姬江濤,孫經(jīng)緯,趙凱旋,3*,金 鑫,馬 淏,朱雪峰
(1 河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程系 河南洛陽 471003 2 河南省機(jī)械裝備先進(jìn)制造協(xié)同創(chuàng)新中心 河南洛陽 471003 3 河南省智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471003)
白度是基于目視感知而判斷反射物體所能顯白的程度。雙孢菇白度是其新鮮度和品質(zhì)的重要評價(jià)指標(biāo),其受生長環(huán)境、雜菌感染、貯藏環(huán)境等諸多因素影響[1-3]。雙孢菇工廠化生產(chǎn)過程中,白度評級指標(biāo)主要依靠人工觀察獲取,存在主觀性強(qiáng),標(biāo)準(zhǔn)化程度低等缺點(diǎn)。人工白度評級已不能滿足農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的分級要求。急需建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的雙孢菇白度測量方法,細(xì)化雙孢菇白度等級。
白度測量是光度測量的一種,主要應(yīng)用在紡織、化工、造紙、食品、醫(yī)療等行業(yè)[4-7]。常用的白度公式有3 種[8-10],分別為:CIE 甘茨白度公式、藍(lán)光白度公式、亨特白度公式。目前,常用的白度測量方法主要依靠人工比色、白度測量儀和分光光度計(jì)[11-12]。受人工比色精度和儀器測量尺寸限制,對非平面和大面積的白度測量仍然存在較大局限性。
為了更好地描述白度,科研人員先后開發(fā)了多種白度指數(shù)和白度測量方法。Maria 等[13]通過臨床物理試驗(yàn),比較CIE-LAB 色彩系統(tǒng)中的9 種白度指數(shù)、2 個泛黃指數(shù)和白色色調(diào),開發(fā)了基于CIEL-AB 的牙齒白度指數(shù)。David 等[14]研究不同光源照射下白度感知的量化問題,研究一種適用于高色溫光源的CIE 白度測量方法,并提出一種適用于任何色溫光源的白度測量方法。Minchen 等[15]和Ma 等[16]根據(jù)光源中光譜含量不同引起的白度變化,提出在任意光源下,表面顏色的白度可以通過色度適應(yīng)變換轉(zhuǎn)換為D65 光源下的樣品色度,實(shí)現(xiàn)任意光源下的CIE 白度測量。以上研究既有特定光源下對CIE 白度公式的改進(jìn),又有不同光源下CIE 白度公式的普適性研究,對雙孢菇的白度測量具有借鑒意義。
隨著圖像分析與處理技術(shù)的發(fā)展,獲取簡單、儲存方便的彩色RGB 圖像逐漸在表面顏色測量中嶄露頭角。Briones 等[17]通過機(jī)器視覺系統(tǒng)和圖像分析,在牛奶巧克力片的貯藏過程中,從圖像中提取包括白度在內(nèi)的8 個特征,對巧克力質(zhì)量進(jìn)行評估。Luo 等[18]分別利用臨床觀察法和圖像分析法對牙齒白度進(jìn)行對比分析,優(yōu)化了原始的CIE甘茨白度公式,開發(fā)出新的白度公式(WIO),試驗(yàn)結(jié)果表明WIO 在預(yù)測牙齒白度方面表現(xiàn)良好。Liu 等[19]將RGB 顏色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為表示顏色亮度和色度的YCrCb 顏色坐標(biāo),開發(fā)出玉米籽粒的白度定義,以及一種快速、準(zhǔn)確且易于執(zhí)行的玉米白度測量方法?,F(xiàn)有文獻(xiàn)利用圖像分析實(shí)現(xiàn)了表面白度測量,開發(fā)的白度定義和白度公式雖不具備普適性,但可為雙孢菇白度測量提供參考。目前對于雙孢菇白度定量測定的研究尚未見報(bào)道。
