煙用香料快速檢測(cè)及異常單體預(yù)警系統(tǒng)的建立

劉博 李自娟 孫嘉 尹航

（1.張家口卷煙廠有限責(zé)任公司 河北省張家口市 075000 2.張家口經(jīng)開區(qū)食品和市場(chǎng)監(jiān)督管理局 河北省張家口市 075000）

卷煙加料不但能夠提高卷煙的吸食品質(zhì)，而且還在卷煙品牌風(fēng)格特征形成中具有重要作用。卷煙加料可以調(diào)節(jié)煙氣的酸堿度，改善吸味。 同時(shí)還可調(diào)整煙香并賦予品牌卷煙的產(chǎn)品風(fēng)格特征。因此，卷煙糖料的質(zhì)量穩(wěn)定性直接影響卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性?，F(xiàn)行業(yè)內(nèi)主要通過(guò)儀器分析法檢測(cè)料液配制是否準(zhǔn)確，但是由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的局限性不能擺放精密儀器，所以急需一種適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)方法，以加強(qiáng)料液配制過(guò)程的質(zhì)量管理。

pH 值的測(cè)定有兩種方法: 化學(xué)傳感器法和人工比色目測(cè)法[1]?；瘜W(xué)傳感器法具有檢測(cè)迅速/結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，但是其成本較高不適合批量使用的企業(yè)。通常比色目測(cè)法是由肉眼對(duì)色彩進(jìn)行比對(duì)識(shí)別，借助某種介質(zhì)如 pH 試紙，對(duì)呈現(xiàn)色彩及與標(biāo)準(zhǔn)色庫(kù)進(jìn)行比對(duì)以判斷出當(dāng)前溶液 pH 值。但是這種方法也存在缺陷，如比對(duì)環(huán)境的光源差異、缺乏客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等諸多因素的存在，其判斷結(jié)果會(huì)產(chǎn)生主觀意判或者誤判，進(jìn)而影響結(jié)果的使用與產(chǎn)品的判斷結(jié)果。鑒于以上情況，若使用數(shù)字圖像處理技術(shù)將能夠克服人工視覺識(shí)別的不足，提高 pH 測(cè)定精度，這對(duì)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)具有很大程度的現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、復(fù)原、增強(qiáng)、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。其在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。農(nóng)林部門通過(guò)遙感圖像辨識(shí)植物生長(zhǎng)狀態(tài)，進(jìn)行估產(chǎn)，監(jiān)視病蟲害發(fā)展及治理。水利部門通過(guò)遙感圖像分析，獲取水文信息，以判斷災(zāi)害發(fā)生可能性。氣象部門用以分析氣象圖，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度。國(guó)防及測(cè)繪部門，使用航拍器獲得地域地貌及地面設(shè)施等資料。機(jī)械部門使用圖像處理技術(shù)，自動(dòng)進(jìn)行金相圖分析識(shí)別。醫(yī)療部門采用各種數(shù)字圖像技術(shù)及智能技術(shù)對(duì)各種疾病進(jìn)行自動(dòng)診斷。

配性模型（SMV）是一種通過(guò)預(yù)設(shè)結(jié)果與檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相似度分析的模型，該模型需針對(duì)每種牌號(hào)香料的每一單體異常情況建立一個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果放入系統(tǒng)后，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)帶入每一個(gè)異常單體模型中進(jìn)行匹配性分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和儀器

試驗(yàn)材料：pH 試紙，江蘇泰州奧克濾紙廠，廣泛試紙（測(cè)量范圍1-14）

儀器：SNOY Exmor RS CMOS,日本索尼，1.12μm 像素間距

1.2 方法

1.2.1 影像目標(biāo)區(qū)域的提取

在使用前的pH 試紙上以底邊為起始在距底邊1cm 處用鉛筆輕畫一條橫線，此橫線將pH 試紙分為浸入?yún)^(qū)及顯色區(qū)兩個(gè)部分，將pH 試紙的浸入?yún)^(qū)沒(méi)入待測(cè)料液后取出，對(duì)pH 試紙使用CMOS 圖像傳感器記錄試紙影像，在獲取的圖片上裁剪掉浸入?yún)^(qū)的部分，保留顯色區(qū)。在顯色區(qū)內(nèi)取兩個(gè)最適合的點(diǎn)，以其連線作為對(duì)角線，得到一個(gè)長(zhǎng)為x 寬為y 的區(qū)域，作為目標(biāo)區(qū)域。

