基于機(jī)器視覺的卷煙紙燃燒灰度值計(jì)算與白度板標(biāo)定的研究

鄭晗，王浩，張瑩，謝姣，王旭，余振華

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明，650231

0 引言

卷煙消費(fèi)者日益關(guān)注卷煙的質(zhì)量，其中最直接的視覺評(píng)價(jià)即卷煙紙外觀、燃燒時(shí)的灰柱顏色及狀態(tài)等[1]。煙灰顏色越白，消費(fèi)者的視覺感受越好，通常認(rèn)為卷煙的檔次也越高。現(xiàn)階段沒有統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)，卷煙燃燒質(zhì)量的影響因素較多，對(duì)卷煙紙及其燃燒灰柱顏色的判斷無法實(shí)現(xiàn)定量分析[2-3]。

白度是表征物體色白的程度，其評(píng)價(jià)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及其質(zhì)量控制非常重要，但國際照明委員會(huì)推薦的白度公式日顯局限已不能滿足白度評(píng)價(jià)需求，在不同行業(yè)中白度評(píng)價(jià)采用的標(biāo)準(zhǔn)也各不相同[4-8]。主觀評(píng)價(jià)白度易受觀察者等多種因素影響，并不易準(zhǔn)確地將主觀感知定量化；客觀評(píng)價(jià)用白度公式給出具體白度值，更有利于白度的精準(zhǔn)表達(dá)與傳遞。由于白度評(píng)價(jià)關(guān)乎產(chǎn)品的質(zhì)量控制與等級(jí)劃分，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義，因此，研究者一直在探尋更符合人眼視覺感知的白度公式。馬勝楠[9]等參照GB/T 22427.6-2008 淀粉白度的測定方法，采用白度儀測定卷煙煙灰顏色，研究了卷煙煙灰燃燒完全性與白度的關(guān)系。穆林[10]等利用Photoshop圖像分析軟件對(duì)卷煙不同燃燒面煙灰灰度值進(jìn)行測定，用灰度值表征煙灰顏色差異，旨在建立定量評(píng)價(jià)卷煙煙灰顏色的方法，進(jìn)而為研究卷煙紙對(duì)卷煙包灰性能的影響提供參考。

煙灰顏色是反映卷煙包灰性能的主要指標(biāo)之一，在上述研究中主要采用肉眼觀測的直觀方法評(píng)價(jià)煙灰灰色，對(duì)于卷煙煙灰顏色的定量評(píng)價(jià)方法鮮有報(bào)道。機(jī)器視覺測量的方式雖然可便于對(duì)其顏色進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià)判斷，但由于不同機(jī)器視覺的白平衡參數(shù)不統(tǒng)一，不同的機(jī)器視覺判斷會(huì)有所不同。因此，為獲取客觀評(píng)價(jià)的卷煙紙及其灰柱灰度值，采用一種基于機(jī)器視覺的卷煙紙灰度標(biāo)定方法就顯得十分必要。同時(shí)，隨著卷煙燃燒灰色質(zhì)量關(guān)注提升，檢測方法和設(shè)備逐漸多樣化，但由于卷煙燃燒灰色檢測受攝像頭性能、拍攝參數(shù)設(shè)定、環(huán)境光照等因素的影響，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)差異較大，檢測數(shù)據(jù)基本無可對(duì)比性，亟需一套簡易、經(jīng)濟(jì)、可行的標(biāo)準(zhǔn)方法解決上述問題。為解決上述問題，項(xiàng)目組開發(fā)的卷煙燃燒灰柱灰色測定方法與檢測設(shè)備[11]，在環(huán)境一定條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)白度板進(jìn)行白平衡校準(zhǔn)標(biāo)定后，檢出灰色指標(biāo)具有可比性，方法標(biāo)準(zhǔn)化簡便，易于推廣。為確定上述方法本文在采用白度板進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)的亮度范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.1 主要儀器

YNZY CIGASH-ST1機(jī)械手仿真及全視覺卷煙燃燒包灰綜合檢測設(shè)備（自研），包括：三組機(jī)器視覺采集裝置，攝像頭為FH-SC04（OMRON，日本），分辨率：2040×2048，感光原件尺寸：121mm2，像素尺寸：5.5μm×5.5μm；圖像分析軟件：FZ-PanDA（OMRON，日本）；不含熒光材料的標(biāo)定白板，滿足GB/T 7973要求，灰度值計(jì)算亮度值R457范圍：85.0%±3.0%，白度板標(biāo)定亮度值R457：80.09%、81.90%、84.60%、88.43%、90.13%。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

選取某規(guī)格卷煙產(chǎn)品，盒開封后在20支卷煙中挑選圓周規(guī)整的1支卷煙樣品作為檢測標(biāo)樣。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 灰度值計(jì)算方法的確定

灰度值通過圖像R、G、B值進(jìn)行計(jì)算，通常的算法包括以下幾種：

1.浮點(diǎn)法：Gray=R*0.3+G*0.59+B*0.11；

2.整數(shù)法：Gray=（R*30+G*59+B*11）/100；

3.移位法：Gray=（R*77+G*151+B*28）＞＞8；

4.平均值法：Gray=（R+G+B）/3；

5.僅取綠色：Gray=G；

其中，浮點(diǎn)法由于計(jì)算簡便，還原度較好，所以一直是圖像處理計(jì)算灰度值過程中最常用的計(jì)算方法。而Gamma校正算法將R、G、B顏色值通過2.2次方換算成物理光功率進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算，能更好地處理Gamma校正的圖片，因此在高精度要求處理灰度值時(shí)，通常建議采用Gamma校正算法以保證其準(zhǔn)確度。

