基于图像处理的烟片加料均匀性评价方法

郑飞，李媛，刘德强，张大波

1.湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，武汉市汉阳区十升路22号 430051

2.中国烟草总公司郑州烟草研究院烟草行业烟草工艺重点实验室，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

基于图像处理的烟片加料均匀性评价方法

郑飞1，李媛1，刘德强1，张大波*2

1.湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，武汉市汉阳区十升路22号 430051

2.中国烟草总公司郑州烟草研究院烟草行业烟草工艺重点实验室，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

为量化评价加料工序单张烟片料液分布和加料过程均匀性，应用数字图像处理技术对料液附着点分布图像进行处理，建立了基于图像处理的烟片加料均匀性评价方法，采用料液分布变异系数表征单张烟片料液分布均匀性，采用烟片间料液附着量变异系数表征加料过程均匀性。验证结果表明：基于图像处理的加料均匀性评价方法检测结果，与采用YC/T 353—2010行业标准检测结果具有相同趋势，检测结果可有效表征整体加料过程的改善或劣化程度。

烟片加料；图像处理；均匀性；评价方法

烟片加料作为制丝加工的重要工艺环节［1-3］，主要功能是按生产和配方的要求，将料液均匀、准确地施加到烟片上。加料均匀与否对成品卷烟内在品质起着重要作用。为提高加料均匀性，烟草行业进行了一些研究和改进［4-5］，如改善喷嘴雾化状态、调整引喷蒸汽压力等。近年来开始采用的利用标记物来表征加料均匀性的方法［6-8］，能够对加料过程的均匀性进行评价，但由于样品量较大，制样、检测过程复杂，检测结果滞后。数字图像处理技术在烟草行业广泛应用于智能剔除烟草异物、片烟规格检测等方面［9-11］，作者利用数字图像处理技术［12］，通过对料液附着点分布图像数据的提取和处理，建立了基于图像处理的加料均匀性评价方法，旨在快捷高效地评价加料过程均匀性。

1 方法的建立

1.1 材料、试剂和仪器

40 mm×40 mm标准纸片作为烟片标准替代物［亚龙纸制品（昆山）有限公司，白色A4，定量80 g/cm2，厚度0.1 mm］。标准纸片单位面积质量、尺寸与黄鹤楼软蓝生产线中加料过程烟片平均面积及质量接近。

柠檬黄10%稀释液（柠檬黄∶标准糖料=1∶9，质量比）作为糖料标准替代物。其目的是提高辨识度，仅作为试验使用，不进入正常产品。

奥林巴斯TG-3型相机。湖北中烟武汉卷烟厂制丝黄鹤楼软蓝生产线。

1.2 样品制备及图像处理

加料设备稳定运行后，在进料振槽等时间间隔撒入120片标准纸片，在加料出口人工挑选出标准纸片，随机挑选100片作为图谱成像分析对象，并记录加料精度。加料工序主要参数设置如下：物料流量2 500 kg/h、料液引喷蒸汽压力0.18～0.22 MPa、滚筒转速8 r/min、加料比例3.5%。

用相机定点拍摄样品照片并转换为JPG图像格式，分别标记为Aj，j∈（1，100）（如图1a为A10样品采集图像）。采用MATLAB7.0对图像进行预处理，方法如下：①提取原始采集图像有效区域：利用K均值聚类算法进行背景检测，保留样品区域，将无效样品区域标记为红色（A10样品经背景检测处理后有效区域图像如图1b所示）。②统一样品区域大小：将所有采集图像以样品区域为中心重采样为400像素×400像素大小的方形区域（A10重采样后的样品图像如图1c所示）。③彩色图像转换为灰度图像：将样品图像的RGB色彩模型转化为HSV模型［13］，提取V分量作为样品图像各像素点的灰度值，从而得到样品灰度图像（A10样品灰度图像如图1d所示），其像素点灰度值大小可表征该点料液施加量；单张纸片各像素点灰度值之和，可表征该样品的料液施加量。④灰度图像转换为二值图像：利用最大类间差法自动选择阈值，将样品灰度图像转化为样品二值图像［14-16］（A10样品二值图像如图1e所示），白色（像素值为1）为染色区域，黑色（像素值为0）为未染色区域。⑤二值图像转换为网格图像：将样品的二值图像按区域大小均匀划分为80像素×80像素的网格图像（A10样品网格图像如图1f所示）。

