CN103308517B - 中药颜色客观化方法及中药图像获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中药颜色客观化方法，包括下述步骤：步骤S01,获取中药的图像：在恒定温度、单色背景、具有特定色温光源的封闭空间内用照相机对背景和中药样板分别摄像获取背景和中药的颜色图像；步骤S02,对获取的中药图像进行预处理；步骤S03,对预处理后的中药的图像提取中药的颜色特征；本发明还公开了适用于该方法的中药图像获取装置。本发明可提高中药鉴定的准确性和重现性。

Description

中药颜色客观化方法及中药图像获取装置

技术领域

本发明涉及中药领域，尤其涉及一种中药颜色客观化方法及中药图像获取装置。

背景技术

中药市场前景甚好，但中药行业信息化程度不高，经验性强，例如，现今中药的鉴定仍然依靠专家和技工通过眼观、鼻闻等技能来人工完成。人的经验识别和鉴定的准确性、重现性等存在一定的问题。同时也导致中药市场上假冒伪劣，以次充好等现象发生。中药行业要传承与发展，必须创新，提高技术水平。

图像处理(image processing)技术，即用计算机对图像进行分析，以达到所需结果的技术。数字图像是指用数字摄像机、扫描仪等设备经过采样和数字化得到的一个大的二维数组，该数组的元素称为像素，其值为一整数，称为灰度值。图像处理技术的主要内容包括图像压缩，增强和复原，匹配、描述和识别3个部分。常见的处理有图像数字化、图像编码、图像增强、图像复原、图像分割和图像分析等。该项技术目前已经广泛运用于工业、农业、军事、科学研究等领域。但在中药行业中的运用还未见较多的报道。图像处理技术，可用于解决中药颜色客观化的关键问题，对中药的质量及炮制工艺进行评价，并有助于经验传承。

中药品质高低直接影响其商品价值、临床疗效及用药安全。中药质量有关真、伪、优、劣的评价，其发展过程经历了性状鉴别、显微及薄层鉴别、有效或指标成分含量测定、指纹图谱分析、生物效价测定等，模式总结为感官评价、理化评价、生物学评价，目前以理化评价为主，关注分析物质基础的技术方法，而经验评价未受到重视。但中药成分极为复杂，不能简单地以某一种或几种成分的含量来衡量其品质的高低。古人的经验主要是从整体上对中药的品质进行识别、评价，中药性状鉴别的“精髓”系“辩状论质”，即从“形色气味”4个方面来衡量中药的品质。然而传统的中药颜色检测大多依靠人的感官评估，即通过眼观的方式对中药的颜色进行评价。

中药的颜色特征是中药外观质量评价的重要指标，然而传统经验鉴别主要依据鉴别者的感观感觉，没有客观量化标准，鉴别结果严重受到主观因素的影响和偏差，在实际运用当中难免造成偏颇。此外，从古到今有关性状鉴别操作主要依靠“师徒相传，口传心授”的形式传承，富有经验的老药工人数逐渐减少，中药不仅面临着质量控制问题，还面临着这种经验濒临传承断代的问题。

查询中药颜色的相关专利，快速判定中药材等级的比色卡及其制备方法（CN200910236482.X）与一种检测中药饮片外观色泽的方法（CN201010117927.5）两专利涉及中药颜色量化，但此两项专利均未对稳定获取中药颜色特征信息的装置与方法进行阐明，其结果的重复性、重现性、精密度存在疑问。此外，二者所采用的颜色特征统计方法并未公开，无法确认其所得结果能真实并能适合中药特点的表现中药颜色信息。

发明内容

本发明旨在提供一种中药颜色客观化方法及中药图像获取装置，其基于数字图像处理技术可提高中药鉴定的准确性和重现性，自动化程度高，提高劳动效率。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开的中药颜色客观化方法，包括下述步骤：

步骤S01,获取中药的图像：在恒定温度、单色背景、具有特定色温光源的封闭空间内用照相机对背景和中药样板分别摄像获取背景和中药的颜色图像；

步骤S02,对获取的中药图像进行预处理；

步骤S03,对预处理后的中药的图像提取中药的颜色特征。

优选的，在步骤S01中：所述恒定温度为25摄氏度，所述单色背景为黑色、白色或中性灰，所述特定色温光源为标准D65或D50光源，光源的显色指数大于95％，所述封闭空间中的照度为2000～3000Lux，照度均匀性大于85％。

进一步的，在步骤S02中对采集的中药图像的预处理包括：

中药区域提取及标记：将获得的中药图像进行图像二值化分割处理，采用背景差分法将药材图片与背景图片相减提取需颜色量化的中药区域，差值大于阈值40的像素点判定为中药像素点，差值小于阈值40的判定为背景像素点；

