商紀(jì)鵬，焦定量，呂敬剛，高素燕，焦荻，顧永海，劉均革

（1.天津科潤(rùn)蔬菜研究所天津300380；2.蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室·天津科潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司天津300380；3.天津市蔬菜研究中心天津300380；4.天津市武清區(qū)植保質(zhì)檢站天津301799；5.天津市靜海區(qū)種植業(yè)發(fā)展服務(wù)中心天津301600）

紅瓤西瓜瓤色數(shù)字化分類(lèi)方法初探

商紀(jì)鵬1,2,3，焦定量1,2,3，呂敬剛1,2,3，高素燕1,2,3，焦荻1,2,3，顧永海4，劉均革5

（1.天津科潤(rùn)蔬菜研究所天津300380；2.蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室·天津科潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司天津300380；3.天津市蔬菜研究中心天津300380；4.天津市武清區(qū)植保質(zhì)檢站天津301799；5.天津市靜海區(qū)種植業(yè)發(fā)展服務(wù)中心天津301600）

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，西瓜瓤色的數(shù)字圖像被大量保存使用，為了實(shí)現(xiàn)西瓜瓤色的數(shù)字化分類(lèi)，筆者以粉紅、桃紅、橘紅、大紅瓤色西瓜材料的數(shù)字圖像為研究對(duì)象，對(duì)比了不同光照條件下西瓜瓤色的數(shù)碼圖像，以粉紅、桃紅、紅、橘紅、大紅瓤色西瓜材料的數(shù)字圖像為研究對(duì)象，測(cè)量了西瓜瓤色的數(shù)碼圖像在RGB模式下的數(shù)值，轉(zhuǎn)換為HSB模式后，通過(guò)比較L×S值進(jìn)而比較西瓜瓤色。結(jié)果表明，西瓜瓤色在室外陰、日光燈和陽(yáng)光3種光照條件下拍攝的數(shù)字圖像差別較小，在閃光燈、室內(nèi)、暗室的光照條件下拍攝的數(shù)字圖像顏色變化較明顯。粉紅、桃紅、紅、橘紅、大紅瓤色的L× S值變化區(qū)間分別為22.6～55.0、46.7～65.9、62.3～75.2、68.8～78.4、74.4～81.7，初步實(shí)現(xiàn)了西瓜瓤色的數(shù)字化分類(lèi)。

西瓜；瓤色；數(shù)字圖像

瓤色是西瓜科研和生產(chǎn)中較為重要的一項(xiàng)指標(biāo)，紅瓤西瓜是當(dāng)前西瓜生產(chǎn)和科研工作的主流類(lèi)型，紅瓤西瓜的瓤色主要是由西瓜功能性成分——番茄紅素決定的[1]。在當(dāng)前的西瓜研究及生產(chǎn)中，對(duì)瓤色的描述主要由研究者目測(cè)而得來(lái)，如“粉紅、桃紅、紅、橘紅和大紅”[2]。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和電腦及數(shù)字成像設(shè)備的普及，在西瓜研究及生產(chǎn)中，眾多的研究者、生產(chǎn)者使用諸如數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)等用成像設(shè)備記錄西瓜瓤色，存為數(shù)碼圖像，存儲(chǔ)于電腦等設(shè)備中，以備研究或生產(chǎn)參考。

目前計(jì)算機(jī)圖像中，通常都使用了RGB、HSB、Lab及CMYK這4種色彩模式[3]。RGB顏色模式是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)對(duì)R(Red)、G(Green)、B (Blue)3個(gè)顏色通道的變化以及它們相互之間的疊加來(lái)得到各式各樣的顏色,是目前運(yùn)用最為廣泛的顏色系統(tǒng)之一，也是在電腦中最易測(cè)量并得到數(shù)值的顏色模式。

