基于機(jī)器視覺系統(tǒng)佛手炮制前后的判別及顏色-成分相關(guān)性分析

陳維玲，陳倩茹，孟江，李旺君，陳燁昕，陳志維，張戴英

（1.廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院/國(guó)家中醫(yī)藥管理局中藥數(shù)字化質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)研究室/廣東高校中藥質(zhì)量工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006；2.廣州至信中藥飲片有限公司，廣東 廣州 511400；3.東莞廣州中醫(yī)藥大學(xué)研究院，廣東 東莞 523000；4.廣東和翔制藥有限公司，廣東 廣州 510000）

佛手是蕓香科植物佛手Citrus medicaL. var.Sarco-dactylis Swingle 的干燥果實(shí)。其性辛、苦、酸、溫，歸肝、脾、胃、肺經(jīng)。具有疏肝理氣、和胃止痛、燥濕化痰的作用，用于肝胃氣滯、胸脅脹痛、胃脘痞滿、食少嘔吐、咳嗽痰多等癥狀[1]。在嶺南地區(qū)，臨床使用的佛手飲片多為蒸制后的制佛手，蒸后其辛燥之性降低[2]。目前對(duì)佛手炮制前后的質(zhì)量控制，多依靠人體感官為主進(jìn)行鑒別，2020 年版《中華人民共和國(guó)藥典》關(guān)于佛手的標(biāo)準(zhǔn)為“外皮黃綠色或橙黃色，有皺紋和油點(diǎn)。果肉淺黃白色或淺黃色，散有凹凸不平的線狀或點(diǎn)狀維管束。質(zhì)硬而脆，受潮后柔韌。氣香，味微甜后苦”[1]。關(guān)于蒸佛手性狀描述為：“蒸后呈棕黃色或棕黑色”[2]。傳統(tǒng)的質(zhì)量鑒別方法具有較強(qiáng)的主觀性，且易受到周圍環(huán)境的影響，無(wú)法客觀標(biāo)準(zhǔn)化。

機(jī)器視覺是指計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，對(duì)客觀世界的三維場(chǎng)景進(jìn)行感知、識(shí)別和理解，具有非破壞性、精度高、成分效率高、信息量大、靈活等特點(diǎn)[3]。它可以在保證高精度圖像識(shí)別和高靈活圖像處理的同時(shí)快速地在海量信息中獲取所需要的信息，將大量圖像信息輸入到計(jì)算機(jī)中構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件與建立的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行互相配合，在短時(shí)間內(nèi)快速地比對(duì)提取到的重要特征信息，完成數(shù)據(jù)信息分析、對(duì)比、去除和保持等[4]。機(jī)器視覺融合機(jī)器學(xué)習(xí)可以對(duì)中藥材的顏色特征進(jìn)行采集，從而轉(zhuǎn)化成數(shù)字，利用計(jì)算機(jī)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)對(duì)飲片進(jìn)行實(shí)際鑒別和質(zhì)量控制。目前，機(jī)器視覺系統(tǒng)在中藥飲片的定性定量分析中得到廣泛應(yīng)用。

佛手中的主要活性成分為黃酮及其苷類、香豆素類等化合物[5]。現(xiàn)代藥理研究表明，佛手中的香豆素具有抗感染、抗菌、抗癌、降血脂等作用[6]，其中6，7-二甲氧基香豆素有抗感染、抗腫瘤、保肝和心血管活性等作用[7?8]；莨菪亭具有抑菌、抗衰老、抗感染、鎮(zhèn)痛、利尿、保肝等多種藥理作用[9]。佛手中的類黃酮可以降低血清中的脂質(zhì)水平[10]，其主要活性單體成分橙皮苷可以改善2型糖尿病的胰島素抵抗指數(shù)[11]。本文選擇橙皮苷、6，7-二甲氧基香豆素、莨菪亭為佛手和蒸佛手的指標(biāo)性成分，采用HPLC 法測(cè)定這3 種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再通過(guò)機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)飲片顏色特征進(jìn)行數(shù)字化信息處理，利用主成分分析（principal component analysis,PCA）、線性判別分析（principal component analysis,LDA）、偏最小二乘法-判別分析（partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA）和支持向量機(jī)（support vector machine, SVM）等機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立快速判別模型，并對(duì)其顏色特征值與各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，為佛手炮制工藝的控制和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。具體研究思路見圖1。

