CN104155299A - 一种基于色相直方图的红茶发酵适度判别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于色相直方图的红茶发酵适度判别方法及装置。红茶发酵中产生视觉“红变”，颜色与成品茶品质相关。本发明通过计算机图像采集及分析模块提取在制品色相直方图特征，其主峰随发酵进行由右向左迁移,主峰对应色相角达最小时,为最佳轻发酵适度点，发酵叶为黄红色，有花香。当主峰到达最左端后0.5～1.5h；或主峰反向右移亦趋于稳定,且与最小色相角主峰高度差值△H大于等于0.3%时，为最佳发酵适度点，此时发酵叶为红铜色，青草气消失，带熟香和果香。采用本发明的方法和装置，可实现发酵适度及品质的快速判定，防止发酵过度或不足引起的品质安全等问题。

Description

一种基于色相直方图的红茶发酵适度判别方法及装置

技术领域

本发明属于红茶生产设备技术领域，具体涉及一种工夫红茶发酵适度的判别方法及其装置。

背景技术

发酵是工夫红茶加工的关键工序，直接决定成品茶的品质和风味特征。在整个红茶发酵过程中在制品（发酵叶）呈现出一系列的感官变化,如色泽的变化：青绿色—青黄色—黄色—黄红色—红色—红铜色—逐渐暗褐色。现有国内外红茶发酵中品质适度的检测方法上，均依据此变化现象，通过制茶师傅“一看二闻”的人工感官判别，即先观察发酵叶的视觉颜色变化，再嗅觉分辨挥发的气味特征与浓郁程度，最终凭借人的生产经验判断发酵是否适度。此方法易受制茶师傅的经验和人为的主观因素影响，容易造成红茶发酵偏轻或过度,造成产品质量、风格的稳定性和统一性差，质量安全风险因素极大增加。

公告号为CN101319990B 的中国发明专利公开了一种确定工夫红茶加工过程中发酵适度的新方法，该方法是：检测不同发酵时间发酵物浸泡后的茶汤的吸光度值(s)，吸光度变化是内含茶黄素变化引起，当吸光度值上升幅度变平缓(Δs ＜0.005)，或开始下降时，此时即为发酵适度时间。然而茶黄素是由多酚类物质转化而来，受茶树品种及发酵条件的影响，茶黄素的生成量会有很大不同。此外，在发酵进程中生成的茶黄素还在向茶红素等多个途径进行转化，进一步影响了利用茶黄素相对含量判定红茶发酵适度的准确性,此方法亦存在应用的局限性。 

公告号为CN103134795的中国发明专利公开了一种红茶发酵适度点的识别方法及装置，该发明为红茶发酵适度点的识别方法，发酵叶反光中红绿蓝光分别为RGB，方法为先获得某红茶品种的发酵适度点的发酵指数F1=R/G，F2=R/(R+G+B) 参数值维持时间T1、T2 ；再采集计算发酵叶的F1、F2，当平台维持时间达到T1 或T2，即达到发酵适度点。该发明理论上解决了发酵适度点识别的一致性，但是实际上红茶发酵过程中，主要是红变的过程，在发酵后期颜色变化很缓慢，而颜色传感器的灵敏度很难做到精确识别R\G\B值。

公告号为CN103424520A中国发明专利公开了一种红茶发酵适度的判定方法, 即在红茶发酵过程开始0h时，取发酵叶样品测定并记录EGCG含量,再利用色差仪每0.5h取发酵叶样品进行色相Hab值的检测,该方法存在色差仪光斑小,取样代表性不够准确引起较大采集误差,同时EGCG含量检测时间慢,难以满足生产中在线快速无损检测的要求。

公告号为CN103777524 A中国发明专利公开了一种基于可见光谱技术的红茶适度发酵控制的方法和装置。其通过计算机控制光纤计采集发酵物可见光的反射光谱，计算发酵物的色度值与目标色度值见色差；当色差小于设定的阈值时，认为发酵适度。由于光纤的光斑仅有3-5mm，条形红茶受揉捻破损影响，即便同一片茶叶表面的颜色亦不均匀，故测点取样的代表性不高势必造成误差较大，仅适用于国外红碎茶的发酵检测，不适用于我国特有的条形工夫红茶。