HSB色彩模式是根據(jù)日常生活中人眼的視覺(jué)特征而制定的一套色彩模型，最接近于人類(lèi)對(duì)色彩辨認(rèn)的思考方式。其中H(Hue)代表色相，在0～360°的標(biāo)準(zhǔn)色環(huán)上按照角度值標(biāo)識(shí)；S(Saturation)代表飽和度，是指顏色的強(qiáng)度或純度，飽和度表示色相中彩色成分所占的比例，用從0(灰色)～100(完全飽和)的百分比來(lái)度量；B(Brightness)代表亮度，是顏色的明暗程度，通常是從0(黑)～100(白)的百分比來(lái)度量，在色立面中從上至下逐漸遞減，上邊線為100%，下邊線為0（圖版-A，B）。

Lab色彩模型是由國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）于1976年公布的一種色彩模式。Lab模式由3個(gè)通道組成，其一是明度，即L(Luminance)，另外2個(gè)是色彩通道，用A和B來(lái)表示，A通道包括的顏色是從深綠色（底亮度值）到灰色（中亮度值）再到亮粉紅色（高亮度值）；B通道則是從亮藍(lán)色（底亮度值）到灰色（中亮度值）再到黃色（高亮度值）。

CMYK模式是一種依靠反光的色彩模式，也叫印刷色彩模式，主要是用來(lái)印刷的。CMYK代表印刷上用的4種顏色，C（Cyan）代表青色，M（Magenta）代表洋紅色，Y（Yellow）代表黃色，K（Black）代表黑色。

筆者以西瓜瓤色的數(shù)碼圖像為材料，分析了西瓜瓤色（紅色）在不同光照條件、不同顏色表達(dá)模式下的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，將采集到的西瓜瓤色數(shù)碼圖像進(jìn)行分析，使西瓜瓤色目測(cè)描述中“粉紅、桃紅、紅、橘紅、大紅”與數(shù)碼圖像中的數(shù)值建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到對(duì)西瓜瓤色進(jìn)行數(shù)字化分類(lèi)的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

西瓜瓤色的數(shù)碼圖像主要從天津科潤(rùn)蔬菜研究所西瓜研究室種植的西瓜材料和品種中采集，主要使用Canon PowerShot SX220 HS相機(jī)和SONYD?SC-W80相機(jī)拍攝。

西瓜切開(kāi)后的剖面并不均勻，在選擇取樣點(diǎn)時(shí)，要避開(kāi)瓜瓤上面的種子、開(kāi)裂、被擠壓等部分，取樣點(diǎn)內(nèi)的瓤色圖像要盡量均勻，使取樣點(diǎn)的顏色代表整個(gè)西瓜的瓤色。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，對(duì)取樣點(diǎn)做出如下規(guī)范：（1）每個(gè)西瓜分析樣品取3個(gè)點(diǎn)，（2）每個(gè)取樣點(diǎn)的像素?cái)?shù)要大于1 000個(gè)，（3）所取的3個(gè)點(diǎn)至少包含1個(gè)中心瓤色和1個(gè)邊瓤色。

1.2 不同光照條件對(duì)西瓜瓤色數(shù)字圖像的影響

選擇西瓜材料中較典型的“粉紅、桃紅、橘紅和大紅”瓤色，分別在以下環(huán)境：室內(nèi)（無(wú)補(bǔ)充光源）、室內(nèi)日光燈、室外陰、陽(yáng)光下、閃光燈、微型攝影棚，在這6種拍攝環(huán)境中，采用全自動(dòng)的拍攝模式拍攝照片。拍攝得到照片后，按標(biāo)準(zhǔn)的取樣方法，用圖像處理軟件ImageAnalyst，得到西瓜瓤色的圖像在RGB顏色模式的R、G、B值。

1.3 西瓜瓤色的數(shù)字化分類(lèi)

