and Safety Inspection of Fruits and Vegetables: A Review"; ComprehensiveReviewsin Food Scienceand Food Safety Voi. 14,2015;
- Hailong Wang, Jiyu Peng, Chuanqi Xie, Yidan Bao, Yong Fle; "Fruii Quality Evaluation Using Spectroscopy Technology: A Review"; Sensors 2015, 15, 11889-11927;
- Yuzhen Lu, Yuping Fluang, Renfu Lu; "Innovative Flyperspectral Imaging-Based Techniques for Quality Evaluation of Fruits and Vegetables: A Review"; Appi. Sci. 2017, 7, 189.
La presente invenzione, che pu? trovare applicazione in una qualsiasi analisi basata sull?esame iperspettrale, attiene alle modalit? con cui l?esame iperspettrale viene svolto, non al successivo utilizzo dei dati ottenuti dall?esame iperspettrale.
Per semplicit? espositiva, nel seguito si far? principalmente riferimento all?esame iperspettrale destinato alla valutazione della quantit? di sostanza secca, in particolare in avocado. La presente invenzione potr? tuttavia essere applicata in modo analogo anche per tutte le altre applicazioni in cui l?esame iperspettrale pu? fornire informazioni utili circa caratteristiche di interesse dei prodotti vegetali.
Come ? noto, l?avocado ? un frutto climaterico, che viene cio? raccolto non ancora pronto per essere mangiato, e la cui maturazione deve quindi proseguire dopo il distacco dalla pianta, durante sia il successivo trasporto dalle localit? di produzione a quelle di consumo (generalmente lontane tra loro), sia l?eventuale stoccaggio prima e dopo il trasporto.
Conoscere la quantit? di sostanza secca media del frutto ? molto utile perch? tale quantit? ? direttamente legata al contenuto oleoso della polpa nonch? ai livelli di zuccheri, di amido e altri solidi di maturazione, parametri che permettono di valutare il grado di maturazione del frutto e di determinare come trasportare e far maturare il frutto nel modo migliore. Nel contesto della presente invenzione e descrizione, con sostanza secca si intende quello che resterebbe qualora l'acqua venisse rimossa dal frutto.
Sino a poco tempo fa, l'unica modalit? utilizzata per misurare la quantit? di sostanza secca, era una modalit? distruttiva che veniva eseguita a campione (dell?ordine di pochi frutti per ogni container). In accordo con questa modalit?, i frutti campione, dopo essere stati pesati, vengono essiccati utilizzando ad esempio forni a microonde o altri tipi di essiccatori. Quello che resta dopo l?essiccazione (la sostanza secca appunto) viene nuovamente pesato e la quantit? di sostanza viene determinata come rapporto tra il peso della sostanza essiccata e il peso di partenza del frutto (la quantit? di sostanza secca viene sempre espressa in termini percentuali rispetto al peso del frutto).
Come ? facile intuire, questa modalit? operativa, oltre a comportare lo spreco di frutti per l?esecuzione di test, ? ben poco affidabile in quanto all?interno di un unico raccolto possono esistere differenze notevoli tra un avocado e l?altro. Essa, inoltre, non permette di suddividere i frutti in gruppi con gradi di maturazione omogenei.
Recentemente, sono state introdotte sul mercato anche alcune apparecchiature portatili che si prefiggono di determinare la quantit? di sostanza secca di un avocado elaborando un?immagine iperspettrale della superficie del frutto. Studi compiuti sugli avocado (si veda ad esempio: Magwaza, Lembe & Tesfay, Samson. (2015). A Review of Destructive and Non-destructive Methods for Determining Avocado Fruii Maturity. Food and Bioprocess Technology. 8. 10.1007/s11947-015-1568-y, e Girod, D. & Landry, J.A. & Doyon, G. & Osuna-Garcia, Jorge & Salazar-Garcia, Samuel & Goenaga, Ricardo. (2008). Evaluating Hass Avocado Maturity Using Hyperspectral Imaging) hanno infatti evidenziato che, illuminando la superficie di un avocado con radiazioni elettromagnetiche nella banda che comprende almeno una parte degli infrarossi, lo spettro della luce riflessa dal frutto varia in base alla quantit? di sostanza secca in esso presente; in particolare varia l?intensit? della radiazione emessa ad alcune frequenze (in particolare la letteratura indica le bande 400-1000 nm e 950-1700 nm). In altri termini, l?esame del frutto ? basato sulla chemiometria, cio? sulla misura dell?assorbimento pi? o meno marcato, di alcune specifiche lunghezze d?onda della luce.
Anche questa pi? recente soluzione realizzativa non ? tuttavia esente da inconvenienti.
In primo luogo essa ? stata sviluppata nel contesto di dispositivi portatili che non si prestano ad un utilizzo sistematico su tutti i frutti di un raccolto, ma ancora una volta solo per un utilizzo a campione (pur avendo il vantaggio di essere un sistema non distruttivo).
In secondo luogo, studi approfonditi condotti dalla richiedente hanno evidenziato che la sostanza secca non ? uniformemente distribuita nell?avocado. Gli studi condotti dalla richiedente hanno infatti evidenziato che la distribuzione della sostanza secca dipende fortemente dalla ?longitudine? sul frutto.
Si deve ricordare che un avocado, pur presentando complessivamente una certa simmetricit? di forma, ed essendo allungato lungo un asse principale, presenta una evidente asimmetricit? per quanto riguarda la posizione del picciolo che ? sempre spostato lateralmente come illustrato in figura 1 e 2. Considerando la ?longitudine? del frutto come la posizione angolare attorno all?asse principale, la richiedente ha potuto constatare che la faccia del frutto in cui il picciolo ? al centro (figura 1 - nel seguito denominata anche faccia anteriore) ha un valore di sostanza secca mediamente superiore a quello della faccia opposta (figura 2 - nel seguito denominata anche faccia posteriore).
