CN104297160B - 一种工夫红茶发酵适度判别方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工夫红茶发酵适度判别方法和装置。通过计算机设定发酵适度的标准图像与阈值T，并实时采集分析红茶发酵过程中在制品图像的R\G\B三个颜色分量直方图，计算其与标准图像的Manhattan距离。当Manhattan距离D的均值小于设定阈值T时，则判别为发酵适度，并输出信号停止红茶继续发酵。通过采集图像与标准图像的相似度对比分析，进而判别红茶的发酵适度状态，实现了发酵品质的在线快速无损检测，该方法科学有效，对红茶发酵的标准化、智能化加工技术的实现具有重要意义。

Description

一种工夫红茶发酵适度判别方法和装置

技术领域

本发明属于红茶生产设备技术领域，具体涉及工夫红茶发酵适度判别方法和装置。

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—紫铜色—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。

由于缺少对红茶发酵品质适度客观的、量化的、有效的科学评价手段和检测方法，国内外红茶发酵设备仍以单机和设备联接作业为主，原理多为基于时间、温度、湿度的简单控制，未摆脱人工操作和经验判断的“看茶做茶”模式，此已成为制约发酵工艺优化和实现标准化、自动化、智能化加工的技术瓶颈。基于机器视觉与图像处理技术的科学计量手段，可揭示视觉传感器特征变量与发酵品质感官品质间的量化解析关系，是突破该技术瓶颈的必要理论基础和有效途径。

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：利用发酵叶茶汤中有利于产品品质的主色—茶黄素水溶液的颜色在可见光区460nm处有最大吸收峰的原理及发酵过程中茶黄素含量由少→多→少的变化规律，对不同发酵时间的发酵叶茶汤进行比色测定，其吸光度值(s)与茶黄素含量成正相关，依据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。

由于工夫红茶发酵过程中，多种多酚类物质参与其中并随着发酵过程的延续逐步形成茶黄素、茶红素和茶褐素。虽然其中茶黄素含量与工夫红茶感官品质显著正相关，且相关系数达到0.8以上，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CN 103424520A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CN 103777524A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方法和装置，通过光纤和光谱仪测定发酵物的发酵过程中的可见光谱区的反射光谱，计算机通过发酵物反射光谱计算发酵物的色度值和发酵物与目标色度值之间的色差；当色差小于设定的阈值时，停止发酵物发酵，从而实现对红茶适度发酵的精准控制。该方法测定的是茶汤的反射光谱，但在实际加工中，茶汤受温度和冲泡时间影响很大，颜色在1分钟内，变化很大，难以满足测量的精准度。

发明内容

本发明的第一个目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种工夫红茶发酵适度判别方法，基于标准R/G/B直方图对比分析，采用Manhattan距离算法实现在线快速无损准确判别红茶发酵进程。为此，本发明采用以下技术方案：

一种工夫红茶发酵适度判别方法，其特征在于它提供有感官品质得分对应发酵适度工夫红茶的图像，以此作为标准图像，所述方法还提供有在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的相似距离值D均值的阈值T，并包括以下步骤：

步骤一，自红茶发酵开始0h时，采集红茶发酵过程中在制品的图像；

计算在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的颜色相似距离值D；相似距离值计算采用改进的Manhattan距离算法；

步骤二，当连续两个发酵采样时间点的在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的相似距离值D的均值小于阈值T时，则判别在制品图像与标准图像相似，判定为发酵适度，计算机输出报警、中止发酵设备工作的信号；

所述改进的Manhattan距离计算公式为：

$D\{H\left(I\right),H\left(Q\right)\}=\frac{1}{N\×M}\underset{k=0}{\overset{255}{\Σ}}|h_I\left(k\right)-h_Q\left(k\right)|\≤T---\left(1\right);$

