基于視覺技術的綠茶色澤變化與品質關系研究

李文萃，唐小林，*，湯一，范起業，任廣鑫

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州310016；2.浙江大學茶學系，浙江杭州310058）

基于視覺技術的綠茶色澤變化與品質關系研究

李文萃1，唐小林1，*，湯一2，范起業1，任廣鑫1

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州310016；2.浙江大學茶學系，浙江杭州310058）

利用計算機視覺技術對貴州綠茶連續化生產線加工過程中的在制品色澤變化進行量化研究，探索出各加工工序中RGB、HSB和Lab等3種顏色模式的9個色澤參數與在制品茶葉內含成分的相關關系。研究結果表明，貴州綠茶加工過程中顏色變化比亮度、純度更明顯，微波三青工序中色澤變化較大，其形成主要在滾炒階段。除H值外，各色澤參數均與茶葉含水量、水浸出物和茶多酚總量有顯著的相關性，相關系數大小為含水量＞茶多酚總量＞水浸出物。在綠茶色澤形成過程中由于參數G變動幅度較大，能較好地反映綠茶加工中的色澤變化，且與上述三種品質成分的相關系數分別達到0.953、-0.925和0.931，可用于在線監測綠茶外觀色澤，實現綠茶品質的自動化控制。

貴州綠茶；計算機視覺；色澤參數；品質；相關性

色澤是茶葉命名和分類的重要依據，是評價茶葉品質優劣的重要指標[1]。在茶葉審評和制茶過程中，往往依靠肉眼觀察茶葉色澤初步評判其等級，該方法易受相關人員經驗、身體精神狀況及光線等外界條件的制約，從而影響結果的準確性。計算機視覺技術能模擬人眼以圖像形式記錄所要描述的對象。該技術對顏色變化反應靈敏，能將色澤指標定量化、標準化，從而客觀準確地反映色澤特征[2-3]。圖像色澤有多種表達模式（RGB、Lab、CMYK和HSB等），其中RGB模式的各參數分別代表紅、綠、藍3個顏色通道；HSB模式中色相H是物體反射或透過物體傳播的顏色，由顏色名稱標識。飽和度S指顏色純度，表示色相中灰成分所占的比例，用0%（灰色）到100%（完全飽和）來度量。亮度B*（為了區別于RGB模式中的B，以下用B*表示）代表顏色的明暗程度[4]；Lab模式中L代表亮度，a值是色澤紅（正值）到綠（負值）的漸變，b值是黃（正值）到藍（負值）的漸變[5]。這些模式中各參數的不同組合形成了幾乎人眼能觀察到的所有顏色。

近年來，計算機視覺技術在茶葉方面的應用，多集中于探索量化茶葉色澤的方法、不同種類茶葉色澤差異及不同嫩度、萎凋程度的茶鮮葉色澤變化等[6-9]，而對茶葉加工過程中的色澤變化以及不同顏色模式條件下茶葉色澤與品質成分的關系研究較少。本文采用RGB、HSB*和Lab等3種顏色模式的色澤參數量化綠茶連續化生產線加工過程中的茶葉色澤，探討了各色澤參數值與綠茶內含成分間的相關關系，為實現茶葉色澤與品質的客觀評價以及在線控制提供了新思路。

1 材料與設備

1.1 供試材料

茶鮮葉品種為福鼎大白茶，采自貴州都勻市甘塘鎮周邊區域；測定時間從2013年4月17日至5月9日；地點選擇貴州龍原都勻毛尖茶葉有限公司茶葉加工基地。

1.2 設備

Canon A3500 IS數碼相機：廣東德飛數碼商貿有限公司；神舟A200-D52R筆記本電腦：深圳市深科偉業科技有限公司；具有穩定光源的暗室；大宗綠茶自動化生產線：湖南湘豐茶葉機械制造有限公司；CSD-90XZ型茶葉烘焙提香機：安溪縣永鋒機械有限公司；等。