Si ? inoltre notato che la differenza di sostanza secca misurabile tra la faccia anteriore e la faccia posteriore di un singolo frutto ? rilevante rispetto alla distribuzione della sostanza secca complessivamente in tutti i frutti di un medesimo raccolto; quindi misurare la sostanza secca in corrispondenza di una sola faccia comporta un errore notevole nella stima globale, specialmente se non si tiene conto di quale faccia si tratti.
Studi svolti dalla richiedente hanno inoltre evidenziato che problemi del tutto analoghi si manifestano anche per quanto riguarda la misura del contenuto zuccherino, dell?acidit? e della turgidit? di frutti e prodotti vegetali in generale. Diversamente, le verifiche svolte non hanno evidenziato alcuna correlazione specifica tra parti del prodotto vegetale aventi latitudini diverse, pur avendo evidenziato una certa variabilit? (ma apparentemente non regolare) anche al variare della latitudine.
In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione ? mettere a punto un metodo e una apparecchiatura per eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna di prodotti vegetali, che pongano rimedio agli inconvenienti citati.
? in particolare compito tecnico della presente invenzione, mettere a punto un metodo e una apparecchiatura per esaminare la superficie esterna di prodotti vegetali che garantiscano un buona affidabilit? dell?analisi dell?intera superficie, e che possano essere utilizzati in ambito industriale per l?analisi sistematica di tutti i prodotti vegetali.
? ancora compito tecnico della presente invenzione, mettere a punto un metodo e una apparecchiatura per esaminare la superficie esterna di prodotti vegetali che permettano di stimare in modo sufficientemente preciso le caratteristiche di interesse dell?intero prodotto vegetale, e in particolare la quantit? di sostanza secca, il contenuto zuccherino, l?acidit? e la turgidit?. Il compito tecnico e gli scopi indicati sono sostanzialmente raggiunti da un metodo e una apparecchiatura per eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna di prodotti vegetali in accordo con quanto descritto nelle unite rivendicazioni.
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata di alcune forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, di un metodo e una apparecchiatura per eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna di prodotti vegetali illustrate negli uniti disegni, in cui:
- la figura 1 mostra in vista frontale una faccia anteriore di un avocado; - la figura 2 mostra la faccia posteriore dell?avocado di figura 1 ;
- la figura 3 mostra in vista laterale una apparecchiatura in accordo con la presente invenzione;
- la figura 4 mostra l?apparecchiatura di figura 3 in vista dall?alto;
- la figura 5 mostra la parte inferiore dell?apparecchiatura di figura 3 con evidenziato anche un piano di osservazione di un rilevatore iperspettrale montato nella parte superiore dell?apparecchiatura stessa;
- la figura 6 mostra ingrandito un organo di rotazione 13 dell?apparecchiatura di figura 3; e
- la figura 7 rappresenta schematicamente le zone della superficie di un avocado che sono oggetto di un esame iperspettrale in accordo con la forma realizzativa di figura 3.
Nel seguito verranno inizialmente descritte varie forme attuative del metodo oggetto dell?invenzione e, successivamente, le varie forme realizzative dell?apparecchiatura 1 in accordo con la presente invenzione. Va comunque tenuto presente che le varie forme attuative del metodo trovano attuazione in almeno una delle forme realizzative dell?apparecchiatura 1 e che, viceversa, ciascuna forma realizzativa dell?apparecchiatura 1 attua almeno alcune forme attuative del metodo. Inoltre, quanto verr? nel seguito descritto con riferimento al metodo, deve essere inteso come applicabile anche ad una o pi? forme realizzative dell?apparecchiatura 1, se tecnicamente possibile, e viceversa.
Come detto, la presente invenzione pu? trovare applicazione per qualsiasi prodotto vegetale 2, ma la sua applicazione ? particolarmente vantaggiosa per prodotti vegetali 2 che abbiano una forma che permette loro di rotolare sulla propria superficie esterna (quali gli avocado illustrati nelle unite figure). In accordo con un primo aspetto innovativo, la presente invenzione riguarda un metodo per stimare caratteristiche di interesse di un prodotto vegetale 2, in particolare una tra: la quantit? di sostanza secca media, il contenuto zuccherino medio, l'acidit? media e la turgidit? media. Tale metodo si basa su un esame iperspettrale della superficie esterna 3 del prodotto vegetale 2 eseguito utilizzando una pluralit? di misurazioni diverse. In particolare, il metodo prevede che le misurazioni siano eseguite in corrispondenza di zone della superficie esterna 3, distribuite attorno ad un asse principale del prodotto vegetale 2. Tali misurazioni presentano, vantaggiosamente, ciascuna una longitudine e una latitudine almeno in parte diversa rispetto a tutte le altre, ove, come sopra indicato, la longitudine e la latitudine sono misurate rispetto all'asse principale del prodotto vegetale 2.
Preferibilmente inoltre, le zone della superficie esterna 3 per le quali vengono eseguite le misurazioni sono distribuite attorno all'asse principale 4 del prodotto vegetale 2 in modo sostanzialmente uniforme per coprire nel modo pi? simile possibile tutte le longitudini attorno adesso (le rispettive latitudini possono invece essere diverse). Inoltre, vantaggiosamente, le zone della superficie esterna 3 per le quali vengono eseguite le misurazioni, sono sfalsate una rispetto all'altra lungo l'asse principale 4, in modo tale da coprire una fascia di longitudini sufficientemente ampia (vantaggiosamente pari ad almeno 30?).
