劉洪坤，鄧國棟，李 斌，周 博，趙繼俊，陳志浩，朱文魁

中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

煙絲是卷煙生產(chǎn)的核心材料，也是生成卷煙煙氣的主要來源。煙絲寬度對煙支物理指標和化學性質都有一定的影響［1-2］。一方面隨著煙絲寬度增加，煙支單支質量、總通風率及煙支物理指標穩(wěn)定性有所降低，并且煙氣中揮發(fā)性香味物質逐漸降低，煙氣質變得粗糙，感官質量也有所降低［3-4］；另一方面，煙絲寬度的增加會導致燃燒錐體積減小，燃燒錐的低溫區(qū)體積增加、高溫區(qū)體積減小，因此通過調整切絲寬度搭配，能有效降低燃燒錐特征溫度T0.5，降低CO釋放量［5］?？焖儆行У貦z測煙絲寬度，對調整煙絲寬度搭配、兼顧卷煙品質和卷煙減害具有重要意義。ISO 20193—2012提供了一種投影法檢測煙絲寬度的方法，該方法依靠人力尋找煙絲輪廓兩側的測量點，過程較為費時費力［6］。近些年，計算機視覺檢測技術在煙草形態(tài)特征檢測方面已有大量研究［7-8］，夏營威等［9］、Liu等［10］采用Hough變換檢測煙絲寬度的方法，通過計算煙絲兩側切口位置的距離檢測寬度，取得了良好的檢測效果。趙維一等［11］、邸成良等［12］采用矩陣翻轉法檢測煙絲寬度，也取得了較好的實驗效果。研究基于變徑圓算法的煙絲寬度檢測方法，通過檢測煙絲輪廓內(nèi)局部最大圓直徑，并以最大變徑圓直徑作為煙絲的局部寬度，以實現(xiàn)更加靈活、準確的煙絲寬度檢測，旨在為煙絲寬度檢測提供一種客觀、可靠的新方法。

1 材料與方法

1.1 檢測裝置

煙絲寬度檢測裝置包括工業(yè)相機（DFK 23GP031，德國The Imaging Source公司）、自制載物臺、夾持裝置以及計算機圖像處理系統(tǒng)。為滿足圖像處理要求，采用張正友法標定工業(yè)相機，以消除畸變影響［13］。設置采集圖像分辨率為2 560×1 920，工業(yè)相機鏡頭距離載物臺垂直距離為400 mm。為獲得良好拍攝效果，在黑色載物臺兩側布置LED（6500K）光源，并采用封閉殼體遮罩檢測裝置以減少陰影及外界光源的影響。

1.2 煙絲樣品

以6種未加香加料的煙絲（煙葉原料產(chǎn)地：攀枝花）作為取樣對象，在GB/T 16447—2004規(guī)定的環(huán)境下取樣和測量［14］，參照文獻［9］中的樣本容量計算方法，確定30根煙絲為一組。6種煙絲的寬度水平為0.4、0.8、1.0、1.2、1.6和2.2 mm。

1.3 實驗方法

采用變徑圓法檢測8種已知寬度的標準線條圖，檢驗變徑圓算法的精確度。另外，6種煙絲樣品在恒溫恒濕環(huán)境下平衡到含水率（12.5±0.5）%，每種樣品隨機取樣30根長度不小于10 mm的煙絲作為測試樣品，采用ISO投影法［6］、變徑圓法和Hough變換法分別測量6種煙絲樣品的寬度，以30根煙絲樣品寬度平均值作為該組樣品的寬度測量結果，比較變徑圓法檢測煙絲寬度的精確性和準確性。

2 煙絲寬度檢測方法及比較

2.1 煙絲寬度檢測方法

2.1.1 圖像分割

圖1A為一張原始煙絲圖片，采用最大類間方差法對原始煙絲圖片進行圖像分割。最大類間方差法計算簡單，受圖像亮度和對比度的影響較小，被認為是圖像分割中閾值選取的最佳算法［15］。圖1B為閾值處理并二值化后的圖像，可以看出，輪廓邊緣細節(jié)保留較好，說明該方法能夠保證煙絲寬度檢測的準確性與真實性。

