基于機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥性狀“形色”客觀化表達(dá)的展望

黎江華，吳純潔，孫靈根，王雙雙，張繼良，黃勤挽

(成都中醫(yī)藥大學(xué)，四川成都611137)

性狀是中藥(中藥材、飲片及中成藥)質(zhì)量評(píng)價(jià)主要指標(biāo)之一，涉及形(形狀)、色(顏色)、氣(氣味)、味(味道)。其中，形狀與顏色常合稱為“形色”，是外觀性狀質(zhì)量檢查中的主要指標(biāo)之一。而傳統(tǒng)的中藥性狀依靠人的感觀評(píng)測，主要通過眼觀、手握、鼻嗅、口嘗等方式進(jìn)行，指標(biāo)缺乏客觀量化性，可操作性差。近年來，隨著機(jī)器視覺技術(shù)快速發(fā)展，成熟的商業(yè)化產(chǎn)品相繼問世，并在農(nóng)業(yè)、食品等研究領(lǐng)域逐漸開始應(yīng)用。機(jī)器視覺技術(shù)客觀評(píng)價(jià)形色，可將外觀形色信息數(shù)字化，以圖像處理技術(shù)提取外觀特征參數(shù)，建立品質(zhì)與視覺信息之間耦合關(guān)系。這使得其在客觀表達(dá)和控制中藥外觀信息形色方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。故設(shè)想在中藥行業(yè)中開展相關(guān)的研究，實(shí)現(xiàn)中藥性狀有關(guān)形色的客觀化表達(dá)。本文簡要介紹機(jī)器視覺技術(shù)，提出利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)中藥性狀形色進(jìn)行客觀化表達(dá)的構(gòu)想，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 機(jī)器視覺技術(shù)簡介

1.1 機(jī)器視覺的原理與結(jié)構(gòu)

機(jī)器視覺也稱為計(jì)算機(jī)視覺，是用計(jì)算機(jī)模擬人眼的視覺功能，是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理及模式識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科［1-2］;利用代替人眼的圖像傳感器獲取物體圖像信息，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，并利用計(jì)算機(jī)模擬人的判別準(zhǔn)則去理解和識(shí)別圖像，達(dá)到分析圖像并做出結(jié)論的目的，最終用于實(shí)際檢測和控制。一個(gè)典型的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括圖像捕捉模塊、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機(jī)械控制執(zhí)行模塊［3］。工作原理:首先采用CCD攝像機(jī)獲得被測目標(biāo)的圖像信號(hào)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給專用的圖像處理系統(tǒng);根據(jù)像素分布、亮度和色彩等信息，進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，并由此實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別、坐標(biāo)計(jì)算、灰度分布圖等多種功能;最后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖像，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置調(diào)整、好壞篩選、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。其中圖像處理系統(tǒng)是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心，主要圖像處理包括圖像變換、數(shù)據(jù)編碼壓縮、圖像增強(qiáng)復(fù)原、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。模式識(shí)別的方法大致可分為統(tǒng)計(jì)決策法、句法結(jié)構(gòu)法、模糊判決法和人工智能法四種。常見的人工智能法有BP網(wǎng)絡(luò)分類、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類、三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合分類等［4］。

1.2 機(jī)器視覺技術(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)展

機(jī)器視覺技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀測對(duì)象無接觸，因此，對(duì)觀測與被觀測者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，安全可靠。這是其它感覺方式無法比擬的。另外，人無法長時(shí)間地觀察對(duì)象，機(jī)器視覺則無時(shí)間限制，而且具有分辨精度高和速度快、操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，機(jī)器視覺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)鑒定、工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等研究領(lǐng)域。