Nel caso in cui, come nella forma realizzativa preferita illustrata nelle unite figure, le misurazioni siano eseguite in corrispondenza di zone della superficie esterna 3 costituite da linee, le misurazioni sono ripetute con un passo, misurato parallelamente aN?asse principale 4, preferibilmente abbastanza piccolo, ad esempio compreso tra 0.5 e 2 mm. Un esempio di questa modalit? di procedere ? illustrato figura 7, dove le linee a tratto continuo rappresentano le zone di misurazione in corrispondenza del lato frontale del frutto, mentre le linee a tratteggio rappresentano le zone di misurazione in corrispondenza del lato posteriore del frutto.
In accordo con questo metodo, la stima vera e propria delle caratteristiche di interesse ? vantaggiosamente eseguita considerando tutte le immagini iperspettrali acquisite. A titolo di esempio pu? essere eseguita sulla base di una media di tutte le immagini iperspettrali.
In accordo con un secondo aspetto innovativo pi? generale, la presente invenzione riguarda un metodo eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna 3 di prodotti vegetali 2.
Nella sua forma attuativa pi? generale, il metodo comprende una fase di movimentazione, una fase di rotazione, una fase di illuminazione e una fase di scansione iperspettrale.
Durante la fase di movimentazione ciascun avocado 2 viene fatto avanzare attraverso una zona di scansione 8. Ci? ? vantaggiosamente effettuato utilizzando un trasportatore 5, che fa avanzare il prodotto vegetale 2 lungo una direzione di movimentazione 6. Preferibilmente, inoltre, la movimentazione avviene mantenendo il prodotto vegetale 2 su un piano di movimentazione 7 parallelo alla direzione di movimentazione 6 (nelle forme realizzative preferite il piano di movimentazione 7 ? generalmente orizzontale).
La fase di rotazione ? eseguita in contemporanea alla fase di movimentazione e mentre il prodotto vegetale 2 si trova all?interno della zona di scansione 8. Durante la fase di rotazione, ciascun prodotto vegetale 2, mentre avanza, viene fatto ruotare su se stesso attorno ad un asse di rotazione. In accordo con la presente invenzione l?asse di rotazione presenta una componente principale di sviluppo parallela al piano di movimentazione Va notato che, nel contesto della presente descrizione, con il termine asse di rotazione si intende indicare l?asse di rotazione medio attorno al quale avviene la rotazione complessiva del prodotto vegetale 2; nella maggior parte delle applicazioni preferite, infatti, il prodotto vegetale 2 ? fatto ruotare su se stesso mantenendolo appoggiato sulla sua superficie esterna 3 (ad esempio utilizzando una tazza a rulli come descritto nel seguito e illustrato in figura 6) con la conseguenza che le irregolarit? presenti sulla superficie esterna 3 determinano una continua variazione dell?asse di istantanea rotazione.
Vantaggiosamente, inoltre, la rotazione ? sincronizzata con la movimentazione del prodotto vegetale attraverso la zona di scansione 8 in modo tale che entrambe progrediscano sostanzialmente allo stesso modo (vale a dire che entrambe completano sostanzialmente nello stesso momento, una medesima percentuale dello spostamento totale previsto). La fase di illuminazione ? eseguita almeno per tutta la durata della fase di rotazione (nonch? per tutta la durata della fase di movimentazione attraverso la zona di scansione 8) utilizzando una o pi? sorgenti illuminanti 10.
Durante la fase di illuminazione le una o pi? sorgenti illuminanti 10 illuminano almeno un lato del prodotto vegetale 2 (preferibilmente quello superiore) con radiazioni elettromagnetiche comprese in una banda predefinita (di frequenza e lunghezza d?onda) che comprende almeno una parte della banda dell?infrarosso. Preferibilmente, la banda predefinita va da 950 a 1700 nm. La fase di scansione iperspettrale ? eseguita almeno per tutta la durata della fase di rotazione e della contemporanea fase di movimentazione attraverso la zona di scansione 8. Va comunque notato che ci? non significa che, terminata la fase di scansione iperspettrale, il prodotto vegetale 2 non sia pi? movimentato o non possa pi? ruotare su se stesso. Nel contesto della presente invenzione, infatti, si deve intendere che le fase di movimentazione e di rotazione di interesse sono quelle durante le quali si esegue anche la fase di scansione iperspettrale. Inoltre, la zona di scansione 8 ? quella in cui si muove il prodotto vegetale 2 durante la fase di scansione iperspettrale.
Durante la fase di scansione iperspettrale si acquisiscono una pluralit? di immagini iperspettrali della superficie del prodotto vegetale 2, vale a dire una pluralit? di immagini ciascuna delle quali rappresenta, per ciascun punto (pixel), l'intero spettro elettromagnetico (almeno all?interno di una banda di interesse e con una certa risoluzione). La fase di scansione iperspettrale ? eseguita con un rilevatore iperspettrale lineare 11, e prevede una pluralit? di acquisizioni di immagini del prodotto vegetale 2, in una pluralit? di istanti temporali successivi (preferibilmente in ciascun istante temporale si acquisisce una sola immagine). Con l'indicazione rilevatore iperspettrale lineare 11 si intende un rilevatore iperspettrale che comprende (o ? costituito da) un sensore lineare che ? in grado di ottenere le informazioni iperspettrali in ciascuna di una pluralit? di celle allineate lungo una linea retta. Su ulteriori caratteristiche preferite del rilevatore iperspettrale si torner? comunque nel seguito.