通過圖像法計(jì)算卷煙燃燒灰柱灰色時(shí)，采用圖像灰度值來表征卷煙燃燒灰色的差異。為了兼顧處理圖像通用和常用的浮點(diǎn)法，同時(shí)也體現(xiàn)算法的高精確度，標(biāo)準(zhǔn)推薦采用浮點(diǎn)法和Gamma校正兩種算法作為卷煙燃燒灰色的計(jì)算方法。為了比較兩種方法在卷煙燃燒灰色測定過程中的差異，本文兩種方法對(duì)卷煙樣品的圖像灰度值進(jìn)行了比較分析。攝像頭通過標(biāo)定白板進(jìn)行校準(zhǔn)后，分別對(duì)檢測煙支標(biāo)樣的無搭口面和包含煙支搭口面進(jìn)行圖形采集，同條件下，進(jìn)行5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算利用Excel軟件進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果關(guān)注統(tǒng)計(jì)p值，當(dāng)p小于0.05認(rèn)為數(shù)據(jù)存在顯著差異，反之不存在差異。同時(shí)，采用Matlab軟件進(jìn)行了不確定度分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 圖像灰度值計(jì)算

對(duì)檢測煙支標(biāo)樣的無搭口面和包含煙支搭口面進(jìn)行圖形采集，采集數(shù)據(jù)如表1所示。

將表1數(shù)據(jù)采用方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。

表1 不同白板進(jìn)行校準(zhǔn)后采集圖像后兩種方法計(jì)算出來的圖像灰度值

由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可見：表2中p值均大于0.05，因此浮點(diǎn)法和校正法計(jì)算結(jié)果差異性不顯著。

表2 浮點(diǎn)法與校正法對(duì)樣品無搭口和有搭口樣品灰度值方差分析統(tǒng)計(jì)

2.2 兩種算法的灰度值計(jì)算差異性分析

考察范圍內(nèi)，一方面圖像灰度值的差值小于0.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用全視覺對(duì)同一卷煙樣品燃燒灰柱的灰度值差異，另一方面，從統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果來看，采用浮點(diǎn)法和Gamma校正算法兩種算法對(duì)圖像處理無顯著差異。為兼顧圖像灰度值處理方法的普廣性和精確性，因此，對(duì)卷煙燃燒灰柱的測定推薦采用浮點(diǎn)法和Gamma校正算法進(jìn)行計(jì)算。

2.3 白度板校準(zhǔn)范圍的確定

將表1數(shù)據(jù)采用方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 亮度范圍81.90-88.43白板標(biāo)定后樣品灰度值方差分析統(tǒng)計(jì)

表4 亮度范圍80.09-90.13亮度范圍白板標(biāo)定后樣品灰度值方差分析統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可見：表3中82.28、84.60、88.43三種情況計(jì)算得到的p值均大于0.05，可以得到結(jié)論表3中在標(biāo)定白板亮度值R457在范圍81.90~88.43情況下，樣品灰度值不存在差異；而表4中亮度值80.09和90.13與范圍81.90~88.43相比較，統(tǒng)計(jì)p值均小于0.05，存在差異。

同時(shí)，對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析，結(jié)果如表5所示。

表5 不同亮度范圍白板標(biāo)定后樣品灰度值等精度測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可見：除了有搭口81.90的不確定度大，其他的不確定度都比較小（81.90，84.60，88.43）；而80.09和90.13不確定度都大。

綜上，采用標(biāo)定白板亮度范圍81.90~88.43進(jìn)行標(biāo)定后，圖像灰度值結(jié)果無顯著差異，超出該標(biāo)定區(qū)間亮度值分別為80.09和90.13的白板進(jìn)行標(biāo)定后，圖像灰度值結(jié)果存在差異。不確定度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明白板亮度范圍81.90~88.43圖像灰度值結(jié)果除有搭口81.90的不確定度大外，其他不確定度都較小。因此，為保證白板標(biāo)定后檢測結(jié)果的一致性，規(guī)定標(biāo)定白板亮度值R457范圍：85.0%±3.0%。為了避免在不同光源條件下熒光材料帶來的影響，同時(shí)規(guī)定標(biāo)定白板應(yīng)不含熒光材料。

3 結(jié)語

在同軸光源照射條件下，采用工業(yè)相機(jī)并利用標(biāo)準(zhǔn)白板對(duì)卷煙紙及其燃燒灰柱灰度進(jìn)行標(biāo)定，并開發(fā)灰度值計(jì)算方法，確定白度標(biāo)定板閾值，并對(duì)卷煙樣品進(jìn)行測試驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：圖像灰度值的差值小于0.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用全視覺對(duì)同一卷煙樣品燃燒灰柱的灰度值差異，采用浮點(diǎn)法和Gamma校正算法兩種算法對(duì)圖像處理無顯著差異。對(duì)卷煙燃燒灰柱的測定推薦采用浮點(diǎn)法和Gamma校正算法進(jìn)行計(jì)算。為保證白板標(biāo)定后檢測結(jié)果的一致性，規(guī)定標(biāo)定白板亮度值R457閾值為：85.0%±3.0%，同時(shí)應(yīng)規(guī)定標(biāo)定白板應(yīng)不含熒光材料。