基于機器視覺的煙葉自動分級方法研究

鄧晨曦

摘 ? 要：本文介紹了煙葉分級的意義、煙葉分級現狀、現有的煙葉質量檢測手段以及煙葉的等級分類標準。為了使煙葉分級的過程更加高效化，減少人力成本的使用，設計了一種新型基于機器視覺的煙葉自動分級方法，較為詳細的闡述了該設計中的圖像采集過程、圖像處理過程、煙葉外觀提取過程以及煙葉識別與分級過程。通過本設計的應用可以有效提升煙葉分類的效率和準確度，促進我國煙草行業的長期穩定發展。

關鍵詞：煙葉分級 ?機器視覺 ?模糊識別

中圖分類號：TP391.41;TS45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0039-02

1 ?概述

1.1 煙葉分級意義

煙草屬于茄科。煙草的種類有很多，但是為了實現煙草制品的商業化制作和銷售，就必須從所有的煙草種類中選擇出適宜人工培育的品種。煙草種植行業在全球范圍內發展速度，目前世界范圍種植的煙草種類不超過10種，僅僅占到了所有煙草種類的一小部分。通常意義上所指的煙草僅僅是指煙葉植物，煙葉就是煙草植物的葉片，主要有兩類，其一是正在生長的煙草農作物上的葉片，其二是已經經過了初步調制，但是未加工成煙絲成品的煙葉。煙草從農作物階段到成品煙絲階段需要經歷多個流程和步驟，多重加工之后才能成為商品進行售賣。我國是煙草種植和消費大國，無論是從煙草相關農作物的種植數量上看還是從煙草成品的消費情況來看，均排在世界前列。因此，在煙草生產的過程中如何高效率、高標準的完成對煙草的分級篩選，對于我國甚至全世界的煙草生產行業都可以在很大程度上減少人力的使用，提升煙葉的質量和品質。

1.2 煙葉分級現狀

基于我國煙草制品消費大國的現狀，我國煙葉種植行業在我國第一產業中居于重要地位。與第一產業中的其他種植業相比，煙草種植業的自動化、機械化程度較高。例如，在煙草種植行業中幾乎普及了全自動采收機和全自動編葉機等設備。但是在煙葉分級自動化設備方面，與生產過程的其他環節相比其智能化和自動化水平還較低。在煙葉分級的過程中，大多數國家的煙草生產商每年仍然需要雇傭大量的人工完成煙葉分級工作。

煙草制品生產商需要從煙葉種植農業生產者手中收購生產的原材料即煙葉產品，在這個過程中必須進行煙葉分級以實現對交易雙方的公平性。人工進行的煙葉分級僅僅是依靠人體感覺器官對煙葉等級進行的主觀評定。這種主觀評定主要存在兩個方面的缺陷和弊端。其一，在大宗煙葉農作物生產的過程中，煙葉分級的過程將消耗大量的人力成本和時間，這在一定程度上會降低交易的效率。其二，由于人工進行的煙葉分級是一個純主觀的過程，在主觀判斷的過程中很可能出現買賣雙方對于煙葉等級評定意見相左的情況，不利于維護交易的公平性。除此之外，不同地區、不同分類定級人員之間存在的標準差異，也會在一定程度上阻礙煙草收購活動向統一化發展。

1.3 現有煙葉質量檢測手段

對于煙葉質量的機器檢測，一般情況下都會使用通過對煙葉內部的化學成分進行檢測的方式對煙葉的品質進行判斷和分析。通過對煙葉內部的化學成分進行檢測的方法判斷煙葉的品質有以下幾點優勢。其一，對煙葉本身的化學成分進行檢測可以準確的對煙葉的品質做出判斷，相較于人工識別和分類具有更強的準確度。其二，對煙葉的化學成分進行界別相較于其他鑒別方式的穩定性更強。但是從客觀上來講，在目前的技術水平下，人們尚且無法通過任何技術手段在煙葉內部化學成分的構成和煙葉品質之間構建起明確的關聯性。該方面技術水平在無法取得突破的情況下，采用化學成分作為煙葉分級的參考依據具有一定的缺陷。除此之外，通過鑒別化學成分的方式對煙葉質量進行鑒別首先需要對煙葉進行一定的處理。只有經過特殊處理的煙葉檢測設備才能分析其中的化學構成。因此，采用化學成分的鑒別方法對煙葉進行分析可行性不強。

2 ?煙葉的等級分類標準

目前對于煙葉的等級分類標準有多種。由于本文中采用了機器視覺自動識別分類計數，因此在選取煙葉等級分類標準時應當選擇以外觀、外表性狀為主要鑒別依據的分類標準。在我國，存在烤煙相關的等級分類標準。筆者以上述分類標準為依托將煙葉不同部分的顏色作為其中一個等級劃分標準。筆者將所有可能出現的煙葉顏色分成八種類別。將煙葉的成熟程度分為兩種類別。在葉片結構方面，根據葉片結構的松散程度的不同劃分為三個類別。煙葉根據其生長環境的不同，煙葉本身所含有的油性成分也存在不一致的情況，因此筆者根據煙葉油性成分多少的不足為煙葉劃定了三個標準。最后，筆者根據煙葉色度的不同，又確定了三種類別。在基于機器視覺的煙葉自動分級設計中，其本質就是根據煙葉外表特征進行分類，因此筆者設定了上述分類標準。按照煙葉細胞排列的松散程度的分類如圖1所示。

