基于顏色特征的山藥加工成熟度識別

鐘義貴 蔡潔娜 馮森林 陳宜珠 彭泓 敖翔 顧慧瑤

中國藥膳是以中醫(yī)學(xué)、烹飪學(xué)和營養(yǎng)學(xué)理論為指導(dǎo)，嚴(yán)格按照中草藥配方，具有一定的藥用價值，并且擁有色、香、味和形的美味佳肴。它既以藥為食，又以藥賦食，藥借食之力，食助醫(yī)之力，二者相輔相成、相得益彰，能防病、養(yǎng)生、延年益壽。在藥膳加工中，每種食材的保健成分能否充分釋放出來將決定藥膳功效的好壞，所以研究藥膳每種食材的加工至關(guān)重要。

陽春白雪糕是中國藥膳之一，原料包括茯苓、茯?qū)?、山藥、蓮子等，其中，山藥具有健脾、補(bǔ)腎、潤肺、止咳、化痰、降血糖、促進(jìn)消化等作用。傳統(tǒng)的評估山藥加工成熟度的方法是由訓(xùn)練有素的人員通過人工視覺評估完成，難免帶有主觀的成分，質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化也難以保證。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，藥膳加工的手工作業(yè)方式逐漸邁向智能化。智能化加工可以提高藥膳加工的質(zhì)量控制精度，提升藥膳的養(yǎng)生作用，在中國藥膳的加工中具有一定的商業(yè)前景。

本文以山藥為例，研究了機(jī)器視覺技術(shù)在中國藥膳加工中的應(yīng)用，將對山藥成熟度的人工判斷轉(zhuǎn)化為一個機(jī)器視覺系統(tǒng)，通過顏色特征實(shí)現(xiàn)山藥加工成熟度的智能化識別，以減少主觀成分，確保藥膳的質(zhì)量。具體來說，主要是利用采樣、圖像二進(jìn)制轉(zhuǎn)換、分水嶺分割和邊緣檢測進(jìn)行圖像分割，根據(jù)彩色直方圖判斷山藥加工成熟度。

一、采樣

本研究首先從圖像采集開始。先從當(dāng)?shù)厥袌霾杉哂邢嗤墒炱诘纳剿帢悠?，再?jīng)過去皮和洗滌，然后進(jìn)行水蒸加工。在加工過程中，每1分鐘采集一次圖像，直到山藥完全蒸熟。

二、圖像處理

使用Matlab2010b的圖像處理工具箱對采集的圖像進(jìn)行處理，主要包括預(yù)處理、圖像二值化、圖像分割和后處理4個步驟。

1.預(yù)處理。預(yù)處理是圖像分割的關(guān)鍵步驟，在這一步中將圖像灰度化?；叶然谷ǖ缊D像簡單化，減少了輸入圖像中的噪聲和圖像數(shù)據(jù)量，提高了圖像質(zhì)量和圖像處理速度。預(yù)處理采用原始彩色（RGB）圖像，并使用MATLAB命令rgb2gray將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。

2.圖像二值化。圖像二值化是以明顯的黑白效果呈現(xiàn)整個圖像的過程，采用合適的閾值，得到能夠反映圖像整體和局部特征的二值圖像。

3.圖像分割。圖像分割是根據(jù)圖像的顏色和對象等特征，將圖像劃分為區(qū)域的過程。這些區(qū)域是像素集，具有有關(guān)對象的一些有意義的信息。圖像分割的結(jié)果是更具意義、更易于理解和分析的圖像形式，本文采用分水嶺分割法。分水嶺分割是一種基于形態(tài)學(xué)的圖像分割方法，先通過mesh（）函數(shù)獲取灰度圖像的類似集水盆地圖，再使用sobel（）算子進(jìn)行梯度運(yùn)算，獲取梯度圖，然后使用watershed（）分水嶺算法獲取圖像的分水嶺，最后將分水嶺與原始圖像結(jié)合，從原始圖像對分水嶺進(jìn)行觀察。

4.后處理。在對圖像進(jìn)行分水嶺分割后，有意義的區(qū)域已被大致分割，但邊緣相對模糊。為了細(xì)化邊緣，提高區(qū)域分割的精度，采用Sobel算子、Prewitt算子和Canny算子進(jìn)行邊緣檢測。邊緣檢測方法是識別和定位圖像中尖銳不連續(xù)的過程，通過比較3種不同邊緣檢測算子的邊緣檢測結(jié)果，最終選擇基于Canny算子的邊緣檢測（圖3、圖4），結(jié)合高斯濾波來降低噪聲。經(jīng)過邊緣檢測和降低噪聲之后，可以清晰地描繪出山藥的形狀，獲取其具有意義特征的部分。

三、顏色特征提取

對圖像進(jìn)行上述處理后，可以對有意義的特征部分進(jìn)行分割，然后通過顏色直方圖實(shí)現(xiàn)對該部分的顏色特征提取。可以通過計(jì)算每種顏色的像素?cái)?shù)，從而構(gòu)造圖像的顏色直方圖。

顏色直方圖可以基于不同的顏色空間和坐標(biāo)系，本文使用的顏色空間是HSV空間，這是直方圖中最常用的顏色空間，它的三個組件分別表示色調(diào)、飽和度和值。

為了計(jì)算顏色直方圖，需要將顏色空間劃分為幾個小的顏色間隔，每個單元成為直方圖的一個單元，這個過程稱為顏色量化。然后，通過計(jì)算每個單元中的像素?cái)?shù)來獲得顏色直方圖，如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，山藥在加工過程中，不同時刻的顏色特征是不同的，因此可以通過顏色特征來檢測山藥的加工成熟度。

四、結(jié)論

本文探討了山藥圖像的顏色特征，發(fā)現(xiàn)不同加工時期的山藥圖像具有不同的顏色特征，可以作為判斷山藥是否加工完成的指標(biāo)之一。本研究可用于陽春白雪糕的加工，根據(jù)顏色特征判斷各種食材是否達(dá)到成熟條件，促進(jìn)加工過程的智能化。這種模式可以減少主觀成分并降低成本，并且比傳統(tǒng)的人工檢測更加精確和高效。

*通信作者：鐘義貴（1963-），博士研究生，高級工程師，主要從事植物產(chǎn)品智能企業(yè)系統(tǒng)的教學(xué)和研發(fā)工作。