发明内容

本发明的目的在于针对上述检测方法的缺陷，提供一种可视化的基于计算机图像处理技术的发酵适度判别方法。为此，本发明采用以下技术方案：

一种基于色相直方图的红茶发酵适度判别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，自红茶发酵开始0h时，实时采集红茶发酵过程中在制品的图像，计算机同步分析图像，形成色相直方图(也即H直方图)； 

步骤二，观察色相直方图主峰迁移规律，主峰随发酵进行由右向左迁移,主峰对应色相角达最小时,为最佳轻发酵适度点，发酵叶为黄红色，有花香；

步骤三，当色相直方图主峰到达最左端后30min～90min，为最佳发酵适度点，此时发酵叶为红铜色，青草气消失，带熟香和果香；

或色相直方图主峰反向右移趋于稳定,且主峰频度增加值△H大于等于0.3%时，为最佳发酵适度点。

进一步地，发酵温度30～35℃时，色相直方图主峰到达最左端后30～60min，发酵温度在25～30℃时，色相直方图主峰到达最左端后60～90min，为最佳发酵适度点。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种实现上述方法的红茶发酵适度判别装置，为此本发明采用以下技术方案：

红茶发酵适度判别装置，它包括摄像头支架、采集箱、样品座、摄像头、计算机；

所述采集箱包括罩、采集隧道、底座、设置在所述罩中的光源；所述罩被罩在底座上，采集隧道设置在罩的顶部，所述摄像头的头部处在采集隧道内；

所述罩的内壁有漫反射涂层，所述底座上有吸光涂层；

所述计算机与摄像头连接，能实时获取摄像头采集的图像信息，计算机内置有采集与图像分析模块，能实时输出在制品图像、对摄像头所拍摄的照片或视频提取、生成色相直方图数据、将每次的色相直方图重叠及使其能被半透明显示。

进一步地，所述光源为环形光源，围绕所述拍摄隧道。

进一步地，所述支架包括配重座、电机、丝杆、支撑臂、立臂和联接扣；电机固定在配重座上，丝杆为直立，丝杆通过联轴器与电机的主轴联接；

所述支撑臂包括悬臂梁、滑块、摄像头套、螺旋副；悬臂梁通过螺旋副安装在丝杆上，悬臂梁的前端安装镜头套，用于放置及卡紧以固定摄像头；

立臂设置在丝杆旁，所述滑块嵌套在立臂的槽轨内，用于抑制支撑臂水平摆动；联接扣与固定立臂和丝杆连接，用于固定立臂和丝杆保持平行，及防止滑块滑出槽轨。

再进一步地，计算机内还设有控制模块，用于控制电机、摄像头的工作。

进一步地，所述采集与图像分析模块还能对色相直方图数据进行平滑预处理，平滑阶数可设置。

本发明方法和装置的优点和积极效果是：

1、通过基于色相直方图的红茶发酵适度判别方法及装置，实现将人眼观察的“红变”现象，通过科学计量手段进行量化以及可视化处理，从科学的角度诠释人眼判断的内质。其方法简单、新颖、可靠有效，且H色相更符合人的视觉经验判断。

2、整机结构简单、控制调节方便，对茶叶发酵品质的在线、实时、无损快速检测实现，提供了新的思路和理论数据。

附图说明

图1为红茶发酵适度判别装置实施例的轴测图。

图2为图1所示实施例的主视图。

图3为图2的B-B剖面图。

图4为图2的C-C剖面图。

图5为 典型H直方图特征图。

图6为H直方图向左“红变”迁移变化图。

图7为H直方图向右迁移变化图。

图8为平滑预处理前后的H直方图轮廓对比图。

图9为采集与图像分析模块的工作界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。下述实施例中，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1。

参见图1～图4，本发明所提供的红茶发酵适度判别装置，包括摄像头支架1、采集箱2、样品座3、摄像头4和计算机5。支架包括配重座11、电机12、丝杆13、支撑臂14、立臂15和联接扣16。电机12固定在配重座11上，丝杆13为直立，丝杆13通过联轴器与电机12的主轴联接。支撑臂14的悬臂梁141通过螺旋副144安装在丝杆13上，悬臂梁141的前端安装镜头套144，用于放置及卡紧以固定摄像头4，摄像头4及电机12受计算机5控制。立臂15设置在丝杆13旁，支撑臂14中的滑块143嵌套在立臂15的槽轨151内，用于抑制支撑臂14水平摆动。联接扣16用于固定立臂15和丝杆13保持平行，及防止滑块143滑出槽轨151。摄像头4可以是拍摄射频的装置或拍摄照片的装置，计算机内设有采集与图像分析模块，可实时输出在制品图像、对摄像头所拍摄的照片或视频提取、生成色相直方图数据、将每次的色相直方图重叠及使其能被半透明显示；计算机内还可设有控制模块，用于控制电机、摄像头的工作。