圖1 佛手炮制前后顏色-成分相關(guān)性分析的研究思路圖Figure 1 The research idea diagram of color component correlation analysis before and after the processing of Citrus medica

1 儀器、材料與試藥

1.1 儀器

LC-20A 型HPLC 儀（日本Shimadzu 公司）、JP-105A型高速多功能粉碎機(jī)（永康市久品工貿(mào)有限公司）、BSA124S 型萬(wàn)分之一電子天平（德國(guó)Sartorius公司）、KQ-300DE 型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司，功率150 W、頻率40 kHz）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包括光箱（封閉反光板組成）、光源（光箱頂部?jī)蓚?cè)各帶2 個(gè)18 W 燈管，其光源色溫為5400 K）（見圖2）、FUJI X-T2 型數(shù)碼相機(jī)（日本Fuji 公司）。

圖2 機(jī)器視覺系統(tǒng)Figure 2 Machine vision system

1.2 藥品與試劑

收集廣東不同飲片企業(yè)的生制佛手樣品共60批，經(jīng)廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院劉基柱副教授鑒定為蕓香科植物佛手Citrus medicaL.var.sarco-dactylis Swingle 的干燥果實(shí)的炮制加工品，詳細(xì)信息見表1，佛手飲片見圖3。其中生品（S1～S30）和炮制品（Z1～Z30）各30 批，制佛手按照《廣東省中藥飲片炮制規(guī)范》進(jìn)行炮制：噴水后蒸2～3 h，取出，曬干。6，7-二甲氧基香豆素（批號(hào)：CHB201102）、莨菪亭（批號(hào)：CHB201202）均購(gòu)自成都克洛瑪生物科技有限公司，橙皮苷（批號(hào)：RFS-C00601910011）購(gòu)自成都瑞芬思生物科技有限公司，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于98%。甲醇、乙腈為色譜純，水為屈臣氏蒸餾水。

表1 佛手飲片樣品信息表Table 1 Sample information of Citrus Medica

圖3 佛手飲片原始圖像Figure 3 Original image of Citrus Medica

2 方法與結(jié)果

2.1 多成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

2.1.1 混合對(duì)照品儲(chǔ)備液的制備 分別取橙皮苷、6，7-二甲氧基香豆素、莨菪亭對(duì)照品適量，精密稱定，置棕色容量瓶中加甲醇定容配置成質(zhì)量濃度分別為228.00、76.50、74.25 μg/mL 的混合對(duì)照品儲(chǔ)備液，密封置于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

2.1.2 供試品溶液的制備 取已過(guò)5 號(hào)篩的佛手生品和制品粉末各1 g，分別精密稱定，置于具塞錐形瓶中，精密加入甲醇10 mL，蓋緊瓶蓋，置KQ-300DE 型數(shù)控超聲波清洗器中超聲45 min，放至室溫，用甲醇補(bǔ)足質(zhì)量，搖勻，靜置，取上層溶液，過(guò)0.22 μm微孔濾膜，取濾液，密封保存。

2.1.3 色譜條件 色譜柱為UltimateTMXB-C18色譜柱（5μm，4.6 mm×250 mm），流動(dòng)相為0.1%甲酸水溶液（A）-乙腈（B），梯度洗脫：0～5 min，15%（體積分?jǐn)?shù)，下同）B→23%B；5～15 min，23%B→28%B；15～30 min，28%B→50%B；30～46 min，50%B→85%B；46 ～47 min，85%B→95%B；47 ～50 min，95%B→98%B。檢測(cè)波長(zhǎng)：330 nm；柱溫：35 ℃；流速：0.8 mL/min；進(jìn)樣量：20 μL。

