淺析EM算法在計算機(jī)處理茶葉品質(zhì)視覺分析中的應(yīng)用

孔麗云

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545004）

淺析EM算法在計算機(jī)處理茶葉品質(zhì)視覺分析中的應(yīng)用

孔麗云

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545004）

茶葉對我們來說，一點兒都不陌生。如今茶葉已經(jīng)融入到人們的日常生活中，成為人們生活中不可或缺的一部分。茶葉需求的增加，為消費者的購買行為造成了一定的困擾。大多數(shù)消費者對各類茶葉了解不多，只能憑著主觀意識去判定茶葉產(chǎn)品的質(zhì)量好壞，這種判斷標(biāo)準(zhǔn)難免會受人為因素的影響產(chǎn)生一定的偏差。為了科學(xué)合理地對茶葉的品質(zhì)進(jìn)行鑒別，本文基于EM算法原理下，同計算機(jī)視覺系統(tǒng)相結(jié)合，對茶葉品質(zhì)進(jìn)行高效準(zhǔn)確的視覺分析，以期提高評判結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，便于消費者合理選擇商品。

EM算法；計算機(jī)；廣西；茶葉品質(zhì)；視覺分析茶葉是人們飲用頻率最高的飲品之一。沁人心脾的香氣、清神醒腦的功效，清新脫俗的寓意，使茶葉深受廣大群眾的喜愛。為緊跟信息時代的前進(jìn)步伐，進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量和水平，利用電子計算機(jī)技術(shù)來更深入地了解茶葉的相關(guān)品質(zhì)，既有利于保護(hù)人體健康，又有助于優(yōu)質(zhì)茶葉品種的研制和開發(fā)。文中利用EM算法理論，對計算機(jī)視覺處理技術(shù)進(jìn)行改善。另外，嘗試從視覺角度，應(yīng)用該系統(tǒng)對茶葉品質(zhì)進(jìn)行合理的鑒定分析。

1 茶葉的品質(zhì)的一般分析

在以健康養(yǎng)生為目標(biāo)的社會生活浪潮的影響下，茶葉以其天然、無污染、強(qiáng)身健體、祛暑解渴等多重有利優(yōu)勢條件，在諸多養(yǎng)生產(chǎn)品中脫穎而出。茶葉不僅成為了居家使用的必備品，更是人們拜訪親友、佳節(jié)送禮的首選。然而身處種類繁多、花樣百出的茶葉銷售市場之中，消費者們猶豫不決，無從下手。生活中我們常說“貨比三家”，要想挑選出高品質(zhì)的茶葉，還要從其品質(zhì)的基本構(gòu)成要素和分析方法入手，掌握一定的基本理論，付諸實踐，抵制假貨，拒絕盲目消費。

1.1 茶葉品質(zhì)的構(gòu)成要素

“品質(zhì)”一詞很好理解，就是指質(zhì)量的好壞。那么茶葉的品質(zhì)，顧名思義，即茶葉質(zhì)量的好壞，具體指茶葉在顏色、形狀、香氣以及味道上，所能達(dá)到人們滿意的程度，也可理解為鑒定茶葉品種質(zhì)量高低的根本標(biāo)準(zhǔn)。從宏觀角度上來說，茶葉品質(zhì)有內(nèi)在品質(zhì)、外形品質(zhì)、物理品質(zhì)、化學(xué)品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、成分品質(zhì)之分。而從微觀角度分析，茶葉的品質(zhì)要具體到某種成分的含量是否達(dá)標(biāo)或超標(biāo)，常見評價指標(biāo)有水分、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素等成分的含量。正常生長的茶樹，其品質(zhì)高低會受到多種因素的影響。因而，對茶葉品質(zhì)的評價要綜合全面進(jìn)行。

1.2 視覺角度下茶葉品質(zhì)的分析

不懂茶的消費者，往往通過茶葉產(chǎn)品外包裝是否華美精致而進(jìn)行判斷，這種做法理論上是不可取的。首先，可以以新鮮茶葉的顏色作為評價標(biāo)準(zhǔn)，高品質(zhì)的新鮮茶葉，葉片嫩綠，植株堅挺，水分充足，脈絡(luò)清新，充盈有光澤；這第二標(biāo)準(zhǔn)則是茶葉成品的形態(tài)和成色，炒過的茶葉，水分快速揮發(fā)，葉片萎縮，整體呈海螺狀，顏色偏深綠或黑褐色；最后，茶水的顏色也可以成為評價茶葉品質(zhì)的重要途徑，清澈透亮、黃的好似琥珀，綠的宛若翡翠，是高品質(zhì)茶葉的一個重要表現(xiàn)。

1.3 廣西茶葉的特色品質(zhì)

