機器視覺技術在初烤煙質量預測中的應用

楊曉亮，賀 帆，謝立磊，柳 征，孫曙光，宮長榮

(1.湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430000；2.河南農業大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

機器視覺技術在初烤煙質量預測中的應用

楊曉亮1，賀 帆2*，謝立磊1，柳 征1，孫曙光1，宮長榮2

(1.湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430000；2.河南農業大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

為探究機器視覺技術在初烤煙質量預測中的應用效果，以紅花大金元品種的中、上部煙葉為供試材料，通過分析不同成熟度煙葉色度學指標值、SPAD值和感官質量得分可知：中、上部鮮煙葉3個色度學指標值和SPAD值均呈下降趨勢，烤后煙葉色度學指標中，中部葉的L值和a*值，上部葉的L值、a*值和b*值在不同處理間達到顯著水平，其中L值和b*值達到極顯著水平。機器視覺能夠分辨不同成熟度的鮮煙葉顏色和烤后煙葉顏色差別，所測值能夠用于煙葉質量的預測。

烤煙；機器視覺；色度；煙葉質量

正確識別烤煙煙葉成熟度和適熟采收是影響烤后煙葉質量的重要因素[1]。朱尊權[2]認為，在影響煙葉質量的諸多因素中，成熟度和顏色較為重要。不同成熟度煙葉的內含物含量的高低對初烤煙外觀質量和感官質量有重要影響[3-4]。因此，準確判斷烤煙田間成熟與否對烤煙質量的提高有著重要的意義。王懷珠等[5]以K326烤煙品種為材料，通過研究莖葉夾角認為：下部葉莖葉夾角達到60°～70°，中上部達到80°～90°的煙葉烤后物理性狀較好。王建安等[6]以烤煙品種KRK26為試驗材料，通過葉齡和外觀特征兩因素試驗，結果表明：中、下部葉成熟判斷以葉齡為主，上部葉則綜合葉齡和外觀特征進行判斷。張光利等[7]以K326烤煙品種為供試材料，通過分析從未熟到過熟過程中煙葉游離脯氨酸的含量認為：游離脯氨酸含量變化呈“V”形，含量最低時為煙葉的適熟期。劉劍君等[8]通過一種基于數字圖像處理的成熟度判斷方法，認為該方法計算得出的成熟度指數和人為經驗識別煙葉成熟度有較好的關聯度。冀真等[9]以烤煙K326品種為供試材料，通過研究成熟過程中煙葉葉質重和主要化學成分，認為葉質重動態變化曲線的拐點可作為煙葉成熟依據。王杰等[10]通過基于極限學習機的煙葉成熟分類方法，通過仿真實驗來表明煙葉成熟度。在以往的研究中，對煙葉成熟度的描述多依靠煙葉外觀，所得數據是依據科研人員、煙技員和煙農的經驗得出的，因而不能直接使用，且對于直接表示成熟度的量化指標研究較少。本研究擬通過機器視覺技術，旨在提供一種簡便、可量化的快速判斷煙葉是否成熟的無損檢測方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及地點

試驗于2014年在四川省涼山州會理縣茅草村進行，供試品種為當地主栽品種紅花大金元(簡稱紅大)，以中部葉(9～11葉位)和上部葉(第15～16葉位)為供試材料。供試烤房采用氣流下降式標準密集烤房，溫濕度自控。試驗煙葉于4月22日～23日移栽，行距120 cm，株距50 cm，采用田間標準化管理，煙葉按試驗要求進行采烤。

1.2 試驗設計

試驗采收的供試煙葉，每個部位按3個成熟檔次劃分，具體外觀描述見表1。

表1 中、上部煙葉采收成熟度的要求

采收煙葉嚴格按照試驗處理要求進行，成熟度均勻一致且編竿均勻，每竿編煙110～115片。中部葉和上部葉試驗均設3座烤房，按試驗設計分別采收不同成熟度煙葉，同一成熟度煙葉裝于同一座烤房內。每個處理標記樣品煙6竿，掛置于烤房中層中間位置，左右兩側各3竿。各處理烘烤工藝均使用當地常規烘烤工藝。

烘烤結束回潮后，取出各烤房中6竿供試煙葉。中部煙葉取C3F、上部煙葉取B2F等級煙葉進行感官質量評價。

1.3 測定項目及方法

煙葉色度值的測定：使用漢譜HP-C210型精密色差儀進行測定，每片煙葉測量6個位點，具體為在葉片上、下部1/3處，葉片中部1/2處主脈兩側各測1次，避開葉片支脈，共計6次。每個處理選取具有代表性的20片煙葉進行測量。

煙葉SPAD值的測定：使用Konica Minolta SPAD-502Plus型葉綠素計進行測定。測定位點和數量同色度值的測量方法。

色度值和SPAD值測定時間：中、上部鮮煙葉色度和SPAD值測定從樣品煙中隨機抽取20片進行測定；中、上部烤后煙葉，回潮后分別取C3F、B2F等級煙葉進行烤后煙葉的色度值測定。

