摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了多光譜的成像原理、基本結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、使用技巧，并重點(diǎn)說明它在卷煙生產(chǎn)線的質(zhì)量檢測(cè)的應(yīng)用前景、工作原理等

關(guān)鍵詞：4CCD；多光譜成像；可見光成像；紅外成像；X成像；煙絲檢測(cè)

引言：

傳統(tǒng)的卷煙設(shè)備，都采用風(fēng)管從儲(chǔ)絲房輸送煙絲給卷煙機(jī)，隨著細(xì)支煙的流行，卷煙工藝對(duì)煙絲的要求也越來(lái)越高，例如，煙絲的純度、煙絲的雜物含量、梗簽含量，這些都會(huì)嚴(yán)重影響卷煙的指標(biāo)?；诙喙庾V成像的檢測(cè)模式，檢測(cè)速度大大提升，將來(lái)可應(yīng)用于煙絲精選生產(chǎn)的工藝環(huán)節(jié)。

1、多光譜成像的工作原理

1.1 CCD技術(shù)

電荷耦合器件（charge coupled device）英文簡(jiǎn)稱CCD。是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯與1969年發(fā)明的。它是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，為半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域。它是具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，故在固體圖像傳感器、信息存儲(chǔ)和處理方面得到了廣泛的應(yīng)用。

CCD圖像傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實(shí)、多層次的內(nèi)容和豐富的可視圖像信息，被廣泛應(yīng)用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真同學(xué)機(jī)器工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要的參數(shù)有：

1.光譜靈敏度

CCD的光譜靈敏度取決于量子效率、波長(zhǎng)、積分時(shí)間等參數(shù)。量子效率表征CCD芯片對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換本領(lǐng)。不同工藝制成的CCD芯片，其量子效率不同。靈敏度還與光照方式有關(guān)，背照CCD的量子效率高，光譜響應(yīng)曲線無(wú)起伏，正照CCD由于反射和吸收損失，光譜響應(yīng)曲線上存在若干個(gè)峰和谷。

2.CCD的暗電流與噪聲

CCD暗電流是內(nèi)部熱激勵(lì)載流子造成的。CCD在低幀頻工作時(shí)，可以幾秒或幾千秒的累積（曝光）時(shí)間來(lái)采集低亮度圖像，如果曝光時(shí)間較長(zhǎng)，暗電流會(huì)在光電子形成之前將勢(shì)阱填滿熱電子。由于晶格點(diǎn)陣的缺陷，不同像素的暗電流可能差別很大。在曝光時(shí)間較長(zhǎng)的圖像上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)星空狀的固定噪聲圖案。這種效應(yīng)是因?yàn)樯贁?shù)像素具有反常的較大暗電流，一般可在記錄后從圖像中減去，除非暗電流已使勢(shì)阱中的電子達(dá)到飽和。

晶格點(diǎn)陣的缺陷產(chǎn)生不能收集光電子的死像素。由于電荷在移出芯片的途中要穿過像素，一個(gè)死像素就會(huì)導(dǎo)致一整列中的全部或部分像素?zé)o效；過渡曝光會(huì)使過剩的光電子蔓延到相鄰像素，導(dǎo)致圖像擴(kuò)散性模糊。

3.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率

電荷包從一個(gè)勢(shì)阱向另一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移時(shí)，需要一個(gè)過程。像素中的電荷在離開芯片之前要在勢(shì)阱間移動(dòng)上千次或更多，這要求電荷轉(zhuǎn)移效率極其高，否則光電子的有效數(shù)目會(huì)在讀出過程中損失嚴(yán)重。

引起電荷轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對(duì)電子的俘獲，轉(zhuǎn)移損失造成信號(hào)退化。采用“胖零”技術(shù)可減少這種損耗。

1.2 多光譜成像（RGB+IR+X）

所謂的多光譜，其特點(diǎn)在于一套設(shè)備上分布有一個(gè)或則多個(gè)CCD工業(yè)相機(jī)。

常用的4CCD感光芯片，采用棱鏡分光技術(shù)，每一個(gè)感光芯片對(duì)紅、綠、藍(lán)、紅外四個(gè)波段進(jìn)行成像。其中棱鏡分光有別于相互交叉分布成像，棱鏡分光成像的每一個(gè)pixel感應(yīng)的光線是同一束光纖，不存在相機(jī)的相位差。該CCD的頻譜范圍分布為400nm到1000nm的感應(yīng)范圍，可以有效的對(duì)煙葉和煙梗的多個(gè)波段進(jìn)行成像。

X射線是一種電磁波，具有很強(qiáng)的穿透能力，甚至能夠穿透一定厚度的鋼板，因此常被用于對(duì)物體內(nèi)部的透視成像。自1895年被德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)后，X射線首先被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)成像與診斷上，在隨后的一百多年當(dāng)中，在醫(yī)學(xué)、安全檢查、無(wú)損檢測(cè)、工業(yè)探傷等領(lǐng)域中均發(fā)揮了巨大作用。X射線透視成像技術(shù)是違禁品檢查領(lǐng)域最基本的、也是最早得到廣泛應(yīng)用的方法。其中X射線的分布范圍0～200nm波段，基于CCD上設(shè)計(jì)有閃爍體的結(jié)構(gòu)，可以有效的把X射線的轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而完成圖像的收集。