2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 精密吸取“2.1.1”項(xiàng)下混合對(duì)照品溶液，照倍比稀釋法分別吸取0.5、1.0、2.5 和5.0 mL 的混合對(duì)照品溶液，放置在10 mL 棕色容量瓶中，用甲醇定容，與混合對(duì)照品儲(chǔ)備液組成5個(gè)濃度梯度的混合對(duì)照品溶液。按“2.1.3”項(xiàng)下色譜條件進(jìn)樣分析，以對(duì)照品質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（X）、其峰面積為縱坐標(biāo)（Y）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得到橙皮苷、莨菪亭、6，7-二甲氧基香豆素的回歸方程分別為Y1=2.639 2×104X1?2.984 2×104（R12=0.999 3），線性范圍為7.125 0～228.000 μg/mL；Y2=7.960 2×104X2?3.007 9×104（R22=0.999 8），線性范圍為2.390 9～76.500 μg/mL；Y3=8.520 1X3?2.764 5（R32=0.999 8），線性范圍為2.320 3～74.250 μg/mL。

2.1.5 方法學(xué)考察

2.1.5.1 精密度考察 取同一批佛手粉末（S6），按照“2.1.2”項(xiàng)下方法制備供試品溶液，按“2.1.3”項(xiàng)下色譜條件，連續(xù)進(jìn)樣6 次測(cè)定。計(jì)算得到橙皮苷、6，7-二甲氧基香豆素、莨菪亭峰面積的RSD 值分別為3.19%、2.16%、1.75%，均小于4%，說(shuō)明儀器的精密度良好。

2.1.5.2 樣品穩(wěn)定性考察 取同一供試品溶液（S6），分別于室溫下放置0、2、4、8、12、24 h 后，按“2.1.3”項(xiàng)下色譜條件進(jìn)樣測(cè)定。計(jì)算得到樣品中橙皮苷、6，7-二甲氧基香豆素、莨菪亭峰面積的RSD 值分別為0.67%、1.73%、1.47%，表明供試品溶液在24 h 內(nèi)穩(wěn)定性良好。

2.1.5.3 重復(fù)性試驗(yàn) 取同一批次（S6）供試品粉末6份，精密稱定，按“2.1.2”項(xiàng)下方法制備供試品溶液，按“2.1.3”項(xiàng)下色譜條件測(cè)定，計(jì)算供試品中橙皮苷、6，7-二甲氧基香豆素、莨菪亭的峰面積，得到橙皮苷、6，7-二甲氧香豆素、莨菪亭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為740.47、44.71、51.46 μg/g，RSD 值分別為1.72%、4.24%、4.22%（n=6），表明方法重復(fù)性良好。

2.1.5.4 加樣回收率試驗(yàn) 精密稱取已知3 種成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的佛手粉末0.5 g，共6 份，按照1∶1 的比例分別加入橙皮苷、6，7-二甲氧基香豆素、莨菪亭對(duì)照品，按“2.1.2”項(xiàng)下方法制備供試品溶液，按“2.1.3”項(xiàng)下色譜條件測(cè)定，計(jì)算得到加樣回收率分別為：橙皮苷92.28%（RSD 值1.29%）、6，7-二甲氧基香豆素101.54%（RSD 值1.85%）、莨菪亭105.17%（RSD值1.90%），表明本方法具有良好的回收率。

2.1.6 質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定 分別取表1中的佛手生品、制品粉末60 批，按“2.1.2”項(xiàng)下方法制備供試品溶液，按“2.1.3”項(xiàng)下色譜條件進(jìn)樣分析，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，記錄各樣品的峰面積，采用外標(biāo)法計(jì)算樣品中3 種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示，佛手炮制后6，7-二甲氧基香豆素、莨菪亭質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有不同程度升高，其中6，7-二甲氧基香豆素的升高有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）；而橙皮苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低亦有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），可能是佛手蒸制后橙皮苷會(huì)水解轉(zhuǎn)化為其苷元橙皮素，而致其含量下降。