电机主轴旋转时，带动丝杆13转动，则支撑臂14通过螺旋副144的旋转力作用，同时在滑块143及槽轨151组合的限位（限制平面转动自由度）下，仅在垂直方向产生升降运动，则可调节摄像头的位置，结合摄像头的变焦功能使成像清晰，取样面积合理。

采集箱2包括罩21、拍摄隧道22、底座23、光源24。罩21可呈大体呈锥面形、球面形、抛物线形等形状，内侧表面涂有漫反光涂层211，罩21罩在底座23上，避免外部环境光进入罩21内部。光源24为普通RGB三基色光源，可采用环形光源，采用环形灯管或布置成环形，光源24安装在罩21的内部顶层，拍摄隧道22设在罩21顶部，摄像头4的部分长度探入拍摄隧道22内，光源24围绕拍摄隧道22。底座23在采集箱2底部，底座23设有穿过底部23中心的槽25，槽25用于样品座3的插入，底座23的上表面设有吸光涂层231，避免除样品池区域外的反射光线干扰摄像头成像。罩21与漫反射涂层211可将环形光源24的光线均匀反射至底座23上，保证光强分布的均匀性和采集环境一致性。吸光涂层231避免底座23反射光干扰摄像头镜头，拍摄隧道22凸或凹于罩21顶部上，避免环形光源24直射摄像头4，以及避免罩21外部环境光进入摄像头4和罩21内部。

样品座3包括样品池31、插板32。插板32与底座23的槽25配套，样品池31设置在插板32上，用于储放待采集的茶叶样品，插板32的外侧可设置拉环33，用于插拔样品座3以将样品放在摄像头正下方和拉出更换样品。

启动计算机，打开环形光源，将样品摊平放在样品座3的样品池31内，放入槽25内。操控电机12升降将摄像头4，使摄像头4置于成像工位，微调摄像头焦距使样品成像清晰，根据需要手动或自动采集发酵样品的图像信息，采集与图像分析模块实时输出在制品（发酵样品）图像，使显示器显示该图像，对摄像头所拍摄的照片或视频提取、生成色相直方图数据、将每次的色相直方图重叠及使其能在显示器上半透明显示，以便于观察区分发酵色泽的时序变化。

实施例2

基于实例1中所述设备，开展发酵实验。

发酵条件：保持鲜叶原料、萎凋、揉捻、干燥等实验条件一致，按照工夫红茶发酵工艺并结合研究目的，发酵工艺设计为：温度为发酵温度分别为25℃、30℃、35℃，湿度大于90%、发酵时间4h。发酵开始至结束，每隔30min取样一次，同时取样200g，然后干燥、冷却、保存，审评备用。干燥工艺为毛火120℃，烘至含水量20%左右；摊凉30min；足火90℃，烘至含水量4%~5%用于感官评审。

将发酵叶样本均匀平铺在 Φ10 cm×1 cm 的样品池31中，在环形光源24（70Lux光源强度）下进行图像采集，每个样本分别采集3次，取平均值作为采集的原始数据。利用采集与图像分析模块的ROI功能，截取所采集图像中心的400×400 像素点区域用于色相直方图分析，分析前图像分析模块自动进行白平衡标定，以及消除图像背景中光线造成的阴影斑点。

色相直方图又叫H分量灰度直方图(H直方图)。在面向视觉感知的彩色图像模型（HSV）中，色相（Hue）表示光谱颜色的位置，该参数用一角度量表示（即：色相角），红绿蓝三种颜色分别相隔120°，故色相角区间为[0-360]。

H直方图是对图像中不同颜色分布的统计，即图像中所有像素点按照色相角的大小，统计其所出现的像素点频度（0-360°的色相角内任一角度所对应的像素点数占总像素点数的比例），其横坐标是360个色相角度值，纵坐标是像素点频度值。

