基于機器視覺的煙葉分級關(guān)鍵技術(shù)分析

劉東來

（永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425000）

煙葉是煙草行業(yè)得以發(fā)展的關(guān)鍵，是十分重要的經(jīng)濟作物。卷煙工業(yè)的重要原料是烤煙煙葉，卷煙工業(yè)的生產(chǎn)品質(zhì)、香煙的吸味都與煙葉質(zhì)量之間有著密切的關(guān)系。在對煙葉等級評定時，會有較多的影響因素，因此其質(zhì)量檢測分級復(fù)雜性也相對較高。

1 機器視覺技術(shù)

人類會借助眼睛獲取世界上不同的信息。人類通過視覺認(rèn)識世界，而計算機視覺主要是借助圖像來實現(xiàn)對客觀事物的清晰、明確描述。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，外界信息超過80%都是借助人的視覺獲取，飽和度、色度以及亮度一般用來描述人對外界光線的感知。機器視覺技術(shù)[1-2]，即所謂的計算機視覺技術(shù)其主要是通過計算機技術(shù)來有效演繹物體、眼睛與大腦間存在的密切關(guān)系，其一般涉及到計算機科學(xué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、神經(jīng)生物學(xué)技術(shù)、人工智能技術(shù)和人工智能技術(shù)等多個方面的知識。統(tǒng)計模式識別技術(shù)是機器視覺技術(shù)發(fā)展的起源，該時期識別、處理二維數(shù)字圖像是主要的研究對象。隨后“積木世界”思想被提出，借助計算機編程對圖像中多面體三維空間輪廓圖進行有效提取，能夠?qū)ξ矬w空間關(guān)系、物體形狀有效描述。

相關(guān)研究者基于信息科學(xué)角度，通過對計算機視覺理論有效詮釋，將視覺感知作為信息加工的過程，為后續(xù)創(chuàng)立計算機視覺學(xué)科奠定了良好的理論基礎(chǔ)。隨著光電自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器視覺技術(shù)發(fā)展的完善性、成熟性在不斷提升，在很多領(lǐng)域應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，如教育研究領(lǐng)域、社會經(jīng)濟領(lǐng)域、國防科技領(lǐng)域等。由于待測物體與視覺設(shè)備之間互不接觸，因此在對檢測設(shè)備實際檢測的過程中，需要保證待測對象、檢測設(shè)備都不會破壞。應(yīng)用人工檢測的方式，有較低的效率，且容易受到主管因素影響，導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確性較低。此外，借助長時間的人眼觀察，很容易傷害眼睛。視覺系統(tǒng)的優(yōu)勢包括如高效準(zhǔn)確、快速，能夠?qū)と私】当Ｗo，在惡劣的環(huán)境中也能夠有效開展工作。我國在開展煙葉質(zhì)量檢測、分級時，對機器視覺技術(shù)應(yīng)用的時間相對較晚，對煙草收購分級應(yīng)用技術(shù)研究也相對較少，多是理論研究。

2 基于機器視覺的煙草分級系統(tǒng)設(shè)計

通常情況下，機器視覺系統(tǒng)是由攝像機、光源、圖像采集卡和圖形處理軟件系統(tǒng)等部分組成，其屬于煙葉分級自動化系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的組成部分，影響圖像采集效果的因素包括如采集平臺背景、光照強度、圖像采集、圖像采集卡、鏡頭、攝像機等因素，也會對后續(xù)圖像預(yù)處理的成敗造成直接影響。因此需要重視機器視覺系統(tǒng)的研究設(shè)計工作。煙葉分級視覺系統(tǒng)是由圖像預(yù)處理、照明、輸出顯示系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)等部分組成，見圖1。

將烤煙放置在采集平臺上，設(shè)計有效的照明系統(tǒng)，科學(xué)、合理的選擇工業(yè)鏡頭、相機，以實現(xiàn)對烤煙的有效拍攝，隨后就可以將拍攝到的圖像存儲在計算機中，借助PC 機界面來對拍攝到的圖像給予實時、動態(tài)顯示。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合編寫的模糊數(shù)學(xué)分類算法、圖像處理，對烤煙的風(fēng)機有效判別，并通過對話框?qū)ε袆e成果給予顯示。

