使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)龍井茶嫩芽識(shí)別方法的研究

周穎穎，鄭道娟（.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 88；.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 ）

使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)龍井茶嫩芽識(shí)別方法的研究

周穎穎1，鄭道娟2
（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211188；2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211121）

本文主要研究了使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)龍井茶嫩芽識(shí)別方法，首先從龍井茶的基本識(shí)別方法、等級(jí)判定以及采摘技術(shù)入手，詳細(xì)分析了龍井茶嫩芽的識(shí)別方法，從而為計(jì)算機(jī)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供基本需求，然后詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的圖像分割和RGB顏色模型，并且詳細(xì)闡述了如何使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)對(duì)龍井茶嫩芽進(jìn)行識(shí)別，從而為實(shí)現(xiàn)龍井茶嫩芽識(shí)別和采摘自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

龍井茶級(jí)別；嫩芽狀態(tài)；RGB顏色模型；圖像分割

1　概　述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于物質(zhì)生活的追求越來(lái)越高，對(duì)于各種養(yǎng)生保健的食物或藥品越來(lái)越看重。茶葉作為一種健康、綠色、養(yǎng)生的飲品，已經(jīng)成為目前我國(guó)大眾消費(fèi)的養(yǎng)生飲品，在國(guó)外也有很大的影響力，自建國(guó)以來(lái)，我國(guó)就是茶葉生產(chǎn)、出口、銷售的世界大國(guó)，到目前，我國(guó)的很多品牌茶葉在國(guó)際上都享有盛譽(yù)，也是很多國(guó)家追求的養(yǎng)生飲品。在我國(guó)的眾多茶葉中，龍井茶是一種非常有名的茶葉，是我國(guó)產(chǎn)茶大省——浙江省的著名茶葉，龍井茶葉的出口和銷售，對(duì)于浙江省的經(jīng)濟(jì)收入來(lái)說(shuō)，是非常重要的，而我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和發(fā)展來(lái)說(shuō)，也具有非常重要的意義。

在傳統(tǒng)作業(yè)方式中，對(duì)于龍井茶葉的采摘工作，主要是采用人工作業(yè)的方式來(lái)完成，但是人工手工采摘龍井茶葉，不僅效率低下，而且成本極高，再加上人工招聘以及管理等方面的困難都在限制龍井茶葉生產(chǎn)效率的提升。此外，人工作業(yè)的方式很容易造成龍井茶嫩芽與老葉的混淆采摘，對(duì)于龍井茶嫩葉和嫩芽的破壞也是非常致命的，這都使得龍井茶最終的質(zhì)量難以令人滿意。當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理的視覺(jué)技術(shù)來(lái)自動(dòng)識(shí)別龍井茶嫩芽，然后通過(guò)相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備有選擇性地、針對(duì)性地、高效地低損傷自動(dòng)采摘龍井茶嫩芽和嫩葉，從而提升龍井茶的采摘效率和質(zhì)量。所以針對(duì)使用計(jì)算機(jī)的視覺(jué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)龍井茶嫩芽采摘的學(xué)習(xí)和研究，對(duì)于提升龍井茶生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，以及促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展來(lái)說(shuō)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2　龍井茶的品種、等級(jí)界定及其采摘技術(shù)

