中药形状特征数据库构建方法、数据库以及鉴定系统

中药形状特征数据库构建方法、数据库以及鉴定系统
1.本技术是以申请号202111521236.6，发明名称“针对中药的形状特征采集装置、数据库以及鉴定系统”的发明申请为母案提交的分案申请。
技术领域
2.本技术属于中药材质量鉴定技术领域，具体涉及一种中药形状特征数据库构建方法、中药形状特征数据库以及中药鉴定系统。


背景技术：

3.近些年，国家越来越重视中医药发展，并从完善中医药管理机制、健全中医药服务体系、提升中药质量和产业水平、加强中医药人才队伍建设、促进中医药传承创新等方面，全面推动中医药高质量发展。
4.中药鉴定(或叫中药鉴别)作为促进和保障中医药产业高质量发展的关键和基础，其主要方法包括性状鉴定法、显微鉴定法、理化鉴定法、生物鉴定法。其中，性状鉴定法是指基于中药材或饮片的品种、栽培或野生、生长年限、产地加工方式、炮制方法等多因素造成的性状特征，综合判断中药的真伪优劣。
5.但是，目前的性状鉴定法至少存在如下问题：
6.1)中药材或饮片性状鉴别特征可大致分为“形、色、气、味、质”，有关鉴别特征的记载多为文字性描述，判断尺度较大，因此存在一定的局限性；
7.2)鉴定专家主要根据个人的经验对样品进行真伪优劣评价，除了个体大小可进行测量外，其他指标界限不明确，判断主观性很强，尤其是复杂来源品种的判断结果易出现不一致的情况；
8.3)鉴定专家需要经过长期经验的积累，需具备一定的工作年限和丰富的专业阅历，因此也使得培养一名合格的中药鉴定专家的时间成本较高，这也导致目前中药师从业人员严重短缺。
9.因此，中药鉴别智能化标准化对于中药产业的可持续发展尤为迫切。


技术实现要素：

10.为了解决现有技术中存在的至少一个技术问题，本技术提供了一种针对中药的形状特征采集装置、中药形状特征数据库构建方法、中药形状特征数据库以及中药鉴定系统。
11.第一方面，本技术公开了一种中药形状特征采集装置，包括：
12.载物台，所述载物台的顶部具有一载物板，用于承载至少一片中药标准样品，所述载物台的底部包括有多自由度移动机构，用于支撑所述载物板并受控地带动所述载物板沿着多个方向移动；
13.相机，其独立于所述载物板进行固定，且位于所述中药标准样品的正上方，用于从正上方对所述中药标准样品进行拍照；
14.光源，其设置在所述中药标准样品的周围，用于在所述相机拍照时提供光照；
15.载物台控制单元，用于响应所述载物板上的中药标准样品在拍摄时接收到的拍摄角度指令，自动控制所述多自由度移动机构以带动所述载物板及载物板上的中药标准样品进行移动；
16.相机控制单元，用于响应所述载物板上的中药标准样品在拍摄时接收到的清晰度指令，控制所述相机进行自动对焦，从而实现对包括有形状特征的中药标准样品图像的自动采集；
17.存储单元，用于将所述相机采集的包括有形状特征的中药标准样品图像进行存储；
18.处理单元，用于根据预采集的中药标准样品的形状特征，生成对应的拍摄角度指令以及清晰度指令，并将指令发送至载物台控制单元以及相机控制单元，同时，所述处理单元还用于控制所述相机将采集到的包括有形状特征的中药标准样品图像传输至所述存储单元进行存储。
19.根据本技术的至少一个实施方式，所述光源包括如下独立控制的：
20.呈直板状的底部光源，其平行铺设在所述载物板上，其中，所述中药标准样品对应固定在所述底部光源的顶面上；
21.呈直板状的顶部光源，其平行设置在所述底部光源的顶部，所述顶部光源上与所述中药标准样品对应位置处贯穿开设有通孔，以便于所述相机的能够穿过该通孔从正上方对所述中药标准样品进行拍照；
