CN112006120A - 基于气味及3d结构光的茶叶锅式杀青系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统，涉及茶叶加工领域，该系统包括：杀青锅、拍摄模块、温度控制模块、电子鼻、主处理模块和机械炒手模块，拍摄模块至少包括3D结构光摄像头，机械炒手模块包括电机及其连接的桨叶，主处理模块根据茶叶图像中各个像素点的景深信息计算得到茶叶图像中各个预定区域内的茶叶的褶皱度差异，并根据褶皱度差异控制机械炒手模块中桨叶的转速调节对茶叶的翻炒速率，主处理模块根据采集到的预定种类化学物浓度控制温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，通过使用本发明的基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统，可以在无需专业炒茶人员的前提下，高效、高质量地进行茶叶杀青自动化生产。
Description
技术领域
本发明涉及茶叶加工领域，尤其是基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统。
背景技术
茶叶是未经发酵制成的茶叶品种，作为中国的主要茶类之一，它保留了鲜叶的天然物质，含有茶多酚、叶绿素、氨基酸、维生素等多种营养成分，这些营养成分对于防衰老、防癌、抗癌、杀菌和消炎具有一定的功效。
目前的制茶工艺包括摊放、杀青、揉捻、干燥等多个步骤，其中杀青是重要的高温环节，茶叶经过高温杀青，将茶叶中的各种氧化酶杀灭，从而可以抑制鲜叶中茶多酚等有效成分被酶促氧化，同时蒸发鲜叶中的水分，是茶叶变柔软，以便于后续的揉捻成形。
现有杀青技术一般包括蒸汽杀青、锅式杀青、微波杀青和沸水杀青等。名优茶叶的杀青一般使用锅式杀青，锅式杀青装置的主体由加热装置、杀青锅组成，结构简单。茶农将采摘下来的茶叶进行摊青后，放入锅内利用工具进行翻炒，通过触觉，视觉和嗅觉来调节加热装置功率、判别杀青的进程。根据人工主观感官评价来改变杀青操作的流程主要为：若杀青锅内各茶叶叶片的褶皱程度差异较大，则说明各叶片受热不均匀，需要加快翻炒速率来保证受热一致性；杀青前期，若闻到了酶促氧化产物的气味，则提高茶叶叶片温度来加快灭酶，抑制酶促氧化反应，保证茶叶的色泽和有效成分含量；杀青中期，若闻到较浓的茶叶清香味，则需要降低茶叶叶片温度来避免茶叶清香物质大量挥发；杀青后期，若散发的青臭味较淡则需稍许提高茶叶叶片温度来尽量多地除去青臭味，若闻到茶叶焦糊味则需要降低茶叶叶片温度，防止焦糊。
然而人工杀青过程中，采用的主观评价易受人为因素以及外界环境的影响，造成不同批次茶叶品质的不均匀性、不确定性。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统，本发明的技术方案如下：
一种基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统，包括设置有待杀青的茶叶的杀青锅、拍摄模块、温度控制模块、电子鼻、主处理模块和机械炒手模块，所述拍摄模块至少包括3D结构光摄像头，所述机械炒手模块包括电机及其连接的桨叶，所述杀青锅的上方朝向所述杀青锅安装有所述拍摄模块，所述电子鼻通过气管连通至所述杀青锅内，所述机械炒手模块的桨叶安装在所述杀青锅内，所述拍摄模块和所述电子鼻连接到所述主处理模块，所述主处理模块连接并控制所述温度控制模块和所述机械炒手模块的电机，所述主处理模块通过所述温度控制模块调节所述杀青锅内的温度；
所述主处理模块通过所述3D结构光摄像头获取杀青锅内的茶叶图像、通过所述电子鼻采集茶叶的预定种类化学物浓度，所述茶叶图像包括各个像素点的景深信息，像素点的景深信息表示所述像素点与所述3D结构光摄像头之间的距离；
所述主处理模块根据所述茶叶图像中各个像素点的景深信息计算得到所述茶叶图像中各个预定区域内的茶叶的褶皱度差异，并根据所述褶皱度差异控制所述机械炒手模块中桨叶的转速调节对茶叶的翻炒速率；
所述主处理模块根据采集到的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度。
其进一步的技术方案为，所述根据所述茶叶图像中各个像素点的景深信息计算得到所述茶叶图像中各个预定区域内的茶叶的褶皱度差异，包括：
