基于變徑圓的煙絲寬度圖像檢測(cè)方法

劉洪坤，鄧國(guó)棟，李 斌，周 博，趙繼俊，陳志浩，朱文魁

中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

煙絲是卷煙生產(chǎn)的核心材料，也是生成卷煙煙氣的主要來(lái)源。煙絲寬度對(duì)煙支物理指標(biāo)和化學(xué)性質(zhì)都有一定的影響［1-2］。一方面隨著煙絲寬度增加，煙支單支質(zhì)量、總通風(fēng)率及煙支物理指標(biāo)穩(wěn)定性有所降低，并且煙氣中揮發(fā)性香味物質(zhì)逐漸降低，煙氣質(zhì)變得粗糙，感官質(zhì)量也有所降低［3-4］；另一方面，煙絲寬度的增加會(huì)導(dǎo)致燃燒錐體積減小，燃燒錐的低溫區(qū)體積增加、高溫區(qū)體積減小，因此通過(guò)調(diào)整切絲寬度搭配，能有效降低燃燒錐特征溫度T0.5，降低CO釋放量［5］?？焖儆行У貦z測(cè)煙絲寬度，對(duì)調(diào)整煙絲寬度搭配、兼顧卷煙品質(zhì)和卷煙減害具有重要意義。ISO 20193—2012提供了一種投影法檢測(cè)煙絲寬度的方法，該方法依靠人力尋找煙絲輪廓兩側(cè)的測(cè)量點(diǎn)，過(guò)程較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力［6］。近些年，計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在煙草形態(tài)特征檢測(cè)方面已有大量研究［7-8］，夏營(yíng)威等［9］、Liu等［10］采用Hough變換檢測(cè)煙絲寬度的方法，通過(guò)計(jì)算煙絲兩側(cè)切口位置的距離檢測(cè)寬度，取得了良好的檢測(cè)效果。趙維一等［11］、邸成良等［12］采用矩陣翻轉(zhuǎn)法檢測(cè)煙絲寬度，也取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。研究基于變徑圓算法的煙絲寬度檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)煙絲輪廓內(nèi)局部最大圓直徑，并以最大變徑圓直徑作為煙絲的局部寬度，以實(shí)現(xiàn)更加靈活、準(zhǔn)確的煙絲寬度檢測(cè)，旨在為煙絲寬度檢測(cè)提供一種客觀、可靠的新方法。

1 材料與方法

1.1 檢測(cè)裝置

煙絲寬度檢測(cè)裝置包括工業(yè)相機(jī)（DFK 23GP031，德國(guó)The Imaging Source公司）、自制載物臺(tái)、夾持裝置以及計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)。為滿足圖像處理要求，采用張正友法標(biāo)定工業(yè)相機(jī)，以消除畸變影響［13］。設(shè)置采集圖像分辨率為2 560×1 920，工業(yè)相機(jī)鏡頭距離載物臺(tái)垂直距離為400 mm。為獲得良好拍攝效果，在黑色載物臺(tái)兩側(cè)布置LED（6500K）光源，并采用封閉殼體遮罩檢測(cè)裝置以減少陰影及外界光源的影響。

1.2 煙絲樣品

以6種未加香加料的煙絲（煙葉原料產(chǎn)地：攀枝花）作為取樣對(duì)象，在GB/T 16447—2004規(guī)定的環(huán)境下取樣和測(cè)量［14］，參照文獻(xiàn)［9］中的樣本容量計(jì)算方法，確定30根煙絲為一組。6種煙絲的寬度水平為0.4、0.8、1.0、1.2、1.6和2.2 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用變徑圓法檢測(cè)8種已知寬度的標(biāo)準(zhǔn)線條圖，檢驗(yàn)變徑圓算法的精確度。另外，6種煙絲樣品在恒溫恒濕環(huán)境下平衡到含水率（12.5±0.5）%，每種樣品隨機(jī)取樣30根長(zhǎng)度不小于10 mm的煙絲作為測(cè)試樣品，采用ISO投影法［6］、變徑圓法和Hough變換法分別測(cè)量6種煙絲樣品的寬度，以30根煙絲樣品寬度平均值作為該組樣品的寬度測(cè)量結(jié)果，比較變徑圓法檢測(cè)煙絲寬度的精確性和準(zhǔn)確性。