廣西省位于我國偏南部地區(qū)，地理位置優(yōu)越，土壤肥沃，氣候濕熱，非常有利于茶樹的生長。因此，是我國的主要產(chǎn)茶區(qū)，且茶葉品種多、質(zhì)量好。其中比較著名的廣西特色茶葉有百色紅碎茶、六堡茶、西山茶、漓江銀針、開山白毛茶、圣地毛尖、桂林毛尖、橫縣茉莉花茶等，這些茶葉品質(zhì)優(yōu)良、茶香令人回味無窮，不僅在廣西當(dāng)?shù)厣钍軞g迎，在國際上也受到一致好評。每種茶葉都有自己的特色，譬如六堡茶，色澤黑褐光潤，湯色紅濃似玻淚，滋味醇和甘爽，有檳榔香味；凌云白豪，因其葉披滿潔白晶瑩的白毫而得名，被稱為"白毛茶之王"，該茶香氣高而持久，滋味出濃爽回甘，耐沖泡；金花茶在廣西也有較大的種植規(guī)模，花色金黃，含有豐富的維生素和礦物質(zhì)，既具有藥用價值，還有一定的觀賞價值，是廣西的特色茶品牌。

2 茶葉品質(zhì)鑒定中計算機(jī)技術(shù)的使用——以EM算法為例

計算機(jī)技術(shù)逐漸被應(yīng)用在其他領(lǐng)域，以期利用信息技術(shù)的科學(xué)性和飛速性帶動其他領(lǐng)域的發(fā)展。關(guān)于計算機(jī)技術(shù)在其他行業(yè)的拓展應(yīng)用，比較典型的一例是其在茶葉品質(zhì)鑒定中的應(yīng)用，該創(chuàng)新應(yīng)用對保障人們的健康生活以及督促茶葉生產(chǎn)商的高品質(zhì)生產(chǎn)具有一定的積極作用，下面以EM算法為例，詳細(xì)闡述計算機(jī)技術(shù)在茶葉品質(zhì)鑒定中的作用。

2.1 EM算法工作的基本原理

就普通人而言，EM算法這一概念可能比較陌生，實際上，EM的英文全稱是Expectation Maximization Algorithm，直譯為期望值最大化算法，從性質(zhì)上來講，EM算法具有一定的迭代性，適用于含有隱變量的概率參數(shù)模型，其目的是通過建立概率模型找出相應(yīng)參數(shù)的最大期望值。EM算法的基本原理來源于數(shù)學(xué)思想，常被應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)以及計算機(jī)視覺的數(shù)據(jù)聚類領(lǐng)域，屬于學(xué)科交叉的產(chǎn)物。EM算法的迭代性主要體現(xiàn)在其具體計算步驟上，基本計算分求期望和最大化兩步，二者交叉進(jìn)行，相互交替，如此循環(huán)直到求出滿足要求的最大期望值。

2.2 計算機(jī)視覺系統(tǒng)的形成及運行

計算機(jī)視覺系統(tǒng)的形成是我們在信息領(lǐng)域人工智能水平上的一大突破，標(biāo)志著信息社會的演變與進(jìn)化。計算機(jī)視覺系統(tǒng)，是指利用高科技設(shè)備或儀器對一定的目標(biāo)進(jìn)行觀察、跟蹤、定位和處理，相當(dāng)于取代了原先人類眼睛地位作用。通過計算機(jī)視覺系統(tǒng)的合理處理，使得外界信息和畫面更加清晰、明確，讓人容易接受和理解，提高工作效率和準(zhǔn)確性，計算機(jī)視覺系統(tǒng)成為人類的第二雙眼睛，為人類的生產(chǎn)生活減輕了不少壓力。當(dāng)然，計算機(jī)視覺系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計并非一蹴而就，而是融合了計算機(jī)技術(shù)、物理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等多門基礎(chǔ)學(xué)科，經(jīng)過軟件工程師的不斷魯努力和嘗試，最終形成。最基本的計算機(jī)視覺系統(tǒng)是由相機(jī)、鏡頭和照明三大塊組成，各體系相互協(xié)調(diào)配合，共同完成計算機(jī)視覺分析任務(wù)。

2.3 計算機(jī)視覺技術(shù)對茶葉圖像的調(diào)整處理

計算機(jī)視覺技術(shù)的基本工作是對所采集的畫面，進(jìn)行一定的加工處理。在相應(yīng)人工智能程序的控制下，代替人眼進(jìn)行觀察、分析、辨析和選擇，以便突出觀察對象的主要特征，幫助人們快速、準(zhǔn)確獲取信息。關(guān)于計算機(jī)視覺技術(shù)對茶葉圖像的調(diào)整處理，主要分為以下幾道工序進(jìn)行:清理圖片、截取邊緣、增加畫面色彩對比強(qiáng)度。應(yīng)用計算機(jī)視覺技術(shù)對茶葉圖像進(jìn)行處理調(diào)整，需將茶葉以圖像的形式，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字信息形式，在這個過程中會受到外界環(huán)境其他因素的干擾作用。從而導(dǎo)致畫質(zhì)較差、畫面失真的現(xiàn)象，經(jīng)過圖片清理環(huán)節(jié)，可以盡量減少畫面損失，保持圖像的原有狀態(tài)；增加畫面色彩對比強(qiáng)度，有助于豐富圖像的色彩，使得畫面效果更加逼真、生動，便于茶葉品質(zhì)鑒定工作的開展；最后截取圖片，方便后續(xù)分析工作中單株茶葉的分離和觀察，使分析結(jié)果更加具有科學(xué)性和說服力。

