基于圖像處理技術的枸杞子商品規格等級評價方法研究＊

王 丹，張久旭，范 晶，翟小林，董 玲，裴紋萱，王晶娟＊＊

（1. 北京中醫藥大學中藥學院 北京 102488；2. 北京中醫藥大學生命科學學院 北京102488）

枸杞子為茄科植物寧夏枸杞（Lycium barbarumL.）的干燥成熟果實[1]。枸杞子作為國家衛生部公布的藥食同源的品種之一，在《神農本草經》中便已被列為上品，可“久服堅筋骨，輕身不老”[2]。目前，枸杞子主產于寧夏、內蒙古、甘肅、新疆等地[3]，但以寧夏產者質量最佳，故稱之為“道地藥材”。枸杞子中含有多種活性物質，如黃酮類、多酚類、枸杞多糖、不飽和脂肪酸和萜類等[4]，具良好的滋補功效。目前枸杞子產區主要分布于內蒙古、寧夏、甘肅、新疆等地，且現存使用量最多的為寧夏枸杞[5]，已被成功列入藥典。

在《七十六種藥材商品規格標準》中，以每50 g 含有的枸杞子粒數及含雜率作為枸杞子商品的分級依據，但在商品流通過程中發現，枸杞子并未嚴格按照該標準進行分級，且在一等品中仍存在大小、色澤分布不均等情況，使得枸杞子商品流通混亂，因此改進枸杞子等級的劃分標準勢在必行。此外，枸杞子在貯藏過程中易發生蟲蛀、霉變、變色[6]、走油[7]等現象，也將進一步影響其商品質量，故應在貯存過程中改進相關條件，如空氣、濕度、溫度等，以保證枸杞子的質量。除了對枸杞子的等級進行劃分之外，枸杞子的規格也應進行一定的劃分處理，隨著現代圖像處理技術以及軟件工程的迅速發展，通過圖像處理技術對果品進行外形檢測和幾何特征分析的應用較廣,Currie 等[8]利用一種圖像分析程序提取卡尺測量蘋果的外形輪廓，并用傅里葉描繪子估算出蘋果的外形輪廓，進而分析獲得不同的蘋果形狀的形態學指標；Lee 等[9]采用數字反射式近紅外成像的方法對紅棗圖像進行采集，用不同波長的紅外線檢測其外表面破損程度來實現紅棗的分級。在前人研究的基礎上，本實驗采用Imageproplus 軟件以及計算機處理軟件等現代化手段，進而建立枸杞子劃分規格等級的量化指標，使得枸杞子自動劃分規格等級成為可能[10-11]。隨著各個領域人工智能技術的引入，目前圖像處理技術已列入中藥質量評價的范疇，即利用中藥不同飲片的顏色值、大小、外在紋理等指標進行計算機系統分析，對中藥的外在質量進行綜合評價[12]。此外，張小波等[13]將圖像識別技術應用于中藥資源普查工作中，如衛星遙感圖像識別技術，用于估算藥用植物野生資源的分布面積，使得測量偏差降低，估算值的準確度提高。

本實驗通過選取寧夏、青海、新疆三個枸杞子的主產區，通過掃描與計算機軟件技術相結合的方法，測量不同地區枸杞子的重量值、長寬比、RGB 值以及大量試驗探究這四個產區的枸杞子在形狀上的不同，進一步優化枸杞子商品規格標準。此外，通過引入藥劑學中“均勻度”的概念（均勻度：在一定重量范圍內，枸杞子大小分布的均一程度，是指在肉眼觀察范圍內的枸杞子商品顏色、大小基本一致的程度），并結合單粒重量對枸杞子商品進行分級,旨在為進一步實現枸杞子的自動化劃分規格等級技術提供試驗依據，也為枸杞子資源的合理開發提供參考標準。

1 實驗材料

1.1 實驗樣品

實驗選取產于寧夏、青海、新疆三個地區不同批次共90份枸杞子樣品，所有樣品均由種植基地直接供應，其中寧夏樣品共16 批，青海樣品4 批，新疆樣品4批，經北京中醫藥大學王晶娟副教授鑒定，所有樣品均為茄科植物寧夏枸杞Lycium barbarumL.的干燥成熟果實，照片見圖1。本研究所使用樣品均為2015 版《中華人民共和國藥典》收錄的合格產品，其種植、采收、加工、貯藏等環節可根據二維碼進行溯源，并且無農殘、重金屬和二氧化硫等有害物質殘留。

1.2 實驗儀器

樣品掃描儀（EPSON Perfection V19）、標準卡尺、計算機（Window 8系統）。

2 實驗方法

2.1 掃描儀器掃描

為保證實驗樣品的代表性，采用十字交叉法進行取樣。將枸杞子置于掃描儀有參照物的白色透明背景板上，參照物選用一個1cm2的黑色紙板（面積一定），每一批次掃描30 粒，獲取枸杞照片，即將枸杞子的實物信息轉換成了計算機可識別的圖像信息。

