计算机视觉在定量描述茶叶色泽变化中的应用研究

周亚罗，许金钢，刘文广（.华北理工大学电气工程学院，河北唐山063009；.首钢京唐钢铁联合有限责任公司制造部，河北唐山063000）



计算机视觉在定量描述茶叶色泽变化中的应用研究

周亚罗1，许金钢1，刘文广2
（1.华北理工大学电气工程学院，河北唐山063009；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司制造部，河北唐山063000）

摘要：茶叶的色泽变化很难通过计算机来表现，因此我们为了能够在计算机之中更好的对茶叶的理想颜色模型进行模拟，就需要改进计算机的颜色描述系统，选择HIS（计算机视觉）的颜色系统，在这个基础之上对不同年份的茶叶色泽进行测量，研究计算机视觉在定量描述茶叶色泽变化中的应用。

关键词：计算机视觉；定量描述；茶叶；色泽

周亚罗（1982-），女，河北安平人，硕士，讲师，研究方向：电子技术与应用。

许金钢（1978-），男，河北玉田人，硕士生，讲师，研究方向：机电一体化技术。

刘文广（1978-），男，河北赵县人，硕士，工程师，研究方向：轧钢工艺。

对于茶叶的质量评定，我国拥有一套比较完善的体系，茶叶的内质评定有香气、滋味、汤色与叶底四个因子；茶叶的外形也是从四个方面来对茶叶进行综合的评价，首先就是干茶色泽评价；其次是茶叶的嫩度；再次是条索；最后是净度。茶叶的色泽评定一般都是通过人工进行的，视觉和嗅觉以及触觉的利用，尤其是通过人眼的观察，能够比较准确的综合评定茶叶。我们在人眼观察之后，就可以利用计算机的视觉技术来将茶叶的相关特征定量的描述出来，更加直接的显示出茶叶的质量。茶叶的感官审评能够决定茶叶的香气和口味，二者之间存在着内在的联系，在国外就有茶叶专家利用相关的图像处理技术来提取茶叶的形状，从而进行进一步的质量评价，通过这样的方式来评价茶叶是茶叶评定的一大突破。

茶叶的色泽评定有时候不能仅仅依靠人的双眼，由于人在对茶的色泽进行评定的时候会受到颜色辨别以及视觉生理和心理等因素的影响，所以每一个人对茶叶的色泽辨别都存在差异。利用计算机视觉定量来对茶叶的色泽进行色觉的模拟，就不容易受到人生理和心理等因素的影响，我们只需要通过检查茶叶的外观质量，就能够得到一致的检测结果，所以能够在一定程度之上客观的对茶叶色泽进行标准的评价，所以其评价的结论具有稳定性。一般我们在利用计算机进行色觉模拟的时候，都是通过对茶叶的各项指标进行转换，将模拟量转化为数字量，就可以拥有统一的定量标准，以此来衡量茶叶的质量。并且在对茶叶样品进行模拟之后，可以长期的将茶叶的样品以图像的形式存入到计算机当中，与茶叶实物相比，图像形式的茶叶能够长期的存放，从而有效的保证茶叶样品原有的色泽。当每年对茶叶进行分级的时候，就可以提供有效的参考，保证茶叶在各年度之中拥有一致的质量评价体系。

1 颜色系统的选用和改进

色调、明度和饱和度是颜色固有的三种特性，人的双眼主要是通过这三种特性来对颜色进行划分，能够十分准确的分辨出颜色的不同。HIS就是指颜色之中的三个特征，H就是指色调；I就是指明度；S就是指饱和度。我们可以利用颜色的理想模型来印证HIS三种特性之间的相互关系。定量化的描述主要就是通过HIS颜色模型进行的，为了保证颜色模型能够吻合基本的理想色泽，我们可以建立起HIS颜色系统，将理想模型通过颜色基本的描述出来，但是其中仍然存在许多不足。首先，在有色的区域之内，我们无法将全明度表示真正的实现出来，例如当我们将颜色设定为纯红或是纯绿的时候，我们就可以发现明度最大值与理想不符，也就是说明HIS颜色模型与感官视觉不相吻合；其次，饱和度S的利用效果较差，在描述颜色理想模型的时候，我们沿着同色调方向出现了饱和度突变的情况，这与人们的视觉心理不符，所以在颜色分布之中有较大的缺陷。本文主要是通过借鉴其他的颜色模型之中的精华，来改进颜色系统，能够提高系统的明度和饱和度，更加符合理想的颜色模型，也就是更加接近于模拟出人的视觉心理。

当我们将颜色系统进行改进之后，能够更好的将人的视觉特点反映出来，例如我们选择明度I=0.5，利用公式来画出颜色分布图，就可以通过图片上的颜色空间分配发现，更具有合理性，更加接近理想的颜色模型。

