鄧晨曦

摘 ? 要：本文介紹了煙葉分級的意義、煙葉分級現(xiàn)狀、現(xiàn)有的煙葉質(zhì)量檢測手段以及煙葉的等級分類標(biāo)準(zhǔn)。為了使煙葉分級的過程更加高效化，減少人力成本的使用，設(shè)計了一種新型基于機器視覺的煙葉自動分級方法，較為詳細(xì)的闡述了該設(shè)計中的圖像采集過程、圖像處理過程、煙葉外觀提取過程以及煙葉識別與分級過程。通過本設(shè)計的應(yīng)用可以有效提升煙葉分類的效率和準(zhǔn)確度，促進(jìn)我國煙草行業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煙葉分級 ?機器視覺 ?模糊識別

中圖分類號：TP391.41;TS45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0039-02

1 ?概述

1.1 煙葉分級意義

煙草屬于茄科。煙草的種類有很多，但是為了實現(xiàn)煙草制品的商業(yè)化制作和銷售，就必須從所有的煙草種類中選擇出適宜人工培育的品種。煙草種植行業(yè)在全球范圍內(nèi)發(fā)展速度，目前世界范圍種植的煙草種類不超過10種，僅僅占到了所有煙草種類的一小部分。通常意義上所指的煙草僅僅是指煙葉植物，煙葉就是煙草植物的葉片，主要有兩類，其一是正在生長的煙草農(nóng)作物上的葉片，其二是已經(jīng)經(jīng)過了初步調(diào)制，但是未加工成煙絲成品的煙葉。煙草從農(nóng)作物階段到成品煙絲階段需要經(jīng)歷多個流程和步驟，多重加工之后才能成為商品進(jìn)行售賣。我國是煙草種植和消費大國，無論是從煙草相關(guān)農(nóng)作物的種植數(shù)量上看還是從煙草成品的消費情況來看，均排在世界前列。因此，在煙草生產(chǎn)的過程中如何高效率、高標(biāo)準(zhǔn)的完成對煙草的分級篩選，對于我國甚至全世界的煙草生產(chǎn)行業(yè)都可以在很大程度上減少人力的使用，提升煙葉的質(zhì)量和品質(zhì)。

1.2 煙葉分級現(xiàn)狀

基于我國煙草制品消費大國的現(xiàn)狀，我國煙葉種植行業(yè)在我國第一產(chǎn)業(yè)中居于重要地位。與第一產(chǎn)業(yè)中的其他種植業(yè)相比，煙草種植業(yè)的自動化、機械化程度較高。例如，在煙草種植行業(yè)中幾乎普及了全自動采收機和全自動編葉機等設(shè)備。但是在煙葉分級自動化設(shè)備方面，與生產(chǎn)過程的其他環(huán)節(jié)相比其智能化和自動化水平還較低。在煙葉分級的過程中，大多數(shù)國家的煙草生產(chǎn)商每年仍然需要雇傭大量的人工完成煙葉分級工作。

煙草制品生產(chǎn)商需要從煙葉種植農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者手中收購生產(chǎn)的原材料即煙葉產(chǎn)品，在這個過程中必須進(jìn)行煙葉分級以實現(xiàn)對交易雙方的公平性。人工進(jìn)行的煙葉分級僅僅是依靠人體感覺器官對煙葉等級進(jìn)行的主觀評定。這種主觀評定主要存在兩個方面的缺陷和弊端。其一，在大宗煙葉農(nóng)作物生產(chǎn)的過程中，煙葉分級的過程將消耗大量的人力成本和時間，這在一定程度上會降低交易的效率。其二，由于人工進(jìn)行的煙葉分級是一個純主觀的過程，在主觀判斷的過程中很可能出現(xiàn)買賣雙方對于煙葉等級評定意見相左的情況，不利于維護交易的公平性。除此之外，不同地區(qū)、不同分類定級人員之間存在的標(biāo)準(zhǔn)差異，也會在一定程度上阻礙煙草收購活動向統(tǒng)一化發(fā)展。