2 研究方法

貴州大宗綠茶生產線加工流程：攤放-殺青-初揉-微波二青-復揉-微波三青-滾炒-烘干等8個工序。每個工序分別取樣約350 g，采集圖像后進行固樣處理（鮮葉樣品先微波殺青，攤涼后在80℃恒溫干燥箱內烘至足干；其他樣品直接烘干）用于測定茶葉中水浸出物、茶多酚總量和游離氨基酸總量等品質成分含量，各品質成分重復測定3次。該工藝試驗進行10次，共80個樣品，最終測定結果取平均值。

2.1 茶葉色澤測定方法

圖像采集：在光源穩定的暗室內，將所取茶樣均勻攤放在白板上，以覆蓋底板顏色為準即厚度約2 cm～3 cm。保持照相機置于同一高度位置對茶樣進行圖像采集，重復測定3次。

圖像處理：采用Photoshop CS3.0軟件中濾鏡-模糊-平均命令對圖像進行預處理，在信息欄中分別讀取RGB、HSB*和Lab 3種顏色模式的色澤參數值[10]。

2.2 主要理化成分測定方法

含水量測定采用120℃快速烘干法：GB/T 8304-2002《茶水分測定》；茶多酚總量的測定采用酒石酸亞鐵比色法：GB/T 8313-2002《茶茶多酚測定》；游離氨基酸總量采用茚三酮比色法測定：GB/T 8314-2002《茶游離氨基酸總量測定》；水浸出物測定采用差數法：GB/T 8305-2002《茶水浸出物測定》。

2.3 統計分析

文中所有數據的分析均由SPSS19.0和EXCEL 2007軟件實現。

3 結果與分析

3.1 貴州綠茶加工過程中的色澤變化

在制茶過程中，可觀察到茶鮮葉色澤由最初的鮮綠逐漸變暗，失去光澤，至滾炒和烘干階段基本形成深綠帶灰的外觀特征。分別用RGB、HSB*和Lab 3種模式來描述綠茶加工中各階段所采集圖像的色澤，各色澤參數測定結果及變化情況如圖1所示。

圖1 綠茶加工中各顏色模型的色澤參數變化Fig.1 The variation of all color parametersin three colormodes during green tea processing

圖1（a）中R和G值均隨著工藝的延續逐漸降低，B值表現出先降低再上升最后再降低的趨勢?？傮w上，R、G和B3個參數在微波三青階段下降幅度最大，滾炒和烘干階段無明顯變化，說明茶葉色澤的轉變主要在微波三青階段，色澤的形成主要在滾炒階段。理論上，當R=G=B時，顏色表現為灰色。圖中三個參數值在滾炒和烘干階段近乎相等，說明滾炒對茶葉色澤的形成起決定作用。而實際生產中，炒青綠茶外觀色澤也表現為深綠起灰。另外，在整個加工過程中，G值始終大于R和B，且變化程度最大，說明綠色調的變化是綠茶色澤形成的主要指標。由于G值有256個亮度級別，它的不斷降低，說明綠茶加工中綠色亮度的下降，這真實反映了綠茶實際生產中的色澤變化規律。因此，用參數G來描述綠茶加工的色澤變化是可行的。

（b）圖中B*值則呈不斷下降趨勢，說明茶葉在加工過程中亮度逐漸降低；H值在殺青時增加，初揉階段降低，之后隨著工序進行不斷上升且在滾炒階段上升幅度最大；S值和H值變化趨勢相反，殺青時降低，初揉階段升高，然后逐漸下降?？赡艿脑蚴菤⑶嗍共枞~色澤變深變暗，葉片和梗因失水不均而表現出色澤差異，導致色相H值增大，飽和度S值降低；而揉捻使茶汁溢出，茶葉變得綠亮，鮮活感增加，因此H值又降低，S值增加。此外，三個色澤參數中，色相H值波動范圍最大，說明生產中綠茶的顏色比明暗、純度變化更明顯。

