卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在茶葉分級(jí)中的應(yīng)用

俞文昌 徐雅雯 程英杰 彭子瑞

摘要：對(duì)茶葉客觀、準(zhǔn)確、方便和高效分級(jí)對(duì)維護(hù)茶葉市場(chǎng)穩(wěn)定和保證消費(fèi)者權(quán)益有著重要意義。當(dāng)前茶葉分級(jí)方法存在主觀性強(qiáng)、需要專業(yè)設(shè)備、操作不便等問(wèn)題。文章提出了一種使用智能手機(jī)拍攝的茶葉圖像，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉等級(jí)的判定方法。方法將茶葉分級(jí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為圖像分類問(wèn)題，通過(guò)拍攝不同等級(jí)茶葉圖像訓(xùn)練模型后，模型即可通過(guò)茶葉圖像識(shí)別相應(yīng)茶葉等級(jí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證常見(jiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ResNet18、ResNet50、GoogleNet和DensenNet均能夠準(zhǔn)確識(shí)別六種不同等級(jí)綠茶。該方法對(duì)茶葉圖像沒(méi)有特殊要求，操作方便、識(shí)別效率高。

關(guān)鍵詞： 茶葉分級(jí);計(jì)算機(jī)視覺(jué);農(nóng)業(yè)信息化;卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);圖像分類

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）23-0110-04

Abstract：Abstract Objective， accurate， convenient and efficient tea grading is of great significance to maintain the stability of tea market and ensure the rights and interests of consumers. At present， there are some problems in tea grading， such as strong subjectivity， need of professional equipment， inconvenient operation and so on. In this paper， a method of using convolution neural network to judge the grade of tea is proposed. Methods the problem of tea classification was transformed into the problem of image classification. After training the model by taking different levels of tea images， the model could recognize the corresponding tea levels through the tea images. Experiments show that the common convolutional neural networks resnet18， resnet50， googlenet and densenet can accurately recognize six different grades of green tea， and this method has no special requirements for tea image， which is easy to operate and has high recognition efficiency.

Key words：tea grading; computer vision; agricultural information; convolution neural network; image classification

1? 引 言

茶葉在我國(guó)廣受消費(fèi)者歡迎且具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，我國(guó)茶葉生產(chǎn)和消費(fèi)穩(wěn)居世界第一[1]。茶葉按照外形、香氣、湯色、滋味和葉底分為不同等級(jí)，不同等級(jí)茶葉銷售價(jià)格有著巨大的差異。以黃山毛峰茶為例，按照《黃山毛峰茶國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》可分為特一級(jí)、特二級(jí)、特三級(jí)、一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)六個(gè)不同等級(jí)，每千克黃山毛峰因等級(jí)不同售價(jià)從幾百元到幾萬(wàn)元不等。準(zhǔn)確、客觀、便捷區(qū)分茶葉等級(jí)對(duì)保證茶葉市場(chǎng)有序和維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益有著重要意義。

2? 相關(guān)研究

當(dāng)前茶葉分級(jí)方法可分為專家分級(jí)、基于理化分析分級(jí)和基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)分級(jí)。傳統(tǒng)的茶葉分級(jí)由專業(yè)的品茶師來(lái)實(shí)現(xiàn)茶葉分級(jí)，評(píng)茶師可以從形香色味全面評(píng)鑒，但也容易受到評(píng)茶師主觀因素影響，并且品茶師培養(yǎng)周期長(zhǎng)。

隨著技術(shù)進(jìn)步出現(xiàn)基于理化分析的分級(jí)方法。通過(guò)專業(yè)儀器量化分析茶湯中各種礦物質(zhì)元素和味道以實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉的分級(jí)。潘玉成等[2]、薛丹等[3]、莊雅婷等[4]利用電子舌提取茶湯相關(guān)特征，再使用PCA、FDA、LDA等模式識(shí)別方法區(qū)分不同等級(jí)茶葉。薛大為[5]利用電子鼻提取的黃山毛峰茶氣味特征，再利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)茶葉等級(jí)劃分。鄒光宇等[6]提出了一種電子舌/鼻融合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉等級(jí)的劃分?；诶砘炕治龅姆椒ㄐ枰獙I(yè)的設(shè)備，操作復(fù)雜。

基于茶葉圖像的茶葉分級(jí)方法也受到廣泛關(guān)注。童陽(yáng)等[7]提出利用小波變換提取茶葉圖片紋理特征、利用不同顏色通道模型提取茶葉圖片顏色特征，最后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)碧螺春茶4個(gè)等級(jí)的區(qū)分。宋彥等[8]提出利用茶葉圖片提取茶葉長(zhǎng)、寬、面積、周長(zhǎng)、外接矩長(zhǎng)、寬等六個(gè)維度特征再利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等模式識(shí)別算法區(qū)分不同等級(jí)茶葉。這些基于圖像的茶葉分級(jí)方法由于提取的是茶葉圖像較低維特征、對(duì)茶葉圖像拍攝的光照、角度、距離有較高要求，需要專業(yè)工業(yè)相機(jī)在暗箱中拍攝，拍攝成本高，拍攝不便。

針對(duì)以上提到的各種方法中的不足，本文提出一種利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取茶葉照片的高維特征以實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉分級(jí)的方法。這種方法具有以下優(yōu)勢(shì)：1）對(duì)圖片的要求不高，利用普通智能手機(jī)攝像頭拍攝即可;2）識(shí)別方便利用智能手機(jī)拍攝上傳服務(wù)器實(shí)時(shí)識(shí)別;3）識(shí)別準(zhǔn)確率高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)六種不同等級(jí)價(jià)格的綠茶實(shí)驗(yàn)，識(shí)別準(zhǔn)確率98%以上。