1.3 現(xiàn)有煙葉質(zhì)量檢測手段

對于煙葉質(zhì)量的機器檢測，一般情況下都會使用通過對煙葉內(nèi)部的化學(xué)成分進(jìn)行檢測的方式對煙葉的品質(zhì)進(jìn)行判斷和分析。通過對煙葉內(nèi)部的化學(xué)成分進(jìn)行檢測的方法判斷煙葉的品質(zhì)有以下幾點優(yōu)勢。其一，對煙葉本身的化學(xué)成分進(jìn)行檢測可以準(zhǔn)確的對煙葉的品質(zhì)做出判斷，相較于人工識別和分類具有更強的準(zhǔn)確度。其二，對煙葉的化學(xué)成分進(jìn)行界別相較于其他鑒別方式的穩(wěn)定性更強。但是從客觀上來講，在目前的技術(shù)水平下，人們尚且無法通過任何技術(shù)手段在煙葉內(nèi)部化學(xué)成分的構(gòu)成和煙葉品質(zhì)之間構(gòu)建起明確的關(guān)聯(lián)性。該方面技術(shù)水平在無法取得突破的情況下，采用化學(xué)成分作為煙葉分級的參考依據(jù)具有一定的缺陷。除此之外，通過鑒別化學(xué)成分的方式對煙葉質(zhì)量進(jìn)行鑒別首先需要對煙葉進(jìn)行一定的處理。只有經(jīng)過特殊處理的煙葉檢測設(shè)備才能分析其中的化學(xué)構(gòu)成。因此，采用化學(xué)成分的鑒別方法對煙葉進(jìn)行分析可行性不強。

2 ?煙葉的等級分類標(biāo)準(zhǔn)

目前對于煙葉的等級分類標(biāo)準(zhǔn)有多種。由于本文中采用了機器視覺自動識別分類計數(shù)，因此在選取煙葉等級分類標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)當(dāng)選擇以外觀、外表性狀為主要鑒別依據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)。在我國，存在烤煙相關(guān)的等級分類標(biāo)準(zhǔn)。筆者以上述分類標(biāo)準(zhǔn)為依托將煙葉不同部分的顏色作為其中一個等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。筆者將所有可能出現(xiàn)的煙葉顏色分成八種類別。將煙葉的成熟程度分為兩種類別。在葉片結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)的松散程度的不同劃分為三個類別。煙葉根據(jù)其生長環(huán)境的不同，煙葉本身所含有的油性成分也存在不一致的情況，因此筆者根據(jù)煙葉油性成分多少的不足為煙葉劃定了三個標(biāo)準(zhǔn)。最后，筆者根據(jù)煙葉色度的不同，又確定了三種類別。在基于機器視覺的煙葉自動分級設(shè)計中，其本質(zhì)就是根據(jù)煙葉外表特征進(jìn)行分類，因此筆者設(shè)定了上述分類標(biāo)準(zhǔn)。按照煙葉細(xì)胞排列的松散程度的分類如圖1所示。

3 ?機器視覺煙葉分級技術(shù)的實現(xiàn)過程

3.1 圖像采集過程

本設(shè)計如果想準(zhǔn)確的實現(xiàn)根據(jù)煙葉外表性狀進(jìn)行煙葉分級就必須先完成機器學(xué)習(xí)的過程。因此，在實現(xiàn)煙葉分級之前必須先為機器提供清晰度高的圖像使其完成機器學(xué)習(xí)。在圖像的采集階段，實現(xiàn)了高質(zhì)量圖像采集級采集到清晰度高的圖片的前提條件。在本設(shè)計中，裝配了多種的圖像設(shè)備進(jìn)行的圖像采集，有數(shù)碼照相機、CCD圖像傳感器以及高清晰度的掃描儀等。根據(jù)不同的采集環(huán)境和條件，選取不同的圖像采集設(shè)備以實現(xiàn)高質(zhì)量的采集效果。在圖像采集的過程中，可能會出現(xiàn)多種不利條件使圖像采集出現(xiàn)困難，但是為了后期機器識別和分級的準(zhǔn)確性，必須克服可能出現(xiàn)的不利因素，為后期機器識別奠定基礎(chǔ)。除此之外，為了避免一次采集出現(xiàn)的圖像不穩(wěn)定性，對同一片參考煙葉需要進(jìn)行三次以上的圖像采集，并將三次的采集圖像均錄入到系統(tǒng)之中。除此之外，還要注意在圖像采集的過程中保證外界光線不進(jìn)入采集區(qū)域。如果外界光線進(jìn)入，就會導(dǎo)致圖像采集不準(zhǔn)確，給后期對煙葉的識別和分級過程帶來不利影響。