3 ?機器視覺煙葉分級技術的實現過程

3.1 圖像采集過程

本設計如果想準確的實現根據煙葉外表性狀進行煙葉分級就必須先完成機器學習的過程。因此，在實現煙葉分級之前必須先為機器提供清晰度高的圖像使其完成機器學習。在圖像的采集階段，實現了高質量圖像采集級采集到清晰度高的圖片的前提條件。在本設計中，裝配了多種的圖像設備進行的圖像采集，有數碼照相機、CCD圖像傳感器以及高清晰度的掃描儀等。根據不同的采集環境和條件，選取不同的圖像采集設備以實現高質量的采集效果。在圖像采集的過程中，可能會出現多種不利條件使圖像采集出現困難，但是為了后期機器識別和分級的準確性，必須克服可能出現的不利因素，為后期機器識別奠定基礎。除此之外，為了避免一次采集出現的圖像不穩定性，對同一片參考煙葉需要進行三次以上的圖像采集，并將三次的采集圖像均錄入到系統之中。除此之外，還要注意在圖像采集的過程中保證外界光線不進入采集區域。如果外界光線進入，就會導致圖像采集不準確，給后期對煙葉的識別和分級過程帶來不利影響。

3.2 圖像處理過程

由于在參照圖像的拍攝過程中，可能會受到各種環境因素例如光照條件、拍攝角度、拍攝位置的影響。在各種不利條件的影響下，可能會導致圖像質量不穩定，這將對后期的機器學習和機器識別造成不利影響。因此，在圖像采集完畢后必須進行圖像的處理工作。通過對即將輸入系統的圖像進行預處理，主要實現的目的有以下三點。其一，提高圖像的質量。通過圖像的預處理活動可以增強圖像的清晰度，減少圖片中可能出現的噪點，提高后期機器識別的效率以及準確度。其二，可以去除圖像中與識別無關的圖像信息，例如煙葉放置臺等多余的圖像，增加信息的有效程度。其三，可以實現對圖像的簡化，減少后期機器學習的時間和成本。

3.3 煙葉外觀特征提取過程

在對煙葉進行外觀識別的過程中，一張參照圖像中可以提取出與分類定級相關聯的多項信息。前文中筆者為煙葉的等級分類從不同維度劃定了相應的等級標準。因此，在此過程中需要對參照圖像中與分類標準相契合的信息進行提取。該過程也是機器學習的重要過程，通過該過程機器將實現圖像與分類標準的匹配，形成原始數據庫。后期的機器識別過程將依托原始數據庫中記錄的信息進行識別與分類。在設備的具體使用場景下，系統將對需要進行識別的煙葉目標按照分類標準的要求進行關鍵信息提取。

3.4 煙葉識別與分級過程

在煙葉識別與分級的程序中，首先需要對煙葉進行模糊識別。在模糊識別的過程中，采用了聚類模糊分析的方法，通過該流程，可以將不確定的識別對象進行相對合理的分析，使得同一組中的若干圖像屬于同一類，以便此后的精準識別。經歷模糊識別后，就可以進入識別與分級程序。本設計的圖像采集設備將對進入設備中的煙葉進行自動化圖像采集，對采集到的圖像進行簡化處理并提取其中和分級活動相關聯的有效信息。完成上述活動后，設備將進入分類環節。系統將從識別目標中提取的信息與分級標準進行一一對照，根據分類定級標準將識別目標劃分為不同的等級，最終將分類結果傳輸至用戶使用的計算機終端上。除此之外，系統還能為用戶提供關于整批煙葉質量水平的智能化參考建議，供用戶在煙葉收購或出售活動中進行參考。在該類設備實現廣泛推廣與應用以后，還能根據整個行業的實時收購情況為用戶提供市場建議。

4 ?結語

本設計是基于機器視覺識別技術的煙葉等級分類智能化系統。相較于基于其它技術例如化學成分鑒別等具有顯著的實用性和高效性。本設計通過圖像采集、圖像處理、煙葉識別與分類等若干過程實現了煙葉的準確分級，其在效率和準確識別穩定性上均要強于人工識別。該技術的廣泛應用和推廣，可以有效提升我國煙草行業的生產效率。除此之外，自動煙葉分級系統還能在一定程度上促進我國煙葉收購活動的標準化和統一化，促進該行業的長期穩定發展。

參考文獻

[1] 李麗娟，曹紅梅，何斌，等.利用煙葉外觀與內在質量相關性完善煙葉分級探析[J].現代農業科技，2017（5）：245-246.

[2] 程學青.煙葉分級參比樣的建立與使用[J].現代農業科技，2013（15）：76-77.

[3] 王亞平.煙葉分級存在問題及改進措施[J].寧夏農林科技，2013，54（1）：112-113.

[4] 申振宇，申金媛，劉劍君，等.基于神經網絡的特征分析在煙葉分級中的應用[J].計算機與數字工程，2012，40（7）：122-124.