根据所述茶叶图像中各个像素点的景深信息计算像素变化梯度，并根据计算得到的像素变化梯度将所述茶叶图像划分为若干个不同的所述预定区域；
根据每个所述预定区域内的各个像素点的景深信息计算所述预定区域内的茶叶的褶皱度；
根据每个所述预定区域的内的茶叶的褶皱度计算得到所述褶皱度差异，所述褶皱度差异包括各个预定区域内的茶叶的褶皱度的方差和/或标准差。
其进一步的技术方案为，所述根据每个所述预定区域内的各个像素点的景深信息计算所述预定区域内的茶叶的褶皱度，包括按照如下公式计算第i个预定区域内的茶叶的褶皱度Bi为：
其中，Zj表示所述预定区域内的第j像素点的景深信息，Ni为第i个所述预定区域中的像素点的总个数，M为整个所述茶叶图像内的像素点的总个数，i和j为参数。
其进一步的技术方案为，所述褶皱度差异为各个预定区域内的茶叶的褶皱度的方差，则所述根据每个所述预定区域的内的茶叶的褶皱度计算得到所述褶皱度差异，包括按照如下公式计算：
其中，M为整个所述茶叶图像内的像素点的总个数，Bi为第i个预定区域内的茶叶的褶皱度，i和j为参数。
其进一步的技术方案为，所述根据所述褶皱度差异控制所述机械炒手模块中桨叶的转速调节对茶叶的翻炒速率，包括：
所述桨叶的转速的计算公式为：
R＝4.72*ln(37.93·S)+19.18，
其中，R为所述机械炒手模块中桨叶的转速，S为褶皱度差异。
其进一步的技术方案为，茶叶的杀青过程包括至少两个不同的杀青阶段，所述主处理模块根据采集到的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括：
所述主处理模块根据杀青过程开始时刻到当前时刻的翻炒时长确定当前所处的杀青阶段；
所述主处理模块根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，不同的杀青阶段对应的预定种类化学物不同。
其进一步的技术方案为，茶叶的杀青过程包括第一杀青阶段、第二杀青阶段和第三杀青阶段，所述第一杀青阶段包括杀青过程开始时刻到第一预定时刻之间的杀青过程，所述第二杀青阶段包括所述第一预定时刻到第二预定时刻之间的杀青过程，所述第三杀青阶段包括所述第二预定时刻到第三预定时刻之间的杀青过程；
所述第一杀青阶段对应的预定种类化学物为酶促氧化产物，所述第二杀青阶段对应的预定种类化学物包括酯类及芳香烃，所述第三杀青阶段包括青叶醇和有机硫化物。
其进一步的技术方案为，当处于所述第一杀青阶段时，所述根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括调节所述翻炒温度为：
其中，x3表示酶促氧化产物浓度。
其进一步的技术方案为，当处于所述第二杀青阶段时，所述根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括调节所述翻炒温度T为：
其中，x9表示酯类及芳香烃浓度。
其进一步的技术方案为，当处于所述第三杀青阶段时，所述根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括调节所述翻炒温度T为：
其中，x6表示青叶醇浓度，x7表示有机硫化物浓度。
本发明的有益技术效果是：传统的人工茶叶锅式杀青的基础上，以3D结构光方法代替人眼，来识别杀青过程中各片茶叶褶皱程度差异，并根据此褶皱程度差异调节自动翻炒的转速，提升茶叶在杀青过程中受热的均匀性，通过使用本发明所述的基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统，可以在无需专业炒茶人员的前提下，高效、高质量地进行茶叶杀青自动化生产。
附图说明
图1是本申请的茶叶锅式杀青系统的结构示意图。
图2是本申请的茶叶锅式杀青系统的流程图。
图3是本申请的机械炒手装置转速随时间的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，一种基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统，包括杀青锅1、拍摄模块2、温度控制模块、电子鼻3、主处理模块4和机械炒手模块，拍摄模块2包括3D结构光摄像头，机械炒手模块包括电机及其连接的桨叶5，电机驱动桨叶5旋转达到翻炒茶叶的目的，杀青锅1的上方朝向杀青锅1安装有拍摄模块2，电子鼻3通过气管连通至杀青锅1内，温度控制模块包括温度传感器和加热器6，加热器6安装在杀青锅1的下方，温度传感器可采用红外非接触式测温传感器，也可采用接触式测温传感器。当温度传感器采用红外非接触式测温传感器时，将温度传感器设置在杀青锅的上方进行测温；当温度传感器采用接触式测温传感器时，将温度传感器设置在杀青锅内进行测温。温度传感器连接到主处理模块4上，主处理模块4通过温度传感器感测当前的杀青锅内的温度来调节加热器的加热功率，机械炒手模块的桨叶5安装在杀青锅内，拍摄模块2和电子鼻3连接到主处理模块4，主处理模块4连接并控制温度控制模块的加热器和机械炒手模块的电机，通过3D结构光摄像头和电子鼻3代替人工感官，从而提高茶叶杀青的整体品质。