2 煙絲寬度檢測(cè)方法及比較

2.1 煙絲寬度檢測(cè)方法

2.1.1 圖像分割

圖1A為一張?jiān)紵熃z圖片，采用最大類間方差法對(duì)原始煙絲圖片進(jìn)行圖像分割。最大類間方差法計(jì)算簡(jiǎn)單，受圖像亮度和對(duì)比度的影響較小，被認(rèn)為是圖像分割中閾值選取的最佳算法［15］。圖1B為閾值處理并二值化后的圖像，可以看出，輪廓邊緣細(xì)節(jié)保留較好，說(shuō)明該方法能夠保證煙絲寬度檢測(cè)的準(zhǔn)確性與真實(shí)性。

圖1 煙絲圖像分割結(jié)果Fig.1 Segmentation result of tobacco strand image

2.1.2 圖像預(yù)處理

為了更加準(zhǔn)確地檢測(cè)煙絲寬度，對(duì)采集后的煙絲圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，包括開(kāi)閉操作、降噪、填充、邊緣檢測(cè)等處理。完成圖像預(yù)處理后，采用Zhang-Suen細(xì)化算法提取煙絲中心線［16］，圖2為單根煙絲細(xì)化操作后的圖像。

圖2 單根煙絲細(xì)化圖像Fig.2 A thinned imageof a singletobacco strand

2.1.3 變徑圓法煙絲寬度測(cè)量

對(duì)于煙絲寬度檢測(cè)，ISO方法［6］中推薦至少檢測(cè)一根煙絲的5個(gè)有效寬度值作為煙絲寬度數(shù)據(jù)。本研究中以變徑圓的最大直徑作為煙絲局部寬度，通過(guò)采集一根煙絲上多處局部寬度（≥5處），取其平均值作為單根煙絲的寬度測(cè)量值。具體步驟如下：

（1）采用Zhang-Suen細(xì)化算法［16］檢測(cè)中心線并計(jì)算長(zhǎng)度N，從中心線一端以N/10為步長(zhǎng)取點(diǎn)作為變徑圓圓心（Yx，Yy），設(shè)置變徑圓初始半徑為radius=1 px，不斷增大圓半徑。

（2）當(dāng)變徑圓增大至圓周超出煙絲輪廓（X，Y），判斷出圓周超出煙絲輪廓的點(diǎn)坐標(biāo)［（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）……（xk，yk）］，并采集煙絲輪廓外圓周的點(diǎn)坐標(biāo)，取坐標(biāo)均值作為輪廓外點(diǎn)集中心點(diǎn)（Cx，Cy）。

（3）以輪廓外點(diǎn)集中心點(diǎn)（Cx，Cy）和圓心坐標(biāo)的相對(duì)位置作為調(diào)整圓心的依據(jù)，中心點(diǎn)相對(duì)圓心坐標(biāo)的反方向作為圓心調(diào)整方向，調(diào)整一定長(zhǎng)度，以新圓心作相同半徑圓，判斷與煙絲輪廓相交情況。若有圓周點(diǎn)落在輪廓外，則重復(fù)上述步驟調(diào)整圓心位置；若無(wú)圓周點(diǎn)落在煙絲輪廓外，則繼續(xù)增大半徑，直至圓周與煙絲輪廓相切（或略微相交），則以此圓直徑作為局部煙絲寬度，繼續(xù)遍歷中心線上其他圓心點(diǎn)，直至遍歷完所有圓心位置。