采用X射線透視成像可以有效的分辨煙絲、梗簽，并提取出梗簽的含量。

2 多光譜成像在卷煙工序上的煙絲檢測(cè)應(yīng)用

隨著卷煙工藝的提高以及設(shè)備的生產(chǎn)速度越來(lái)越高，對(duì)煙絲的要求也提高到新的層次。例如，在制絲環(huán)節(jié)很難控制煙絲中的雜物含量，現(xiàn)有的除雜設(shè)備運(yùn)行效率、除雜效果都不是最好的情況，同事生產(chǎn)過程中還好引入新的雜物，如果雜物進(jìn)入卷煙設(shè)備，雜物就會(huì)跟著一起卷成成品煙支，影響品牌和口碑；隨著細(xì)支煙的流程，煙支越細(xì)，如果出現(xiàn)一點(diǎn)梗簽，會(huì)直接導(dǎo)致煙紙炸裂，吸阻指標(biāo)達(dá)不到，帶來(lái)很多廢煙，浪費(fèi)原材料；同時(shí)，生產(chǎn)速度的提高，煙支內(nèi)部的梗簽也要求更小，否則生產(chǎn)的成品率無(wú)法提高。為了進(jìn)一步提高煙絲的純度，采用多光譜的圖像式檢測(cè)方式，可以有效提升設(shè)備的煙絲的純度，更加有效的控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)。

2.1 煙絲檢測(cè)設(shè)備的構(gòu)想

基于上述的行業(yè)背景，采用工業(yè)4CCD和X射線的成像檢測(cè)手段是當(dāng)下煙絲質(zhì)量的一個(gè)潛在的突破點(diǎn)。該4CCD成像單元，可以同時(shí)抓捕提取可見光波段和紅外波段的圖像，X射線成像具有透光特性，同時(shí)多波段布局有利于對(duì)煙絲和梗簽的分離，便于后端的圖像處理和分析。

檢測(cè)的設(shè)備的設(shè)計(jì)布局，改造管道輸送結(jié)構(gòu)，物料經(jīng)過圖像成像窗口，上下布局由可見光光源和高亮度紅外背光光源組成，采用多光譜4CCD相機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)的煙葉和煙梗進(jìn)行成像，同時(shí)提取可見光波段的圖像和紅外波段的圖像。

采集到的多光譜圖像后，進(jìn)行分割、煙絲煙梗分類、尺寸測(cè)量、雜物識(shí)別模型的建立等一系列算法的處理，最后計(jì)識(shí)別出雜物、煙梗，并同步控制電磁閥動(dòng)作，把雜物和超出規(guī)格尺寸的梗簽及時(shí)剔除。

2.2 可行性實(shí)驗(yàn)

針對(duì)以上的設(shè)計(jì)構(gòu)思，對(duì)煙絲和煙梗進(jìn)行成像預(yù)演，其實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：

2.3 需要克服的問題

在整體布局方面，采用4CCD+X射線成像，涵蓋的波段范圍較寬，可以分別識(shí)別雜物和梗簽，成像效果是最好的。關(guān)鍵難點(diǎn)：

1、煙絲輸送速度較快：由于顏色輸送速度較快，圖像采集的速度比快，因此圖像的曝光時(shí)間較短，所需要的光源也越亮，光的散熱會(huì)是一個(gè)大問題，需要獨(dú)立的水冷散熱。

2、物料存在拖影現(xiàn)象：對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體拍照，都會(huì)有一點(diǎn)拖影現(xiàn)象，曝光時(shí)間不能調(diào)的太小，對(duì)后期的圖像處理是一個(gè)考驗(yàn)

在卷煙生產(chǎn)過程中，煙絲品級(jí)、水分、產(chǎn)地、環(huán)境溫度參數(shù)等，對(duì)應(yīng)煙絲和煙梗的顏色、密度產(chǎn)生不同的影響。在識(shí)別雜物的過程中，需要根據(jù)不同的品牌制作相應(yīng)的識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而提高設(shè)備的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

本應(yīng)用方案的優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)速度快，且可見光、紅外波段、X射線的光譜范圍涵蓋了0.1nm～1000nm的全光譜范圍。另外，對(duì)于高端的多光譜4CCD和X成像技術(shù)，應(yīng)用于煙絲量檢測(cè)尚屬首次，如果對(duì)檢測(cè)后的控制體系設(shè)計(jì)得當(dāng)，提升卷煙生產(chǎn)線的智能化程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]李果；許成；袁興；朱云霞基于智能相機(jī)的殘煙絲異物智能剔除系統(tǒng)的研究科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)2016-08-03

[2]朱文魁；劉斌；毛偉俊；席建平；鐘科軍基于低能X射線透射成像的打葉片煙中煙梗在線檢測(cè)煙草科技2015-02-15

作者介紹：張磊磊 1984年6月生 籍貫：貴州遵義 學(xué)歷：本科 研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。