基于计算机视觉技术的连翘果实性状变化研究.pdf
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1、第 43 卷第 3 期2024 年 3 月中 国 野 生 植 物 资 源Chinese Wild Plant ResourcesVol.43 No.3Mar.2024基于计算机视觉技术的连翘果实性状变化研究孙友田,纪宝玉,许双全,娄玉霞,杨林林,裴莉昕*,董诚明(河南中医药大学 药学院,河南 郑州 450046)摘要 目的:探究连翘果实发育与性状之间的关系,建立基于计算机视觉技术的连翘“辨状论质”方法。方法:采用Python库LabelMe对连翘显微横切图片进行标注,获取连翘果实显微横切各部位的面积占比。采用自制软件Lq_measure对连翘进行长度、宽度和单果面积的测量,同时称取连翘果皮(含
2、隔膜)和种子的质量,并制作数据集。结果:连翘果实性状差异大,证实了计算机视觉技术筛选优质连翘具有工业化应用的前景,建立了一套以Lq_measure软件为基础的连翘性状研究实验操作流程,为连翘性状数据库的建立提供了基本方法,为基于连翘果型的中药“辨状论质”理论研究提供可靠技术支撑。结论:连翘种心性状可用于鉴别连翘的果实成熟度,连翘长宽比系数和连翘果皮重占比相关性为0.74,为以后的连翘质量控制提供了理论依据。关键词 计算机视觉技术;连翘果实;长宽比;荧光显微;OpenCV中图分类号:Q334 文献标识码:A 文章编号:1006-9690(2024)03-0051-09Study on the T
3、rait Change of Forsythia Fruit Based on Computer Vision TechnologySun Youtian,Ji Baoyu,Xu Shuangquan,Lou Yuxia,Yang Linlin,Pei Lixin*,Dong Chengming(School of Pharmacy,Henan University of Traditional Chinese Medicine,Zhengzhou 450046,China)Abstract Objective:To investigate the relationship between t
4、he development and traits of Forsythia fruit,and establish a method for identifying the quality of Forsythia fruit based on computer vision technology.Methods:Python library LabelMe was used to annotate the micro-cross-sectional images of Forsythia fruit,and the area proportion of each part of the m
5、icro-cross-section of Forsythia fruit was obtained.The self-made software Lq_measure was used to measure the length,width,and single fruit area of Forsythia fruit.At the same time,the quality of Forsythia fruit peel(including septum)and seeds was measured,and a dataset was created.Results:There were
6、 significant differences in the traits of Forsythia fruit,which confirmed the feasibility of using computer vision technology to screen high-quality Forsythia fruit and had prospects for industrial application.A set of experimental operation procedures for the study of Forsythia fruit traits based o
7、n Lq_measure software was established,providing a basic method for the establishment of a Forsythia fruit trait database and reliable technical support for the theoretical research of discriminating shape and discussing quality of traditional Chinese medicine based on Forsythia fruit shape.Conclusio
8、n:The trait of Forsythia seed heart could be used to identify the fruit maturity of Forsythia.The correlation between the length-width ratio coefficient of Forsythia and the proportion of Forsythia fruit peel weight was 0.74,providing a theoretical basis for future Forsythia quality control.Key word