Ciascuna immagine ? acquisita in corrispondenza di una zona della superficie del prodotto vegetale 2 che, al momento dell?acquisizione, ? illuminata dalle una o pi? sorgenti illuminanti 10 (preferibilmente, quindi, posta sul lato superiore del prodotto vegetale 2). In altre parole, ciascuna immagine rappresenta (in modo iperspettrale) l?aspetto della relativa zona della superficie del prodotto vegetale 2.
Al momento dell?acquisizione della relativa immagine, ciascuna zona della superficie del prodotto vegetale 2 giace in un piano di osservazione 12 definito dal rilevatore iperspettrale lineare 11 , vale a dire, corrisponde a parte dell?intersezione, in quell?istante, tra il piano di osservazione 12 e la superficie del prodotto vegetale 2. Si noti che nel contesto della presente invenzione, il piano di osservazione 12 ? il piano in cui giacciono tutte le direzioni di osservazione del rilevatore iperspettrale, direzioni di osservazione che si sviluppano in modo divergente da un obiettivo del rilevatore iperspettrale. Ulteriormente, in accordo con la presente invenzione, la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione 12 fisso (vantaggiosamente mantenendo fisso il rilevatore iperspettrale). Vantaggiosamente, inoltre, per effettuare la fase di scansione il piano di osservazione 12 ? disposto in modo tale che, a seguito dell?avanzare del prodotto vegetale 2 attraverso la zona di scansione 8, e della sua rotazione su se stesso, il piano intersechi il prodotto vegetale 2 in zone della sua superficie via via diverse. Un esempio di questo tipo ? illustrato in figura 5 dove il piano di osservazione 12 ? perpendicolare al foglio e la linea ingrossata inclinata ne mostra la posizione.
La figura 7 mostra in modo schematico e qualitativo (l?andamento delle linee non rispecchia la curvatura del prodotto vegetale 2 e la relativa lunghezza non tiene conto dell'inclinazione delle direzioni di osservazione) la possibile posizione di ciascuna zona, oggetto di una immagine iperspettrale, nel caso di acquisizione di poco pi? di cinquanta immagini durante lo spostamento di un prodotto vegetale 2 attraverso la zona di scansione 8 visibile in figura 5. Preferibilmente, comunque, nell?esecuzione reale, il numero di acquisizioni ? maggiore ed ? eseguita in modo tale che tra due zone di cui si acquisisce l?immagine non ci siano zone di cui invece non la si acquisisce.
In una forma realizzativa preferita, quindi, la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione 12 disposto in modo tale che, a seguito dell?avanzare del prodotto vegetale 2 attraverso la zona di scansione 8, e della rotazione del prodotto vegetale 2 su se stesso, il piano di osservazione 12 intersechi l?asse di rotazione del prodotto vegetale 2 in posizioni via via diverse (in altri termini, la movimentazione del prodotto vegetale 2 determina una traslazione del piano di osservazione 12 rispetto all?asse di rotazione).
In altre forme realizzative, comunque, possono essere adottate anche altre soluzioni per fare in modo che il piano intersechi il prodotto vegetale 2 in zone della sua superficie via via diverse.
In una forma realizzativa preferita, la fase di rotazione ? eseguita facendo ruotare il prodotto vegetale 2 attorno ad un asse di rotazione trasversale ad un piano di riferimento che sia parallelo alla direzione di movimentazione 6 e perpendicolare al piano di movimentazione 7, e la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione 12 perpendicolare al piano di riferimento ed inclinato rispetto al piano di riferimento di un angolo a inferiore a 10?, preferibilmente inferiore a 5? e ancora pi? preferibilmente inferiore a 3? ma maggiore di 1?.
In una forma realizzativa preferita, la fase di rotazione ? eseguita facendo ruotare il prodotto vegetale 2 attorno ad un asse di rotazione perpendicolare alla direzione di movimentazione 6 e parallelo al piano di movimentazione 7, e la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione 12 perpendicolare al piano di movimentazione 7. L?asse di rotazione ? vantaggiosamente fatto coincidere con l?asse principale 4 del prodotto vegetale 2.
In una forma realizzativa preferita, la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione 12 disposto in modo tale che l?insieme di tutte le intersezioni tra il piano di osservazione 12 e la superficie del prodotto vegetale 2, che si susseguono durante l?avanzamento del prodotto vegetale 2 attraverso l?intera zona di scansione 8, e la sua contemporanea rotazione su se stesso, corrisponda ad un?area della superficie esterna 3 conformata a fascia, che si avvolge a elica sulla superficie esterna 3 del prodotto vegetale 2; a seconda delle forme attuative l?area conformata a fascia potr? essere scansionata interamente o in modo discreto come nel caso illustrato in figura 7.
In una forma attuativa, il metodo prevede che, durante la fase di rotazione, il prodotto vegetale 2 sia fatto ruotare su se stesso sostanzialmente per un giro completo.
Una volta ultimata la fase di scansione iperspettrale ed ottenute le immagini iperspettrali di ciascuna zona, il metodo vantaggiosamente prevede una fase di elaborazione, eseguita tramite una unit? elettronica di elaborazione non illustrata), durante la quale le immagini iperspettrali acquisite sono elaborate per valutare una o pi? caratteristiche di interesse del prodotto vegetale 2. Dato che, come ? noto, le caratteristiche di interesse possono essere stimate sulla base dell? intensit? della rilevazione iperspettrale in corrispondenza di certe frequenze/lunghezze d?onda, utilizzando formule note, ? possibile combinare tra loro tutte le immagini iperspettrali acquisite, tenendo conto di tali formule note (combinando le informazioni ottenute per ciascun pixel), e ottenere una sorta di informazione iperspettrale media di tutti i punti esaminati, che pu? essere assunta come rappresentativa della media del prodotto vegetale nel suo complesso.