3 EM算法在計算機(jī)處理茶葉品質(zhì)視覺分析中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的茶葉品質(zhì)鑒定工作常習(xí)慣于通過人工品嘗和檢定，這種鑒定方式雖然在實踐經(jīng)驗上略勝一籌，但是難免會受到人類主觀情感或個人喜好的影響。因此，堆茶葉品質(zhì)的鑒定結(jié)果也具有一定的不準(zhǔn)確性。EM算法基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計概率原理，通過循環(huán)迭代，確保了測量結(jié)果的科學(xué)性和可信性，具有一定的可行性?；诖?，從茶葉顏色、畫面光線及茶葉形態(tài)三個方面闡述EM算法的應(yīng)用價值。

3.1 應(yīng)用EM算法處理茶葉的顏色

就新鮮茶葉而言，越是青翠欲滴的嫩芽越容易給人新鮮、健康、高質(zhì)量的印象；而對于成茶來說，顏色則越顯陳舊越好，針對不同品種的茶葉需具體情況具體分析，因此，如果僅憑人的肉眼對茶葉的品質(zhì)進(jìn)行評判，那是相當(dāng)不可取的。先進(jìn)的計算機(jī)視覺分析系統(tǒng)通過特定的顏色識別裝置，例如RGB模型或者HSI模型，從一系列茶葉中捕捉到不同的茶葉顏色，應(yīng)用EM算法原理，通過循環(huán)系統(tǒng)挑選出最適宜的茶葉顏色，然后以該類顏色為主色調(diào)，對茶葉圖像進(jìn)行調(diào)整處理，營造更好的視覺效果。

3.2 應(yīng)用EM算法處理畫面的光線

對于一組圖片來說，光線的強(qiáng)弱及選取角度的不同會對畫面質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為使茶葉圖像看起來更加具有高質(zhì)量、高品質(zhì)的效果，可以將計算機(jī)視覺分析系統(tǒng)與EM算法理論相結(jié)合，不斷調(diào)整畫面的光線效果，借助敏感準(zhǔn)確的光線對比裝置，確定出最能凸顯茶葉品質(zhì)特色的光亮度。既有利于完善畫面整體效果，又可以幫助計算機(jī)視覺分析系統(tǒng)完善相關(guān)方面的評判標(biāo)準(zhǔn)和方式。

3.3 應(yīng)用EM算法處理茶葉的形態(tài)

人們不能親自品嘗茶葉的味道，所以需要從視覺角度多方面對茶葉的品質(zhì)進(jìn)行鑒定評價，以期做出更加合理、準(zhǔn)確和科學(xué)的茶葉品質(zhì)鑒定結(jié)果。除了從茶葉顏色及畫面光線這兩個角度進(jìn)行分析，茶葉的形態(tài)特點也是判斷茶葉品質(zhì)高低的重要突破點，以廣西六堡茶為例，EM算法體系中可以統(tǒng)計出六堡茶的不同形態(tài)，建立概率參數(shù)模型，計算出最大概率的茶葉形態(tài)，以此作為計算機(jī)視覺分析系統(tǒng)處理茶葉圖像的基本標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上保證了視覺角度上茶葉的優(yōu)秀品質(zhì)。

4 結(jié)論

茶在人們心中一直有著不可替代的地位，隨著人們對更高生活質(zhì)量的不斷追求，買好茶、品好茶、喝好茶成為人們集體追尋的目標(biāo)。因此，就需要有一個對各種茶葉品質(zhì)進(jìn)行鑒別品質(zhì)的綜合系統(tǒng)。以其為根本原則，幫助人們選擇出優(yōu)質(zhì)茶葉，不斷實現(xiàn)高質(zhì)量生活水平的目標(biāo)。EM算法是計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛的基礎(chǔ)算法，在計算機(jī)視覺系統(tǒng)圖像處理方向上，具有一定的借鑒意義和指導(dǎo)價值，文中基于EM算法，淺要談?wù)摿似湓谟嬎銠C(jī)處理茶葉品質(zhì)視覺分析的作用。

[1]邱藤.基于高斯混合模型的EM算法及其應(yīng)用研究[D].電子科技大學(xué)2015

[2]周國清,唐曉芳.計算機(jī)視覺及其應(yīng)用[J].中國計算機(jī)用戶.2014 (08):87-89

課題項目：2015年度廣西職業(yè)教育教學(xué)改革立項項目“職業(yè)競爭力導(dǎo)向的工作過程—支撐平臺系統(tǒng)化”高職軟件技術(shù)專業(yè)課程體系研究與設(shè)計

孔麗云（1981-），女，廣西柳州人，碩士研究生，講師，研究方向：數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)。