基于計算機視覺的茶樹葉片色澤差異研究

徐邢燕，沈萍萍，郝志龍*，林宏政，李鑫磊，張 妍，金心怡3，孫 云3，項應萍

（1.福建農林大學 園藝學院，福建 福州 350002；2.茶學福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；3.福建農林大學 茶葉研究所，福建 福州 350002）

隨著農村勞動力不斷向城市轉移，茶葉生產出現用工荒，越來越多的茶葉不能及時采下來，造成較大的經濟損失。將茶鮮葉按不同嫩度及時采摘是加工高品質茶葉和提高經濟效益的前提，因此，產業對茶葉智能化、機械化采摘的需求越來越迫切。但現有的機械采摘技術選擇性差，無法精確區分新梢葉片的老嫩，不足以提供高品質茶所需的優質鮮葉，給制茶帶來一系列問題[1]。隨著計算機軟硬件，尤其圖像處理技術的迅猛發展，計算機視覺技術在農業中的應用日益廣泛，已成功應用于作物生長檢測[2]、煙葉分選、分類與檢測、食品和農產品加工等不同領域[3-5]。葉片色澤與葉綠素含量密切相關，目前測定葉綠素的方法主要有分光光度法[6]、SPAD 葉綠素儀法[7]、光譜法和基于計算機視覺的圖像處理技術。基于計算機視覺的圖像處理技術是一種具有快捷、便利、無損傷和實時測定等特點的監測方法，已成為植物葉片色澤信息獲取的重要手段。本試驗利用計算機視覺技術提取茶樹新梢不同嫩度葉片相關色澤參數進行差異分析，篩選能區分不同嫩度葉片的色澤參數，為實現智能化采摘和鮮葉采后分級提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以毛蟹、黃旦（黃金桂）、鐵觀音、肉桂、福云6號和福鼎大白茶等6個茶樹品種的新梢為供試材料，采摘生長一致且無病蟲害的一芽五葉，在福建農林大學茶學實驗室分別對新梢芽葉進行色澤參數采集。

1.2 儀器與設備

SONY T 20 數碼相機、SPAD-502 葉綠素計、筆記本電腦以及自編RGB 統計軟件等。

1.3 試驗設計

每個品種隨機采摘6個新梢進行重復性實驗，參照郝志龍[7]方法，控制圖像文件大小1.0 MB，在外界光線為明亮的室內開閃光燈對白色底板上的茶梢進行圖像采集，運用自編“茶葉色澤變化圖像統計軟件”進行色澤參數提取計算，獲得R值、G值和B值，以及H值、I值和S值[8-9]，將采集處理后得到的R、G、B、H、I、S值以及SPAD值導入SPSS 統計軟件進行單因素方差分析，比較同一品種各葉位在P＜0.05 時的差異性。

1.4 測定方法

采摘后的新梢按葉位芽葉分離后用SONY T 20 數碼相機分別進行圖像采集，采集條件參照郝志龍等[7]的方法。將獲得的照片轉換為bmp格式后，將其輸入自行編制的“茶葉色澤變化圖像統計軟件”進行圖像參數提取與分析，將芽頭、第一葉、第二葉定義為嫩梢，第三葉、第四葉、第五葉定義為老梢；同時使用SPAD-502 葉綠素計分別在芽葉上任取三個點測定SPAD值，即植物葉片單位面積當前葉綠素的相對含量，重復6 次。

色彩系統的選擇：RGB 系統是一種由紅(R)、綠(G)、藍(B)這三種基本色互相疊加呈現出各種色彩的顏色模型[10]，色度系統中常用R、G、B 的比例值表示色度坐標(r, g, b)，r、g、b是歸一化了的R、G、B，且r+g+b= 1。計算公式如下:

HIS 顏色模型是通過色調、飽和度和亮度三要素來描述顏色的。在HIS 格式中，I表示強度或亮度，H表示色度，S表示飽和度，其中色度反映了該色彩最接近什么光譜波長的顏色[10-11]。RGB 系統是一種加色混色系統，其對應的顏色空間在視覺上不均勻，同時它還是一個與設備相關的、顏色描述不完全直觀的顏色空間。與RGB 系統相比，HIS 模型更符合人的視覺規律，與人眼感覺顏色的原理更加相似，Tao 等[12]、何東健等[13]，楊秀坤等[14]和許麗穎等[15]在水果顏色檢測的研究中均采用此模型,且取得了較好的檢測結果。由于采集得到的圖像是RGB 顏色模型，必須按照以下方式進行RGB 到HIS 顏色系統的轉換：

2 結果與分析

2.1 同一品種不同葉位葉片色澤差異分析

為分析同一茶樹品種不同葉位葉片色澤的差異性，找出存在顯著差異的色澤參數，以此實現鮮葉的準確識別，將試驗樣本中葉色相對較深的鐵觀音、肉桂和毛蟹分為一組，葉色相對較淺的黃旦、福鼎大白茶和福云6號分為一組進行差異分析。

2.1.1 毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片色澤差異

毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值差異性分析如表1所示，R、G、B值及r、g、b值差異性分析如表2所示。

表1 毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值Table 1 SPAD value and H, I ,S values of different position leaves of Maoxie, Rougui and Tieguanyin

表2 毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片R、G、B值及r、g、b值Table 2 R,G,B values and r,g,b values of different position leaves of Maoxie, Rougui and Tieguanyin

三個茶樹品種葉片SPAD值隨著葉片成熟度的增加而升高，其中毛蟹各葉位葉片的SPAD值存在顯著差異，區分度較高，可以實現不同葉位葉片的區分。肉桂和鐵觀音第一、二、三葉間SPAD值也存在顯著差異；而肉桂的第三、四葉間，鐵觀音的第三、四、五葉間差異不顯著。因此，SPAD值能實現這三個品種第一、二、三葉的識別。

毛蟹和鐵觀音品種芽頭和第五葉的H值顯著低于同品種其他葉位的葉片，鐵觀音第四葉H值與其他葉位存在顯著差異，但第一、二、三葉間H值差異不顯著，毛蟹第一、二、三、四葉間H值差異不顯著。肉桂芽頭和第三葉的H值顯著高于其他葉位，同時，第一、三、四葉間H值存在顯著差異。三個品種I值大小與葉片的成熟度呈負相關，且第五葉的I值與第三、四葉均存在顯著差異。毛蟹、肉桂和鐵觀音芽頭與第一葉的S值均存在顯著差異，其他葉位間差異不顯著。考慮這三個烏龍茶品種需要成熟采，主要進行第三、四、五葉間的區分，因此，在生產中毛蟹、肉桂和鐵觀音可以通過I值區分第四、五葉；毛蟹還可通過H值區分第四、五葉；肉桂的H值可區分第三、四葉；鐵觀音可通過H值區分第三、四、五葉。

三個茶樹品種的R值呈現出隨著葉片成熟而降低的趨勢，其中鐵觀音各葉位間的R值均存在顯著差異；三個品種第一葉與第二葉間R值均存在顯著差異，第五葉的R值與其他葉位均存在顯著差異，可見，通過R值可以實現三個品種第五葉的區分。G值也呈現出隨著茶樹葉片成熟度的增加而降低的趨勢，從三個品種來看，芽頭的G值均顯著高于其他葉位，而第三、四、五葉間差異不顯著。毛蟹、肉桂、鐵觀音第一葉的B值與其他葉位間存在顯著差異，肉桂第四、五葉間B值存在顯著差異。三個茶樹品種第三、四、五葉間的r、g、b值差異均不顯著，可見，R值可作為這三個品種區分第五葉的參數，B值僅可以作為區分肉桂第五葉的參數。

