基于視覺技術(shù)的綠茶色澤變化與品質(zhì)關(guān)系研究

李文萃，唐小林，*，湯一，范起業(yè)，任廣鑫

（1.中華全國(guó)供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州310016；2.浙江大學(xué)茶學(xué)系，浙江杭州310058）

基于視覺技術(shù)的綠茶色澤變化與品質(zhì)關(guān)系研究

李文萃1，唐小林1，*，湯一2，范起業(yè)1，任廣鑫1

（1.中華全國(guó)供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州310016；2.浙江大學(xué)茶學(xué)系，浙江杭州310058）

利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)貴州綠茶連續(xù)化生產(chǎn)線加工過程中的在制品色澤變化進(jìn)行量化研究，探索出各加工工序中RGB、HSB和Lab等3種顏色模式的9個(gè)色澤參數(shù)與在制品茶葉內(nèi)含成分的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明，貴州綠茶加工過程中顏色變化比亮度、純度更明顯，微波三青工序中色澤變化較大，其形成主要在滾炒階段。除H值外，各色澤參數(shù)均與茶葉含水量、水浸出物和茶多酚總量有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大小為含水量＞茶多酚總量＞水浸出物。在綠茶色澤形成過程中由于參數(shù)G變動(dòng)幅度較大，能較好地反映綠茶加工中的色澤變化，且與上述三種品質(zhì)成分的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.953、-0.925和0.931，可用于在線監(jiān)測(cè)綠茶外觀色澤，實(shí)現(xiàn)綠茶品質(zhì)的自動(dòng)化控制。

貴州綠茶；計(jì)算機(jī)視覺；色澤參數(shù)；品質(zhì)；相關(guān)性

色澤是茶葉命名和分類的重要依據(jù)，是評(píng)價(jià)茶葉品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[1]。在茶葉審評(píng)和制茶過程中，往往依靠肉眼觀察茶葉色澤初步評(píng)判其等級(jí)，該方法易受相關(guān)人員經(jīng)驗(yàn)、身體精神狀況及光線等外界條件的制約，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)能模擬人眼以圖像形式記錄所要描述的對(duì)象。該技術(shù)對(duì)顏色變化反應(yīng)靈敏，能將色澤指標(biāo)定量化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而客觀準(zhǔn)確地反映色澤特征[2-3]。圖像色澤有多種表達(dá)模式（RGB、Lab、CMYK和HSB等），其中RGB模式的各參數(shù)分別代表紅、綠、藍(lán)3個(gè)顏色通道；HSB模式中色相H是物體反射或透過物體傳播的顏色，由顏色名稱標(biāo)識(shí)。飽和度S指顏色純度，表示色相中灰成分所占的比例，用0%（灰色）到100%（完全飽和）來(lái)度量。亮度B*（為了區(qū)別于RGB模式中的B，以下用B*表示）代表顏色的明暗程度[4]；Lab模式中L代表亮度，a值是色澤紅（正值）到綠（負(fù)值）的漸變，b值是黃（正值）到藍(lán)（負(fù)值）的漸變[5]。這些模式中各參數(shù)的不同組合形成了幾乎人眼能觀察到的所有顏色。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在茶葉方面的應(yīng)用，多集中于探索量化茶葉色澤的方法、不同種類茶葉色澤差異及不同嫩度、萎凋程度的茶鮮葉色澤變化等[6-9]，而對(duì)茶葉加工過程中的色澤變化以及不同顏色模式條件下茶葉色澤與品質(zhì)成分的關(guān)系研究較少。本文采用RGB、HSB*和Lab等3種顏色模式的色澤參數(shù)量化綠茶連續(xù)化生產(chǎn)線加工過程中的茶葉色澤，探討了各色澤參數(shù)值與綠茶內(nèi)含成分間的相關(guān)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)茶葉色澤與品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)以及在線控制提供了新思路。

1 材料與設(shè)備

1.1 供試材料

茶鮮葉品種為福鼎大白茶，采自貴州都勻市甘塘鎮(zhèn)周邊區(qū)域；測(cè)定時(shí)間從2013年4月17日至5月9日；地點(diǎn)選擇貴州龍?jiān)紕蛎獠枞~有限公司茶葉加工基地。

1.2 設(shè)備

Canon A3500 IS數(shù)碼相機(jī)：廣東德飛數(shù)碼商貿(mào)有限公司；神舟A200-D52R筆記本電腦：深圳市深科偉業(yè)科技有限公司；具有穩(wěn)定光源的暗室；大宗綠茶自動(dòng)化生產(chǎn)線：湖南湘豐茶葉機(jī)械制造有限公司；CSD-90XZ型茶葉烘焙提香機(jī)：安溪縣永鋒機(jī)械有限公司；等。