其中I为输入的样品图像，Q为标准图像，H(I)表示输入的样品图像的颜色分量直方图，H(Q)为标准图像的颜色分量直方图；h_I(k)为样品图像的颜色分量直方图中横坐标第k点对应的频度值，h_Q(k)为标准图像的颜色分量直方图中横坐标第k点对应的频度值；k表示[0—255]灰度级区间内的任一点，N×M为样品图像像素值的大小。

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工夫红茶发酵适度判别装置，为此本发明采用以下技术方案：

工夫红茶发酵适度判别装置，它包括相机支架、采集箱、活动底座、相机和计算机；相机连接到计算机；

所述采集箱包括灯罩、活动底座、LED灯珠，在灯罩顶部设有采集孔，供相机伸入，在灯罩底部设有遮光板，遮光板有从边缘延伸至中部的插槽，供活动底座插入组合安装在灯罩底部，LED灯珠均匀分布在灯罩底部一圈；所述活动底座包括有与插槽插接配合的底板，底板上设置样品池；

计算机中设置采集与图像分析模块，控制电机和相机工作，对相机所拍摄的照片或视频提取、生成R/G/B三个颜色分量直方图数据，采用上述计算公式(1)计算在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的颜色相似距离值D；当D的均值均小于阈值T时，判别在制品图像与标准图像相似，判定为发酵适度，输出报警、中止发酵设备工作的信号。

进一步的，所述的采样箱内部光源环境采用积分球漫反射光照条件，其灯罩内壁设有涂层，可将LED灯珠的光线均匀反射至活动底座上，活动底座的底板上表面设有吸光涂层。

进一步的，所述相机支架包括底座、直立的螺杆、悬臂梁、导杆，相机安装在悬臂梁上；所述底座固定水平安置，电机安装在所述底座上，所述螺杆通过连轴器和所述电机连接，悬臂梁通过螺旋副和所述螺杆连接，所述导杆固定设置在所述底座之上并处于所述螺杆之旁，悬臂梁套在导杆上。

本发明所具有如下有益效果：

1、通过基于机器视觉图像处理判别红茶适度发酵的方法及装置，采用RGB直方图匹配结合改进的Manhattan距离算法，从科学的角度诠释了人眼判断的内质。方法简单、新颖、可靠有效。

2、本发明装置结构简单、控制调节方便，可实现茶叶发酵品质的在线、实时、无损快速检测实现，对于建立关于发酵叶不同品种、嫩度、发酵工艺条件下红茶发酵的适度控制提供了新的思路和理论数据，具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所提供的工夫红茶适度发酵判别装置的轴测图；

图2为本发明工夫红茶适度发酵判别装置的主视图；

图3为本发明工夫红茶适度发酵判别装置的剖视图；

图4为本发明工夫红茶适度发酵判别装置所采集的样品图像及工作界面图。

图5为样品图像的R/G/B三个颜色分量直方图

图6为各样品与标准图像的Manhattan距离均值折线图，空心圈为识别适度点，带X圈为误判/漏判适度点；

图7为样品的感官审评得分折线图，空心圈为识别适度点，带X圈为误判/漏判适度点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述：

本发明所提供的红茶适度发酵方法的装置，包括相机支架1、采集箱2、活动底座3、相机4和计算机5；相机4通过数据线连接到计算机。

所述支架包括底座11、直立的螺杆13、悬臂梁14、导杆15，悬臂梁14通过螺钉142与相机4连接；底座11固定水平安置，电机12安装在底座11上，螺杆13通过连轴器和电机12连接，悬臂梁14通过螺旋副141和螺杆13连接，附图标号41为相机4的镜头，其正面朝下，通过电机12驱动螺杆13控制悬梁臂14和相机4的高度；导杆15固定设置在底座11之上并处于螺杆13之旁，对悬臂梁14的升降进行导向并保持悬臂梁14的平衡和防止其水平摆动，在本实施例中悬臂梁14套在导杆15外。