图1 A10样品图像

1.3 加料均匀性评价模型的建立

单张纸片料液覆盖率：指加料后，单张纸片上附着有料液的区域占整张纸片区域的比例，如式（1）所示：

式中：Kj—单张纸片料液覆盖率，%；Nj—二值图像统计出染色像素点的个数；j—第j个样品；d—图像重采样的大小。

单张纸片料液分布均匀性：指加料后，单张纸片附着的料液在纸片每个网格区域分布的均匀性，如式（2）所示：

式中：Hj—单张纸片料液分布均匀性；i—网格图像的第i个网格单元；Mj（i）—第j个样品第i个网格单元附着有料液的像素点个数；RSD［Mj（i）］—第j个样品Mj（i），i∈（1，5×5）的变异系数。

加料过程均匀性：指经过加料过程后，所有纸片间附着料液量的分布均匀性。单张纸片料液附着量用各像素点灰度值的和表征，如式（3）所示；加料过程均匀性用加料均匀性系数来表征，如式（4）所示：

式中：Qj—单张纸片上料液附着量；Cj（x，y）—第j张样品在（x，y）像素点的灰度值；PU—加料过程的均匀性；RSD（Qj）—100个样品Qj，j∈（1，10）的变异系数。

2 方法的应用

2.1 单张纸片上料液的覆盖率和分布均匀性

分别检测计算100片样品的料液覆盖率和分布均匀性。以A10样品为例，根据单片料液覆盖率和分布均匀性评价方法，利用公式（1）计算出A10样品的单张纸片料液覆盖率K10=29.8%，利用公式（2）计算出A10样品单张纸片料液分布均匀性H10= 77.5%。

计算100片样品的料液覆盖率和分布均匀性，应用SPSS17.0统计分析软件［17］，分别对100片样品的计算结果进行Shapiro-Wilk的W统计量及矩阵法的正态分布检验，检验结果见表1。由表1可知，单张样品料液覆盖率和分布均匀性的W检验确定的概率均符合P＞0.05，同时偏度和峰度的U＜1.96，说明样品的料液覆盖率和分布均匀性的检测结果服从正态分布［18］，加料试验过程稳定。

表1 100片样品正态分布检验

2.2 加料过程均匀性评价

应用公式（3），计算每片样品上像素灰度值之和Qj；应用公式（4），根据甲酸100片样品的料液附着量的变异系数，计算得出加料过程均匀性PU值为68.3%。

3 方法的验证

行业标准方法（YC/T 353—2010［7］）是利用加料后烟叶中丙二醇含量的变异系数CU值表征加料均匀性。采用基于图像处理的加料均匀性评价方法和文献［7］中的方法，对加料过程进行对比验证试验，验证试验步骤如下：①调配料液，柠檬黄∶1,2-丙二醇∶标准糖料=1∶1∶8（质量比）。②加料试验，试验条件1设置同1.2小节；试验条件2更换加料喷嘴以增加料液的雾化面积；试验条件3更换加料喷嘴以减小料液的雾化面积。在3种试验条件下各进行了5组试验。15组试验的结果见图2。由图2可以看出，应用两种方法检测的加料均匀性评价结果具有相同的趋势，说明基于图像处理的加料过程均匀性评价方法能有效地表征加料过程的改善或劣化程度，可用于对加料过程均匀性的快速评价。

图2 YC/T 353方法与基于图像处理的烟片加料均匀性评价方法对比结果

4 结论

（1）建立了基于图像处理的加料均匀性评价方法，采用本方法能对单张烟片料液覆盖率、单张烟片料液分布均匀性和加料过程均匀性进行定量评价，检测过程快捷高效。

（2）基于图像处理的加料均匀性评价方法与YC/T 353—2010方法的检测结果具有相同趋势，检测结果可有效表征整体加料过程的改善或劣化程度。

［1］国家烟草专卖局.卷烟工艺规范［M］.北京：中央文献出版社，2003.

［2］陈良元.卷烟生产工艺技术［M］.郑州：河南科学技术出版社，2002.