在現(xiàn)有技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上,本文提出一種基于圖像分析的雙孢菇(白菇)白度測量方法。首先,搭建標(biāo)準(zhǔn)D65 光源成像系統(tǒng),并以色度儀測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建圖像分析的非線性白度標(biāo)定模型,得到圖像RGB 數(shù)值與CIE-XYZ 三刺激值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。然后,使用該成像系統(tǒng)對不同白度等級的雙孢菇進(jìn)行白度測定,研究雙孢菇白度與貯藏時間之間的相關(guān)性,驗(yàn)證白度測定值用于評價(jià)雙孢菇新鮮度的可行性。
圖像采集系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)(DALSA,G3-GC10-C1280IF,Canada)和光源。相機(jī)通過千兆以太網(wǎng)連接到PC 機(jī) (IntelRCoreTMi5-7500,3.40 GHz,內(nèi)存8 GB)。其中,工業(yè)相機(jī)配備定焦鏡頭 (GXTECH,GX-2514-10M,Japan),焦距25 mm;光源為漫反射積分球光源,其光學(xué)性能接近D65標(biāo)準(zhǔn)光源,由180 個LED 燈 珠(NICHIA,2385-6500K,Japan)組合而成,功率18 W,色溫6 500 K,顯色指數(shù)>90%,均勻度>90%。工業(yè)相機(jī)和光源安裝在金屬支架上,安裝高度分別為20 cm 和35 cm,金屬支架安裝在暗箱內(nèi),暗箱由鋁合金框架和黑色亞克力板搭建,尺寸為長45 cm、寬45 cm、高60 cm,暗箱內(nèi)部底面鋪放黑色吸光布。工業(yè)相機(jī)位于光源正上方,通過光源進(jìn)光口與暗箱底面中心點(diǎn)垂直,圖像采集系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 圖像采集系統(tǒng)Fig.1 Image acquisition system
工業(yè)相機(jī)工作在手動模式下,通過DALSA SDK 軟件采集樣本的8 位彩色RGB 圖像,分辨率為1280×1024,并以高分辨率和高質(zhì)量的PNG 格式儲存。其中,鏡頭光圈f=3.6,曝光時間1/100 s,自動白平衡模式。將圖像導(dǎo)入Matlab 2016a 軟件以提取8 位RGB 值,進(jìn)行動態(tài)白平衡以校準(zhǔn)顏色。為保證圖像采集的均勻性和可重復(fù)性,每次采集圖像時,樣本均位于相機(jī)視野中心,并且樣本面積不超過相機(jī)視野面積的50%,克服了相機(jī)鏡頭在將光傳輸?shù)綀D像傳感器時的位置差異。
白平衡是描述紅、綠、藍(lán)三基色混合生成白色精確度的指標(biāo),它直接決定了相機(jī)色彩還原程度。為提高樣本圖像的色彩還原度,對樣本圖像的RGB 三通道值進(jìn)行動態(tài)白平衡。動態(tài)白平衡步驟如下:
1) 選取標(biāo)準(zhǔn)色卡若干張,利用圖像采集系統(tǒng)(光圈f=3.6,曝光時間1/100 s,自動白平衡模式)采集色卡圖像,并獲取色卡圖像RGB 三通道值。
2) 利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件將色卡的標(biāo)稱RGB 值(RR,GR,BR)和圖像RGB 值(RI,GI,BI)對應(yīng)起來,將標(biāo)稱RGB 值減去圖像RGB 值記作差值ΔR,ΔG,ΔB,分別繪制差值曲線RI-ΔR,GI-ΔG,BIΔB。
3) 將Matlab 2016a 輸出的樣本RGB 值(RS,GS,BS)分別對應(yīng)到3 條差值曲線,并計(jì)算其差值,動態(tài)白平衡之后的樣本RGB 值(R,G,B)表示為公式(1~3):
為了有效、定量計(jì)算白度,長期以來出現(xiàn)了大量的白度計(jì)算公式。本文選擇國際照明委員會(CIE)推薦的甘茨白度公式,如公式(4)所示,它被廣泛用于表面顏色行業(yè),并被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所采用。
