利用圖像處理對滾筒料幕完整性分析的一種方法

陶芳+徐永虎+張振全+湯旭東

摘 要：為了研究煙草加工過程中滾筒內(nèi)物料料幕的完整性，建立了一種圖像分析的方法：通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄅ臄z下滾筒內(nèi)的物料料幕圖像，使用Image-pro plus圖像處理技術(shù)對圖像處理、測量，比較固定截面內(nèi)露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例。對圖像特征進(jìn)行量化，從而對不同條件（物料流量、滾筒轉(zhuǎn)速等）下料幕的完整性進(jìn)行比較，確定了較優(yōu)的工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：滾筒料幕；完整性；圖像分析；煙草加工

中圖分類號 TS452 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）08-0135-04

Abstract：A method of image analysis is established，in order to study the integrity of material curtain in the cylinder during the manufacturing process of tobacco. The image is processed and measured by the Image-pro plus image processing technique，and the ratio of the area of the exposed cylinder wall to the fixed image area in the fixed section，by the image of material in the cylinder using an appropriate method. The image features are quantified to compare the integrity of material curtain in different conditions（material flow，cylinder rotational speed，etc.），and the optimum process parameters are established.

Key words：Material curtain；Integrity；Image analysis；Tobacco processing

滾筒設(shè)備在卷煙制絲生產(chǎn)線應(yīng)用較為廣泛，包括松散滾筒、加料滾筒、烘絲滾筒、加香滾筒等。加料滾筒和加香滾筒設(shè)備的主要工作任務(wù)是將料（香）液均勻地施加在拋灑的煙葉（絲）上，最終達(dá)到提高卷煙的吸食品質(zhì)，形成特有風(fēng)格，滿足吸煙者的要求的目的[1]。在加料（香）區(qū)域形成均勻、完整的料幕（瀑布面）是影響加料（香）工序在制品加工品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。關(guān)于滾筒內(nèi)物料的運(yùn)動情況，許多學(xué)者對此進(jìn)行研究，其中鄧國棟[2]等對煙絲在滾筒烘絲機(jī)內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了分析，但多數(shù)只是停留在理論分析上，而對物料料幕方面的研究則很少。傳統(tǒng)的觀察筒內(nèi)料幕的方法是在生產(chǎn)中通過滾筒出口端觀察窗進(jìn)行觀察，但由于生產(chǎn)過程中筒內(nèi)光線不足、蒸汽彌漫，無法看清滾筒內(nèi)物料料幕情況。為深入研究滾筒內(nèi)料幕的完整性，對料幕的完整性有真實(shí)的了解，首先需要建立對料幕完整性檢測和評價的方法。本文主要對一定區(qū)域料幕的完整性的檢測和評價方法進(jìn)行論述，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，為實(shí)際生產(chǎn)作指導(dǎo)。

1 滾筒內(nèi)料幕完整性圖像分析的基本過程

對于滾筒內(nèi)料幕完整性的圖像分析的過程大致可以按照圖1所示進(jìn)行。

1.1 明確測量分析對象 為分析滾筒內(nèi)料幕的完整性，主要針對加料噴嘴輻射區(qū)域的料幕，所以將“加料區(qū)域的料幕”作為測量分析的對象。

1.2 圖像拍攝 在明確測量分析對象后，要使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄅ臄z下這個對象：將高速、高清攝像設(shè)備固定在筒內(nèi)制作的支架上，對在加料區(qū)域內(nèi)且與滾筒軸向平行的料幕進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的影像進(jìn)行截圖，以圖片形式進(jìn)行保存。

1.3 確定圖像圖形 分析照片上的圖像元素，確定能反映測量對象特征特性的圖像圖形：為了研究料幕的完整性，將“拍攝區(qū)域內(nèi)露出的筒壁”作為能反映測量對象特性的圖像圖形。

1.4 使用Image-Pro Plus軟件分析測量 在將“拍攝區(qū)域內(nèi)露出的筒壁”作為能反映測量對象特性的圖像圖形后，使用專業(yè)的圖像分析軟件Image-Pro Plus對圖片上的圖像圖形進(jìn)行測量，得到相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)。Image-Pro Plus是功能強(qiáng)大的2D和3D圖像處理、增強(qiáng)和分析軟件，具有異常豐富的測量和定制功能。在分析料幕的完整性時，主要使用其中的COUNT/SIZE功能，測得“拍攝區(qū)域內(nèi)露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例α”數(shù)據(jù)，其測量過程大致可按照圖2所示進(jìn)行。

2 應(yīng)用案例

2.1 材料與設(shè)備儀器 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：德國虹霓公司KAS滾筒加料機(jī)；實(shí)驗(yàn)材料：經(jīng)過松散回潮設(shè)備加工后的煙葉原料300kg；實(shí)驗(yàn)圖像拍攝設(shè)備：SONY-高速、高清攝像機(jī)（自帶攝影燈）；攝像機(jī)固定支架。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法 （1）將加料機(jī)進(jìn)行本地-單機(jī)操作，加料、加水、熱風(fēng)系統(tǒng)均關(guān)閉；（2）將帶有支架的攝像機(jī)放在滾筒內(nèi)離入口1m處準(zhǔn)備料幕拍攝；（3）通過改變皮帶秤頻率，改變煙葉來料流量；（4）通過改變設(shè)備參數(shù)，改變滾筒轉(zhuǎn)速；（5）調(diào)整各參數(shù)（表1），對拍攝影像進(jìn)行保存。

表1 因素水平

[水平因素＼&滾筒轉(zhuǎn)速（r）＼&工藝流量（kg/h）＼&1＼&12＼&4800＼&2＼&10＼&5200＼&3＼&8＼&5600＼&]

