多光譜成像在卷煙工序上的煙絲檢測應(yīng)用

摘要：本文簡要介紹了多光譜的成像原理、基本結(jié)構(gòu)、性能特點、使用技巧，并重點說明它在卷煙生產(chǎn)線的質(zhì)量檢測的應(yīng)用前景、工作原理等

關(guān)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(tǒng)的卷煙設(shè)備，都采用風(fēng)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?；诙喙庾V成像的檢測模式，檢測速度大大提升，將來可應(yīng)用于煙絲精選生產(chǎn)的工藝環(huán)節(jié)。

1、多光譜成像的工作原理

1.1 CCD技術(shù)

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(fā)明的。它是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域。它是具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)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(yīng)用。

CCD圖像傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次的內(nèi)容和豐富的可視圖像信息，被廣泛應(yīng)用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真同學(xué)機器工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。其主要的參數(shù)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(shù)。量子效率表征CCD芯片對不同波長光信號的光電轉(zhuǎn)換本領(lǐng)。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(guān)，背照CCD的量子效率高，光譜響應(yīng)曲線無起伏，正照CCD由于反射和吸收損失，光譜響應(yīng)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(nèi)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(chǎn)生一個星空狀的固定噪聲圖案。這種效應(yīng)是因為少數(shù)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(chǎn)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(dǎo)致一整列中的全部或部分像素?zé)o效；過渡曝光會使過剩的光電子蔓延到相鄰像素，導(dǎo)致圖像擴散性模糊。

3.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率

電荷包從一個勢阱向另一個勢阱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移效率極其高，否則光電子的有效數(shù)目會在讀出過程中損失嚴重。

引起電荷轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲，轉(zhuǎn)移損失造成信號退化。采用“胖零”技術(shù)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(shè)備上分布有一個或則多個CCD工業(yè)相機。

常用的4CCD感光芯片，采用棱鏡分光技術(shù)，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(yīng)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(yīng)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(nèi)部的透視成像。自1895年被德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)后，X射線首先被運用到醫(yī)學(xué)成像與診斷上，在隨后的一百多年當(dāng)中，在醫(yī)學(xué)、安全檢查、無損檢測、工業(yè)探傷等領(lǐng)域中均發(fā)揮了巨大作用。X射線透視成像技術(shù)是違禁品檢查領(lǐng)域最基本的、也是最早得到廣泛應(yīng)用的方法。其中X射線的分布范圍0～200nm波段，基于CCD上設(shè)計有閃爍體的結(jié)構(gòu)，可以有效的把X射線的轉(zhuǎn)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(yīng)用

隨著卷煙工藝的提高以及設(shè)備的生產(chǎn)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(huán)節(jié)很難控制煙絲中的雜物含量，現(xiàn)有的除雜設(shè)備運行效率、除雜效果都不是最好的情況，同事生產(chǎn)過程中還好引入新的雜物，如果雜物進入卷煙設(shè)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(xiàn)一點梗簽，會直接導(dǎo)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(chǎn)速度的提高，煙支內(nèi)部的梗簽也要求更小，否則生產(chǎn)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(shè)備的煙絲的純度，更加有效的控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的各項指標。

2.1 煙絲檢測設(shè)備的構(gòu)想

基于上述的行業(yè)背景，采用工業(yè)4CCD和X射線的成像檢測手段是當(dāng)下煙絲質(zhì)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(shè)備的設(shè)計布局，改造管道輸送結(jié)構(gòu)，物料經(jīng)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(guī)格尺寸的梗簽及時剔除。

2.2 可行性實驗

針對以上的設(shè)計構(gòu)思，對煙絲和煙梗進行成像預(yù)演，其實驗環(huán)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(guān)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(xiàn)象：對高速運動物體拍照，都會有一點拖影現(xiàn)象，曝光時間不能調(diào)的太小，對后期的圖像處理是一個考驗

在卷煙生產(chǎn)過程中，煙絲品級、水分、產(chǎn)地、環(huán)境溫度參數(shù)等，對應(yīng)煙絲和煙梗的顏色、密度產(chǎn)生不同的影響。在識別雜物的過程中，需要根據(jù)不同的品牌制作相應(yīng)的識別數(shù)據(jù)庫，進而提高設(shè)備的檢測準確率。

本應(yīng)用方案的優(yōu)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(shù)，應(yīng)用于煙絲量檢測尚屬首次，如果對檢測后的控制體系設(shè)計得當(dāng)，提升卷煙生產(chǎn)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(tǒng)的研究科技創(chuàng)新導(dǎo)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(xué)歷：本科 研究方向：工業(yè)自動化。