從2014—2016年拍攝的照片中選出西瓜的“粉紅、桃紅、紅、橘紅和大紅”瓤色具有代表性的照片各35張，按照西瓜瓤色的數(shù)碼圖像處理標(biāo)準(zhǔn)，分別讀取這些照片中西瓜瓤色的R、G、B值，得到有效的“粉紅”色的西瓜瓤色數(shù)據(jù)34個(gè)，代號(hào)分別為1-01，1-02……1-34；“桃紅”色的西瓜瓤色數(shù)據(jù)33個(gè)，代號(hào)分別為2-01，2-02……2-33；“紅”色的西瓜瓤色數(shù)據(jù)26個(gè)，代號(hào)分別為3-01，3-02……3-26；“橘紅”色的西瓜瓤色數(shù)據(jù)28個(gè)，代號(hào)分別為4-01，4-02……4-28；“大紅”色的西瓜瓤色數(shù)據(jù)26個(gè)，代號(hào)分別為5-01，5-02……5-26，共得到有效的西瓜瓤色數(shù)據(jù)147組。

通過(guò)圖像處理軟件得到147個(gè)西瓜瓤色的RGB值后，在用RGB顏色進(jìn)行數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，各個(gè)瓤色之間的重合區(qū)域較多，各個(gè)值的變化規(guī)律不夠明顯，分析各個(gè)瓤色的值較困難，再將RGB模式下的值轉(zhuǎn)換為HSB模式值。由于HSB的色相規(guī)定中0°和360°都是正紅色，H值易出現(xiàn)較大波動(dòng)，故先計(jì)算出H值與0或360的差后，稱為H的絕對(duì)值,即|H|（當(dāng)H值≥180，|H|=360-H；當(dāng)H值＜180，|H|=H）,再按照L=1-|H|/60計(jì)算，L值即估算出各個(gè)西瓜瓤色的H值與正紅色（0°或360°）的距離遠(yuǎn)近，L值越大，則與正紅色的偏離越嚴(yán)重，再計(jì)算L值再與HSB值中的S值（顏色的飽和度）的積，以此積作為比較西瓜瓤色的依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照條件對(duì)西瓜瓤色數(shù)字圖像的影響

“粉紅、桃紅、橘紅和大紅”瓤色西瓜材料，分別在6種拍攝環(huán)境中拍攝數(shù)碼圖像，分析得到西瓜瓤色的圖像在RGB顏色模式的R、G、B值。直接比較這些數(shù)值不夠直觀，因此我們將這些數(shù)值再還原為顏色，則可以較直觀比較在不同的光照條件下，所得到的西瓜瓤色圖像的變化情況。我們可以較直觀地看出（圖版-C～F），西瓜的瓤色在室外陰、日光燈和陽(yáng)光這3種光照條件下拍攝的照片顏色差別較小，在閃光燈、室內(nèi)和暗室都有較大的顏色差別，在這3個(gè)較極端的光線條件下，變化較為明顯。在拍攝西瓜瓤色照片時(shí)，要盡量避免較弱或較強(qiáng)的光線環(huán)境，在日常的光線下條件下拍攝的照片基本能還原西瓜瓤色。

圖1 全部瓤色圖像的L×S值和HSB值中的B值變化的折線圖

2.2 西瓜瓤色的數(shù)字化分類(lèi)

通過(guò)對(duì)147個(gè)西瓜瓤色照片的取樣，得到了相應(yīng)西瓜瓤色的RGB值，經(jīng)相關(guān)軟件處理后得到了對(duì)應(yīng)的HSB值，然后計(jì)算L×S值。

圖1中“△”折線即為B值的變化趨勢(shì)圖，從圖中可以直觀的看出，B值雖然總體上呈現(xiàn)下降的大趨勢(shì)，但各個(gè)西瓜瓤色的區(qū)間均在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，且交叉范圍較大，無(wú)法用于西瓜瓤色的比較。圖1中“*”折線即為L(zhǎng)×S值的變化趨勢(shì)圖。通過(guò)計(jì)算得到粉紅瓤色的L×S值變化區(qū)間為[22.6-55.0]，桃紅瓤色的L×S值變化區(qū)間為[46.7-65.9]，紅瓤色的L×S值變化區(qū)間為[62.3-75.2]，橘紅瓤色的L×S值變化區(qū)間為[68.8-78.4]，大紅瓤色的L×S值變化區(qū)間為[74.4-81.7]。