杀青锅1用于盛放茶叶，主处理模块4包括信号输入端口、信号输出端口和主处理器，两个信号输出端口分别连接温度控制模块的加热器和机械炒手模块，三个信号输入端口分别连接温度传感器、拍摄模块2和电子鼻3。拍摄模块2还包括光源，光源用于照亮杀青锅1内的茶叶，便于3D结构光摄像头拍摄茶叶照片。
首先对需要杀青的茶叶进行预处理，通过主处理模块4设定初始值，初始值包括初始温度和初始转速，将茶叶放入杀青锅1中，温度传感器实时测量茶叶的温度后通过主处理模块4控制加热器将茶叶的温度稳定在初始温度，同时主处理模块4设定机械炒手模块中的桨叶5按初始转速旋转。
具体的举出一种实施例：将采摘下来的茶叶晾晒30分钟后放入杀青锅1中，设定初始温度为80℃，调节温度控制模块的加热功率，从而将茶叶温度稳定在80℃，同时将机械炒手模块中的桨叶5初始转速设定在20转/分钟，随后按照设定的初始温度和初始转速持续进行30秒。
进一步的，本申请提出一种运用到茶叶杀青过程的系统，处理流程如图2所示：
主处理模块4通过3D结构光摄像头获取杀青锅1内的茶叶图像、通过电子鼻3采集茶叶的预定种类化学物浓度，将获取的茶叶图像输送到主处理模块4，茶叶图像还包括各个像素点的景深信息，像素点的景深信息表示像素点与3D结构光摄像头之间的距离。
主处理模块4根据茶叶图像中各个像素点的景深信息计算得到茶叶图像中各个预定区域内的茶叶的褶皱度差异，并根据褶皱度差异控制机械炒手模块中桨叶5的转速调节对茶叶的翻炒速率，同时，主处理模块4根据采集到的预定种类化学物浓度控制温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，在杀青过程中，实现翻炒速率和温度的双向调节，提高了茶叶杀青的品质。
进一步的，依据以上所述举出具体的计算公式：
首先根据茶叶图像中各个像素点的景深信息计算像素变化梯度，像素变化梯度包括图像坐标系X方向的变化梯度
和图像坐标系Y方向的变化梯度
按照如下公式计算变化梯度公式为：
其中，Xj和Yj表示第j号像素点在茶叶图像中的坐标值，Zj表示第j号像素点的景深信息，j为参数。
随后根据计算得到的像素变化梯度将茶叶图像划分为若干个不同的预定区域，当X方向的变化梯度或Y方向的变化梯度大于阈值时，将该像素点定为一个茶叶预定区域的边界，阈值为一个固定值，通过设置不同的阈值可以对图像进行不同大小的区域划分，接下来计算各个预定区域的褶皱度。
根据每个预定区域内的各个像素点的景深信息计算预定区域内的茶叶的褶皱度，按照如下公式计算第i个预定区域内的茶叶的褶皱度Bi为：
其中，Zj表示预定区域内的第j像素点的景深信息，Ni为第i个预定区域中的像素点的总个数，M为整个茶叶图像内的像素点的总个数，i和j为参数。
根据每个预定区域的内的茶叶的褶皱度计算得到褶皱度差异，褶皱度差异能够反映各个预定区域之间受热的不均匀性，并以此为依据调节桨叶5的转速，褶皱度差异包括各个预定区域内的茶叶的褶皱度的方差和/或标准差，按照如下公式计算褶皱度的方差S公式为：
其中，M为整个茶叶图像内的像素点的总个数，Bi为第i个预定区域内的茶叶的褶皱度，i为参数。
主处理模块4根据茶叶图像中各个像素点的景深信息计算得到茶叶图像中各个预定区域内的茶叶的褶皱度差异，并根据褶皱度差异控制机械炒手模块中桨叶5的转速调节对茶叶的翻炒速率，使得各个预定区域的茶叶受热更加均匀，按照如下公式计算桨叶的转速R为：
R＝4.72*ln(37.93·S)+19.18，
其中，R为机械炒手模块中桨叶的转速，S为褶皱度差异。
为了便于进一步提高茶叶杀青的品质，每隔第一预定时间根据褶皱度差异调节翻炒速率。
