CN101692052A - 基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法和鉴别装置，涉及一种针对名优茶真伪的鉴别方法及装置。该装置由以下部件组成：摄像机(1)、图像光谱仪(2)、光源(3)、Y型光纤(4)、样品池(5)、移动平台(6)、密闭光源箱(7)和计算机(8)；其中摄像机(1)和图像光谱仪(2)两者紧密连接在一起，垂直安装在移动平台(6)输送装置正上方；样品池(5)置于移动平台(6)上，光源(3)和Y型光纤(4)连接，发出的光通过Y型光纤(4)进入密闭光源箱(7)中，均匀地照射在样品池(5)上。基于该装置的名优茶真伪鉴别方法，按以下步骤进行：(1)首先建立知识库；(2)采集超光谱图像数据；(3)数据预处理和特征信息提取；(4)模型建立及未知样本的鉴别。检测速度快、操作简便方便。

Description

基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法及装置

所属技术领域

本发明涉及一种针对名优茶真伪的鉴别方法及装置，特指基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法及其装置。

背景技术

目前中国的茶叶市场相对混乱，特别是在名优茶市场，由于名优茶价格高，产品的利润空间大，这在一定程度上导致了我国的名优茶市场存在以次充好、以假乱真的现象。有些不法的茶叶加工企业为追求更高的利润，购买外地的鲜叶，采用与该名优茶相同的加工手法得到外部形状特征十分相似的伪品，然后再冠以名优茶的商标在市场上以假乱真，这不仅损害了消费者的利益，也不利于我国名优茶的品牌保护。长期以来，名优茶的真伪鉴别主要依赖于人工感官评判。感官评判是由训练有素的专业评审人员对茶叶的外观、香味和滋味等感官指标进行逐一评判来鉴别名优茶的真伪，但人的感觉器官的灵敏度受到经验、性别、精神状态、身体状况甚至地域环境等外界因素的干扰而改变，从而影响鉴别结果的准确性和稳定性。

近年来，计算机视觉技术和近红外光谱技术在茶叶品质快速无损检测上得到了广泛地应用，但大多还仅限于实验室研究阶段。经检索，授权的仅有一个国内相关专利(实用新型)，“基于多光谱图像技术的纹理分析鉴别不同绿茶的装置”，专利号：ZL2007201100404.1。已经公开的相关发明有：“基于近红外光谱技术无损测量茶叶中茶多酚含量的方法，申请号200710069114.1”和“基于近红外光谱和机器视觉技术的茶叶品质无损检测方法及装置，申请号200810236223.2”。从检索结果看，目前近红外光谱和计算机视觉技术主要是用于茶叶产品的分类、分级和内部有效成分检测上，在利用这些技术对名优茶真伪的鉴别上国内外都没有相关专利。另外，从所采用的技术手段上看，他们大多仅采用单一的检测技术手段，具有一定的局限性。

本发明中超光谱图像技术是光谱分析技术和图像处理技术在最低层面上的融合技术。可以对茶叶的内外品质进行可视化分析，与单一检测手段相比，超光谱图像技术获得的信息量大，兼顾内外特征信息，与人类认知过程相似和鉴别模型容错性好等优点。因此，本发明提供的基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法及其装置，可以实现名优茶真伪的快速无损鉴别。该发明对提高我国名优茶市场的智能化管理水平，规范名优茶市场秩序，维护名优茶品牌有着直接的现实意义。

发明内容

鉴于上述现有技术发展情况，本发明的目的就是要提供一种基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法及其装置。通过超光谱图像系统装置采集茶叶样本的超光谱数据，该数据能同时含有反应茶叶内在特征的光谱信息和反应茶叶外观特征的图像信息。原始数据经过黑白标定后，提取能表征茶叶内外品质的特征图像和光谱信息；再从特征图像中提取能反映茶叶外部指标的颜色特征和纹理特征变量，利用主成分分析从光谱信息中提取主成分特征变量，并将这些特征变量相互融合；最后结合专家鉴别结果，建立名优茶真伪鉴别模型。待测样本通过相应的数据采集和特征提取，再用已经建立好的模型来鉴别该样本的真伪。