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，西瓜瓤色的數(shù)碼圖像的變化是有一定規(guī)律的，通過(guò)合理的計(jì)算，可以通過(guò)數(shù)字來(lái)表達(dá)出西瓜瓤色的變化規(guī)律。本試驗(yàn)中設(shè)定L=1-|H|/60，之所以將|H|與60相除，是因?yàn)樵贖SB顏色模式下H值的紅色區(qū)域的角度是范圍60°，但與紅色區(qū)域相鄰的洋紅區(qū)域是否包含有西瓜瓤色（紅色）的顏色，這需要利用更多的西瓜瓤色材料進(jìn)行檢驗(yàn)。本試驗(yàn)采用L×S值對(duì)西瓜瓤色進(jìn)行區(qū)分，L×S中只包含了HSB顏色模式中的H和S 2個(gè)值，對(duì)變化規(guī)律不夠明顯的亮度值B未計(jì)算在內(nèi)，從得到的結(jié)果來(lái)看，是合理的。但如果能通過(guò)更詳細(xì)的研究將B值的變化也考慮在內(nèi)，是否會(huì)使西瓜瓤色的數(shù)字化分類(lèi)更精確，有待于做進(jìn)一步的研究工作。（本文圖版見(jiàn)彩色插頁(yè)8）

[1]萬(wàn)學(xué)閃，劉文革，閻志紅，等．西瓜果實(shí)發(fā)育過(guò)程中番茄紅素、瓜氨酸和Vc等功能物質(zhì)含量的變化[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（13）：2738-2747.

[2]馬雙武，劉君璞，等．西瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[M]．北京：農(nóng)業(yè)出版社，2005.

[3]張學(xué)習(xí)，楊宜民．彩色圖像工程中常用顏色空間及其轉(zhuǎn)換[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（5）：1210-1212.

The method of digital classification of red flesh watermelon flesh colors

SHANG Jipeng1,2,3，JIAO Dingliang1,2,3，Lü Jinggang1,2,3，GAO Suyan1,2,3，JIAO Di1,2,3，GU Yonghai4，LIU Junge5

(1.Tianjin Kernel Vegetable Research Institute,Tianjin 300380,China；2.State Key Laboratory of Vegetable Germplasm Innovation,Tianjin Kernel Agricultural Science and Technology Co.,Ltd,Tianjin 300380,China;3.Tianjin Vegetable Research Center,Tianjin 300380,China; 4.Tianjin Wuqing Plant Quality Inspection Station,Tianjin 301799,China;5.Tianjin Jinghai Crop Farming Service Center,Tianjin 301600, China)

With the development of electronic information technology,a large number of digital images of watermelon flesh color have been preserved.In order to realize the digital classification of watermelon flesh colors,the digital images of watermelon flesh colors(pink,peach,orange and bright red)were used as materials,the changes of these digital images in different light conditions were compared,the value of these digital images under the RGB model were measured,after converted to HSB mode,L×S value was used to differentiate watermelon flesh colors.The results showed that there was little difference in digital images of watermelon flesh colors carried out by outdoor shadow,daylight lamp and sunlight,obvious difference was found in the light condition of flashlight,indoor light(no supplementary light)and darkroom.The variation ranges of flesh colors of pink,peach,orange and bright red were 22.6～55.0,46.7～65.9,62.3～75.2,68.8～78.4,74.4～81.7 respectively,the digital classification of watermelon flesh color was initially realized.

Watermelon;Flesh color;Digital image

2017-04-10；

：2017-04-25

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（16ZXZYNC00040）；天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)基金項(xiàng)目（14012）；天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推廣項(xiàng)目（201601250）；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題（2014BAD05B03-3）

商紀(jì)鵬，男，助理研究員，主要從事西瓜遺傳育種研究。E-mail：zmgz5@163.com