2 研究方法

貴州大宗綠茶生產(chǎn)線加工流程：攤放-殺青-初揉-微波二青-復(fù)揉-微波三青-滾炒-烘干等8個(gè)工序。每個(gè)工序分別取樣約350 g，采集圖像后進(jìn)行固樣處理（鮮葉樣品先微波殺青，攤涼后在80℃恒溫干燥箱內(nèi)烘至足干；其他樣品直接烘干）用于測(cè)定茶葉中水浸出物、茶多酚總量和游離氨基酸總量等品質(zhì)成分含量，各品質(zhì)成分重復(fù)測(cè)定3次。該工藝試驗(yàn)進(jìn)行10次，共80個(gè)樣品，最終測(cè)定結(jié)果取平均值。

2.1 茶葉色澤測(cè)定方法

圖像采集：在光源穩(wěn)定的暗室內(nèi)，將所取茶樣均勻攤放在白板上，以覆蓋底板顏色為準(zhǔn)即厚度約2 cm～3 cm。保持照相機(jī)置于同一高度位置對(duì)茶樣進(jìn)行圖像采集，重復(fù)測(cè)定3次。

圖像處理：采用Photoshop CS3.0軟件中濾鏡-模糊-平均命令對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，在信息欄中分別讀取RGB、HSB*和Lab 3種顏色模式的色澤參數(shù)值[10]。

2.2 主要理化成分測(cè)定方法

含水量測(cè)定采用120℃快速烘干法：GB/T 8304-2002《茶水分測(cè)定》；茶多酚總量的測(cè)定采用酒石酸亞鐵比色法：GB/T 8313-2002《茶茶多酚測(cè)定》；游離氨基酸總量采用茚三酮比色法測(cè)定：GB/T 8314-2002《茶游離氨基酸總量測(cè)定》；水浸出物測(cè)定采用差數(shù)法：GB/T 8305-2002《茶水浸出物測(cè)定》。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

文中所有數(shù)據(jù)的分析均由SPSS19.0和EXCEL 2007軟件實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 貴州綠茶加工過程中的色澤變化

在制茶過程中，可觀察到茶鮮葉色澤由最初的鮮綠逐漸變暗，失去光澤，至滾炒和烘干階段基本形成深綠帶灰的外觀特征。分別用RGB、HSB*和Lab 3種模式來(lái)描述綠茶加工中各階段所采集圖像的色澤，各色澤參數(shù)測(cè)定結(jié)果及變化情況如圖1所示。

圖1 綠茶加工中各顏色模型的色澤參數(shù)變化Fig.1 The variation of all color parametersin three colormodes during green tea processing

圖1（a）中R和G值均隨著工藝的延續(xù)逐漸降低，B值表現(xiàn)出先降低再上升最后再降低的趨勢(shì)?？傮w上，R、G和B3個(gè)參數(shù)在微波三青階段下降幅度最大，滾炒和烘干階段無(wú)明顯變化，說明茶葉色澤的轉(zhuǎn)變主要在微波三青階段，色澤的形成主要在滾炒階段。理論上，當(dāng)R=G=B時(shí)，顏色表現(xiàn)為灰色。圖中三個(gè)參數(shù)值在滾炒和烘干階段近乎相等，說明滾炒對(duì)茶葉色澤的形成起決定作用。而實(shí)際生產(chǎn)中，炒青綠茶外觀色澤也表現(xiàn)為深綠起灰。另外，在整個(gè)加工過程中，G值始終大于R和B，且變化程度最大，說明綠色調(diào)的變化是綠茶色澤形成的主要指標(biāo)。由于G值有256個(gè)亮度級(jí)別，它的不斷降低，說明綠茶加工中綠色亮度的下降，這真實(shí)反映了綠茶實(shí)際生產(chǎn)中的色澤變化規(guī)律。因此，用參數(shù)G來(lái)描述綠茶加工的色澤變化是可行的。

（b）圖中B*值則呈不斷下降趨勢(shì)，說明茶葉在加工過程中亮度逐漸降低；H值在殺青時(shí)增加，初揉階段降低，之后隨著工序進(jìn)行不斷上升且在滾炒階段上升幅度最大；S值和H值變化趨勢(shì)相反，殺青時(shí)降低，初揉階段升高，然后逐漸下降?？赡艿脑蚴菤⑶嗍共枞~色澤變深變暗，葉片和梗因失水不均而表現(xiàn)出色澤差異，導(dǎo)致色相H值增大，飽和度S值降低；而揉捻使茶汁溢出，茶葉變得綠亮，鮮活感增加，因此H值又降低，S值增加。此外，三個(gè)色澤參數(shù)中，色相H值波動(dòng)范圍最大，說明生產(chǎn)中綠茶的顏色比明暗、純度變化更明顯。