将进行图像二值化分割处理后的中药的图像进行图像形态学滤波处理：采用腐蚀与膨胀方法消除噪声并将其还原为原始图像中目标的形状，得到背景为黑色,目标为白色的二值图像。

进一步的，在步骤S03中包括：

从预处理后的中药的图像中提取反映中药图像颜色的全局特性的图像平均值；

从预处理后的中药的图像中提取反映中药图像颜色灰度级对比度的均方差值；

从预处理后的中药的图像中提取反映中药图像平均信息量的熵值；

对照相机所获取中药RGB3通道图像进行重组，采用CIELab颜色空间的三维色坐标L、a、b值表示中药的颜色特征。

进一步的，在步骤S01中还包括白平衡卡及标准色卡的图像采集：分别将用于相机颜色校准的白平衡卡、标准色卡放置于拍照箱特定的位置，首先采集白平衡卡的图像，对相机白平衡进行校准，再采集标准色卡的图像，以此完成对相机后续拍摄的图像进行颜色校准；

在步骤S03中还包括颜色校正：按照标准色卡上标定的颜色RGB或Lab值得到Lab颜色校正参数K₁、K₂、K₃及C₁、C₂、C₃,再对采用CIELab颜色空间建立的中药颜色特征值L、a、b根据下述运算进行校正：

L’=K₁·L+C₁

a’=K₂·a+C₂

b’=K₃·b+C₃

即得到所测中药颜色特征值的真实值L’、a’、b’。

本发明还公开了所述中药颜色客观化方法采用的中药图像获取装置，包括计算机和一个封闭腔体，所述封闭腔体的一个侧面设置有可开启的用于放、取中药样品的侧门，在封闭腔体内的上部固定有照相机，所述照相机的镜头竖直向下，封闭腔体的侧面内壁上设置有光源，所述光源采用可调稳压电源供电，封闭腔体的内底面与照相机的镜头相平行，腔体内还设置有温度控制器，所述温度控制器、照相机受计算机控制。

进一步的，所述封闭腔体下端设置有底座，所述可调稳压电源安装在底座内，所述底座与侧门同方向的外侧面上还设置有电源开关、光源亮度调节器、用于显示温度的LED显示屏，侧门上方还设置有用于自动控制侧门开关的红外感应装置。

优选的，所述封闭腔体的内底面为边长为32的正方形，封闭腔体的四个侧面分别为向内倾斜的二段连接而成，其上段侧面的倾斜度大于其下段侧面的倾斜度，所述其下段侧面的倾斜边长度为13，所述上段侧面的倾斜边长度为4；所述相机罩位于封闭腔体的顶部中央位置，其底面开口为边长为8的正方形，相机罩底面开口与上侧面顶部水平连接，该水平连接面的长度为3；所述温度控制器设置在相机罩内侧。

优选的，所述光源为LED光源，所述LED光源有2组，每组6个设置在同一侧面的横向中点位置，同组中相邻二个LED光源之间的距离为4，2组LED光源分别设置在相对的2个侧面上，设置有侧门的侧面不设置LED光源。

优选的，所述照相机为工业相机或数码相机。

本发明公开的中药颜色客观化方法及中药图像获取装置，有利于中药品质科学评价及用药安全。基于数字图像处理技术可保证中药鉴定的准确性和重现性，并将从业人员从繁重的重复劳动中解脱出来；有助于建立第三方评价体系，搭建监督平台；为中药经验传承提供了新的技术方法。

附图说明

图1为本发明所述中药颜色客观化方法的流程图；

图2为本发明所述中药图像获取装置的结构示意图；

图中：1-照相机、2-温度控制器、3-光源、4-LED显示屏、5-电源开关、6-光源亮度调节器、7-载物台、8-侧门、9-相机罩、10-底座、11-下段侧面、12-上段侧面、13-水平连接面、14-红外感应装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

参见图1，本发明公开的中药的图像中药颜色客观化方法包括：

步骤S01,获取中药的图像：在恒定温度、单色背景、具有特定色温的光源3的封闭空间内用照相机1对背景和中药样板分别摄像获取背景和中药的颜色图像；

为了获得最真实还原中药颜色特征的图像，首先打开中药图像获取装置相机罩9，将照相机1固在相机罩9内，并用数据线将相机与计算机控制系统相连，盖上拍照箱相机罩9，以便拍摄环境处于密闭环境，免受外界干扰。

