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

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計算機視覺在定量描述茶葉色澤變化中的應用研究

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

摘要：茶葉的色澤變化很難通過計算機來表現(xiàn)，因此我們?yōu)榱四軌蛟谟嬎銠C之中更好的對茶葉的理想顏色模型進行模擬，就需要改進計算機的顏色描述系統(tǒng)，選擇HIS（計算機視覺）的顏色系統(tǒng)，在這個基礎之上對不同年份的茶葉色澤進行測量，研究計算機視覺在定量描述茶葉色澤變化中的應用。

關鍵詞：計算機視覺；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：電子技術與應用。

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

劉文廣（1978-），男，河北趙縣人，碩士，工程師，研究方向：軋鋼工藝。

對于茶葉的質量評定，我國擁有一套比較完善的體系，茶葉的內質評定有香氣、滋味、湯色與葉底四個因子；茶葉的外形也是從四個方面來對茶葉進行綜合的評價，首先就是干茶色澤評價；其次是茶葉的嫩度；再次是條索；最后是凈度。茶葉的色澤評定一般都是通過人工進行的，視覺和嗅覺以及觸覺的利用，尤其是通過人眼的觀察，能夠比較準確的綜合評定茶葉。我們在人眼觀察之后，就可以利用計算機的視覺技術來將茶葉的相關特征定量的描述出來，更加直接的顯示出茶葉的質量。茶葉的感官審評能夠決定茶葉的香氣和口味，二者之間存在著內在的聯(lián)系，在國外就有茶葉專家利用相關的圖像處理技術來提取茶葉的形狀，從而進行進一步的質量評價，通過這樣的方式來評價茶葉是茶葉評定的一大突破。

茶葉的色澤評定有時候不能僅僅依靠人的雙眼，由于人在對茶的色澤進行評定的時候會受到顏色辨別以及視覺生理和心理等因素的影響，所以每一個人對茶葉的色澤辨別都存在差異。利用計算機視覺定量來對茶葉的色澤進行色覺的模擬，就不容易受到人生理和心理等因素的影響，我們只需要通過檢查茶葉的外觀質量，就能夠得到一致的檢測結果，所以能夠在一定程度之上客觀的對茶葉色澤進行標準的評價，所以其評價的結論具有穩(wěn)定性。一般我們在利用計算機進行色覺模擬的時候，都是通過對茶葉的各項指標進行轉換，將模擬量轉化為數字量，就可以擁有統(tǒng)一的定量標準，以此來衡量茶葉的質量。并且在對茶葉樣品進行模擬之后，可以長期的將茶葉的樣品以圖像的形式存入到計算機當中，與茶葉實物相比，圖像形式的茶葉能夠長期的存放，從而有效的保證茶葉樣品原有的色澤。當每年對茶葉進行分級的時候，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量評價體系。

1 顏色系統(tǒng)的選用和改進

色調、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這三種特性來對顏色進行劃分，能夠十分準確的分辨出顏色的不同。HIS就是指顏色之中的三個特征，H就是指色調；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印證HIS三種特性之間的相互關系。定量化的描述主要就是通過HIS顏色模型進行的，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)，將理想模型通過顏色基本的描述出來，但是其中仍然存在許多不足。首先，在有色的區(qū)域之內，我們無法將全明度表示真正的實現(xiàn)出來，例如當我們將顏色設定為純紅或是純綠的時候，我們就可以發(fā)現(xiàn)明度最大值與理想不符，也就是說明HIS顏色模型與感官視覺不相吻合；其次，飽和度S的利用效果較差，在描述顏色理想模型的時候，我們沿著同色調方向出現(xiàn)了飽和度突變的情況，這與人們的視覺心理不符，所以在顏色分布之中有較大的缺陷。本文主要是通過借鑒其他的顏色模型之中的精華，來改進顏色系統(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心理。

當我們將顏色系統(tǒng)進行改進之后，能夠更好的將人的視覺特點反映出來，例如我們選擇明度I=0.5，利用公式來畫出顏色分布圖，就可以通過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 數據的采集和處理

