初烤煙葉智能化分選級(jí)成像功能探索與分析

趙一君 黃寧 周建云

摘要：初烤煙葉分級(jí)是提升煙葉原料質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，本文以初烤煙葉為對(duì)象采取智能化分選級(jí)進(jìn)行研究，簡(jiǎn)述了當(dāng)前煙草行業(yè)智能化分級(jí)現(xiàn)狀、智能化分級(jí)技術(shù)研究進(jìn)展及存在的相關(guān)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比總結(jié)，將煙葉智能化分級(jí)成像功能技術(shù)有關(guān)研究成果與我國(guó)煙草行業(yè)當(dāng)前實(shí)際情況和背景相結(jié)合并通過(guò)合適的判別方法描述。同樣著重分析了國(guó)內(nèi)外光學(xué)成像的煙葉分級(jí)技術(shù)及所研制開(kāi)發(fā)出的更精準(zhǔn)高效的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：初烤煙葉;智能化分選級(jí);成像功能

當(dāng)前我國(guó)初烤煙葉分級(jí)收購(gòu)以人工為主，通過(guò)眼觀手摸的方式識(shí)別判斷煙葉等級(jí)。在分選過(guò)程中因分級(jí)人員眼感的微差性，可能出現(xiàn)定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定性存在差異;同時(shí)人工分揀效率相對(duì)偏低，難以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的分級(jí)。人工分選時(shí)煙葉處于水平擺放狀態(tài)，難以完全清除混雜的非煙雜;人工分級(jí)還可能增加人工直接接觸原料而導(dǎo)致接觸污染的風(fēng)險(xiǎn)，將造成產(chǎn)品質(zhì)量的降低。研究并利用機(jī)械智能化分級(jí)替代傳統(tǒng)的人工分級(jí)，能更好地體現(xiàn)分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀性和公正性，有利于穩(wěn)定煙農(nóng)隊(duì)伍、更有利于煙葉行業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展[1]。

1 ?智能化分選級(jí)研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能分級(jí)替代人工分級(jí)的目的，行業(yè)內(nèi)外開(kāi)展智能化分級(jí)成像技術(shù)方面的研究較多。目前，初烤煙葉智能化分級(jí)系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)了單葉自動(dòng)分離、自動(dòng)傳輸、對(duì)比成像及自動(dòng)分倉(cāng)等功能，并且某些研究已增加了新的光學(xué)成像技術(shù)等手段，以提高分選級(jí)的準(zhǔn)確率。但相關(guān)研究仍存在機(jī)械硬件、自動(dòng)傳輸、成像對(duì)比定級(jí)等方面的問(wèn)題，同時(shí)初烤煙葉外觀特征與內(nèi)在品質(zhì)的關(guān)聯(lián)參數(shù)提取、數(shù)學(xué)模型搭建還有待進(jìn)一步研究，主要表現(xiàn)以下幾方面問(wèn)題。

1.1 ?硬件系統(tǒng)

機(jī)械智能化裝備主要有兩種模式，一是通過(guò)水平傳輸方式，初烤煙葉始終附著于傳輸帶上，采集圖像或成像過(guò)程僅有煙葉單面信息，無(wú)法體現(xiàn)正反兩面的完整信息采集點(diǎn)。二是通過(guò)水平轉(zhuǎn)垂直傳輸方式，能將煙葉實(shí)現(xiàn)單片分離，采集圖像時(shí)煙葉處于垂直懸掛狀態(tài)，并完整的采集煙葉正反信息，但此模式在水平轉(zhuǎn)垂直過(guò)程中，易出現(xiàn)掉煙現(xiàn)象，同時(shí)出現(xiàn)二次攤平不徹底，出現(xiàn)單片分離不徹底的問(wèn)題。

1.2 ?成像系統(tǒng)