（c）圖中亮度值L在復(fù)揉之前下降緩慢，微波三青時(shí)下降極為明顯，至滾炒和烘干階段變化緩和基本趨于穩(wěn)定；a值的變化趨勢(shì)與L值近似軸對(duì)稱；b值在殺青時(shí)減小，初揉階段增加，然后持續(xù)下降；在滾炒和烘干工序，a和b值近似為0。由于色澤參數(shù)a與b的范圍是-128～127，二者數(shù)值為0代表的顏色為50%灰（中性灰）。當(dāng)表示紅綠色的a﹤0時(shí)，a值越接近50%灰（或0），綠色的飽和度越小；當(dāng)表示藍(lán)黃色的b﹥0時(shí)，b值越靠近50%灰，黃色亮度越低，飽和度越小。因此，L、a和b三個(gè)參數(shù)值的變化反映了綠茶色澤隨著工序的進(jìn)行逐漸變暗。綜上，貴州綠茶在加工過程中的顏色變化和亮度變化趨勢(shì)相反，即顏色逐漸加深，亮度持續(xù)下降，且在微波三青階段變化最為明顯，這與肉眼觀察結(jié)果相符。

3.2 貴州綠茶加工過程中的品質(zhì)成分變化

茶葉初制不僅是一個(gè)逐步失水的物理過程，更是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)變化過程，伴隨著化學(xué)成分的合成與轉(zhuǎn)化，最終形成茶葉獨(dú)特的品質(zhì)特征。圖2是貴州綠茶加工過程中各理化成分的含量變化。

由于不同工序的作用方式和目的不同，茶葉在加工中的水分散失程度也有所差異[11]，鮮葉經(jīng)殺青到烘干，含水率從76.50%減少到67.48%并逐漸下降到4.31%。其中，滾炒工序失水最多，失水率達(dá)28.93%；其次是微波三青，失水率為25.93%；初揉和微波二青失水最少，分別為1.21%、2.14%（圖3）。

圖2 貴州綠茶加工過程中各理化成分的含量變化Fig.2 The variation of the chem ical com ponen ts content in Guizhou green tea

圖3 綠茶加工過程中失水率的變化Fig.3 Change inwater loss rate in green tea processing

圖3可見，貴州綠茶加工中的水分散失分布在各工序中，且主要集中在最后三道工序。而綠茶色澤的明顯轉(zhuǎn)變與形成也發(fā)生在微波三青和滾炒工序，因此，水分含量是決定綠茶色澤形成的關(guān)鍵因素。

茶多酚是形成茶湯滋味的重要成分，在綠茶加工過程中含量不斷減少，鮮葉中的含量為29.72%，炒干后降為23.00%，最終保留率為77.38%，說明茶多酚總量在各工序的作用下有一定程度的損失，降低了茶湯的苦澀味。此外，游離氨基酸總量隨著工序的進(jìn)行變化不大，在初揉階段達(dá)到最大值2.73%。水浸出物含量在加工過程中不斷增加，鮮葉為40.67%，烘干后含量增加至45.86%，促進(jìn)了茶湯濃醇度的形成。

3.3 貴州綠茶色澤與品質(zhì)關(guān)系

茶葉經(jīng)特定工序處理后不僅色澤發(fā)生了一定的變化，而且品質(zhì)成分也發(fā)生著改變。3種顏色模式的各色澤參數(shù)與綠茶品質(zhì)成分的相關(guān)性（表1）表明，各色澤參數(shù)均與含水量、水浸出物和茶多酚總量有較強(qiáng)的相關(guān)性，其大小為含水量＞茶多酚＞水浸出物（B值除外）；氨基酸總量在綠茶加工中的變化不明顯，與9個(gè)色澤參數(shù)的相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)|r|范圍是0.020～0.582。說明茶葉的含水量是影響色澤形成主要因素。

在各色澤參數(shù)中，H和a值與含水量和茶多酚含量有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），與水浸出物含量呈正相關(guān)，其它色澤參數(shù)與之相反。這種規(guī)律與各色澤參數(shù)和品質(zhì)成分自身的變化趨勢(shì)是相對(duì)應(yīng)的，如H和a值隨著各工序的進(jìn)行不斷增加，而含水量和茶多酚含量則逐漸減少，因此色澤參數(shù)H和a與此成分呈負(fù)相關(guān)。由此得出，在生產(chǎn)實(shí)踐中可根據(jù)茶葉的含水量和茶多酚含量來(lái)預(yù)測(cè)色澤變化，相反，通過色澤參數(shù)還可判斷茶葉的含水量是否達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)茶葉的自動(dòng)化控制具有一定指導(dǎo)意義。