圖4 佛手生品、制品中3種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果Figure 4 The contents of three components in the raw and processed Citrus Medica（n=30）

2.2 基于機(jī)器視覺技術(shù)的佛手生品、制品樣品的圖像采集與處理

2.2.1 拍攝參數(shù)設(shè)置 手動(dòng)對(duì)焦模式，光圈F/8，快門速度1/60 s，IOS 200，圖像色彩為RGB 模式，分辨率為4 000×4 000，圖像保存格式為jpeg格式。在燈箱底部的正中央放置1 張白紙，將飲片置于白紙上，以減少背景顏色的干擾；采用三腳架固定鏡頭角度垂直向下以防止角度偏移或拍攝過(guò)程中抖動(dòng)引起飲片圖像失真。

2.2.2 目標(biāo)區(qū)域選擇 RGB色空間中，純黑色（R=0，G=0，B=0）背景能最大限度地減少背景的干擾，因此對(duì)飲片圖像進(jìn)行前景與背景的分離。采用Matlab 中的Image segmenter 工具箱對(duì)佛手生品和制品的飲片圖像進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域選擇，結(jié)果如圖5 所示。圖像勾畫前的紅色框?yàn)檐浖詣?dòng)識(shí)別飲片主體部分，藍(lán)色部分是在勾畫前景后計(jì)算機(jī)通過(guò)學(xué)習(xí)所識(shí)別到的前景區(qū)域，通過(guò)勾畫背景色對(duì)背景進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，然后將背景部分的顏色替換為黑色。

圖5 佛手生品目標(biāo)區(qū)域選擇前后的圖像Figgure 5 The image before and after selecting of Citrus Medica target region

2.2.3 顏色特征的提取和轉(zhuǎn)化

2.2.3.1 RGB 色空間特征值 RGB 色空間是在數(shù)字圖像處理的顏色模型中最基本的一種模型，這個(gè)模型中其他顏色都是由紅色、藍(lán)色、綠色3種顏色相互疊加而形成。其中，R（red，紅色）、G（green，綠色）、B（blue，藍(lán)色）為RGB 色空間3 條坐標(biāo)軸，在量化后所得的數(shù)值范圍為0～255，其中0 值為顏色最暗時(shí)的數(shù)值，255 為顏色最亮?xí)r的數(shù)值[12]。本試驗(yàn)使用Matlab 軟件對(duì)圖片顏色特征進(jìn)行提取，提取使用的代碼參考前期課題組編寫的代碼，最終得讀取的飲片圖像的R、G、B顏色值。

2.2.3.2 L*a*b*色空間特征值 在L*a*b*色空間中通過(guò)L*值、a*值和b*值來(lái)表示顏色在色空間中的位置。其中L*為顏色的亮度；a*和b*為顏色通道，a*為紅綠軸，正值表示紅色，負(fù)值表示綠色；b*為黃藍(lán)軸，正值表示黃色，負(fù)值表示藍(lán)色。由于RGB 顏色空間對(duì)顏色認(rèn)知屬性的表達(dá)不直觀，且無(wú)法從2 種顏色的空間幾何關(guān)系中得到它們的認(rèn)為知覺差異，而Lab空間所計(jì)算處理顏色的偏差程度跟人們的主觀感受相似，所以需要將試驗(yàn)所得的佛手生品和制品的飲片圖像從RGB 模型轉(zhuǎn)換成L*a*b*模型。但RGB顏色空間無(wú)法直接轉(zhuǎn)換成L*a*b*顏色空間，所以需要借助三刺激值XYZ 作為過(guò)渡，先將RGB 顏色空間轉(zhuǎn)換成三刺激值XYZ，再轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)*a*b*顏色空間[13]。該轉(zhuǎn)換過(guò)程所用的轉(zhuǎn)換公式參考前期課題組編寫的轉(zhuǎn)換公式[14]，最終得到L*、a*、b*值。