2.2 枸杞形狀特征提取

由于枸杞子的形狀多為類橢圓形，所以本實驗采用Image-proplus 軟件對掃描的枸杞子圖片進行處理。首先利用卡尺建立測量標準，再利用測量工具對枸杞圖像進行處理，如圖2所示，從而得到枸杞子的長寬數據，進而得到寬長比，比值越接近1 的枸杞子，其形狀越接近圓形。

2.3 枸杞子面積值提取

本實驗通過掃描儀器與Photoshop軟件結合，對枸杞子圖像進行處理，利用計算機圖像處理技術，計算枸杞子成像后的面積，然后用Photoshop軟件對彩色枸杞子圖像進行圖像分割、調節圖像對比度、邊緣檢測、圖像形態學處理，并標記得到枸杞的像素個數，如圖3所示。

圖1 三個產區枸杞子樣品圖

圖2 枸杞子形狀特征提取圖

由于數字圖像均由一個個的像素點組成，因此只需知道每個像素點代表的真實面積，就可以通過枸杞子的像素數求出其真實面積。故枸杞子面積的計算公式如下：

其中，S 代表實物枸杞子的面積，S0代表參照物的實際面積，N1代表枸杞子的像素個數，N0代表參照物的像素個數。故當參照物的實際面積S0已知時，通過圖像處理得到枸杞的像素個數，即可求得枸杞子的面積S。本實驗中1cm2的像素是14 153.9，通過對多幅枸杞圖像（共60 幅，每幅圖片30 粒枸杞子）進行圖像處理，計算不同產區的枸杞子面積。

2.4 枸杞子顏色值提取

將枸杞子的掃描圖片與Photoshop軟件進行結合，提取每個枸杞子的R（Red）、G（Green）、B（Blue）值，并進行記錄，具體結果見表1。

表1 枸杞顏色值數據表

圖3掃描（左）軟件處理（右）

2.5 枸杞子重量值提取

分別精確稱量不同批次枸杞子100 粒的重量，計算每粒的平均重量以及上下浮動（±5%）的重量范圍，并記錄原始數據。然后，準確稱量單粒枸杞的重量，計數該100 粒范圍內合格的枸杞子粒數，并計算合格粒數占枸杞子總數的百分比，從而得到枸杞子的均勻度（若在在該范圍內合格的枸杞子粒數小于80 粒，即均勻度低于80%）。

3 實驗結果

3.1 枸杞子果實形狀分析

由圖4可以看出，通過處理寬長比數據可將三個產區的枸杞子區分開來。寧夏、青海、新疆三個產區的枸杞子寬長比范圍分別是0.55-0.65，0.40-0.50，0.65-0.80。數據處理顯示，青海、寧夏、新疆三個地區枸杞子的寬長比差異具有統計學意義（P<0.05）。各組間結果進行比較，差異均有統計學意義（P均＜0.05），具體情況見表2，圖4。

3.2 枸杞子顏色值分析

根據枸杞外表顏色的RGB 值（R 值）可將新疆枸杞與寧夏、青海枸杞區分開，但不可將寧夏枸杞與青海枸杞區分開；并且新疆枸杞的R 值偏小，外表顏色多為暗紅色，而寧夏枸杞、青海枸杞的R 值偏大，外表顏色多為紅色或深紅色，具體結果見圖5。

通過聚類分析可知，三個產區的枸杞子樣品總數為90,其中36、58、59為一類；樣品2、14、32、37、46、51、53、61、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、77、78、79、80、81、82、85、88、89、90 為一類；其余樣品歸為一類。

與原始數據對比發現，樣品36、58、59 號R 值異常大，故將這三個樣品剔除。其余樣品作為實驗樣品，可分為兩類，其中一類共31 個樣品（其中24 個樣品來源于新疆，約占80%；其余樣品來源與青海和寧夏）；另一類共56 個樣品（其中6 個來源于新疆，剩余樣品均來源于寧夏和青海，占90%）。

3.3 枸杞子重量值分析

綜合分析枸杞子的重量值和均勻度的不同，對不同產區的枸杞子商品等級進行劃分，結果顯示，本實驗樣品總共劃分為三個等級，其中一等品重量值范圍為0.22-0.24 g，二等品重量值范圍為0.18-0.20，三等品重量值范圍為0.14-0.16。

3.4 枸杞子面積值分析

通過SPSS24.0 數據處理軟件對寧夏、青海、新疆三個地區的枸杞子面積值進行聚類分析，將普系圖中的序列號與實際面積值對應，取其最大值與最小值，進一步得出枸杞子的面積值范圍，從而劃分枸杞子商品的等級。數據處理結果顯示，一等枸杞子的面積值為1.27-1.69、二等枸杞子的面積值為0.79-1.26、三等枸杞子的面積值范圍為0.25-0.74，具體結果見圖6。