2 数据的采集和处理

2.1 系统调整和图像采集

为了将茶叶的颜色更加准确的测量出来，我们首先就要对光线强度和取景状况等条件进行限定，只有这样才能够保证试验之前的条件一致，我们在开展工作之前，应该做以下的准备：首先，需要利用照度仪对光源箱照度进行测量，主要是为了防止灯管的老化，若是灯管出现老化现象就容易导致照度偏低的情况；其次，利用白板帮助平衡白色，只有对摄像机进行白色平衡，就能够有效地调整颜色的相位差；再次，我们必须要对镜头光圈进行调节，有利于帮助摄像机的感光量提高，以达到标定值；而后，需要对镜头的景深进行调节，有利于物料图在监视器之中的图像能够占据较大的面积；最后对镜头的焦距进行调节，茶叶的图像能够在监视器之中更加清晰的显示出来。当系统的调整结束之后，就可以采集和处理数据了。

我们可以在物料台上放置待测干茶，在分别的放置之后，分别对样品进行五次采集，取五次之中的平均值，将其作为原始的采集数据，在进行电压瞬间波动的时候，就可以消除可能产生的采集误差。当采集过后，我们就可以通过RGB的形式，来对原始数据进行数字图像的存放。

2.2 特征参数提取

茶叶的颜色差距比较细微，但是茶叶颜色是一个整体，在概念上包括有多项特征，主要有基本的色调、光泽以及饱和程度，并且具有均匀性的特征，所以我们在对茶叶颜色进行分辨的时候，首先就要采取统计的方法，对茶叶颜色的概率分布进行分析。颜色本身就能够呈现出三维空间的分布，以三维分布形式来对茶叶颜色概率进行划分，要想准确的描述颜色的概率分布是十分困难的，因此我们要做的就是利用比较容易的方式对颜色的概率分布进行处理。例如我们可以用1998年的龙井茶颜色进行特征分布，可以从茶叶的颜色分布图更加直观的将茶叶的特征体现出来，表明茶叶颜色的分布情况，但是要想对茶叶的质量进行评定的话，则需要进一步的对比质量标准，利用茶叶颜色的均值来对茶叶的基本色调进行表示，颜色间的标准差就能够有效的对茶叶的均匀性进行表示。

3 定量分析

3.1 干茶颜色定量分析

我们在对干茶颜色进行定量分析之前，选取的样本分别是1994年至1998年的杭州龙井，所采集的茶叶来自同一产地，并且都在自然条件之下进行密封储藏，通过搜集94年到98年之间的茶叶参数均值发现，当年的新茶和隔年的茶叶在颜色的变化上最为明显，新茶的色调值主要是绿色，随着储存年代的增加，基本色调逐渐变为棕褐色。而明度值随着储存时间的增加，在总体上呈现下降的趋势，这就说明了随着茶叶的储存时间增加，颜色会逐渐的变暗。茶叶颜色的饱和度随着储存时间的增加而逐渐下降，这就说明了，茶叶能够随着储存时间的增加逐渐褪色。

3.2 汤色测定

在进行汤色测定之前，我们需要进行一定的准备，首先我们要在各个样本之中，取出等量的茶叶，再用开水进行冲泡，将多余的茶叶过滤干净，将茶水先后的放置在同一个透明烧杯之中，利用CCD来对茶水进行数据采集。最后我们可以得出茶水颜色的各个参数均值，同样，我们也可以观察到其与干茶相类似的变化趋势。从汤色测定之中我们可以发现，茶水的色调特征十分突出，所以在明度的反映之中，我们也能够基本的将这种变化趋势反映出来。而在饱和度方面，并没有一定的规律可循，这就是由于在求高维数据的时候，由于边缘分布时对部分的有用信息进行压缩的结果。而从测定的数据之中表明，不论是干茶的颜色特征，还是汤色的颜色特征，都能够将茶叶的颜色变化规律反映出来，都是随着储存时间的增加，颜色逐渐由绿色向褐色变化，当储存时间逐渐的加大，变化也趋于缓慢，并且陈茶在色泽上，主要呈现出干枯和灰暗的特征。我们从干茶的颜色分布标准差出发，发现新茶的颜色在明度和饱和度上存在有较大的标准差，并且随着存放时间的逐渐增加，分布更加的集中。从以上的检测结果发现，新茶的颜色比较“活”，陈茶的颜色具有单一性，老茶和嫩茶在色调上的标准差较小，但是随着储存时间的加大，茶叶开始逐渐的褐变，不论老茶还是嫩茶，都逐渐的趋向一致，色调标准差也逐渐的降低。

4 结语

当我们对茶叶的色泽进行定量描述的时候，一般也会存在一些与预想结果不一致的情况，单项的测量值不能够决定茶叶的整体色泽质量，通过检测我们发现，产生这种情况的主要原因就是由于茶叶的生产环境导致的，生产环境的变化会导致茶叶的质量变化，即使同一品种的茶叶来自于相同的产地，但是气候条件的不同也会影响着茶叶的质量，若是将茶叶的颜色通过三个特性来进行讨论的话，还是能够从茶叶的变化规律探索出来，因此我们在对茶叶的储存时间进行检测的时候，应该综合的考虑其与色泽的关系，并且将几项指标加权后进行分析。从总体上来分析我们可以利用改进之后的颜色系统对茶叶的色泽变化进行描述，这种方式具有一定的可行性，它能够帮助茶叶的色泽进行定性的描述，解决了定性描述中存在的模糊性以及随意性问题。利用计算机视觉来代替人工进行质量评定，能够保证检测结果的准确性和稳定性，并且避免了出现定性指标模糊的情况，使得检测结果更加标准。

参考文献

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