唐振三，袁劍龍，康亮河，程李香，呂汰，楊晨，張峰

基于圖像特征識(shí)別的馬鈴薯薯皮粗糙度分級(jí)研究

唐振三1，袁劍龍1，康亮河2，程李香1，呂汰3，楊晨3，張峰1

1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/干旱生境作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；2甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070；3天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，天水 741000

【目的】馬鈴薯薯皮粗糙度分級(jí)研究可以提供塊莖外觀品質(zhì)性狀無(wú)損檢測(cè)方法，為客觀評(píng)價(jià)品質(zhì)質(zhì)量和高通量篩選品種提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)?！痉椒ā恳?9份馬鈴薯品種（系）為供試材料，利用相機(jī)采集有/無(wú)芽眼的薯皮圖像?；贛ATLAB R2016a軟件對(duì)薯皮圖像預(yù)處理，隨機(jī)選擇8份材料用相關(guān)函數(shù)指標(biāo)比較圖像灰度化、增強(qiáng)及去噪效果。利用灰度共生矩陣（gray level co-occurrence matrix，GLCM）提取圖像特征參數(shù)角二階矩（angular second moment，ASM）、熵（entropy，ENT）、對(duì)比度（contrast，CON）和相關(guān)度（correlation，COR），并確定矩陣最適像素距離（d）。比較兩類(lèi)薯皮圖像特征參數(shù)間的差異，選擇差異較小的薯皮圖像特征集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和分類(lèi)識(shí)別。構(gòu)建支持向量機(jī)（support vector machines，SVM）和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（backpropagation neural network，BPNN）模型對(duì)薯皮粗糙度分級(jí)分類(lèi)，模型分級(jí)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)為準(zhǔn)確率、精準(zhǔn)率、召回率及調(diào)和平均數(shù)。【結(jié)果】加權(quán)平均值法進(jìn)行灰度處理后的薯皮圖像紋理結(jié)構(gòu)清晰，圖像清晰度評(píng)價(jià)值為2.5698±0.5959，顯著高于平均值法（1.8035±0.4856）和最大值法（1.0535±0.4088）；直方圖均衡化增強(qiáng)后的薯皮圖像灰度級(jí)范圍由100—200擴(kuò)大為0—200，灰度分布更加廣泛；中值濾波對(duì)3×3窗口下的薯皮圖像椒鹽噪聲去噪效果明顯，峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio,PSNR）最大（（28.6250±3.9784）Bp），顯著高于3×3和5×5窗口下對(duì)高斯噪聲去噪后的PSNR。通過(guò)GLCM（d=4）提取的兩類(lèi)薯皮圖像特征參數(shù)間差異顯著，選擇其中差異較小的無(wú)芽眼薯皮圖像特征集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和分類(lèi)識(shí)別，結(jié)果表明該特征集變異系數(shù)差異明顯，對(duì)比度變異系數(shù)最大（0.40），其次是角二階矩（0.24）和相關(guān)度（0.23）,熵變異系數(shù)最小（0.18）。將該特征集作為分類(lèi)模型輸入變量用于薯皮分類(lèi)，相較于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，SVM對(duì)馬鈴薯薯皮粗糙度的整體分類(lèi)性能較高，準(zhǔn)確率為87.5%。其中，對(duì)光滑皮和重麻皮的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和識(shí)別能力最高，精準(zhǔn)率均為100%，召回率分別為85.7%和100%，調(diào)和平均數(shù)分別為92.3%和100%?！窘Y(jié)論】綜合利用本研究提出的圖像處理技術(shù)及GLCM提取的紋理特征參數(shù)能有效表征馬鈴薯塊莖薯皮粗糙度差異；通過(guò)構(gòu)建SVM分類(lèi)模型可實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺(jué)的馬鈴薯薯皮粗糙度分級(jí)，且準(zhǔn)確率達(dá)87.5%。

馬鈴薯；薯皮粗糙度；圖像特征；機(jī)器視覺(jué)；支持向量機(jī)

