多光譜成像在卷煙工序上的煙絲檢測應用

摘要：本文簡要介紹了多光譜的成像原理、基本結構、性能特點、使用技巧，并重點說明它在卷煙生產線的質量檢測的應用前景、工作原理等

關鍵詞：4CCD；多光譜成像；可見光成像；紅外成像；X成像；煙絲檢測

引言：

傳統的卷煙設備，都采用風管從儲絲房輸送煙絲給卷煙機，隨著細支煙的流行，卷煙工藝對煙絲的要求也越來越高，例如，煙絲的純度、煙絲的雜物含量、梗簽含量，這些都會嚴重影響卷煙的指標。基于多光譜成像的檢測模式，檢測速度大大提升，將來可應用于煙絲精選生產的工藝環節。

1、多光譜成像的工作原理

1.1 CCD技術

電荷耦合器件（charge coupled device）英文簡稱CCD。是美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯與1969年發明的。它是在MOS集成電路技術基礎上發展起來的，為半導體技術應用開拓了新的領域。它是具有光電轉換、信息存儲和傳輸等功能，具有集成度高、功耗低、結構簡單、壽命長、性能穩定等優點，故在固體圖像傳感器、信息存儲和處理方面得到了廣泛的應用。

CCD圖像傳感器能夠實現圖像信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次的內容和豐富的可視圖像信息，被廣泛應用于軍事、天文、醫療、廣播、電視、傳真同學機器工業檢測和自動控制系統。其主要的參數有：

1.光譜靈敏度

CCD的光譜靈敏度取決于量子效率、波長、積分時間等參數。量子效率表征CCD芯片對不同波長光信號的光電轉換本領。不同工藝制成的CCD芯片，其量子效率不同。靈敏度還與光照方式有關，背照CCD的量子效率高，光譜響應曲線無起伏，正照CCD由于反射和吸收損失，光譜響應曲線上存在若干個峰和谷。

2.CCD的暗電流與噪聲

CCD暗電流是內部熱激勵載流子造成的。CCD在低幀頻工作時，可以幾秒或幾千秒的累積（曝光）時間來采集低亮度圖像，如果曝光時間較長，暗電流會在光電子形成之前將勢阱填滿熱電子。由于晶格點陣的缺陷，不同像素的暗電流可能差別很大。在曝光時間較長的圖像上，會產生一個星空狀的固定噪聲圖案。這種效應是因為少數像素具有反常的較大暗電流，一般可在記錄后從圖像中減去，除非暗電流已使勢阱中的電子達到飽和。

晶格點陣的缺陷產生不能收集光電子的死像素。由于電荷在移出芯片的途中要穿過像素，一個死像素就會導致一整列中的全部或部分像素無效；過渡曝光會使過剩的光電子蔓延到相鄰像素，導致圖像擴散性模糊。

3.轉移效率和轉移損失率

電荷包從一個勢阱向另一個勢阱轉移時，需要一個過程。像素中的電荷在離開芯片之前要在勢阱間移動上千次或更多，這要求電荷轉移效率極其高，否則光電子的有效數目會在讀出過程中損失嚴重。

引起電荷轉移不完全的主要原因是表面態對電子的俘獲，轉移損失造成信號退化。采用“胖零”技術可減少這種損耗。

1.2 多光譜成像（RGB+IR+X）

所謂的多光譜，其特點在于一套設備上分布有一個或則多個CCD工業相機。

常用的4CCD感光芯片，采用棱鏡分光技術，每一個感光芯片對紅、綠、藍、紅外四個波段進行成像。其中棱鏡分光有別于相互交叉分布成像，棱鏡分光成像的每一個pixel感應的光線是同一束光纖，不存在相機的相位差。該CCD的頻譜范圍分布為400nm到1000nm的感應范圍，可以有效的對煙葉和煙梗的多個波段進行成像。