通過對(duì)食品和農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行不同測色方法對(duì)比研究，結(jié)果表明機(jī)器視覺系統(tǒng)完全可以反映樣品顏色，且效果更好［5-6］。另外，通過對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的彩色圖像顏色特征、幾何形狀特征及紋理特征進(jìn)行提取、分析及計(jì)算，機(jī)器視覺技術(shù)可檢測肉類、禽蛋、柑橘等新鮮度或成熟度，且對(duì)肉類、禽蛋、水產(chǎn)品、板栗、堅(jiān)果、紅棗、葡萄干、馬鈴薯等可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)缺陷識(shí)別、大小分檔及品質(zhì)分級(jí)［7-22］;機(jī)器視覺技術(shù)也可以結(jié)合近紅外光譜、電子鼻等技術(shù)準(zhǔn)確量化茶葉的種類及品質(zhì)［23-26］。在大宗糧食檢測方面，機(jī)器視覺技術(shù)可以對(duì)稻米劃分等級(jí)，并對(duì)水稻種子、棉花種子、玉米種子、花生種子等進(jìn)行品質(zhì)檢測與鑒定，甚至實(shí)現(xiàn)在線識(shí)別或異物剔除［27-34］;在農(nóng)業(yè)種植和倉儲(chǔ)監(jiān)控方面，該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別行間雜草，并有效區(qū)分大田害蟲及儲(chǔ)糧害蟲［35-37］;同時(shí)，有報(bào)道表明利用顯微圖像技術(shù)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，在快速準(zhǔn)確檢出菌液、牛奶、果汁和牛肉的細(xì)菌總數(shù)方面具有較好的應(yīng)用潛力［38-39］;在現(xiàn)代制造業(yè)領(lǐng)域，為了滿足自動(dòng)化生產(chǎn)裝配中在線監(jiān)測要求，機(jī)器視覺技術(shù)常用于對(duì)螺紋、齒輪等精密產(chǎn)品進(jìn)行外觀缺陷的在線檢測［40-42］;醫(yī)藥領(lǐng)域，機(jī)器視覺技術(shù)通過檢測患者面部色澤變化為醫(yī)務(wù)人員提供有效的色診診斷信息［43］，也可用于對(duì)大輸液、口服液、保健酒等液體藥物制劑裝量、可見異物的檢測及藥品外觀質(zhì)量和包裝的檢測［44-49］;在環(huán)境衛(wèi)生方面，機(jī)器視覺技術(shù)可以針對(duì)工業(yè)煙塵與水質(zhì)進(jìn)行在線環(huán)境檢測，為污染的預(yù)防和控制策略的制定提供依據(jù)［50-52］;在森林防火監(jiān)測等安全保障方面，也有良好的應(yīng)用前景［53］。

2 機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥形色的客觀化表達(dá)的應(yīng)用前景

2.1 用于中藥材外觀質(zhì)量及商品等級(jí)的評(píng)價(jià)

中藥材是供中醫(yī)臨床用藥、中成藥生產(chǎn)的原料，其質(zhì)量優(yōu)劣將直接影響藥品的療效。古人的經(jīng)驗(yàn)鑒別是從整體上控制中藥材質(zhì)量的方法之一，通過中藥材的外觀性狀，從形、色、氣、味等衡量其質(zhì)量。其中形主要指中藥材外形、長短及粗細(xì)，色主要指中藥材在日光下觀察的顏色及光澤度。對(duì)于有特殊形狀和顏色的中藥材，其外觀形狀和顏色歷來就是鑒別中藥材的主要依據(jù)之一:如天麻表面黃白色至淡黃棕色，有縱皺紋及由潛伏芽排列而成的橫環(huán)紋多輪，有時(shí)可見棕褐色菌索，頂端有紅棕色至深棕色鸚嘴狀的芽或殘留莖基，另段有圓臍形疤痕［54］，形象地稱之為“鸚哥嘴”、“凹肚臍”，并以此為其特殊形狀特征;川貝母中的松貝呈類圓錐形或近球形，表面類白色，有“懷中抱月”特征，爐貝呈長圓錐形，表面類白色或淺棕黃色，有“虎皮斑”特征，青貝則呈類扁球形;人參主根呈紡錘形、圓柱形或人字形，表面灰黃色，具縱皺紋，上部或中下部有環(huán)紋，有“珍珠須”、“珍珠疙瘩”、“雁脖蘆”、“馬牙蘆”及“圓蘆”等特征;牛黃表面黃紅色至棕黃色，掛有一層黑色光亮的薄膜，習(xí)稱“烏金衣”，有的具疣狀突起，有的具龜裂紋;熊膽有金膽(銅膽)、墨膽(鐵膽)、菜花膽之分［55］。而傳統(tǒng)的中藥材性狀檢測大多依靠人工感觀評(píng)測，缺乏客觀性和準(zhǔn)確性，難以實(shí)現(xiàn)量化和標(biāo)準(zhǔn)化，不能滿足中藥材外觀質(zhì)量控制的需要。

因此，建議引入機(jī)器視覺技術(shù)針對(duì)中藥材性狀形色差異性，明確其特征特性的分類界線，分類及定級(jí)，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)中藥材性狀形色的客觀化表達(dá)。并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電子鼻、電子舌實(shí)現(xiàn)中藥材性狀氣味客觀化表達(dá)，加上內(nèi)在成分含量，通過內(nèi)在品質(zhì)和外觀品質(zhì)相結(jié)合的評(píng)價(jià)模式評(píng)價(jià)中藥材質(zhì)量，劃分其商品等級(jí)。

2.2 用于飲片外觀質(zhì)量及炮制工藝的評(píng)價(jià)