0 引言

【研究意義】馬鈴薯是世界第四大糧食作物。薯皮粗糙度是馬鈴薯塊莖重要外觀品質(zhì)性狀，是品種特異性測(cè)試及商業(yè)分類(lèi)分級(jí)的重要標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】薯皮粗糙度由遺傳因子和環(huán)境因子相互作用決定，是細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂、分化和代謝相互作用的最終體現(xiàn)[2]。目前馬鈴薯分級(jí)篩選主要側(cè)重塊莖形狀、大小及缺陷的簡(jiǎn)單人工分級(jí)和機(jī)械分級(jí)，人工分級(jí)依賴(lài)視覺(jué)感官定性分類(lèi)，通量和精準(zhǔn)度低；機(jī)械分級(jí)雖可避免人工差異，但會(huì)造成不同程度的二次損傷，降低馬鈴薯商品性[3-4]。新興的基于圖像處理的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可通過(guò)對(duì)圖像顏色、紋理、形狀等特征信息的挖掘，快速實(shí)現(xiàn)待測(cè)物精準(zhǔn)高效無(wú)損鑒別[4-5]。圖像處理中，紋理粗糙度是圖像不依賴(lài)顏色和亮度變化的視覺(jué)特征，表現(xiàn)出局部不規(guī)則、宏觀有規(guī)律的特性，可以反映圖像像素間的空間分布關(guān)系[6]。利用灰度共生矩陣（gray level co-occurrence matrix，GLCM）提取的紋理特征參數(shù)角二階矩（angular second moment，ASM）、熵（entropy，ENT）、對(duì)比度（contrast，CON）和相關(guān)度（correlation，COR）等，通過(guò)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)（support vector machines，SVM）等分類(lèi)模型可快速實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損傷檢測(cè)[7-15]，已被廣泛應(yīng)用于玉米籽粒識(shí)別分類(lèi)、病蟲(chóng)害識(shí)別、種子質(zhì)量檢測(cè)及水果自動(dòng)分揀系統(tǒng)構(gòu)建等領(lǐng)域[12,16-19]。【本研究切入點(diǎn)】目前，基于圖像處理的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可在馬鈴薯生產(chǎn)加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的質(zhì)量控制和定量鑒別。但研究方向主要集中在馬鈴薯塊莖形狀大小、表皮缺陷及病害鑒別等方面[3-5,16,20-21]，薯皮粗糙度分級(jí)應(yīng)用中尚無(wú)涉及?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】擬通過(guò)基于圖像處理的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)馬鈴薯薯皮粗糙度分級(jí)展開(kāi)研究，找出合適的薯皮圖像處理方法及特征參數(shù)，構(gòu)建高識(shí)別率分類(lèi)模型用于薯皮粗糙度分類(lèi)，為馬鈴薯薯皮粗糙度分級(jí)識(shí)別提供高效精準(zhǔn)且系統(tǒng)的客觀評(píng)價(jià)方法，加快馬鈴薯自動(dòng)化生產(chǎn)和商品化處理效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以79份馬鈴薯品種（系）為供試材料（表1），2021年種植于甘肅省渭源縣五竹鎮(zhèn)鹿鳴村（海拔2 260 m，年平均降雨量520—560 mm，年平均氣溫5.8 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)約2 412 h，無(wú)霜期145 d，黑壚土）。

1.2 薯皮圖像采集及人工分級(jí)

使用專(zhuān)業(yè)可調(diào)LED光源拍攝箱（60 cm×60 cm×60 cm）拍照，SMART SENSOR光照度計(jì)（測(cè)量范圍1—200 000 lx，分辨率1 lx）測(cè)定光照強(qiáng)度為（9 000± 50）lx。選擇相機(jī)型號(hào)Canon EOS 760 D，鏡頭EF-S 18-135 mm f/3.5—5.6 IS STM。相機(jī)參數(shù)設(shè)定：快門(mén)速度1/100 s，光圈值（F）6.3，焦距50 mm，感光度（ISO）100，相機(jī)固定于拍攝物體上方，物距60 cm，圖像像素6 000×4 000。各塊莖圖像選取6個(gè)像素大小為1 000×1 000的區(qū)域作為參試樣本圖像。