22.呈条形的侧面光源，其中，两块所述侧面光源设置在所述底部光源与顶部光源之间，且沿所述中药标准样品的左右两侧对称布置；
23.相应的，所述中药形状特征采集装置还包括：
24.光源控制单元，用于响应所述载物板上的中药标准样品在拍摄时接收到的光照强度指令，自动控制对应光源的光照强度；
25.相应的，所述处理单元还用于根据预采集的中药标准样品的形状特征，生成对应的光照强度指令，并将指令发送至所述光源控制单元。
26.根据本技术的至少一个实施方式，所述多自由度移动机构为三自由度移动机构，能够在同一个二维坐标系内沿着x轴或y轴方向移动，以实现载物板的平移，同时还能够以其中的x轴为转动轴线进行转动，以实现载物板的转动。
27.根据本技术的至少一个实施方式，所述预采集的中药标准样品的形状特征至少包括中药标准样品的平面尺寸、厚薄、形状、表面特征、截面纹理、质地、颜色及光泽。
28.第二方面，本技术还公开了一种中药形状特征数据库构建方法，包括如下步骤：
29.步骤一、获取上述第一方面中任一项所述的中药形状特征采集装置采集并存储各种中药的中药标准样品图像；
30.步骤二、通过中药形状鉴定方法对任一种中药的中药标准样品图像中的形状特征进行定位、测量以及标定，将标定成功后的形状特征定义为形状识别特征点，并对各形状识别特征点进行示教；
31.步骤三、对步骤二中进行示教的各形状识别特征点进行深度学习；
32.步骤四、通过步骤二、三方法，对步骤一中所有中药的中药标准样品图像进行处理，得到各种的中药标准样品图像完善的形状识别特征数据，从而得到中药形状特征数据
库。
33.根据本技术的至少一个实施方式，在所述步骤一中，针对任一种中药，需要采集并存储至少100份不同的中药标准样品图像；以及
34.在所述步骤二中需要对所述任一种中药的至少100份不同的中药标准样品图像的形状特征进行相应处理。
35.根据本技术的至少一个实施方式，在所述步骤三中，对每一种中药标准样品图像的各形状识别特征点进行深度学习时，采用的学习样本数据至少按照如下分类：
36.采收时间、切制方式、产地、野生或家种以及伪品。
37.第三方面，本技术还公开了一种中药形状特征数据库，其由上述第二方面中任一项所述的中药形状特征数据库构建方法构建得到。
38.第四方面，本技术还公开了一种中药鉴定系统，包括如下：
39.形状特征数据库，其采用上述第三方面所述的中药形状特征数据库；
40.鉴定单元，用于将待鉴定中药的至少一项形状特征与所述形状特征数据库中对应中药的对应形状特征进行比对识别，并将比对识别结果进行输出；
41.鉴定结果显示单元，用于将所述鉴定单元的比对识别结果进行显示。
42.根据本技术的至少一个实施方式，在所述鉴定单元中进行比对识别时，若待鉴定中药的某一项形状特征与所述形状特征数据库中对应的形状特征比对识别相同，则输出“是”的结果，并显示识别相似度百分率；若不相同，则输出“否”的结果；以及
43.在所述鉴定结果显示单元中，是对所述待鉴定中药、待鉴定中药的形状特征以及识别结果中的“是”或“否”进行显示。
44.本技术至少存在以下有益技术效果：
45.1)本技术的中药形状特征采集装置，能够通过对载物台多自由度移动以及相机自动曝光的控制，使得形状特征采集具有较高的自动化和智能化，不会受中药摆放位置、姿态、有无叠合等影响，能够采集到准确、清晰的形状特征；
46.2)本技术的中药形状特征采集装置中，光源分布在中药标准样品的四周，并且四周的光源强度还能够自动进行调节，从而进一步提升采集装置的自动化和智能化，以获取到更高质量的图像数据；