2.2.3.3 HSV 色空間特征值 HSV 色空間是一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的，能將色調(diào)（H）、飽和度（S）和亮度（V）分離的顏色空間。其中，色調(diào)是色彩的基本屬性，其取值范圍為0°～360°；飽和度為顏色純度，取值范圍為0%～100%；亮度值表示顏色亮度，取值范圍為0%～100%。HSV 模型可由RGB 模型轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換是非線性的[15]。該過(guò)程的轉(zhuǎn)換公式參考前期課題組編寫的轉(zhuǎn)換公式[14]，最終得到H、S、V值。

2.2.4 機(jī)器視覺技術(shù)的精密度和穩(wěn)定性考察 取佛手樣品（S3）飲片1 片，按“2.2.1”項(xiàng)下拍攝參數(shù)在同一時(shí)間點(diǎn)內(nèi)連續(xù)拍攝6次考察機(jī)器視覺技術(shù)的精密度，連續(xù)6 d 在同一時(shí)間點(diǎn)拍攝考察機(jī)器視覺技術(shù)的穩(wěn)定性，并按“2.2.2”項(xiàng)下圖像預(yù)處理和“2.2.3”項(xiàng)下圖像顏色特征提取方法提取顏色特征。9 個(gè)顏色特征值的RSD 值均小于3%，表明機(jī)器視覺技術(shù)的精密度、穩(wěn)定性良好。

2.2.5 佛手炮制前后樣品的顏色測(cè)定 為保證樣品的代表性和均勻性，在對(duì)佛手生品和佛手制品進(jìn)行顏色測(cè)量時(shí)，選擇在每批次中隨機(jī)抽取24片飲片按“2.2.1”項(xiàng)的拍攝參數(shù)進(jìn)行拍攝，共獲取1 440 張樣品圖像。將獲得的飲片圖像按照“2.2.2”項(xiàng)下圖像預(yù)處理和“2.2.3”項(xiàng)下方法提取其顏色特征值，結(jié)果見表2。在RGB 顏色空間中，佛手在經(jīng)過(guò)炮制后R、G、B3 個(gè)特征值均降低，這也造成了佛手炮制后外觀明亮度的降低，即在L*a*b*顏色空間中L*和b*的值也相應(yīng)降低，這與佛手炮制后外觀顏色從淺黃色或淺棕色變成深褐色或黑色相吻合。a*值相對(duì)變化較小，說(shuō)明紅綠色有輕微變化，顏色向少綠多紅的方向輕微偏移，而b*值減小量較大，說(shuō)明黃藍(lán)色的組成發(fā)生較大的變化，顏色向少黃多藍(lán)的方向偏移，說(shuō)明佛手在炮制后受黃藍(lán)色的變化影響較大。在HSV 顏色空間中，佛手炮制后H值降低的變化較大，說(shuō)明圖像中的色調(diào)變化較大，佛手在炮制后由淺棕色變?yōu)樯詈稚踔梁谏兓^大，也因?yàn)檫@個(gè)原因，S值即飽和度也隨著顏色的加深而增大。與S值的變化趨勢(shì)相反，明亮度V隨著顏色的加深而減小，這可能是顏色加深使得樣品黑色面積增大而導(dǎo)致。

表2 佛手炮制前后的顏色特征值測(cè)定結(jié)果Table 2 Results of color characteristic values before and after processing of Citrus medica（n=720）

