基于圖像處理的煙片加料均勻性評價方法

鄭飛，李媛，劉德強，張大波

1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，武漢市漢陽區(qū)十升路22號 430051

2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

基于圖像處理的煙片加料均勻性評價方法

鄭飛1，李媛1，劉德強1，張大波*2

1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，武漢市漢陽區(qū)十升路22號 430051

2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

為量化評價加料工序單張煙片料液分布和加料過程均勻性，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對料液附著點分布圖像進行處理，建立了基于圖像處理的煙片加料均勻性評價方法，采用料液分布變異系數(shù)表征單張煙片料液分布均勻性，采用煙片間料液附著量變異系數(shù)表征加料過程均勻性。驗證結(jié)果表明：基于圖像處理的加料均勻性評價方法檢測結(jié)果，與采用YC/T 353—2010行業(yè)標準檢測結(jié)果具有相同趨勢，檢測結(jié)果可有效表征整體加料過程的改善或劣化程度。

煙片加料；圖像處理；均勻性；評價方法

煙片加料作為制絲加工的重要工藝環(huán)節(jié)［1-3］，主要功能是按生產(chǎn)和配方的要求，將料液均勻、準確地施加到煙片上。加料均勻與否對成品卷煙內(nèi)在品質(zhì)起著重要作用。為提高加料均勻性，煙草行業(yè)進行了一些研究和改進［4-5］，如改善噴嘴霧化狀態(tài)、調(diào)整引噴蒸汽壓力等。近年來開始采用的利用標記物來表征加料均勻性的方法［6-8］，能夠?qū)恿线^程的均勻性進行評價，但由于樣品量較大，制樣、檢測過程復(fù)雜，檢測結(jié)果滯后。數(shù)字圖像處理技術(shù)在煙草行業(yè)廣泛應(yīng)用于智能剔除煙草異物、片煙規(guī)格檢測等方面［9-11］，作者利用數(shù)字圖像處理技術(shù)［12］，通過對料液附著點分布圖像數(shù)據(jù)的提取和處理，建立了基于圖像處理的加料均勻性評價方法，旨在快捷高效地評價加料過程均勻性。

1 方法的建立

1.1 材料、試劑和儀器

40 mm×40 mm標準紙片作為煙片標準替代物［亞龍紙制品（昆山）有限公司，白色A4，定量80 g/cm2，厚度0.1 mm］。標準紙片單位面積質(zhì)量、尺寸與黃鶴樓軟藍生產(chǎn)線中加料過程煙片平均面積及質(zhì)量接近。

檸檬黃10%稀釋液（檸檬黃∶標準糖料=1∶9，質(zhì)量比）作為糖料標準替代物。其目的是提高辨識度，僅作為試驗使用，不進入正常產(chǎn)品。

奧林巴斯TG-3型相機。湖北中煙武漢卷煙廠制絲黃鶴樓軟藍生產(chǎn)線。

1.2 樣品制備及圖像處理

加料設(shè)備穩(wěn)定運行后，在進料振槽等時間間隔撒入120片標準紙片，在加料出口人工挑選出標準紙片，隨機挑選100片作為圖譜成像分析對象，并記錄加料精度。加料工序主要參數(shù)設(shè)置如下：物料流量2 500 kg/h、料液引噴蒸汽壓力0.18～0.22 MPa、滾筒轉(zhuǎn)速8 r/min、加料比例3.5%。

用相機定點拍攝樣品照片并轉(zhuǎn)換為JPG圖像格式，分別標記為Aj，j∈（1，100）（如圖1a為A10樣品采集圖像）。采用MATLAB7.0對圖像進行預(yù)處理，方法如下：①提取原始采集圖像有效區(qū)域：利用K均值聚類算法進行背景檢測，保留樣品區(qū)域，將無效樣品區(qū)域標記為紅色（A10樣品經(jīng)背景檢測處理后有效區(qū)域圖像如圖1b所示）。②統(tǒng)一樣品區(qū)域大小：將所有采集圖像以樣品區(qū)域為中心重采樣為400像素×400像素大小的方形區(qū)域（A10重采樣后的樣品圖像如圖1c所示）。③彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像：將樣品圖像的RGB色彩模型轉(zhuǎn)化為HSV模型［13］，提取V分量作為樣品圖像各像素點的灰度值，從而得到樣品灰度圖像（A10樣品灰度圖像如圖1d所示），其像素點灰度值大小可表征該點料液施加量；單張紙片各像素點灰度值之和，可表征該樣品的料液施加量。④灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像：利用最大類間差法自動選擇閾值，將樣品灰度圖像轉(zhuǎn)化為樣品二值圖像［14-16］（A10樣品二值圖像如圖1e所示），白色（像素值為1）為染色區(qū)域，黑色（像素值為0）為未染色區(qū)域。⑤二值圖像轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格圖像：將樣品的二值圖像按區(qū)域大小均勻劃分為80像素×80像素的網(wǎng)格圖像（A10樣品網(wǎng)格圖像如圖1f所示）。

圖1 A10樣品圖像

1.3 加料均勻性評價模型的建立

單張紙片料液覆蓋率：指加料后，單張紙片上附著有料液的區(qū)域占整張紙片區(qū)域的比例，如式（1）所示：

式中：Kj—單張紙片料液覆蓋率，%；Nj—二值圖像統(tǒng)計出染色像素點的個數(shù)；j—第j個樣品；d—圖像重采樣的大小。

單張紙片料液分布均勻性：指加料后，單張紙片附著的料液在紙片每個網(wǎng)格區(qū)域分布的均勻性，如式（2）所示：

式中：Hj—單張紙片料液分布均勻性；i—網(wǎng)格圖像的第i個網(wǎng)格單元；Mj（i）—第j個樣品第i個網(wǎng)格單元附著有料液的像素點個數(shù)；RSD［Mj（i）］—第j個樣品Mj（i），i∈（1，5×5）的變異系數(shù)。