47.3)基于中药形状特征采集装置得到具有准确、清晰形状特征的中药标准样品图像数据，进行中药形状特征数据库(或叫标准图库)构建后，便于对中药鉴定有需求的人员，无论是专业人员还是非专业人员，都可以通过该系统对被检测中药与标准图库进行比对识别，从形态方面对被检测品种进行真伪优劣鉴别；
48.4)本技术的中药品种标准图库的构建方法就是真实的模仿中药鉴定方面专家鉴定中药的模式，实际上就是一位经验丰富的老专家对被鉴定的中药实施鉴定的过程，把被鉴定中药在形、色等方面的特征与专家大脑中的特征库进行快速比对，从而鉴定出结果；所以此构建方法就是对传统中药形态鉴别之中智能化、标准化的创新，解决了迄今为止中药鉴定依赖人工鉴定的模式，无统一标准、速度慢、效率低、准确率低，导致中药质量不能得到有效维护和提高的问题；
49.5)本技术中药鉴定系统是以机器视觉技术为基础，采集所有中药形状鉴别特征点(即形状特征)图像，并结合人工智能技术，对不同中药的形状鉴别特征点进行示教和深度
学习，最后生成中药品种标准图库，再通过不断地验证本设备系统的鉴别效率和准确性，利用人工智能技术来生成中药形态特征鉴定标准化；这就是智能化和标准化在中药形态鉴别上的创新应用，对于推动中药鉴定准确性，提高中药质量，保证临床疗效有着重要的作用和意义；
50.6)本技术中药鉴定系统的适用范围可以包括中药材和中药饮片，鉴定范围可包括为真伪和优劣两个方向；
51.7)本技术中药鉴定系统的鉴定结果是通过“是”或“否”进行判断，从而更为准确。
附图说明
52.图1是本技术的中药形状特征采集装置的结构示意图；
53.其中：
54.载物板-11，多自由度移动机构-12；
55.相机-2；
56.底部光源-31，顶部光源-32，侧面光源-33；
57.pc机-4；
58.图2是本技术中药形状特征采集装置中多自由度移动机构部分的结构示意图；
59.其中：
60.载物板x轴调节机构-51；载物板y轴调节机构-52；载物板左右旋转机构-53；载物矩形板-54；载物板旋转轴55；支撑滑块-56；固定板-57；
61.图3是本技术的中药形状特征数据库构建方法流程图。
具体实施方式
62.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
63.下面结合附图1-图3对本技术的针对中药的形状特征采集装置、中药形状特征数据库构建方法、中药形状特征数据库以及中药鉴定系统作进一步说明。
64.第一方面，本技术公开了一种中药形状特征采集装置；如图1所示，中药形状特征采集装置包括载物台、相机2、光源以及pc机4(至少包括主机和显示器)等设备。
65.具体的，载物台的顶部具有一载物板11，通常载物板11的上表面用于承载至少一片中药标准样品；另外，载物台的底部包括有多自由度移动机构12，该多自由度移动机构12用于支撑载物板1并受控地带动载物板1沿着多个方向移动。需要说明的是，载物板11的上承载的中药标准样品可以是同一种中药的多片中药标准样品，采集时将多片中药标准样品随意放置载物台上，尽可能暴露此种中药的所有特征，另外，通过现有的相机2来同时拍摄一片区域内的多个目标(即多片中药标准样品的图像)已经属于目前比较普遍和成熟的技术，因此不再赘述。
66.相机2可以通过对应的固定支撑装置(图中未示出)独立于载物板1进行固定，且位于中药标准样品的正上方，用于从正上方对中药标准样品进行拍照。需要说明的是，为了能
够响应后续相机控制单元的控制，并且能够更好、更清楚的实现多目标的拍摄，相机2优选采用能够实现自动对焦的工业相机，其可以根据需要选择合适的镜头以及相机传感器的尺寸和分辨率。