本发明的目的是通过以下方法实现的：

首先建立知识库，选取有代表性的一批样本，根据该名优茶真伪鉴别标准，先由专业人员通过感官审评方法对茶叶样本进行感官评判鉴定，将这些样本鉴别的结果组建标准的真品和伪品名优茶数据库。利用超光谱图像系统获取超光谱图像数据传入计算机。计算机对原始数据进行预处理，完成相应的图像信息和光谱信息特征变量的提取。最后将这些特征变量相互融合，并与前面建立的真品和伪品名优茶数据库相联系，建立名优茶真伪鉴别模型。然后利用该模型对待测样本真伪进行鉴别。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别装置，其特征在于由以下部件组成：摄像机、图像光谱仪、光源、Y型光纤、密闭光源箱、移动平台(可调速)、样品池和计算机等。装置的核心部件为摄像机和图像光谱仪，两者紧密连接在一起，垂直安装在移动平台输送装置正上方；样品池置于移动平台上，光源和Y型光纤连接，发出的光通过Y型光纤进入密闭光源箱中，均匀地照射在样品池上。其中摄像机为单色、数字、线阵的CMOS相机，图像光谱仪为可见近红外光谱仪，采用棱镜-光栅-棱镜分光模式。在数据采集过程中，密闭光源箱避免了外界杂散光对光照条件的影响。由于摄像机是一个线阵CMOS相机，为了获得整幅图像，相机和物体之间必须有相对移动，本装置提供了可调速的移动平台，随着移动平台上的样品池的移动，完成整幅图像的采集。

本装置的工作过程如下：在数据采集过程中，预先调节好移动平台输送装置的前进速度，使它与相机的线性扫描速度必须保持一致，以保证获得图像的空间尺寸不失真。茶叶样本均匀地平铺在样品池中，样品池置于移动平台输送装置上，光源发出的光经过Y型光纤进入密闭光源箱中，均匀地照射在茶叶样本上，在样本上形成漫反射后通过图像光谱仪分光，进入摄像机。摄像机是一个线阵相机，随着茶叶样本在移动平台上前进，完成整幅图像采集，采集得到的超光谱数据通过USB接口传输到计算机。

本发明所述的基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法，其特征按以下几个步骤完成：

(1)首先建立知识库，选取有代表性的一批样本，根据该名优茶真伪鉴别标准，先由专业人员通过感官审评方法茶叶样本进行感官评判鉴定，将这些样本鉴别的结果组建标准的真品和伪品名优茶数据库；

(2)超光谱图像数据的采集；将待测茶叶样本称取10克左右，均匀地平铺在特制玻璃容器中，然后将其置于自制光源箱内；超光谱图像摄像头在茶叶上方进行茶叶样本的超光谱图像数据采集；采集得到的超光谱图像数据传输至计算机；

(3)数据预处理和特征信息提取；在超光谱的数据预处理上，首先通过标准的白板对原始图像进行黑白校正；利用主成分分析对原始数进行降维提取特征波长图像，再从该图像中提取能描述茶叶的外部特征的纹理变量特征变量和颜色特征变量；对超光谱数据中光谱信息进行主成分分析，提取能放映茶叶内部特征的主成分光谱特征变量；

(4)模型建立及未知样本的鉴别，将提取得到光谱特征信息和图像特征信息在特征层上进行融合，然后再结合真品和伪品名优茶数据库，利用非线性模式识别方法建立名优茶真伪鉴别模型。模型建立好以后，对于未知样本，按照上述方法完成相应的数据采集和特征变量提取，将提取的特征变量代入建立好的模型，就可以得到该样本真伪结果。

本发明的有益效果是：

基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法通过采集茶叶样本的超过光谱数据，提取能表征茶叶内外品质的特征图像和光谱信息；再从特征图像中提取能反映名优茶外部指标的颜色特征和纹理特征变量，利用主成分分析从光谱信息中提取主成分特征变量，并将这些特征变量相互融合；最后结合专家鉴别结果建立名优茶真伪鉴别模型。待测样本通过相应的数据采集和特征提取，再用已经建立好的模型来鉴别该样本的真伪。

本发明与人工感观鉴别相比，结果更客观公正；与常规化学分析方法相比，检测速度快、操作简便方便；与单一的近红外光谱或机器视觉技术手段相比，得到的信息更全面，检测结果的精确性和稳定性都有所提高。本发明提供的基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法及其装置，可以实现名优茶真伪快速无损鉴别。该发明对提高我国名优茶市场的智能化管理水平，对于规范名优茶市场秩序，维护名优茶品牌有着现实意义。

