基于機器視覺的煙絲加料機霧化效果監(jiān)測系統(tǒng)

劉灼成，程棉昌，楊學(xué)良，阮偉雄，江 威

（廣東中煙工業(yè)有限責任公司 廣州卷煙廠，廣東 廣州 510385）

0 引言

隨著我國煙葉制絲工藝和生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，煙絲加料作為煙葉制絲工藝流程中的重要一步，煙絲加料設(shè)備自動化、智能化已成為煙草行業(yè)未來的發(fā)展趨勢[1]。目前煙草企業(yè)使用的加料機械大多為國外壟斷產(chǎn)品，加料參數(shù)設(shè)置多為企業(yè)通過大量試驗確定的經(jīng)驗值，沒能形成完備的理論支持及優(yōu)化依據(jù)[2-3]。因此，提高成煙質(zhì)量的前提就需要對制煙設(shè)備的機理進行研究，完善制煙工藝的理論體系，其中加料機的霧化效果就是一個決定成煙優(yōu)劣的重要指標。但煙絲加料設(shè)備在工作時無法觀測設(shè)備內(nèi)部香料噴霧的霧化效果，只能通過人工觀測加料完成后的煙絲的干濕度等指標來判斷設(shè)備內(nèi)部的霧化效果，依賴操作工人的經(jīng)驗，會出現(xiàn)誤檢、滯后調(diào)節(jié)等問題，造成煙絲加料不合格、煙絲浪費等問題。

隨著機器視覺技術(shù)及圖像處理技術(shù)在煙草行業(yè)中的廣泛應(yīng)用[4]，基于視覺和圖像的檢測方法不僅能夠提高設(shè)備的自動化程度和檢測精度，還能夠降低工作人員的勞動強度和惡劣環(huán)境下的危險程度。其中，于海洋等[5]使用紅外光譜分析法來對卷煙加料的均勻性進行研究，初步探索了卷煙加料均勻性近紅外光譜分析的數(shù)學(xué)建模。彭中偉等[6]針對獲取噴嘴噴霧兩側(cè)邊界直線的方法進行了研究。朱均超等[7]開發(fā)了直噴汽油機噴油器噴霧特性檢測系統(tǒng)，可以精確地檢測直噴汽油機噴油器的噴霧特性。但針對煙絲加料機噴霧霧化效果進行視覺檢測的方法則很少見。為此，設(shè)計了一種基于機器視覺的煙絲加料機霧化效果監(jiān)測系統(tǒng)，通過CCD相機采集圖像，針對噴霧的角度和距離進行監(jiān)測和分析，以方便工藝人員總結(jié)加料機霧化效果機理，對噴霧的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，提高成煙質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于機器視覺的煙絲加料機霧化效果監(jiān)測系統(tǒng)主要由噴料霧化角度監(jiān)測單元、噴料霧化距離監(jiān)測單元和工控機等。噴料霧化角度監(jiān)測單元包括CCD相機、光纖內(nèi)窺鏡等，為了拍攝噴口附近的料液霧化情況來達到更好的角度監(jiān)測效果，采用光纖內(nèi)窺鏡配合CCD相機進行圖像采集。噴料霧化距離監(jiān)測單元包括CCD相機、光源、電磁閥、風刀等，為了保證煙絲加料機滾筒內(nèi)有充足的光照，采用LED燈為CCD相機提供照明。上述兩個單元的安裝位置見圖1。光纖內(nèi)窺鏡的長度為2m，CCD相機的幀數(shù)為30幀/s，兩個CCD相機均安裝于煙絲加料機筒壁外側(cè)。

圖1 煙絲加料機霧化效果監(jiān)測系統(tǒng)安裝位置示意圖

當煙絲加料機中的噴桿開始噴射料液時，噴料霧化角度監(jiān)測單元中的光纖內(nèi)窺鏡的物鏡將噴口附近的噴料霧化圖像傳輸至位于其目鏡的CCD相機，完成噴料霧化角度圖像的采集，噴料霧化距離監(jiān)測單元中的LED光源開啟，為筒內(nèi)補光照明，CCD相機透過煙絲加料機筒壁上的玻璃采集噴料霧化距離圖像。

