利用圖像處理對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程中滾筒內物料料幕的完整性，建立了一種圖像分析的方法：通過適當的方法拍攝下滾筒內的物料料幕圖像，使用Image-pro plus圖像處理技術對圖像處理、測量，比較固定截面內露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例。對圖像特征進行量化，從而對不同條件（物料流量、滾筒轉速等）下料幕的完整性進行比較，確定了較優的工藝參數。

關鍵詞：滾筒料幕；完整性；圖像分析；煙草加工

中圖分類號 TS452 文獻標識碼 A 文章編號 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

滾筒設備在卷煙制絲生產線應用較為廣泛，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備的主要工作任務是將料（香）液均勻地施加在拋灑的煙葉（絲）上，最終達到提高卷煙的吸食品質，形成特有風格，滿足吸煙者的要求的目的[1]。在加料（香）區域形成均勻、完整的料幕（瀑布面）是影響加料（香）工序在制品加工品質的關鍵因素之一。關于滾筒內物料的運動情況，許多學者對此進行研究，其中鄧國棟[2]等對煙絲在滾筒烘絲機內的運動狀態進行了分析，但多數只是停留在理論分析上，而對物料料幕方面的研究則很少。傳統的觀察筒內料幕的方法是在生產中通過滾筒出口端觀察窗進行觀察，但由于生產過程中筒內光線不足、蒸汽彌漫，無法看清滾筒內物料料幕情況。為深入研究滾筒內料幕的完整性，對料幕的完整性有真實的了解，首先需要建立對料幕完整性檢測和評價的方法。本文主要對一定區域料幕的完整性的檢測和評價方法進行論述，并通過實驗驗證其可行性，為實際生產作指導。

1 滾筒內料幕完整性圖像分析的基本過程

對于滾筒內料幕完整性的圖像分析的過程大致可以按照圖1所示進行。

1.1 明確測量分析對象 為分析滾筒內料幕的完整性，主要針對加料噴嘴輻射區域的料幕，所以將“加料區域的料幕”作為測量分析的對象。

1.2 圖像拍攝 在明確測量分析對象后，要使用適當的方法拍攝下這個對象：將高速、高清攝像設備固定在筒內制作的支架上，對在加料區域內且與滾筒軸向平行的料幕進行拍攝，并將拍攝到的影像進行截圖，以圖片形式進行保存。

1.3 確定圖像圖形 分析照片上的圖像元素，確定能反映測量對象特征特性的圖像圖形：為了研究料幕的完整性，將“拍攝區域內露出的筒壁”作為能反映測量對象特性的圖像圖形。

1.4 使用Image-Pro Plus軟件分析測量 在將“拍攝區域內露出的筒壁”作為能反映測量對象特性的圖像圖形后，使用專業的圖像分析軟件Image-Pro Plus對圖片上的圖像圖形進行測量，得到相應的測量數據。Image-Pro Plus是功能強大的2D和3D圖像處理、增強和分析軟件，具有異常豐富的測量和定制功能。在分析料幕的完整性時，主要使用其中的COUNT/SIZE功能，測得“拍攝區域內露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例α”數據，其測量過程大致可按照圖2所示進行。

2 應用案例

2.1 材料與設備儀器 實驗設備：德國虹霓公司KAS滾筒加料機；實驗材料：經過松散回潮設備加工后的煙葉原料300kg；實驗圖像拍攝設備：SONY-高速、高清攝像機（自帶攝影燈）；攝像機固定支架。

2.2 實驗方法 （1）將加料機進行本地-單機操作，加料、加水、熱風系統均關閉；（2）將帶有支架的攝像機放在滾筒內離入口1m處準備料幕拍攝；（3）通過改變皮帶秤頻率，改變煙葉來料流量；（4）通過改變設備參數，改變滾筒轉速；（5）調整各參數（表1），對拍攝影像進行保存。

表1 因素水平

[水平因素＼&滾筒轉速（r）＼&工藝流量（kg/h）＼&1＼&12＼&4800＼&2＼&10＼&5200＼&3＼&8＼&5600＼&]