參照馬鈴薯品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南（GB/T 19557.28—2018），將采集的馬鈴薯人工分級(jí)[1]，用作分類(lèi)模型結(jié)果對(duì)照。

1.3 研究方法

用MATLAB R2016a對(duì)薯皮圖像預(yù)處理（灰度化、增強(qiáng)和降噪）；將處理后的圖像劃分為有、無(wú)芽眼兩類(lèi)，芽眼圖像按1 000×1 000像素區(qū)域分塊，再根據(jù)有無(wú)芽眼對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)。利用GLCM提取兩類(lèi)薯皮圖像紋理粗糙度特征并比較差異，選擇對(duì)分類(lèi)識(shí)別影響較小的圖像作為SVM和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)模型輸入變量用于薯皮粗糙度分類(lèi)識(shí)別，采用混淆矩陣指標(biāo)（準(zhǔn)確率、精準(zhǔn)率、召回率和F1值）評(píng)價(jià)分類(lèi)精度（圖1）。

圖1 技術(shù)路線

1.3.1 薯皮圖像預(yù)處理 采用最大值法、平均值法和加權(quán)平均值法進(jìn)行圖像灰度處理[22]，從中隨機(jī)選取8份材料通過(guò)能量梯度函數(shù)比較三者處理效果[23-24]；采用直方圖均衡化法進(jìn)行圖像灰度增強(qiáng)[25]；采用中值濾波在3×3和5×5窗口下對(duì)添加高斯噪聲和椒鹽噪聲的薯皮圖像降噪，計(jì)算峰值信噪比（peak signal-to- noise ratio，PSNR）評(píng)價(jià)預(yù)處理后的圖像質(zhì)量，PSNR 值越高，越接近原圖[26-28]。

1.3.2 薯皮圖像分類(lèi)處理 根據(jù)有無(wú)芽眼特征對(duì)預(yù)處理薯皮圖像進(jìn)行區(qū)分，對(duì)含芽眼的薯皮圖像按1 000×1 000像素大小分塊，再將各區(qū)域按有無(wú)芽眼進(jìn)行分類(lèi)。

1.3.3 薯皮圖像紋理特征參數(shù)提取及差異比較 將待處理圖像灰度保持256級(jí)，選取圖像0°、45°、90°和135°方向均值作為GLCM方向參數(shù)（q）[14,29-30]；利用GLCM計(jì)算選取的8份參試材料特征參數(shù)在不同像素距離處的取值以確定矩陣最適像素距離（d），然后通過(guò)GLCM提取有、無(wú)芽眼的薯皮圖像特征參數(shù)角二階距、對(duì)比度、相關(guān)度和熵進(jìn)行差異比較。公式詳見(jiàn)（1）—（4）[22,30-33]。

角二階距：GLCM元素值平方和，反映圖像灰度分布均勻程度和紋理粗細(xì)程度。

對(duì)比度：反映圖像清晰度和紋理溝紋深淺程度。

相關(guān)度：度量GLCM元素在行或列方向上的相似程度，反映圖像局部灰度相關(guān)性。

熵：圖像所含信息量的度量，反映圖像紋理非均勻程度或復(fù)雜程度。

1.3.4 薯皮粗糙度分類(lèi)識(shí)別 采用SVM和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)薯皮粗糙度分類(lèi)評(píng)價(jià)，在特征參數(shù)中隨機(jī)選取55份數(shù)據(jù)用作訓(xùn)練，剩余24份數(shù)據(jù)用作測(cè)試驗(yàn)證。在SVM中，設(shè)定輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)為4，徑向基函數(shù)作為核函數(shù)，懲罰系數(shù)ζ和非負(fù)松弛項(xiàng)g分別設(shè)定為25和35；設(shè)定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層、輸出層和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4、1、6，最大迭代數(shù)為1 000。相關(guān)公式見(jiàn)文獻(xiàn)[34]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理及分類(lèi)模型精度評(píng)價(jià) 用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0進(jìn)行薯皮圖像粗糙度特征數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)描述和方差分析；用準(zhǔn)確率（accuracy，Acc）、精準(zhǔn)率（precision，Pre）、召回率（recall，Re）和調(diào)和平均數(shù)（F1）評(píng)價(jià)模型分類(lèi)結(jié)果。公式詳見(jiàn)（5）—（8）[35]：

