基于紅外圖像邊緣檢測的松散回潮過程中煙草運動軌跡分析

張天驛，蔣紅海，忽正熙

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

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基于紅外圖像邊緣檢測的松散回潮過程中煙草運動軌跡分析

張天驛，蔣紅海，忽正熙

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

摘要：為了對制絲加工過程的松散回潮工序中滾筒內的煙草運動狀態進行表征，研究了基于紅外圖像邊緣檢測的煙草松散回潮過程中煙草運動軌跡測量方法。通過試驗得到的軌跡與該工序中其他學者對煙草軌跡研究得到的理論軌跡進行了對比分析可知，試驗結果與理論分析基本相同。該方法為制絲加工過程試驗研究奠定了基礎。

關鍵詞：松散回潮；運動軌跡；紅外圖像邊緣檢測

制絲過程是卷煙加工過程的核心部分，是決定卷煙加工質量好壞的關鍵環節。近年來，有少數研究者開始了相關研究[1-4]，但是目前用于制絲加工過程的傳統分析手段，如均值、CPK值、SPC和MES等統計方法，只能對單個工序的加工結果進行一定的分析評價，基本屬于經驗化定性推測方法、試驗研究方法和物理試驗驗證方法，對復雜系統問題的分析具有典型的黑箱特點，即以定性和經驗為指導構造特定的輸入，變化外部激擾影響和控制參數，觀察、統計和分析結果(系統輸出)，調整輸入參數，再進入下一輪試驗。在對問題研究的初期，或不具備內在關系理論支撐的情況下，這樣的研究是有效的，可以獲得一定的成果，但不能描述揭示復雜系統的本質和內部過程與特點，也不能揭示多因素的相關性和互相干性等，分析結果具有明顯的盲目性、試湊性、局部性、優化性差以及多因素多目標優化不可解等缺陷，而且耗資大，費時，模型重用性差，不能滿足精細化研究的要求，不能有效支撐卷煙精細化生產的發展；因此，有必要把黑箱問題轉化為白箱問題，即通過圖像的數據采集、研究和處理，來實現滾筒加工過程可視化分析。

在工作狀態下，松散回潮設備加料桶中的煙草被高溫蒸汽包裹，針對可見光視覺下的圖像研究是沒有意義的。通過試驗研究發現，在松散回潮工序中煙片、煙塊與環境溫度是不一致的。根據這一特點，煙葉運動軌跡可以采用紅外圖像分析。目前，國內外較少對高溫煙草進行紅外軌跡分析，可以借鑒的方法不多，但是針對紅外圖像輪廓提取與分類的方法[5-7]可以借鑒到煙葉軌跡分析中。本文運用改進的Canny算子對松散回潮過程中的煙葉運動軌跡進行提取分析。

1試驗裝置

被測對象是松散回潮滾筒攪拌下的煙葉流。加熱的煙葉在滾筒的攪拌過程中用紅外高速相機拍照(見圖1)。通過調節紅外相機曝光時間可獲得煙葉流的瞬態圖像和軌跡圖像。

圖1　松散回潮過程紅外拍攝示意圖

2試驗方案與原理

2.1試驗方案

為模擬正常生產環境，所有滾筒運行參數按照煙草企業松散回潮生產過程設定。在滾筒出料口的觀察窗口，設置紅外攝像機，拍攝煙草運動狀態圖。運用紅外圖像處理手段，在煙草運動狀態圖中提取出煙葉流軌跡與理論軌跡進行對比研究。

2.2圖像處理算法

紅外成像技術展現的是目標自身的熱分布情況，所以原始紅外圖像清晰度要低于一般的可見光圖像，目標與背景分界較為模糊，對人眼表現為分辨率低和視場立體感弱等現象[8]，考慮到紅外傳感器出現的一些特有噪聲，使得原始未經處理的紅外圖像一般難以達到應用水平，需要對其進行一定的圖像處理。圖像邊緣是圖像的基本特征之一，它包含了圖像的大部分信息[9-10]。