式中,Y 和(x,y)——在CIE 標(biāo)準(zhǔn)D65 光源下樣品的亮度因子和色度坐標(biāo);(xn-yn)——CIE 標(biāo)準(zhǔn)D65 光源下標(biāo)準(zhǔn)白板的色度坐標(biāo)。其中,色度坐標(biāo)(x,y)定義為:
式中,X,Y 和Z——CIE-XYZ 系統(tǒng)下的三刺激值。
RGB 數(shù)值與CIE-XYZ 三刺激值的轉(zhuǎn)換是圖像分析法進(jìn)行白度測量的關(guān)鍵。此外,圖像感興趣區(qū)域的劃分也決定了白度測量模型的精度。對于雙孢菇圖像,為減少圖像邊緣虛化造成的白度測量誤差,對圖像中雙孢菇輪廓內(nèi)切圓進(jìn)行腐蝕處理,把腐蝕后的內(nèi)切圓作為感興趣區(qū)域。對于標(biāo)準(zhǔn)色卡,選取色卡的內(nèi)切圓作為感興趣區(qū)域。將內(nèi)切圓的RGB 數(shù)值輸出并轉(zhuǎn)換為CIE-XYZ 三刺激值,計(jì)算內(nèi)切圓所有像素點(diǎn)白度值,取內(nèi)切圓所有像素點(diǎn)白度均值作為感興趣區(qū)域的白度值。
對于數(shù)字相機(jī),物體反射光照射在電荷耦合器件(CCD)傳感器,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和內(nèi)置處理電路,并結(jié)合相機(jī)參數(shù)及白平衡情況,實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的RGB 三通道值計(jì)算。由于CCD 傳感器所用彩色濾光片的光譜特性與CIE 標(biāo)準(zhǔn)觀察者的匹配函數(shù)不同,而且與設(shè)備相關(guān)。為了使用甘茨白度公式,任何圖像的顏色量化都必須轉(zhuǎn)換為CIE 三刺激值。雙孢菇顏色范圍很小,而且本文已經(jīng)搭建了近似于CIE 標(biāo)準(zhǔn)D65 光源的照明系統(tǒng),因此由照明條件引起的測量誤差相對較小。
為了得到計(jì)算甘茨白度所需的參數(shù),采用的方法與將數(shù)字設(shè)備中的RGB 三通道值轉(zhuǎn)換為CIE 三刺激值方法相似[20]。根據(jù)國際新聞電信委員會-北美數(shù)字新聞?wù)掌瑓?shù)記錄 (IPTC-NAA)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備相關(guān)的8-bit RGB 數(shù)值(R8bit,G8bit,B8bit)與設(shè)備無關(guān)RGB 數(shù)值(RSRGB,GSRGB,BSRGB)可以通過式(7)進(jìn)行擬合:
式中,GSRGB和BSRGB的表達(dá)式與RSRGB完全相似,β 值由成像系統(tǒng)決定。
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[21-22],與設(shè)備無關(guān)的歸一化RGB 值可以通過式(8)轉(zhuǎn)換為歸一化的CIE-XYZ三刺激值(XS,YS,ZS)。
通過進(jìn)一步采用IPTC-NAA 標(biāo)準(zhǔn),可以將歸一化的CIE-XYZ 三刺激值(XS,YS,ZS),線性轉(zhuǎn)換為CIE-XYZ 三刺激值,如公式(9)所示:
式中,α——待標(biāo)定常數(shù)。
為了確定公式(7)和(9)中的α 和β 值,利用標(biāo)準(zhǔn)白板(復(fù)享光學(xué),STD-WS,中國)、色度儀(紙邦自動化,ZB-A,中國)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),對標(biāo)準(zhǔn)白板上參考點(diǎn)坐標(biāo)的三刺激值Xn和Zn進(jìn)行估計(jì),以降低誤差。由于數(shù)字圖像的RGB 數(shù)值與表色系統(tǒng)(CIE-RGB、CIE-XYZ)三刺激值的轉(zhuǎn)換關(guān)系并不總是相同,它取決于成像系統(tǒng)的照明條件和相機(jī)參數(shù)。因此,將數(shù)字圖像的RGB 數(shù)值與CIEL*a*b*三刺激值相關(guān)聯(lián)。