X射線是一種電磁波，具有很強的穿透能力，甚至能夠穿透一定厚度的鋼板，因此常被用于對物體內部的透視成像。自1895年被德國物理學家倫琴發現后，X射線首先被運用到醫學成像與診斷上，在隨后的一百多年當中，在醫學、安全檢查、無損檢測、工業探傷等領域中均發揮了巨大作用。X射線透視成像技術是違禁品檢查領域最基本的、也是最早得到廣泛應用的方法。其中X射線的分布范圍0～200nm波段，基于CCD上設計有閃爍體的結構，可以有效的把X射線的轉換為電信號，從而完成圖像的收集。

采用X射線透視成像可以有效的分辨煙絲、梗簽，并提取出梗簽的含量。

2 多光譜成像在卷煙工序上的煙絲檢測應用

隨著卷煙工藝的提高以及設備的生產速度越來越高，對煙絲的要求也提高到新的層次。例如，在制絲環節很難控制煙絲中的雜物含量，現有的除雜設備運行效率、除雜效果都不是最好的情況，同事生產過程中還好引入新的雜物，如果雜物進入卷煙設備，雜物就會跟著一起卷成成品煙支，影響品牌和口碑；隨著細支煙的流程，煙支越細，如果出現一點梗簽，會直接導致煙紙炸裂，吸阻指標達不到，帶來很多廢煙，浪費原材料；同時，生產速度的提高，煙支內部的梗簽也要求更小，否則生產的成品率無法提高。為了進一步提高煙絲的純度，采用多光譜的圖像式檢測方式，可以有效提升設備的煙絲的純度，更加有效的控制產品質量和生產的各項指標。

2.1 煙絲檢測設備的構想

基于上述的行業背景，采用工業4CCD和X射線的成像檢測手段是當下煙絲質量的一個潛在的突破點。該4CCD成像單元，可以同時抓捕提取可見光波段和紅外波段的圖像，X射線成像具有透光特性，同時多波段布局有利于對煙絲和梗簽的分離，便于后端的圖像處理和分析。

檢測的設備的設計布局，改造管道輸送結構，物料經過圖像成像窗口，上下布局由可見光光源和高亮度紅外背光光源組成，采用多光譜4CCD相機對運動的煙葉和煙梗進行成像，同時提取可見光波段的圖像和紅外波段的圖像。

采集到的多光譜圖像后，進行分割、煙絲煙梗分類、尺寸測量、雜物識別模型的建立等一系列算法的處理，最后計識別出雜物、煙梗，并同步控制電磁閥動作，把雜物和超出規格尺寸的梗簽及時剔除。

2.2 可行性實驗

針對以上的設計構思，對煙絲和煙梗進行成像預演，其實驗環境如下：

2.3 需要克服的問題

在整體布局方面，采用4CCD+X射線成像，涵蓋的波段范圍較寬，可以分別識別雜物和梗簽，成像效果是最好的。關鍵難點：

1、煙絲輸送速度較快：由于顏色輸送速度較快，圖像采集的速度比快，因此圖像的曝光時間較短，所需要的光源也越亮，光的散熱會是一個大問題，需要獨立的水冷散熱。

2、物料存在拖影現象：對高速運動物體拍照，都會有一點拖影現象，曝光時間不能調的太小，對后期的圖像處理是一個考驗

在卷煙生產過程中，煙絲品級、水分、產地、環境溫度參數等，對應煙絲和煙梗的顏色、密度產生不同的影響。在識別雜物的過程中，需要根據不同的品牌制作相應的識別數據庫，進而提高設備的檢測準確率。

本應用方案的優勢在于檢測速度快，且可見光、紅外波段、X射線的光譜范圍涵蓋了0.1nm～1000nm的全光譜范圍。另外，對于高端的多光譜4CCD和X成像技術，應用于煙絲量檢測尚屬首次，如果對檢測后的控制體系設計得當，提升卷煙生產線的智能化程度。

參考文獻：

[1]李果；許成；袁興；朱云霞基于智能相機的殘煙絲異物智能剔除系統的研究科技創新導報2016-08-03

[2]朱文魁；劉斌；毛偉俊；席建平；鐘科軍基于低能X射線透射成像的打葉片煙中煙梗在線檢測煙草科技2015-02-15

作者介紹：張磊磊 1984年6月生 籍貫：貴州遵義 學歷：本科 研究方向：工業自動化。