中藥飲片的質(zhì)量與性狀緊密相關(guān)，性狀檢查是飲片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)極為重要的內(nèi)容之一?！吨袊幍洹?010版一部首次對(duì)飲片有了明確的定義，收載的飲片品種大幅增加(439種)，并且參照中藥材標(biāo)準(zhǔn)列出質(zhì)量控制指標(biāo)［54］。但藥典附錄炮制通則項(xiàng)有關(guān)性狀的內(nèi)容屬于經(jīng)驗(yàn)表述，難于操作:如炒黃用文火或中火炒至待炮炙品表面呈黃色或較原色稍深，或發(fā)泡鼓起，或爆裂，并透出藥物固有的氣味;炒焦者，一般用中火炒至表面焦褐色，斷面焦黃色為度，并具有焦香氣;炒炭是用武火炒至待炮炙品表面焦黑色、內(nèi)部焦黃色或至規(guī)定程度;麩炒需炒至待炮炙品表面呈黃色或深黃色［54］。實(shí)例如清炒焦山楂，要求武火炒至外表焦褐色，內(nèi)部焦黃色;砂炒馬錢子，要求伴炒至鼓起并顯棕褐色或深棕色，內(nèi)部紅褐色，并起小泡;蛤粉炒阿膠，要求炒至鼓起呈圓球形，內(nèi)無溏心;砂燙穿山甲，要求炒至鼓起，呈金黃色;滑石粉炒刺猬皮，要求拌炒至黃色、鼓起、皮卷曲、刺尖禿［56］;又如制何首烏，要求蒸至內(nèi)外均呈棕褐色;熟地黃，要求“黑如漆，甜如飴”。對(duì)于飲片的片型，根據(jù)需要切成薄片、厚片，或?yàn)榱嗣烙^而切成瓜子片、柳葉片和馬蹄片，切制后的飲片要求均勻、整齊、色澤鮮明、表面光潔。

可以看出，飲片性狀形色是飲片質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，然而經(jīng)驗(yàn)鑒別主要依據(jù)鑒別者的感觀感覺，鑒別結(jié)果極易受到主觀因素的影響和偏差，在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中難免造成偏頗。另外，富有經(jīng)驗(yàn)的老藥工人數(shù)逐漸減少，中藥炮制不僅面臨著飲片質(zhì)量控制問題，還面臨著瀕臨傳承斷代的問題。因此，建議引入機(jī)器視覺技術(shù)，將飲片性狀形色轉(zhuǎn)化為客觀數(shù)據(jù)，并與炮制機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)制造出飲片加工炮制“火候”快速檢測設(shè)備，準(zhǔn)確把握炮制“火候”。進(jìn)而借助其視覺傳感器具有快速、準(zhǔn)確和高效的優(yōu)勢，以飲片形色為指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)炮制“火候”的在線監(jiān)控，達(dá)到從宏觀上控制炮制工藝穩(wěn)定性的目的。該技術(shù)的引入，有助于飲片外觀品質(zhì)得到控制，并且可以實(shí)現(xiàn)中藥炮制經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)代化傳承和炮制工藝的規(guī)范化，同時(shí)，還可為炮制自動(dòng)加工專用機(jī)械設(shè)備研究奠定基礎(chǔ)。

2.3 用于中成藥外觀質(zhì)量及工藝評(píng)價(jià)

中成藥的外觀性狀與其質(zhì)量密切相關(guān)，利用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)外觀的標(biāo)準(zhǔn)化控制，使中成藥外觀統(tǒng)一、穩(wěn)定，可以提高其商業(yè)價(jià)值，為產(chǎn)品國際化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！吨袊幍洹?010版一部關(guān)于各中成藥性狀的檢查內(nèi)容，亦為經(jīng)驗(yàn)表述，難以掌控。如丸劑外觀應(yīng)圓整均勻、色澤一致;散劑應(yīng)混合均勻、色澤一致;顆粒劑應(yīng)顆粒均勻，色澤一致，且要求可溶顆粒應(yīng)全部溶化，允許有輕微渾濁，混懸顆粒應(yīng)能混懸均勻;片劑外觀應(yīng)完整光潔、色澤均勻;合劑除另有規(guī)定外應(yīng)澄清;注射劑、眼用制劑可見異物應(yīng)符合規(guī)定。實(shí)例如六味地黃丸性狀表述為棕黑色的水蜜丸、棕黑色至黑褐色的小蜜丸或大蜜丸;生脈膠囊內(nèi)容物為棕黃色至棕褐色的顆粒和粉末;板藍(lán)根顆粒為淺棕黃色至棕褐色的顆粒;藿香正氣口服液為棕色的澄明液體［54］。另外中成藥生產(chǎn)過程中的滲漉提取過程或大孔樹脂吸附過程，對(duì)于滲漉終點(diǎn)和洗脫終點(diǎn)的判斷，主要依靠液體顏色，結(jié)果常受到主觀因素的影響和偏差，在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中難免造成偏頗，影響工藝穩(wěn)定。