綜上，葉片色澤較深的鐵觀音、毛蟹、肉桂三個烏龍茶品種的SPAD值可以作為嫩采時第一、二、三葉位葉片區分的參數，R值可以實現第五葉的區分。毛蟹、肉桂和鐵觀音可以通過I值區分第四、五葉；毛蟹還可通過H值區分第四、五葉；肉桂則可通過H值區分第三、四葉，B值區分第五葉；鐵觀音可通過H值區分第三、四、五葉；可為成熟采（駐芽三、四葉采）的烏龍茶快速確定葉位采摘技術提供參考。

2.1.2 黃旦、福鼎大白茶和福云6號不同葉位葉片色澤差異

黃旦、福鼎大白茶和福云6號不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值差異性如表3所示，R、G、B值及r、g、b值差異性如表4所示。這三個品種主要加工綠茶、白茶或紅茶，以嫩采（一芽二、三葉采）為主，因而重點分析第一、二、三葉間的色澤差異。

表3 黃旦、福鼎大白茶、福云6號不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值Table 3 SPAD value and H, I ,S values of different position leaves of Huangdan, Fuding Dabai and Fuyun No.6

表4 黃旦、福鼎大白茶、福云6號不同葉位葉片R、G、B值及r、g、b值Table 4 R,G,B values and r,g,b values of different position leaves of Huangdan, Fuding Dabai and Fuyun No.6

由表3可知，同一品種不同葉位SPAD值隨著葉片成熟度增加而升高，第一、二、三葉間SPAD值均存在顯著差異，但第三、四、五葉間SPAD值差異不顯著。因此，通過葉片SPAD值能實現三個品種第一、二、三葉間的識別。

黃旦第一、二、三葉間H值差異顯著，福鼎大白茶和福云6號第一、二葉間H值差異顯著；黃旦和福云6號第一、二葉間I值差異顯著，福鼎大白茶第一、二、三、四葉間I值均差異顯著；黃旦第二葉S值與第一、三葉差異顯著，且第三、四葉間差異也顯著，福鼎大白茶第三、四葉間S值差異顯著，福云6號第一、二葉間和第二、三葉間S值分別存在顯著差異。可見，H、I值可用于區分這三個品種第一、二葉，S值可用于這三個品種第三、四葉間的區分。

由表4可知，黃旦第一和第二葉間、第三和第四葉間R值分別存在顯著差異，福鼎大白茶第一、二、三、四葉間R值均存在顯著差異，福云6號僅第一、二葉間R值存在顯著差異。黃旦第一、二葉G值存在顯著差異，福鼎大白茶第二、三葉的G值存在顯著差異，福云6號不同葉位G值差異均不顯著。黃旦第一、二、三葉間B值差異顯著，福鼎大白茶和福云6號第一、二葉間B值差異顯著，福鼎大白茶第三、四葉間B值差異顯著。r、g、b 參數中僅黃旦和福云六號第一、二葉間的g、b值差異顯著，其他葉位間均不存在顯著差異。可見，R、B值可用于區分此三個品種第一、二葉，并能區分福鼎大白茶第三、四葉，R值亦可區分黃旦第三、四葉，B值亦能辨別黃旦第二、三葉，G值僅能區分黃旦和福鼎大白茶的第一、二葉；g、b值僅能用于區分黃旦和福云6號的第一、二葉。

綜上，葉片色澤較淺的黃旦、福鼎大白茶和福云6號可以通過參數SPAD值區分茶樹第一、二、三葉；通過H、I、R、B值可區分這三個品種第一、二葉，S值可用于這三個品種第三、四葉的區分；福鼎大白茶可通過R、B值區分第三、四葉；黃旦可通過R值區分第三、四葉，用G、g、b值區分第一、二葉。這些參數可為這三個品種不同葉位葉片的定位采摘技術提供參考。