1.2.2 圖像平滑處理

中值濾波法[2]是一種非線性平滑技術(shù)，它將每一像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)灰度值的中值。

將板內(nèi)像素按照像素值的大小進(jìn)行排序，生成單調(diào)上升(或下降)的為二維數(shù)據(jù)序列。二維中值濾波輸出為g(x,y)=med{f(x-k,y-l), (k,l∈W)} ，其中，f(x,y)，g(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像。W為二維模板，通常為3*3，5*5 區(qū)域，本文采用的是3*3 中值濾波器。

1.2.3 RGB 到HSV 轉(zhuǎn)化

將相機(jī)采集的圖片（RGB 格式）轉(zhuǎn)化為包含色調(diào)、飽和度和明度三個(gè)參數(shù)的HSV 模型[3-5]。RGB 是一種通過(guò)對(duì)紅、綠、藍(lán)三個(gè)基本顏色變化，以及三色間相互疊加，得到其他顏色，但是此種色彩模式易受到亮度等因素的影響。因取樣環(huán)境復(fù)雜多變，還需要符合人工視覺的特點(diǎn)，固本文使用HSV 色彩模型。HSV 色彩模型成倒錐形，由色調(diào)（H）、飽和度（S）、明度（V）三個(gè)參數(shù)構(gòu)成，其空間結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1：HSV 色彩模型結(jié)構(gòu)圖

RGB 到HSV 模型轉(zhuǎn)化是一個(gè)非線性的變換過(guò)程，轉(zhuǎn)化過(guò)程如下所示：

表1：pH 試紙測(cè)試準(zhǔn)確度統(tǒng)計(jì)

表2：各牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)料液H 值范圍

1.2.4 匹配性模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立

模型采用相關(guān)性分析方法建立各單一牌號(hào)每種單體異常匹配模型。模型建立的方法是將各牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)溶液（20g）中添加單體溶液，每次只添加一種單體的一個(gè)添加量，單體添加量分別為1g、5g、10g，每個(gè)單體添加添加下檢測(cè)5 次，將數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 pH值與H分量之間的關(guān)系

因HSV 色彩模型特點(diǎn)是每一個(gè)色彩對(duì)應(yīng)唯一的H 值，且每一個(gè)pH 值對(duì)應(yīng)著一種顏色，這為圖像檢測(cè)料液pH 值提供了依據(jù)。以pH 試紙?zhí)峁┑谋壬榛A(chǔ)，建立pH 值與其對(duì)應(yīng)的H 值關(guān)系曲線，如圖2 所示。

如圖2 所示，pH 值和H 值成s 型曲線關(guān)系，以此曲線關(guān)系能夠準(zhǔn)確讀取pH 值。

2.2 準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，本文采取電極法作為檢驗(yàn)方法，檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度如表1 所示。

從表可以看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的跟蹤監(jiān)測(cè)，數(shù)字圖像檢測(cè)方法的準(zhǔn)確率達(dá)99.2%，檢測(cè)方法有效且穩(wěn)定，能夠用于實(shí)際生產(chǎn)的檢測(cè)。

2.3 建立牌號(hào)料液H值數(shù)據(jù)庫(kù)

為了便于生產(chǎn)檢驗(yàn)的需要，需建立H 值數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)果如表2 所示。

表2 為不同牌號(hào)對(duì)應(yīng)的pH 試紙顯色的H 值及其允差，使用時(shí)檢測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果在牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的則判定為料液配制合格，若不在牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的則判定為料液配制不合格。

2.4 異常料液判斷

當(dāng)系統(tǒng)判定料液異常后，將異常結(jié)果帶入本牌號(hào)異常單體匹配模型，通過(guò)結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)中異常標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，得到異常單體的匹配性結(jié)果，如圖3 所示。

3 結(jié)果

采用數(shù)字圖像處理技術(shù)提高了目視檢測(cè)pH 試紙的精度，將pH試紙的顯色區(qū)域的RGB 圖片轉(zhuǎn)換為HSV 圖片，因?yàn)镠SV 色彩模型中的H 值分量具有唯一性，與pH 值檢測(cè)結(jié)果具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)與牌號(hào)料液pH 值數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比得到料液配制是否符合工藝要求，利用匹配模型對(duì)異常料液的異常單體添加情況給出判斷結(jié)果，為現(xiàn)場(chǎng)處置提供依據(jù)。

圖2：PH 值和H 值分量之間的關(guān)系曲線

圖3