附图说明

图1：本发明的技术方案示意图。

图2：本发明应用实例实现硬件示意图

其中，1、摄像机；2、图像光谱仪；3、光源；4、Y型光纤；5、样品池；6、移动平台、7、密闭光源箱；8、计算机。

具体实施方式

本发明对名优茶真伪快速无损鉴别具有通用性，但由于名优茶种类很多，因此本发明只举一个用于江苏特产名优茶碧螺春真伪鉴别的实施实例，其它名优茶的真伪鉴别可参照该实施实例的方法，具体针对所测茶叶样本，建立一个新的真伪鉴别模型，就可以对该名优茶样本真伪进行测试了。

实例实施步骤参阅图1，实例实现装置参阅图2。先选取一批真品和伪品的碧螺春样本(一般大于100个样本)用来进行模型校正，碧螺春样本的真伪通过茶叶专家感官审评来鉴别，鉴别过程严格按照国家标准指定的各项指标执行。将这些通过专家鉴定真伪的标准样本组建一个数据库。利用超过光谱系统对标准样本进行数据采集，提取能表征茶叶内外品质的特征图像和光谱信息；再从特征图像中提取能反映碧螺春外部指标的颜色特征和纹理特征变量，利用主成分分析从光谱信息中提取主成分特征变量，并将这些特征变量相互融合；最后结合专家鉴别结果建立名优茶真伪鉴别模型。

接下来就可以对未知碧螺春样本进行真伪鉴别了。称取10g左右的待测样本均匀地平铺在样品池(5)中，然后将其置入密闭光源箱(7)中的移动平台(6)上进行原始数据采集；工作时，光源(3)发出的光经Y型光纤(4)进入密闭光源箱(7)中，均匀地照射在茶叶样本上，预先调整好移动平台(6)的移动速度，保证该速度与摄像机(2)的线扫描速度匹配，采集得到超光谱原始数据通过USB接口传输到计算机(6)。计算机完成超光谱图像原始数据的预处理、特征变量的提取和信息融合，最后，将这些联合特征变量代入预先建立好的模型，这样就得到该样本的真伪结果，并且在计算机界面上显示。至此该碧螺春样本的真伪鉴别结束。

Claims (4)

1.基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别装置，其特征在于由以下部件组成：摄像机(1)、图像光谱仪(2)、光源(3)、Y型光纤(4)、样品池(5)、移动平台(6)、密闭光源箱(7)和计算机(8)；其中摄像机(1)和图像光谱仪(2)两者紧密连接在一起，垂直安装在移动平台(6)输送装置正上方；样品池(5)置于移动平台(6)上，光源(3)和Y型光纤(4)连接，发出的光通过Y型光纤(4)进入密闭光源箱(7)中，均匀地照射在样品池(5)上。

2.根据权利要求1所述的基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别装置，其特征在于摄像机为单色、数字、线阵的CMOS相机；图像光谱仪为可见近红外光谱仪，采用棱镜-光栅-棱镜分光模式。

3.根据权利要求1所述的基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别装置，其特征在于移动平台(6)可调速。

4.基于超光谱图像技术的名优茶真伪鉴别方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)首先建立知识库，选取有代表性的一批样本，根据该名优茶真伪鉴别标准，先由专业人员通过感官审评方法茶叶样本进行感官评判鉴定，将这些样本鉴别的结果组建标准的真品和伪品名优茶数据库；

(2)超光谱图像数据的采集；将待测茶叶样本称取10克左右，均匀地平铺在规格为Φ10×1cm的特制玻璃容器中，然后将其置于自制光源箱内；超光谱图像摄像头在茶叶上方进行茶叶样本的超光谱图像数据采集；采集得到的超光谱图像信息通过数据采集卡传输至计算机；

(3)数据预处理和特征信息提取；在超光谱的数据预处理上，首先通过标准的白板对原始图像进行黑白校正；利用主成分分析对原始数进行降维提取特征波长图像，再从该图像中提取能描述茶叶的外部特征的纹理变量特征变量和颜色特征变量；对超光谱数据中光谱信息进行主成分分析，提取能放映茶叶内部特征的主成分光谱特征变量；

(4)模型建立及未知样本的鉴别，将提取得到光谱特征信息和图像特征信息在特征层上进行融合，然后再结合真品和伪品名优茶数据库，利用非线性模式识别方法建立名优茶真伪鉴别模型；模型建立好以后，对于未知样本，按照上述方法完成相应的数据采集和特征变量提取，将提取的特征变量代入建立好的模型，就可以得到该样本真伪结果。

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