相机4用于采集位于采集箱2内的红茶发酵在制品的图像，采集箱2包括灯罩21，形成漫反射光照条件。灯罩21内壁设有涂层，可将LED灯珠24的光线更均匀反射至活动底座3上。

为了采集图像的准确性，在灯罩21顶部设有采集孔22，供相机4伸入，并在灯罩21底部设置了遮光板23，阻挡住周围环境杂光对图像采集的干扰；遮光板23有从边缘延伸至中部的插槽25，供活动底座3插入组合安装在灯罩21底部，LED灯珠24均匀分布在灯罩21底部一圈；所述的活动底座3包括有与插槽25插接配合的底板32，底板32上设置样品池31，底板32连接有拉环33。操作时，红茶发酵样品均匀不漏地平摊在样品池31内，并通过拉环33推送进灯罩21内，使样品池处于底座中央位置；活动底座3的底板32上表面设有吸光涂层。

计算机中设置采集与图像分析模块，设定相机采集图像数据的时间间隔；电机主轴旋转时，带动螺杆转动，则悬臂梁通过螺旋副的作用力下，仅在垂直方向产生升降运动，调整相机到合适位置；结合相机的变焦功能，使得镜头对发酵红茶能进行清晰成像。打开LED光源，加入红茶发酵叶到样品池内，此时光源发出的光均匀反射，计算机通过相机实时采集发酵叶图像。

利用计算机中的采集与图像分析模块，在红茶发酵过程开始0h时，在5小时发酵进程中每隔半小时对在制品进行取样，将其实时放入采集箱，通过相机4实时实时采集其图像，采集界面和样品图像如图4所示。

采集的发酵过程在制品图像与适度发酵标准图像通过式(1)改进的Manhattan距离算法进行R/G/B三个颜色分量直方图颜色相似程度进行Manhattan距离(D)计算。本发明中R/G/B颜色分量直方图是指R/G/B颜色分量的灰度直方图(如图5所示)，灰度直方图是对图像中灰度(或亮度)等级分布的统计，灰度量化为[0—255]共256个值，即图像中所有像素点按照灰度值的大小，统计其所出现的像素点频度(某灰度值所对应的像素点数占总像素点数的比例)，其横坐标是该颜色分量的256个灰度级值，纵坐标是该颜色分量灰度值的像素点频度值。

$D\{H\left(I\right),H\left(Q\right)\}=\frac{1}{N\×M}\underset{k=0}{\overset{255}{\Σ}}|h_I\left(k\right)-h_Q\left(k\right)|\≤T---\left(1\right)$

式(1)为改进的Manhattan距离公式，其中I为输入的样品图像，Q为标准图像，H(I)表示输入的样品图像的颜色分量直方图，H(Q)为标准图像的颜色分量直方图；h_I(k)为样品的颜色分量直方图中横坐标第k点对应的频度值，h_Q(k)为标准图像的颜色分量直方图中横坐标第k点对应的频度值；k表示[0—255]灰度级区间内的任一点，N×M为样品图像像素值的大小。

通过给定一个阈值T，当RGB三个颜色的D值的均值小于等于T，认为输入的对比图像与标准图像相似，则可判断此时的工夫红茶发酵达到适度点。

标准图像为在生产中优选的具有最高感官品质得分时发酵在制品的图像，本实施例中T值阈值取0.05，当在制品(样品)的D值均值＞T,则判断发酵叶为发酵非适度状态(N)，当D值均值≤T时，则计算机自动报警判别此时红茶达到适度发酵状态(Y)。

如表1所示，样品编号的A1-A11、B1-B11、C1-C11、D1-D11分别表示发酵温度为20℃、25℃、30℃和35℃条件下，每隔半小时采集的发酵样品，4次不同发酵温度下的发酵试验所得R/G/B三个颜色分量直方图距离D值判断红茶发酵状态，定义感官评审得分大于80分为发酵适度样，则有12个样品为发酵适度(编号A9、B5、B9、B10、C5、C8、C9、C10、D4、D5、D6、D8)，其余均为发酵非适度样。不同发酵时间的红茶R/G/B直方图与标准直方图距离均值D值如表1和图6所示。

