基于ImageJ的卷煙包灰值定量測定方法優化

馮亞婕FENG Ya-jie 王建民 - 梁 淼 穆 林 馬勝楠 - 王懷煦 - 徐凌鶴 g-

(1. 鄭州輕工業學院，河南 鄭州 450000；2. 貴州中煙工業有限責任公司技術中心,貴州 貴陽 550009)

包灰性能是衡量卷煙品質、體現卷煙檔次的重要指標。卷煙的包灰性能好，煙支燃燒后煙灰柱緊致美觀，包灰性能差，則煙支在抽吸過程中掉灰嚴重，不僅污染環境還影響消費者的體驗[1-3]。引起卷煙包灰性能差的因素有多種，其中最主要的是卷煙紙和煙絲燃燒速度的匹配性，如卷煙紙的燃燒速度大于煙絲的燃燒速度，導致煙絲來不及變成煙灰，包裹在煙絲外圍的卷煙紙就無法向內凝結而散落[4-5]。

隨著卷煙技術的不斷發展以及消費者對高品質卷煙的追求，探索影響包灰性能因素和改善卷煙包灰性能受到研究者們的廣泛關注。例如，鄒中亮等[6]考察了卷煙紙定量、透氣度對包灰效果的影響，表明卷煙紙定量達到一定值后出現卷煙紙與煙絲燃燒不匹配現象，卷煙紙定量不宜超過40 g/m2，此外，在卷煙紙透氣度<90 CU時，提高透氣度有利于包灰性能和燃燒速度的提高。

建立卷煙包灰性能的評價方法[7-8]是指導提升卷煙品質、改善包灰性能的基礎。程占剛等[9]建立了從包灰松緊度、裂紋、灰分顏色多方面對卷煙包灰進行肉眼觀察和語言描述評價的方法，該方法涵蓋指標全面，但存在主觀描述不準確的問題；建立定量評價卷煙包灰性能的方法可減少人為影響因素，王道寬等[10]采用數碼相機拍照，利用ImageJ圖像處理軟件分析包灰灰柱裂紋比例，建立了基于包灰值的卷煙包灰性能定量分析方法，但方法中僅對卷煙灰柱搭口背面進行裂紋分析，不能全面反映整個灰柱的包灰狀況，且相對標準偏差較大，方法穩健性有待提高。

本研究擬從卷煙燃燒面選擇、燃燒灰柱高度確定及圖像分析時適宜的灰柱寬度選取三方面對基于ImageJ軟件[11]的卷煙包灰值測定方法進行優化，以建立全面準確地定量評價卷煙包灰性能的方法，并提高其重復性和可靠性。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器及設備

試驗樣品：市售的4種不同檔次的卷煙，以下稱為1#、2#、3#、4#；

卷煙包灰性能測試箱：自行設計并搭建的，結構示意圖及實物圖見圖1；

恒溫恒濕箱：KBF240型，德國Binder公司；

數碼相機：佳能EOS70D型，佳能(中國)有限公司。

1. 箱體 2. 排煙裝置 3. 箱體支座 4. 柔性導管 5. 煙支固定玻璃導管(長) 6. 拍照背景布 7. 包灰測試架 8. 卷煙

圖1 卷煙包灰性能測試箱結構示意圖及實物圖

Figure 1 Structural diagram and physical map of burning cigarette ash integration test box

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案設計

(1) 單支卷煙單個燃燒面試驗方案：參照文獻[10]中測定卷煙包灰值的方法，選取15支進行包灰值測定，取其平均值作為測定結果。制作卷煙灰柱時，將煙支燃燒長度設定為距離接裝紙1 cm處，并選取卷煙紙搭口背對相機的方向進行拍照；進行圖片處理時，使用25 mm×15 mm的矩形框從距離煙支燃燒端5 mm處由上而下截取圖片區域。

(2) 3支卷煙3個燃燒面試驗方案：為考察不同燃燒面對測量結果的影響，取45支卷煙隨機分成15組、每組3支；同組內的3支卷煙分別測定不同燃燒面(卷煙紙搭口面、卷煙紙搭口背面、卷煙紙搭口側面，以下分別稱為A、B、C面)的包灰值，取3個燃燒面的平均值為該組的測定結果，取15組的平均值作為最終測定結果。其他條件不變，卷煙3個不同燃燒面示意圖見圖2。