圖1 煙絲圖像分割結果Fig.1 Segmentation result of tobacco strand image

2.1.2 圖像預處理

為了更加準確地檢測煙絲寬度，對采集后的煙絲圖像進行形態(tài)學處理，包括開閉操作、降噪、填充、邊緣檢測等處理。完成圖像預處理后，采用Zhang-Suen細化算法提取煙絲中心線［16］，圖2為單根煙絲細化操作后的圖像。

圖2 單根煙絲細化圖像Fig.2 A thinned imageof a singletobacco strand

2.1.3 變徑圓法煙絲寬度測量

對于煙絲寬度檢測，ISO方法［6］中推薦至少檢測一根煙絲的5個有效寬度值作為煙絲寬度數(shù)據(jù)。本研究中以變徑圓的最大直徑作為煙絲局部寬度，通過采集一根煙絲上多處局部寬度（≥5處），取其平均值作為單根煙絲的寬度測量值。具體步驟如下：

（1）采用Zhang-Suen細化算法［16］檢測中心線并計算長度N，從中心線一端以N/10為步長取點作為變徑圓圓心（Yx，Yy），設置變徑圓初始半徑為radius=1 px，不斷增大圓半徑。

（2）當變徑圓增大至圓周超出煙絲輪廓（X，Y），判斷出圓周超出煙絲輪廓的點坐標［（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）……（xk，yk）］，并采集煙絲輪廓外圓周的點坐標，取坐標均值作為輪廓外點集中心點（Cx，Cy）。

（3）以輪廓外點集中心點（Cx，Cy）和圓心坐標的相對位置作為調整圓心的依據(jù)，中心點相對圓心坐標的反方向作為圓心調整方向，調整一定長度，以新圓心作相同半徑圓，判斷與煙絲輪廓相交情況。若有圓周點落在輪廓外，則重復上述步驟調整圓心位置；若無圓周點落在煙絲輪廓外，則繼續(xù)增大半徑，直至圓周與煙絲輪廓相切（或略微相交），則以此圓直徑作為局部煙絲寬度，繼續(xù)遍歷中心線上其他圓心點，直至遍歷完所有圓心位置。

（4）遍歷結束后得到如圖3、圖4所示的煙絲圖像。如圖3所示，以從左至右6個變徑圓直徑的平均值作為該煙絲的寬度測量平均值。但由于煙絲在切絲過程中存在毛刺等切割不平整情況，會導致出現(xiàn)極端直徑的變徑圓，如圖4左端第一個綠色變徑圓。針對這種情況，以整根煙絲平均寬度的一半（obj/2）作為判據(jù)，大于煙絲平均寬度一半的直徑d作為寬度數(shù)據(jù)采集，小于煙絲平均寬度一半的直徑d則篩除，判據(jù)與計算公式如下：

圖3 變徑圓法檢測結果Fig.3 Measurement result of the method based on circles with different radii

圖4 存在極端直徑的檢測結果Fig.4 Measurement result with extreme diameter

（5）以上為單根煙絲的檢測過程，遍歷整張圖片中的所有煙絲，并統(tǒng)計煙絲寬度數(shù)據(jù)。

2.2 煙絲寬度檢測方法比較

圖5 A為ISO投影法所用的煙絲樣品夾持器，夾持器上畫有5條分布均勻的刻度線，煙絲垂直粘貼在夾持器上，通過光學方法放大煙絲圖像，手動選擇刻度線兩側測量點，紅色線段長度即為實際煙絲寬度值（如寬度d1）。ISO投影法檢測的原理是以夾持器水平刻度線為參考，測量垂直于刻度線處的煙絲寬度值。因此，寬度值在煙絲與刻度線垂直的情況下檢測較為準確，傾斜粘貼時則會出現(xiàn)測量偏差（如寬度d2）。

