甘肃道地中药黄芪饮片质量等级分类算法研究.pdf
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1、西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第5 9卷2 0 2 3年第5期 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.5 9 2 0 2 3 N o.5 D O I:1 0.1 6 7 8 3/j.c n k i.n w n u z.2 0 2 3.0 5.0 1 1收稿日期:2 0 2 3 0 2 1 0;修改稿收到日期:2 0 2 3 0 7 0 1基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(2 3 J R R G 0 0 0 4);
2、甘肃省高校产业支撑计划资助项目(2 0 2 3 C Y Z C-6 6);河西学院校长基金创新团队资助项目(C X T D 2 0 2 3 0 0 5)作者简介:张蕾(1 9 8 0-),女,甘肃武威人,教授,硕士.主要研究方向为图像处理与模式识别.E m a i l:4 0 2 2 0 9 5 3q q.c o m甘肃道地中药黄芪饮片质量等级分类算法研究张 蕾,张正军,郭康惠,王保海,王海龙(河西学院 信息技术与传媒学院,甘肃 张掖 7 3 4 0 0 0)摘要:中药数字化是中药质量控制的发展趋势,而中药的质量等级分类是其中的重要环节.针对中药饮片质量等级鉴定自动化问题,将传统特征及遗传算法
3、有机融合用于黄芪饮片质量等级分类.选取甘肃道地药材黄芪饮片,对其图像进行增强、归一化、空间转换等预处理,并融合颜色及纹理特征,将提取的8个颜色及纹理特征作为等级分类的特征向量,进而采用线性分类器通过特征向量的线性组合来对黄芪饮片的质量等级进行分类,通过遗传算法获取8种特征的最优权重系数以及不同等级的最优区间.研究结果表明,算法得到的优化参数具有较高的识别率及可行性.该结论有助于中药直观鉴别的科学定量化以及中药饮片的质量等级鉴定客观化.关键词:图像处理;中药;特征提取;质量等级鉴定;遗传算法中图分类号:T P 2 7 4+.3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1-9 8 8(2 0 2 3
4、)0 5-0 0 5 8-0 7S t u d y o n t h e a l g o r i t h m o f q u a l i t y g r a d e c l a s s i f i c a t i o no f R a d i x A s t r a g a l i i n G a n s uZ HANG L e i,Z HANG Z h e n g-j u n,GUO K a n g-h u i,WANG B a o-h a i,WANG H a i-l o n g(S c h o o l o f I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g
5、y a n d M e d i a,H e x i U n i v e r s i t y,Z h a n g y e 7 3 4 0 0 0,G a n s u,C h i n a)A b s t r a c t:T h e d i g i t i z a t i o n o f t r a d i t i o n a l C h i n e s e m e d i c i n e(T CM)i s a s p e c i f i c r e q u i r e m e n t f o r t h e q u a l i t y c o n t r o l o f T CM,a s w e
6、l l a s t h e q u a l i t y c l a s s i f i c a t i o n.A i m i n g a t t h e p r o b l e m o f a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n o f q u a l i t y g r a d e s o f C h i n e s e h e r b a l d e c o c t i o n p i e c e s,t h e a l g o r i t h m i n t h i s p a p e r i n t e g r a t e s t
7、r a d i t i o n a l f e a t u r e s a n d g e n e t i c a l g o r i t h m w e l l f o r t h e q u a l i t y g r a d e c l a s s i f i c a t i o n o f a s t r a g a l u s d e c o c t i o n p i e c e s,F i r s t l y,a s t r a g a l u s o f G a n s u P r o v i n c e w a s s e l e c t e d a n d i t s i