據(jù)報(bào)道，葉青松等［57］已開展利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)丸藥進(jìn)行外觀質(zhì)量(要求圓整均勻、色澤一致)評(píng)價(jià)的研究，探討丸藥外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化及實(shí)時(shí)檢測方法和途徑，開發(fā)了完整的工作循環(huán)模式。并以此模式，提出了實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的完整方案。這為其他中成藥(如顆粒劑、片劑、散劑、膠囊及口服液等)的外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了借鑒，有望實(shí)現(xiàn)中成藥性狀形色標(biāo)準(zhǔn)化，亦可根據(jù)批次間的外觀性狀差異評(píng)價(jià)工藝是否穩(wěn)定，進(jìn)而規(guī)范生產(chǎn)工藝。

3 討論

機(jī)器視覺技術(shù)是根據(jù)圖像像素分布、亮度和色彩等信息，通過相關(guān)運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，并由此實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別、坐標(biāo)計(jì)算、圖像灰度分布等多種功能。其中，光源對(duì)拍攝時(shí)圖像的顏色影響較大，不易準(zhǔn)確獲取。并且大多數(shù)中藥是以細(xì)微的形狀特征和紋理特征來區(qū)分，能否準(zhǔn)確獲得其圖像中的形狀特征和紋理特征，這將是中藥性狀形色客觀化表達(dá)的一大難題。亟需光譜、圖像、計(jì)算機(jī)、信息及控制等方面的專家學(xué)者合作，共同探討，攻克技術(shù)難關(guān)，為實(shí)現(xiàn)中藥性狀形色客觀化表達(dá)提供技術(shù)支撐。目前，中藥質(zhì)量的評(píng)價(jià)，主要是定量測定，選擇已知成分為指標(biāo)，而較少關(guān)注未知成分，導(dǎo)致一些非法加工中藥的情況出現(xiàn)，如硫磺熏中藥，以致硫殘超標(biāo)。另外，在中成藥生產(chǎn)過程中，對(duì)于貴重藥材投料，常使用偽藥或劣藥替代，為了使定量檢測達(dá)標(biāo)而直接添加指標(biāo)成分;更有甚者，在補(bǔ)腎、降糖、鎮(zhèn)痛類中成藥中，非法添加西藥成分。這引起了行業(yè)的思考:中藥質(zhì)量應(yīng)該怎樣控制?指標(biāo)成分定量檢測能否代表中藥質(zhì)量檢查?性狀檢查常為經(jīng)驗(yàn)表述，如何具有操作性?有學(xué)者通過對(duì)假藥進(jìn)行外觀性狀鑒別，參照藥品說明書對(duì)中成藥的顏色、氣味、狀態(tài)等進(jìn)行對(duì)照，初步識(shí)別藥品真?zhèn)?，再結(jié)合定量檢測，辨別其真?zhèn)?。筆者認(rèn)為，對(duì)于中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)、中藥性狀檢查與內(nèi)在成分定量檢測應(yīng)具有同等的地位，并且性狀中形色和氣味密不可分，共同詮釋中藥外觀品質(zhì)。因此，結(jié)合前期發(fā)表的有關(guān)中藥性狀氣味客觀化表達(dá)的設(shè)想［58］，建議應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥性狀形色的客觀化表達(dá)，使形色氣味成為可量化的指標(biāo)，再結(jié)合內(nèi)在成分含有量等指標(biāo)，建立外觀品質(zhì)(形色氣味)和內(nèi)在品質(zhì)相結(jié)合的中藥質(zhì)量整體評(píng)價(jià)體系。同時(shí)，進(jìn)一步完善中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，使其更具有可操作性，進(jìn)而有助于建立中藥商品等級(jí)、規(guī)格等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)評(píng)價(jià)體系。

中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)以感官評(píng)價(jià)、理化評(píng)價(jià)、生物學(xué)評(píng)價(jià)為方向不斷發(fā)展。一直以來，行業(yè)內(nèi)非常重視理化和生物學(xué)評(píng)價(jià)，而感官評(píng)價(jià)研究不夠。筆者認(rèn)為，中藥質(zhì)量更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)外觀品質(zhì)和內(nèi)在品質(zhì)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式，加強(qiáng)形色氣味相關(guān)的技術(shù)研究。此研究非常重要，刻不容緩，希望引起行業(yè)重視。

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