基于智能識(shí)別技術(shù)的煙葉分級(jí)技術(shù)研究

●鄧晨曦

一、概述

1.煙葉分級(jí)現(xiàn)狀。我國(guó)是煙草制品銷(xiāo)售大國(guó)，因此煙草種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。煙草制品生產(chǎn)商需要從煙草種植者手中收購(gòu)大量的煙草農(nóng)產(chǎn)品。在進(jìn)行煙葉收購(gòu)的活動(dòng)中需要對(duì)煙葉進(jìn)行分類(lèi)定級(jí)，以便于進(jìn)行煙草定價(jià)。但是，在實(shí)際收購(gòu)過(guò)程中，會(huì)面臨不同地區(qū)生產(chǎn)的煙草農(nóng)作物和不同種類(lèi)的煙草農(nóng)作物物理性狀不同，而導(dǎo)致在分類(lèi)定級(jí)時(shí)收購(gòu)者與被收購(gòu)者之間會(huì)存在意見(jiàn)的不統(tǒng)一，這種情況在一定程度上降低了收購(gòu)活動(dòng)的效率。除此之外，目前在煙葉的分類(lèi)定級(jí)活動(dòng)中一般采用了人工分類(lèi)的方法。這種分類(lèi)方法存在一定的弊端，其主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。其一，不同的分類(lèi)定級(jí)技術(shù)人員之間可能將實(shí)質(zhì)上相同的煙葉確定為不同等級(jí)，這主要是由于分類(lèi)技術(shù)人員的認(rèn)知不同造成的。其二，在人工分類(lèi)定級(jí)的過(guò)程中，主要依靠技術(shù)人員肉眼識(shí)別進(jìn)行判斷，這種識(shí)別和判斷很難保持高度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。即使是同一名技術(shù)人員在識(shí)別同等品質(zhì)的煙葉制品時(shí)也可能會(huì)產(chǎn)生不同的識(shí)別結(jié)果。其三，人工手段對(duì)煙葉的識(shí)別過(guò)程由于存在較強(qiáng)的主觀性特征，可能分類(lèi)技術(shù)人員所代表的立場(chǎng)不同，在主觀因素的影響下很難做出較為客觀的評(píng)定。基于上述三點(diǎn)原因，在煙葉收購(gòu)活動(dòng)中，經(jīng)常由于對(duì)煙葉品質(zhì)的認(rèn)識(shí)不同而產(chǎn)生糾紛。中國(guó)煙葉收購(gòu)活動(dòng)頻繁，每年為收購(gòu)煙葉時(shí)的分類(lèi)定級(jí)使用了大量的人力資源，并且取得的效果不佳。人工定級(jí)活動(dòng)無(wú)論是對(duì)于煙葉種植者還是對(duì)于煙草收購(gòu)商而言都存在一定的弊端，因此必須通過(guò)新技術(shù)對(duì)煙葉分類(lèi)定級(jí)活動(dòng)進(jìn)行革新。

2. 煙葉分級(jí)智能識(shí)別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。在自動(dòng)化煙葉等級(jí)確定的過(guò)程中，機(jī)器將根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的指標(biāo)，對(duì)提供檢測(cè)的煙葉進(jìn)行的判斷，并評(píng)定出相應(yīng)的等級(jí)。但是由于在機(jī)器識(shí)別的過(guò)程中需要涉及到多項(xiàng)指標(biāo)，整個(gè)過(guò)程極為復(fù)雜，也煙葉等級(jí)的準(zhǔn)確評(píng)定帶來(lái)了一定的困難。智能識(shí)別技術(shù)本質(zhì)上就是根據(jù)煙葉農(nóng)產(chǎn)品的外在特征對(duì)煙葉的品質(zhì)做出的判斷。在該類(lèi)技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，國(guó)外的相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品要在一定程度上領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。該技術(shù)最先在美國(guó)出現(xiàn)，美國(guó)學(xué)者托馬斯在發(fā)表的科研成果上提到了可以利用圖像識(shí)別的方式對(duì)煙葉制品進(jìn)行定級(jí)。其后，津巴布韋一位科研人員也開(kāi)發(fā)了一套以高速處理圖像為核心技術(shù)的煙葉智能識(shí)別分類(lèi)系統(tǒng)。韓國(guó)學(xué)者paek 也對(duì)煙葉自動(dòng)分級(jí)的智能識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了一定的研究和探索。在國(guó)內(nèi)，有學(xué)者也開(kāi)發(fā)出了基于模糊識(shí)別方法的煙葉自動(dòng)分級(jí)設(shè)備。這種設(shè)備的核原理是根據(jù)煙葉的顏色、破損程度、圓度等多方面的特征進(jìn)行智能識(shí)別，并由機(jī)器完成分類(lèi)。我國(guó)云南地區(qū)是煙草農(nóng)作物的重要種植地，因此上述設(shè)備選取云南地區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該套系統(tǒng)的可靠性程度已經(jīng)接近了人工分類(lèi)的水平，并且有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

