使用计算机视觉技术对龙井茶嫩芽识别方法的研究

周颖颖，郑道娟（.南京交通职业技术学院，江苏南京 88；.江苏农林职业技术学院，江苏南京 ）

使用计算机视觉技术对龙井茶嫩芽识别方法的研究

周颖颖1，郑道娟2
（1.南京交通职业技术学院，江苏南京 211188；2.江苏农林职业技术学院，江苏南京 211121）

本文主要研究了使用计算机视觉技术对龙井茶嫩芽识别方法，首先从龙井茶的基本识别方法、等级判定以及采摘技术入手，详细分析了龙井茶嫩芽的识别方法，从而为计算机自动化的实现提供基本需求，然后详细介绍了计算机视觉技术的图像分割和RGB颜色模型，并且详细阐述了如何使用计算机视觉技术来对龙井茶嫩芽进行识别，从而为实现龙井茶嫩芽识别和采摘自动化奠定基础。

龙井茶级别；嫩芽状态；RGB颜色模型；图像分割

1　概　述

随着我国经济的不断发展，人们对于物质生活的追求越来越高，对于各种养生保健的食物或药品越来越看重。茶叶作为一种健康、绿色、养生的饮品，已经成为目前我国大众消费的养生饮品，在国外也有很大的影响力，自建国以来，我国就是茶叶生产、出口、销售的世界大国，到目前，我国的很多品牌茶叶在国际上都享有盛誉，也是很多国家追求的养生饮品。在我国的众多茶叶中，龙井茶是一种非常有名的茶叶，是我国产茶大省——浙江省的著名茶叶，龙井茶叶的出口和销售，对于浙江省的经济收入来说，是非常重要的，而我国的经济增长和发展来说，也具有非常重要的意义。

在传统作业方式中，对于龙井茶叶的采摘工作，主要是采用人工作业的方式来完成，但是人工手工采摘龙井茶叶，不仅效率低下，而且成本极高，再加上人工招聘以及管理等方面的困难都在限制龙井茶叶生产效率的提升。此外，人工作业的方式很容易造成龙井茶嫩芽与老叶的混淆采摘，对于龙井茶嫩叶和嫩芽的破坏也是非常致命的，这都使得龙井茶最终的质量难以令人满意。当前计算机技术飞速发展，通过计算机图像处理的视觉技术来自动识别龙井茶嫩芽，然后通过相应的机械设备有选择性地、针对性地、高效地低损伤自动采摘龙井茶嫩芽和嫩叶，从而提升龙井茶的采摘效率和质量。所以针对使用计算机的视觉技术来实现龙井茶嫩芽采摘的学习和研究，对于提升龙井茶生产效率和生产质量，以及促进社会经济的快速发展来说，具有非常重要的现实意义。

2　龙井茶的品种、等级界定及其采摘技术

龙井茶自古以来就是我国非常闻名的茶叶，在我国古代就享有盛誉，而浙江杭州则是龙井茶的主要产地。虽然在整个杭州地区，由于不同的地区产的龙井茶品种是存在差异的，即便是同样的地区、同一棵茶树，其不同的嫩芽程度所产出的龙井茶的品质也是不一样的。例如，在传统的认识中，浙江地区中的所有龙井茶以杭州地区产的龙井为优，而杭州地区的龙井茶中，则又分为常见的三种，分别为越州龙井、钱塘龙井、西湖龙井，而其中则以西湖龙井茶的茶品、茶色、茶味最为上品，一直是我国众多茶叶品种中位列第一的茶叶品牌。当然，随着栽培技术的不断提升，以及基因工程、植物杂交工程和嫁接技术，我国龙井茶叶的培育越来越多。目前，除西湖地区之外的其他地方的龙井茶的培育与生产工艺也都日益成熟，形成了在味道、茶色、茶品等多方面都能媲美西湖龙井茶的新茶品，在我国的茶叶生产和销售市场中也占有非常重要的地位。