9、s Computer vision technology;Forsythia fruit;Aspect ratio;Fluorescence microscopy;OpenCVdoi:10.3969/j.issn.1006-9690.2024.03.008收稿日期:2023-06-03,录用日期:2024-03-08基金项目:河南省中医药文化与管理研究项目(TCM2021040,TCM2023025)。作者简介:孙友田(1996-),男,硕士研究生,研究方向为生药鉴定学。E-mail:*通讯作者:裴莉昕(1980-),女,博士,副教授,研究方向为中药质量评价。E-mail: 51中 国 野 生
10、 植 物 资 源第 43 卷中药材连翘为木犀科(Oleaceae)连翘属(Forsythia Vahl)植物连翘 Forsythia suspensa(Thunb.)Vahl 的果实,因果实采收期不同又分为青翘和老翘,具清热解毒、消肿散结等功效,常用于治疗风热感冒、痈疽等。连翘在我国有悠久的药用历史,在国家卫健委发布的 新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第九版)1中收入的连花清瘟胶囊(颗粒)等用于治疗新型冠状病毒的中成药及方剂中均有连翘,临床应用较多,是常用的大宗药材。但在生产上连翘果型变异丰富,性状差异较大,导致市场上不同果型连翘混杂,品质参差不齐。同时连翘面临着严重的“抢青”2现象,过早采收的
11、连翘种子尚未发育完全,药效活性成分含量较低,甚至未达到药用标准,造成资源浪费和品质下降,故2020版 中国药典 新增了青翘挥发油的含量测定,以杜绝“抢青”现象的发生。研究发现连翘挥发油主要存在于种子中3,连翘果实形态又与挥发油含量具有密切关系,且不同果型连翘果实容纳种子的能力也存在一定差异性,因此对连翘果型、种子发育和连翘品质之间进行相关性研究具有重要意义。随着科学技术的发展,人工智能的应用已深入到了各行各业,将人工智能运用到中药材的研究之中已经成为未来中药现代化发展的趋势之一4。在此背景下,利用人工智能技术建立一种基于机器视觉自动化检测技术,实现对连翘不同等级的区分及鉴别,寻找连翘果型与种子
12、发育之间的关系,解决连翘快速鉴定评价和质量控制等相关问题,可有效地提高中药材鉴别及质量评价的准确性和客观性,极大程度提高中药质量控制水平,推动中药材现代化进程。本研究以“辨状论质”5为理论指导,基于人工智能技术,以计算机视觉技术如图像分割技术等为辅助,对连翘果型与品质关系进行探究,建立一套更准确、快捷、有效、无损的连翘识别检测系统,并构建连翘视觉质量评价体系。首先使用自制软件Lq_measure 并联合 Python 库 LabelMe 对大量连翘样品图像进行果型性状信息采集,对各类型连翘果实性状和质量相关性进行分析,总结出各类型连翘间形态特征及品质规律,建立连翘样本数据库,后利用百度深度学习
13、框架PaddlePaddle建立模型从图像识别技术角度出发,对不同果型连翘的外观性状进行测量分析,利用图像分割技术去除连翘图片干扰背景,然后对采集的连翘样品图像进行特征自动提取,对数据进行预测,同时进行内在质量评价并分类,以期达到计算机自动识别、筛选并对不同品质的连翘进行等级分类,旨在提高连翘品质分析过程的自动化程度。该系统采用图像分析软件能够快速准确地进行图像采集以及处理,节省人力物力成本,具有很好的经济效益、社会效益和生态效益。1仪器与材料1.1主要仪器OLYMPUS BX53F2荧光显微镜 奥林巴斯(中国)有限公司;CANON LC-E6E相机 飞宏(东莞)电子有限公司;YHG-500B
14、S远红外快速恒温干燥箱(上海跃进医疗器械有限公司);YP10002电子天平(上海衡际科学仪器有限公司);C21-SK2101蒸锅(广东美的生活电器制造有限公司)。1.2药材来源及加工本试验连翘均来自于河南省三门峡市卢氏县橫 涧 乡 七 寸 村(东 经 111255.651,北 纬 335644.746),经河南中医药大学药学院纪宝玉教授鉴定为木犀科连翘属植物连翘果实,从2022年6月中旬开始采收,约2周采收1次。具体信息见表1。显微横切所用连翘收集后放 4冰箱保存备用;称取果皮和种子重所用连翘为加工连翘,参考魏丽芳6的连翘加工方法,在蒸锅中放入纯水,加热至沸腾后放入青翘,蒸制12 min,取出
15、,置于红外干燥箱内烘约2 d,烘干为止,烘箱温度为45。2软件原理2.1Lq_measure软件原理2.1.1Lq_measure软件界面功能使用自制软件 Lq_measure 和 LabelMe 对连翘图像数据进行处理,提取连翘果型数据,探索连翘状质关系,并建立连翘果实性状数据库,利用PaddlePaddle 建立模型并对数据进行预测,从而对连翘进行自动识别、筛选和等级分类。使用 C+和表1连翘来源Tab.1Source of F.suspensa序号ls1ls2ls3ls4ls5ls6采集日期2022年6月17日2022年6月17日2022年7月2日2022年7月2日2022年7月25日2
16、022年7月25日来源选育优良品种野生选育优良品种野生家种品种野生收集地卢氏县橫涧乡七寸村卢氏县橫涧乡七寸村卢氏县橫涧乡七寸村卢氏县橫涧乡七寸村卢氏县橫涧乡七寸村卢氏县橫涧乡七寸村 52第 3 期孙友田,等:基于计算机视觉技术的连翘果实性状变化研究Python语言进行编程,使用OpenCV对连翘图片数据进行前处理,LabelMe用于连翘图像的标注,PaddlePaddle用于模型的建立和数据的预测。本实验连翘图片的处理主要由软件 Lq_measure完成,还有 img2label和label2img两个用Python写成的脚本。连翘果皮种子重量的预测在百度的AI Studio官网上完成。Lq_