（4）遍歷結(jié)束后得到如圖3、圖4所示的煙絲圖像。如圖3所示，以從左至右6個(gè)變徑圓直徑的平均值作為該煙絲的寬度測(cè)量平均值。但由于煙絲在切絲過(guò)程中存在毛刺等切割不平整情況，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)極端直徑的變徑圓，如圖4左端第一個(gè)綠色變徑圓。針對(duì)這種情況，以整根煙絲平均寬度的一半（obj/2）作為判據(jù)，大于煙絲平均寬度一半的直徑d作為寬度數(shù)據(jù)采集，小于煙絲平均寬度一半的直徑d則篩除，判據(jù)與計(jì)算公式如下：

圖3 變徑圓法檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Measurement result of the method based on circles with different radii

圖4 存在極端直徑的檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Measurement result with extreme diameter

（5）以上為單根煙絲的檢測(cè)過(guò)程，遍歷整張圖片中的所有煙絲，并統(tǒng)計(jì)煙絲寬度數(shù)據(jù)。

2.2 煙絲寬度檢測(cè)方法比較

圖5 A為ISO投影法所用的煙絲樣品夾持器，夾持器上畫(huà)有5條分布均勻的刻度線，煙絲垂直粘貼在夾持器上，通過(guò)光學(xué)方法放大煙絲圖像，手動(dòng)選擇刻度線兩側(cè)測(cè)量點(diǎn)，紅色線段長(zhǎng)度即為實(shí)際煙絲寬度值（如寬度d1）。ISO投影法檢測(cè)的原理是以?shī)A持器水平刻度線為參考，測(cè)量垂直于刻度線處的煙絲寬度值。因此，寬度值在煙絲與刻度線垂直的情況下檢測(cè)較為準(zhǔn)確，傾斜粘貼時(shí)則會(huì)出現(xiàn)測(cè)量偏差（如寬度d2）。

圖5B為應(yīng)用圖像檢測(cè)技術(shù)的Hough變換法檢測(cè)示意圖，該方法是在煙絲兩側(cè)尋找和匹配平行線段，以煙絲兩側(cè)平行線段間距離作為寬度值（如寬度d3）。由于可能存在切絲機(jī)工作狀態(tài)不佳導(dǎo)致的切絲質(zhì)量不穩(wěn)定，如圖5B所示，該工況下形成的不規(guī)則、不均勻煙絲，存在難以匹配到平行線段的狀況，或者部分匹配到的平行線段距離（如寬度d4）與煙絲寬度偏差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致難以檢測(cè)到準(zhǔn)確的煙絲寬度。

圖5C為變徑圓法煙絲寬度檢測(cè)示意圖，該方法首先確定煙絲圖像的中心軸線，進(jìn)而從中心軸線的特定位點(diǎn)處尋找最大內(nèi)切圓，內(nèi)切圓直徑即為該位點(diǎn)的煙絲寬度（如寬度d5），通過(guò)中心軸線多個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果平均即可計(jì)算出單根煙絲寬度。變徑圓法關(guān)注的是煙絲本身在不同設(shè)定位點(diǎn)處的寬度值，這與ISO投影法類似，但變徑圓法是以煙絲中心軸線作為基準(zhǔn)，確保了測(cè)定位點(diǎn)處的寬度（即內(nèi)切圓直徑）與中心軸線是垂直的。變徑圓法對(duì)不同形狀煙絲的適用性更廣。

圖5 3種煙絲寬度檢測(cè)方法示意圖Fig.5 Schematic diagrams of three measurement methods to determine the width of tobacco strand

3 結(jié)果與討論

3.1 準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)線條圖檢驗(yàn)

采用Photoshop CS6軟件繪制如圖6所示的標(biāo)準(zhǔn)線條圖，圖片包括9條已知寬度和長(zhǎng)度的矩形線條，每根線條寬度相同，長(zhǎng)度不同。類似的，共繪制8張寬度不同，長(zhǎng)度和顏色都相同的標(biāo)準(zhǔn)線條圖片。8張圖片中，以像素?cái)?shù)目統(tǒng)計(jì)的線條寬度分別為4、6、8、10、12、15、20和30 px，單像素實(shí)際寬度為0.06 mm。采用變徑圓法測(cè)量繪制的線條寬度，檢驗(yàn)測(cè)量算法的準(zhǔn)確性。