（c）圖中亮度值L在復揉之前下降緩慢，微波三青時下降極為明顯，至滾炒和烘干階段變化緩和基本趨于穩定；a值的變化趨勢與L值近似軸對稱；b值在殺青時減小，初揉階段增加，然后持續下降；在滾炒和烘干工序，a和b值近似為0。由于色澤參數a與b的范圍是-128～127，二者數值為0代表的顏色為50%灰（中性灰）。當表示紅綠色的a﹤0時，a值越接近50%灰（或0），綠色的飽和度越??；當表示藍黃色的b﹥0時，b值越靠近50%灰，黃色亮度越低，飽和度越小。因此，L、a和b三個參數值的變化反映了綠茶色澤隨著工序的進行逐漸變暗。綜上，貴州綠茶在加工過程中的顏色變化和亮度變化趨勢相反，即顏色逐漸加深，亮度持續下降，且在微波三青階段變化最為明顯，這與肉眼觀察結果相符。

3.2 貴州綠茶加工過程中的品質成分變化

茶葉初制不僅是一個逐步失水的物理過程，更是一個復雜的化學變化過程，伴隨著化學成分的合成與轉化，最終形成茶葉獨特的品質特征。圖2是貴州綠茶加工過程中各理化成分的含量變化。

由于不同工序的作用方式和目的不同，茶葉在加工中的水分散失程度也有所差異[11]，鮮葉經殺青到烘干，含水率從76.50%減少到67.48%并逐漸下降到4.31%。其中，滾炒工序失水最多，失水率達28.93%；其次是微波三青，失水率為25.93%；初揉和微波二青失水最少，分別為1.21%、2.14%（圖3）。

圖2 貴州綠茶加工過程中各理化成分的含量變化Fig.2 The variation of the chem ical com ponen ts content in Guizhou green tea

圖3 綠茶加工過程中失水率的變化Fig.3 Change inwater loss rate in green tea processing

圖3可見，貴州綠茶加工中的水分散失分布在各工序中，且主要集中在最后三道工序。而綠茶色澤的明顯轉變與形成也發生在微波三青和滾炒工序，因此，水分含量是決定綠茶色澤形成的關鍵因素。

茶多酚是形成茶湯滋味的重要成分，在綠茶加工過程中含量不斷減少，鮮葉中的含量為29.72%，炒干后降為23.00%，最終保留率為77.38%，說明茶多酚總量在各工序的作用下有一定程度的損失，降低了茶湯的苦澀味。此外，游離氨基酸總量隨著工序的進行變化不大，在初揉階段達到最大值2.73%。水浸出物含量在加工過程中不斷增加，鮮葉為40.67%，烘干后含量增加至45.86%，促進了茶湯濃醇度的形成。

3.3 貴州綠茶色澤與品質關系

茶葉經特定工序處理后不僅色澤發生了一定的變化，而且品質成分也發生著改變。3種顏色模式的各色澤參數與綠茶品質成分的相關性（表1）表明，各色澤參數均與含水量、水浸出物和茶多酚總量有較強的相關性，其大小為含水量＞茶多酚＞水浸出物（B值除外）；氨基酸總量在綠茶加工中的變化不明顯，與9個色澤參數的相關性較弱，相關系數|r|范圍是0.020～0.582。說明茶葉的含水量是影響色澤形成主要因素。

在各色澤參數中，H和a值與含水量和茶多酚含量有極顯著的負相關關系（p＜0.01），與水浸出物含量呈正相關，其它色澤參數與之相反。這種規律與各色澤參數和品質成分自身的變化趨勢是相對應的，如H和a值隨著各工序的進行不斷增加，而含水量和茶多酚含量則逐漸減少，因此色澤參數H和a與此成分呈負相關。由此得出，在生產實踐中可根據茶葉的含水量和茶多酚含量來預測色澤變化，相反，通過色澤參數還可判斷茶葉的含水量是否達到工藝標準，這對于實現茶葉的自動化控制具有一定指導意義。

表1 各色澤參數與茶葉中內含成分的相關系數Table1 The correlation coefficientsofeach color parameter and containing com ponentofgreen tea