67.光源设置在中药标准样品的周围，用于在相机2拍照时提供光照。
68.进一步，为了能够实现上述载物板11的自动移动、相机2的自动对焦，在本技术的pc机4中，配置有多个相对应的控制软件(即控制单元)，具体包括载物台控制单元、相机控制单元、存储单元以及处理单元；其中，处理单元作为总控单元，用于根据预采集的中药标准样品的形状特征生成对应的控制指令。
69.具体的，载物台控制单元用于响应载物板11上的中药标准样品在拍摄时接收到的拍摄角度指令，自动控制多自由度移动机构12以带动载物板11及载物板11上的中药标准样品进行移动。
70.相机控制单元用于响应载物板11上的中药标准样品在拍摄时接收到的清晰度指令，控制相机2进行自动对焦，从而实现对包括有形状特征的中药标准样品图像的自动采集。
71.处理单元用于根据预采集的中药标准样品的形状特征，生成对应的拍摄角度指令以及清晰度指令，并将指令发送至载物台控制单元以及相机控制单元；其中，预采集的中药标准样品的形状特征至少包括中药标准样品的平面尺寸、厚薄、形状、表面特征、截面纹理、质地、颜色及光泽。例如，当此次采用的形状特征为厚薄时，拍摄角度为中药标准样品的侧面，此时生成的拍摄角度指令传递至载物台控制单元后，会控制多自由度移动机构12带动载物板11尽量转动使得载物板11上表面与顶部相机2的夹角最小，从而更为方便拍摄到样品侧面厚度，同时产生的清晰度指令则控制相机2对较窄的样品侧面厚进行自动对焦。
72.进一步，处理单元还用于控制相机2将采集到的包括有形状特征的中药标准样品图像(通过图形卡、通信接口卡)传输至存储单元进行存储，以备后续使用。
73.进一步，本技术的中药形状特征采集装置中，光源可以根据需要设置在中药标准样品周围多个合适的位置；本实施例中，光源可以包括独立控制且围绕中药标准样品设置的底部光源31、顶部光源32以及侧面光源33，从而通过对位于中药标准样品上下以及四周的不同光源的光强度进行自动调整，使得中药标准样品的不同形状特征能够凸显。
74.具体的，如图1所示，底部光源31呈直板状，其平行铺设在载物板11上适合的位置处或集成在载物板11上表面适合的位置处，此时，中药标准样品可以是固定在底部光源31的顶面上。
75.顶部光源32同样呈直板状，其平行设置在底部光源31的顶部，且在顶部光源32上与中药标准样品对应位置处贯穿开设有通孔(目的是为相机2拍照留位置)，以便于相机2能够穿过该通孔从正上方对中药标准样品进行拍照。
76.侧面光源33呈条形，本实施例中采用两块侧面光源33设置在底部光源31与顶部光源32之间，且沿中药标准样品的左右两侧对称布置。
77.相应的，上述中药形状特征采集装置中的pc机4中，还配置有光源控制单元以控制光源。具体的，光源控制单元用于响应载物板11上的中药标准样品在拍摄时接收到的光照强度指令，自动控制对应光源的光照强度。同理，此时的处理单元还能够根据预采集的中药标准样品的形状特征，生成对应的光照强度指令，并将指令发送至光源控制单元。
78.进一步，本技术的中药形状特征采集装置中，上述多自由度移动机构12可以根据需要选择多种适合的自由度；本实施例中，如图2所示，多自由度移动机构12为三自由度移动机构，包括载物板x轴调节机构51、载物板y轴调节机构52以及载物板左右旋转机构53，从而使得载物板11能够在同一个二维坐标系内沿着x轴或y轴方向移动，以实现平移，同时还能够以其中的x轴为转动轴线进行转动，以实现倾斜转动。
