卷煙爆珠拖尾缺陷檢測方法

王 澍 ，徐龍泉，董 浩，彭黔榮*，周明珠，張 龍，羅光杰，吳曉松，李志剛，劉 勇

1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥市蜀山湖路350號 230031

2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥市金寨路96號 230026

3.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴陽市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)開發(fā)大道96號 550000

4.國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)翠竹街6號 450001

卷煙爆珠生產(chǎn)過程中，受到材料、工藝及設(shè)備等因素的影響［1-2］，在爆珠滴制成型時(shí)需要其外殼自然收口成球，但當(dāng)生產(chǎn)中的流速、介質(zhì)密度等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致爆珠外殼收口狀態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)外表面小區(qū)域隆起的情況，稱為爆珠拖尾缺陷。由于不同卷煙爆珠制造工藝及壁材配方不同，拖尾高度對機(jī)械性能的影響也存在差異。因此，生產(chǎn)中需綜合考慮爆珠制造工藝、壁材配方及卷棒設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素，根據(jù)具體情況確定剔除拖尾爆珠的高度閾值。對于常用的直徑2.8 mm和3.5 mm兩種規(guī)格爆珠，需要將拖尾高度大于0.2 mm的爆珠進(jìn)行剔除，這是因?yàn)橥衔哺叨容^大的爆珠會(huì)對濾棒的上機(jī)適應(yīng)性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致爆珠在卷入濾棒過程中出現(xiàn)破裂，甚至堵塞卷棒設(shè)備。而高度小于0.2 mm的拖尾也會(huì)對爆珠質(zhì)量產(chǎn)生影響，造成拖尾爆珠的壓碎強(qiáng)度（指壓破爆珠所需施加的力）偏低，因此在生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)需要通過計(jì)算批次爆珠的拖尾率，對相關(guān)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。目前國內(nèi)外常規(guī)的卷煙爆珠外觀檢測設(shè)備多用于檢測氣泡、顏色等缺陷［3-5］，對于卷煙爆珠拖尾缺陷檢測則鮮見報(bào)道。在實(shí)際生產(chǎn)中拖尾高度小于0.2 mm的爆珠居多，而爆珠為非剛性球體，圓度值各異，這樣微小的輪廓變異就要求檢測算法具有極高的靈敏度，常規(guī)的圓度檢測算法無法滿足實(shí)際需求［6-7］，傳統(tǒng)人工燈檢方法也存在主觀性大、判定指標(biāo)無法量化等問題。為此，基于視覺檢測原理設(shè)計(jì)了一種卷煙爆珠拖尾缺陷檢測系統(tǒng)，根據(jù)圖像分析結(jié)果對爆珠外觀質(zhì)量進(jìn)行判定，并計(jì)算異常爆珠的拖尾高度值，以期為爆珠外觀質(zhì)量管控提供一種可量化指標(biāo)的技術(shù)手段，提高爆珠生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卷煙爆珠拖尾缺陷檢測系統(tǒng)主要由上料機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、爆珠自旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、相機(jī)、圖像分析軟件及控制系統(tǒng)組成，見圖1。上料機(jī)構(gòu)將爆珠逐個(gè)分離送至輸送機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)再將爆珠送至爆珠自旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過自旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使爆珠高速自轉(zhuǎn)，由上方的相機(jī)對旋轉(zhuǎn)中的爆珠進(jìn)行定時(shí)高速拍照。

圖1 卷煙爆珠拖尾缺陷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of detection system for tailed capsules

1.2 檢測流程

由圖2可見，系統(tǒng)在0.2 s內(nèi)連續(xù)采集10張不同角度的爆珠圖像并傳輸給圖像處理軟件，軟件采用輪廓圓投影算法對單幀輪廓的圓度和平滑度進(jìn)行分析。綜合10張圖像的分析結(jié)果，系統(tǒng)對當(dāng)前爆珠是否具有拖尾進(jìn)行判定，并計(jì)算出拖尾高度值。此外，系統(tǒng)還對爆珠缺陷類型進(jìn)行編碼，并將判定結(jié)果傳輸給控制電路，當(dāng)爆珠被輸送至剔除工位時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行剔除/放行動(dòng)作。

圖2 卷煙爆珠外觀缺陷檢測流程圖Fig.2 Flowchart of detection process for appearance of cigarette capsules

2 檢測方法

2.1 球體多角度圖像采集

研究表明，對球體外觀檢測可采取多角度旋轉(zhuǎn)拍攝的方法［8-9］。為實(shí)現(xiàn)爆珠拖尾的全視角檢測，采用高速相機(jī)結(jié)合旋轉(zhuǎn)拍照機(jī)構(gòu)對單顆爆珠進(jìn)行多角度間隔成像，單顆爆珠總拍照時(shí)間為0.5 s，拍照數(shù)量為10張。

