初烤煙葉智能化分選級成像功能探索與分析

趙一君 黃寧 周建云

摘要：初烤煙葉分級是提升煙葉原料質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，本文以初烤煙葉為對象采取智能化分選級進(jìn)行研究，簡述了當(dāng)前煙草行業(yè)智能化分級現(xiàn)狀、智能化分級技術(shù)研究進(jìn)展及存在的相關(guān)問題。通過對比總結(jié)，將煙葉智能化分級成像功能技術(shù)有關(guān)研究成果與我國煙草行業(yè)當(dāng)前實(shí)際情況和背景相結(jié)合并通過合適的判別方法描述。同樣著重分析了國內(nèi)外光學(xué)成像的煙葉分級技術(shù)及所研制開發(fā)出的更精準(zhǔn)高效的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：初烤煙葉;智能化分選級;成像功能

當(dāng)前我國初烤煙葉分級收購以人工為主，通過眼觀手摸的方式識別判斷煙葉等級。在分選過程中因分級人員眼感的微差性，可能出現(xiàn)定級標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定性存在差異;同時人工分揀效率相對偏低，難以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的分級。人工分選時煙葉處于水平擺放狀態(tài)，難以完全清除混雜的非煙雜;人工分級還可能增加人工直接接觸原料而導(dǎo)致接觸污染的風(fēng)險，將造成產(chǎn)品質(zhì)量的降低。研究并利用機(jī)械智能化分級替代傳統(tǒng)的人工分級，能更好地體現(xiàn)分級評價指標(biāo)的客觀性和公正性，有利于穩(wěn)定煙農(nóng)隊伍、更有利于煙葉行業(yè)長足發(fā)展[1]。

1 ?智能化分選級研究現(xiàn)狀及存在的問題

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能分級替代人工分級的目的，行業(yè)內(nèi)外開展智能化分級成像技術(shù)方面的研究較多。目前，初烤煙葉智能化分級系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)了單葉自動分離、自動傳輸、對比成像及自動分倉等功能，并且某些研究已增加了新的光學(xué)成像技術(shù)等手段，以提高分選級的準(zhǔn)確率。但相關(guān)研究仍存在機(jī)械硬件、自動傳輸、成像對比定級等方面的問題，同時初烤煙葉外觀特征與內(nèi)在品質(zhì)的關(guān)聯(lián)參數(shù)提取、數(shù)學(xué)模型搭建還有待進(jìn)一步研究，主要表現(xiàn)以下幾方面問題。

1.1 ?硬件系統(tǒng)

機(jī)械智能化裝備主要有兩種模式，一是通過水平傳輸方式，初烤煙葉始終附著于傳輸帶上，采集圖像或成像過程僅有煙葉單面信息，無法體現(xiàn)正反兩面的完整信息采集點(diǎn)。二是通過水平轉(zhuǎn)垂直傳輸方式，能將煙葉實(shí)現(xiàn)單片分離，采集圖像時煙葉處于垂直懸掛狀態(tài)，并完整的采集煙葉正反信息，但此模式在水平轉(zhuǎn)垂直過程中，易出現(xiàn)掉煙現(xiàn)象，同時出現(xiàn)二次攤平不徹底，出現(xiàn)單片分離不徹底的問題。

1.2 ?成像系統(tǒng)

目前，成像系統(tǒng)主要通過建立各煙葉等級模型，通過不斷的？？？訓(xùn)練，在分選級過程中，采集被分選煙葉圖像，并與模型圖像進(jìn)行對比分析，進(jìn)而自動判斷和定級，以實(shí)現(xiàn)智能化分選級。但此方法將出現(xiàn)煙葉部位不易區(qū)分、定級準(zhǔn)確率偏低的現(xiàn)象。需要不斷完善樣品建模和模擬訓(xùn)練，以提高準(zhǔn)確率。

1.3 ?識別系統(tǒng)

分選級需對煙葉的脈絡(luò)特征、色澤度、外觀形狀等特性進(jìn)行綜合判斷，僅采用煙葉顏色深淺的圖像對比無法識別和判斷部位、等級，進(jìn)而降低了識別率。可深入探索初烤煙葉外觀的眾多特征與內(nèi)在品質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，利用圖像加光譜等手段，搭建數(shù)學(xué)模型，通過人工智能算法進(jìn)行模擬訓(xùn)練，尋求突破口。

1.4 ?輔助工作人員

實(shí)現(xiàn)智能化分選級的過程，需輔助人員在前端進(jìn)行上料，需要掌握一定的分級技能和經(jīng)驗(yàn)，能初步判斷是否有混青雜、混部位的現(xiàn)象。所上的待選煙葉部位純度相對較高，為后端智能化分選級把好第一道關(guān)。

2 ?智能化分選級裝備主要功能研究進(jìn)展

目前，智能化分選級裝備主要通過三大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：

2.1 ?成像系統(tǒng)

四條光源、兩個相機(jī)、一個光電傳感器，一個同步盒、一臺工控機(jī)等是組成成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。成像系統(tǒng)簡單來說就是進(jìn)行圖像采集并且將其轉(zhuǎn)換為信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。這樣對每片煙葉加強(qiáng)了保護(hù)，同時也可以對煙葉進(jìn)行一個追蹤，防止出現(xiàn)定位不準(zhǔn)等問題。

2.2 ?軟件算法系統(tǒng)