加料過程均勻性：指經(jīng)過加料過程后，所有紙片間附著料液量的分布均勻性。單張紙片料液附著量用各像素點灰度值的和表征，如式（3）所示；加料過程均勻性用加料均勻性系數(shù)來表征，如式（4）所示：

式中：Qj—單張紙片上料液附著量；Cj（x，y）—第j張樣品在（x，y）像素點的灰度值；PU—加料過程的均勻性；RSD（Qj）—100個樣品Qj，j∈（1，10）的變異系數(shù)。

2 方法的應(yīng)用

2.1 單張紙片上料液的覆蓋率和分布均勻性

分別檢測計算100片樣品的料液覆蓋率和分布均勻性。以A10樣品為例，根據(jù)單片料液覆蓋率和分布均勻性評價方法，利用公式（1）計算出A10樣品的單張紙片料液覆蓋率K10=29.8%，利用公式（2）計算出A10樣品單張紙片料液分布均勻性H10= 77.5%。

計算100片樣品的料液覆蓋率和分布均勻性，應(yīng)用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件［17］，分別對100片樣品的計算結(jié)果進行Shapiro-Wilk的W統(tǒng)計量及矩陣法的正態(tài)分布檢驗，檢驗結(jié)果見表1。由表1可知，單張樣品料液覆蓋率和分布均勻性的W檢驗確定的概率均符合P＞0.05，同時偏度和峰度的U＜1.96，說明樣品的料液覆蓋率和分布均勻性的檢測結(jié)果服從正態(tài)分布［18］，加料試驗過程穩(wěn)定。

表1 100片樣品正態(tài)分布檢驗

2.2 加料過程均勻性評價

應(yīng)用公式（3），計算每片樣品上像素灰度值之和Qj；應(yīng)用公式（4），根據(jù)甲酸100片樣品的料液附著量的變異系數(shù)，計算得出加料過程均勻性PU值為68.3%。

3 方法的驗證

行業(yè)標準方法（YC/T 353—2010［7］）是利用加料后煙葉中丙二醇含量的變異系數(shù)CU值表征加料均勻性。采用基于圖像處理的加料均勻性評價方法和文獻［7］中的方法，對加料過程進行對比驗證試驗，驗證試驗步驟如下：①調(diào)配料液，檸檬黃∶1,2-丙二醇∶標準糖料=1∶1∶8（質(zhì)量比）。②加料試驗，試驗條件1設(shè)置同1.2小節(jié)；試驗條件2更換加料噴嘴以增加料液的霧化面積；試驗條件3更換加料噴嘴以減小料液的霧化面積。在3種試驗條件下各進行了5組試驗。15組試驗的結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，應(yīng)用兩種方法檢測的加料均勻性評價結(jié)果具有相同的趨勢，說明基于圖像處理的加料過程均勻性評價方法能有效地表征加料過程的改善或劣化程度，可用于對加料過程均勻性的快速評價。

圖2 YC/T 353方法與基于圖像處理的煙片加料均勻性評價方法對比結(jié)果

4 結(jié)論

（1）建立了基于圖像處理的加料均勻性評價方法，采用本方法能對單張煙片料液覆蓋率、單張煙片料液分布均勻性和加料過程均勻性進行定量評價，檢測過程快捷高效。

（2）基于圖像處理的加料均勻性評價方法與YC/T 353—2010方法的檢測結(jié)果具有相同趨勢，檢測結(jié)果可有效表征整體加料過程的改善或劣化程度。

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責(zé)任編輯 周雅寧

Method for Evaluating Casing Uniformity of Tobacco Strips Based on Image Processing

ZHENG Fei1,LI Yuan1,LIU Deqiang1,and ZHANG Dabo*2
1.Wuhan Cigarette Factory,China Tobacco Hubei Industrial Co.,Ltd.,Wuhan 430051,China
2.Key Laboratory of Tobacco Processing Technology of CNTC,Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou 450001,China

In order to quantitatively evaluate the distribution uniformity of casing on a single tobacco strip and the uniformity of casing process,the image of casing attached points on tobacco strip was processed by digital image processing technique,and a method for evaluating casing uniformity on tobacco strip based on image processing was established,wherein the variation coefficient of casing distribution was used to characterize the distribution uniformity of casing on a single strip and the variation coefficient of attached casing amount between strips was used to characterize the uniformity of casing process.The results of verification showed that the results evaluated by the developed method presented the same trend as did the results tested by industrial standard YC/T 353—2010,Casing Uniformity Measurement,and effectively characterized the variation of the casing process.

Tobacco strip casing；Image processing；Uniformity；Evaluation method

TS46

A

1002-0861（2015）11-0065-04

10.16135/j.issn1002-0861.20151112

2015-02-09

2015-07-10

鄭飛（1977—），本科，工程師，主要從事卷煙制絲工藝研究。E-mail：zhengfei@wh.hbtobacco.cn；*

張大波，E-mail：zhangdabo1979@126.com

鄭飛，李媛，劉德強，等.基于圖像處理的煙片加料均勻性評價方法［J］.煙草科技，2015，48（11）：65-68.

ZHENG Fei，LI Yuan，LIU Deqiang，et al.Method for evaluating casing uniformity of tobacco strips based on image processing［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（11）：65-68.