周亞羅，許金鋼，劉文廣（.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山063009；.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司制造部，河北唐山063000）

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計(jì)算機(jī)視覺(jué)在定量描述茶葉色澤變化中的應(yīng)用研究

周亞羅1，許金鋼1，劉文廣2
（1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山063009；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司制造部，河北唐山063000）

摘要：茶葉的色澤變化很難通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)表現(xiàn)，因此我們?yōu)榱四軌蛟谟?jì)算機(jī)之中更好的對(duì)茶葉的理想顏色模型進(jìn)行模擬，就需要改進(jìn)計(jì)算機(jī)的顏色描述系統(tǒng)，選擇HIS（計(jì)算機(jī)視覺(jué)）的顏色系統(tǒng)，在這個(gè)基礎(chǔ)之上對(duì)不同年份的茶葉色澤進(jìn)行測(cè)量，研究計(jì)算機(jī)視覺(jué)在定量描述茶葉色澤變化中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué)；定量描述；茶葉；色澤

周亞羅（1982-），女，河北安平人，碩士，講師，研究方向：電子技術(shù)與應(yīng)用。

許金鋼（1978-），男，河北玉田人，碩士生，講師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。

劉文廣（1978-），男，河北趙縣人，碩士，工程師，研究方向：軋鋼工藝。

對(duì)于茶葉的質(zhì)量評(píng)定，我國(guó)擁有一套比較完善的體系，茶葉的內(nèi)質(zhì)評(píng)定有香氣、滋味、湯色與葉底四個(gè)因子；茶葉的外形也是從四個(gè)方面來(lái)對(duì)茶葉進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)，首先就是干茶色澤評(píng)價(jià)；其次是茶葉的嫩度；再次是條索；最后是凈度。茶葉的色澤評(píng)定一般都是通過(guò)人工進(jìn)行的，視覺(jué)和嗅覺(jué)以及觸覺(jué)的利用，尤其是通過(guò)人眼的觀察，能夠比較準(zhǔn)確的綜合評(píng)定茶葉。我們?cè)谌搜塾^察之后，就可以利用計(jì)算機(jī)的視覺(jué)技術(shù)來(lái)將茶葉的相關(guān)特征定量的描述出來(lái)，更加直接的顯示出茶葉的質(zhì)量。茶葉的感官審評(píng)能夠決定茶葉的香氣和口味，二者之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，在國(guó)外就有茶葉專(zhuān)家利用相關(guān)的圖像處理技術(shù)來(lái)提取茶葉的形狀，從而進(jìn)行進(jìn)一步的質(zhì)量評(píng)價(jià)，通過(guò)這樣的方式來(lái)評(píng)價(jià)茶葉是茶葉評(píng)定的一大突破。

茶葉的色澤評(píng)定有時(shí)候不能僅僅依靠人的雙眼，由于人在對(duì)茶的色澤進(jìn)行評(píng)定的時(shí)候會(huì)受到顏色辨別以及視覺(jué)生理和心理等因素的影響，所以每一個(gè)人對(duì)茶葉的色澤辨別都存在差異。利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)定量來(lái)對(duì)茶葉的色澤進(jìn)行色覺(jué)的模擬，就不容易受到人生理和心理等因素的影響，我們只需要通過(guò)檢查茶葉的外觀質(zhì)量，就能夠得到一致的檢測(cè)結(jié)果，所以能夠在一定程度之上客觀的對(duì)茶葉色澤進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)，所以其評(píng)價(jià)的結(jié)論具有穩(wěn)定性。一般我們?cè)诶糜?jì)算機(jī)進(jìn)行色覺(jué)模擬的時(shí)候，都是通過(guò)對(duì)茶葉的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，就可以擁有統(tǒng)一的定量標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)衡量茶葉的質(zhì)量。并且在對(duì)茶葉樣品進(jìn)行模擬之后，可以長(zhǎng)期的將茶葉的樣品以圖像的形式存入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，與茶葉實(shí)物相比，圖像形式的茶葉能夠長(zhǎng)期的存放，從而有效的保證茶葉樣品原有的色澤。當(dāng)每年對(duì)茶葉進(jìn)行分級(jí)的時(shí)候，就可以提供有效的參考，保證茶葉在各年度之中擁有一致的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

1 顏色系統(tǒng)的選用和改進(jìn)