2.1 搭建煙草分級硬件系統(tǒng)

在對視覺系統(tǒng)進行開發(fā)過程中，保證系統(tǒng)成功前提是結(jié)合實際需求對高品質(zhì)待識別的原始圖像有效獲取。為了保證圖像的高品質(zhì)，需要結(jié)合待識別對象的需要，對圖像采集系統(tǒng)合理搭建，具體包括鏡頭、攝像機型號、光源等。對硬件設(shè)備參數(shù)有效設(shè)定，保證圖像品質(zhì)因素互相補充、配合，保障最佳效果。對于煙草分級硬件系統(tǒng)，主要包括照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)，見表1。

表1 搭建煙草分級硬件系統(tǒng)主要組成Tab.1 The main components of tobacco grading hardware system

2.1.1 照明系統(tǒng)

在機器視覺系統(tǒng)中，對于照明系統(tǒng)而言，需要采取有效措施來提高照明效果。在對照明方式、光源選擇的過程中，需要對待測對象特征結(jié)合的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計照明系統(tǒng)，這樣既可以確保光源照明設(shè)計的科學(xué)性、合理性，而且還可以有效突出被檢測物的特征，并對被檢測物的目標(biāo)信息和背景信息給予有效分離，對對比度增強，對圖像處理識別算法、分割算法的復(fù)雜程度有效降低，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。設(shè)計照明系統(tǒng)，又具體包括選擇照明方式和光源。在對光源選擇過程中，為了保證圖像較高的質(zhì)量以及對比度，需要遵循一定的原則，具體包括：其一，對待處理物體特征強化；其二，對非主體物體、噪聲干擾有效降低；其三，避免對額外的干擾引入。LED、熒光燈、鹵素?zé)羰菣C器視覺中較為常見的燈源。幾種燈源中，LED 燈主要應(yīng)用直流供電的方式，控制亮度相對較為容易。同時，LED 燈有較高的發(fā)光效率、較長的壽命、較低能耗，且不存在老化情況，能夠很大程度上對視覺系統(tǒng)維護費用有效降低。相比較于熒光燈、鹵素?zé)?，LED 燈在綜合性能、價格方面優(yōu)勢也都相對較大，因此在機器視覺中應(yīng)用也最為廣泛。在對照明方式選擇時，光源選擇設(shè)計發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，在照明系統(tǒng)設(shè)計中，照明方式是工作人員需要考慮的重要方面。在機器視覺系統(tǒng)中應(yīng)用照明方式，能夠?qū)Ρ粶y物特征增強，攝像機采集圖像的質(zhì)量與照明方式的選擇之間有著密切的關(guān)系。在實際設(shè)計照明方式過程中，要注意對光源、攝像機以及被測物三者之間的空間位置有效考慮。同軸照明、背光照明以及正面光照明是照明方式的主要類型。對于同軸照明，主要是借助半鏡面將光反射到物體上，與鏡頭形成同軸的光，可以在對鏡面物體劃痕檢驗時應(yīng)用該類型的照明方式；對于背光照明，主要是在被測物體兩側(cè)設(shè)置攝像機和光源，能夠保證物體輪廓較高的清晰性，能夠在檢測尺寸、外形中進行有效的應(yīng)用；對于正面光照明，主要在被檢測物體的同一側(cè)設(shè)置光源和攝像機，其特點如較高的亮度、安全的便利性相對較高。光源能直接被照射或是漫射。在光源漫射時，在不同的方面，光的強度基本一致，而直接照射則是指光從光源位置直接發(fā)出，光源位置有較強的光照。

2.1.2 圖像照明采集系統(tǒng)