目前，成像系統(tǒng)主要通過(guò)建立各煙葉等級(jí)模型，通過(guò)不斷的？？？訓(xùn)練，在分選級(jí)過(guò)程中，采集被分選煙葉圖像，并與模型圖像進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而自動(dòng)判斷和定級(jí)，以實(shí)現(xiàn)智能化分選級(jí)。但此方法將出現(xiàn)煙葉部位不易區(qū)分、定級(jí)準(zhǔn)確率偏低的現(xiàn)象。需要不斷完善樣品建模和模擬訓(xùn)練，以提高準(zhǔn)確率。

1.3 ?識(shí)別系統(tǒng)

分選級(jí)需對(duì)煙葉的脈絡(luò)特征、色澤度、外觀形狀等特性進(jìn)行綜合判斷，僅采用煙葉顏色深淺的圖像對(duì)比無(wú)法識(shí)別和判斷部位、等級(jí)，進(jìn)而降低了識(shí)別率?？缮钊胩剿鞒蹩緹熑~外觀的眾多特征與內(nèi)在品質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，利用圖像加光譜等手段，搭建數(shù)學(xué)模型，通過(guò)人工智能算法進(jìn)行模擬訓(xùn)練，尋求突破口。

1.4 ?輔助工作人員

實(shí)現(xiàn)智能化分選級(jí)的過(guò)程，需輔助人員在前端進(jìn)行上料，需要掌握一定的分級(jí)技能和經(jīng)驗(yàn)，能初步判斷是否有混青雜、混部位的現(xiàn)象。所上的待選煙葉部位純度相對(duì)較高，為后端智能化分選級(jí)把好第一道關(guān)。

2 ?智能化分選級(jí)裝備主要功能研究進(jìn)展

目前，智能化分選級(jí)裝備主要通過(guò)三大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：

2.1 ?成像系統(tǒng)

四條光源、兩個(gè)相機(jī)、一個(gè)光電傳感器，一個(gè)同步盒、一臺(tái)工控機(jī)等是組成成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。成像系統(tǒng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是進(jìn)行圖像采集并且將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。這樣對(duì)每片煙葉加強(qiáng)了保護(hù)，同時(shí)也可以對(duì)煙葉進(jìn)行一個(gè)追蹤，防止出現(xiàn)定位不準(zhǔn)等問(wèn)題。

2.2 ?軟件算法系統(tǒng)

軟件算法指的是針對(duì)不同的煙葉進(jìn)行圖像的處理，并且將煙葉的特征部分進(jìn)行提取概括并利用相應(yīng)的智能技術(shù)對(duì)煙葉進(jìn)行判斷，將得到的結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)反饋回來(lái)[2]。

2.3 ?機(jī)械系統(tǒng)

通常由自動(dòng)攤薄系統(tǒng)、單片分離系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、分倉(cāng)系統(tǒng)構(gòu)成。單片分離通常采用懸掛式的傳輸系統(tǒng)，將煙葉懸掛后進(jìn)行一個(gè)高速的運(yùn)輸并分離。其優(yōu)點(diǎn)在于可利用變頻加速震蕩，將懸掛的煙葉實(shí)現(xiàn)單片分離，使單片煙葉保持垂直狀態(tài)，為成像環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。同時(shí)，懸掛式傳輸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸速度更快。

3 ?煙葉智能化分選級(jí)成像功能技術(shù)研究

3.1 ?成像一致性的研究

通常所說(shuō)的成像一致性主要指對(duì)同一目標(biāo)獲得的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)并將其差異標(biāo)明，差異越小證明一致性越好。因此成像一致性的研究意義主要是能夠提高煙葉智能化分級(jí)的準(zhǔn)確率，能夠?qū)⒛Ｐ偷倪m應(yīng)能力增高，能夠簡(jiǎn)化過(guò)程。