2.2 同一品種老嫩梢色澤差異分析

為適應茶葉實際生產上的采摘要求，進一步以茶樹新梢上的芽頭、第一、二葉為嫩梢，第三、四、五葉為老梢進行色澤差異分析。

2.2.1 同一品種老嫩梢SPAD值及H、I、S值

由表5可知，各品種老梢SPAD值顯著高于嫩梢，但老嫩梢的H值僅有黃旦存在顯著差異，S值僅有福鼎大白茶存在顯著差異，黃旦和福云6號的I值差異不顯著，其他品種老嫩梢的I值差異顯著。因而，SPAD值可以作為區分單一品種老梢和嫩梢的參數，I值也可作為毛蟹、肉桂、鐵觀音和福鼎大白茶這四個品種老嫩梢的區分參數。

2.2.2 同一品種的老嫩梢R、G、B、r、g、b值

分析結果如表6所示。6個品種除了黃旦老嫩梢間的R、G、B、r、g、b值、福鼎大白茶老嫩梢的G值和所有品種老嫩梢的g、b值不存在顯著差異外，其他品種老嫩梢間的R、G、B、r值均存在顯著差異。因此，除了福鼎大白茶老嫩梢的G值及黃旦品種以外，其他5個品種均可以將茶樹葉片的R、G、B、r值作為機械采摘時老嫩梢區分的參考依據。

表5 同一品種老梢、嫩梢SPAD值及H、I、S值Table 5 SPAD value and H, I ,S values of young shoots and old shoots of the same varieties

表6 同一品種老梢、嫩梢R、G、B值及r、g、b值Table 6 The values of R,G,B and r,g,b of young shoots and old shoots of the same

綜上，SPAD值可以作為區分同一品種茶樹老嫩梢的參數，毛蟹、肉桂和鐵觀音的老嫩梢可通過I、R、G、B、r值區分，I值還可作為福鼎大白茶老嫩梢的區分參數，R、G、B、r值可作為福云6號老嫩梢的識別參數，這些參數可為機械化智能采摘老嫩梢提供參考。

3 小結

通過對6個品種不同葉位及老嫩梢色澤參數的分析，可以看出：茶樹葉片成熟度越高SPAD值也越高，可以作為嫩采時第一、二、三葉位葉片的識別參數；R值可以實現葉片色澤較深的鐵觀音、毛蟹、肉桂三個烏龍茶品種第五葉的區分；毛蟹、肉桂和鐵觀音可以通過I值區分第四、五葉；毛蟹還可通過H值區分第四、五葉；肉桂的H值可區分第三、四葉，B值可以區分第五葉；鐵觀音可通過H值區分第三、四、五葉；這些參數為成熟采（駐芽三、四葉采）的烏龍茶快速定位采摘技術提供參考。

葉片色澤較淺的黃旦、福鼎大白茶和福云6號可以通過H、I、R、B值區分第一、二葉，S值可用于3個品種第三、四葉的區分；福鼎大白茶可通過R、B值區分第三、四葉；黃旦可通過R值區分第三、四葉，還可以用G、g、b 區分第一、二葉；這些參數為這3個嫩采品種不同葉位葉片的定位采摘技術提供參考。

茶樹葉片SPAD值可以作為區分同一品種茶樹老嫩梢的參數，毛蟹、肉桂和鐵觀音的老嫩梢可通過I、R、G、B、r值區分，I值還可作為福鼎大白茶老嫩梢的區分參數，R、G、B、r值可作為福云6號老嫩梢的識別參數，為機械化智能采摘老嫩梢技術提供參考依據。

茶樹葉片色澤參數也可運用于茶鮮葉的定級，在原料階段篩選出更加適宜加工某一特定成品茶的鮮葉，在原料上為茶葉品質提供保證。通過對茶樹葉片色澤參數的分析，可以實現某一參數或幾個參數對同一品種不同葉位葉片的辨別，精確性需進一步驗證提高，如能兼顧茶葉形狀，進一步深入探討葉片形狀、大小等其他參數，從而實現多維參數對茶樹葉片的精確定位采摘。