不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色光譜分析

甄煥菊，周清明，魏春陽(yáng)，丁新潔

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2中國(guó)煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，河南鄭州450008；3中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，河南鄭州450001；4河南省煙草公司南陽(yáng)市公司，南陽(yáng)473000）

不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色光譜分析

甄煥菊1，2，周清明1，魏春陽(yáng)3，丁新潔4

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2中國(guó)煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，河南鄭州450008；3中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，河南鄭州450001；4河南省煙草公司南陽(yáng)市公司，南陽(yáng)473000）

為揭示不同產(chǎn)區(qū)烤煙表面顏色的光譜特性及差異，采用Color-Eye 7000A分光光譜儀測(cè)定國(guó)內(nèi)不同產(chǎn)區(qū)C3F等級(jí)煙葉表面顏色的光譜。結(jié)果表明：不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色的平均反射光譜呈現(xiàn)相似的曲線形態(tài)，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，隨著波長(zhǎng)的增加，反射率逐漸增大，沒(méi)有高峰和低峰；不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色在6個(gè)顏色波段的反射比率均表現(xiàn)為紅色波段最高，其次是橙色波段、綠色波段、黃色波段、藍(lán)色波段，紫色波段最低；不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色光譜差異的重要信息區(qū)主要集中在綠色波段（490～560 nm）和紅色波段（630～700 nm）。

烤煙；葉面顏色；光譜分析

在中國(guó)，煙葉收購(gòu)主要依據(jù)GB 2635-92國(guó)家烤煙標(biāo)準(zhǔn)和地域性烤煙實(shí)物標(biāo)樣標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。GB 2635-92中，煙葉顏色分為檸檬黃、桔黃和紅棕等［1］。在實(shí)際烤煙生產(chǎn)中，同類(lèi)顏色煙葉在不同產(chǎn)地存在較大差異，同為桔黃顏色的烤煙，黃淮地區(qū)多為淺色桔黃，西南地區(qū)多為金黃，而東南地區(qū)則多為深色桔黃。雖然有較多研究者運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、色度學(xué)理論等提取煙葉顏色信息特征，建立了烤煙的計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)［2～5］，但煙葉表面顏色的地域性差異鮮見(jiàn)報(bào)道［6］。物體表面的顏色反射光譜幾乎不受照明和觀察條件以及采集設(shè)備的制約，是顏色最準(zhǔn)確最全面的描述方式［7］。筆者借助分光光譜儀獲取中國(guó)不同產(chǎn)地C3F等級(jí)煙葉表面的顏色光譜，研究其光譜特性及產(chǎn)區(qū)間差異，旨在揭示不同產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色特征的地域性差異。

1 材料與方法

1.1 材料

采集云南、貴州、四川、福建等4個(gè)產(chǎn)區(qū)2009年度烤煙C3F等級(jí)煙葉樣品33個(gè)，品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。樣品采樣點(diǎn)詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 樣品采樣點(diǎn)信息

1.2 儀器

采用Color-Eye 7000A型分光光譜儀（Greta Macbeth公司，美國(guó)），測(cè)量孔為最大孔徑，直徑25.4 mm。軟件Color iQC（標(biāo)準(zhǔn)版）。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 測(cè)量原理

Color-Eye 7000A臺(tái)式分光光譜儀使用“散射／8°”（照明／測(cè)量）光學(xué)原理，測(cè)量的光譜范圍為360～750 nm可見(jiàn)光譜范圍，以每10 nm波長(zhǎng)為一單位，并提供反射與透射模式測(cè)量［8］。該光譜儀具有鏡面反射光（specular component included，SCI）、排除鏡面反射光（specular component excluded，SCE）2種反射測(cè)量模式。在光滑度高的物體表面，鏡面反射光相對(duì)強(qiáng)一些；在粗糙表面上，漫射光更強(qiáng)一些。在觀察物體顏色時(shí)通常忽略鏡面反射光。在SCE測(cè)量模式中，鏡面反射光被排除在外，只測(cè)漫射光，這樣測(cè)出的值與觀測(cè)者看上去的物體顏色是相當(dāng)?shù)摹Ｓ捎跓熑~表面較粗糙，而且煙葉表面不同位置的顏色存在一定差異，因此，采用SCE測(cè)量模式，并使用大口徑在不同位置重復(fù)測(cè)量多次再計(jì)算平均值，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性。圖1為試驗(yàn)中采用的測(cè)量原理示意圖。