17、measure软件共有5大功能模块,各大功能模块下又有着与之相关的小功能模块。如图1界面所示,打开软件后,输入对应功能模块的数字按Enter键即可进入其中的小功能模块。各小功能模块有的是对各环节图片进行处理生成下一环节的图片;有的是对最终环节的图片进行处理,从而得到连翘各性状数据;大多数小功能模块都可以分为2类,一类是输入单一图片的路径,再输入下一环节图片保存路径或者需要获取数据保存路径,后续对图片进行处理,此类功能适合图片的预试验处理,另一类功能是和第一类功能相对应的批量处理某个文件夹内所有图片的操作,此类功能进入后先输入图片文件夹所在路径,然后输入图片保存路径或者数据保存路径,此时软件将开
18、始扫描文件夹内的所有图片文件,后续对图片进行批量处理。其中的功能模块1可以获取各连翘的长、宽和单果面积;功能模块2可以将原始图片中单个连翘的区域剪切出来,生成只有一个连翘的小图;功能模块3可以对图片进行透视变换操作;功能模块4可以获取连翘显微横切图片中连翘不同部位的面积;功能模块5可以删除拍摄连翘图片中的背景。2.1.2Lq_measure所用到的主要函数及功能2.1.2.1功能模块 1主要用到以下3个函数:void cv:findContours(InputArray image,OutputArrayOfArrays contours,int mode,int method,Point o
19、ffset=Point();cv:RotatedRect cv:minAreaRect(InputArray points);double cv:contourArea(InputArray contour,bool oriented=false);在 findContours 函数中,输入已经处理好的二值图像(只含有黑色和白色两种颜色的图像),程序就会找出图片内的所有轮廓,其输出的轮廓为图片中每个轮廓在图片中坐标值的集合;minAreaRect函数可以根据找到的轮廓输出每个轮廓的最小外接矩形信息,根据这些信息就可以得出单果连翘的长宽数据;contourArea函数根据找到的轮廓可以得到每个轮
20、廓所包围的像素点个数,从而求出单果面积。2.1.2.2功能模块 2主要用到以下函数:cv:Rect cv:boundingRect(InputArray array);在 boundingRect 函数中,输入 findContours 中所找到的某个轮廓的坐标集合,从而得到这个轮廓的标准外接矩形信息,根据这些信息实现对连翘果实图片的剪切。2.1.2.3功能模块 3主要用到以下函数:cv:Mat cv:getPerspectiveTransform(const Point2f src,const Point2f dst,int solveMethod=DECOMP_LU);void cv:wa
21、rpPerspective(InputArray src,OutputArray dst,InputArray M,Size dsize,int flags=INTER_LINEAR,int borderMode=BORDER_CONSTANT,const Scalar&borderValue=Scalar();getPerspectiveTransform 和 warpPerspective 函数合用可以对图片中4个坐标点围成的区域进行透视变换,生成新的透视变换图片。2.1.2.4功能模块 4主要由图像的遍历操作完成。2.1.2.5功能模块 5主要用到以下函数:void cv:cvtColo
22、r(InputArray src,OutputArray dst,图1Lq_measure软件界面Fig.1Lq_measure software interface 53中 国 野 生 植 物 资 源第 43 卷int code,int dstCn=0);int cv:createTrackbar(const String&trackbarname,const String&winname,int*value,int count,TrackbarCallback onChange=0,void*userdata=0);void cv:inRange(InputArray src,InputA
23、rray lowerb,InputArray upperb,OutputArray dst);函数cvtColor可以转换图片格式,本软件图像分割功能主要分割HSV图像(此格式图像常应用于图片分割),故要先将读取的RGB图像转换为HSV图像;createTrackbar函数和 inRange函数合用用于对转换后的HSV图片进行实时分割,从而删除图片背景。2.2连翘横切面显微特征的测定2.2.1连翘横切面显微特征图的拍摄随机取新鲜连翘果实约40个,按顺序摆放于拍照板上拍照,如图2所示。以从左到右、从上到下的顺序取出连翘样品做显微切片。将取出的连翘在其直径最大区间进行徒手切片,切成约1 mm厚的切
24、片,放于载玻片下,并置于荧光显微镜下观察,运用 OLYMPUS cellSens Standard软件的图像手动拼接功能将拍摄的图片拼接成完整的连翘横切面显微图。2.2.2连翘横切面显微特征图的分析运用Python中的LabelMe库进行连翘显微横切面图片的标注。如图3所示,连翘完整的轮廓标注为1,连翘果肉部分轮廓标注为2,连翘未发育成熟的种心部分轮廓标注为3,连翘种心发育完全的部分轮廓标注为4,其中的间隙标注为5,标注完成后,点击保存生成对应图片的json文件。json2img脚本可以将标注图片生成的 json 文件转化为 png 标签图,如图4所示。json2img脚本中用到的函数主要为O
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