Acc=(TP+TN)/(TP+TN+FP+FN) （5）

Pre=TP/(TP+FP) （6）

Re=TP/(TP+FN) （7）

F1=2Pre×Re/(Pre+Re) （8）

式中，TN、FN、TP和FP分別為真反例、假反例、真正例和假正例。

2 結(jié)果

2.1 薯皮圖像人工分級(jí)

參照馬鈴薯品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南（GB/T 19557.28—2018），將79份馬鈴薯品種（系）人工分為重麻皮（6份）、麻皮（26份）、略麻皮（27份）和光滑皮（20份），列出分級(jí)結(jié)果的部分馬鈴薯薯皮圖像（表2）。

2.2 圖像預(yù)處理結(jié)果分析

由表3可知，加權(quán)平均值法處理后的圖像紋理結(jié)構(gòu)最清晰，效果最好。平均值法、最大值法和加權(quán)平均值法處理的圖像灰度清晰度差異顯著，加權(quán)平均值法與平均值法和最大值法的均值差最大，分別為0.7663和1.1516（表4）。

薯皮圖像均衡化增強(qiáng)后，灰度級(jí)范圍由100—200（表5，C-1、C-2、C-3和C-4）擴(kuò)大為0—200，灰度分布更為均勻廣泛（表5，D-1、D-2、D-3和D-4）。相較于表5原始圖像A-1、A-2、A-3和A-4，增強(qiáng)后的薯皮圖像B-1、B-2、B-3和B-4紋理更加清晰突出。

利用中值濾波對(duì)圖像去噪，發(fā)現(xiàn)中值濾波對(duì)含椒鹽噪聲的圖像去噪效果顯著，在3×3窗口下中值濾波濾除椒鹽噪聲的PSNR均值差最大，且在3×3窗口下中值濾波對(duì)椒鹽噪聲濾除效果最好，最接近原始圖像（表6和表7）。

2.3 GLCM構(gòu)造因子確定

像素距離d=4時(shí)，GLCM提取的8個(gè)參試材料薯皮圖像特征參數(shù)變化基本趨于一致，表現(xiàn)出穩(wěn)定性（圖2）。

2.4 特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

2.4.1 薯皮圖像特征參數(shù)差異比較 利用GLCM提取有、無(wú)芽眼的薯皮圖像特征參數(shù)進(jìn)行差異比較。相較于無(wú)芽眼的薯皮圖像，芽眼薯皮圖像特征參數(shù)除角二階矩外，對(duì)比度、熵和相關(guān)度均存在極顯著差異（圖3）。

2.4.2 特征參數(shù)變異系數(shù) 為避免芽眼對(duì)薯皮紋理特征的識(shí)別影響，選擇差異較小的無(wú)芽眼薯皮圖像進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，薯皮圖像紋理特征參數(shù)變異系數(shù)差異明顯，對(duì)比度變異系數(shù)最大（0.40），其次是角二階矩（0.24）和相關(guān)度（0.23），熵變異系數(shù)最?。?.18）（表8）。

表2 薯皮圖像

A：重麻皮；B：麻皮；C：略麻皮；D：光滑皮

A: Heavy hemp skin; B: Hemp skin; C: Slightly hemp skin; D: Smooth skin

表3 灰度方法處理的馬鈴薯薯皮圖像效果比較

A：原始圖像；B：平均值法；C：最大值法；D：加權(quán)平均值法

A: Original images B: Average method; C: Maximum method; D: Weighted-average method