8、m a g e w a s p r e t r e a t e d w i t h e n h a n c e m e n t,n o r m a l i z a t i o n a n d s p a t i a l t r a n s f o r m a t i o n,a n d t h e c o l o r a n d t e x t u r e f e a t u r e s w e r e f u s e d.T h e n t h e e i g h t e x t r a c t e d c o l o r a n d t e x t u r e f e a t u r e
9、s w e r e u s e d a s f e a t u r e v e c t o r s f o r g r a d e c l a s s i f i c a t i o n.A l i n e a r c l a s s i f i e r w a s u s e d t o c l a s s i f y t h e q u a l i t y l e v e l s o f a s t r a g a l u s d e c o c t i o n p i e c e s t h r o u g h t h e l i n e a r c o m b i n a t i o
10、n o f f e a t u r e v e c t o r s.T h e o p t i m a l w e i g h t c o e f f i c i e n t s o f e i g h t f e a t u r e s a n d t h e o p t i m a l i n t e r v a l s o f d i f f e r e n t g r a d e s w e r e o b t a i n e d b y g e n e t i c a l g o r i t h m.E x p e r i m e n t s o n GHQ-4 d a t a s
11、e t o f a s t r a g a l u s d e c o c t i o n p i e c e q u a l i t y g r a d e s h o w t h a t o p t i m i z e d p a r a m e t e r s o b t a i n e d i n t h i s p a p e r h a v e h i g h r e c o g n i t i o n r a t e a n d f e a s i b i l i t y.T o a c e r t a i n e x t e n t,t h i s c o n c l u s
12、i o n c a n b e h e l p f u l f o r t h e s c i e n t i f i c q u a n t i f i c a t i o n o f t h e i n t u i t i v e i d e n t i f i c a t i o n o f T CM a n d t h e o b j e c t i f i c a t i o n o f t h e q u a l i t y g r a d e i d e n t i f i c a t i o n o f T CM d e c o c t i o n p i e c e s.K
13、e y w o r d s:i m a g e p r o c e s s i n g;t r a d i t i o n a l c h i n e s e m e d i c i n e(T CM);f e a t u r e e x t r a c t i o n;q u a l i t y g r a d e i d e n t i f i c a t i o n;g e n e t i c a l g o r i t h m85 2 0 2 3年第5期 张 蕾等:甘肃道地中药黄芪饮片质量等级分类算法研究 2 0 2 3 N o.5S t u d y o n t h e a l g o
14、 r i t h m o f q u a l i t y g r a d e c l a s s i f i c a t i o n o f R a d i x A s t r a g a l i i n G a n s u 中药的质量优劣是保证中药药效的核心和根本.传统中药的鉴别主要根据形、色、气、味等外观性状,配合专家经验采用人工标注的方法来判断饮片优劣,该方法称为“辨状论质”,由我国著名中药学家谢宗万提出1.有的根据性状(比如质地、颜色和形态)或个头大小(比如粗细)等外观来划分规格等级,有的根据加工方法或纯度来划分,有的根据产地、野生与栽培区来划分,市场上约9 0%的药材规格等级划分都可
