黃海波，周帥帥，馬 瑞，丁文捷，楊 鈞

（1.塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

中國茶葉按照制作工藝不同共分為6 類，不同品種的茶葉具有特定的外形與色澤。由于茶葉品種繁多，對其進(jìn)行辨識時容易出錯，甚至根本無法識別茶葉的品種，嚴(yán)重阻礙了茶葉愛好者深入了解茶文化知識，因此，對茶葉的鑒別和歸類成為一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作。

目前，人們對茶葉的鑒定主要依靠人工鑒定、光譜鑒定、熒光鑒定等方式，各種鑒定方法均有不足之處，如：人工鑒定識別速度較慢且不能實(shí)現(xiàn)自動操作，光譜鑒定和熒光鑒定的準(zhǔn)確性不高且操作復(fù)雜[1-3]。

為此，項(xiàng)目組提取了茶葉的特征模型，并對其進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練；利用人工智能技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)對茶葉進(jìn)行鑒定，開發(fā)出一款能夠快速、準(zhǔn)確識別茶葉品種且具有賞析茶文化功能的微信小程序。

1 用戶需求分析

為了給茶葉愛好者提供一個易于理解、易于使用的系統(tǒng)，首先對用戶的期望進(jìn)行分析，然后確定系統(tǒng)的功能，具體包括：①準(zhǔn)確識別茶葉品種，且操作系統(tǒng)簡潔、方便，具備拍照、文字或語音輸入功能；②進(jìn)行與茶生活相關(guān)的交流互動；③茶文化、茶工藝技術(shù)資源獲?。虎懿杞?jīng)濟(jì)分析與述評。

由用戶需求分析可知，茶愛好者期望的主要功能在于無處不在的信息交流、便利的獲取方式、學(xué)習(xí)茶文化的新型途徑、自適應(yīng)用戶對茶文化的學(xué)習(xí)，并且操作系統(tǒng)人性化，有良好的用戶體驗(yàn)[1-2]。

由于功能實(shí)現(xiàn)主要依賴用戶輸入信息的獲取，因此準(zhǔn)確識別茶品種是開發(fā)的關(guān)鍵。由圖1 可知，識圖知茶是聯(lián)系茶文化、茶經(jīng)濟(jì)等信息的紐帶，它是目前通信環(huán)境條件下聯(lián)系各種需求的一個窗口核心要素[3]。

圖1 用戶基本需求

2 茶葉識別原理和模型訓(xùn)練

茶葉識別原理的主流技術(shù)為深度學(xué)習(xí)，主要依賴于識別模型，而深度學(xué)習(xí)的識別模型則依賴于大量原始圖片識別訓(xùn)練。創(chuàng)新互動平臺使用戶能夠參與識別系統(tǒng)的升級改進(jìn)，活躍茶文化交流，讓用戶能夠通過窗口上傳更多的茶葉圖片以提升識別效果。若識別結(jié)果與事實(shí)存在誤差，用戶可將茶葉名稱及圖片上傳，達(dá)到一定數(shù)目的相同結(jié)果后，便能通過審核，存于數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計(jì)處理模式進(jìn)行處理。

處理情況分為2 種：①若出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中不存在用戶上傳的新茶葉類型，可將用戶上傳的茶葉名稱及圖片通過審核后存儲在一個數(shù)據(jù)庫中。該茶葉的數(shù)量達(dá)到可訓(xùn)練數(shù)量（500 個）時，對該茶葉進(jìn)行訓(xùn)練，提取特征，獲得訓(xùn)練模型，以增加系統(tǒng)的可識別量。②若上傳的茶葉名稱存在于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中，但識別精度不高導(dǎo)致識別失誤，就將用戶上傳的茶葉名稱及圖片存儲于另一個數(shù)據(jù)庫中。該茶葉到達(dá)一定數(shù)量（300 個）時，將系統(tǒng)中原有的該茶葉信息及用戶上傳的茶葉信息一起進(jìn)行訓(xùn)練，從而提高茶葉識別模型識別率[4]。

基于茶葉圖像分類識別、圖片特征的提取，建立了一種基于深度編碼解碼網(wǎng)絡(luò)的茶葉分類識別模型，用于解決少見茶葉圖像分類識別精度較低的問題，并增強(qiáng)了系統(tǒng)與用戶的交互性，其主要目的是將訓(xùn)練好的IMAGENET 預(yù)處理模型作為新任務(wù)模型的基礎(chǔ)，避免過擬合的風(fēng)險(xiǎn)。新任務(wù)模型使用MobileNetV3_small_ssld，其本質(zhì)就是MobileNetV2 模型。將IMAGENET 的卷積融入其中，MobileNetV2 的核心構(gòu)建模塊是基于反向殘差的深度可分離卷積塊。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過使用大量的3×3 的卷積和，能減少大量計(jì)算且提高精準(zhǔn)度，可在移動端實(shí)現(xiàn)低延遲（精度尚可接受）的識別[5-6]。