色調(diào)、明度和飽和度是顏色固有的三種特性，人的雙眼主要是通過(guò)這三種特性來(lái)對(duì)顏色進(jìn)行劃分，能夠十分準(zhǔn)確的分辨出顏色的不同。HIS就是指顏色之中的三個(gè)特征，H就是指色調(diào)；I就是指明度；S就是指飽和度。我們可以利用顏色的理想模型來(lái)印證HIS三種特性之間的相互關(guān)系。定量化的描述主要就是通過(guò)HIS顏色模型進(jìn)行的，為了保證顏色模型能夠吻合基本的理想色澤，我們可以建立起HIS顏色系統(tǒng)，將理想模型通過(guò)顏色基本的描述出來(lái)，但是其中仍然存在許多不足。首先，在有色的區(qū)域之內(nèi)，我們無(wú)法將全明度表示真正的實(shí)現(xiàn)出來(lái)，例如當(dāng)我們將顏色設(shè)定為純紅或是純綠的時(shí)候，我們就可以發(fā)現(xiàn)明度最大值與理想不符，也就是說(shuō)明HIS顏色模型與感官視覺(jué)不相吻合；其次，飽和度S的利用效果較差，在描述顏色理想模型的時(shí)候，我們沿著同色調(diào)方向出現(xiàn)了飽和度突變的情況，這與人們的視覺(jué)心理不符，所以在顏色分布之中有較大的缺陷。本文主要是通過(guò)借鑒其他的顏色模型之中的精華，來(lái)改進(jìn)顏色系統(tǒng)，能夠提高系統(tǒng)的明度和飽和度，更加符合理想的顏色模型，也就是更加接近于模擬出人的視覺(jué)心理。

當(dāng)我們將顏色系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)之后，能夠更好的將人的視覺(jué)特點(diǎn)反映出來(lái)，例如我們選擇明度I=0.5，利用公式來(lái)畫(huà)出顏色分布圖，就可以通過(guò)圖片上的顏色空間分配發(fā)現(xiàn)，更具有合理性，更加接近理想的顏色模型。

2 數(shù)據(jù)的采集和處理

2.1 系統(tǒng)調(diào)整和圖像采集

為了將茶葉的顏色更加準(zhǔn)確的測(cè)量出來(lái)，我們首先就要對(duì)光線強(qiáng)度和取景狀況等條件進(jìn)行限定，只有這樣才能夠保證試驗(yàn)之前的條件一致，我們?cè)陂_(kāi)展工作之前，應(yīng)該做以下的準(zhǔn)備：首先，需要利用照度儀對(duì)光源箱照度進(jìn)行測(cè)量，主要是為了防止燈管的老化，若是燈管出現(xiàn)老化現(xiàn)象就容易導(dǎo)致照度偏低的情況；其次，利用白板幫助平衡白色，只有對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行白色平衡，就能夠有效地調(diào)整顏色的相位差；再次，我們必須要對(duì)鏡頭光圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于幫助攝像機(jī)的感光量提高，以達(dá)到標(biāo)定值；而后，需要對(duì)鏡頭的景深進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于物料圖在監(jiān)視器之中的圖像能夠占據(jù)較大的面積；最后對(duì)鏡頭的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，茶葉的圖像能夠在監(jiān)視器之中更加清晰的顯示出來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)的調(diào)整結(jié)束之后，就可以采集和處理數(shù)據(jù)了。

我們可以在物料臺(tái)上放置待測(cè)干茶，在分別的放置之后，分別對(duì)樣品進(jìn)行五次采集，取五次之中的平均值，將其作為原始的采集數(shù)據(jù)，在進(jìn)行電壓瞬間波動(dòng)的時(shí)候，就可以消除可能產(chǎn)生的采集誤差。當(dāng)采集過(guò)后，我們就可以通過(guò)RGB的形式，來(lái)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字圖像的存放。

2.2 特征參數(shù)提取

茶葉的顏色差距比較細(xì)微，但是茶葉顏色是一個(gè)整體，在概念上包括有多項(xiàng)特征，主要有基本的色調(diào)、光澤以及飽和程度，并且具有均勻性的特征，所以我們?cè)趯?duì)茶葉顏色進(jìn)行分辨的時(shí)候，首先就要采取統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)茶葉顏色的概率分布進(jìn)行分析。顏色本身就能夠呈現(xiàn)出三維空間的分布，以三維分布形式來(lái)對(duì)茶葉顏色概率進(jìn)行劃分，要想準(zhǔn)確的描述顏色的概率分布是十分困難的，因此我們要做的就是利用比較容易的方式對(duì)顏色的概率分布進(jìn)行處理。例如我們可以用1998年的龍井茶顏色進(jìn)行特征分布，可以從茶葉的顏色分布圖更加直觀的將茶葉的特征體現(xiàn)出來(lái)，表明茶葉顏色的分布情況，但是要想對(duì)茶葉的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的話，則需要進(jìn)一步的對(duì)比質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，利用茶葉顏色的均值來(lái)對(duì)茶葉的基本色調(diào)進(jìn)行表示，顏色間的標(biāo)準(zhǔn)差就能夠有效的對(duì)茶葉的均勻性進(jìn)行表示。

3 定量分析

3.1 干茶顏色定量分析

我們?cè)趯?duì)干茶顏色進(jìn)行定量分析之前，選取的樣本分別是1994年至1998年的杭州龍井，所采集的茶葉來(lái)自同一產(chǎn)地，并且都在自然條件之下進(jìn)行密封儲(chǔ)藏，通過(guò)搜集94年到98年之間的茶葉參數(shù)均值發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年的新茶和隔年的茶葉在顏色的變化上最為明顯，新茶的色調(diào)值主要是綠色，隨著儲(chǔ)存年代的增加，基本色調(diào)逐漸變?yōu)樽睾稚６鞫戎惦S著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，在總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這就說(shuō)明了隨著茶葉的儲(chǔ)存時(shí)間增加，顏色會(huì)逐漸的變暗。茶葉顏色的飽和度隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加而逐漸下降，這就說(shuō)明了，茶葉能夠隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加逐漸褪色。

