基于計算機視覺的名優茶嫩芽識別與定位

白雪 廣西職業技術學院

引言

茶是現代社會中廣受追捧的飲品，名優茶是高端茶葉的原材料，但是受客觀因素的影響，名優茶只能依靠手工采摘來獲取，整體采摘效率相對較低，進而對高端茶葉的擴大生產造成一定的阻礙。因此在新形勢下，積極推進名優茶的全自動采摘則顯得十分必要，而在此過程中，名優茶嫩芽的識別與定位是關鍵，基于此，本文則針對基于計算機視覺的名優茶嫩芽識別與定位展開討論。

1 名優茶嫩芽圖像分割

為了實現名優茶全自動采摘，首先需要實現嫩芽在復雜環境中的分割，嫩芽圖像分割質量會對后期采摘點的定位以及所采摘嫩芽的完整性造成明顯的影響。具體而言，圖像分割可以理解為 將圖像分割成不同的區域，每一區域具有相對獨立性，名優茶嫩芽分割就是將茶垅圖像分割成若干個嫩芽區域和大幅背景區域。在名優茶嫩芽圖像分割中，主要以下幾方面的內容：

1.1 基于闕值法的圖像分割

基于計算機視覺的名優茶嫩芽識別與定位中，闕值處理技術指的是使用像素灰度值對目標區域和背景區域進行分割，在使用這一方法的過程中，會將灰度范圍劃分為多個不同的區間，而在區間選擇過程中，也主要以目標與背景的灰度差異作為主要的參考依據，在具體的計算過程中，對像素點所屬于的區間范圍進行判斷，進而完成圖像分割的目標。在圖像分割過程中，闕值的選擇就是對像素的灰度區間予以劃分，只有選擇了正確的區間，最終的分割結果才會準確。針對嫩芽的處理中，需要明確認識到茶葉圖像分割的難度，在分割過程中可以對闕值分割方法進行充分利用。

1.2 基于分水嶺算法的圖像分割

分水嶺屬于地理學中所使用的詞語，在名優茶嫩芽圖像分割中，分水嶺算法的應用，主要原自于地貌變化。在這一方法的應用過程中，可以將圖形比作是一種三維立體形態，圖像中的灰度值可以看作是地理中的海拔，進而完成圖像的分割。通常情況下，這一具有三維立體形態的圖形具有三個方面的主要特點，第一，在特定的區域內能夠找到最小值對應的點；第二，如果將所呈現圖像中的每一個點當作是一滴水，那么不論水滴置于何種位置，最后都會找到對應的最小值；第三，水滴從高處流入到任意的最小值，其幾率是相等的。基于分水嶺算法的圖像分割中，針對特定區域中的最小值，如果符合上述第二個特點，則可以稱之為最小值的匯水盆地，如果符合上述第三個特點，那么能夠形成分割線。基于計算機視覺的名優茶嫩芽識別與定位中，分水嶺算法在圖像分割中的應用很大程度上表現為注水修壩的過程，在具體的實施過程中，首先需要以最小值為基點進行注水，在水位上升之后，不同的區間中的水會逐漸匯合，為了使這一過程得到有效控制，則需要建立堤壩，從而實現分割。

2 名優茶嫩芽采摘點識別

基于計算機視覺的名優茶嫩芽識別與定位中，名優茶嫩芽采摘點的識別，會直接影響到名優茶自動化采摘工作的推進效果，通過對采摘點的準確識別，能夠確保名優茶的質量。根據名優茶檔次的不同以及炒茶流程的差異，嫩芽采摘可以分為多種不同的方式，包括單采嫩芽、一芽一葉、一芽兩葉等，其中，一芽兩葉的采摘方式最為常見。在采摘過程中，將采摘點選為距嫩葉與茶梗連接處的下方3毫米左右，方能達到相對理想的采摘效果，在實際拍攝過程中，不能夠出現葉片遮擋的情況。另外，茶葉的嫩芽具有多種姿態，識別難度較高，為此，可以選擇深度卷積神經網絡來完成嫩芽采摘點的識別，而且要通過網絡訓練，有效應對葉片遮擋情況的出現，提升識別的準確性。

針對名優茶嫩芽采摘點識別方式的選擇。在茶葉的采摘過程中，需要幫助相關機械明確采摘點的位置，在此過程中則要能夠充分發揮識別系統的作用，精確查找采摘點的位置。如果直接使用深度神經網絡來識別采摘點位置的茶梗，這個特征對于茶葉嫩芽而言并不十分具體，在識別過程中出錯的幾率較高，所以，最好選用迂回的方式來進行采摘點識別，在識別過程中，重點查找具有特點的位置，這樣能夠極大的提升識別的準確性。而且，在嫩芽的采摘過程中，并不會經常遇到單采芽尖的情況，所以，在嫩芽識別過程中可以將重點放在一芽一葉和一芽兩葉這兩類嫩芽的識別中。在具體的的識別過程中，第一，要識別嫩芽葉片與茶梗的連接之處，例如，如果發現葉片與茶梗連接的位置屬于嫩芽與背景共同存在的區域，而且這一位置的嫩芽綠色發生變化，那么則可以將其作為采摘點識別的重要參考。在完成識別工作之后，需要對采摘點進行計算，則可以在嫩芽的圖像中對茶梗進行監測，相對而言，這一監測方式難度較低，在識別框中心向茶梗風向進行延伸固定大小的像素點，然后將這一點作為采摘位置。第二，對采摘嫩芽的整體進行識別。在嫩芽整體的識別中，其主要依據就是圖像中的葉片數量，利用神經網絡，能夠精準識別葉片的數量，還不需要考慮到嫩芽顏色的變化情況，整體識別率較高。在此基礎上，對茶梗進行監測，然后明確與識別框相接觸的位置，并確立為采摘點。

3 名優茶自動采摘系統設計

首先，進行名優茶自動采摘系統結構設計。茶樹的生長環境主要為梯田式的茶園，而且茶園的面積通常不會太大，在采摘過程中采摘人員會出現頻繁的爬坡活動，如果使用采摘機械，則會出現較大的難度。為了更好的對茶樹進行灌溉，種植人員會將兩隴茶樹之間的地面墊高，使其呈現橢圓狀，因此，會明顯增加采摘機械運作的障礙。相對而言，人力采摘的靈活性較高，采摘人員能夠迅速準確的將嫩芽摘下，但是在機械采摘推進過程中，需要通過采摘系統結構的靈活設計，確保采摘機械能夠靈活運作，在不損傷嫩芽的情況下完成高效采摘。

其次，進行名優茶自動采摘系統工作流程設計。通過工作流程的設計，確保整個采摘工作能夠有序開展，具體而言，名優茶自動采摘流程包括：使用相機進行嫩芽識別，對機械設備部件進行控制并完成聯動，實施采摘。為了確保流程有序進行，所使用的相機為單目相機，但是這一相機僅僅能夠查找到嫩芽的粗略位置，因此，在這一過程中，要求機械臂僅僅在同一高度進行移動，而這一高度需要根據采摘工作實際進行事先調試完畢。為了進一步提升識別效果，可以采用雙目攝像機，在這一相機的使用過程中，所拍攝到的圖像70%為目

標嫩芽，其余 30%部分為周圍背景，這樣能夠確保在準確識別嫩芽的基礎上，發現在識別范圍內并沒有引起注意的嫩芽。

4 總結

綜上所述，名優茶嫩芽的識別與定位，是促進名優茶全自動采摘的重要內容之一，為此，要能夠從多個層面入手完善工作，進而實現名優茶嫩芽的準確識別與定位。