龍井茶自古以來(lái)就是我國(guó)非常聞名的茶葉，在我國(guó)古代就享有盛譽(yù)，而浙江杭州則是龍井茶的主要產(chǎn)地。雖然在整個(gè)杭州地區(qū)，由于不同的地區(qū)產(chǎn)的龍井茶品種是存在差異的，即便是同樣的地區(qū)、同一棵茶樹(shù)，其不同的嫩芽程度所產(chǎn)出的龍井茶的品質(zhì)也是不一樣的。例如，在傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)中，浙江地區(qū)中的所有龍井茶以杭州地區(qū)產(chǎn)的龍井為優(yōu)，而杭州地區(qū)的龍井茶中，則又分為常見(jiàn)的三種，分別為越州龍井、錢(qián)塘龍井、西湖龍井，而其中則以西湖龍井茶的茶品、茶色、茶味最為上品，一直是我國(guó)眾多茶葉品種中位列第一的茶葉品牌。當(dāng)然，隨著栽培技術(shù)的不斷提升，以及基因工程、植物雜交工程和嫁接技術(shù)，我國(guó)龍井茶葉的培育越來(lái)越多。目前，除西湖地區(qū)之外的其他地方的龍井茶的培育與生產(chǎn)工藝也都日益成熟，形成了在味道、茶色、茶品等多方面都能媲美西湖龍井茶的新茶品，在我國(guó)的茶葉生產(chǎn)和銷售市場(chǎng)中也占有非常重要的地位。

對(duì)于同一種茶葉來(lái)說(shuō)，單就茶葉的外形、鮮嫩程度以及長(zhǎng)勢(shì)程度來(lái)決定龍井茶的等級(jí)，可分為五個(gè)等級(jí)的龍井茶品質(zhì)，分別為特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)。對(duì)于特級(jí)的龍井茶界定，要求茶葉葉片手感光滑、舒展扁平，且要求一芽一葉的初展?fàn)顟B(tài)或單芽；對(duì)于一級(jí)龍井茶界定，要求葉片手感光滑、葉片較為扁平，一芽?jī)扇~的初展?fàn)顟B(tài)或者一芽一葉的狀態(tài)；對(duì)于二級(jí)龍井茶的界定，要求茶葉葉片較為扁平，且一芽二葉的完全開(kāi)展；對(duì)于三級(jí)龍井茶的界定，要求茶葉葉片一芽二葉的完全開(kāi)展?fàn)顟B(tài)，在二葉之間可長(zhǎng)有一少部分的對(duì)夾葉；對(duì)于四級(jí)龍井茶的界定，要求茶葉葉片欠光潔且完全舒展開(kāi)來(lái)，并且要求一芽二葉、一芽三葉或?qū)A葉。

茶葉的品種不同、需要采摘的茶葉等級(jí)一樣，其采用的采摘技術(shù)、采摘時(shí)間也大不相同。比如，對(duì)于特級(jí)龍井茶的采摘，必須要求在茶葉的適摘階段，必須在清明節(jié)之前，茶樹(shù)的頂層嫩芽剛剛發(fā)出或之長(zhǎng)出一個(gè)嫩葉但未開(kāi)展時(shí)，需要對(duì)單芽或者一芽一葉的初展茶芽進(jìn)行采摘。當(dāng)然，在采摘時(shí)只能將單芽或者初展?fàn)顟B(tài)的一芽一葉采摘下來(lái)。在對(duì)特級(jí)龍井茶的生產(chǎn)過(guò)程中，如雀舌、龍牙等，雀舌則是要求只能有初展?fàn)顟B(tài)的一芽一葉的龍井茶芽進(jìn)行炒制加工生產(chǎn)的茶葉，而龍牙則是要求只能有單芽的龍井茶葉進(jìn)行炒制加工生產(chǎn)的茶葉。所以在對(duì)特級(jí)龍井茶的采摘過(guò)程中，更需要將二者進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于龍井茶的其他級(jí)別，則是在清明節(jié)之后的時(shí)間進(jìn)行采摘，如四級(jí)龍井茶，則要求在谷雨節(jié)氣之前進(jìn)行采摘，此時(shí)茶葉葉片較為肥大。而一級(jí)到三級(jí)龍井茶，則要求在清明節(jié)之后到谷雨節(jié)之間進(jìn)行采摘，根據(jù)不同的等級(jí)的龍井茶要求，進(jìn)行茶葉葉片的選擇和采摘，并對(duì)其進(jìn)行區(qū)分后進(jìn)行炒制加工處理。