Passando all?apparecchiatura 1 oggetto della presente invenzione, essa comprende un trasportatore 5, almeno un organo di rotazione 13 associato al trasportatore 5, una o pi? sorgenti illuminanti 10, un rilevatore iperspettrale lineare 11 e, vantaggiosamente, unit? elettronica di elaborazione collegata al rilevatore iperspettrale lineare 11.
Il trasportatore 5 ? configurato per far avanzare il prodotto vegetale 2 attraverso una zona di scansione 8, e per mantenere nel frattempo il prodotto vegetale 2 su un piano di movimentazione 7 e muoverlo lungo una direzione di movimentazione 6.
Sebbene il trasportatore 5 possa essere configurato anche per movimentare un solo prodotto vegetale per volta, nella forma realizzativa preferita ? un trasportatore 5 di tipo continuo, configurato per movimentare una fila continua di prodotti vegetali 2 attraverso la zona di scansione 8 come rappresentato ad esempio nelle figure da 3 a 5. Vantaggiosamente, inoltre, il trasportatore 5 pu? comprendere una pluralit? di elementi di alloggiamento 14 destinati ad alloggiare ciascuno un prodotto vegetale 2.
L?organo di rotazione 13 ? configurato per far ruotare il prodotto vegetale 2 su se stesso, attorno ad un asse di rotazione, mentre il trasportatore 5 fa avanzare il prodotto vegetale 2 attraverso la zona di scansione 8. A seconda delle forme realizzative l?organo di rotazione 13 pu? essere realizzato in qualsiasi modo adatto allo scopo. Inoltre, dato che trasportatori per prodotti vegetali dotati di organi di rotazione per i prodotti vegetali stessi, sono gi? noti sul mercato, non si ritiene necessario in questa sede approfondire particolarmente la descrizione dell'insieme costituito dal trasportatore 5 e dagli uno o pi? organi di rotazione 13.
In alcune forme realizzative preferite, l?organo di rotazione 13 ? configurato per far ruotare il prodotto vegetale 2 su se stesso sostanzialmente per un giro completo, nel tempo necessario al trasportatore 5 per far attraversare al prodotto vegetale 2 l?intera zona di scansione 8.
Come nel caso illustrato nelle unite figure, pu? essere previsto un organo di rotazione 13 per ciascun prodotto vegetale 2 da trasportare, nonch? che l?organo di rotazione 13 coincida con l?elemento di alloggiamento 14. Ad esempio entrambi possono essere costituiti da una tazza a rulli solidale al trasportatore 5. Sebbene nelle unite figure i rulli 15 siano rappresentati a sezione costante, in altre forme realizzative sono preferibilmente utilizzati rulli biconici. I rulli 15 hanno inoltre, vantaggiosamente, un asse parallelo al piano di movimentazione 7 (preferibilmente orizzontale), ancor pi? preferibilmente anche perpendicolare alla direzione di movimentazione 6.
La figura 3 mostra schematicamente una apparecchiatura 1 in cui il trasportatore 5 ? dimensionato in modo tale da mantenere contemporaneamente nove diversi elementi di alloggiamento 14 (e quindi nove diversi prodotti vegetali 2) in fila all'interno della zona di scansione 8. La figura 6 mostra schematicamente la struttura di ciascuna tazza a rulli. Si noti invece che in figura 5, pur essendo visibile lo stesso trasportatore 5 di figura 3, quelli rappresentati non sono nove prodotti vegetali 2 (avocado) diversi, ma lo stesso prodotto vegetale 2 nelle diverse posizioni angolari rispetto aliasse di rotazione che esso assume, mano a mano che si sposta lungo la direzione di movimentazione 6 (quando, cio? si trova in corrispondenza degli elementi di alloggiamento 14 illustrati).
Le una o pi? sorgenti illuminanti 10 sono configurate per emettere radiazioni elettromagnetiche almeno nella banda prefissata sopra definita, e sono associate alla zona di scansione 8. In particolare, le una o pi? sorgenti illuminanti 10 sono posizionate al di sopra del trasportatore 5 per illuminare con le radiazioni elettromagnetiche da esse emesse, almeno un lato superiore del prodotto vegetale 2, mentre il prodotto vegetale 2 avanza nella zona di scansione 8 e ruota su se stesso.
Il rilevatore iperspettrale lineare 11 ? associato alla zona di scansione 8, ed ? disposto ad di sopra del trasportatore 5 per osservare i prodotti vegetali 2 che avanzano al di sotto. Inoltre, il rilevatore iperspettrale lineare 11 ? configurato per acquisire, in uso, immagini iperspettrali digitali di zone del lato illuminato del prodotto vegetale 2, ove ciascuna zona di cui si acquisisce l'immagine ? sostanzialmente costituita da una linea.
Il rilevatore iperspettrale lineare 11 presenta un piano di osservazione 12, che ? disposto inclinato rispetto ad un piano perpendicolare aN'asse di rotazione. Il rilevatore iperspettrale lineare 11 ? inoltre configurato e disposto in modo tale che il piano di osservazione 12, in uso, intersechi il lato illuminato del prodotto vegetale 2 durante tutta permanenza del prodotto vegetale 2 nella zona di scansione 8.
In alcune forme realizzative, l'asse di rotazione ? perpendicolare alla direzione di movimentazione 6 e parallelo al piano di movimentazione 7, e il piano di osservazione 12 ? perpendicolare al piano di movimentazione 7. In alcune forme realizzative, l'asse di rotazione ? trasversale ad un piano di riferimento che sia parallelo alla direzione di movimentazione 6 e perpendicolare al piano di movimentazione 7, il piano di osservazione 12 ? perpendicolare al piano di riferimento, ed ? inclinato rispetto al piano di riferimento di un angolo a inferiore a 10?, preferibilmente inferiore a 5? e ancora pi? preferibilmente inferiore a 3? ma maggiore di 1?.