2.2 基于Mean-shift的爆珠圖像分割

由于爆珠壁厚不均勻及球體的光學(xué)效應(yīng)，圖像中的爆珠區(qū)域顏色不均勻。為保證輪廓提取的穩(wěn)定性和魯棒性，采用了基于Mean-shift均值漂移理論的圖像分割方法［10-11］。該方法首先在圖像中選取種子像素點(diǎn)，以種子像素點(diǎn)為基元對周圍像素值相近的像素點(diǎn)進(jìn)行逐步吞噬合并，從而實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)態(tài)閾值分割，其分割效果好于傳統(tǒng)的閾值分割法［12-13］。Mean-shift算法的數(shù)學(xué)模型為［14］：

式中：xc表示待計(jì)算待處理像素點(diǎn)x的顏色參數(shù)分別為采樣像素點(diǎn)的顏色和距離參數(shù)；權(quán)函數(shù)K1（x）代表顏色差異度，顏色與點(diǎn)x越接近，其值越大；權(quán)函數(shù)K（2x）≥0代表空間位置差異度，待處理像素點(diǎn)的空間位置與點(diǎn)x越近，其值越大；h表示計(jì)算區(qū)域的范圍。

2.3 基于開閉運(yùn)算的爆珠輪廓提取

為實(shí)現(xiàn)爆珠輪廓的提取并形成閉環(huán)，使用了開閉運(yùn)算的方法對爆珠外輪廓進(jìn)行提?。?5-16］。該方法使用3×3結(jié)構(gòu)元素Struct_D對二值圖像進(jìn)行腐蝕處理，其定義為：

式中：A為二值圖像的爆珠區(qū)域；Θ為腐蝕運(yùn)算符號。

將腐蝕后的爆珠圖像矩陣與原始二值圖像矩陣相減，即可得到爆珠外輪廓邊緣，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：Edge（f（x，y））為爆珠外輪廓像素點(diǎn)。

圖3為一顆帶有拖尾的爆珠在本系統(tǒng)上所拍攝的10張圖像及其對應(yīng)的外輪廓線，可以在圖3a、e、h、j中觀察到輪廓邊緣上的小拖尾。

圖3 單顆爆珠多角度圖像及提取的外輪廓Fig.3 Vector images and contours of a capsule at different angles

2.4 基于圓投影的爆珠輪廓檢測

卷煙爆珠輪廓上較小的拖尾高度在0.05～0.10 mm之間且爆珠圓度值各異，因此需要一種能夠在不同圓度值的爆珠輪廓上檢測出微小突變的數(shù)學(xué)算法［17-18］。圓投影變換的基本原理是通過極坐標(biāo)變換將圖像從原來的二維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系［19-20］。為此，利用圓的各向同性和投影特征將外輪廓的各個(gè)方向表達(dá)在投影圖的橫坐標(biāo)上，從而對極坐標(biāo)變換后的爆珠外輪廓曲線進(jìn)行數(shù)值分析。極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為［21］：

式中：（x0，y0）是原坐標(biāo)系f（x，y）中爆珠區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)；（x，y）表示爆珠外輪廓上其他像素點(diǎn)的坐標(biāo)。在極坐標(biāo)變換時(shí)以（x0，y0）為圓心，ρ為半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換，（ρ，θ）分別表示極坐標(biāo)系f（ρ，θ）的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換關(guān)系可簡化為x=ρcosθ，y=ρsinθ。

圖4為不同類型卷煙爆珠外輪廓的圓投影展開圖。圖中，橫坐標(biāo)θ為輪廓展開的角度，區(qū)間是0～360°，表示將爆珠外輪廓按角度θ進(jìn)行展開；縱坐標(biāo)ρ為每個(gè)角度θ對應(yīng)的外輪廓像素點(diǎn)距離爆珠中心（x0，y0）的距離。

圖4 不同類型爆珠的圓投影曲線Fig.4 Circular projection curves of capsules of different types

2.5 拖尾判定與識別

2.5.1 等效輪廓線

圖5為根據(jù)極坐標(biāo)展開后的輪廓曲線繪制的等效輪廓線。圖中，橫坐標(biāo)θ為輪廓展開角度，區(qū)間是0～360°。等效輪廓線計(jì)算公式為：