所以，對(duì)于龍井茶的采摘工作，需要在人工采摘之后，然后選擇、分選，再送到炒制加工廠進(jìn)行后期的生產(chǎn)處理。

3　使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)龍井茶嫩芽識(shí)別方法的研究

針對(duì)龍井茶等級(jí)區(qū)分的研究可以表明，在龍井茶采摘過(guò)程中主要是對(duì)龍井茶的茶葉、芽的葉片形狀、光澤度、顏色、葉芽個(gè)數(shù)和長(zhǎng)勢(shì)等諸多方面的選擇，以及最后的攤放和篩選的過(guò)程，如果單純地利用人工作業(yè)，不僅采摘效率低下，而且很容易對(duì)龍井茶茶葉的葉芽造成損傷，致使最終的龍井茶質(zhì)量降低。采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，可以采用計(jì)算機(jī)的方式，對(duì)龍井茶的茶葉嫩芽識(shí)別、采摘、嫩芽篩選等過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理。對(duì)于自動(dòng)化采摘和篩選，通過(guò)機(jī)械臂和分裝器即可實(shí)現(xiàn)，而整個(gè)自動(dòng)化的過(guò)程核心，則是對(duì)龍井茶嫩芽的識(shí)別技術(shù)中。在對(duì)龍井茶茶葉采摘技術(shù)的研究可以知道，在對(duì)龍井茶茶葉的嫩芽識(shí)別重點(diǎn)放在嫩芽顏色、形狀以及葉片狀態(tài)與個(gè)數(shù)來(lái)判斷茶葉嫩芽的級(jí)別，所以在利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)識(shí)別判斷龍井茶嫩芽時(shí)，就要重點(diǎn)放在龍井茶嫩芽的顏色以及最終的形狀的判斷。

3.1計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的圖像分割

圖像分割主要是對(duì)圖像的內(nèi)容，根據(jù)某些特征進(jìn)行切分，從而得到不同屬性的圖像，然后在進(jìn)行其他方面的處理。由于在一個(gè)圖像中，具有相同屬性（如顏色、明暗程度等）的圖像，在其區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出相同的特征，那么不同屬性的圖像則表現(xiàn)出了不同的區(qū)域，在區(qū)域與區(qū)域之間的連接處，就形成了明顯的邊緣。所以圖像分割的前提是能夠檢測(cè)到圖像區(qū)域的邊緣值。利用圖像邊緣檢測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像分割主要是采用圖像二值化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣一來(lái)不僅能夠減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，而且能夠提升計(jì)算機(jī)處理的速度，對(duì)于圖像處理來(lái)說(shuō)是非常有益的。

使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在對(duì)龍井茶嫩芽識(shí)別方法，在獲取到龍井茶圖像后，首先對(duì)其進(jìn)行邊緣檢測(cè)和圖像分割，從而實(shí)現(xiàn)了嫩芽與其他茶葉葉片的區(qū)分，然后對(duì)分割后的圖像進(jìn)行其他處理，如上述的顏色對(duì)比，還有就是根據(jù)形狀特征來(lái)獲取嫩芽葉片的個(gè)數(shù)以及伸展情況，從而判斷出整個(gè)嫩芽所屬的龍井茶級(jí)別，同時(shí)根據(jù)其形狀特征，為機(jī)械臂采摘提供有效的采摘點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)龍井茶嫩芽的自動(dòng)化識(shí)別和采摘。

3.2計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的顏色模型

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)中，對(duì)于圖像顏色的判斷是圖像識(shí)別中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。所以在整個(gè)龍井茶嫩芽自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)中，首先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的圖像核心內(nèi)容進(jìn)行顏色識(shí)別，以判斷整個(gè)嫩芽目前的顏色狀態(tài)。