In alcune forme realizzative, analogamente a quanto gi? descritto in relazione al metodo, il piano di osservazione 12 ? disposto rispetto alla direzione di movimentazione 6, in modo tale che l'insieme di tutte le intersezioni tra il piano di osservazione 12 e la superficie del prodotto vegetale 2, che si susseguono durante l?avanzamento del prodotto vegetale 2 attraverso l?intera zona di scansione 8, corrisponda ad un?area conformata a fascia che si avvolge a elica sulla superficie esterna 3 del prodotto vegetale 2.
In alcune forme realizzative preferite, il rilevatore iperspettrale lineare 11 comprende un obiettivo 16, rivolto verso il trasportatore 5, e configurato per trasmettere ad uno spettrografo, radiazioni elettromagnetiche che si propagano nel piano di osservazione 12. A titolo di esempio, all?obiettivo 16 pu? essere associato uno schermo opaco, dotato di un?unica feritoia lineare che permette il passaggio esclusivamente delle radiazioni elettromagnetiche che si propagano nel piano di osservazione 12.
A valle della feritoia ? posizionato lo spettrografo, eventualmente preceduto da un gruppo ottico di messa a fuoco. Lo spettrografo ? in grado di trasformare la linea sostanzialmente monodimensionale in ingresso, in una immagine bidimensionale in cui le diverse frequenze che compongono la radiazione elettromagnetica vengono distribuite perpendicolarmente al piano di osservazione 12.
A valle dello spettrografo ? presente un sensore digitale matriciale orientato con una prima coordinata parallela al piano di osservazione 12 e una seconda coordinata perpendicolare al piano di osservazione 12. Nel sensore digitale matriciale sono quindi identificabili una pluralit? di colonne, perpendicolarmente al piano di osservazione 12 (il numero di colonne corrisponde al numero di pixel dell'immagine per ciascuna lunghezza d?onda ed ? quindi legato alla risoluzione spaziale della rilevazione), e una pluralit? di linee, parallelamente al piano di osservazione 12 (il numero di righe corrisponde al numero di bande elettromagnetiche diverse esaminate, vale a dire alla risoluzione in frequenza).
L?unit? elettronica di elaborazione ? collegata al rilevatore iperspettrale per ricevere da esso le immagini iperspettrali digitali, ed ? programmata per valutare una o pi? caratteristiche di interesse del prodotto vegetale 2 in funzione delle immagini iperspettrali digitali. In particolare l?unit? elettronica di elaborazione ? programmata per stimare una tra la quantit? di sostanza secca media, il contenuto zuccherino, l'acidit? o la turgidit? del prodotto vegetale 2.
Vantaggiosamente, l?unit? elettronica di elaborazione ? programmata per, in primo luogo, combinare tra loro tutte le immagini iperspettrali digitali acquisite ed ottenere una immagine digitale media o complessiva e per valutare le una o pi? caratteristiche di interesse del prodotto vegetale 2 in funzione dell'immagine digitale media o complessiva.
In alcune forme realizzative, l?immagine digitale media si ottiene per semplice media delle sole immagini iperspettrali digitali valide acquisite. Per validare le immagini iperspettrali digitali si pu? semplicemente verificare di essere sul prodotto vegetale 2 o si possono applicare metodi di filtraggio pi? avanzati che scartano le immagini iperspettrali digitali pi? lontane da uno spettro di riferimento, ad esempio per eliminare riflessi o difetti superficiali del prodotto vegetale 2 che falserebbero i risultati della misura.
Per quanto riguarda la stima delle caratteristiche di interesse (ed in particolare della sostanza secca) a partire dalle immagini iperspettrali, ? vantaggiosamente effettuata utilizzando come metodo chemiometrico di modellazione, il metodo statistico di regressione noto come PLS (Partial Least Squares - qui non descritto nel dettaglio in quanto di per s? noto). In estrema sintesi, prendendo ad esempio la stima della quantit? di sostanza secca, l'applicazione del metodo prevede una prima fase di modellazione e una seconda fase di predizione. Nella fase di modellazione si acquisiscono con lo strumento le immagini iperspettrali di N frutti diversi (ove N deve essere sufficientemente grande, generalmente pari almeno a 100) e si elaborano per ottenere uno spettro medio per ciascun frutto. Sugli stessi frutti si esegue l?analisi distruttiva (essicazione) per ottenere i valori di riferimento reali della quantit? di sostanza secca. Gli spettri vengono messi in relazione ai valori di sostanza secca, costruendo una matrice (X), dove ogni riga corrisponde allo spettro di un frutto (con le lunghezze d?onda sulle colonne), e un vettore colonna (Y) con pari numero di righe, in cui in ogni riga si inserisce il corrispondente valore di sostanza secca misurato per ciascun frutto. Nella matrice (X) e nel vettore (Y), i dati relativi ad un medesimo frutto sono sulla stessa riga.