2.3 使用Image-Pro Plus軟件分析測量

2.3.1 圖像預(yù)處理 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為8r，工藝流量為4 800kg/h時，對物料料幕穩(wěn)定后拍攝的影像進(jìn)行截圖，截圖原圖如圖3（a）所示，然后對原圖進(jìn)行“best fit equalization”調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后圖像如如圖3（b）所示。

2.3.2 選擇測量項目 在count/size窗口的measure菜單項下點(diǎn)擊select measurements，調(diào)出這個選擇測量項目的窗口。左邊列出了所有可供選擇的測量項目，中間是已經(jīng)選擇的測量項目，為了測定“拍攝區(qū)域內(nèi)露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例α”，將“Per Area （obj./Total）”選為測量項，如圖4（a）所示。

2.3.3 選擇測量環(huán)境 在count/size窗口里點(diǎn)擊options 按紐，調(diào)出這個options窗口，設(shè)置測量環(huán)境。將“outline style”選擇為“Filled”；“Lable Style”選擇為“Measurement”；“Lable Color”選擇為“Blue”，如圖4（b）所示。

2.3.4 選擇測量區(qū)域 點(diǎn)擊 select color按紐，用選擇顏色范圍的方法來選擇測量區(qū)域，調(diào)出segmentation工具。其中Sensitivity數(shù)值調(diào)整選擇顏色的范圍大小，可根據(jù)需求選定，如圖4（c）所示。選定測量區(qū)域后如圖4（d）所示。

2.3.5 選擇測量區(qū)域 選擇好各項測量參數(shù)環(huán)境，使用segmentation作了選色后，點(diǎn)擊count按鈕進(jìn)行測量。

2.3.6 提取測量數(shù)據(jù) 在count/size窗口的view菜單下選擇“statistics”選項，調(diào)出測量數(shù)據(jù)，如圖4（e）所示。通過查看圖4（e）可見，測得拍攝區(qū)域內(nèi)露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例α=12.34%。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 物料運(yùn)動軌跡分析 通過圖像處理的方式對滾筒內(nèi)物料真實(shí)運(yùn)動軌跡進(jìn)行研究，研究結(jié)果如下：（1）當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為8r時，物料在運(yùn)動過程中，絕大多數(shù)物料在09：30方向以下（拋出角β約5°）貼滾筒壁做圓周運(yùn)動，未顯現(xiàn)出明顯的拋物運(yùn)動，有極少量的物料被提升到10：30的方向，示意圖如圖5所示。

（2）當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為10r時，物料在運(yùn)動過程中，物料主要分3個部分，第一部分絕大多數(shù)物料在09：30方向以下（拋出角β約10°）貼滾筒壁做圓周運(yùn)動未顯現(xiàn)出明顯的拋物運(yùn)動，第二部分物料被耙釘帶到10：30方向向下拋灑，第三部分有極少量的物料被提升到11：00方向向下拋灑，示意圖如圖6所示。

（3）當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為12r時，物料在運(yùn)動過程中，物料主要分2部分，第一部分物料在9：45方向（拋出角β約15°）以下做圓周運(yùn)動和拋物運(yùn)動，第二部分是部分物料被耙釘提升從9：45方向到11：45向下拋灑，示意圖如圖7所示。

通過滾筒出料端對物料運(yùn)動的觀察和記錄，找出工藝流量為5 200kg/h時，相應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速對應(yīng)的物料拋出角β（表2）。

2.4.2 料幕完整性分析 使用Image-Pro Plus圖像分析軟件中的COUNT/SIZE功能，測量筒內(nèi)物料運(yùn)動過程中截面內(nèi)露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例，進(jìn)行比較分析，得出評價結(jié)果見表3。

對表3數(shù)據(jù)運(yùn)用minitab統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖8。

首先進(jìn)行方差一致性檢驗(yàn)（圖9），可見，Levene檢驗(yàn)中P值均大于0.05，即可確認(rèn)各組方差齊，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行雙因素方差分析。

由表4可以看到：（1）滾筒轉(zhuǎn)速（r）：P=0.001<0.05，即認(rèn)為不同的滾筒轉(zhuǎn)速時的拍攝截面內(nèi)露出筒壁面積占固定圖像面積的比例不一致，存在顯著性差異。（2）工藝流量（kg/h）：P=0.131>0.05，即認(rèn)為不同的工藝流量時的拍攝截面內(nèi)露出筒壁面積占固定圖像面積的比例大體一致，不存在顯著性差異。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用Image-Pro Plus軟件，將圖像分析法運(yùn)用在煙草行業(yè)，分析滾筒內(nèi)料幕的完整性，得到如下的結(jié)論：

（1）通過建立的圖像分析方法可對滾筒料幕完整性進(jìn)行分析。

（2）使用本文講述的分析方法，可將料幕的圖像特征進(jìn)行量化，相較人眼分辨，研究結(jié)果更科學(xué)、直觀、具有更強(qiáng)的可比性。

（3）通過實(shí)證研究，滾筒的轉(zhuǎn)速和工藝流量同時對物料在滾筒內(nèi)的運(yùn)動形態(tài)和軌跡有一定的影響，其中滾筒轉(zhuǎn)速對物料的料幕完整性影響顯著，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為12r時，物料料幕完整性相對較好，物料的運(yùn)動軌跡有利于工藝加工性能的充分發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

[1]章濤.卷煙配方設(shè)計、生產(chǎn)工藝技術(shù)與感官鑒定及質(zhì)量控制檢驗(yàn)實(shí)務(wù)全書[M].北京：中國科技文化出版社，2005.

[2]鄧國棟，王宏生，李斌，等.滾筒烘絲機(jī)中煙絲運(yùn)動的模擬與試驗(yàn)[J].煙草科技，2007，9：13-17.

（責(zé)編：張宏民）