機器視覺技術在煙草包裝設備上的應用探討

楊紹鑫

摘 要：機器視覺在煙草行業的應用逐步進入實用階段，國內煙草業也逐步引進這類設備，并與國內機器視覺企業一起開發了多種性能優良、價格低廉的視覺檢測系統，其性能已基本達到國際最先進的水平，效益顯著。本文介紹了機器視覺及實時系統在煙草機械自動化中的應用，對機器視覺技術可以用于控制煙草質量方面進行了詳細闡述。

關鍵詞：機器視覺;實時系統;煙草機械自動化

煙草機械生產中的在線實時光電分揀系統正是通過其先進的機器視覺技術實時采集原材料的圖像信息，經過計算機快速的數據處理和準確的控制把煙草中的雜質除去。同時也預示了未來的實時系統將會向著開放、集成的方向發展。

1機器視覺技術在煙草機械自動化中的應用

1.1機器視覺技術在煙草生產自動化中需要面對的幾個問題

機器視覺技術是一種現代高新技術，機器視覺技術目前已經成功應用于煙草生產自動化作業中。現代機器視覺系統可以快速地獲取大量信息并自動進行數據的處理工作，機器視覺系統非常易于同煙草生產中的其他板塊信息相互集成，在提高煙草生產的柔性和自動化程度方面具有很大的優勢。在一些不適合人工作業的危險環境或人工視覺難以滿足要求的煙草生產場合，常用機器視覺來替代人工視覺。

在大批量煙草工業生產的過程中，用機器視覺系統檢查煙草產品質量具有速度快、精度高的優點，可以大大提高煙草行業生產效率和生產自動化程度。但是由于機器視覺技術本身的性質和要求，該技術在一些煙草生產行業的應用中仍有許多技術難題需解決。主要包括以下幾點。

視覺圖像處理的動態性。目前，一些研究成果都是靜態的，即先從室內采集靜態圖像，再用計算機對圖像進行處理。而實際應用中要求識別的算法能夠適應戶外動態的條件。雖然一些動態的算法已經過得了成功，但分類精度扔不是很高。有研究表明：利用現代數學的分析方法，如分型理論、小波變換可以再圖像處理和識別的軟件設計方面提高算法的快速性和有效性。

環境的多變性。一般地，圖像采集要求在具有可控光照、色溫以及沒有環境因素影響的實驗室或者溫室等理想條件下進行，但在實際應用中環境多變、圖像背景復雜，光照、風速的不可控性以及設備的機械震動等許多因素都能導致圖像質量下降、噪聲增加，大大增加了圖像預處理的難度，降低了處理結果的準確性和快速性。通過二值化分割、中值濾波等處理可以去除圖像中雜質和噪聲，以提高圖像質量。

煙葉質量的波動性。通常，煙葉質量會因為年份、地區、品種以及等級的不同而產生差異，因此圖像識別的算法應該充分考慮到煙葉質量差異的存在，并作出相應的算法轉換和調整，這對實現煙葉的自動化檢測造成了一定的困難。在實際生產過程中需要擴大樣本數量，同時也應該關注煙葉樣本的選擇標準。

尚缺乏相關的理論支撐。傳統的煙葉質量評價方法并不完全適宜于基于機器視覺技術的煙葉質量評價，如傳統煙葉分級中油份、成熟度等概念不利于進行定量分析，因此需要選取適宜的評價指標，并對指標進行簡化，以建立適宜的質量評價模型。這需要煙葉內在品質與外觀顯性之間建立相關的聯系，以便為煙葉品質快速而精確的檢測創造條件。