Utilizzando algoritmi di regressione noti si calcola poi il modello di valutazione della quantit? di sostanza secca a partire dalle matrici X e Y. Pi? in dettaglio, tale modello basato su PLS presenta un parametro che deve essere ottimizzato: il numero di componenti o variabili latenti. L?ottimizzazione, viene effettuata mediante convalida incrociata (cross-validation). Il processo pu? essere attuato con strategie diverse, ma che prevedono tutte di suddividere ripetutamente il gruppo di frutti disponibili per la modellazione in un gruppo di training, su cui viene calcolato il modello, e un gruppo di test, su cui viene applicato il modello per ottenere una predizione della quantit? di sostanza secca. Utilizzando queste stime e i valori di riferimento ottenuti con le prove distruttive, si calcola l?errore di stima in cross-validazione, ovvero lo scostamento quadratico medio dei valori stimati da quelli misurati. Il processo ? ripetuto per diversi valori del parametro ?componenti? (indicativamente da 2 a 20); alla fine, quale valore del parametro ?componenti? viene scelto quello che minimizza l?errore di stima calcolato ad ogni ripetizione. Nella suddivisione dei gruppi di training e di test ? necessario garantire che nel primo gruppo siano presenti un numero sufficiente di frutti per costruire un modello robusto (indicativamente si suggerisce una suddivisione training/test di 80/20).
Infine, la fase di predizione ? quella di normale utilizzo del modello cos? costruito, fase che si attua quando si vuole stimare la quantit? di sostanza secca di frutti non utilizzati per calcolare il modello. In questa fase si acquisiscono le immagini iperspettrali dei frutti, e le si elabora come sopra descritto per ottenere uno spettro medio per ciascun frutto. Applicando il modello allo spettro medio ? poi possibile ottenere la stima della quantit? di sostanza secca.
Una trattazione pi? dettagliata della regressione PLS nel contesto della chemiometria pu? essere trovata nelle seguenti pubblicazioni, cui si rimanda: - Wold, Sjostrom, Eriksson; 2001; "PLS-regression: a basic tool of chemometrics"; Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 58 2001 109-130;
- Cozzolino, Cynkar, Shah, Smith; 2011; "Multivariate data analysis applied to spectroscopy: Potential application to juice and fruii quality"; Food Research International 44 (2011) 1888-1896.
La presente invenzione consegue importanti vantaggi.
In primo luogo, grazie alla presente invenzione sono stati messi a punto un metodo e una apparecchiatura per esaminare la superficie esterna di prodotti vegetali che garantiscono un buona affidabilit? dell?analisi dell?intera superficie del prodotto vegetale, e che possano essere utilizzati in ambito industriale per l?analisi sistematica di tutti i prodotti vegetali.
Ulteriormente, sono stati messi a punto un metodo e una apparecchiatura per esaminare la superficie esterna di prodotti vegetali che permettono di stimare in modo sufficientemente preciso caratteristiche di interesse di un prodotto vegetale, tenendo conto delle differenze di distribuzione tra le diverse facce del prodotto vegetale.
Va infine rilevato che la presente invenzione risulta di relativamente facile realizzazione e che anche il costo connesso alla sua attuazione non risulta molto elevato.
L?invenzione cos? concepita ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell?ambito del concetto inventivo che la caratterizza.
Tutti i dettagli sono rimpiazzabili da altri tecnicamente equivalenti ed i materiali impiegati, nonch? le forme e le dimensioni dei vari componenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.
Claims (19)
1. Metodo per eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna di prodotti vegetali, comprendente le seguenti fasi operative:
una fase di movimentazione, durante la quale ciascun prodotto vegetale (2) viene fatto avanzare, tramite un trasportatore (5), lungo una direzione di movimentazione (6), attraverso una zona di scansione (8);
una fase di rotazione, eseguita in contemporanea alla fase di movimentazione e all'interno della zona di scansione (8), durante la quale ciascun prodotto vegetale (2), mentre avanza, viene fatto inoltre ruotare su se stesso attorno ad un asse di rotazione (9);
una fase di illuminazione, eseguita per tutta la durata della fase di rotazione, durante la quale si illumina almeno un lato del prodotto vegetale (2) con radiazioni elettromagnetiche almeno nella banda dell?ultravioletto, utilizzando una o pi? sorgenti illuminanti (10);
una fase di scansione iperspettrale, eseguita per tutta la durata della fase di rotazione, durante la quale, in una pluralit? di istanti temporali successivi, si acquisiscono, con un rilevatore iperspettrale lineare (11), una pluralit? di immagini iperspettrali della superficie del prodotto vegetale (2), in corrispondenza di zone illuminate della superficie che, al momento dell?acquisizione della relativa immagine, giacciono in un piano di osservazione (12) definito dal rilevatore iperspettrale lineare (11), ove la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione (12) fisso, e disposto in modo tale che, a seguito dell?avanzare del prodotto vegetale (2) attraverso la zona di scansione (8) e della sua rotazione su se stesso, il piano di osservazione (12) intersechi il prodotto vegetale (2) in zone della sua superficie via via diverse.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione (12) disposto in modo tale che, a seguito dell?avanzare del prodotto vegetale (2) attraverso la zona di scansione (8), e della rotazione del prodotto vegetale (2) su se stesso, il piano di osservazione (12) intersechi l?asse di rotazione (9) del prodotto vegetale (2) in posizioni via via diverse.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui la fase di rotazione ? eseguita facendo ruotare il prodotto vegetale (2) attorno ad un asse di rotazione (9) perpendicolare alla direzione di movimentazione (6) e parallelo al piano di movimentazione (7), e la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione (12) perpendicolare al piano di movimentazione (7).
4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3 in cui la fase di scansione iperspettrale ? eseguita mantenendo il piano di osservazione (12) disposto in modo tale che l'insieme di tutte le intersezioni tra il piano di osservazione (12) e la superficie del prodotto vegetale (2), che si susseguono durante l?avanzamento del prodotto vegetale (2) attraverso l?intera zona di scansione (8) e la sua contemporanea rotazione su se stesso, corrisponda ad un?area della superficie esterna (3) conformata a fascia, che si avvolge a elica sulla superficie esterna (3) del prodotto vegetale (2).