2 檢測算法設(shè)計

2.1 噴料霧化角度監(jiān)測方法

在生產(chǎn)過程中，連接光纖內(nèi)窺鏡的CCD相機實時拍攝噴口處的圖像，對采集到的圖像進行實時處理，首先為了去除多余背景的影響，對采集的原始圖像進行預(yù)處理，裁剪出噴口附近噴料霧化的圖像，由于生產(chǎn)、維護過程中噴嘴在圖像中的位置會發(fā)生變化，須在程序中動態(tài)調(diào)整剪裁區(qū)域，剪裁后的圖像見圖2。

圖2 裁剪后的圖像

由于光纖內(nèi)窺鏡獲取到的圖像上有黑色的光纖網(wǎng)格的干擾，嚴重影響觀測和后續(xù)處理，分析圖像特征發(fā)現(xiàn)大致呈六邊形的光纖網(wǎng)格的特征單一，分布均勻故采用頻率域帶阻濾波方法進行處理。

首先對圖像進行二維離散傅里葉變換獲得頻譜圖；提取頻譜圖中與六角形圖案相對應(yīng)的噪聲信號的形狀與寬度參數(shù)，其中離散傅里葉變換如下式：

然后結(jié)合頻譜圖中提取的參數(shù)，將高斯函數(shù)與橢圓函數(shù)的帶阻濾波器作用于頻譜圖上；高斯帶阻濾波函數(shù)為：

其中W為帶寬。

最后通過對被作用后的頻譜圖進行反傅里葉變換得到消除六角形噪聲后的空域圖像。傅里葉逆變換函數(shù)為：

更多的保留圖像的總體灰度分布特征，之后利用對圖像進行二值化處理，得到圖像如圖3所示。

圖3 二值化處理后的圖像

2.2 角度檢測方法

由于受重力及筒內(nèi)氣流等因素的影響，霧化料液的輪廓形狀不規(guī)則，故采用多邊形擬合的方法，將霧化料液的邊緣擬合為規(guī)則的多邊形，計算多邊形靠近噴嘴附近兩條長斜邊的夾角，從而得到料液的噴射夾角，角度檢測流程見圖4。

又如日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)，擁有從基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、工程化研究、產(chǎn)業(yè)孵化到技術(shù)推廣完成等一系列完整的科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化鏈條，下設(shè)董事會、執(zhí)行委員會、學(xué)術(shù)委員會、高層管理者等管理機構(gòu)，采用現(xiàn)代公司企業(yè)化的管理模式，各分所遍布全國高校。該機構(gòu)擁有多樣化的資金投入渠道、品牌化的經(jīng)營戰(zhàn)略、靈活的用人機制、全程貫通的轉(zhuǎn)化鏈，能有效聚集政府、高校和企業(yè)的資源，在科研成果轉(zhuǎn)化的各階段實現(xiàn)無縫銜接，是目前亞洲最具活力的科研成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化機構(gòu)。

圖4 角度檢測流程

2.2.1 繪制多邊形擬合

對預(yù)處理后的圖像使用輪廓提取算法進行輪廓提取處理[8]，突出霧化料液邊緣。再對提取的邊緣圖像進行多邊形擬合處理，輪廓的多邊形擬合采用經(jīng)典的Douglas-Peucker算法，將輪廓曲線按照規(guī)則分割成多個曲線段，依次連接各個分割點形成的折線，即可以作為曲線的近似；最后即可將霧化料液區(qū)域的輪廓擬合成一個理想的多邊形，從而求取噴霧角度，見圖5。

圖5 多邊形擬合原理圖

2.2.2 Hough變換檢測直線

Hough變換檢測直線的原理是根據(jù)線與點的映射關(guān)系，將圖像空間的像素點映射為參數(shù)空間的線，將參數(shù)空間中直線的交點映射為圖像空間的直線[9]。過點A（x1，y1）和點B（x2，y2）的直線y=kx+b的圖像見圖6，其中k為直線斜率，b為直線在y軸上的截距。

圖6 圖像空間

假設(shè)存在與圖像空間相映射的參數(shù)空間k-b，且參數(shù)空間中的點（k，b）對應(yīng)圖像空間中的直線y=kx+b，即參數(shù)空間中的一個點對應(yīng)圖像空間中的一條直線。則圖像空間中的直線方程y=kx+b可以改寫成b=-xk+y，式中的x，y可以視為參數(shù)空間中直線的斜率和截距，參數(shù)空間中的一條直線就可以看作圖像空間中的一個點（x，y）。點A和點B在參數(shù)空間中相交于點P（k1，b1）的兩條直線，見圖7。