軟件算法指的是針對不同的煙葉進(jìn)行圖像的處理，并且將煙葉的特征部分進(jìn)行提取概括并利用相應(yīng)的智能技術(shù)對煙葉進(jìn)行判斷，將得到的結(jié)果通過計算機(jī)反饋回來[2]。

2.3 ?機(jī)械系統(tǒng)

通常由自動攤薄系統(tǒng)、單片分離系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、分倉系統(tǒng)構(gòu)成。單片分離通常采用懸掛式的傳輸系統(tǒng)，將煙葉懸掛后進(jìn)行一個高速的運(yùn)輸并分離。其優(yōu)點(diǎn)在于可利用變頻加速震蕩，將懸掛的煙葉實(shí)現(xiàn)單片分離，使單片煙葉保持垂直狀態(tài)，為成像環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。同時，懸掛式傳輸結(jié)構(gòu)簡單，傳輸速度更快。

3 ?煙葉智能化分選級成像功能技術(shù)研究

3.1 ?成像一致性的研究

通常所說的成像一致性主要指對同一目標(biāo)獲得的圖像進(jìn)行評價并將其差異標(biāo)明，差異越小證明一致性越好。因此成像一致性的研究意義主要是能夠提高煙葉智能化分級的準(zhǔn)確率，能夠?qū)⒛Ｐ偷倪m應(yīng)能力增高，能夠簡化過程。

從研究上來說，如果同一工位不同的區(qū)域間成像一致性不夠完善，會造成整體煙葉的離散增強(qiáng)，同類聚集欠缺，整體效果將會變差，出現(xiàn)的誤差越大，使得最后的識別結(jié)果出現(xiàn)問題。因此，通過研究提高煙葉智能分級的準(zhǔn)確度是非常關(guān)鍵的[3]。同樣如果一臺機(jī)器的成像一致性有欠缺，為了彌補(bǔ)問題就會設(shè)立兩個工位，從而增加了整個處理流程的工作量，過程不夠簡潔，在實(shí)際的工作生產(chǎn)過程中成像一致性的指標(biāo)越小越好，這就要求工作單位對指標(biāo)和工作安排都要有準(zhǔn)確規(guī)定。

3.2 ?吸風(fēng)成像的方案研究

煙葉的運(yùn)輸方式主要是采用懸掛高速運(yùn)輸，這就會帶來不同的問題。因此，需要用更好的圖像軟件輸出更高質(zhì)量的計算結(jié)果。多腔體負(fù)壓吸風(fēng)盒技術(shù)，主要是由多個腔體組成，腔體下方有風(fēng)管與負(fù)壓風(fēng)機(jī)相連，在上方有柵格蓋板，吸風(fēng)皮帶上會有小孔。當(dāng)開啟負(fù)壓風(fēng)機(jī)時，高速旋轉(zhuǎn)的皮帶會提高運(yùn)速，使得煙葉緊貼于上，保證了成像的清晰與平穩(wěn)。該技術(shù)吸力大且結(jié)構(gòu)簡單，是一項(xiàng)值得研究與應(yīng)用的技術(shù)。

3.3 ?掃描式圖像采集設(shè)備研究

掃描式圖像采集設(shè)備，主要包括了采集系統(tǒng)和控制分析系統(tǒng)。采集系統(tǒng)則主要由放置臺、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分和機(jī)械傳輸部分等組成?？刂品治鱿到y(tǒng)則主要由壓力傳感器、LCD顯示屏以及圖像處理程序等構(gòu)成。本系統(tǒng)主要是利用掃描儀的工作原理，從而將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給計算機(jī)提高工作計算效率[4]。由于采用的是嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，儀器設(shè)備一體化，有利于隨時搬動使用，并開發(fā)多項(xiàng)功能，通過LCD顯示屏呈現(xiàn)出智能化分級的結(jié)果。

3.4 ?有關(guān)相機(jī)選型定制

為了能夠?qū)D像更好地表達(dá)對于相機(jī)也有要求。首先要求分辨率在0.3-0.5mm/像素，尺寸在600mm左右，2048是最后得到的橫向分辨率。在此范圍內(nèi)可供選擇的芯片種類也是相對較多的。機(jī)器運(yùn)行速度通常在180m/min，至此可計算出掃描速度保持在10KHz即可，相機(jī)是圖像成像系統(tǒng)的主要部分，因此選擇適合的相機(jī)是至關(guān)重要的。

4 ?結(jié)語

綜上所述，煙葉智能化分選級成像在整個煙葉分選級過程中非常重要，在選擇時要結(jié)合實(shí)際情況，不斷地總結(jié)比較，找出最適合此時發(fā)展的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。使智能化分級的成果能夠超越人工分級的效果，為煙葉行業(yè)的發(fā)展奠定堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賓俊.廣義灰色體系和無損分析技術(shù)在煙葉生產(chǎn)加工過程中的應(yīng)用[D].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017：1-81.

[2]劉東來.基于機(jī)器視覺的煙葉自動分級方法[J].廣東蠶業(yè)，2020，54（08）：64-66.

[3]陳朋.煙葉紋理表面的視覺檢測技術(shù)研究與應(yīng)用[D].貴州大學(xué)，2017：1-92.

[4]李海杰.基于機(jī)器視覺的煙草異物檢測和煙葉分類分級方法研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016：1-164.

資金來源：中國煙草總公司貴州省公司科技項(xiàng)目 散葉智能化分選級裝備及技術(shù)的研究與開發(fā)（項(xiàng)目編號：2020XM01）