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的佛手生品與佛手制品的顏色定性判別分析

2.3.1 PCA 模型的判別分析 將佛手生品和制品的顏色特征值進(jìn)行歸一化處理作為輸入變量，建立基于顏色特征的PCA 模型判別。獲得2 個(gè)主成分因子：分別從數(shù)據(jù)差異性最大和次大的方向提取出來(lái)，稱為主成分1（principal component 1, PC1）和主成分2（principal component 2, PC2），PC1 的解釋程度達(dá)到98.6%，模型穩(wěn)定良好。該P(yáng)CA 模型的2 種主成分的累計(jì)解釋變量達(dá)到99.43%，見圖6。即這2種主成分?jǐn)?shù)能夠解釋佛手生品和制品樣品99.43%的顏色特征，提取的信息具有較好的特征性和代表性。圖7為PCA模型得分圖，由圖可知，佛手的顏色特征在炮制前后具有高度分離的趨勢(shì)，沒有重合的部分。同時(shí)發(fā)現(xiàn)制品較生品的顏色特征分散，代表制品的類趨（class potential）跨度較大，可能是制品顏色較深，不同樣品的個(gè)體之間的炮制程度存在差異，顏色差距也相對(duì)較大而導(dǎo)致；而生品的點(diǎn)較為集中，部分點(diǎn)存在重合現(xiàn)象，可能是生品顏色較淺，為淺黃色或淺棕色，不同樣品的個(gè)體之間顏色特征差別不大的原因。PCA模型得分圖表明將顏色特征數(shù)值化客觀化來(lái)鑒別佛手生品和制品具有一定的可行性，但仍存在一定的誤差，后續(xù)實(shí)驗(yàn)將采用有監(jiān)督模式識(shí)別方法提高判別的準(zhǔn)確率。

圖6 PCA模型前6個(gè)主成分的解釋變量與累計(jì)解釋變量圖Figure 6 Explanatory variables and cumulative explanatory variables of the first 6 principal components of PCA model

圖7 佛手與制佛手PCA模型得分結(jié)果Figgure 7 Score results of PCA model of Citrus Medica and Steamed Citrus Medica

2.3.2 有監(jiān)督模式識(shí)別的佛手炮制前后的判別 為提高模型對(duì)佛手炮制前后的判別效果，基于樣品圖像提取的顏色特征值，采用有監(jiān)督模式識(shí)別方法，包括LDA、PLS-DA、SVM3 種有監(jiān)督的模式識(shí)別方法。以佛手生品和制品樣品的9 個(gè)顏色特征數(shù)值（R、G、B、L*、a*、b*、H、S、V）作為自變量。以佛手的生品、制品作為因變量建立判別模型，使用10 折交叉驗(yàn)證法評(píng)價(jià)判別模型的性能。10 折交叉驗(yàn)證法是將原始數(shù)據(jù)集隨機(jī)劃分為樣品數(shù)量近乎相近的10個(gè)子集，輪流將其中的9個(gè)子集合并成訓(xùn)練集，而剩余的1 個(gè)子集作為測(cè)試集，在每次試驗(yàn)中計(jì)算正確率等評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終通過(guò)10次試驗(yàn)后取試驗(yàn)所得的評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值來(lái)評(píng)估該模型的泛化能力的驗(yàn)證方法[16]。本次試驗(yàn)共有佛手生制樣品60 批，按2∶1 的比例隨機(jī)劃分訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，得到訓(xùn)練集40 批（生品的17 批和制品的23 批）與驗(yàn)證集20 批（生品的13批和制品的7批），訓(xùn)練集用來(lái)訓(xùn)練模型，從而選出模型的最佳參數(shù)；驗(yàn)證集用于測(cè)試模型的應(yīng)用效果。本實(shí)驗(yàn)所用的3個(gè)判別模型的驗(yàn)證結(jié)果如表3 所示，從識(shí)別結(jié)果可以看出其對(duì)樣品的識(shí)別效果均良好，訓(xùn)練集在訓(xùn)練時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)佛手生品和制品之間顏色特征值的規(guī)律效果較好，正確判別率均為100%，且驗(yàn)證集的正確判別率也為100%。由此可見，LDA、PLS-DA、SVM3個(gè)模型均可以對(duì)佛手生品和制品的顏色特征值進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的鑒別。

表3 LDA、PLS-DA和SVM判別模型識(shí)別結(jié)果Table 3 Identification results of LDA，PLS-DA and SVM discriminant models

2.4 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的佛手炮制前后的顏色-成分相關(guān)性分析