通过触发红外感应装置14，自动打开侧门8，将中药样本置于载物台7的中央位置，通过光源亮度调节器6调节底座10内的可调稳压电源使得光源3亮度至规定的照度值，设置温度控制器2使得相机罩9的温度恒定为25℃，以保证数码相机的成像效果稳定可控；在拍照箱中铺上特定颜色的纯色背景纸（布），一般为黑色、白色或中性灰背景；将用于照相机1颜色校准的白平衡卡放置于载物台7上设定的位置，采集白平衡卡的图像，校准相机白平衡，再将标准色卡放置于载物台7上设定的位置，采集标准色卡的图像，按照标准色卡上标定的颜色RGB值或Lab值调整相机图像颜色参数，以此对照相机1后续拍摄的图像进行颜色校准。

选取需要进行颜色量化的中药样本放置于载物台7上，同时调整照相机1至适宜于该中药颜色量化的参数，例如：画质——△M（800W像素）、图像确认——关、闪光灯控制——禁用、周边光量校正——关、减轻红眼——禁用、曝光补偿/AEB——0、自动亮度优化——禁用、照片风格——标准、白平衡——日光（5200K）、白平衡偏移/包围——0、0/±0、色彩空间——sRGB、ISO感光度——400、自动对焦模式——实时模式、长宽比——3:2、曝光模拟——禁用、测光定时器——4秒、手动对焦、焦距参照待测饮片各项下的图像获取要求（或是定焦镜头50mm）。

在特定的颜色背景下对中药进行图像采集，以此获取在此规定拍照环境下标准的中药图像。整个图像获取过程，由计算机控制拍摄完成，无须人工按下相机快门获取图像。

步骤S02,对获取的中药图像进行预处理：

1）中药区域提取及标记

为了方便后续图像特征的提取,首先需要将目标中药与背景分割开。本发明采用阈值分割的区分目标和背景。阈值是分割的关键，直接影响到二值图象的质量。如果阈值T过高，二值图象中判定为目标的区域会严重碎化；相反，如果阈值T太低，又会引入大量的噪声。本专利针对研究对象-中药有关颜色方面的具体要求，阈值一般为40左右。采用背景差分法将药材图片与背景图片相减提取需颜色量化的中药区域，差值大于阈值40的像素点判定为中药像素点，差值小于阈值40的判定为背景像素点。

2）腐蚀与膨胀

经过阈值处理的二值图像中，虽然能很好的分离出目标和背景，但是目标区域比原图中的实际中药更大，且目标中有黑色的斑点，所以本发明采用形态处理方法将其去除。先采用膨胀将不连续的边缘像素去除，然后采用腐蚀去除本是背景的目标像素。膨胀、腐蚀选用简单、快速的3×3结构元素。经过2次膨胀、3次腐蚀后消除噪声并将其还原为原始图像中目标的形状，得到背景为黑色,目标为白色的二值图像。

步骤S03,对预处理后的中药的图像提取中药的颜色特征：

1）平均值

图像的平均值反映了图像颜色的全局特性，它统计了图像区域中全部像素点的像素值，并取其平均值，是图像的基本特征之一。

对于一幅经过图像预处理灰度集合为(w₁,w₂,...,w_n)的图像，该图像对应的灰度概率为(p₁,p₂,...,p_n)，其中有均值为：

$m=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{p}_i$

2）均方差

均方差（mean square error）也称标准差（Standard Deviation），是指每个数据偏离其样本平均值的距离的平均数，一般用σ表示。标准差就是样本平均数方差的算术平方根，是相对于样本数据的平均值的，通常用M±SD来表示，它说明了样本数据观察值相离平均值的距离。若数据的均值相同，标准差则不一定相同。标准差能反映样本数据的离散程度，极值影响标准差。若数据越聚集标准差就越小，若数据越离散标准差就越大。

在数字图像处理中，均方差可以提供比均值更为丰富的信息，它是表示灰度级对比度的度量。对于一幅灰度集合为(w₁,w₂,...,w_n)，的图像，该图像对应的灰度概率为(p₁,p₂,...,p_n)，其均方差为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(w_i-m)}^2{p}_i}$

3）熵

自信息是一个随机变量，它指的是某一信源发出特定消息所含有的信息量，该事件发生概率的对数的负值定义为自信息量。对于一个概率为p的事件x，它的自信息量定义为：

I(x)=-logp(x)

信源所发出不同的消息，就会形成不同的信息量。但是信源所包含的平均自信息量不能由一个消息的自信息量代表，所以整个信源的信息测度不能由自信息量来决定，因此信源的平均自信息量为自信息量的数学期望，即信源的熵。熵的概念是由Shannon定义的，在集X上，熵H(X)定义为：