為了估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)白板上參考點(diǎn)坐標(biāo)的三刺激值Xn、Zn,由CIE-L*a*b*空間定義[23]得到:
式中,L*,a*,b*——CIE-L*a*b*空間的三通道值;X,Y,Z——樣本在CIE-XYZ 空間的三刺激值;Xn,Yn,Zn——標(biāo)準(zhǔn)白板在CIE-XYZ 空間的三刺激值。
由公式(10)將CIE-L*a*b*色度坐標(biāo)中的L*值鏈接到CIE-XYZ 色度坐標(biāo)中的Y 值,得到:
式中,下標(biāo)IA 表示圖像分析測量結(jié)果。注意,公式(13)的有效性要求不等式Y(jié)/Yn>0.008856,這適用于雙孢菇色度范圍。
由公式(7),(8),(9)和(13)可得:
最后,由公式(9),(10),(11),(12)可以將參考點(diǎn)三刺激值Xn和Zn的參考值計(jì)算為:
利用搭建的成像系統(tǒng)和色度儀分別測得參考點(diǎn) 的RGB 三通道值(R8bit,G8bit,B8bit)和CIE-L*a*b*空間的三通道值 (L*,a*,b*)。其中,公式(15)和(16)中的(Xn)IA和(Zn)IA的值取決于公式(9)中的α 值,由公式(14)可知α 值又取決于β 值。為了確定α 和β 的最優(yōu)值,選取5 個參考點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,使(Xn)IA和(Zn)IA的標(biāo)準(zhǔn)偏差之和最小化,得到α 和β 的最優(yōu)值,確定該成像系統(tǒng)下圖像RGB 數(shù)值與CIE-XYZ 三刺激值的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
1.5.1 色差評估 為了驗(yàn)證圖像分析法確定CIE-XYZ 三刺激值(X,Y,Z)的正確性,選取8 種灰度等級的標(biāo)準(zhǔn)色卡(灰色逐漸至白色),利用圖像分析法測量每個顏色的CIE-L*a*b*三刺激值和白度值W,并將測量結(jié)果與色度儀測量結(jié)果進(jìn)行比較。假設(shè)色度儀測量數(shù)據(jù)是真實(shí)的,選擇L*a*b*色差(ΔE*ab)評估圖像分析的準(zhǔn)確性[24],并統(tǒng)計(jì)白度誤差ΔW,對兩種方法測得的白度值進(jìn)行相關(guān)性分析。ΔE*ab、ΔW 和Pearson 相關(guān)系數(shù)分別表示為:
式中,下標(biāo)CO 表示通過色度儀測得的真實(shí)值;下標(biāo)IA 表示圖像分析測量結(jié)果;xi——圖像分析法測到的白度值;yi——色度儀測得的白度值。
1.5.2 雙孢菇白度測量 為了驗(yàn)證本方法的雙孢菇白度測量結(jié)果,在一個商業(yè)化的農(nóng)場中(奧吉特生物科技有限公司,河南洛陽),采集400 個雙孢菇樣本。按照雙孢菇人工白度評級標(biāo)準(zhǔn)[25-26],并結(jié)合雙孢菇工廠化采收分級需求,將雙孢菇樣本放置在標(biāo)準(zhǔn)光源箱(D65 標(biāo)準(zhǔn)光源)內(nèi)進(jìn)行人工視覺“白度值”分級,分級依據(jù)見表1。選取每個等級的雙孢菇各40 個,采用圖像分析法對已知等級的雙孢菇進(jìn)行白度值測量,并統(tǒng)計(jì)測量結(jié)果。隨后,將每個等級的雙孢菇分成20 個一組,分別放置在冷藏環(huán)境【溫度(3±2)℃,濕度90%±5%】和常溫環(huán)境【溫度(25±2)℃,濕度55%±5%】中[27-29],每24 h 利用圖像分析法測量1 次雙孢菇白度值,分析白度值變化規(guī)律。
表1 白度人工視覺分級依據(jù)Table1 Artificial visual classification basis for whiteness