表1 各色澤參數(shù)與茶葉中內(nèi)含成分的相關(guān)系數(shù)Table1 The correlation coefficientsofeach color parameter and containing com ponentofgreen tea

通過對(duì)比各色澤參數(shù)與品質(zhì)成分的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，與水分含量相關(guān)性最大的是色澤參數(shù)a，相關(guān)系數(shù)為-0.961，其次是L、R和G，相關(guān)系數(shù)分別為0.958、0.953、0.953；與水浸出物和茶多酚含量相關(guān)性最大的是色澤參數(shù)R，相關(guān)系數(shù)分別為0.933、0.942，其次是L和G?？梢姡琑、G和L值與綠茶內(nèi)含成分關(guān)系密切，能在一定程度上反映茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣。

綜上所述，由于色澤參數(shù)G在綠茶加工過程中變化更為明顯，極差較大；且G值代表綠色的變化趨勢(shì)，其與茶葉內(nèi)含水量、水浸出物和茶多酚含量具有極顯著的相關(guān)關(guān)系，尤其是與含水量，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.953，說明水分的散失對(duì)茶鮮葉綠色外觀的影響十分明顯[12]。從肉眼也可看到茶鮮葉經(jīng)加工后，葉色由鮮綠逐漸變暗變深。因此，綜合考慮選用色澤參數(shù)G來(lái)判斷綠茶加工的適宜程度最為合適。

4 結(jié)論

1）貴州綠茶色澤的明顯轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在微波三青工序；而滾炒階段基本形成干茶的色澤特征。

2）貴州綠茶在色澤形成中，顏色值的變化趨勢(shì)與亮度、純度值相反，且顏色變化更明顯。因此用RGB、HSB*和Lab等顏色模式量化綠茶加工過程的色澤變化是可行的。

3）除H值外，其它色澤參數(shù)均與含水量、水浸出物和茶多酚含量有較強(qiáng)的相關(guān)性，其大小為含水量＞茶多酚＞水浸出物，因此，含水量是影響綠茶色澤變化的主要因素。

4）在各色澤參數(shù)中，G值能很好地反映綠茶加工過程的色澤變化且與茶葉內(nèi)含成分相關(guān)性顯著，可用于綠茶加工過程中色澤的在線監(jiān)測(cè)和工藝適宜程度的實(shí)時(shí)控制。

5 討論

利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)研究了綠茶生產(chǎn)線的茶葉色澤變化以及綠茶加工過程中色澤參數(shù)與品質(zhì)成分之間的相關(guān)關(guān)系，選擇出能夠反映綠茶色澤變化和品質(zhì)形成的最佳色澤參數(shù)。同時(shí)，該技術(shù)可以應(yīng)用于紅茶、烏龍茶等茶類的加工過程，針對(duì)某個(gè)工序開展深入研究，如綠茶攤放、紅茶萎凋、烏龍茶做青等。此外，應(yīng)用該技術(shù)能夠建立色澤參數(shù)與茶葉品質(zhì)成分的關(guān)系模型，在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)色澤參數(shù)的變化預(yù)測(cè)茶葉中的品質(zhì)成分含量，通過適時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)茶葉生產(chǎn)過程中的自動(dòng)控制。

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Study on Color Change of the Green Tea and its Relationship w ith Tea Quality Using Computer Vision Technology

LIWen-cui1，TANGXiao-lin1，*，TANGYi2，F(xiàn)ANQi-ye1，RENGuang-xin1
（1.Hangzhou Tea Research Institute，CHINA COOP，Hangzhou 310016，Zhejiang，China；2.Departmentof Tea Science，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

Thispaper researched the quantitative change of thegreen tea color in Guizhou automated production line and preliminary explored the correlation between the nine color parameters in RGB，HSB and Lab color modes and the containing ingredients of tea products.The study found that the green tea color changedmore obviously than brightnessand purity，which converted greatly in the stage of secondmicrowave evaporation and formed in the rolling fried stage.Except for H，other color parameters had a significant correlation with the contentofwater，waterextractsand teapolyphenols，the regularityofcorrelation coefficientswas：watercontent＞TP＞waterextract.In the green tea processing，parameter G changed greatlywhich could better reflect the color changes.The correlation coefficientsbetween G value and the three quality ingredientswere 0.953，-0.925 and 0.931.Therefore，according to the variation of color parameter G we can realize the on-linemonitoring and automated controlof the green tea colorand itsquality.

Guizhou green tea；computer vision；color parameters；tea quality；correlation

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.05.001

2013-12-10

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD01B03-4）

李文萃（1988—），女（漢），碩士，主要從事茶葉加工與審評(píng)方面的研究。

*通信作者：唐小林（1962—），男（漢），碩士，主要從事茶葉加工與茶機(jī)方面的研究。