3. 研究意義。本文中研究的基于智能識(shí)別的煙葉分級(jí)技術(shù)的主要意義有以下三點(diǎn)。其一，提高煙葉分級(jí)的工作效率。使用傳統(tǒng)的人工方式進(jìn)行煙葉分級(jí)，會(huì)耗費(fèi)大量的人工成本。通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用和推廣，可以明顯的提升煙葉分級(jí)過(guò)程的效率，減少人工的消耗，提升了煙葉分級(jí)的工作效率。其二，減少煙葉收購(gòu)活動(dòng)中出現(xiàn)的糾紛數(shù)量和概率。由于人工方式對(duì)煙葉進(jìn)行分級(jí)存在極強(qiáng)的主觀性因素。參與人工分類(lèi)的工作人員由于其代表的利益相關(guān)方的不同，難免在分類(lèi)定級(jí)時(shí)存在主觀因素的影響。如果采用智能識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分級(jí)，可以在很大程度上提高分類(lèi)過(guò)程的客觀性，減少收購(gòu)活動(dòng)中的糾紛出現(xiàn)。其三，可以促進(jìn)全社會(huì)煙葉分類(lèi)過(guò)程的統(tǒng)一化，明確質(zhì)量和價(jià)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，規(guī)范煙草收購(gòu)市場(chǎng)，提升我國(guó)煙草行業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

二、基于智能識(shí)別技術(shù)煙草分類(lèi)的實(shí)現(xiàn)路徑

1.樣品收集。機(jī)器的智能化識(shí)別首先要依托一定數(shù)量的樣本完成機(jī)器學(xué)習(xí)。在本次研究中，筆者選取了來(lái)自云南省的若干組煙草樣本。筆者將這些煙草樣本交由煙草分類(lèi)定級(jí)專(zhuān)家進(jìn)行鑒別，由專(zhuān)家人工定級(jí)的方式將所有的煙草樣本劃分為22 個(gè)等級(jí)。專(zhuān)家的定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將成為智能識(shí)別技術(shù)定級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)參照。在專(zhuān)家對(duì)煙葉進(jìn)行定級(jí)的過(guò)程中，為了在最大程度上避免專(zhuān)家主觀因素對(duì)樣本定級(jí)造成影響。本研究中，在對(duì)每一組煙葉樣本定級(jí)的過(guò)程中，采用了多名專(zhuān)家分別定級(jí)的模式。對(duì)在第一次定級(jí)中專(zhuān)家間存在不同意見(jiàn)的樣本進(jìn)行再次定級(jí)，最大限度保證了樣本定級(jí)的客觀性。

2.智能識(shí)別中的圖像采集。目前利用智能識(shí)別技術(shù)進(jìn)行煙葉分級(jí)的所有模式中，基于煙葉外觀及其他可直接感知因素進(jìn)行的分級(jí)最具有可行性且實(shí)用性較強(qiáng)。因此，本研究所涉及到的智能識(shí)別技術(shù)也是基于圖像識(shí)別的方式進(jìn)行自動(dòng)化煙葉分級(jí)。本設(shè)計(jì)在進(jìn)行識(shí)別的過(guò)程中，需要優(yōu)先考慮的是光照條件對(duì)于圖像采集的不利影響。為了最大程度避免光照環(huán)境對(duì)智能識(shí)別產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了圖像采集的箱體。設(shè)計(jì)中的箱體是一個(gè)封閉的空間，在該箱體內(nèi)部的四周都安裝了黑色棉布進(jìn)行了覆蓋，可以減少光線(xiàn)反射對(duì)圖像采集造成影響。在箱體頂端安裝了兩組共四個(gè)日光燈管，可以保證圖像采集箱內(nèi)有均勻且充足的光照條件。在兩組燈管中間安裝了工業(yè)照相機(jī)。在相機(jī)使用前需要先進(jìn)行白平衡的設(shè)置。在相機(jī)的安裝口，為了防止安裝口縫隙有光線(xiàn)進(jìn)入影響圖像采集的準(zhǔn)確度，在開(kāi)口處同樣需要使用黑色棉布進(jìn)行的遮擋。在圖像采集箱底端安裝了白色煙葉放置臺(tái)，使系統(tǒng)可以便捷地將煙葉與放置臺(tái)顏色相分離。在進(jìn)行煙葉圖像采集時(shí)，對(duì)每一組煙葉都要進(jìn)行多次采集，避免因單次采集產(chǎn)生的圖像誤差。