表4 灰度圖像清晰度差異比較

A：平均值法；B：最大值法；C：加權(quán)平均值法。不同小寫(xiě)字母表示多重比較差異顯著（＜0.05）

A: Average method; B: Maximum method; C: Weighted-average method. Different lowercase letters indicate significant differences in multiple comparisons (＜0.05)

A：原始圖像；B：直方圖均衡化處理后圖像；C：處理前圖像灰度直方圖；D：處理后圖像灰度直方圖

A: Original images; B: Images after histogram equalization; C: Gray scale histogram of images before processing; D: Gray scale histogram of images after processing

2.5 薯皮粗糙度分類(lèi)評(píng)價(jià)

分類(lèi)模型中，相較于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，SVM在薯皮分類(lèi)中準(zhǔn)確率較高（87.5%），表明該模型對(duì)薯皮類(lèi)別整體分類(lèi)性能較好，且對(duì)光滑皮和重麻皮類(lèi)別的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和識(shí)別能力最高，精準(zhǔn)率均為100%，召回率分別為85.7%和100%，F(xiàn)1值分別為92.3%和100%（表9）。

3 討論

3.1 相機(jī)拍攝設(shè)置影響圖像質(zhì)量

薯皮圖像采集過(guò)程中，受環(huán)境條件、攝像設(shè)備等因素影響，圖像質(zhì)量可能存在差異。像素距離大小主要取決于拍攝圖像尺寸、感光度（ISO）、鏡頭光圈等參數(shù)的設(shè)置[36-37]。像素距離太小，放大尺寸的圖像會(huì)出現(xiàn)模糊現(xiàn)象；低光環(huán)境下拍攝，為提高相機(jī)鏡頭感光性能，應(yīng)選較大像素距離。

表6 圖像降噪處理比較

A：重麻皮；B：麻皮；C：略麻皮；D：光滑皮 A: Heavy hemp skin; B: Hemp skin; C: Slightly hemp skin; D: Smooth skin

A：G16；B：大西洋；C：布爾班克；D：G67；E：夏波蒂；F：G121；G：隴薯10號(hào)；H：G33 A: G16; B: Atlantic; C: Burbank; D: G67; E: Shepody; F: G121; G: Longshu no.10; H: G33

表7 去噪圖像峰值信噪比（PSNR）差異比較

A：3×3椒鹽噪聲；B：5×5椒鹽噪聲；C：3×3高斯噪聲；D：5×5高斯噪聲。不同小寫(xiě)字母表示多重比較差異顯著（＜0.05）

A: The 3×3 salt and pepper noise; B: The 5×5 salt and pepper noise; C: The 3×3 gaussian noise; D: The 5×5 gaussian noise. Different lowercase letters indicate significant differences in multiple comparisons (＜0.05)

表8 灰度共生矩陣提取薯皮特征參數(shù)表現(xiàn)及變異系數(shù)

表9 分類(lèi)精度結(jié)果

3.2 圖像處理方法的合理選擇

合理的圖像處理是圖像特征準(zhǔn)確識(shí)別的前提。圖像灰度化是圖像處理的基本方法，選擇合適灰度化方法可提高圖像灰度效果控制[38]。本研究采用的加權(quán)平均值法考慮了R（Red）、G（Green）、B（Blue）三通道權(quán)值分配，處理后的圖像相較于平均值法和最大值法，紋理清晰度最高，更符合人眼視覺(jué)感受。由于圖像灰度分布在較窄區(qū)間，亮度過(guò)于集中，使薯皮紋理模糊。采用直方圖均衡化在0—255灰度級(jí)范圍內(nèi)調(diào)整圖像灰度直方圖分布，拓展像素集中區(qū)域，歸并低頻像素，可使圖像灰度分布均勻且動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大，圖像明暗對(duì)比明顯。但對(duì)低頻灰度級(jí)過(guò)度簡(jiǎn)并，可能會(huì)造成圖像邊緣細(xì)節(jié)信息丟失。圖像灰度集中區(qū)域存在直方圖高峰，均衡化后灰度級(jí)過(guò)度拉伸會(huì)導(dǎo)致圖像對(duì)比度過(guò)度增強(qiáng)和出現(xiàn)偽影[39-40]。去噪可規(guī)避圖像處理中噪聲干擾造成的圖像信息丟失并保護(hù)圖像邊緣細(xì)節(jié)[26]。在實(shí)際應(yīng)用中，忽略噪聲類(lèi)型盲目采用濾波算法去噪難以達(dá)到預(yù)期效果。本研究采用的中值濾波是一種非線性信號(hào)處理方法，對(duì)椒鹽噪聲、脈沖噪聲有明顯的抑制作用。為驗(yàn)證中值濾波的去噪效果，利用PSNR客觀衡量去噪后的圖像質(zhì)量，為選擇合適的去噪方法提供科學(xué)依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)圖像有效去噪[41-42]。