1.2機器視覺技術可以用于控制煙草質量

基于現代機器視覺技術和系統可以用于控制煙草質量。可以進行煙草異物剔除、缺陷檢測等工作，大大提高了煙草行業的生產效率和產品質量。

現代意義的卷煙產品，其加工過程是非常復雜的，由制絲（原料加工）、卷接（卷制成型）、包裝（包裝成品）三個主要過程組成。整個卷煙生產過程具有高速、自動化、大批量的特點，不可避免會產生許多人力無法顧及的缺陷，如使用人工進行缺陷檢測和剔除，且不論人的疲勞、情緒波動等影響，僅從速度而言，人工檢測就完全無法承擔現代化生產線的高速檢測任務。在這種情況下，自動檢測是唯一的選擇。其中，融合了計算機的快速性、可靠性、結果的可重復性和對圖像信息分析能力的機器視覺技術則是目前煙草行業應用最廣泛、有效的檢測技術。

目前，機器視覺在煙草行業中主要用于：

煙葉分級。利用機器視覺方法自動檢測煙葉外觀質量特征，如顏色、形狀、大小、葉脈、表面特征、油份、身份、缺陷及成熟度等，并根據這些特征進行綜合判斷，快速準確地給出煙葉的等級。

異物剔除。準確去除混在煙葉中的各種異物，有效提高物料的純凈度，并可實時統計煙葉結構。

包裝數量統計。可用于檢測包裝中的缺支、缺包、缺條。

包裝外觀缺陷檢測。可用于檢測小包煙盒的印刷缺陷、小包和條包包裝質量。

物流配送。基于圖像檢測的條煙識別、分揀和類似條煙分揀的自動化物流設備不僅能大大提高分揀的準確度，而且能快速地自動地處理客戶訂單，顯著提高分揀效率。

在卷煙生產中，還有輔料的自動配送、AGV的制導、機器人（機械手）的定位等都可以應用先進的機器視覺技術，以進一步提高其精度和可靠性。

2實時在線質量檢測在煙草機械自動化中的應用

煙草工業自動化生產線的首要目標是保證產品質量，由于生產過程不可能進行過多的人工干預，產品質量的保證只能依賴在線質量檢測設備和儀器，監視產品質量參數，為控制器提供準確的測量值和檢測狀態。在線質量檢測設備和儀器在保證可靠性和檢測精度的基礎上，應具有上網通訊功能，以提高數據傳送精度和速度。對工業過程控制系統而言，在生產線中選擇合理的檢測工位，針對不同產品增加檢測項目，準確完整地反映產品質量信息，都是需要進一步研究的課題。因此實時在線質量檢測設備和儀器網絡化、智能化也是工業過程控制技術發展的趨勢之一。實時在線質量檢測在卷煙企業的制絲生產線中尤為突出，現在的制絲線除物料流量檢測、含水率檢測和溫度在線自動檢測外，對物料其他質量參數無在線自動檢測手段，因此對煙絲的填充值、長絲率、煙堿、糖分和焦油等采用離線檢測，只能對煙絲質量事后跟蹤和分析。新型制絲線中應完善對煙絲的填充值、長絲率、煙堿和糖分的自動檢測，并參與電控系統的實時控制。檢測設備有在線和離線兩種配置方案：在線配置即在生產線上設置檢測設備;離線配置即在制絲線附近設置檢測中心，由制絲線通過分料設備和輸送帶定時自動為檢測中心提供樣品。各檢測設備無論是在線或離線配置，均與中控室建立數據通訊，自動生成檢測數據，并自動存入車間數據庫，避免人工操作的人為偏差，為煙絲質量跟蹤、分析和控制提供可靠的數據來源。

實時系統除了用于煙葉的雜質剔除外，還廣泛的應用到煙草機械生產的很多領域。用于卷接機組上的實時控制系統，該系統需要完成兩個主要功能：一是監測設備的整個生產過程，并能夠采集各項相關數據并進行報表顯示。第二個功能是在一定范圍內調整煙支的重量，輔助調節切刀的位置，跟蹤并剔除檢測到的不合格煙支。用于軟包線的產品檢測，由于軟包的外包裝比較軟，容易變形，所以檢測軟包是所有檢測中最難的。

參考文獻：

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