79.还需要说明的是，目前已知的三自由度移动机构中，有非常多的能够实现本技术载物板11的上述左右平移加翻转的操作的机构，此处不再一一列举，其驱动方式也可以采用丝杠与滑轨机构或者齿轮与齿条机构等方式。本实施例中，载物板x轴调节机构51和载物板y轴调节机构52均采用如图2所示的丝杠滑轨机构，可以包括伺服电机、电机减速机、丝杠以及滑轨，通过伺服电机和电机减速机驱动丝杠转动，从而驱动滑轨上连接的对应机构(相当于滑块，例如位于载物板y轴调节机构52的滑轨上的载物板x轴调节机构51)运动。
80.另外，在载物板x轴调节机构51顶部设置有一支撑滑块56(能够在载物板x轴调节机构51的滑轨上移动)，在支撑滑块56顶部又间隔设置有两块与滑块顶面垂直的固定板57，进一步，载物板左右旋转机构53包括一块呈h型的载物板旋转支撑架，该载物板旋转支撑架的左右两侧具有平行布置的铝合金载物矩形板54，两块载物矩形板54之间垂直连接有圆形的载物板旋转轴55，载物板旋转轴55的两端延伸穿过两侧的固定板57，从而将载物板旋转支撑架设置在支撑滑块56顶面，同时又能使得载物板旋转支撑架绕载物板旋转轴55正反方向转动；进一步，载物板旋转轴55的其中一端还延伸至与电机减速机输出轴刚性连接，电机减速机又与伺服电机连接，电机减速机和伺服电机还同时固定在支撑滑块56顶面，从而能够通过伺服电机驱动载物板旋转支撑架正反方向转动。本实施例中还进一步优选载物板旋转支撑架正反方向旋转角度不超过15
°
。
[0081][0082]
可以理解的是，传统人工鉴别中药形态特征主要从不同饮片的形状、大小、表面特征和横断面特征、质地、颜色和光泽度这几个特征点进行着手。而中药依据不同来源、种植方式、炮制和切制方法、产地等不同会有较大的变化。如对于中药外部形状轮廓进行认识、归类和区分，并对边长、周长、直径大小进行精准测量。表面特征，包括茎基形状，根茎类药材须根痕形状和大小，皮类药材表面光滑程度、颜色、皮孔形状和大小，叶类药材叶脉纹理、有毛无毛，花类药材花托形状、花冠颜色等。横断面纹理形状、颜色及裂隙情况，以及纹理的比例特征。因此需要对这些形状特征点进行识别、定位、测量，所有这些操作不能受饮片摆放位置、姿态、有无叠合等影响，因此要求特征图像采集系统具有较高的自动化和智能化，能够很好的适应这些变化，采集到准确的，清晰的中药鉴别特征。
[0083]
为此，本技术的中药形状特征采集装置中，能够通过对载物台多自由度移动以及相机自动曝光的控制，使得形状特征采集具有较高的自动化和智能化，不会受中药摆放位置、姿态、有无叠合等影响，能够采集到准确、清晰的形状特征；另外，由于光源分布在中药标准样品的四周，并且四周的光源强度还能够自动进行调节，从而进一步提升采集装置的自动化和智能化，以获取到更高质量的图像数据；进一步，本技术所有这些技术都是通过安装在pc机里的控制管理软件来实现控制操作，通过这些自动化技术的应用，就能实现对所有中药形态特征的图像采集，获取到高质量的图像数据，并自动传输到pc机中进行数据的存储。
[0084]
第二和第三方面，本技术还公开了中药形状特征数据库构建方法以及通过该数据库构建方法得到的中药形状特征数据库。
[0085]
具体的，如图3所示，中药形状特征数据库构建方法包括如下步骤：
[0086]
步骤一、获取上述第一方面中任一项所述的中药形状特征采集装置采集并存储各种中药的中药标准样品图像。
[0087]
步骤二、通过中药形状鉴定方法对任一种中药的中药标准样品图像中的形状特征进行定位、测量以及标定，将标定成功后的形状特征定义为形状识别特征点，并对各形状识别特征点进行示教。
[0088]
需要说明的是，此处的中药形状鉴定方法属于已知成熟的鉴定方法，其中的定位是指软件识别出特征位置；标定是指人为标记出特征位置，让软件去学习。