对于同一种茶叶来说，单就茶叶的外形、鲜嫩程度以及长势程度来决定龙井茶的等级，可分为五个等级的龙井茶品质，分别为特级、一级、二级、三级、四级。对于特级的龙井茶界定，要求茶叶叶片手感光滑、舒展扁平，且要求一芽一叶的初展状态或单芽；对于一级龙井茶界定，要求叶片手感光滑、叶片较为扁平，一芽两叶的初展状态或者一芽一叶的状态；对于二级龙井茶的界定，要求茶叶叶片较为扁平，且一芽二叶的完全开展；对于三级龙井茶的界定，要求茶叶叶片一芽二叶的完全开展状态，在二叶之间可长有一少部分的对夹叶；对于四级龙井茶的界定，要求茶叶叶片欠光洁且完全舒展开来，并且要求一芽二叶、一芽三叶或对夹叶。

茶叶的品种不同、需要采摘的茶叶等级一样，其采用的采摘技术、采摘时间也大不相同。比如，对于特级龙井茶的采摘，必须要求在茶叶的适摘阶段，必须在清明节之前，茶树的顶层嫩芽刚刚发出或之长出一个嫩叶但未开展时，需要对单芽或者一芽一叶的初展茶芽进行采摘。当然，在采摘时只能将单芽或者初展状态的一芽一叶采摘下来。在对特级龙井茶的生产过程中，如雀舌、龙牙等，雀舌则是要求只能有初展状态的一芽一叶的龙井茶芽进行炒制加工生产的茶叶，而龙牙则是要求只能有单芽的龙井茶叶进行炒制加工生产的茶叶。所以在对特级龙井茶的采摘过程中，更需要将二者进行区分。对于龙井茶的其他级别，则是在清明节之后的时间进行采摘，如四级龙井茶，则要求在谷雨节气之前进行采摘，此时茶叶叶片较为肥大。而一级到三级龙井茶，则要求在清明节之后到谷雨节之间进行采摘，根据不同的等级的龙井茶要求，进行茶叶叶片的选择和采摘，并对其进行区分后进行炒制加工处理。

所以，对于龙井茶的采摘工作，需要在人工采摘之后，然后选择、分选，再送到炒制加工厂进行后期的生产处理。

3　使用计算机视觉技术对龙井茶嫩芽识别方法的研究

针对龙井茶等级区分的研究可以表明，在龙井茶采摘过程中主要是对龙井茶的茶叶、芽的叶片形状、光泽度、颜色、叶芽个数和长势等诸多方面的选择，以及最后的摊放和筛选的过程，如果单纯地利用人工作业，不仅采摘效率低下，而且很容易对龙井茶茶叶的叶芽造成损伤，致使最终的龙井茶质量降低。采用计算机视觉技术，可以采用计算机的方式，对龙井茶的茶叶嫩芽识别、采摘、嫩芽筛选等过程实现自动化处理。对于自动化采摘和筛选，通过机械臂和分装器即可实现，而整个自动化的过程核心，则是对龙井茶嫩芽的识别技术中。在对龙井茶茶叶采摘技术的研究可以知道，在对龙井茶茶叶的嫩芽识别重点放在嫩芽颜色、形状以及叶片状态与个数来判断茶叶嫩芽的级别，所以在利用计算机视觉技术来识别判断龙井茶嫩芽时，就要重点放在龙井茶嫩芽的颜色以及最终的形状的判断。

3.1计算机视觉技术的图像分割

图像分割主要是对图像的内容，根据某些特征进行切分，从而得到不同属性的图像，然后在进行其他方面的处理。由于在一个图像中，具有相同属性（如颜色、明暗程度等）的图像，在其区域内呈现出相同的特征，那么不同属性的图像则表现出了不同的区域，在区域与区域之间的连接处，就形成了明显的边缘。所以图像分割的前提是能够检测到图像区域的边缘值。利用图像边缘检测的方法来实现图像分割主要是采用图像二值化方法来实现，这样一来不仅能够减少数据存储量，而且能够提升计算机处理的速度，对于图像处理来说是非常有益的。