從研究上來(lái)說(shuō)，如果同一工位不同的區(qū)域間成像一致性不夠完善，會(huì)造成整體煙葉的離散增強(qiáng)，同類聚集欠缺，整體效果將會(huì)變差，出現(xiàn)的誤差越大，使得最后的識(shí)別結(jié)果出現(xiàn)問(wèn)題。因此，通過(guò)研究提高煙葉智能分級(jí)的準(zhǔn)確度是非常關(guān)鍵的[3]。同樣如果一臺(tái)機(jī)器的成像一致性有欠缺，為了彌補(bǔ)問(wèn)題就會(huì)設(shè)立兩個(gè)工位，從而增加了整個(gè)處理流程的工作量，過(guò)程不夠簡(jiǎn)潔，在實(shí)際的工作生產(chǎn)過(guò)程中成像一致性的指標(biāo)越小越好，這就要求工作單位對(duì)指標(biāo)和工作安排都要有準(zhǔn)確規(guī)定。

3.2 ?吸風(fēng)成像的方案研究

煙葉的運(yùn)輸方式主要是采用懸掛高速運(yùn)輸，這就會(huì)帶來(lái)不同的問(wèn)題。因此，需要用更好的圖像軟件輸出更高質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果。多腔體負(fù)壓吸風(fēng)盒技術(shù)，主要是由多個(gè)腔體組成，腔體下方有風(fēng)管與負(fù)壓風(fēng)機(jī)相連，在上方有柵格蓋板，吸風(fēng)皮帶上會(huì)有小孔。當(dāng)開(kāi)啟負(fù)壓風(fēng)機(jī)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的皮帶會(huì)提高運(yùn)速，使得煙葉緊貼于上，保證了成像的清晰與平穩(wěn)。該技術(shù)吸力大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一項(xiàng)值得研究與應(yīng)用的技術(shù)。

3.3 ?掃描式圖像采集設(shè)備研究

掃描式圖像采集設(shè)備，主要包括了采集系統(tǒng)和控制分析系統(tǒng)。采集系統(tǒng)則主要由放置臺(tái)、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分和機(jī)械傳輸部分等組成?？刂品治鱿到y(tǒng)則主要由壓力傳感器、LCD顯示屏以及圖像處理程序等構(gòu)成。本系統(tǒng)主要是利用掃描儀的工作原理，從而將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)提高工作計(jì)算效率[4]。由于采用的是嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，儀器設(shè)備一體化，有利于隨時(shí)搬動(dòng)使用，并開(kāi)發(fā)多項(xiàng)功能，通過(guò)LCD顯示屏呈現(xiàn)出智能化分級(jí)的結(jié)果。

3.4 ?有關(guān)相機(jī)選型定制

為了能夠?qū)D像更好地表達(dá)對(duì)于相機(jī)也有要求。首先要求分辨率在0.3-0.5mm/像素，尺寸在600mm左右，2048是最后得到的橫向分辨率。在此范圍內(nèi)可供選擇的芯片種類也是相對(duì)較多的。機(jī)器運(yùn)行速度通常在180m/min，至此可計(jì)算出掃描速度保持在10KHz即可，相機(jī)是圖像成像系統(tǒng)的主要部分，因此選擇適合的相機(jī)是至關(guān)重要的。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煙葉智能化分選級(jí)成像在整個(gè)煙葉分選級(jí)過(guò)程中非常重要，在選擇時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況，不斷地總結(jié)比較，找出最適合此時(shí)發(fā)展的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。使智能化分級(jí)的成果能夠超越人工分級(jí)的效果，為煙葉行業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賓俊.廣義灰色體系和無(wú)損分析技術(shù)在煙葉生產(chǎn)加工過(guò)程中的應(yīng)用[D].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017：1-81.

[2]劉東來(lái).基于機(jī)器視覺(jué)的煙葉自動(dòng)分級(jí)方法[J].廣東蠶業(yè)，2020，54（08）：64-66.

[3]陳朋.煙葉紋理表面的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用[D].貴州大學(xué)，2017：1-92.

[4]李海杰.基于機(jī)器視覺(jué)的煙草異物檢測(cè)和煙葉分類分級(jí)方法研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016：1-164.

資金來(lái)源：中國(guó)煙草總公司貴州省公司科技項(xiàng)目 散葉智能化分選級(jí)裝備及技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)（項(xiàng)目編號(hào)：2020XM01）