A：角二階距；B：對(duì)比度；C：熵；D：相關(guān)度。ns：不顯著；**：差異極顯著（P＜0.01）

3.3 薯皮紋理特征及有限樣本量對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)方法分類(lèi)識(shí)別的影響

薯皮圖像紋理特征識(shí)別中，紋理是不依賴(lài)于顏色、亮度變化而反映圖像同質(zhì)現(xiàn)象的視覺(jué)特征[12]。利用共生矩陣提取紋理特征用于圖像相似性度量檢索時(shí)，在0°、45°、90°和135°四個(gè)方向上求取特征均值且歸一化，可使圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)和縮放時(shí)對(duì)共生矩陣提取的紋理特征影響非常小，且對(duì)視覺(jué)變化、仿射變化及噪聲干擾起到穩(wěn)定作用[34,43]。薯皮凸起、凹陷、裂變等缺陷會(huì)對(duì)薯皮紋理分布和連續(xù)性產(chǎn)生擾動(dòng)，使紋理分布不均勻。薯皮缺陷常與周?chē)鷧^(qū)域形成明顯對(duì)比，紋理特征存在差異，在紋理識(shí)別中，可能會(huì)對(duì)SVM和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分類(lèi)性能產(chǎn)生影響，增大識(shí)別難度。模型應(yīng)用中應(yīng)針對(duì)薯皮缺陷調(diào)整訓(xùn)練策略，選擇適當(dāng)?shù)腟VM核函數(shù)和懲罰系數(shù)，或者在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中利用交叉驗(yàn)證方法選擇最佳隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)和層數(shù)，以此提高模型學(xué)習(xí)能力，以便更好地識(shí)別圖像紋理特征[44]。

利用分類(lèi)模型進(jìn)行薯皮分類(lèi)，有限的樣本量會(huì)使模型過(guò)擬合，導(dǎo)致分類(lèi)結(jié)果不穩(wěn)定、泛化性能低，無(wú)法在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用。選擇合適的分類(lèi)模型是有效降低樣本量過(guò)小導(dǎo)致模型過(guò)擬合和泛化性能低的重要方法[3,15,38]。本研究采用SVM和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)不同薯皮類(lèi)別的馬鈴薯分類(lèi)，SVM模型對(duì)薯皮的整體分類(lèi)性能顯著高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，更適于解決小樣本非線性可分問(wèn)題。其可避免過(guò)度依賴(lài)樣本數(shù)據(jù)，降低模型對(duì)訓(xùn)練集的過(guò)擬合，提高對(duì)新樣本數(shù)據(jù)的分類(lèi)準(zhǔn)確度。另外，為避免樣本量影響分類(lèi)模型的可靠性和實(shí)用性，通過(guò)設(shè)定薯皮圖像像素大小，從單一樣本中獲取多幅圖像擴(kuò)充樣本數(shù)據(jù)集，可使分類(lèi)模型魯棒性和泛化性能達(dá)到平衡。

4 結(jié)論

加權(quán)平均值法、直方圖均衡化法和中值濾波法能夠?qū)崿F(xiàn)圖像灰度化、增強(qiáng)及去噪效果；灰度共生矩陣提取的圖像紋理特征參數(shù)角二階矩、對(duì)比度、熵和相關(guān)度作為分類(lèi)模型輸入值用作馬鈴薯薯皮識(shí)別，可有效表征馬鈴薯薯皮粗糙度差異。小樣本集中，支持向量機(jī)模型識(shí)別性能優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)87.5%，更適合薯皮粗糙度分類(lèi)。