(3) 不同灰柱高度及圖像選取區域寬度試驗方案：為考察灰柱高度及圖像選區區域寬度對測量結果的影響，在3支卷煙3個燃燒面試驗方案基礎上，制作灰柱時將卷煙燃燒高度分別設定為距離接裝紙1.0，1.5，2.0 cm處；進行圖像處理時，矩形選取框高度不變、寬度由15.00 mm縮小至6.46 mm(圖3)，且從灰柱底部標記線處由下而上選取圖片區域。

圖2 燃燒面選擇Figure 2 The selection of combustion surface

圖3 不同區域選擇Figure 3 Different area selection

1.2.2 測定步驟及方法

(1) 樣品準備：試驗開始前，試驗樣品在溫度為(22±1) ℃，相對濕度(60±2)%的恒溫恒濕箱中平衡48 h[12]；按照試驗方案要求的灰柱高度在距離接裝紙1.0，1.5，2.0 cm處劃線作標記。

(2) 灰柱圖片采集：點燃煙支并垂直放置于測試箱內的煙支架上，依照試驗方案要求使相應燃燒面正對相機，待到煙支燃燒至標記線處時立即用數碼相機拍照。試驗過程中相機位置始終保持不變，相機參數設定為：感光度400，對焦500，光圈5.6，照明條件為白熾燈，曝光模式選擇AV(光圈優先自動曝光)，單點伺服對焦。

(3) 圖片處理：將采集的灰柱圖片導入電腦，啟動ImageJ軟件。使用Open(打開)功能打開需處理的圖片，使用Split Channels(分開色頻)功能對灰柱圖片分離三原色，并選擇分離之后的Blue(藍色)基色。使用Straight Line(直線選取)工具設置比例，根據試驗方案要求截取灰柱圖片并復制。使用Adjust Threshold(調節閾值)功能使區域內灰柱中的裂紋盡可能顯色并應用，見圖4(a)。運行Plugins(插件)功能打開已安裝的Macros(宏)，并計算灰柱的黑白比例，其中Percent White(白色所占比例)即為包灰值[13]，見圖4(b)。

圖4 包灰值計算結果圖Figure 4 Calculation of ash integration value

1.3 數據分析

采用Excel對所測數據進行平均值計算，并通過計算相對標準偏差說明試驗重復性，進而采用Spss數據分析軟件進行試驗結果比對。

2 結果與分析

2.1 單支卷煙單個燃燒面試驗

按照單支卷煙單個燃燒面試驗方案測量4種不同卷煙的包灰值，結果見表1。1#～4#卷煙的包灰值分別為2.086，1.924，2.607，1.760；方差分析結果為極顯著(P=0.004)，表明采用單支卷煙單個燃燒面的包灰值能夠區分不同卷煙的包灰性能。各牌號卷煙包灰值測量結果的RSD為26.18%～34.52%，說明測量結果的重復性較差。

2.2 3支卷煙3個燃燒面試驗

針對單支卷煙單個燃燒面的包灰值測定結果重復性差的問題，文獻[10]提出了首先將5支卷煙的測量結果取平均值、然后利用10組的平均值計算RSD的解決方案。然而這種數據處理方法缺乏依據，煙支分組方式不同結果也會出現較大的出入，并且燃燒面均為搭口背面，不能從不同角度全面地反映卷煙整體包灰狀況。為此，本研究提出了3支卷煙3個燃燒面為一組的優化方案。

表1 各牌號卷煙包灰值測定結果Table 1 The results of different brand cigarette ash integration value

4種牌號卷煙的3支卷煙3個燃燒面試驗結果見表2。由表2可知，對同一牌號、不同燃燒面的包灰值測量結果進行對比發現，A面的包灰值普遍低于B、C面，表明不同卷煙燃燒面包灰狀況不一，尤其是搭口面朝向會影響包灰值測量結果，因此，綜合3個燃燒面的測量結果可以更全面地反映卷煙的包灰性能；1#～4#卷煙的包灰值分別為2.783，1.694，2.931，3.036，方差分析結果為極顯著(P=0.000)，表明采用3支卷煙3個燃燒面測量結果的均值能夠有效區分不同卷煙的包灰性能；測量結果的RSD為17.09%～23.70%，與單支卷煙單個燃燒面相比重復性明顯改善。

