利用圖像處理對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)圖像處理、測(cè)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(duì)圖像特征進(jìn)行量化，從而對(duì)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(lèi)號(hào) TS452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(mǎn)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(dòng)情況，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，其中鄧國(guó)棟[2]等對(duì)煙絲在滾筒烘絲機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(guò)滾筒出口端觀察窗進(jìn)行觀察，但由于生產(chǎn)過(guò)程中筒內(nèi)光線不足、蒸汽彌漫，無(wú)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(duì)料幕的完整性有真實(shí)的了解，首先需要建立對(duì)料幕完整性檢測(cè)和評(píng)價(jià)的方法。本文主要對(duì)一定區(qū)域料幕的完整性的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行論述，并通過(guò)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(guò)程

對(duì)于滾筒內(nèi)料幕完整性的圖像分析的過(guò)程大致可以按照?qǐng)D1所示進(jìn)行。

1.1 明確測(cè)量分析對(duì)象 為分析滾筒內(nèi)料幕的完整性，主要針對(duì)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(cè)量分析的對(duì)象。

1.2 圖像拍攝 在明確測(cè)量分析對(duì)象后，要使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄅ臄z下這個(gè)對(duì)象：將高速、高清攝像設(shè)備固定在筒內(nèi)制作的支架上，對(duì)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(cè)量對(duì)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(cè)量對(duì)象特性的圖像圖形。

1.4 使用Image-Pro Plus軟件分析測(cè)量 在將“拍攝區(qū)域內(nèi)露出的筒壁”作為能反映測(cè)量對(duì)象特性的圖像圖形后，使用專(zhuān)業(yè)的圖像分析軟件Image-Pro Plus對(duì)圖片上的圖像圖形進(jìn)行測(cè)量，得到相應(yīng)的測(cè)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(cè)量和定制功能。在分析料幕的完整性時(shí)，主要使用其中的COUNT/SIZE功能，測(cè)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(cè)量過(guò)程大致可按照?qǐng)D2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(guó)虹霓公司KAS滾筒加料機(jī)；實(shí)驗(yàn)材料：經(jīng)過(guò)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(guò)改變皮帶秤頻率，改變煙葉來(lái)料流量；（4）通過(guò)改變?cè)O(shè)備參數(shù)，改變滾筒轉(zhuǎn)速；（5）調(diào)整各參數(shù)（表1），對(duì)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(cè)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(shí)，對(duì)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(duì)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(cè)量項(xiàng)目 在count/size窗口的measure菜單項(xiàng)下點(diǎn)擊select measurements，調(diào)出這個(gè)選擇測(cè)量項(xiàng)目的窗口。左邊列出了所有可供選擇的測(cè)量項(xiàng)目，中間是已經(jīng)選擇的測(cè)量項(xiàng)目，為了測(cè)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(cè)量項(xiàng)，如圖4（a）所示。

2.3.3 選擇測(cè)量環(huán)境 在count/size窗口里點(diǎn)擊options 按紐，調(diào)出這個(gè)options窗口，設(shè)置測(cè)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(cè)量區(qū)域 點(diǎn)擊 select color按紐，用選擇顏色范圍的方法來(lái)選擇測(cè)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(cè)量區(qū)域后如圖4（d）所示。

2.3.5 選擇測(cè)量區(qū)域 選擇好各項(xiàng)測(cè)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(cè)量。

2.3.6 提取測(cè)量數(shù)據(jù) 在count/size窗口的view菜單下選擇“statistics”選項(xiàng)，調(diào)出測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖4（e）所示。通過(guò)查看圖4（e）可見(jiàn)，測(cè)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(dòng)軌跡分析 通過(guò)圖像處理的方式對(duì)滾筒內(nèi)物料真實(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)，物料在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)，未顯現(xiàn)出明顯的拋物運(yùn)動(dòng)，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(shí)，物料在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，物料主要分3個(gè)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(dòng)未顯現(xiàn)出明顯的拋物運(yùn)動(dòng)，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(shí)，物料在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)和拋物運(yùn)動(dòng)，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(guò)滾筒出料端對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的觀察和記錄，找出工藝流量為5 200kg/h時(shí)，相應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)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(cè)量筒內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)過(guò)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(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)表3數(shù)據(jù)運(yùn)用minitab統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。

首先進(jìn)行方差一致性檢驗(yàn)（圖9），可見(jiàn)，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(shí)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(shí)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(guò)建立的圖像分析方法可對(duì)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(guò)實(shí)證研究，滾筒的轉(zhuǎn)速和工藝流量同時(shí)對(duì)物料在滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和軌跡有一定的影響，其中滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)物料的料幕完整性影響顯著，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為12r時(shí)，物料料幕完整性相對(duì)較好，物料的運(yùn)動(dòng)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(jì)、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(shū)[M].北京：中國(guó)科技文化出版社，2005.

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

（責(zé)編：張宏民）