具有代表性的邊緣檢測算子有Roberts、Prewitt、Sobel、LoG和Canny等，經過對比試驗，改進的Canny算子相比其他幾種算法更適合本試驗。

本文在Canny算子中引入形態學濾波，分別利用2個不同尺度的結構元素對圖像進行順序開閉運算，平滑圖像去除噪聲。

改進Canny算法處理流程圖如圖2所示。

圖2　改進Canny算法處理流程圖

3試驗結果和軌跡圖像分析

3.1試驗結果分析

分別用基于紅外圖像優化過的LoG與Canny算法對目標圖像進行分析處理，得到的煙草軌跡圖像如圖3和圖4所示。對比后發現，LoG得到的邊緣結果不連續，相比Canny算法的處理結果不理想。對比不同閾值下的改進的Canny算法得到相對最優結果，從所有紅外圖片邊緣檢測樣本中選出18個邊緣檢測效果明顯的樣本進行擬合分析，得出的曲線多項式方程分析結果見表1，對應的擬合曲線效果圖如圖5所示。根據表1數據進行6次擬合，效果理想的有4幅圖像；進行3次擬合，效果理想的有5幅圖像；進行2次擬合，效果理想的有6幅圖像。

圖3　滾筒中煙草紅外圖像樣本示例

圖4　對應圖3的Canny算法軌跡提取結果示例

圖號最優擬合多項式階次擬合效果112理想153一般162理想422理想676差706一般843一般1102理想1112理想162——1696一般2126一般2182理想227——2453一般2583一般264——2653差

注：“—”表示邊緣檢測線條沒規律，無法擬合。

圖5　對應的擬合曲線效果圖

3.2軌跡圖像分析

煙絲在滾筒內作周期性運動可劃分為2個階段：1)在轉動的滾筒和攪棒作用下，煙絲隨滾筒的轉動被提升，作軸向圓周運動；2)在重力和空氣推力F作用下，煙草從滾筒上部的攪棒頂端以一定的初速度被拋撒。在重力和空氣介質推動力的共同作用下，煙絲飄落的過程是在空間里作拋物運動[11-12]。

3.2.1煙絲做軸向圓周運動

煙絲顆粒作勻速圓周運動的示意圖如圖6所示。根據滾筒內部特點建立坐標系。X軸為滾筒軸線方向，Y軸和Z軸在滾筒截面上，且Z軸為水平方向。

圖6　煙絲顆粒作勻速圓周運動的示意圖

3.2.2煙絲做受外力的拋物運動

煙絲作拋撒運動的示意圖如圖7所示。其坐標系與圖6相同。假設煙絲為均質球體，則單個煙絲顆粒在攪棒頂端被拋撒出時，煙絲顆粒的初速度為V0=Rω。

圖7　單位煙絲的拋灑運動示意圖

假設圖7所示的煙草受空氣推力F的作用較小時符合拋物線運動，隨著F對拋落煙草影響的增加，煙草的運動曲線開始向高次變化。對比試驗結果可以看出，2次拋物線運動的煙草比例較高，剩下3次與6次運動軌跡的比例相對較少。

4結語

本文介紹了基于紅外邊緣檢測的松散回潮過程中煙草運動軌跡的分析方法，對邊緣檢測算法運用在紅外邊緣檢測問題上進行了對比，使用改進Canny算子得到的運動軌跡，符合物體運動的規律，從而把黑箱問題轉化為了白箱問題，為對制絲加工過程進一步分析與試驗研究奠定了理論與方法的基礎。

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責任編輯鄭練

The Trajectory Analysis of Tobacco Remoistening Process based on Infrared Image Edge Detection

ZHANG Tianyi, JIANG Honghai, HU Zhengxi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Abstract：In order to represent the tobacco movement state in loosening and conditioning casing cylinder of silk making process, study the trajectory analysis method of tobacco remoistening process based on infrared image edge detection. According to the comparison between the trajectory obtained by the experiments and the tobacco track obtained from the analysis of other scholars in this process, the experimental results are basically the same as the theoretical analysis. This method lays the foundation for the experimental study on the process of making silk.

Key words:loosening and conditioning, moving track, infrared image edge detection

收稿日期：2015-10-14

作者簡介：張天驛(1990-)，男，碩士研究生，主要從事機器人視覺等方面的研究。

中圖分類號：TN 216

文獻標志碼:A