圖6 算法準(zhǔn)確性檢驗(yàn)測(cè)試圖Fig.6 The diagram of algorithm accuracy test

測(cè)量結(jié)果如表1所示，測(cè)得的線條寬度與實(shí)際線條寬度基本一致，線性擬合的確定系數(shù)R2=0.998 91，斜率k=0.996 7。其中，4 px寬度的標(biāo)準(zhǔn)線條測(cè)試相對(duì)誤差為5%，其他標(biāo)準(zhǔn)線條的測(cè)試誤差大多在3%以內(nèi)。這是由于在圖像分辨率一定的條件下，通過(guò)邊緣檢測(cè)和二值化對(duì)目標(biāo)區(qū)域分割的絕對(duì)誤差是在一定范圍內(nèi)的，因此標(biāo)準(zhǔn)線條寬度值越小，則寬度檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差就越大。此外，通過(guò)提高相機(jī)分辨率和增加變徑圓迭代次數(shù)可以進(jìn)一步提高該方法的測(cè)量準(zhǔn)確性。

表1 標(biāo)準(zhǔn)線條圖測(cè)試結(jié)果Tab.1 Measurement results of standard strands’width

3.1.2 不同切絲寬度煙絲檢驗(yàn)

從6種煙絲樣品中分別隨機(jī)取樣30根，每30根作為一組實(shí)驗(yàn)樣品，得到1#、2#、3#、4#、5#和6#樣品，以30根煙絲寬度的平均值作為該組煙絲樣品的寬度數(shù)據(jù)，分別采用ISO投影法、變徑圓法和Hough變換法測(cè)量6組煙絲樣品的寬度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，除1#樣品外，變徑圓法和ISO投影法的測(cè)量結(jié)果之間無(wú)顯著性差異（P＞0.05），和Hough變換法測(cè)量結(jié)果之間存在一定差異。以ISO方法測(cè)量的結(jié)果作為參照，變徑圓法測(cè)得的整組寬度均值更接近ISO投影法的結(jié)果。圖7為ISO投影法和變徑圓法測(cè)量30根3#煙絲樣品的擬合結(jié)果，線性擬合斜率為0.99802，表明變徑圓法測(cè)量值和ISO投影法測(cè)量值接近相等，T檢驗(yàn)結(jié)果為兩組寬度測(cè)量值在95%置信區(qū)間內(nèi)存在顯著相關(guān)。

表2 ISO投影法、變徑圓法、Hough變換法測(cè)量煙絲寬度準(zhǔn)確性對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果①Tab.2 Comparativeexperimentresultsontheaccuracyof tobaccostrands’widthmeasuredbytheISOprojection method,themethodbasedoncircleswithdifferent radiiandtheHoughtransformmethod （mm）

圖7 30根煙絲寬度測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparisononthewidthmeasurementresults of30tobaccostrands

由圖8可知，變徑圓法在最低寬度水平（1#樣品）下測(cè)量結(jié)果有所偏高，出現(xiàn)誤差一方面可能是由較低分辨率的相機(jī)引起，在較低分辨率情況下煙絲圖像邊緣處理的難度增大，精確度因此有所降低；另一方面可能是由變徑圓迭代次數(shù)較少引起，迭代次數(shù)越多測(cè)量結(jié)果越精確，因此可通過(guò)增加迭代次數(shù)來(lái)提高檢測(cè)結(jié)果的精確性。在其余寬度水平下，變徑圓法測(cè)量結(jié)果與ISO投影法的測(cè)量結(jié)果更接近，二者的測(cè)量結(jié)果均高于Hough變換法。這可能是由于Hough變換法僅能檢測(cè)煙絲中平行切口處的寬度，對(duì)于煙絲中不規(guī)則段或者顆粒形狀整體不規(guī)則的煙絲則無(wú)法檢測(cè)。整體來(lái)看，變徑圓法測(cè)得的6組煙絲寬度數(shù)據(jù)相較于Hough變換法更接近ISO投影法測(cè)量的寬度數(shù)據(jù)，這也驗(yàn)證了變徑圓法和ISO投影法原理的一致性。