3.圖像處理。在完成煙葉圖像的采集活動(dòng)后，需要對(duì)采集到的圖像做進(jìn)一步處理以供智能識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)。首先，需要對(duì)采集到的煙葉圖像進(jìn)行濾波處理。通過(guò)該過(guò)程可以削弱圖片的高頻分量，同時(shí)又不會(huì)對(duì)低頻分量造成影響。本設(shè)計(jì)中采用的濾波方法為彩色濾波法，該方法可以保留更多的圖像色彩細(xì)節(jié)，便于后期機(jī)器的智能識(shí)別。其次，需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二值化處理，該過(guò)程為提取圖像關(guān)鍵信息的重要環(huán)節(jié)。例如，可以通過(guò)該過(guò)程提取煙葉的形狀信息等。實(shí)質(zhì)上，二值化處理后的圖像為一個(gè)特殊灰度圖像，一方面可以加快智能識(shí)別的效率，另一方面可以獲取到煙葉形狀的關(guān)鍵信息。最后，需要對(duì)的采集到的煙葉圖像進(jìn)行分割。在圖像采集的過(guò)程中，工業(yè)照相機(jī)會(huì)將煙葉及其背景信息同時(shí)采集，但是在智能識(shí)別環(huán)節(jié)僅需對(duì)煙葉本身進(jìn)行判斷，因此，在本設(shè)計(jì)中采取了邊緣檢測(cè)法、模糊分割法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割法進(jìn)行圖像的分割。

圖 圖像處理流程圖

4.智能識(shí)別軟件的設(shè)計(jì)與使用。本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了MATLAB軟件進(jìn)行了識(shí)別與分級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)建。首先，軟件中具有圖像顯示模塊。該模塊的主要功能是可以使軟件使用者可以清楚地觀察到煙葉分級(jí)的過(guò)程。其次，軟件具備了圖像處理模塊。該模塊主要包含了三個(gè)步驟的圖像處理功能。再次，軟件具備特征識(shí)別模塊。該模塊可以對(duì)煙葉的特征進(jìn)行分析和歸類(lèi)。其實(shí)現(xiàn)的主要功能是將讀取到的圖像參數(shù)與專(zhuān)家識(shí)別樣品的圖像參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，并將提取到的參數(shù)進(jìn)行保存，以供分級(jí)模塊使用。最后，軟件中具備分級(jí)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)設(shè)立之初就將煙葉按照不同品質(zhì)分為了22 個(gè)等級(jí)。該模塊將系統(tǒng)提取到的煙葉參數(shù)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，并將煙葉劃分為恰當(dāng)?shù)牡燃?jí)。自此，整個(gè)系統(tǒng)完成了對(duì)煙葉的智能識(shí)別和分級(jí)活動(dòng)。

三、結(jié)語(yǔ)

在本設(shè)備設(shè)計(jì)完成后，筆者運(yùn)用本設(shè)備進(jìn)行了實(shí)例分析。筆者首先隨機(jī)選取了148 份識(shí)別樣本，并依托上述樣本進(jìn)行了分級(jí)模型的建立。其次，對(duì)148 份樣本中的86 份進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn)。最終將機(jī)器分級(jí)的結(jié)論與專(zhuān)家人工分級(jí)的結(jié)論進(jìn)行比對(duì)，機(jī)器智能識(shí)別的正確率為95.45%，該正確率相較于普通人工識(shí)別更高。因此，本設(shè)計(jì)具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

煙葉分級(jí)的自動(dòng)化和智能化研究已經(jīng)愈發(fā)成熟，并已經(jīng)有部分煙草制品生產(chǎn)商開(kāi)始引入該類(lèi)技術(shù)進(jìn)行煙葉收購(gòu)活動(dòng)。本設(shè)計(jì)是智能識(shí)別技術(shù)在煙葉分級(jí)領(lǐng)域的探索，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)代替人工分級(jí)，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)工作的高效化和智能化。我國(guó)作為煙草制品消費(fèi)大國(guó)，該類(lèi)技術(shù)具有廣闊的推廣空間和應(yīng)用價(jià)值，此項(xiàng)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后對(duì)我國(guó)煙草制品行業(yè)生產(chǎn)效率的提高，對(duì)煙葉農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)化有著重要的積極意義。