烤后煙葉感官質量評價：中、上部分別選取C3F、B2F等級煙葉用于評吸；將煙葉去除主脈后進行切絲。初烤煙切絲、單料煙制成在川渝中煙技術研發中心進行。感官質量評價由川渝中煙技術研發中心原料和工藝專家進行。評吸指標為香氣質、香氣量、豐滿度、雜氣、濃度、勁頭、細膩度、成團性、刺激性、干燥感、干燥程度、甜度和回味13個。每個指標最低分為0分，最高分為9分。

1.4 數據處理

作圖采用Excel 2003軟件進行，數據處理采用SPSS軟件進行。

2 結果與分析

2.1 中、上部各處理鮮煙葉SPAD和色度值

烤煙在大田生長期間，葉片葉綠素含量高低與SPAD值大小密切相關[11]，葉綠素的含量高低與葉色深淺關系密切。不同部位的煙葉適宜采收標準不同[12]，不同成熟度煙葉在顏色上具有一定的差別，而色度學指標則可以將細微的顏色差別具體量化[13]。

由圖1可知，隨煙葉成熟度的增加，所測得中、上部鮮煙葉SPAD值整體呈下降趨勢。上部葉各處理SPAD值不同程度地高于中部葉各處理，中、上部相同的各處理SPAD差值為9.55～10.67。在上部葉中，SPAD值較大的處理為TB1，其SPAD值為42.70，SPAD值較小的處理為TB3，其SPAD值為36.96，上部葉SPAD極差為5.74；中部葉SPAD值表現出與上部葉相同的規律。SPAD值較大的處理為TC1，其值為33.15，SPAD值較小的處理為TC3，其值為27.25，中部葉SPAD值極差為5.90，略大于上部葉SPAD極差。

圖1 中、上部各處理鮮煙葉SPAD值

由圖2可知，中部和上部鮮煙葉，隨成熟度的增加，所測得L值、a*值和b*值大小均呈下降趨勢。中部與上部鮮煙葉相比，上部葉鮮煙葉的L值、a*值和b*值在相同成熟度處理中均大于中部鮮煙葉的各色度值指標。各部位鮮煙葉的L值、a*值和b*值，極差較大的指標均為b*值，中部葉為8.06，上部葉為8.10；其次為L值，中部葉為5.49，上部葉為3.43；極差較小的為a*值，中部葉為1.16，上部葉為1.86。

圖2 中、上部各處理鮮煙葉色度值

2.2 中、上部烤后煙葉色度值

不同成熟度煙葉，因其在大田生長期生物質積累量不同，在烘烤環境中對溫濕度響應有差異，因此烤后煙葉顏色有著較大的不同[14]，而烤后煙葉外觀性狀一定程度上能夠反映其內在質量[15]。

由表2可知，在中部葉的3個處理中，b*值以TC2處理的較大，但與其余2個處理差異不明顯。L值和a*值差異均達到極顯著水平；在上部葉的3個處理中，L值、a*值和b*值差異均達到顯著水平，其中L值和b*值差異達到極顯著水平。

在L值方面，隨采收成熟度的增加，中部和上部烤后煙葉L值呈增大趨勢，中部烤后煙葉L值整體大于上部葉，中部葉L值極差為3.13，上部葉為4.66，表明上部不同成熟度煙葉烤后在L值方面差異較大。a*值大小表現為上部葉整體大于中部葉，在中部葉中，a*值大小隨成熟度的增加呈減小趨勢，其極差為1.10；在上部葉中，a*值較大的處理為TB2，其值為11.30，較小的處理為TB3，其值為10.41，兩者極差為0.89，小于中部葉a*值極差。b*值大小表現為中部葉整體大于上部葉，上部葉的b*值大小隨成熟度的增加呈增大趨勢，其極差為3.29，中部葉則表現為b*值較為接近，極差為0.81。

采收鮮煙葉成熟度的不同，其葉綠素含量不同，會造成烤后煙葉外觀質量上的差異[16]。由上述結果可知，這些差異反映在烤后煙葉色度學指標的L值、a*值和b*值上，表明在烤后煙葉中，通過機器視覺技術，能夠分辨出這些顏色的差別，并在一些指標上，差異達到極顯著水平。

表2 中、上部烤后煙葉色度值

注:同列不同小寫字母表示差異達到顯著水平，不同的大寫字母表示存在極顯著差異。中、上部葉分開比較。

2.3 中、上部烤后煙葉感官質量評價

從香氣質、香氣量、豐滿程度、雜氣、濃度和勁頭等13個感官評吸指標對中、上部不同處理煙葉進行評吸鑒定。由表3可知，在中部葉各處理的評吸指標中，香氣質、雜氣、勁頭、刺激性和回味指標得分差異達到顯著水平，其中香氣質、刺激性和回味指標得分差異達到極顯著水平。上部葉的各處理評吸指標中，香氣質、香氣量、雜氣、勁頭、細膩程度、刺激性、干凈程度、甜度和回味9個評吸指標得分差異達到顯著水平，其中香氣質、雜氣、勁頭、細膩程度、刺激性、干凈程度、甜度和回味8個評吸指標得分達到極顯著水平。