具体的举出一种实施例：如图3所示，每隔30秒进行一次转速测定，机械炒手模块桨叶5的转速会经过计算后调整，在杀青前期受热不均匀性较为明显，转速较高，而杀青中后期因受热均匀，转速较低。通过该方法，将图像分割为多个预定区域，然后计算每一块预定区域的褶皱程度，根据各预定区域褶皱程度的差异，可以知道受热的不均性，并以此为依据调节机械炒手模块的桨叶5的转速，保证加热的均匀性。
为了进一步的调节温度控制模块的温度设定，本申请还利用电子鼻进一步调节杀青温度：
由于茶叶杀青过程中会产生酶促氧化产物、茶叶焦糊产物、茶叶清香风味物质以及茶叶会散发出青臭味，青臭味即青叶醇散发的味道，焦糊产物即有机硫化物，清香风味物质即酯类及芳香烃，这些都可以通过电子鼻3检测它们的浓度，电子鼻是一种利用气体传感器阵列来识别气味的电子系统，由此保证在杀青过程的前期抑制酶促氧化反应，在中期减少茶叶清香风味物质逃逸，在后期避免茶叶焦糊。电子鼻3通过一根插入杀青锅内的气管进行抽气及检测，选用带有检测酶促氧化产物浓度、青叶醇浓度、有机硫化物浓度和酯类及芳香烃浓度的电子鼻，电子鼻作为食品检测领域的常规部件，型号较多，本申请所用到的电子鼻选择的范围也较为广泛，因此本申请选用带有检测上述四个化学物浓度的电子鼻即可。
茶叶的杀青过程可以划分为三个阶段，即第一杀青阶段、第二杀青阶段和第三杀青阶段，第一杀青阶段包括杀青过程开始时刻到第一预定时刻之间的杀青过程，第二杀青阶段包括第一预定时刻到第二预定时刻之间的杀青过程，第三杀青阶段包括第二预定时刻到第三预定时刻之间的杀青过程，主处理模块4根据杀青过程开始时刻到当前时刻的翻炒时长确定当前所处的杀青阶段；
主处理模块4根据电子鼻3采集到的预定种类化学物浓度控制温度控制模块3调节对茶叶的翻炒温度；
主处理模块4根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，不同的杀青阶段对应的预定种类化学物不同。
对应到具体的处理方式为：第一杀青阶段对应的预定种类化学物为酶促氧化产物，第二杀青阶段对应的预定种类化学物包括酯类及芳香烃，第三杀青阶段包括青叶醇和有机硫化物。
当处于第一杀青阶段时，根据当前第一杀青阶段对应的酶促氧化产物浓度控制温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，按照如下公式计算调节翻炒温度T为：
其中，x3表示酶促氧化产物浓度。
当处于第二杀青阶段时，根据当前第二杀青阶段对应的酯类及芳香烃浓度控制温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，按照如下公式计算调节翻炒温度T为：
其中，x9表示酯类及芳香烃浓度。
当处于第三杀青阶段时，根据当前第三杀青阶段对应的青叶醇和有机硫化物浓度控制温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，按照如下公式计算调节翻炒温度T为：
其中，x6表示青叶醇浓度，x7表示有机硫化物浓度。
在杀青过程中，每隔第二预定时间进行相关化学物浓度的数值检测，通过多次的浓度检测进一步提高茶叶杀青的品质。
具体的举出一种实施例：杀青过程总计为7分钟，每隔30秒检测一次相关数值，第一阶段为0～2分钟，抑制酶促氧化产物的产生，在第二阶段为2～4分钟，保证茶叶中香气物质尽可能少的挥发掉，第三阶段为4～7分钟，避免焦糊的同时尽可能使青臭味散发掉。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于气味及3D结构光的茶叶锅式杀青系统，其特征在于，包括设置有待杀青的茶叶的杀青锅、拍摄模块、温度控制模块、电子鼻、主处理模块和机械炒手模块，所述拍摄模块至少包括3D结构光摄像头，所述机械炒手模块包括电机及其连接的桨叶，所述杀青锅的上方朝向所述杀青锅安装有所述拍摄模块，所述电子鼻通过气管连通至所述杀青锅内，所述机械炒手模块的桨叶安装在所述杀青锅内，所述拍摄模块和所述电子鼻连接到所述主处理模块，所述主处理模块连接并控制所述温度控制模块和所述机械炒手模块的电机，所述主处理模块通过所述温度控制模块调节所述杀青锅内的温度；
所述主处理模块通过所述3D结构光摄像头获取杀青锅内的茶叶图像、通过所述电子鼻采集茶叶的预定种类化学物浓度，所述茶叶图像包括各个像素点的景深信息，像素点的景深信息表示所述像素点与所述3D结构光摄像头之间的距离；
所述主处理模块根据所述茶叶图像中各个像素点的景深信息计算得到所述茶叶图像中各个预定区域内的茶叶的褶皱度差异，并根据所述褶皱度差异控制所述机械炒手模块中桨叶的转速调节对茶叶的翻炒速率；