3.2 湯色測(cè)定

在進(jìn)行湯色測(cè)定之前，我們需要進(jìn)行一定的準(zhǔn)備，首先我們要在各個(gè)樣本之中，取出等量的茶葉，再用開(kāi)水進(jìn)行沖泡，將多余的茶葉過(guò)濾干凈，將茶水先后的放置在同一個(gè)透明燒杯之中，利用CCD來(lái)對(duì)茶水進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后我們可以得出茶水顏色的各個(gè)參數(shù)均值，同樣，我們也可以觀察到其與干茶相類(lèi)似的變化趨勢(shì)。從湯色測(cè)定之中我們可以發(fā)現(xiàn)，茶水的色調(diào)特征十分突出，所以在明度的反映之中，我們也能夠基本的將這種變化趨勢(shì)反映出來(lái)。而在飽和度方面，并沒(méi)有一定的規(guī)律可循，這就是由于在求高維數(shù)據(jù)的時(shí)候，由于邊緣分布時(shí)對(duì)部分的有用信息進(jìn)行壓縮的結(jié)果。而從測(cè)定的數(shù)據(jù)之中表明，不論是干茶的顏色特征，還是湯色的顏色特征，都能夠?qū)⒉枞~的顏色變化規(guī)律反映出來(lái)，都是隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，顏色逐漸由綠色向褐色變化，當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間逐漸的加大，變化也趨于緩慢，并且陳茶在色澤上，主要呈現(xiàn)出干枯和灰暗的特征。我們從干茶的顏色分布標(biāo)準(zhǔn)差出發(fā)，發(fā)現(xiàn)新茶的顏色在明度和飽和度上存在有較大的標(biāo)準(zhǔn)差，并且隨著存放時(shí)間的逐漸增加，分布更加的集中。從以上的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新茶的顏色比較“活”，陳茶的顏色具有單一性，老茶和嫩茶在色調(diào)上的標(biāo)準(zhǔn)差較小，但是隨著儲(chǔ)存時(shí)間的加大，茶葉開(kāi)始逐漸的褐變，不論老茶還是嫩茶，都逐漸的趨向一致，色調(diào)標(biāo)準(zhǔn)差也逐漸的降低。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)我們對(duì)茶葉的色澤進(jìn)行定量描述的時(shí)候，一般也會(huì)存在一些與預(yù)想結(jié)果不一致的情況，單項(xiàng)的測(cè)量值不能夠決定茶葉的整體色澤質(zhì)量，通過(guò)檢測(cè)我們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種情況的主要原因就是由于茶葉的生產(chǎn)環(huán)境導(dǎo)致的，生產(chǎn)環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致茶葉的質(zhì)量變化，即使同一品種的茶葉來(lái)自于相同的產(chǎn)地，但是氣候條件的不同也會(huì)影響著茶葉的質(zhì)量，若是將茶葉的顏色通過(guò)三個(gè)特性來(lái)進(jìn)行討論的話，還是能夠從茶葉的變化規(guī)律探索出來(lái)，因此我們?cè)趯?duì)茶葉的儲(chǔ)存時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，應(yīng)該綜合的考慮其與色澤的關(guān)系，并且將幾項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)后進(jìn)行分析。從總體上來(lái)分析我們可以利用改進(jìn)之后的顏色系統(tǒng)對(duì)茶葉的色澤變化進(jìn)行描述，這種方式具有一定的可行性，它能夠幫助茶葉的色澤進(jìn)行定性的描述，解決了定性描述中存在的模糊性以及隨意性問(wèn)題。利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)代替人工進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，能夠保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并且避免了出現(xiàn)定性指標(biāo)模糊的情況，使得檢測(cè)結(jié)果更加標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡健榮.利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)定量描述茶葉色澤［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000（4）：67-70.

［2］袁林穎，周正科，皮利，鐘應(yīng)富，鄧敏.茶葉品質(zhì)等的量化識(shí)別研究進(jìn)展［J］.南方農(nóng)業(yè)，2010（1）：80-83.

［3］張星海，周曉紅，唐德松，龔恕.浙江名茶品質(zhì)特征及評(píng)鑒新技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（34）：19561-19563.

［4］龔恕，張琴梅.茶葉品質(zhì)評(píng)定中新技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國(guó)茶葉，2014 （12）：14-15.

［5］李文萃，唐小林，湯一，范起業(yè)，任廣鑫.基于視覺(jué)技術(shù)的綠茶色澤變化與品質(zhì)關(guān)系研究［J］.食品研究與開(kāi)發(fā)，2015（5）：1-4.

［6］陳美麗，唐德松，龔淑英.茶葉色香味品質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.茶葉，2014（1）：7-12.

［7］吳水德，馬艷凌.計(jì)算機(jī)在茶葉生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.福建茶葉，2013（1）：16-19.

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