基于機(jī)器視覺的煙絲加料機(jī)霧化效果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉灼成，程棉昌，楊學(xué)良，阮偉雄，江 威

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 廣州卷煙廠，廣東 廣州 510385）

0 引言

隨著我國(guó)煙葉制絲工藝和生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，煙絲加料作為煙葉制絲工藝流程中的重要一步，煙絲加料設(shè)備自動(dòng)化、智能化已成為煙草行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。目前煙草企業(yè)使用的加料機(jī)械大多為國(guó)外壟斷產(chǎn)品，加料參數(shù)設(shè)置多為企業(yè)通過(guò)大量試驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)值，沒能形成完備的理論支持及優(yōu)化依據(jù)[2-3]。因此，提高成煙質(zhì)量的前提就需要對(duì)制煙設(shè)備的機(jī)理進(jìn)行研究，完善制煙工藝的理論體系，其中加料機(jī)的霧化效果就是一個(gè)決定成煙優(yōu)劣的重要指標(biāo)。但煙絲加料設(shè)備在工作時(shí)無(wú)法觀測(cè)設(shè)備內(nèi)部香料噴霧的霧化效果，只能通過(guò)人工觀測(cè)加料完成后的煙絲的干濕度等指標(biāo)來(lái)判斷設(shè)備內(nèi)部的霧化效果，依賴操作工人的經(jīng)驗(yàn)，會(huì)出現(xiàn)誤檢、滯后調(diào)節(jié)等問(wèn)題，造成煙絲加料不合格、煙絲浪費(fèi)等問(wèn)題。

隨著機(jī)器視覺技術(shù)及圖像處理技術(shù)在煙草行業(yè)中的廣泛應(yīng)用[4]，基于視覺和圖像的檢測(cè)方法不僅能夠提高設(shè)備的自動(dòng)化程度和檢測(cè)精度，還能夠降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和惡劣環(huán)境下的危險(xiǎn)程度。其中，于海洋等[5]使用紅外光譜分析法來(lái)對(duì)卷煙加料的均勻性進(jìn)行研究，初步探索了卷煙加料均勻性近紅外光譜分析的數(shù)學(xué)建模。彭中偉等[6]針對(duì)獲取噴嘴噴霧兩側(cè)邊界直線的方法進(jìn)行了研究。朱均超等[7]開發(fā)了直噴汽油機(jī)噴油器噴霧特性檢測(cè)系統(tǒng)，可以精確地檢測(cè)直噴汽油機(jī)噴油器的噴霧特性。但針對(duì)煙絲加料機(jī)噴霧霧化效果進(jìn)行視覺檢測(cè)的方法則很少見。為此，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的煙絲加料機(jī)霧化效果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)CCD相機(jī)采集圖像，針對(duì)噴霧的角度和距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，以方便工藝人員總結(jié)加料機(jī)霧化效果機(jī)理，對(duì)噴霧的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高成煙質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的煙絲加料機(jī)霧化效果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由噴料霧化角度監(jiān)測(cè)單元、噴料霧化距離監(jiān)測(cè)單元和工控機(jī)等。噴料霧化角度監(jiān)測(cè)單元包括CCD相機(jī)、光纖內(nèi)窺鏡等，為了拍攝噴口附近的料液霧化情況來(lái)達(dá)到更好的角度監(jiān)測(cè)效果，采用光纖內(nèi)窺鏡配合CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集。噴料霧化距離監(jiān)測(cè)單元包括CCD相機(jī)、光源、電磁閥、風(fēng)刀等，為了保證煙絲加料機(jī)滾筒內(nèi)有充足的光照，采用LED燈為CCD相機(jī)提供照明。上述兩個(gè)單元的安裝位置見圖1。光纖內(nèi)窺鏡的長(zhǎng)度為2m，CCD相機(jī)的幀數(shù)為30幀/s，兩個(gè)CCD相機(jī)均安裝于煙絲加料機(jī)筒壁外側(cè)。

圖1 煙絲加料機(jī)霧化效果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝位置示意圖

當(dāng)煙絲加料機(jī)中的噴桿開始噴射料液時(shí)，噴料霧化角度監(jiān)測(cè)單元中的光纖內(nèi)窺鏡的物鏡將噴口附近的噴料霧化圖像傳輸至位于其目鏡的CCD相機(jī)，完成噴料霧化角度圖像的采集，噴料霧化距離監(jiān)測(cè)單元中的LED光源開啟，為筒內(nèi)補(bǔ)光照明，CCD相機(jī)透過(guò)煙絲加料機(jī)筒壁上的玻璃采集噴料霧化距離圖像。

2 檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

2.1 噴料霧化角度監(jiān)測(cè)方法

在生產(chǎn)過(guò)程中，連接光纖內(nèi)窺鏡的CCD相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝噴口處的圖像，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，首先為了去除多余背景的影響，對(duì)采集的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，裁剪出噴口附近噴料霧化的圖像，由于生產(chǎn)、維護(hù)過(guò)程中噴嘴在圖像中的位置會(huì)發(fā)生變化，須在程序中動(dòng)態(tài)調(diào)整剪裁區(qū)域，剪裁后的圖像見圖2。