15、归为这几类2.“辨状论质”虽然直观、实用,但达不到精确定量.随着计算机视觉技术和图像处理技术的不断发展,中药数字化成为中药质量控制的发展趋势,其中最具挑战性的是最佳特征提取3.在中药饮片图像识别领域,相关研究主要集中于颜色、纹理、形状等外在性状特征以及水分、灰分、浸出物等内在化学成分特征两个方面,且已取得一定进展4.陶欧等5基于饮片切面图像纹理特征参数的辨识模型判正率可达9 0%;木拉提哈米提等6基于颜色直方图对新疆维吾尔医药材图像特征进行提取与判别分析,其动物药准确率达到7 0%,植物药准确率达到9 0%;吕宇琛等7提出的基于HOG-L B P特征 融 合 算 法 对 中 药 饮 片 的 识
16、 别 率 可 达 到9 1.1 6%.这些研究主要应用场景是鉴别药材的种类,由于不同种类的药材外观差别较大,因此鉴别药材种类相对比较容易.而实际应用中更多的场景是已知药材的种类,需要鉴别其质量等级.这方面的研究难度较大,相关研究仍处于起步阶段,其原因主要是因为同一种类不同等级的药材外观差别较小,自动识别难度较高.文中选取甘肃道地中药黄芪不同产区饮片为研究对象,针对中药饮片质量等级鉴定自动化进行了探索.1 实验材料实验选取甘肃道地中药黄芪不同产区饮片,将其数字化后进行人工筛选,由此构建质量等级标准数据集GHQ-4.数据集中,图像选取标准为2 0 2 0版的 中国药典,图像数目为3 8 6 9幅,
17、采用白色简单背景,图像大小均为9 8 09 8 0像素,J P G格式,颜色表示为R G B.所有图片由行业专家根据表1质量等级特征描述中的4个等级进行测评标注,同一张图片由5位不同专家进行标注,对标注不一致的图片由专家讨论后给出最终标注.实验将数据集分为训练集和测试集,从文中构建的 质 量 等 级 标 准 数 据 集GHQ-4中 随 机 抽 取1 5 0 0幅图像作为训练集,2 3 6 9幅图像作为测试集.2 实验方法2.1 图像预处理图像预处理的目的是对数据进行简化,消除图像中无关信息的干扰,并增强重要、有效特征以加强特征提取与识别的可靠性.针对4种质量等级的黄芪饮片图像,首先进行图像增强
18、,以强化饮片颜色、纹理、边缘等局部特征的差异,突出重要特征.该过程的副作用是图像部分信息可能会有失真,但可提高图像质量、丰富信息量,加强图像判读和识别效果.其次,对图像尺寸进行归一化处理,使得中药饮片图像的最长边界为2 8 0像素点.另外,由于R G B颜色模型采用红、绿、蓝三种基色表示各种颜色,不能很好地与视觉感知颜色空间相结合.因此,还需要对图像进行颜色空间转化,将R G B颜色空间分别转化为灰度空间与H S V颜色空间.预处理结果如图1所示.表1 黄芪饮片质量等级特征描述T a b 1 D e s c r i p t i o n o f q u a l i t y g r a d e c
19、 h a r a c t e r i s t i c s o f R a d i x A s t r a g a l i药材质量等级共同点区别点商品规格标准黄芪特等一等二等三等表面 淡棕 黄 色 或 棕 褐 色,有不 整 齐 的 纵 皱 纹 或 纵沟.质硬而韧,断面纤维性强,皮部黄白色,木部淡黄色,有放射状纹理头部 斩 口 下3.5 c m处 直 径 1.8 c m长7 0 c m以上,上部直径2 c m以上,末端直径不小于0.6 c m头部斩口下3.5 c m处直径为1.41.7 c m长5 0 c m以上,上部直径1.5 c m以上,末端直径不小于0.5 c m头部斩口下3.5 c m处直
20、径为1.21.4 c m长4 0 c m以上,上部直径1 c m以上,末端直径不小于0.4 c m头部斩口下3.5 c m处直径为1.01.2 c m上部直径0.7 c m以上,末端直径不小于0.3 c m95西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第5 9卷 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.5 9 图1 黄芪饮片质量等级图像预处理结果F i g 1 Q u a l i t y g r a d e i m a g e p
21、 r e p r o c e s s i n g r e s u l t s o f R a d i x A s t r a g a l i s l i c e s2.2 颜色特征参数的提取不同的产地、科属、甚至不同的炮制方法都会对中药饮片的颜色产生较大的影响.因此,基于颜色特征可以有效区分不同产地、品质等级分类.中国药典中对药材颜色的描述具有一定的主观性,文中基于中药数字化的理论与实践对颜色特征参数进行定量的提取.颜色特征是对饮片图像表面颜色性质进行描述的方式,是图像识别中最有价值的底层特征,以不同基色描述可得到R G B模型、H S V模型和L A B模型等不同的色彩空间.常用的颜色特征有
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