2.3 使用Image-Pro Plus軟件分析測量

2.3.1 圖像預處理 當滾筒轉速為8r，工藝流量為4 800kg/h時，對物料料幕穩定后拍攝的影像進行截圖，截圖原圖如圖3（a）所示，然后對原圖進行“best fit equalization”調節，調節后圖像如如圖3（b）所示。

2.3.2 選擇測量項目 在count/size窗口的measure菜單項下點擊select measurements，調出這個選擇測量項目的窗口。左邊列出了所有可供選擇的測量項目，中間是已經選擇的測量項目，為了測定“拍攝區域內露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例α”，將“Per Area （obj./Total）”選為測量項，如圖4（a）所示。

2.3.3 選擇測量環境 在count/size窗口里點擊options 按紐，調出這個options窗口，設置測量環境。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 選擇測量區域 點擊 select color按紐，用選擇顏色范圍的方法來選擇測量區域，調出segmentation工具。其中Sensitivity數值調整選擇顏色的范圍大小，可根據需求選定，如圖4（c）所示。選定測量區域后如圖4（d）所示。

2.3.5 選擇測量區域 選擇好各項測量參數環境，使用segmentation作了選色后，點擊count按鈕進行測量。

2.3.6 提取測量數據 在count/size窗口的view菜單下選擇“statistics”選項，調出測量數據，如圖4（e）所示。通過查看圖4（e）可見，測得拍攝區域內露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例α=12.34%。

2.4 結果與分析

2.4.1 物料運動軌跡分析 通過圖像處理的方式對滾筒內物料真實運動軌跡進行研究，研究結果如下：（1）當滾筒轉速為8r時，物料在運動過程中，絕大多數物料在09：30方向以下（拋出角β約5°）貼滾筒壁做圓周運動，未顯現出明顯的拋物運動，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）當滾筒轉速為10r時，物料在運動過程中，物料主要分3個部分，第一部分絕大多數物料在09：30方向以下（拋出角β約10°）貼滾筒壁做圓周運動未顯現出明顯的拋物運動，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）當滾筒轉速為12r時，物料在運動過程中，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°）以下做圓周運動和拋物運動，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。

通過滾筒出料端對物料運動的觀察和記錄，找出工藝流量為5 200kg/h時，相應滾筒轉速對應的物料拋出角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，測量筒內物料運動過程中截面內露出筒壁的面積占固定圖像面積的比例，進行比較分析，得出評價結果見表3。

對表3數據運用minitab統計軟件進行統計分析，結果見圖8。

首先進行方差一致性檢驗（圖9），可見，Levene檢驗中P值均大于0.05，即可確認各組方差齊，在此基礎上進行雙因素方差分析。

由表4可以看到：（1）滾筒轉速（r）：P=0.001<0.05，即認為不同的滾筒轉速時的拍攝截面內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，即認為不同的工藝流量時的拍攝截面內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 結論

本文運用Image-Pro Plus軟件，將圖像分析法運用在煙草行業，分析滾筒內料幕的完整性，得到如下的結論：

（1）通過建立的圖像分析方法可對滾筒料幕完整性進行分析。

（2）使用本文講述的分析方法，可將料幕的圖像特征進行量化，相較人眼分辨，研究結果更科學、直觀、具有更強的可比性。

（3）通過實證研究，滾筒的轉速和工藝流量同時對物料在滾筒內的運動形態和軌跡有一定的影響，其中滾筒轉速對物料的料幕完整性影響顯著，當滾筒轉速為12r時，物料料幕完整性相對較好，物料的運動軌跡有利于工藝加工性能的充分發揮。

參考文獻

[1]章濤.卷煙配方設計、生產工藝技術與感官鑒定及質量控制檢驗實務全書[M].北京：中國科技文化出版社，2005.

[2]鄧國棟，王宏生，李斌，等.滾筒烘絲機中煙絲運動的模擬與試驗[J].煙草科技，2007，9：13-17.

（責編：張宏民）