圖8 6種煙絲樣品寬度測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparisononthewidthmeasurementresults of6tobaccostrandsamples

3.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

從已知切絲寬度的6種煙絲樣品中各隨機(jī)取樣30根，單根煙絲長(zhǎng)度大于等于10mm，以30根煙絲寬度的平均值作為該組煙絲樣品的寬度數(shù)據(jù)，采用變徑圓法測(cè)量6組煙絲樣品的寬度。同一組煙絲樣品每次測(cè)量后調(diào)整煙絲位置分布，由同一實(shí)驗(yàn)員重復(fù)測(cè)量10次，操作過(guò)程中應(yīng)盡量避免煙絲破碎、斷裂和變形。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，6種煙絲樣品寬度的RSD在0.3%~1.2%，r最大為0.021，符合計(jì)量學(xué)的重復(fù)性要求。

表3 煙絲寬度重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Tab.3 Results of repeatability test of tobacco strands’width （mm）

3.3 檢測(cè)時(shí)間對(duì)比

采用已知的6種煙絲樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表4為3.1節(jié)對(duì)比實(shí)驗(yàn)所用時(shí)間。由表4可知，ISO投影法所用檢測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)，測(cè)量每組煙絲樣品平均用時(shí)37.000 min；Hough變換法所用檢測(cè)時(shí)間最短，每組煙絲樣品平均用時(shí)1.113min，變徑圓法用時(shí)居中，每組煙絲樣品平均用時(shí)2.534min，但已經(jīng)大幅度低于ISO投影法所用時(shí)間，能夠滿足煙絲寬度離線檢測(cè)需求。另外，ISO投影法與Hough變換法所用時(shí)間分布較為均勻，而變徑圓法所用時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，結(jié)合表2所測(cè)得的6種煙絲樣品寬度分析可知，由于變徑圓法需要不斷迭代增加半徑，直至最大變徑圓與煙絲輪廓相切，故在初始半徑一定情況下，煙絲寬度越寬，算法迭代次數(shù)越多，用時(shí)也隨之增加；而Hough變換法和ISO投影法檢測(cè)時(shí)不進(jìn)行迭代，所以檢測(cè)時(shí)間不會(huì)隨寬度增加而增加。

表4 ISO投影法、變徑圓法、Hough變換法檢測(cè)煙絲寬度所用時(shí)間對(duì)比結(jié)果Tab.4 Test time needed by the ISO projection method,the method based on circles with different radii and the Hough transform method for measuring tobacco strands’width （min）

4 結(jié)論

①提出了一種基于變徑圓的煙絲寬度圖像檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了煙絲寬度的準(zhǔn)確測(cè)量。與ISO投影法和Hough變換法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，ISO投影法和變徑圓法測(cè)量的30根煙絲（3#樣品）寬度結(jié)果在95%置信區(qū)間內(nèi)存在顯著相關(guān)，線性擬合斜率為0.998。②以6種煙絲樣品為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，變徑圓法測(cè)量結(jié)果除較低寬度水平誤差較大外，在正常寬度水平下相較于Hough法更接近ISO投影法的測(cè)量結(jié)果，并且變徑圓法重復(fù)10次測(cè)量6種煙絲樣品的RSD最大為1.2%，精密度好。③變徑圓法測(cè)量6種煙絲樣品平均用時(shí)2.5 min，遠(yuǎn)小于ISO投影法用時(shí)，檢測(cè)效率更高。