3.2 圖像處理過程

由于在參照圖像的拍攝過程中，可能會受到各種環(huán)境因素例如光照條件、拍攝角度、拍攝位置的影響。在各種不利條件的影響下，可能會導(dǎo)致圖像質(zhì)量不穩(wěn)定，這將對后期的機器學(xué)習(xí)和機器識別造成不利影響。因此，在圖像采集完畢后必須進(jìn)行圖像的處理工作。通過對即將輸入系統(tǒng)的圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要實現(xiàn)的目的有以下三點。其一，提高圖像的質(zhì)量。通過圖像的預(yù)處理活動可以增強圖像的清晰度，減少圖片中可能出現(xiàn)的噪點，提高后期機器識別的效率以及準(zhǔn)確度。其二，可以去除圖像中與識別無關(guān)的圖像信息，例如煙葉放置臺等多余的圖像，增加信息的有效程度。其三，可以實現(xiàn)對圖像的簡化，減少后期機器學(xué)習(xí)的時間和成本。

3.3 煙葉外觀特征提取過程

在對煙葉進(jìn)行外觀識別的過程中，一張參照圖像中可以提取出與分類定級相關(guān)聯(lián)的多項信息。前文中筆者為煙葉的等級分類從不同維度劃定了相應(yīng)的等級標(biāo)準(zhǔn)。因此，在此過程中需要對參照圖像中與分類標(biāo)準(zhǔn)相契合的信息進(jìn)行提取。該過程也是機器學(xué)習(xí)的重要過程，通過該過程機器將實現(xiàn)圖像與分類標(biāo)準(zhǔn)的匹配，形成原始數(shù)據(jù)庫。后期的機器識別過程將依托原始數(shù)據(jù)庫中記錄的信息進(jìn)行識別與分類。在設(shè)備的具體使用場景下，系統(tǒng)將對需要進(jìn)行識別的煙葉目標(biāo)按照分類標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行關(guān)鍵信息提取。

3.4 煙葉識別與分級過程

在煙葉識別與分級的程序中，首先需要對煙葉進(jìn)行模糊識別。在模糊識別的過程中，采用了聚類模糊分析的方法，通過該流程，可以將不確定的識別對象進(jìn)行相對合理的分析，使得同一組中的若干圖像屬于同一類，以便此后的精準(zhǔn)識別。經(jīng)歷模糊識別后，就可以進(jìn)入識別與分級程序。本設(shè)計的圖像采集設(shè)備將對進(jìn)入設(shè)備中的煙葉進(jìn)行自動化圖像采集，對采集到的圖像進(jìn)行簡化處理并提取其中和分級活動相關(guān)聯(lián)的有效信息。完成上述活動后，設(shè)備將進(jìn)入分類環(huán)節(jié)。系統(tǒng)將從識別目標(biāo)中提取的信息與分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一一對照，根據(jù)分類定級標(biāo)準(zhǔn)將識別目標(biāo)劃分為不同的等級，最終將分類結(jié)果傳輸至用戶使用的計算機終端上。除此之外，系統(tǒng)還能為用戶提供關(guān)于整批煙葉質(zhì)量水平的智能化參考建議，供用戶在煙葉收購或出售活動中進(jìn)行參考。在該類設(shè)備實現(xiàn)廣泛推廣與應(yīng)用以后，還能根據(jù)整個行業(yè)的實時收購情況為用戶提供市場建議。

4 ?結(jié)語

本設(shè)計是基于機器視覺識別技術(shù)的煙葉等級分類智能化系統(tǒng)。相較于基于其它技術(shù)例如化學(xué)成分鑒別等具有顯著的實用性和高效性。本設(shè)計通過圖像采集、圖像處理、煙葉識別與分類等若干過程實現(xiàn)了煙葉的準(zhǔn)確分級，其在效率和準(zhǔn)確識別穩(wěn)定性上均要強于人工識別。該技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣，可以有效提升我國煙草行業(yè)的生產(chǎn)效率。除此之外，自動煙葉分級系統(tǒng)還能在一定程度上促進(jìn)我國煙葉收購活動的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，促進(jìn)該行業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展。

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