表1红茶发酵样品D值及感官评审结果

判定结果图6与图7样品感官审评结果进行对比，样品A7、B9、D6为判断错误(空心圈为识别适度点，X圈为误判/漏判适度点)，其余41个样本均正确识别，准确率为93.2％，说明基于RGB直方图距离算法评判红茶发酵适度的方法是可行的，且具有较高的判别准确率。

Claims (4)

1.一种工夫红茶发酵适度判别方法，其特征在于它提供有感官品质得分对应发酵适度工夫红茶的图像，以此作为标准图像，所述方法还提供有在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的相似距离值D均值的阈值T，并包括以下步骤：

步骤一，自红茶发酵开始0h时，采集红茶发酵过程中在制品的图像；

计算在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的颜色相似距离值D；相似距离值计算采用改进的Manhattan距离算法；

步骤二，当连续两个发酵采样时间点的在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的相似距离值D的均值小于阈值T时，则判别在制品图像与标准图像相似，判定为发酵适度，计算机输出报警、中止发酵设备工作的信号；

所述改进的Manhattan距离计算公式为：

$D\{H\left(I\right),H\left(Q\right)\}=\frac{1}{N\×M}\underset{k=0}{\overset{255}{\Σ}}|h_I\left(k\right)-h_Q\left(k\right)|\≤T---\left(1\right);$

其中I为输入的样品图像，Q为标准图像，H(I)表示输入的样品图像的颜色分量直方图，H(Q)为标准图像的颜色分量直方图；h_I(k)为样品图像的颜色分量直方图中横坐标第k点对应的频度值，h_Q(k)为标准图像的颜色分量直方图中横坐标第k点对应的频度值；k表示[0—255]灰度级区间内的任一点，N×M为样品图像像素值的大小。

2.实现权利要求1所述的工夫红茶发酵适度判别方法的工夫红茶发酵适度判别装置，其特征在于：它包括相机支架、采集箱、活动底座、相机和计算机；相机连接到计算机；

所述采集箱包括灯罩、活动底座、LED灯珠，在灯罩顶部设有采集孔，供相机伸入，在灯罩底部设有遮光板，遮光板有从边缘延伸至中部的插槽，供活动底座插入组合安装在灯罩底部，LED灯珠均匀分布在灯罩底部一圈；所述活动底座包括有与插槽插接配合的底板，底板上设置样品池；

计算机中设置采集与图像分析模块，控制电机和相机工作，对相机所拍摄的照片或视频提取、生成R/G/B三个颜色分量直方图数据，采用权利要求1的计算公式(1)计算在制品图像在R/G/B三个颜色分量直方图与标准图像的R/G/B三个颜色分量直方图的颜色相似距离值D；当D的均值均小于阈值T时，判别在制品图像与标准图像相似，判定为发酵适度，输出报警、中止发酵设备工作的信号。

3.实现权利要求1所述的工夫红茶发酵适度判别方法的工夫红茶发酵适度判别装置，其特征在于：所述的采样箱内部光源环境采用积分球漫反射光照条件，其灯罩内壁设有涂层，可将LED灯珠的光线均匀反射至活动底座上，活动底座的底板上表面设有吸光涂层。

4.实现权利要求1所述的工夫红茶发酵适度判别方法的工夫红茶发酵适度判别装置，其特征在于：所述相机支架包括底座、直立的螺杆、悬臂梁、导杆，相机安装在悬臂梁上；所述底座固定水平安置，电机安装在所述底座上，所述螺杆通过连轴器和所述电机连接，悬臂梁通过螺旋副和所述螺杆连接，所述导杆固定设置在所述底座之上并处于所述螺杆之旁，悬臂梁套在导杆上。