5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 in cui durante la fase di rotazione il prodotto vegetale (2) ? fatto ruotare su se stesso sostanzialmente per un giro completo.
6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5 in cui il prodotto vegetale (2) presenta un asse principale (4) e in cui la fase di rotazione ? attuata in modo tale da far ruotare il prodotto vegetale su se stesso sostanzialmente attorno all?asse principale (4).
7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6 comprendente inoltre una fase di elaborazione, eseguita tramite una unit? elettronica di elaborazione, durante la quale le immagini iperspettrali acquisite sono elaborate per valutare una o pi? caratteristiche di interesse del prodotto vegetale (2).
8. Metodo per stimare caratteristiche di interesse di un prodotto vegetale (2), in cui una superficie esterna (3) del prodotto vegetale (2) ? esaminata attuando sul prodotto vegetale (2) un metodo in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, e in cui le caratteristiche di interesse sono stimate elaborando le immagini iperspettrali della superficie del prodotto vegetale (2).
9. Metodo per stimare caratteristiche di interesse di un prodotto vegetale (2) mediante esame iperspettrale della sua superficie esterna (3), in cui l?esame iperspettrale ? eseguito utilizzando una pluralit? di misurazioni diverse, eseguite in corrispondenza di zone della superficie esterna (3) distribuite attorno ad un asse principale (4) del prodotto vegetale (2) e che presentano longitudini e latitudini almeno in parte diverse rispetto a tale asse principale (4).
10. Metodo secondo la rivendicazione 9 in cui le zone della superficie esterna (3) oggetto di misurazione sono distribuite in modo sostanzialmente uniforme attorno all'asse principale (4) del prodotto vegetale (2).
11. Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10 in cui le caratteristiche di interesse comprendono una o pi? tra: quantit? di sostanza secca media, contenuto zuccherino medio, acidit? media e turgidit? media.
12. Apparecchiatura per eseguire un esame iperspettrale della superficie esterna (3) di prodotti vegetali (2), comprendente:
un trasportatore (5) configurato per far avanzare il prodotto vegetale (2) su un piano di movimentazione (7) e lungo una direzione di movimentazione (6), attraverso una zona di scansione (8);
un organo di rotazione (13) associato al trasportatore (5) e configurato per far ruotare il prodotto vegetale (2) su se stesso, attorno ad un asse di rotazione (9), mentre il trasportatore (5) fa avanzare il prodotto vegetale (2) attraverso la zona di scansione (8);
una o pi? sorgenti illuminanti (10), configurate per emettere radiazioni elettromagnetiche almeno in una banda prefissata, e associate alla zona di scansione (8) al di sopra del trasportatore (5) per illuminare con tali radiazioni elettromagnetiche almeno un lato superiore del prodotto vegetale (2), mentre il prodotto vegetale (2) avanza nella zona di scansione (8) e ruota su se stesso;
un rilevatore iperspettrale lineare (11) associato alla zona di scansione (8) al di sopra del trasportatore (5), e configurato per acquisire, in uso, immagini iperspettrali digitali del lato illuminato del prodotto vegetale (2), in cui il rilevatore iperspettrale lineare (11) presenta un piano di osservazione (12) che ? disposto inclinato rispetto ad un piano perpendicolare all?asse di rotazione (9), ed ? inoltre configurato in modo tale che il piano di osservazione (12), in uso, intersechi il lato illuminato del prodotto vegetale (2) durante tutta permanenza del prodotto vegetale (2) nella zona di scansione (8).
13. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12, in cui l?asse di rotazione (9) ? perpendicolare alla direzione di movimentazione (6) e parallelo al piano di movimentazione (7), e in cui il piano di osservazione (12) ? perpendicolare al piano di movimentazione (7).
14. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a Errore. L'origine riferimento non ? stata trovata, in cui l?organo di rotazione (13) ? configurato per far ruotare il prodotto vegetale (2) su se stesso sostanzialmente per un giro completo nel tempo necessario al trasportatore (5) per far attraversare al prodotto vegetale (2) l?intera zona di scansione (8).
15. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 14 in cui il rilevatore iperspettrale lineare (11) comprende un obiettivo (16), uno spettrografo ed un sensore digitale matriciale, in cui l?obiettivo (16) ? rivolto verso il trasportatore (5) ed ? configurato per trasmettere allo spettrografo radiazioni elettromagnetiche che giacciono nel piano di osservazione (12), lo spettrografo ? configurato per inoltrare al sensore digitale matriciale le radiazioni elettromagnetiche suddividendole in una pluralit? di bande elettromagnetiche diverse ciascuna delle quali ? indirizzata ad una diversa linea del sensore digitale matriciale.
16. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 15 in cui l?organo di rotazione (13) ? una tazza a rulli solidale al trasportatore (5).
17. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 16 in cui la tazza a rulli comprende due rulli (15) ad asse orizzontale.
18. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 17 comprendente inoltre una unit? elettronica di elaborazione collegata al rilevatore iperspettrale per ricevere da esso dette immagini iperspettrali digitali e programmata per valutare una o pi? caratteristiche di interesse del prodotto vegetale (2) in funzione di dette immagini iperspettrali digitali.
19. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 18, in cui detta programmazione per valutare una o pi? caratteristiche di interesse del prodotto vegetale (2) consiste in una programmazione per stimare rispettivamente la quantit? di sostanza secca media del prodotto vegetale (2), il contenuto zuccherino medio, l?acidit? media o la turgidit? media.
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| IT (1) | IT202000022354A1 (it) |
Citations (6)
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