通過對比各色澤參數與品質成分的相關性發現，與水分含量相關性最大的是色澤參數a，相關系數為-0.961，其次是L、R和G，相關系數分別為0.958、0.953、0.953；與水浸出物和茶多酚含量相關性最大的是色澤參數R，相關系數分別為0.933、0.942，其次是L和G?？梢?，R、G和L值與綠茶內含成分關系密切，能在一定程度上反映茶葉品質的優劣。

綜上所述，由于色澤參數G在綠茶加工過程中變化更為明顯，極差較大；且G值代表綠色的變化趨勢，其與茶葉內含水量、水浸出物和茶多酚含量具有極顯著的相關關系，尤其是與含水量，相關系數達0.953，說明水分的散失對茶鮮葉綠色外觀的影響十分明顯[12]。從肉眼也可看到茶鮮葉經加工后，葉色由鮮綠逐漸變暗變深。因此，綜合考慮選用色澤參數G來判斷綠茶加工的適宜程度最為合適。

4 結論

1）貴州綠茶色澤的明顯轉變主要發生在微波三青工序；而滾炒階段基本形成干茶的色澤特征。

2）貴州綠茶在色澤形成中，顏色值的變化趨勢與亮度、純度值相反，且顏色變化更明顯。因此用RGB、HSB*和Lab等顏色模式量化綠茶加工過程的色澤變化是可行的。

3）除H值外，其它色澤參數均與含水量、水浸出物和茶多酚含量有較強的相關性，其大小為含水量＞茶多酚＞水浸出物，因此，含水量是影響綠茶色澤變化的主要因素。

4）在各色澤參數中，G值能很好地反映綠茶加工過程的色澤變化且與茶葉內含成分相關性顯著，可用于綠茶加工過程中色澤的在線監測和工藝適宜程度的實時控制。

5 討論

利用計算機視覺技術研究了綠茶生產線的茶葉色澤變化以及綠茶加工過程中色澤參數與品質成分之間的相關關系，選擇出能夠反映綠茶色澤變化和品質形成的最佳色澤參數。同時，該技術可以應用于紅茶、烏龍茶等茶類的加工過程，針對某個工序開展深入研究，如綠茶攤放、紅茶萎凋、烏龍茶做青等。此外，應用該技術能夠建立色澤參數與茶葉品質成分的關系模型，在實際生產中根據色澤參數的變化預測茶葉中的品質成分含量，通過適時調整工藝參數，實現茶葉生產過程中的自動控制。

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Study on Color Change of the Green Tea and its Relationship w ith Tea Quality Using Computer Vision Technology

LIWen-cui1，TANGXiao-lin1，*，TANGYi2，FANQi-ye1，RENGuang-xin1
（1.Hangzhou Tea Research Institute，CHINA COOP，Hangzhou 310016，Zhejiang，China；2.Departmentof Tea Science，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

Thispaper researched the quantitative change of thegreen tea color in Guizhou automated production line and preliminary explored the correlation between the nine color parameters in RGB，HSB and Lab color modes and the containing ingredients of tea products.The study found that the green tea color changedmore obviously than brightnessand purity，which converted greatly in the stage of secondmicrowave evaporation and formed in the rolling fried stage.Except for H，other color parameters had a significant correlation with the contentofwater，waterextractsand teapolyphenols，the regularityofcorrelation coefficientswas：watercontent＞TP＞waterextract.In the green tea processing，parameter G changed greatlywhich could better reflect the color changes.The correlation coefficientsbetween G value and the three quality ingredientswere 0.953，-0.925 and 0.931.Therefore，according to the variation of color parameter G we can realize the on-linemonitoring and automated controlof the green tea colorand itsquality.

Guizhou green tea；computer vision；color parameters；tea quality；correlation

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.05.001

2013-12-10

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAD01B03-4）

李文萃（1988—），女（漢），碩士，主要從事茶葉加工與審評方面的研究。

*通信作者：唐小林（1962—），男（漢），碩士，主要從事茶葉加工與茶機方面的研究。