所述主处理模块根据采集到的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据所述茶叶图像中各个像素点的景深信息计算得到所述茶叶图像中各个预定区域内的茶叶的褶皱度差异，包括：
根据所述茶叶图像中各个像素点的景深信息计算像素变化梯度，并根据计算得到的像素变化梯度将所述茶叶图像划分为若干个不同的所述预定区域；
根据每个所述预定区域内的各个像素点的景深信息计算所述预定区域内的茶叶的褶皱度；
根据每个所述预定区域的内的茶叶的褶皱度计算得到所述褶皱度差异，所述褶皱度差异包括各个预定区域内的茶叶的褶皱度的方差和/或标准差。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述根据每个所述预定区域内的各个像素点的景深信息计算所述预定区域内的茶叶的褶皱度，包括按照如下公式计算第i个预定区域内的茶叶的褶皱度Bi为：
其中，Zj表示所述预定区域内的第j像素点的景深信息，Ni为第i个所述预定区域中的像素点的总个数，M为整个所述茶叶图像内的像素点的总个数，i和j为参数。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述褶皱度差异为各个预定区域内的茶叶的褶皱度的方差，则所述根据每个所述预定区域的内的茶叶的褶皱度计算得到所述褶皱度差异，包括按照如下公式计算：
其中，M为整个所述茶叶图像内的像素点的总个数，Bi为第i个预定区域内的茶叶的褶皱度，i和j为参数。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据所述褶皱度差异控制所述机械炒手模块中桨叶的转速调节对茶叶的翻炒速率，包括：
所述桨叶的转速的计算公式为：
R＝4.72*ln(37.93·S)+19.18，
其中，R为所述机械炒手模块中桨叶的转速，S为褶皱度差异。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，茶叶的杀青过程包括至少两个不同的杀青阶段，所述主处理模块根据采集到的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括：
所述主处理模块根据杀青过程开始时刻到当前时刻的翻炒时长确定当前所处的杀青阶段；
所述主处理模块根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，不同的杀青阶段对应的预定种类化学物不同。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，茶叶的杀青过程包括第一杀青阶段、第二杀青阶段和第三杀青阶段，所述第一杀青阶段包括杀青过程开始时刻到第一预定时刻之间的杀青过程，所述第二杀青阶段包括所述第一预定时刻到第二预定时刻之间的杀青过程，所述第三杀青阶段包括所述第二预定时刻到第三预定时刻之间的杀青过程；
所述第一杀青阶段对应的预定种类化学物为酶促氧化产物，所述第二杀青阶段对应的预定种类化学物包括酯类及芳香烃，所述第三杀青阶段包括青叶醇和有机硫化物。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当处于所述第一杀青阶段时，所述根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括调节所述翻炒温度为：
其中，x3表示酶促氧化产物浓度。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当处于所述第二杀青阶段时，所述根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括调节所述翻炒温度T为：
其中，x9表示酯类及芳香烃浓度。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当处于所述第三杀青阶段时，所述根据当前所处的杀青阶段对应的预定种类化学物浓度控制所述温度控制模块调节对茶叶的翻炒温度，包括调节所述翻炒温度T为：
其中，x6表示青叶醇浓度，x7表示有机硫化物浓度。
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