在整個(gè)圖像顏色判斷中，RGB顏色模型是常見(jiàn)的一種對(duì)圖像進(jìn)行處理的顏色模型。在整個(gè)顏色色系中，有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)就是所有的顏色都是可以通過(guò)三種基色來(lái)調(diào)和得到，即對(duì)紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）三種按照不同的比例進(jìn)行混合即可得到所有的顏色。按照這種思想進(jìn)行反推，在圖像視頻系統(tǒng)中，任何采集到的顏色都是可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種基色按照不同的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果能夠得到其R、G、B三種基色的比例值，那么就可以對(duì)任何一種顏色進(jìn)行區(qū)分、存儲(chǔ)、識(shí)別、展示等。如圖1.所示，為RGB顏色模型中的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖1　RGB顏色模型數(shù)據(jù)原理示意圖

在圖1中所示，RGB模型將所有的顏色容納在一個(gè)正方體內(nèi)，即按照三原色比例配比的思想，將所有顏色進(jìn)行反推，從而得到三種顏色的不同比例。假如最大比例為1，三種顏色在1范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，從而形成三個(gè)數(shù)據(jù)軸，那么在對(duì)三原色進(jìn)行選取的時(shí)候，就可以按照相應(yīng)的比例來(lái)得到最終的顏色。比如，對(duì)于黑色，即所有的顏色比例均為0即可得到黑色（即無(wú)物品展示），如果三種顏色選擇同樣的比例，即得到了白色，如果選擇比例為1的紅色和綠色，即得到了黃色。所以，在構(gòu)建了所有顏色的數(shù)據(jù)庫(kù)之后，在獲取到視頻圖像后，即可對(duì)圖像內(nèi)核心區(qū)域的顏色進(jìn)行對(duì)比，從而得到三原色的比例數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，而后與期望的某個(gè)數(shù)據(jù)值范圍進(jìn)行對(duì)比，如果在整個(gè)范圍內(nèi)，那么視頻圖像的核心區(qū)域的顏色即滿足顏色要求。

在對(duì)龍井茶嫩芽特級(jí)茶葉的識(shí)別中，首先顏色是其中一個(gè)非常重要的判斷指標(biāo)，如果顏色太過(guò)深綠，那么就說(shuō)明該葉片不屬于特級(jí)茶種，如果顏色比較嫩綠，那么就從顏色指標(biāo)中，就說(shuō)明該茶葉有可能屬于特級(jí)茶種，此時(shí)就需要從另外一個(gè)方向的指標(biāo)來(lái)判斷。利用計(jì)算機(jī)，則可以將嫩綠的三原色數(shù)值分析，并設(shè)定為嫩綠數(shù)據(jù)的閾值，在得到茶葉數(shù)據(jù)圖像后，即可對(duì)其圖像中的核心區(qū)域（可通過(guò)前期的圖像數(shù)據(jù)處理和邊緣檢測(cè)來(lái)獲取不同的區(qū)域）中的顏色進(jìn)行對(duì)比，如果小于閾值范圍，那么就說(shuō)明在顏色指標(biāo)上，能夠滿足特級(jí)茶葉的要求，然后再在其他方面的指標(biāo)進(jìn)行分析。

4　總結(jié)

利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)對(duì)龍井茶嫩芽實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，主要是利用計(jì)算機(jī)圖像處理的技術(shù)和方法，通過(guò)前期的圖像采集和預(yù)處理，得到可處理的有效數(shù)據(jù)源，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分割，然后對(duì)核心區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色判斷和形狀特征對(duì)比，最終得到當(dāng)前圖像內(nèi)的核心區(qū)域中龍井茶嫩芽的級(jí)別，并且為龍井茶的自動(dòng)采摘提供合理采摘點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)龍井茶采摘的自動(dòng)化。

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周穎穎（1982-），女，江蘇泰州，碩士研究生學(xué)歷，教師，講師，研究方向：軟件技術(shù)。

鄭道娟（1983-），女，江蘇淮安，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)。