圖2為動態(tài)白平衡中差值ΔR,ΔG,ΔB 隨RGB 測量值RI,GI,BI的變化趨勢(差值曲線)。從圖中可以看出,自動白平衡之后,相機(jī)RGB 三通道的感光準(zhǔn)確性仍然較差,證實(shí)了動態(tài)白平衡的必要性。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可知,對于R 通道和B通道,測量值小于160 時,相機(jī)獲取的測量值小于標(biāo)稱值,測量值大于160 時,相機(jī)獲取的測量值大于實(shí)際值;上述現(xiàn)象在G 通道同樣出現(xiàn),然而臨界點(diǎn)為100,說明工業(yè)相機(jī)對G 通道的感光程度大于R 通道和B 通道。根據(jù)差值曲線進(jìn)行動態(tài)白平衡,可實(shí)現(xiàn)雙孢菇色彩還原,保證了白度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖2 ΔR、ΔG、ΔB 隨RGB 測量值的變化趨勢(差值曲線)Fig.2 Variation trend of ΔR,ΔG and ΔB with RGB measurements (difference curve)
標(biāo)定試驗(yàn)時,設(shè)定β 的取值范圍為[-10,10],圖3為標(biāo)準(zhǔn)白板上參考 點(diǎn)的(Xn)IA與(Zn)IA標(biāo)準(zhǔn)差之和隨β 值變化曲線。由圖3可知,當(dāng)(Xn)IA與(Zn)IA標(biāo)準(zhǔn)差之和最小時,β 最優(yōu)值為2.55。動態(tài)白平衡之后,選取的5 個參考點(diǎn)R,G,B 平均值分別為245,246,246,色度儀測得CIE-L*a*b*三刺激值L*的均值為98.14,由公式(14)可知,α 最優(yōu)值為104.17;由公式(7~9)可知,該成像系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)白板的CIE-XYZ 三刺激值X,Y,Z 分別為90.40,95.31,104.00,色度坐標(biāo)(xn,yn)為(0.3120,0.3290)。
圖3 參考點(diǎn)的(Xn)IA 與(Zn)IA 標(biāo)準(zhǔn)差之和隨β 值變化Fig.3 The sum of the standard deviations of (Xn)IA and (Zn)IA at the reference point varies with the β value
表2為色度儀和圖像分析法測得的8 種標(biāo)準(zhǔn)色的CIE-L*a*b*值和白度值W,圖像分析法測量的平均色差ΔE*ab為1.25,通常色差可接受范圍為ΔE*ab<2,這表明:在該成像系統(tǒng)下,相機(jī)RGB 數(shù)值與CIE-XYZ 三刺激值的轉(zhuǎn)換關(guān)系可靠且誤差小。對于同一種顏色,色度儀測得的白度值WCO均小于圖像分析法測得的白度值WIA,這可能是由于光照差異所致。對于不同顏色,白度誤差最大值為23.32%,最小值為6.08%;隨著白度值的增加,白度差ΔW 逐漸減小,且兩種方法測得的白度值顯著相關(guān),Pearson 相關(guān)系數(shù)r 為0.9913,說明圖像分析法能夠?qū)崿F(xiàn)白度解析和區(qū)分,白度值越高測量準(zhǔn)確性越高。
從表2可以看出,色度儀測得的亮度因子L*CO均小于圖像分析法測得的亮度因子L*IA,這也加強(qiáng)了以上關(guān)于光照差異的結(jié)論。當(dāng)白度值WCO<60 時(如CBCC 1704,1702,1701,0921),白度值WCO、WIA隨亮度因子L*的增大而增大;當(dāng)白度值WCO<60 時(如CBCC 1631,0391,1321,0431),亮度因子L*對白度值WCO、WIA的影響作用降低,顏色通道a*、b*對白度值WCO、WIA的影響作用提高,這表明:白度值變化是所有三刺激值的綜合影響,在白度評價(jià)時應(yīng)避免使用單一三刺激值進(jìn)行白度量化。
表2 色度儀和圖像分析法測得8 種標(biāo)準(zhǔn)色的CIE-L*a*b*值和白度值W 統(tǒng)計(jì)Table 2 CIE-L*a*b* value and whiteness value W statistics of 8 standard colors measured by colorimeter and image analysis method