圖1 測(cè)量原理示意圖

1.3.2 烤煙表面顏色光譜測(cè)定

將Color-Eye 7000A分光光譜儀用隨機(jī)附帶的標(biāo)準(zhǔn)黑色校正盒（L*＝0.00，a*＝0.00，b*＝0.00）和白色校正瓷磚（L*＝93.99，a*＝-0.38，b*＝2.72）校零［9，10］。光源采用D55標(biāo)準(zhǔn)光源。相關(guān)色溫為5 500 K［11］。在SCE模式下，用隨機(jī)附帶的白色熒光校正瓷磚校正標(biāo)準(zhǔn)光源D55。

每個(gè)烤煙樣品取5片代表性煙葉，從每片煙葉的葉尖、葉中和葉基部分對(duì)稱選取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)（選取的測(cè)量點(diǎn)盡量避開(kāi)葉脈、殘傷和病斑等），待測(cè)。以白色校正瓷磚為背景，將選取的煙葉測(cè)量點(diǎn)正表面遮蓋測(cè)量孔，并用白紙板墊在后面，測(cè)量樣品烤煙的表面顏色。

利用Color-Eye 7000A分光光譜儀軟件Color iQC（標(biāo)準(zhǔn)版），在計(jì)算機(jī)上獲得該煙葉樣品30個(gè)測(cè)量點(diǎn)的360～750 nm（間隔10 nm）的光反射率，計(jì)算各波段光反射率的平均值。以光譜波長(zhǎng)值為X軸，以光反射率值為Y軸，繪制烤煙表面顏色的光譜反射曲線。該曲線即為烤煙表面顏色的顏色光譜曲線。反射光譜數(shù)據(jù)與光源無(wú)關(guān)，它測(cè)量的是反射光的比率，而且反射光譜數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)換為任何其他顏色模型（例如RGB、CMYK、L*a*b*、L*u* v*、L*C*H°）。反射光譜數(shù)據(jù)對(duì)顏色的描述是唯一的，通常稱之為顏色的“指紋”。

1.3.3 光譜數(shù)據(jù)分析

計(jì)算提取的不同顏色波段（360～750 nm）光譜的反射比率，其中包括6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顏色波段［12］：紫色400～450 nm，藍(lán)色450～490 nm，綠色490～560 nm，黃色560～590 nm，橙色590～630 nm，紅色630～700 nm。具體做法：將某一顏色波段反射光光譜值的和除以整個(gè)可見(jiàn)光范圍（400～700 nm）反射光光譜值之和，再乘以100，分別用R400～450／R400～700、R450～490／R400～700、R490～560／R400～700、R560～590／R400～700、R590～630／R400～700、R630～700／R400～700表示。

計(jì)算顏色反射光譜的一階導(dǎo)數(shù)，即反射光譜曲線的斜率。具體計(jì)算方法：相鄰2光譜值之差除以光譜間隔值10 nm，即為第一點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)值［12］。計(jì)算一階導(dǎo)數(shù)是因?yàn)榉瓷涔庾V曲線相對(duì)平滑，而反射光譜的一階導(dǎo)數(shù)曲線則包含了更多的峰或谷，可以明顯體現(xiàn)不同樣品顏色特性的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色的光譜數(shù)據(jù)聚類(lèi)分析