式中：dist［j］為輪廓上第j個(gè)像素點(diǎn)距離中心（x0，y0）的距離；Pro_dist［j］為該像素點(diǎn)的近似高度；n為等效步長。

圖5 等效輪廓線Fig.5 Equivalent contour

2.5.2 拖尾判定

在本系統(tǒng)中參與拖尾判定的數(shù)學(xué)因子有4個(gè)：輪廓變異系數(shù)、輪廓變異長度、輪廓變異量和拖尾高度。

（1）輪廓變異系數(shù)：

式中：D_h［j］為j點(diǎn)輪廓變異系數(shù)，當(dāng)3個(gè)連續(xù)像素點(diǎn)的輪廓變異系數(shù)D_h［j-1］、D_h［j］及D_h［j+1］均大于設(shè)定閾值Tre_D時(shí)判定當(dāng)前點(diǎn)j為輪廓變異點(diǎn)，Tre_D的取值可根據(jù)爆珠尺寸設(shè)定。

（2）由于存在輪廓邊緣噪聲，并不是所有D_h［j］大于Tre_D的像素點(diǎn)都是拖尾像素點(diǎn)，因此在計(jì)算輪廓變異長度時(shí)，像素點(diǎn)的距離集中度應(yīng)符合公式（7）中的規(guī)定才被認(rèn)為是連續(xù)的變異像素點(diǎn)。輪廓變異長度：

式中：jmean為輪廓上所有像素變異點(diǎn)的橫坐標(biāo)均值；n為拖尾區(qū)間寬度，根據(jù)實(shí)際拖尾寬度比例，本研究中n取15。只有當(dāng)輪廓變異像素點(diǎn)在均值周圍正負(fù)n的寬度區(qū)間內(nèi)才被認(rèn)為是連續(xù)變異點(diǎn)，否則為離散變異點(diǎn)。

（3）輪廓變異量：

式中：n_var為輪廓變異長度；N_T為輪廓總長度。當(dāng)Var_ratiao大于輪廓總長的1/20，即認(rèn)為爆珠輪廓上存在一段變異突起。

（4）當(dāng)爆珠Var_ratiao大于輪廓總長的1/20時(shí)，開始計(jì)算變異突起的高度H。圖6中拖尾輪廓L1最高點(diǎn)與等效輪廓線L2間的高度差H即為拖尾高度：

式中：H為變異輪廓高度值；dist′［j］為輪廓變異區(qū)域的高度最大值；φ為平均輪廓高度。Tre_H為拖尾高度的判定閾值，經(jīng)過反復(fù)測試設(shè)定Tre_H=0.05 mm，即當(dāng)一顆爆珠輪廓上存在高度大于0.05 mm的突起時(shí)，判定當(dāng)前爆珠具有拖尾缺陷。

圖6 爆珠拖尾高度計(jì)算示意圖Fig.6 Schematic diagram of tail height calculation of tailed capsule

3 結(jié)果與分析

3.1 圖像采集數(shù)量與識別率的關(guān)系

采集方式為多角度旋轉(zhuǎn)拍照，相機(jī)幀率為70幀/s，在0.5 s內(nèi)可對爆珠進(jìn)行最多35次圖像采集。為了實(shí)現(xiàn)最佳識別精度且避免冗余計(jì)算，需要選取合適的拍照數(shù)量。為此，對圖像采集數(shù)量與拖尾識別率之間的關(guān)系進(jìn)行了測試，結(jié)果見圖7?？梢?，圖像采集數(shù)量達(dá)到10張時(shí)，拖尾爆珠的識別率處于96%左右，趨于穩(wěn)定。因此，對單顆爆珠的圖像采集數(shù)量設(shè)定為10張。

圖7 圖像采集數(shù)量-拖尾識別率的關(guān)系Fig.7 Relationship between image number and recognition rate

3.2 拖尾高度與爆珠壓碎強(qiáng)度的關(guān)系

經(jīng)篩選得到高度分布在0.05～0.10、0.10～0.15、0.15～0.20和0.20～0.25 mm的拖尾爆珠，每個(gè)區(qū)間各100顆，同時(shí)選取無拖尾爆珠100顆，對拖尾高度與爆珠壓碎強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見圖8。使用單因素方差分析方法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［22］，在α=0.05顯著水平下，拖尾高度0.05～0.10 mm范圍內(nèi)的爆珠與無拖尾爆珠相比，壓碎強(qiáng)度值無顯著性差異；拖尾高度0.10～0.15、0.15～0.20和0.20～0.25 mm范圍內(nèi)的爆珠與無拖尾爆珠相比，壓碎強(qiáng)度均有顯著性差異。因此，拖尾高度大于0.10 mm會(huì)對爆珠壓碎強(qiáng)度產(chǎn)生影響，且隨著拖尾高度的增加而變大。

圖8 拖尾高度與爆珠壓碎強(qiáng)度之間關(guān)系Fig.8 Relationship between tail height and crushing strength