圖5B為應用圖像檢測技術的Hough變換法檢測示意圖，該方法是在煙絲兩側尋找和匹配平行線段，以煙絲兩側平行線段間距離作為寬度值（如寬度d3）。由于可能存在切絲機工作狀態(tài)不佳導致的切絲質量不穩(wěn)定，如圖5B所示，該工況下形成的不規(guī)則、不均勻煙絲，存在難以匹配到平行線段的狀況，或者部分匹配到的平行線段距離（如寬度d4）與煙絲寬度偏差甚遠，導致難以檢測到準確的煙絲寬度。

圖5C為變徑圓法煙絲寬度檢測示意圖，該方法首先確定煙絲圖像的中心軸線，進而從中心軸線的特定位點處尋找最大內(nèi)切圓，內(nèi)切圓直徑即為該位點的煙絲寬度（如寬度d5），通過中心軸線多個檢測位點的測量結果平均即可計算出單根煙絲寬度。變徑圓法關注的是煙絲本身在不同設定位點處的寬度值，這與ISO投影法類似，但變徑圓法是以煙絲中心軸線作為基準，確保了測定位點處的寬度（即內(nèi)切圓直徑）與中心軸線是垂直的。變徑圓法對不同形狀煙絲的適用性更廣。

圖5 3種煙絲寬度檢測方法示意圖Fig.5 Schematic diagrams of three measurement methods to determine the width of tobacco strand

3 結果與討論

3.1 準確性實驗

3.1.1 標準線條圖檢驗

采用Photoshop CS6軟件繪制如圖6所示的標準線條圖，圖片包括9條已知寬度和長度的矩形線條，每根線條寬度相同，長度不同。類似的，共繪制8張寬度不同，長度和顏色都相同的標準線條圖片。8張圖片中，以像素數(shù)目統(tǒng)計的線條寬度分別為4、6、8、10、12、15、20和30 px，單像素實際寬度為0.06 mm。采用變徑圓法測量繪制的線條寬度，檢驗測量算法的準確性。

圖6 算法準確性檢驗測試圖Fig.6 The diagram of algorithm accuracy test

測量結果如表1所示，測得的線條寬度與實際線條寬度基本一致，線性擬合的確定系數(shù)R2=0.998 91，斜率k=0.996 7。其中，4 px寬度的標準線條測試相對誤差為5%，其他標準線條的測試誤差大多在3%以內(nèi)。這是由于在圖像分辨率一定的條件下，通過邊緣檢測和二值化對目標區(qū)域分割的絕對誤差是在一定范圍內(nèi)的，因此標準線條寬度值越小，則寬度檢測結果的相對誤差就越大。此外，通過提高相機分辨率和增加變徑圓迭代次數(shù)可以進一步提高該方法的測量準確性。

表1 標準線條圖測試結果Tab.1 Measurement results of standard strands’width

3.1.2 不同切絲寬度煙絲檢驗

從6種煙絲樣品中分別隨機取樣30根，每30根作為一組實驗樣品，得到1#、2#、3#、4#、5#和6#樣品，以30根煙絲寬度的平均值作為該組煙絲樣品的寬度數(shù)據(jù)，分別采用ISO投影法、變徑圓法和Hough變換法測量6組煙絲樣品的寬度，測量結果見表2。

由表2可知，除1#樣品外，變徑圓法和ISO投影法的測量結果之間無顯著性差異（P＞0.05），和Hough變換法測量結果之間存在一定差異。以ISO方法測量的結果作為參照，變徑圓法測得的整組寬度均值更接近ISO投影法的結果。圖7為ISO投影法和變徑圓法測量30根3#煙絲樣品的擬合結果，線性擬合斜率為0.99802，表明變徑圓法測量值和ISO投影法測量值接近相等，T檢驗結果為兩組寬度測量值在95%置信區(qū)間內(nèi)存在顯著相關。

表2 ISO投影法、變徑圓法、Hough變換法測量煙絲寬度準確性對比實驗結果①Tab.2 Comparativeexperimentresultsontheaccuracyof tobaccostrands’widthmeasuredbytheISOprojection method,themethodbasedoncircleswithdifferent radiiandtheHoughtransformmethod （mm）