該方法在光照條件較為復(fù)雜的場景下，對茶葉圖像識別能夠表現(xiàn)出較高的精度（圖2）。

圖2 茶葉識別原理框圖

3 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)分為人機(jī)交互界面、模塊層和系統(tǒng)資源層（圖3）。人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)圖像的選擇、導(dǎo)入與顯示。系統(tǒng)資源層可實(shí)現(xiàn)茶葉信息的存儲。模塊層設(shè)計(jì)分為茶文化模塊、AI 識別模塊、茶葉信息模塊、知識競答模塊4 個部分，各模塊通過底部菜單欄進(jìn)行切換。①茶文化模塊：主要以瀏覽文章為主，是集豐富多彩的個性化展示于一體的綜合性模塊。②AI 識別模塊：提供拍照、上傳和語音識別功能，經(jīng)識別可快速獲取茶葉信息。③茶葉信息模塊：基于IMAGENET 模型的訓(xùn)練結(jié)果，利用Jsoup 技術(shù)爬取不同的圖片，構(gòu)建茶葉信息展示頁面。④知識競答模塊：提供新的學(xué)習(xí)途徑，引導(dǎo)受眾用戶從新穎創(chuàng)新的角度了解茶文化，幫助用戶更深入、更全面地認(rèn)知茶葉，培養(yǎng)用戶的茶道文化。

圖3 軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)交互UI 設(shè)計(jì)

（1）頁面布局。要求簡化主界面布局和導(dǎo)航機(jī)制，突出核心功能，在底部欄加以顯示。通過查詢結(jié)果界面，可快速了解茶葉信息，并提供詳細(xì)鏈接和購買鏈接。

（2）交互方式。以點(diǎn)按和滑動2 種方式為主，盡量不使用復(fù)雜的交互方式，降低用戶的學(xué)習(xí)成本。

（3）配色設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品定位，青少年視力正處于發(fā)育期，老年人群的視力減弱，因此在配色中規(guī)避了對比色及高亮度、強(qiáng)刺激的顏色（圖4）[7]。

圖4 詳情界面及AI 識別界面

3.2 茶文化模塊

整個模塊以翻閱文章為主，用戶可以通過點(diǎn)贊、評論和轉(zhuǎn)發(fā)文章等及時與他人進(jìn)行交流，增強(qiáng)了用戶之間的互動性。有榜排名可查看名茶排行及詳細(xì)介紹；知識競答模塊可以進(jìn)行趣味競答（圖5～圖6）。

圖5 主界面

圖6 茶葉排名界面

3.3 AI 識別模塊

系統(tǒng)最核心的模塊是AI 識別模塊，主要提供拍照、上傳和語音識別功能。模塊采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，簡單易用，識別準(zhǔn)確度高，其通過本地上傳圖片進(jìn)行識別（圖7），識別結(jié)果提供疑似物品，拓寬了識別的兼容性。點(diǎn)擊詳細(xì)按鈕可查看茶葉詳情，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

圖7 本地上傳及識別結(jié)果界面

3.4 茶葉信息模塊

通過AI 識別模塊所獲得的茶葉名稱、與茶葉相關(guān)的圖片、傳統(tǒng)制作工藝、歷史典故與詩詞名句等信息能夠呈現(xiàn)在茶葉信息模塊界面上。用戶可通過搜狗百科的鏈接詳細(xì)地了解茶文化，也可以點(diǎn)擊購買鏈接，進(jìn)入商品界面進(jìn)行購買（圖8）。

圖8 茶葉商品界面

3.5 知識競答模塊

知識競答模塊有文化知識和看圖識茶2 個選項(xiàng)（圖9）。每次挑戰(zhàn)共10 道題，答完自動退出。設(shè)置該模塊的目的在于激發(fā)用戶學(xué)習(xí)知識的熱情，使其在豐富趣味的競賽氛圍中增強(qiáng)茶文化，從而引導(dǎo)用戶關(guān)注茶文化。

圖9 知識競答界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 模型評估

訓(xùn)練集中召回率較高，當(dāng)訓(xùn)練識別大于40 代時，驗(yàn)證集達(dá)到60%左右（圖10），說明選擇的模型訓(xùn)練精準(zhǔn)度良好。

圖10 驗(yàn)證集

對小程序的測試主要分為“問卷星”調(diào)查和性能測試2 個方面。安全性測試由微信小程序本身的安全性能來保證。

4.2 用戶體驗(yàn)

根據(jù)用戶體驗(yàn)進(jìn)行問卷調(diào)查，以此確保用戶的滿意度。部分問題以及參與調(diào)查對象（230 人）對此程序的滿意程度見表1。

表1 AI 拍照小程序用戶體驗(yàn)調(diào)查情況（選取部分）

4.3 客戶端運(yùn)行效能

選擇微信客戶端進(jìn)行測試，在單個手機(jī)測試條件下的運(yùn)行效能見表2。測試客戶主觀感覺運(yùn)行流暢，操作順滑。通過微信建立的交流互動平臺把熱愛茶文化的人們聚集在一起，有助于傳承中國茶文化精神。通過拍照識別功能，能夠快速查看相應(yīng)的簡介。通過茶文化鏈接學(xué)習(xí)功能，可較快地獲取茶文化資源，操作方便快捷。該系統(tǒng)還針對老年人開發(fā)了語音播報(bào)功能。

表2 客戶端運(yùn)行效能

5 結(jié)論

通過分析茶產(chǎn)業(yè)涉及的茶經(jīng)濟(jì)、茶生活、茶工藝以及茶文化相關(guān)領(lǐng)域，結(jié)合當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+茶產(chǎn)業(yè)”發(fā)展的融入需求，嘗試設(shè)計(jì)開發(fā)了一款能夠識別茶葉類型并能傳播茶文化的微信小程序，包括茶文化學(xué)習(xí)、交流互動、拍照識別和茶葉購買等功能[8]。實(shí)踐表明：①爬取茶葉信息方法構(gòu)建的數(shù)據(jù)集仍需結(jié)合交流互動補(bǔ)充完善；②客戶端嵌入功能和基礎(chǔ)方案運(yùn)行正常；③小程序人性化調(diào)查表明，人們對茶葉拍照圖像的識別效果較為滿意。