由圖8可見，拖尾高度在0.10～0.20 mm范圍內(nèi)的爆珠，壓碎強(qiáng)度仍在7 N以上，滿足爆珠壓碎強(qiáng)度（9±2）N的設(shè)計(jì)要求，不影響爆珠的正常使用；當(dāng)拖尾高度超過0.20 mm后，爆珠壓碎強(qiáng)度脫離設(shè)計(jì)值，同時(shí)沿拖尾方向的爆珠直徑也超出設(shè)計(jì)值，由此增加了卷棒過程中破珠及堵塞設(shè)備通道的風(fēng)險(xiǎn)。因此，將拖尾高度閾值設(shè)定為0.20 mm，應(yīng)用于爆珠放行通過檢驗(yàn)，可將爆珠卷棒過程中的破珠率有效控制在以內(nèi)。

3.3 測量精度測試

挑選4顆拖尾爆珠，使用顯微鏡對其拖尾高度進(jìn)行多次測量，取最大值作為拖尾高度，分別為0.13、0.16、0.20和0.26 mm。將4顆爆珠置入系統(tǒng)中進(jìn)行檢測，每顆爆珠分別重復(fù)10次，統(tǒng)計(jì)拖尾高度，結(jié)果見表1。可見，系統(tǒng)測量拖尾高度的誤差小于3%。

表1 系統(tǒng)對4顆爆珠拖尾高度重復(fù)檢測結(jié)果Tab.1 Repeated measurement results of height of four tailed capsules

3.4 拖尾識別測試

采用人工燈檢方法從A（黃色，直徑2.8 mm）、B（紅色，直徑2.8 mm）、C（黃色，直徑3.5 mm）、D（綠色，直徑3.5 mm）4類爆珠中，分別挑選出200顆拖尾爆珠和200顆合格爆珠樣品。在燈檢臺上，通過人眼識別含有微小拖尾的樣品。圖9是一顆直徑2.8 mm的爆珠，可以觀察到其右下角紅圈內(nèi)有一個(gè)微小的拖尾。使用系統(tǒng)計(jì)算得到爆珠直徑是414個(gè)像素點(diǎn)，拖尾高度為8個(gè)像素點(diǎn)，換算得到拖尾高度是0.054 mm。

圖9 人工燈檢臺上拍攝的含有微小拖尾的爆珠Fig.9 A cigarette capsule with tiny tail（height 0.054 mm）defect

（1）識別率。將4類拖尾爆珠（均為200顆）分別放入系統(tǒng)中進(jìn)行檢測，設(shè)置拖尾最小識別閾值為0.05 mm，考察拖尾缺陷識別率，結(jié)果見表2。可見，本文方法對爆珠的識別率≥95%，拖尾高度分布區(qū)間為0.05～0.55 mm。

表2 拖尾爆珠識別率測試結(jié)果Tab.2 Test results of recognition rate of tailed capsules

（2）誤檢率。將4類合格爆珠（均為200顆）放入系統(tǒng)中進(jìn)行檢測，設(shè)置拖尾最小識別閾值為0.05 mm，考察誤檢率，結(jié)果見表3?？梢?，本文方法對爆珠的誤檢測率＜1%。

表3 拖尾爆珠誤檢率測試結(jié)果Tab.3 Test results of false positive rate of tailed capsules

（3）以爆珠實(shí)際生產(chǎn)放行檢驗(yàn)為例，將本文方法與人工燈檢方法進(jìn)行對比。分別從A（黃色，直徑2.8 mm）和D（綠色，直徑3.5 mm）兩種顏色和尺寸規(guī)格的爆珠中，各抽取10批次的爆珠樣品，每批次的樣品量為1萬顆左右。分別用人工方法和本文方法進(jìn)行檢測，系統(tǒng)設(shè)置拖尾最小識別閾值為0.05 mm，結(jié)果見圖10?？梢姡疚姆椒ㄅc人工方法的偏差分布為［-0.08%，0.21%］，表明本文方法與人工方法具有較高一致性，能夠滿足卷煙爆珠生產(chǎn)中抽樣檢驗(yàn)要求。

圖10 A爆珠（黃色，直徑2.8 mm）和D爆珠（綠色，直徑3.5 mm）本文方法與人工方法對比Fig.10 Comparison between the proposed method and manual inspection

4 結(jié)論

①基于多角度輪廓圓投影的拖尾缺陷檢測方法對拖尾高度的測量誤差小于3%，對于常規(guī)拖尾缺陷爆珠（拖尾高度0.05～0.50 mm），計(jì)量誤差在0.015 mm以內(nèi)，能夠滿足生產(chǎn)中質(zhì)檢要求；②本文方法對于拖尾缺陷的識別率≥95%，誤檢率＜1%，最小拖尾識別高度為0.05 mm；③本文方法與人工燈檢方法的拖尾識別率偏差分布為［-0.08%，0.21%］，能夠滿足卷煙爆珠生產(chǎn)中抽樣檢驗(yàn)要求，為爆珠的外觀放行檢驗(yàn)提供了一種可靠技術(shù)手段。