［3］黄嘉礽.卷烟工艺［M］.北京：北京出版社，2002.

［4］李向东.制丝工艺加料均匀性分析［J］.烟草科技，2003（4）：38-40.

［5］王军，王聚奎，王雷.加料均匀性评价方法的应用研究［J］.生物技术世界，2012（6）：14-16.

［6］廖惠云，张映，赫喜良.卷烟制丝加料工序均匀性的评价与控制［J］.烟草科技，2008（8）：5-7，21.

［7］YC/T 353—2010烟草制品和烟草工业设备卷烟加料均匀性的测定［S］.

［8］刘泽春，黄华发，洪伟龄，等.过程能力分析在卷烟加料均匀性评价中的应用［J］.烟草科技，2010（10）：5-7，21.

［9］简庆龙，许兴鹍.图像处理在烟叶杂物剔除系统上的应用研究［J］.微计算机信息，2005（5）：149-150.

［10］周文，韩力群.计算机图像处理技术在烤烟烟叶形状特征提取中的应用［J］.烟草科技，2000（1）：12-14.

［11］张建平.计算机视觉在烟草行业中的研究及应用展望［J］.烟草科技，1998（2）：22-23.

［12］Gonzalez R C，Woods R E.数字图像处理［M］.2版.北京：电子工业出版社，2003.

［13］章卫祥，周秉锋.一种基于梯度域的彩色图像转灰度图像的方法［J］.影像技术，2007（3）：20-22.

［14］田野，章锦文，赵广州.基于二维Otsu阈值修正的图像分割新方法［J］.计算机与数字工程，2012，40（5）：104-107.

［15］齐丽娜，张博，王战凯.最大类间方差法在图像处理中的应用［J］.无线电工程，2006，37（7）：25-26.

［16］郭春秋，欧阳松.一种快速、准确的图像阈值分割新方法［J］.湖南工业职业技术学院学报：自然科学版，2004（1）：9-11.

［17］刘庆武，胡志艳.如何用SPSS、SAS统计软件进行正态性检验［J］.湖南学院学报：自然科学版，2005（3）：56-58.

［18］吴梅村.数理统计学基本原理和方法［M］.成都：西南财经大学出版社，2006.

［19］杨玉波，程志远.制丝线加香加料系统的改进［C］//中国烟草学会工业专业委员会烟草工艺学术研讨会论文集.延吉：中国烟草学会，2008：300-302.

责任编辑 周雅宁

Method for Evaluating Casing Uniformity of Tobacco Strips Based on Image Processing

ZHENG Fei1,LI Yuan1,LIU Deqiang1,and ZHANG Dabo*2
1.Wuhan Cigarette Factory,China Tobacco Hubei Industrial Co.,Ltd.,Wuhan 430051,China
2.Key Laboratory of Tobacco Processing Technology of CNTC,Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou 450001,China

In order to quantitatively evaluate the distribution uniformity of casing on a single tobacco strip and the uniformity of casing process,the image of casing attached points on tobacco strip was processed by digital image processing technique,and a method for evaluating casing uniformity on tobacco strip based on image processing was established,wherein the variation coefficient of casing distribution was used to characterize the distribution uniformity of casing on a single strip and the variation coefficient of attached casing amount between strips was used to characterize the uniformity of casing process.The results of verification showed that the results evaluated by the developed method presented the same trend as did the results tested by industrial standard YC/T 353—2010,Casing Uniformity Measurement,and effectively characterized the variation of the casing process.

Tobacco strip casing；Image processing；Uniformity；Evaluation method

TS46

A

1002-0861（2015）11-0065-04

10.16135/j.issn1002-0861.20151112

2015-02-09

2015-07-10

郑飞（1977—），本科，工程师，主要从事卷烟制丝工艺研究。E-mail：zhengfei@wh.hbtobacco.cn；*

张大波，E-mail：zhangdabo1979@126.com

郑飞，李媛，刘德强，等.基于图像处理的烟片加料均匀性评价方法［J］.烟草科技，2015，48（11）：65-68.

ZHENG Fei，LI Yuan，LIU Deqiang，et al.Method for evaluating casing uniformity of tobacco strips based on image processing［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（11）：65-68.