圖4 不同地區枸杞子統計結果

通過聚類分析樹可知，實驗所用的枸杞子樣品總數為90，根據SPSS 聚類結果可分為三類：其中907、1 258、906、874、809、1 214、1 239、584、793、1 217、470、923、1 315、1 290、899、567、1 155、893、437、844、544、1 107、350、807、456、600、890、1 181、465、781、709、1 206、698、1 115、796、1 065 為一類；1 016、965、280、970、376、614、976、186、482、499、184、935、31、29、1 138、864、530、672、1 111、419、670、831、343、759、73、304、1 008、321、1 130、859、1 070、440、252、769、244 歸為一類；94、390、143、196、502、508、742、966、16、951、129、109、125、150 歸為一類（其余結果與原始數據對比差異值較大，故選擇剔除）。

4 實驗結論

結合本實驗對枸杞子商品的指標值，包括寬長比、面積值、RGB 值、重量值等指標研究，可初步劃分不同地區枸杞子商品的規格等級。依據寧夏、青海、新疆三地枸杞子的寬長比和RGB 值不同，可將枸杞劃分為寧夏枸杞、青海枸杞、新疆枸杞3 種規格；依據枸杞子的面積值和重量值不同，可初步將枸杞子劃分為一、二、三3 個等級，初步劃分的枸杞子商品規格等級情況見表4。

圖5 不同地區枸杞R、G、B值聚類分析

圖6 三個地區枸杞子面積值聚類分析圖

表4 枸杞子商品規格等級標準草案

5 討論

目前，枸杞子的挑選分級方式為采摘，晾曬，在干燥后用機械方法脫除果柄，然后手工除去油粒、黑粒、破粒、霉頭和不合規格的小粒枸杞子，去除雜質后進行分級包裝。此外，目前枸杞子的外觀檢測方法大多采用原始的人工分級方法，該方法的主要缺點為主觀因素較大、效率低、漏檢率高[16]，且人工分級方法耗時耗力，消耗資源較大，人力物力均需配合使用，且主觀因素在枸杞子的評價方法中占主要比例，但易使得優質枸杞子與劣質枸杞子混淆流入市場，加重市場的枸杞子商品規格等級的混亂。雖從傳統的“眼觀”方法也可判定枸杞子的規格，其中寧夏枸杞為橢圓形、青海枸杞為長橢圓形、新疆枸杞為近圓形，有經驗者亦可判別，但通過量化中藥材規格等級劃分的形性指標，并結合枸杞子的指標成分和藥理作用進行相關性分析，在很大程度上可對傳統的“辯狀論質”[17]經驗賦予新的內涵，完善“辯狀論質”的評價指標。

隨著科學技術的發展，傳統的經驗鑒別方法已經無法滿足現代化生產的需求，各大產業均需要用一些簡單的指標來簡化藥材商品的質量、規格等級劃分。此外，按照中藥全程質量控制要求，在枸杞子的等級劃分標準中，對于無法進行質量追溯或農殘、重金屬和二氧化硫等物質有殘留但低于《藥典》要求的產品，均被劃分為等外品，即統貨。另外，本實驗主要集中對不同地區枸杞子的顏色值、重量值、寬長比和面積值進行分析，以期對寧夏、新疆、甘肅的枸杞子進行等級劃分，這是對于枸杞子外觀性狀的評價劃分；蔡廣知等[18]對甘草的形狀并結合成分進行分析，研究藥材性狀和成分間的相關性，并結合圖像處理技術和含量測定方法，最終建立甘草的等級評價體系。以此推之，在本實驗的后期也應將枸杞子的形態學指標與內在成分含量進行結合比對分析，完善枸杞子評價參數,建立枸杞子商品規格等級評價體系。

在傳統經驗鑒別的基礎上，本實驗采用寬長比、RGB 值、圖像處理軟件等現代處理方法與技術，實現了對枸杞子規格與等級的快速劃分，使枸杞子的規格等級劃分有了量化指標。另外，本實驗所用的枸杞子樣品均從原產地采摘，在源頭上杜絕了來自市場售賣枸杞子的混亂情況，進一步增加了本次實驗可信度。在本實驗中，利用RGB 值的不同可區分寧夏、青海枸杞與新疆枸杞，但不可將青海與寧夏枸杞區分開來，這很大程度上是由于寧夏與青海兩地距離較近，生產環境相似，且兩地的枸杞子種苗多一致，均為寧杞7號，故所得R值相近，不易區分兩地所產的枸杞子商品；其次，借助枸杞子面積值的不同，可在枸杞子規格劃分的基礎上進一步劃分等級，以減輕市場流通的混亂性。這些實驗方法簡單易行，不僅提高了檢測效率，也在一定程度上避免了因人工測量時的主觀因素干擾而導致測量結果的不可靠、精確度不高和精密度不準確，從而使得試驗結果更加準確可靠，在后期對枸杞子進行形態指標和成分結合測定時提供前期研究基礎，減少前期研究周期。若可以將圖像處理技術應用到更多傳統中藥材及中藥飲片中，可實現多種中藥材的規格等級劃分，從而減輕市場流通商品的混亂，為傳統中藥材的規格等級劃分提供量化指標和參考依據。