表2 各品牌不同燃燒面包灰值測定結果Table 2 The results of cigarette ash integration value of each combustion surface

2.3 不同灰柱高度及圖片選擇區域寬度試驗

實際測量過程中發現，由于存在不同程度的外翻灰片和灰柱彎曲現象，圖像區域選擇的位置和寬度對包灰值測量結果及其重復性有較大影響。

2.3.1 外翻灰片對測量結果的影響 不同卷煙產生外翻灰片的數量和程度不同，選擇圖像區域時如果將外翻灰片也包含進去，會導致以下不利影響：① 所選區域中包含外翻灰片之外的空白(無效)區域，且空白區域面積的大小與外翻灰片的數量和程度有關；② 外翻灰片與灰柱間的陰影會影響裂紋的識別。為此，將圖像選取區域寬度由之前的15.00 mm縮小至6.46 mm(略小于灰柱主體直徑)，以消除外翻灰片的影響。

2.3.2 灰柱彎曲對測量結果的影響 當灰柱達到一定高度時會發生不同程度的彎曲、且頂端彎曲更明顯，使用縮小寬度后的矩形框選擇圖片區域時容易導致彎曲部分出框，并在選擇區域內形成空白區域。另外，由于煙支“緊頭”、初始燃燒狀態不同等可能導致頂端包灰性能與其他部位存在差異?；谏鲜鲈?，將選擇圖片區域的方式改為從灰柱底部標記線處由下而上選取，同時選取不同的燃燒高度，以考察灰柱彎曲對灰柱高度的影響，結果見表3。

灰柱高度對同牌號卷煙平均包灰值的影響不大，但對RSD的影響較大，表現為隨灰柱高度的增大，RSD呈降低的趨勢?？紤]到進一步增加灰柱高度時不僅會延長測量時間，灰柱出現斷裂的頻率也升高，因此，將拍照時機定在煙支燃燒至距離接裝紙1.0 cm處；與表2所示測量結果相比，縮小圖片選擇區域寬度后包灰值測量結果明顯升高，以標記線1 cm 時的測量結果為例，1#～4#樣品的升幅分別為22.6%，128.6%，32.0%，82.5%；4個樣品包灰值排列順序也由原來的4#>3#>1#>2#變成了4#>2#>3#>1#?？梢?，縮小圖片選擇區域寬度、排除外翻灰片后包灰值測量結果發生了明顯變化，這應當是與減少了圖片選擇區域內的空白區域的面積有關。

表3 不同灰柱高度小區域選取時包灰值測定結果Table 3 Determination of ash value with different height of ash column and selection of small area

3 結論

(1) 采用灰柱拍照、ImageJ圖片分析技術定量測量卷煙包灰值時，由于卷煙紙搭口的原因，拍照方向對測量結果的影響較大；且以單支卷煙、單個燃燒面為單位測量結果的重復性也較差。為此，提出了3支卷煙、3個燃燒面為一組的改進方案，即以3支卷煙為1組，分別從正對搭口、背對搭口、側對搭口3個方向對燃燒后的灰柱進行拍照、分析，并取3支卷煙測量結果的平均值作為一次測量結果?！?支3面”測量方案能夠更全面地反映卷煙的整體包灰性能，并能明顯改善測量結果的重復性。

(2) 拍照時的灰柱高度和分析時的圖片選擇區域寬度對包灰值測量結果及其重復性也有較大影響。在圖片選擇區域高度一定時，適當增加灰柱高度并以灰柱底部為起點選擇圖片區域，有利于避開頂部彎曲現象對測量結果的影響，提高重復性；將圖片選擇區域寬度限定在灰柱直徑范圍以內，則可以避免外翻灰片對測量結果的影響，進一步提高精準度。

(3) 與改進前相比，4個參試樣品重復測量結果的RSD由26.18%～34.52%下降到15.3%～20.6%，改進效果較明顯。

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