工業(yè)相機在機器視覺系統(tǒng)中是重要的組成部分，同時在系統(tǒng)設(shè)計中也占據(jù)著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)采集圖像的分辨率、質(zhì)量都會受到相機種類的影響。數(shù)字傳感器是工業(yè)相機的核心，其主要類型為互補金屬氧化物半導(dǎo)體、電荷耦合器件。借助光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變光學(xué)圖像信號為電信號是數(shù)字傳感器的工作原理，二者主要的差異體現(xiàn)在讀出芯片數(shù)據(jù)方式不同。電荷耦合器件將不同行中不同像素儲存的電信號傳輸?shù)较聜€像素中，最后一行傳輸?shù)竭吘壏糯笃?，對信號方法的基礎(chǔ)上傳輸出去。互補金屬氧化物半導(dǎo)體則是不同行、列都能獨立讀出像素，不同像素借助電路連接轉(zhuǎn)化。相比于電荷耦合器，互補金屬氧化物半導(dǎo)體出現(xiàn)較晚，且在信噪、靈敏度以及分辨率方面參數(shù)準(zhǔn)確性較低，且圖像畫面品質(zhì)有效提升，因此應(yīng)用的范圍相對較少?；趥鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)類型，能夠?qū)z像機分為線陣相機和面陣相機。其中線陣相機，其傳感器芯片相對較差，寬度像素較少，一般在滾筒裝置監(jiān)測時應(yīng)用。面陣相機采用了矩形面的芯片感光區(qū)，其可以確保一次曝光就能夠獲取直觀的圖像。在實際對線陣相機應(yīng)用的過程中，被檢測物會被傳感器逐行進行掃描，隨后對裝置激發(fā)，能夠促進相機多次、連續(xù)拍照，隨后形成“條”形圖像，在此基礎(chǔ)上按照具體要求，拼成相應(yīng)大小的圖像。該類型的相機應(yīng)用環(huán)境有更高的要求，且有較為復(fù)雜的圖像處理算法。

工業(yè)相機內(nèi)部成像的光學(xué)設(shè)備即是鏡頭。攝像機鏡頭就相當(dāng)于眼睛的晶狀體，在決定機器視覺系統(tǒng)成像好壞過程中起到關(guān)鍵性作用。保證機器視覺系統(tǒng)整體的性能和運行規(guī)模，需要保證鏡頭的品質(zhì)。為了對機器視覺下煙草等級自動識別技術(shù)方案有效實現(xiàn)，首先需要保證煙葉圖像采集環(huán)境的穩(wěn)定性，保證圖像的穩(wěn)定性、清晰性以及準(zhǔn)確性，從而對視覺信息充分反映。

2.2 煙葉識別系統(tǒng)軟件平臺

在應(yīng)用煙葉等級自動識別系統(tǒng)階段，需要做好烤煙中部煙葉、下部煙葉等相關(guān)信息的實時采集和處理工作，并根據(jù)煙葉的顏色特征，來有效識別煙葉的等級，從而在短時間內(nèi)明確烤煙的分級。通常情況下，軟件系統(tǒng)的重要功能是借助面陣工業(yè)相機和可調(diào)LED 光源的暗箱來有效獲取烤煙煙葉圖像，通過按照要求對圖像進行預(yù)處理，進一步確定烤煙圖像顏色模型下所具有的長度特征和顏色特征參數(shù)。該系統(tǒng)軟件主要特點體現(xiàn)在以下方面：其一，人機面、操作方式便利性相對較高，能夠借助計算機提供良好的設(shè)計環(huán)境；其二，對工業(yè)相機應(yīng)用，能夠很好的開展采集圖像工作，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)采集、靜態(tài)采集，并保證圖像的質(zhì)量，避免失真性。其三，能夠?qū)幊坦ぷ鞯暮喕潭忍嵘?，并提高圖像預(yù)處理工作效率。其四，通過計算機快速圖像視覺技術(shù)還可以有效提升系統(tǒng)運行的速度和精度。其五，能夠自動識別煙草等級，對煙葉樣本輸入，能夠進行自動分析，并輸出結(jié)果。

3 總結(jié)

綜上所述，基于機器視覺的煙葉分級系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢，對于相關(guān)企業(yè)和工作人員而言，需要加強對該系統(tǒng)技術(shù)的重視，針對其中存在的不足，仍要加強相應(yīng)的改進。