將33個(gè)樣品煙葉表面顏色光譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，采用歐式距離、離差平方和法進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析，聚類(lèi)結(jié)果如圖2所示。生態(tài)因素是影響煙葉表面顏色的重要因素之一，云南、貴州和四川3個(gè)產(chǎn)區(qū)生態(tài)多樣，而且相鄰省份交界處煙葉的表面顏色十分相似。結(jié)果表明，福建產(chǎn)區(qū)自成一類(lèi)，而四川、云南和貴州產(chǎn)區(qū)之間存在較多交叉。

圖2 33個(gè)樣品煙葉表面顏色光譜的聚類(lèi)分析圖譜

為使產(chǎn)區(qū)間顏色光譜的差異更明顯，將存在交叉的樣品予以剔除，篩選出各省份間樣品煙葉表面顏色自成一類(lèi)的煙葉樣品為研究對(duì)象進(jìn)行顏色光譜分析，最終篩選出20個(gè)樣品。篩選后的樣品煙葉表面顏色光譜數(shù)據(jù)聚類(lèi)結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，樣品煙葉表面顏色分為東南產(chǎn)區(qū)和西南產(chǎn)區(qū)2類(lèi)；西南四川產(chǎn)區(qū)煙葉顏色更接近云南產(chǎn)區(qū)。

圖3 篩選出的20個(gè)樣品煙葉的表面顏色光譜聚類(lèi)分析圖

2.2 不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色的光譜分析

不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色的平均反射光譜呈現(xiàn)相似的曲線形態(tài)，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍，隨著波長(zhǎng)的增加，反射率逐漸增大，沒(méi)有高峰和低峰；各產(chǎn)區(qū)樣品煙葉表面顏色光譜自成一簇，表現(xiàn)出一定的次序。從顏色光譜曲線與X軸圍成的面積看，福建產(chǎn)區(qū)最小，四川產(chǎn)區(qū)次之，再次為云南產(chǎn)區(qū)，貴州產(chǎn)區(qū)最大（圖4）。

圖4 部分產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色的平均反射光譜

2.3 不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色在不同顏色波段反射比率的差異

由表2可見(jiàn)，云南、貴州、四川和福建產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色在6個(gè)顏色波段的反射比率均表現(xiàn)為紅色波段最高（50%左右），其次是橙色波段（25%左右）、綠色波段（19%左右）、黃色波段（15%左右）、藍(lán)色波段（5%左右），紫色波段最低（3%左右）。其中，紫色、藍(lán)色、黃色和橙色波段各產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色反射比率幾乎相等，其連線近似為直線型；綠色和紅色波段各產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色反射比率有一定的差異，其連線局部呈現(xiàn)波浪型，表明各產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色反射率的差異主要存在于紅色和綠色波段。

表2 不同產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色各波段的反射比率

2.4 不同產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色的平均反射光譜一階導(dǎo)數(shù)譜圖

為進(jìn)一步分析各產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色反射光譜的差異，繪制不同產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色平均反射光譜的一階導(dǎo)數(shù)譜圖（圖5）。譜圖中出現(xiàn)了2個(gè)高峰和1個(gè)低峰。2個(gè)高峰分別出現(xiàn)在510 nm和680 nm左右，1個(gè)低峰出現(xiàn)在650 nm左右。這3個(gè)峰中，1個(gè)在綠色波段（490～560 nm），2個(gè)在紅色波段（630～700 nm）。這與各產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色反射率的差異主要來(lái)自于紅色和綠色波段的結(jié)果一致，表明不同產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色光譜差異的重要信息區(qū)主要集中在綠色波段（490～560 nm）和紅色波段（630～700 nm）。這對(duì)采用顏色光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)地判別時(shí)避免引入無(wú)效信息具有實(shí)際意義。