$H\left(X\right)=E\[I\left(x_i\right)\]=E\{-\log p\left(x_i\right)\}=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}p\left(x_i\right)\log p\left(x_i\right)$

图像的熵是Shiozaki用信息论中Shannon定义的熵来定义的，它反映了图像中平均信息量的多少。设图像的灰度集合为(w₁,w₂,...,w_n)，该图像对应的灰度概率为(p₁,p₂,...,p_n)，其熵为：

$H=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\log p_i$

本发明涉及的颜色量化模型为适合中药特点的Lab颜色空间，它是三原色光模式的一种非线性变换。由于现有的相机采集的原始图片均采用RGB颜色模型，因此，需要将RGB3通道图像进行重组。具体采用的算法如下：

RGB—>XYZ

var_R=(R/255)//R from0to255

var_G=(G/255)//G from0to255

var_B=(B/255)//B from0to255

if(var_R>0.04045)var_R=((var_R+0.055)/1.055)^2.4else var_R=var_R/12.92

if(var_G>0.04045)var_G=((var_G+0.055)/1.055)^2.4else var_G=var_G/12.92

if(var_B>0.04045)var_B=((var_B+0.055)/1.055)^2.4else var_B=var_B/12.92

var_R=var_R*100

var_G=var_G*100

var_B=var_B*100

//Observer.=2°,Illuminant=D65

X=var_R*0.4124+var_G*0.3576+var_B*0.1805

Y=var_R*0.2126+var_G*0.7152+var_B*0.0722

Z=var_R*0.0193+var_G*0.1192+var_B*0.9505

XYZ—>Hunter-Lab

(H)L=10*sqrt(Y)

(H)a=17.5*(((1.02*X)-Y)/sqrt(Y))

(H)b=7*((Y-(0.847*Z))/sqrt(Y))

进一步的，对上述获得的中药的颜色特征L、a、b值进行校正，以除去拍照过程中的环境因素带来的误差，其具体方法为：在步骤S02中采集白平衡卡及标准色卡的图像，白平衡卡用于校准相机白平衡，并按照标准色卡上标定的颜色RGB或Lab值得到Lab颜色校正参数K₁、K₂、K₃及C₁、C₂、C₃,再对采用CIELab颜色空间建立的中药颜色特征值L、a、b根据下述运算进行校正：

L’=K₁·L+C₁

a’=K₂·a+C₂

b’=K₃·b+C₃

得到的L’、a’、b’值即为所测中药的真实颜色值。

参见图2，本发明公开中药图像获取装置的一个实施例，包括计算机和一个封闭腔体，封闭腔体下端设置有底座10，底座10的水平顶面位于封闭腔体的部分即为载物台7，载物台7为边长为32的正方形，封闭腔体的四个侧面分别为向内倾斜的二段连接而成，其上段侧面12的倾斜度大于其下段侧面11的倾斜度，其下段侧面11的倾斜边长度为13，上段侧面12的倾斜边长度为4；相机罩9位于的顶部中央位置，其底面开口为边长为8的正方形，相机罩9底面开口与上侧面顶部水平连接，该水平连接面13的长度为3；照相机1采用固定支架安装在相机罩9的中央位置，温度控制器2设置在相机罩9内侧；底座10为中空，为光源3供电的可调稳压电源安装在底座10内部，用于显示温度的LED显示屏4、电源开关5、光源亮度调节器6安装在底座10的同一外侧面，封闭腔体与该外侧面同一方向的侧面上设置有可开启的侧门8，侧门8上方设置有红外感应装置14，用于自动感应控制侧门8的开启；光源3采用LED光源，LED光源有2组，每组6个设置在封闭腔体同一侧面的横向中点位置，同组中相邻二个LED光源之间的距离为4，2组LED光源分别设置在相对的2个侧面上，设置有侧门8的侧面不设置LED光源。

通过严格的计算、实际测试和比较，采用上述封闭腔体形状和尺寸比例、照相机1的安装位置、LED光源的数量和安装位置，可以保证载物台7的中央区域（即照相机1的视角区域）获得最均匀的照度。