2.1 系統(tǒng)調整和圖像采集

為了將茶葉的顏色更加準確的測量出來，我們首先就要對光線強度和取景狀況等條件進行限定，只有這樣才能夠保證試驗之前的條件一致，我們在開展工作之前，應該做以下的準備：首先，需要利用照度儀對光源箱照度進行測量，主要是為了防止燈管的老化，若是燈管出現(xiàn)老化現(xiàn)象就容易導致照度偏低的情況；其次，利用白板幫助平衡白色，只有對攝像機進行白色平衡，就能夠有效地調整顏色的相位差；再次，我們必須要對鏡頭光圈進行調節(jié)，有利于幫助攝像機的感光量提高，以達到標定值；而后，需要對鏡頭的景深進行調節(jié)，有利于物料圖在監(jiān)視器之中的圖像能夠占據較大的面積；最后對鏡頭的焦距進行調節(jié)，茶葉的圖像能夠在監(jiān)視器之中更加清晰的顯示出來。當系統(tǒng)的調整結束之后，就可以采集和處理數據了。

我們可以在物料臺上放置待測干茶，在分別的放置之后，分別對樣品進行五次采集，取五次之中的平均值，將其作為原始的采集數據，在進行電壓瞬間波動的時候，就可以消除可能產生的采集誤差。當采集過后，我們就可以通過RGB的形式，來對原始數據進行數字圖像的存放。

2.2 特征參數提取

茶葉的顏色差距比較細微，但是茶葉顏色是一個整體，在概念上包括有多項特征，主要有基本的色調、光澤以及飽和程度，并且具有均勻性的特征，所以我們在對茶葉顏色進行分辨的時候，首先就要采取統(tǒng)計的方法，對茶葉顏色的概率分布進行分析。顏色本身就能夠呈現(xiàn)出三維空間的分布，以三維分布形式來對茶葉顏色概率進行劃分，要想準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顏色的概率分布進行處理。例如我們可以用1998年的龍井茶顏色進行特征分布，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，表明茶葉顏色的分布情況，但是要想對茶葉的質量進行評定的話，則需要進一步的對比質量標準，利用茶葉顏色的均值來對茶葉的基本色調進行表示，顏色間的標準差就能夠有效的對茶葉的均勻性進行表示。

3 定量分析

3.1 干茶顏色定量分析

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

3.2 湯色測定

在進行湯色測定之前，我們需要進行一定的準備，首先我們要在各個樣本之中，取出等量的茶葉，再用開水進行沖泡，將多余的茶葉過濾干凈，將茶水先后的放置在同一個透明燒杯之中，利用CCD來對茶水進行數據采集。最后我們可以得出茶水顏色的各個參數均值，同樣，我們也可以觀察到其與干茶相類似的變化趨勢。從湯色測定之中我們可以發(fā)現(xiàn)，茶水的色調特征十分突出，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反映出來。而在飽和度方面，并沒有一定的規(guī)律可循，這就是由于在求高維數據的時候，由于邊緣分布時對部分的有用信息進行壓縮的結果。而從測定的數據之中表明，不論是干茶的顏色特征，還是湯色的顏色特征，都能夠將茶葉的顏色變化規(guī)律反映出來，都是隨著儲存時間的增加，顏色逐漸由綠色向褐色變化，當儲存時間逐漸的加大，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準差出發(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準差，并且隨著存放時間的逐漸增加，分布更加的集中。從以上的檢測結果發(fā)現(xiàn)，新茶的顏色比較“活”，陳茶的顏色具有單一性，老茶和嫩茶在色調上的標準差較小，但是隨著儲存時間的加大，茶葉開始逐漸的褐變，不論老茶還是嫩茶，都逐漸的趨向一致，色調標準差也逐漸的降低。

4 結語

當我們對茶葉的色澤進行定量描述的時候，一般也會存在一些與預想結果不一致的情況，單項的測量值不能夠決定茶葉的整體色澤質量，通過檢測我們發(fā)現(xiàn)，產生這種情況的主要原因就是由于茶葉的生產環(huán)境導致的，生產環(huán)境的變化會導致茶葉的質量變化，即使同一品種的茶葉來自于相同的產地，但是氣候條件的不同也會影響著茶葉的質量，若是將茶葉的顏色通過三個特性來進行討論的話，還是能夠從茶葉的變化規(guī)律探索出來，因此我們在對茶葉的儲存時間進行檢測的時候，應該綜合的考慮其與色澤的關系，并且將幾項指標加權后進行分析。從總體上來分析我們可以利用改進之后的顏色系統(tǒng)對茶葉的色澤變化進行描述，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題。利用計算機視覺來代替人工進行質量評定，能夠保證檢測結果的準確性和穩(wěn)定性，并且避免了出現(xiàn)定性指標模糊的情況，使得檢測結果更加標準。

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