圖7 30根煙絲寬度測量結果對比Fig.7 Comparisononthewidthmeasurementresults of30tobaccostrands

由圖8可知，變徑圓法在最低寬度水平（1#樣品）下測量結果有所偏高，出現(xiàn)誤差一方面可能是由較低分辨率的相機引起，在較低分辨率情況下煙絲圖像邊緣處理的難度增大，精確度因此有所降低；另一方面可能是由變徑圓迭代次數(shù)較少引起，迭代次數(shù)越多測量結果越精確，因此可通過增加迭代次數(shù)來提高檢測結果的精確性。在其余寬度水平下，變徑圓法測量結果與ISO投影法的測量結果更接近，二者的測量結果均高于Hough變換法。這可能是由于Hough變換法僅能檢測煙絲中平行切口處的寬度，對于煙絲中不規(guī)則段或者顆粒形狀整體不規(guī)則的煙絲則無法檢測。整體來看，變徑圓法測得的6組煙絲寬度數(shù)據(jù)相較于Hough變換法更接近ISO投影法測量的寬度數(shù)據(jù)，這也驗證了變徑圓法和ISO投影法原理的一致性。

圖8 6種煙絲樣品寬度測量結果對比Fig.8 Comparisononthewidthmeasurementresults of6tobaccostrandsamples

3.2 重復性實驗

從已知切絲寬度的6種煙絲樣品中各隨機取樣30根，單根煙絲長度大于等于10mm，以30根煙絲寬度的平均值作為該組煙絲樣品的寬度數(shù)據(jù)，采用變徑圓法測量6組煙絲樣品的寬度。同一組煙絲樣品每次測量后調整煙絲位置分布，由同一實驗員重復測量10次，操作過程中應盡量避免煙絲破碎、斷裂和變形。重復性實驗測量結果見表3。由表3可知，6種煙絲樣品寬度的RSD在0.3%~1.2%，r最大為0.021，符合計量學的重復性要求。

表3 煙絲寬度重復性實驗測量結果Tab.3 Results of repeatability test of tobacco strands’width （mm）

3.3 檢測時間對比

采用已知的6種煙絲樣品進行實驗，表4為3.1節(jié)對比實驗所用時間。由表4可知，ISO投影法所用檢測時間最長，測量每組煙絲樣品平均用時37.000 min；Hough變換法所用檢測時間最短，每組煙絲樣品平均用時1.113min，變徑圓法用時居中，每組煙絲樣品平均用時2.534min，但已經(jīng)大幅度低于ISO投影法所用時間，能夠滿足煙絲寬度離線檢測需求。另外，ISO投影法與Hough變換法所用時間分布較為均勻，而變徑圓法所用時間逐漸變長，結合表2所測得的6種煙絲樣品寬度分析可知，由于變徑圓法需要不斷迭代增加半徑，直至最大變徑圓與煙絲輪廓相切，故在初始半徑一定情況下，煙絲寬度越寬，算法迭代次數(shù)越多，用時也隨之增加；而Hough變換法和ISO投影法檢測時不進行迭代，所以檢測時間不會隨寬度增加而增加。

表4 ISO投影法、變徑圓法、Hough變換法檢測煙絲寬度所用時間對比結果Tab.4 Test time needed by the ISO projection method,the method based on circles with different radii and the Hough transform method for measuring tobacco strands’width （min）

4 結論

①提出了一種基于變徑圓的煙絲寬度圖像檢測方法，實現(xiàn)了煙絲寬度的準確測量。與ISO投影法和Hough變換法的對比實驗結果顯示，ISO投影法和變徑圓法測量的30根煙絲（3#樣品）寬度結果在95%置信區(qū)間內(nèi)存在顯著相關，線性擬合斜率為0.998。②以6種煙絲樣品為實驗對象，變徑圓法測量結果除較低寬度水平誤差較大外，在正常寬度水平下相較于Hough法更接近ISO投影法的測量結果，并且變徑圓法重復10次測量6種煙絲樣品的RSD最大為1.2%，精密度好。③變徑圓法測量6種煙絲樣品平均用時2.5 min，遠小于ISO投影法用時，檢測效率更高。