使用计算机视觉技术在对龙井茶嫩芽识别方法，在获取到龙井茶图像后，首先对其进行边缘检测和图像分割，从而实现了嫩芽与其他茶叶叶片的区分，然后对分割后的图像进行其他处理，如上述的颜色对比，还有就是根据形状特征来获取嫩芽叶片的个数以及伸展情况，从而判断出整个嫩芽所属的龙井茶级别，同时根据其形状特征，为机械臂采摘提供有效的采摘点，进而实现龙井茶嫩芽的自动化识别和采摘。

3.2计算机视觉技术的颜色模型

在计算机视觉技术中，对于图像颜色的判断是图像识别中非常重要的一个环节。所以在整个龙井茶嫩芽自动化识别系统中，首先要对整个系统中的图像核心内容进行颜色识别，以判断整个嫩芽目前的颜色状态。

在整个图像颜色判断中，RGB颜色模型是常见的一种对图像进行处理的颜色模型。在整个颜色色系中，有一个统一的认识就是所有的颜色都是可以通过三种基色来调和得到，即对红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种按照不同的比例进行混合即可得到所有的颜色。按照这种思想进行反推，在图像视频系统中，任何采集到的颜色都是可以通过红、绿、蓝三种基色按照不同的比例来实现，如果能够得到其R、G、B三种基色的比例值，那么就可以对任何一种颜色进行区分、存储、识别、展示等。如图1.所示，为RGB颜色模型中的原理结构图。

图1　RGB颜色模型数据原理示意图

在图1中所示，RGB模型将所有的颜色容纳在一个正方体内，即按照三原色比例配比的思想，将所有颜色进行反推，从而得到三种颜色的不同比例。假如最大比例为1，三种颜色在1范围内进行选择，从而形成三个数据轴，那么在对三原色进行选取的时候，就可以按照相应的比例来得到最终的颜色。比如，对于黑色，即所有的颜色比例均为0即可得到黑色（即无物品展示），如果三种颜色选择同样的比例，即得到了白色，如果选择比例为1的红色和绿色，即得到了黄色。所以，在构建了所有颜色的数据库之后，在获取到视频图像后，即可对图像内核心区域的颜色进行对比，从而得到三原色的比例数据并存储到计算机中，而后与期望的某个数据值范围进行对比，如果在整个范围内，那么视频图像的核心区域的颜色即满足颜色要求。

在对龙井茶嫩芽特级茶叶的识别中，首先颜色是其中一个非常重要的判断指标，如果颜色太过深绿，那么就说明该叶片不属于特级茶种，如果颜色比较嫩绿，那么就从颜色指标中，就说明该茶叶有可能属于特级茶种，此时就需要从另外一个方向的指标来判断。利用计算机，则可以将嫩绿的三原色数值分析，并设定为嫩绿数据的阈值，在得到茶叶数据图像后，即可对其图像中的核心区域（可通过前期的图像数据处理和边缘检测来获取不同的区域）中的颜色进行对比，如果小于阈值范围，那么就说明在颜色指标上，能够满足特级茶叶的要求，然后再在其他方面的指标进行分析。

4　总结

利用计算机视觉技术来对龙井茶嫩芽实现自动识别，主要是利用计算机图像处理的技术和方法，通过前期的图像采集和预处理，得到可处理的有效数据源，然后对数据进行图像分割，然后对核心区域的图像数据进行颜色判断和形状特征对比，最终得到当前图像内的核心区域中龙井茶嫩芽的级别，并且为龙井茶的自动采摘提供合理采摘点，最终实现龙井茶采摘的自动化。

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周颖颖（1982-），女，江苏泰州，硕士研究生学历，教师，讲师，研究方向：软件技术。

郑道娟（1983-），女，江苏淮安，硕士，讲师，研究方向：计算机多媒体技术。