[0089]
进一步的，为了保证步骤二中示教成功的比例，在上述步骤一中，针对任一种中药，需要采集并存储至少100份不同的中药标准样品图像，再通过步骤二的处理方法对任一种中药的至少100份不同的中药标准样品图像的形状特征进行处理。
[0090]
步骤三、对步骤二中进行示教的各形状识别特征点进行深度学习；具体的，深度学习是指学习中药的形态特征规律，如大小范围、颜色灰度值范围、纹理形态和颜色等内容。
[0091]
另外，为提高设备的鉴别成功率和可靠性，对每一种中药标准样品图像的各形状识别特征点进行深度学习时，采用的学习样本数据至少按照如下分类：
[0092]
采收时间、切制方式、产地、野生或家种以及伪品等。
[0093]
步骤四、通过步骤二、三方法，对步骤一中所有中药的中药标准样品图像进行处理，得到各种的中药标准样品图像完善的形状识别特征数据，从而得到中药形状特征数据库。
[0094]
综上，本技术的中药形状特征数据库构建方法中，基于中药形状特征采集装置得到具有准确、清晰形状特征的中药标准样品图像数据(可以是离线数据)，进行中药形状特征数据库(或叫标准图库)构建，从而便于对中药鉴定有需求的人员，无论是专业人员还是非专业人员，都可以通过该系统对被检测中药与标准图库进行比对识别，从形态方面对被检测品种进行真伪优劣鉴别。
[0095]
另外，本技术的中药品种标准图库的构建方法就是真实的模仿中药鉴定方面专家鉴定中药的模式，实际上就是一位经验丰富的老专家对被鉴定的中药实施鉴定的过程，把被鉴定中药在形、色等方面的特征与专家大脑中的特征库进行快速比对，从而鉴定出结果；所以此构建方法就是对传统中药形态鉴别之中智能化、标准化的创新，解决了迄今为止中药鉴定依赖人工鉴定的模式，无统一标准、速度慢、效率低、准确率低，导致中药质量不能得到有效维护和提高的问题。
[0096]
第四方面，本技术还公开了一种中药鉴定系统，包括形状特征数据库、鉴定单元以及鉴定结果显示单元。
[0097]
具体的，形状特征数据库采用上述第三方面中的中药形状特征数据库；鉴定单元用于将待鉴定中药的至少一项形状特征(该鉴定中药图像可以通过第一方面中的中药形状特征采集装置获取，也可以采用其他已有中药图像)与形状特征数据库中对应中药的对应形状特征进行比对识别，并将比对识别结果进行输出；鉴定结果显示单元用于将鉴定单元的比对识别结果进行显示。
[0098]
进一步，本技术的中药鉴定系统在鉴定单元中进行比对识别时，若待鉴定中药的某一项形状特征与形状特征数据库中对应的形状特征比对识别相同，则输出“是”的结果，并显示识别相似度百分率；若不相同，则输出“否”的结果；以及在鉴定结果显示单元中，是对待鉴定中药、待鉴定中药的形状特征以及识别结果中的“是”或“否”进行显示。
[0099]
综上，本技术的中药鉴定系统是以机器视觉技术为基础，采集所有中药形状鉴别特征点(即形状特征)图像，并结合人工智能技术，对不同中药的形状鉴别特征点进行示教和深度学习，最后生成中药品种标准图库，再通过不断地验证本设备系统的鉴别效率和准确性，利用人工智能技术来生成中药形态特征鉴定标准化；这就是智能化和标准化在中药形态鉴别上的创新应用，对于推动中药鉴定准确性，提高中药质量，保证临床疗效有着重要的作用和意义；另外，本技术中药鉴定系统适用范围可以包括中药材和中药饮片，鉴定范围可包括为真伪和优劣两个方向；并且鉴定结果是通过“是”或“否”进行判断，从而更为准确。
[0100]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。