使用SPSS 軟件機(jī)器視覺所測(cè)定得到的9 個(gè)顏色特征值與佛手生品和制品的3種成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。結(jié)果顯示橙皮苷和6，7 二甲氧基香豆素與9 個(gè)顏色特征值間的Pearson 相關(guān)性均大于0.4，相關(guān)性良好，而莨菪亭與9個(gè)顏色特征值間的Pearson相關(guān)性均小于0.4，說(shuō)明其相關(guān)性較弱。其中，橙皮苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與R、G、B、L*、b*、H、V這7 個(gè)特征值均具有顯著差異性，除與a*、S這2個(gè)特征值呈負(fù)相關(guān)外，其余均為正相關(guān)，說(shuō)明一定程度上R、G、B、L*、b*、H、V值減小，橙皮苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而a*、S值減小，橙皮苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而升高；6，7-二甲氧基香豆素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與R、G、B、L*、b*、H、V這7 個(gè)特征值呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明一定程度上R、G、B、L*、b*、H、V值減小，6，7-二甲氧基香豆素質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。Pearson 相關(guān)性分析說(shuō)明炮制前后佛手飲片的顏色變化與上述3種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化有關(guān)，揭示了佛手炮制前后化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其顏色的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

表4 佛手炮制前后的圖像顏色特征值與有效成分的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果Table 4 Results of Pearson correlation analysis between color characteristic values and active components of the image before and after processing of Citrus Medica

3 討論

根據(jù)藥材的外觀性狀特征來(lái)綜合判斷藥材的真?zhèn)蝺?yōu)劣是一種具有中醫(yī)藥特色的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，這種質(zhì)量評(píng)價(jià)體系被著名中藥學(xué)家謝宗明先生概括為“辨狀論質(zhì)”，是中藥傳統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)的精髓[17]，說(shuō)明了中藥外觀性狀特征評(píng)價(jià)在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中的重要性。而機(jī)器視覺和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)比較，其在客觀量化形色方面有一定優(yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)鑒別的一種有益補(bǔ)充[18]。本文以佛手生品與佛手制品為研究對(duì)象，通過(guò)圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飲片外觀顏色的客觀量化，通過(guò)研究確定佛手炮制前后的顏色特征及其顏色特征值范圍。其中符合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)鑒別的佛手生品的顏色特征范圍為：R（187.047～209.077）、G（152.648～183.082）、B（113.791～150.143）、L*（65.768～76.067）、a*（2.932～9.969）、b*（13.799～26.313）、H（30.630～34.890）、S（20.737～40.416）、V（73.352～82.265）；符合《廣東省中藥飲片炮制規(guī)范》的佛手制品顏色特征值范圍為R（43.642～136.578）、G（30.153～92.509）、B（27.235～64.834）、L*（12.923～43.443）、a*（6.102～15.724）、b*（4.642～23.341）、H（10.246～22.856）、S（34.491～58.781）、V（17.115～53.560）。并通過(guò)HPLC 法測(cè)定3 種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探究佛手與蒸佛手外觀顏色與有效成分的相關(guān)性。結(jié)果表明LDA、PLS-DA 和SVM 模型在外部驗(yàn)證中正判率均達(dá)100%，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)佛手生品和佛手制品的快速、準(zhǔn)確鑒別。通過(guò)顏色與質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)橙皮苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與R、G、B、L*、b*、H、V值呈顯著正相關(guān)性，與a*、S值呈顯著負(fù)相關(guān)；6，7-二甲氧基香豆素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與R、G、B、L*、b*、H、V值呈顯著的負(fù)相關(guān)性。初步證明了佛手炮制前后化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其顏色的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，確定了佛手中有效物質(zhì)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與外觀顏色存在相關(guān)性。綜上所述，機(jī)器視覺系統(tǒng)可為佛手及其他中藥飲片的質(zhì)量鑒別及炮制程度的控制提供一種快速、簡(jiǎn)單、高效的質(zhì)量檢測(cè)方法，可為批量大生產(chǎn)和智能化生產(chǎn)提供科學(xué)分析依據(jù)。