利用圖像分析法分別對A、B、C、D 等級的雙孢菇進(jìn)行白度值測量,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖4所示。每個等級的雙孢菇白度值分布區(qū)間分別為[76.60,94.15],[67.92,82.35],[54.36,68.32],[39.78,55.29],中位數(shù)分別為85.50,75.36,61.40,46.67,各組數(shù)據(jù)之間具有顯著差異(P<0.01)。數(shù)據(jù)分析可知,每個等級的雙孢菇白度均值分別為84.01,74.88,61.53,47.27,標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.50,3.64,4.10,4.85,白度均值與中位數(shù)接近,各等級白度值標(biāo)準(zhǔn)差也接近。從圖中可以看出,隨雙孢菇白度等級下降,圖像分析法測得的白度值減小,除A 級和B 級雙孢菇白度值分布區(qū)間存在輕微重疊以外,其余各等級的雙孢菇白度值區(qū)分明顯,說明圖像分析法能夠區(qū)分不同白度等級的雙孢菇,并對其白度值進(jìn)行測量。
圖4 不同等級的雙孢菇白度值統(tǒng)計(jì)Fig.4 The whiteness value statistics of different grades of Agaricus bisporus
在冷藏和常溫環(huán)境下,通過圖像分析法測得的雙孢菇白度平均值隨貯藏時間變化如圖5所示。隨著貯藏時間的延長,雙孢菇白度值逐漸降低。統(tǒng)計(jì)分析表明,常溫環(huán)境中貯藏120 h,不同等級的雙孢菇白度值降幅差別較大,分別為41.75,36.01,33.86,24.96;冷藏環(huán)境中貯藏120 h,不同等級的雙孢菇白度值降幅穩(wěn)定,分別為19.84,22.97,17.72,18.10。此外,常溫環(huán)境中,隨著貯藏時間的延長,白度值迅速下降后逐漸放緩;當(dāng)貯藏時間超過72 h,雙孢菇表面失水形成保護(hù)膜,白度值基本趨于穩(wěn)定,雙孢菇開始出現(xiàn)脫水萎縮、開傘現(xiàn)象,達(dá)不到食用標(biāo)準(zhǔn)。冷藏環(huán)境中,雙孢菇白度值下降速度較常溫環(huán)境緩慢,當(dāng)貯藏時間達(dá)到120 h,雙孢菇尚未出現(xiàn)脫水萎縮、開傘現(xiàn)象。這說明雙孢菇適宜于低溫環(huán)境保存,且環(huán)境濕度對雙孢菇新鮮度保持至關(guān)重要。
圖5 不同環(huán)境下雙孢菇白度值隨時間變化規(guī)律Fig.5 The whiteness value of Agaricus bisporus varies with time in different environments
1) 搭建了雙孢菇圖像采集系統(tǒng),使用LED燈珠實(shí)現(xiàn)了D65 標(biāo)準(zhǔn)光源。研究了成像系統(tǒng)的色差曲線,提出了RGB 圖像動態(tài)白平衡校正方法,可實(shí)現(xiàn)雙孢菇色彩準(zhǔn)確還原,保證了后續(xù)白度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
2) 提出了一種圖像分析的白度標(biāo)定模型和方法,能夠?qū)﹄p孢菇的整體白度進(jìn)行精準(zhǔn)測定,圖像分析法與白度儀測量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9913,測量色差ΔE*ab小于2。
3) 對4 種白度等級的雙孢菇進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明各組間成像系統(tǒng)的白度測量結(jié)果具有顯著性差異。雙孢菇摘后貯藏時間與所測得的白度值具有顯著相關(guān)性,白度值能夠用于定量評價(jià)雙孢菇的新鮮度。