從中、上部烤后煙葉感官質量評價得分情況來看，上部葉各處理得分不同程度地高于中部葉各處理。在相同部位的3個處理中，隨采收成熟度的增加，各處理感官質量評價總得分也隨之增高。在中部葉中，除雜氣、刺激性、甜度和余味指標外，其余9個感官指標得分均隨成熟度的增加而增高。在上部葉中，除香氣量、濃度和勁頭指標外，其余10個感官指標得分均隨成熟度的增加而增高。

2.4 烤煙質量預測方程的建立

以感官質量評價得分為因變量，L值、a*值、b*值和SPAD值為自變量。通過回歸分析方法構建數學模型，若引入自變量F值小于等于0.05，則進入方程。符合條件的自變量有b*值和SPAD值，L值和a*值則被剔除出方程。

由表4、表5可知，回歸方程方差分析達到極顯著水平(0.009)，進入方程的2個自變量調整判定系數值為0.927，表明能夠解釋建立模型92.70%的因變量變化，屬高擬合度方程，具有較好的參考價值。入選的指標系數均達到了顯著水平，其中常量和鮮煙葉b*值系數達到了極顯著水平。

由上可得出烤后煙葉感官質量評價得分與鮮煙色度和SPAD值的數學模型為：

Y=80.92-0.61X鮮煙葉b*值+0.25SPAD值

表3 中、上部各處理烤后煙葉評吸得分 分

注:同行數據的小、大寫字母分別表示差異達到顯著、極顯著水平，未達到顯著水平的則略，中、上部位煙葉分開比較。

表4 回歸方程的模型摘要

表5 回歸方程的系數顯著性

3 討論與結論

本研究結果表明，中、上部不同采收成熟度的煙葉，其顏色反映在色度學指標L值、a*值和b*值上有一定程度的差異，且隨采收成熟度的增加，中、上部鮮煙葉3個色度學指標值和能夠反映葉綠素含量的SPAD值均呈下降趨勢，與宋朝鵬[17]、李佛琳[18]等人在研究不同成熟度煙葉亮度L值和SPAD值的變化趨勢相同。中、上部不同采收成熟度的鮮煙葉L值、a*值和b*值在極差上表現為：極差較大的指標均為b*值，中部葉為8.06，上部葉為8.10，其次為L值，中部葉為5.49，上部葉為3.43，極差較小的為a*值，中部葉為1.16，上部葉為1.86。

在烤后煙葉色度學指標中，中部葉L值和a*值在不同處理間差異達到極顯著水平，上部葉L值、a*值和b*值大小在不同處理間達到顯著水平，其中L值和b*值達到極顯著水平，表明不同采收成熟度煙葉烘烤后在外觀上具有差異。煙葉外觀質量的差異在感官質量評價能夠反映其質量的優劣。依據所得感官質量評價得分、鮮煙葉b*值和SPAD值，建立數學模型：Y=80.92-0.61X鮮煙葉b*值+0.25SPAD值，其判定系數為0.927。上述結果表明，通過機器視覺技術不僅能夠分辨不同成熟度的鮮煙葉顏色差別，也能夠分辨出烤后煙葉顏色差別。通過色度學指標和SPAD值能夠預測初烤煙的感官質量得分情況。

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(責任編輯：曾小軍)

Application of Machine Vision Technology in Quality Prediction of Flue-cured Tobacco

YANG Xiao-liang1, HE Fan2*, XIE Li-lei1, LIU Zheng1, SUN Shu-guang1, GONG Chang-rong2

(1. China Tobacco Hubei Industrial Limited Company, Wuhan 430000, China; 2. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In order to explore the application of machine vision technology in the quality prediction of flue-cured tobacco, the author used the middle and upper leaves of flue-cured tobacco variety Honghuadajinyuan as the test materials, and analyzed the colorimetry indexes, SPAD value and sensory quality score of tobacco leaves with different maturities. The three colorimetry indexes and SPAD value of middle and upper fresh leaves all showed a decreasing trend. As for the colorimetry indexes of baked tobacco leaves, there was a significant difference in the L-value and a*-value of middle leaves, and the L-value, a*-value and b*-value of upper leaves among different treatments, and the difference in L-value and b*-value reached an extremely significant level. Machine vision could distinguish the difference in color of fresh and baked tobacco leaves with different maturities, and the measured values could be used for the quality prediction of flue-cured tobacco.

Flue-cured tobacco; Machine vision; Chroma; Tobacco quality

2017-04-06

彰顯四川特色煙葉風格的生產及烘烤關鍵技術研究與示范(SCYC201402005)。

楊曉亮(1990─)，男，河南洛陽人，碩士，主要從事煙葉生產工作。*通訊作者：賀帆。

S572

A

1001-8581(2017)08-0095-04