圖2 裁剪后的圖像

由于光纖內(nèi)窺鏡獲取到的圖像上有黑色的光纖網(wǎng)格的干擾，嚴(yán)重影響觀測(cè)和后續(xù)處理，分析圖像特征發(fā)現(xiàn)大致呈六邊形的光纖網(wǎng)格的特征單一，分布均勻故采用頻率域帶阻濾波方法進(jìn)行處理。

首先對(duì)圖像進(jìn)行二維離散傅里葉變換獲得頻譜圖；提取頻譜圖中與六角形圖案相對(duì)應(yīng)的噪聲信號(hào)的形狀與寬度參數(shù)，其中離散傅里葉變換如下式：

然后結(jié)合頻譜圖中提取的參數(shù)，將高斯函數(shù)與橢圓函數(shù)的帶阻濾波器作用于頻譜圖上；高斯帶阻濾波函數(shù)為：

其中W為帶寬。

最后通過(guò)對(duì)被作用后的頻譜圖進(jìn)行反傅里葉變換得到消除六角形噪聲后的空域圖像。傅里葉逆變換函數(shù)為：

更多的保留圖像的總體灰度分布特征，之后利用對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，得到圖像如圖3所示。

圖3 二值化處理后的圖像

2.2 角度檢測(cè)方法

由于受重力及筒內(nèi)氣流等因素的影響，霧化料液的輪廓形狀不規(guī)則，故采用多邊形擬合的方法，將霧化料液的邊緣擬合為規(guī)則的多邊形，計(jì)算多邊形靠近噴嘴附近兩條長(zhǎng)斜邊的夾角，從而得到料液的噴射夾角，角度檢測(cè)流程見圖4。

又如日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)，擁有從基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、工程化研究、產(chǎn)業(yè)孵化到技術(shù)推廣完成等一系列完整的科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化鏈條，下設(shè)董事會(huì)、執(zhí)行委員會(huì)、學(xué)術(shù)委員會(huì)、高層管理者等管理機(jī)構(gòu)，采用現(xiàn)代公司企業(yè)化的管理模式，各分所遍布全國(guó)高校。該機(jī)構(gòu)擁有多樣化的資金投入渠道、品牌化的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略、靈活的用人機(jī)制、全程貫通的轉(zhuǎn)化鏈，能有效聚集政府、高校和企業(yè)的資源，在科研成果轉(zhuǎn)化的各階段實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，是目前亞洲最具活力的科研成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)。

圖4 角度檢測(cè)流程

2.2.1 繪制多邊形擬合

對(duì)預(yù)處理后的圖像使用輪廓提取算法進(jìn)行輪廓提取處理[8]，突出霧化料液邊緣。再對(duì)提取的邊緣圖像進(jìn)行多邊形擬合處理，輪廓的多邊形擬合采用經(jīng)典的Douglas-Peucker算法，將輪廓曲線按照規(guī)則分割成多個(gè)曲線段，依次連接各個(gè)分割點(diǎn)形成的折線，即可以作為曲線的近似；最后即可將霧化料液區(qū)域的輪廓擬合成一個(gè)理想的多邊形，從而求取噴霧角度，見圖5。

圖5 多邊形擬合原理圖

2.2.2 Hough變換檢測(cè)直線

Hough變換檢測(cè)直線的原理是根據(jù)線與點(diǎn)的映射關(guān)系，將圖像空間的像素點(diǎn)映射為參數(shù)空間的線，將參數(shù)空間中直線的交點(diǎn)映射為圖像空間的直線[9]。過(guò)點(diǎn)A（x1，y1）和點(diǎn)B（x2，y2）的直線y=kx+b的圖像見圖6，其中k為直線斜率，b為直線在y軸上的截距。

圖6 圖像空間

假設(shè)存在與圖像空間相映射的參數(shù)空間k-b，且參數(shù)空間中的點(diǎn)（k，b）對(duì)應(yīng)圖像空間中的直線y=kx+b，即參數(shù)空間中的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖像空間中的一條直線。則圖像空間中的直線方程y=kx+b可以改寫成b=-xk+y，式中的x，y可以視為參數(shù)空間中直線的斜率和截距，參數(shù)空間中的一條直線就可以看作圖像空間中的一個(gè)點(diǎn)（x，y）。點(diǎn)A和點(diǎn)B在參數(shù)空間中相交于點(diǎn)P（k1，b1）的兩條直線，見圖7。