进一步的，温度控制器2、照相机1通过线缆与计算机连接，受计算机控制，照相机1采用数码相机。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种中药图像获取装置，其特征在于:包括计算机和一个封闭腔体，所述封闭腔体的一个侧面设置有可开启的用于放、取中药样品的侧门(8)，在封闭腔体内的上部固定有照相机(1)，所述照相机(1)的镜头竖直向下，封闭腔体的侧面内壁上设置有光源(3)，所述光源(3)采用可调稳压电源供电，封闭腔体的内底面与照相机(1)的镜头相平行，腔体内还设置有温度控制器(2)，所述温度控制器(2)、照相机(1)受计算机控制；所述封闭腔体下端设置有底座(10)，所述可调稳压电源安装在底座(10)内，所述底座(10)与侧门(8)同方向的外侧面上还设置有电源开关(5)、光源亮度调节器(6)、用于显示温度的LED显示屏(4)，侧门(8)的上方还设置有用于自动控制侧门(8)开关的红外感应装置(14)。

2.根据权利要求1所述的中药图像获取装置，其特征在于:所述封闭腔体的内底面为边长为32的正方形，封闭腔体的四个侧面分别为向内倾斜的二段连接而成，其上段侧面(12)的倾斜度大于其下段侧面(11)的倾斜度，所述其下段侧面(11)的倾斜边长度为13，所述上段侧面(12)的倾斜边长度为4；相机罩(9)位于封闭腔体的顶部中央位置，其底面开口为边长为8的正方形，相机罩(9)底面开口与上侧面顶部水平连接，该水平连接面(13)的长度为3，所述长度数值均为比例尺寸；所述温度控制器(2)设置在相机罩(9)内侧。

3.根据权利要求2所述的中药图像获取装置，其特征在于:所述光源(3)为LED光源，所述LED光源有2组，每组6个设置在同一侧的下段侧面(11)、上段侧面(12)和水平连接面(13)的横向中点位置，同组中相邻二个LED光源之间的距离为4，2组LED光源分别设置在相对的2个侧面上，设置有侧门(8)的侧面不设置LED光源。

4.根据权利要求1所述的中药图像获取装置，其特征在于:所述照相机(1)为工业相机或数码相机。

5.一种采用如权利要求1-4所述任意一种中药图像获取装置来获取中药图像的中药颜色客观化方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤S01,获取中药的图像：在恒定温度、单色背景、具有特定色温光源的封闭空间内用照相机对背景和中药样板分别摄像获取背景和中药的颜色图像；

步骤S02,对获取的中药图像进行预处理；

步骤S03,对预处理后的中药的图像提取中药的颜色特征。

6.根据权利要求5所述的中药颜色客观化方法，其特征在于，在步骤S01中：所述恒定温度为25摄氏度，所述单色背景为黑色、白色或中性灰，所述特定色温光源为标准D65或D50光源，光源的显色指数大于95％，所述封闭空间中的照度为2000～3000Lux，照度均匀性大于85％。

7.根据权利要求5所述的中药颜色客观化方法，其特征在于，在步骤S02中对采集的中药图像的预处理包括：

中药区域提取及标记：将获得的中药图像进行图像二值化分割处理，采用背景差分法将药材图片与背景图片相减提取需颜色量化的中药区域，差值大于阈值40的像素点判定为中药像素点，差值小于阈值40的判定为背景像素点；

将进行图像二值化分割处理后的中药的图像进行图像形态学滤波处理：采用腐蚀与膨胀方法消除噪声并将其还原为原始图像中目标的形状，得到背景为黑色,目标为白色的二值图像。

8.根据权利要求5所述的中药颜色客观化方法，其特征在于，在步骤S03中包括：

从预处理后的中药的图像中提取反映中药图像颜色的全局特性的图像平均值；

从预处理后的中药的图像中提取反映中药图像颜色灰度级对比度的均方差值；

从预处理后的中药的图像中提取反映中药图像平均信息量的熵值；

对照相机所获取中药RGB 3通道图像进行重组，采用CIELab颜色空间的三维色坐标L、a、b值表示中药的颜色特征。

9.根据权利要求8所述的中药颜色客观化方法，其特征在于：

在步骤S01中还包括白平衡卡及标准色卡的图像采集：分别将用于相机颜色校准的白平衡卡、标准色卡放置于拍照箱特定的位置，首先采集白平衡卡的图像，对相机白平衡进行校准，再采集标准色卡的图像，以此完成对相机后续拍摄的图像进行颜色校准；

在步骤S03中还包括颜色校正：按照标准色卡上标定的颜色RGB或Lab值得到Lab颜色校正参数K₁、K₂、K₃及C₁、C₂、C₃,再对采用CIELab颜色空间建立的中药颜色特征值L、a、b根据下述运算进行校正：

L’＝K₁·L+C₁

a’＝K₂·a+C₂

b’＝K₃·b+C₃

即得到所测中药颜色特征值的真实值L’、a’、b’。