采集与图像分析模块还能对色相直方图数据平滑预处理，平滑阶数可设置，以消除色相直方图中的随机噪声，提高图像的可靠性。如图8所示，利用medfilt1函数对色相直方图进行平滑降噪处理，平滑阶数为20，对比处理前与处理后的色相直方图，可发现色相直方图的轮廓及主峰更加清晰，噪音明显降低及消除。如图9所示，为采集与图像分析模块的工作界面。

以25℃发酵温度处理为例，在4小时发酵进程中每隔半小时对在制品取样，将样品实时放入采集箱，实时采集其图像，生成H直方图信息；得到变化规律（如图5、图6所示）。不同发酵程度的H直方图形态具有差异，随发酵时间主体像素色泽由绿-黄-红-黄褐迁移趋势明显，H直方图主峰呈由右—左—右的迁移趋势，有效色相角度区间范围在0°至90°之间，主峰对应区域在30-60°间。

对照感官评分（表1）发现，主峰对应色相角达最小时（处于最左端）,为最佳轻发酵适度点。当主峰到达最左端后开始反向右移，此时计时，在发酵环境的温度30～35℃时，30～60min；或者发酵环境的温度在25～30℃时，60～90min，即达到最佳发酵适度点，发酵叶的色泽呈现为红铜色，青草气完全消失，香气中带有熟香和果香。

最佳发酵适度点的另一种确定方法，还可以依据H直方图主峰反向右移的迁移规律确定，其主峰向右移动并趋于稳定,且主峰频度增加值△H大于等于0.3%以上时，可认为达到最佳发酵适度点，如果继续发酵则会出现过度，颜色呈现黄褐色。

表1发酵中在制品成茶感官审评得分。

 

Claims (6)

1.一种基于色相直方图的红茶发酵适度判别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，自红茶发酵开始0h时，实时采集红茶发酵过程中在制品的图像，计算机同步分析图像，形成色相直方图； 

步骤二，观察色相直方图主峰迁移规律，主峰随发酵进行由右向左迁移,主峰对应色相角达最小时,为最佳轻发酵适度点，发酵叶为黄红色，有花香；

步骤三，当色相直方图主峰到达最左端后30min～60min，为最佳发酵适度点，此时发酵叶为红铜色，青草气消失，带熟香和果香；

或色相直方图主峰反向右移趋于稳定,且主峰频度增加值△H大于等于0.3%时，为最佳发酵适度点。

2.一种实现权利要求1所述方法的红茶发酵适度判别装置，其特征在于它包括摄像头支架、采集箱、样品座、摄像头、计算机；

所述采集箱包括罩、采集隧道、底座、设置在所述罩中的光源；所述罩被罩在底座上，采集隧道设置在罩的顶部，所述摄像头的头部处在采集隧道内；

所述罩的内壁有漫反射涂层，所述底座上有吸光涂层；

所述计算机与摄像头连接，能实时获取摄像头采集的图像信息，计算机内置有采集与图像分析模块，能实时输出在制品图像、对摄像头所拍摄的照片或视频提取、生成色相直方图数据、将每次的色相直方图重叠及使其能被半透明显示。

3.根据权利要求2所述的一种红茶发酵适度判别装置，其特征在于所述光源为环形光源，围绕所述拍摄隧道。

4.根据权利要求2所述的一种红茶发酵适度判别装置，其特征在于支架包括配重座、电机、丝杆、支撑臂、立臂和联接扣；电机固定在配重座上，丝杆为直立，丝杆通过联轴器与电机的主轴联接；

所述支撑臂包括悬臂梁、滑块、摄像头套、螺旋副；悬臂梁通过螺旋副安装在丝杆上，悬臂梁的前端安装镜头套，用于放置及卡紧以固定摄像头；

立臂设置在丝杆旁，所述滑块嵌套在立臂的槽轨内，用于抑制支撑臂水平摆动；联接扣与固定立臂和丝杆连接，用于固定立臂和丝杆保持平行，及防止滑块滑出槽轨。

5.根据权利要求4所述的一种红茶发酵适度判别装置，其特征在于计算机内还设有控制模块，用于控制电机、摄像头的工作。

6.根据权利要求2所述的一种红茶发酵适度判别装置，其特征在于所述采集与图像分析模块还能对色相直方图数据平滑预处理，平滑阶数可设置。