圖7 參數(shù)空間

綜上所述，在圖像空間中同一條直線上的點(diǎn)映射到參數(shù)空間中表現(xiàn)為相交于同一點(diǎn)的直線簇，通過(guò)確定參數(shù)空間該點(diǎn)的參數(shù)即可在圖像中確定相應(yīng)的直線。但是為了避免實(shí)際應(yīng)用中遇到斜率無(wú)窮大的直線，故一般采用曲線方程ρ=xcosθ+ysinθ代替直線方程y=kx+b，其中ρ為直線到原點(diǎn)的距離，θ為直線的與x軸的夾角。此時(shí)，圖像空間x-y中的點(diǎn)就對(duì)應(yīng)參數(shù)空間ρ-θ中的曲線，避免了斜率無(wú)窮大時(shí)直線無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題。

繪制多邊形逼近后的圖像根據(jù)Hough直線變換進(jìn)行擬合直線處理，通過(guò)直線的極坐標(biāo)方程繪制多邊形兩斜邊的擬合直線，通過(guò)擬合直線的極坐標(biāo)方程可以得出直線與y軸正方向的夾角，根據(jù)兩直線與y軸正方向的夾角即可得到兩直線的夾角，即為噴料霧化夾角，見圖8。

圖8 噴料霧化夾角檢測(cè)圖像

2.3 噴料霧化距離監(jiān)測(cè)方法

圖9 噴料霧化距離檢測(cè)圖像

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“雙喜”牌卷煙煙葉三批（由廣州中煙工業(yè)責(zé)任有限公司廣州卷煙廠提供）。

設(shè)備：96線加料機(jī)。

方法：分別對(duì)兩批煙葉加工過(guò)程中，加料機(jī)的霧化噴料進(jìn)行角度和距離檢測(cè)。得到兩批煙葉在開始加工時(shí)、加工過(guò)程中、加工即將結(jié)束時(shí)料液的噴射角度和開始加工時(shí)霧化噴料噴射距離。根據(jù)第一批煙葉確定合適的閾值來(lái)進(jìn)行角度和距離的計(jì)算，對(duì)明顯異常的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行剔除，再對(duì)第二批煙葉進(jìn)行角度檢測(cè)和距離檢測(cè)，得到霧化噴料的噴射角度和噴射距離。將第二批煙葉檢測(cè)得到的角度和距離與第三批煙葉檢測(cè)得到的角度和距離對(duì)比，判斷檢測(cè)是否準(zhǔn)確。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由圖10所示，圖中左圖為剛開始加工時(shí)料液的噴射狀態(tài)，中圖為加工過(guò)程中料液的噴射狀態(tài)，右圖為加工即將結(jié)束時(shí)料液的噴射狀態(tài)。可以看出，料液的噴射角度隨時(shí)間逐漸增大，然后保持不變，最后再減小。分別在這兩個(gè)批次下，從這三種狀態(tài)下分別平均取10個(gè)時(shí)刻的拍攝圖像來(lái)檢測(cè)角度，如表1所示，第二批煙葉與第三批煙葉在開始加工時(shí)、加工過(guò)程中、加工即將結(jié)束時(shí)料液的噴射角度的最大最小差值不超過(guò)2°，第二批煙葉三種狀態(tài)下的平均值分別為37.4°、39.2°和36.3°，第三批煙葉三種狀態(tài)下的平均值分別為37.5°、39°和35.9°。

圖10 三種時(shí)刻下料液的噴射狀態(tài)

表1 料液噴射角度檢測(cè)結(jié)果

在加料作業(yè)開始時(shí)，分別檢測(cè)兩個(gè)批次下開始加工時(shí)的料液噴射距離，分別取10個(gè)時(shí)刻的圖像進(jìn)行檢測(cè)。見表2，在開始加工時(shí)料液噴射距離的最大值與最小值相差不超過(guò)50mm，第二批煙葉的料液噴射距離平均值為2049.6mm，第三批煙葉的料液噴射距離平均值為2047.4mm。

表2 料液噴射距離檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

以廣州卷煙廠生產(chǎn)的三批“雙喜”牌卷煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：以第一批煙葉為標(biāo)準(zhǔn)確定閾值，第二批和第三批煙葉在設(shè)備開始加工時(shí)料液噴射角度分別為37.5°和37.1°，在設(shè)備加工過(guò)程中料液噴射角度分別為39.4°和38.6°，加工即將結(jié)束時(shí)料液噴射角度分別為35.8°和36.4°， 料 液 噴 射 距 離 分 別 為2045.6mm和2053.4mm。利用該系統(tǒng)在可見空間內(nèi)能比較直觀的觀察到噴嘴的噴射情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加料機(jī)噴嘴霧化角度、噴料位置、噴料距離等數(shù)據(jù)，為提高加料均勻性提供標(biāo)準(zhǔn)，減少了安裝調(diào)整的盲目性，保證了噴嘴霧化效果，提高加濕、加料的均勻性，從而為提高卷煙內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)，更好地幫助加料機(jī)霧化系統(tǒng)的工藝優(yōu)化，提高生產(chǎn)質(zhì)量，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。