圖7 參數(shù)空間

綜上所述，在圖像空間中同一條直線上的點映射到參數(shù)空間中表現(xiàn)為相交于同一點的直線簇，通過確定參數(shù)空間該點的參數(shù)即可在圖像中確定相應(yīng)的直線。但是為了避免實際應(yīng)用中遇到斜率無窮大的直線，故一般采用曲線方程ρ=xcosθ+ysinθ代替直線方程y=kx+b，其中ρ為直線到原點的距離，θ為直線的與x軸的夾角。此時，圖像空間x-y中的點就對應(yīng)參數(shù)空間ρ-θ中的曲線，避免了斜率無窮大時直線無法檢測的問題。

繪制多邊形逼近后的圖像根據(jù)Hough直線變換進行擬合直線處理，通過直線的極坐標方程繪制多邊形兩斜邊的擬合直線，通過擬合直線的極坐標方程可以得出直線與y軸正方向的夾角，根據(jù)兩直線與y軸正方向的夾角即可得到兩直線的夾角，即為噴料霧化夾角，見圖8。

圖8 噴料霧化夾角檢測圖像

2.3 噴料霧化距離監(jiān)測方法

圖9 噴料霧化距離檢測圖像

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：“雙喜”牌卷煙煙葉三批（由廣州中煙工業(yè)責任有限公司廣州卷煙廠提供）。

設(shè)備：96線加料機。

方法：分別對兩批煙葉加工過程中，加料機的霧化噴料進行角度和距離檢測。得到兩批煙葉在開始加工時、加工過程中、加工即將結(jié)束時料液的噴射角度和開始加工時霧化噴料噴射距離。根據(jù)第一批煙葉確定合適的閾值來進行角度和距離的計算，對明顯異常的檢測結(jié)果進行剔除，再對第二批煙葉進行角度檢測和距離檢測，得到霧化噴料的噴射角度和噴射距離。將第二批煙葉檢測得到的角度和距離與第三批煙葉檢測得到的角度和距離對比，判斷檢測是否準確。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由圖10所示，圖中左圖為剛開始加工時料液的噴射狀態(tài)，中圖為加工過程中料液的噴射狀態(tài)，右圖為加工即將結(jié)束時料液的噴射狀態(tài)。可以看出，料液的噴射角度隨時間逐漸增大，然后保持不變，最后再減小。分別在這兩個批次下，從這三種狀態(tài)下分別平均取10個時刻的拍攝圖像來檢測角度，如表1所示，第二批煙葉與第三批煙葉在開始加工時、加工過程中、加工即將結(jié)束時料液的噴射角度的最大最小差值不超過2°，第二批煙葉三種狀態(tài)下的平均值分別為37.4°、39.2°和36.3°，第三批煙葉三種狀態(tài)下的平均值分別為37.5°、39°和35.9°。

圖10 三種時刻下料液的噴射狀態(tài)

表1 料液噴射角度檢測結(jié)果

在加料作業(yè)開始時，分別檢測兩個批次下開始加工時的料液噴射距離，分別取10個時刻的圖像進行檢測。見表2，在開始加工時料液噴射距離的最大值與最小值相差不超過50mm，第二批煙葉的料液噴射距離平均值為2049.6mm，第三批煙葉的料液噴射距離平均值為2047.4mm。

表2 料液噴射距離檢測結(jié)果

4 結(jié)論

以廣州卷煙廠生產(chǎn)的三批“雙喜”牌卷煙為對象進行測試，結(jié)果表明：以第一批煙葉為標準確定閾值，第二批和第三批煙葉在設(shè)備開始加工時料液噴射角度分別為37.5°和37.1°，在設(shè)備加工過程中料液噴射角度分別為39.4°和38.6°，加工即將結(jié)束時料液噴射角度分別為35.8°和36.4°， 料 液 噴 射 距 離 分 別 為2045.6mm和2053.4mm。利用該系統(tǒng)在可見空間內(nèi)能比較直觀的觀察到噴嘴的噴射情況，實時監(jiān)測加料機噴嘴霧化角度、噴料位置、噴料距離等數(shù)據(jù)，為提高加料均勻性提供標準，減少了安裝調(diào)整的盲目性，保證了噴嘴霧化效果，提高加濕、加料的均勻性，從而為提高卷煙內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)，更好地幫助加料機霧化系統(tǒng)的工藝優(yōu)化，提高生產(chǎn)質(zhì)量，提升產(chǎn)品競爭力。