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Potato Tuber Skin Roughness Classification Analysis Based on Image Characteristics Recognition

TANG ZhenSan1, YUAN JianLong1, KANG LiangHe2, CHENG LiXiang1, Lü Tai3, YANG Chen3, ZHANG Feng1

1College of Agriculture, Gansu Agricultural University/State Key Laboratory of Aridland Crop Science/Gansu Key Laboratory of Crop Improvement & Germplasm Enhancement, Lanzhou 730070;2College of Information Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070;3Tianshui Institute of Agricultural Sciences, Tianshui 741000, Gansu

【Objective】The classification analysis of potato tuber skin roughness could provide the non-destructive testing methods for tuber appearance quality traits, which would establish the theoretical and practical base for the objective evaluation of tuber quality and high-throughput screening varieties.【Method】Seventy-nine potato varieties (lines) were selected as materials, and the images of tuber skin with and without bud-eyes were taken by camera. The tuber skin images were preprocessed using MATLAB R2016a software. Eight materials were randomly selected to compare the effect of image graying, enhancement and denoising using the correlation function indicators. The image characteristic parameters, angular second moment (ASM), entropy (ENT), contrast (CON) and correlation (COR) were extracted using the gray level co-occurrence matrix (GLCM), and the suitable distance (d) of GLCM were determined. The differences in two types of tuber skin image feature parameters were compared, and the set of tuber skin image features with less difference was selected for statistical analysis and classification recognition. The support vector machine (SVM) and backpropagation neural network (BPNN) models were constructed for tuber skin roughness classification, and the evaluation indexes of model grading accuracy were accuracy, precision, recall and harmonic mean, respectively. 【Result】The texture structure of tuber skin image after grayscale processing using the weighted average method was clear, and the evaluation value of image clarity was 2.5698±0.5959, which was significantly higher than that of the mean method (1.8035±0.4856) and the maximum method (1.0535±0.4088). The gray scale range of tuber skin image after histogram equalization enhancement was expanded from 100-200 to 0-200, which made the gray distribution wider. The salt noise denoising effect of tuber skin images using the median filter under 3×3 sliding windows was obvious, and the peak signal-to-noise ratio (PSNR) was maximum (28.6250±3.9784 Bp), which was significantly higher than that under 3×3 and 5×5 windows. Two types of tuber skin image feature parameters extracted by GLCM (d=4) were significantly different, and the set of tuber skin image features (without bud-eyes) with less difference was selected for statistical analysis and classification recognition. The results indicated that the variation coefficient of these parameters was varied significantly. The variation coefficient of contrast was the largest (0.40), followed by the angular second moment (0.24) and correlation (0.23), and the variation coefficient of entropy was the smallest (0.18). Using the feature set as the input variable of tuber skin classification model, the overall classification performance of SVM was higher than BP neural network, and the accuracy reached 87.5%. Especially, the prediction accuracy and recognizability of SVM for smooth and heavy hemp skins was the highest. The accuracy reached 100%, the recall reached 85.7% and 100%, and the harmonic mean reached 100% and 92.3%, respectively. 【Conclusion】The combination of the image processing techniques presented in this study and the GLCM extracted texture feature parameters could effectively characterize potato tuber skin roughness variations. The tuber skin roughness grading based on machine vision could be achieved by constructing SVM classification model, and the accuracy reached 87.5%.

; tuber skin roughness; image characteristic; machine vision; support vector machine

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.22.006

2023-03-17；

2023-07-24

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（SQ2022YFD1600328）、甘肅省科技重大專(zhuān)項(xiàng)（21ZD11NA002，21ZD11NA009）

唐振三，E-mail：1316740746@qq.com。通信作者張峰，E-mail：zhangf@gsau.edu.cn

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