3 結(jié)論與討論

針對(duì)煙葉表面顏色建立的烤煙計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)對(duì)煙葉等級(jí)的輔助判別結(jié)果表明，煙葉表面顏色確實(shí)存在一定差異［2～5］。本研究結(jié)果表明，不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色的平均反射光譜呈現(xiàn)相似的曲線形態(tài)，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，隨著波長(zhǎng)的增加，反射率逐漸增大，沒(méi)有高峰和低峰；各產(chǎn)區(qū)樣品煙葉表面顏色光譜自成一簇，表現(xiàn)出一定的次序；煙葉表面顏色反射紅色、橙色、綠色和黃色波長(zhǎng)區(qū)的光，吸收紫色和靛藍(lán)波長(zhǎng)區(qū)的光；不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色在6個(gè)顏色波段的反射比率均表現(xiàn)為紅色波段的最高，其次是橙色波段、綠色波段、黃色波段、藍(lán)色波段，紫色波段的最低；不同產(chǎn)區(qū)煙葉表面顏色光譜差異的重要信息區(qū)主要集中在綠色波段（490～560 nm）和紅色波段（630～700 nm）。

圖5 部分產(chǎn)地?zé)熑~表面顏色平均反射光譜的一階導(dǎo)數(shù)譜圖

［1］ GB2635-92烤煙［S］.

［2］ 張建平，吳守一，方如明，等.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)與分級(jí)Ⅱ.煙葉自動(dòng)分級(jí)模型的建立與訓(xùn)練［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997，13（4）：179-183.

［3］ 李 浩.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的烤煙煙葉自動(dòng)分組模型研究［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

［4］ 張惠民，韓力群，段正剛.基于圖像特征的煙葉分級(jí)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2003，28（3）：359 -362.

［5］ 閻瑞瓊.烤煙煙葉的計(jì)算機(jī)輔助分級(jí)系統(tǒng)研究［D］.北京：北京工商大學(xué)，2001.

［6］ 梁洪波，李念勝，元 建，等.烤煙煙葉顏色與內(nèi)在品質(zhì)的關(guān)系［J］.中國(guó)煙草科學(xué)，2002，23（1）：9-11.

［7］ 精確的色彩交流［EB／OL］.［2010-07-07］.http：／／www.docin.com／p-43804458.htm l.

［8］ Color-Eye 7000A Spectrophotometer Operation Manual［EB／OL］.［2010-07-07］.http：／／www.xrite.com.

［9］ 姚江武，林昌建，李水根.染色瓷粉的熒光特性和色度空間［J］.實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志，2007，23（5）：632-636.

［10］姚江武，李水根，林昌健.牙科乳光瓷透射參數(shù)的測(cè)量與比較［J］.華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，2008，26（3）：279 -283.

［11］YC／T 291-2009煙葉分級(jí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件［S］.

［12］沈振興，張小曳，季峻峰，等.中國(guó)北方粉塵氣溶膠中鐵氧化物礦物的光譜分析［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2004，14（8）：910-915.

Spectral Analysis of Flue-cured Tobacco Surface Color in Different Producing Areas

ZHEN Huan-ju1，2，ZHOU Qing-m ing1，WEIChun-yang3，DING Xin-jie4
（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Staff Training Academy of CNTC，Zhengzhou，Henan 450008，China；3 Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC，Zhengzhou，Henan 450001，China；4 Nanyang Company，Henan province Tobacco Corporation，Nanyang，Henan 473000，China）

In order to reveal characteristic and difference of color spectrum of flue-cured tobacco in different producing areas，the color spectrum measurement of C3F tobacco leaves in different producing areaswere carried on the Color-Eye 7000A spectroradiometer.The results showed that the average reflective spectrum of tobacco leaves surface color appeared similar curve.In visible light range，reflectivity was continuously increasing with the increase of wave length，and there were no high or low peak.Reflection ratio in the six color bands of the surface color of tobacco leaves growing in different areas reflected the performance of the red band ratios were the highest，followed by the orange band，green band，yellow band，blue band，purple band minimum.Difference of color spectrum among the tobacco leaves wasmainly reflected in the green band（490～560 nm）and red band（630～700 nm）.

Flue-cured tobacco；Surface color；Spectral analysis

S572.01

：A

1001-5280（2014）02-0168-05

10.3969／j.issn.1001-5280.2014.02.13

2013 12- 20

甄煥菊（1964-），女，河南省禹州市人，主要從事煙葉分級(jí)教學(xué)、科研工作。