CN109827525A - 一种快速自动检测沟槽滤棒特征参数的小型检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速自动检测沟槽滤棒特征参数的小型检测系统，包括：外框架；位于外框架内且同轴布置的第一中心孔和第二中心孔，第一中心孔与第二中心孔之间预留间隙，第一中心孔为待测滤棒插入孔；安装在第二中心孔内的摄像头所述摄像头的镜头正对第一中心孔的端面；安装于外框架内的切割刀片，所述切割刀片在切割时沿平行于第一中心孔的端面方向行进；以及控制模块，所述摄像头接入该控制模块内，所述控制模块包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机软件，所述计算机软件被所述处理器执行时，进行图像采集和特征参数提取。本发明解决了快速且便捷的对沟槽滤棒进行质量检验的重大难题。

Description

一种快速自动检测沟槽滤棒特征参数的小型检测系统

技术领域

本发明属于烟草行业领域，特别涉及一种快速自动检测沟槽滤棒特征参数的小型装置。

背景技术

随着卷烟消费人群对卷烟要求的日益提高以及对吸烟有害健康的认识日益增强，具有功能性的特种滤棒也逐渐应用于一些高档卷烟中，其中沟槽滤棒是特种滤棒中最为常见的一种。沟槽滤棒由醋酸纤维束加以一定量的三醋酸甘油酯，通过对纤维素纸再线压纹以及外包裹普通成型纸或高透纸而形成，沟槽滤棒的外成型纸与内包裹纸之间有一圈沟槽。

例如，公告号为CN 108244702A公开了一种沟槽滤棒包括：过滤丝束和包覆于所述过滤丝束的外周侧面上的丝束包裹纸；所述过滤丝束和所述丝束包裹纸构成纤维滤体，所述纤维滤体的外周侧面上设有螺旋槽部，所述螺旋槽部的底面与所述过滤丝束的中轴线之间的径向距离小于所述过滤丝束的半径。对沟槽滤棒的检验除了普通滤棒的检测项目外，还有很多其自身的特点，包括沟槽的数量，沟槽的深度以及沟槽比表面积。如何快速且便捷的对沟槽滤棒进行质量检验成为整个烟草行业的一个重大难题。

醋酸纤维沟槽滤棒是一种目前应用于中高档卷烟降焦减害的常见滤棒，其除具备了常规滤棒共有的长度、圆周、圆度等质量参数外，还拥有沟槽数目、沟槽深度、沟槽面积等特有参数，这些参数对于其过滤焦油和烟碱的效果具有十分重要的影响。目前对于沟槽滤棒的检测，已有相关的检测标准，基于该标准下的检测方法较多，利用数字化图像处理技术，通过工业摄像机或者光学显微镜摄取被测量滤棒的表面图像，针对图像进行精确的提取、分析和计算。图像提取目前有两种方式，一种是人工结合，手动提取存在误差较大的问题，另一种是利用图像处理技术自动提取有用图像信息，例如董浩、洪深求等人提出醋纤沟槽滤棒特征参数测定方法(《烟草科技》,2010(4):5-8)。

发明内容

为解决如何快速且便捷的对沟槽滤棒进行质量检验的重大难题，本发明提供一种快速自动检测沟槽滤棒特征参数的检测系统。

一种快速自动检测沟槽滤棒特征参数的小型检测系统，包括：

外框架；

位于外框架内且同轴布置的第一中心孔和第二中心孔，第一中心孔与第二中心孔之间预留间隙，第一中心孔为待测滤棒插入孔；

安装在第二中心孔内的摄像头所述摄像头的镜头正对第一中心孔的端面；

安装于外框架内的切割刀片，所述切割刀片在切割时沿平行于第一中心孔的端面切割；

以及控制模块，所述摄像头接入该控制模块内，所述控制模块包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机软件，所述计算机软件被所述处理器执行时，实现如下步骤：

(1)开启摄像头，采集沟槽滤棒截面的图片；

(2)接收摄像头采集到的图片；

(3)依据所述图片提取沟槽滤棒的特征参数并进行显示。

待测滤棒插入第一中心孔中，操作刀片向滤棒移动，切割完成后，刀片归位，通过控制模块的人机交互界面，开启摄像头，进行图片拍摄，摄像头将拍摄的图片传输给控制模块，控制模块依据接收到的图片对滤棒特征参数进行提取并显示。

优选地，为增加拍摄清晰度，所述第二中心孔内且位于摄像头与第一中心孔之间设置灯圈；所述灯圈接入所述控制模块内；所述灯圈的灯珠面向所述第一中心孔的端面。灯圈和摄像头均受控于控制模块，灯圈与摄像头可通过有线或无线通信连接通知模块。

优选地，所述外框架为箱体结构；所述第一中心孔贯通外框架的外壁面且外壁面上设置连通第一空心孔端口的沉孔。第一中心孔的直径略大于构成滤棒的直径。

进一步地，所述箱体结构底部四角处设置防滑垫。

进一步优选地，所述第一中心孔与第二中心孔之间预留间隙或第一中心孔与第二中心孔衔接处设置落料孔；还包括与所述外框架配合的抽屉，所述抽屉位于所述预留间隙或落料孔的下方。

抽屉用于收集被刀片切割下来的滤棒。

优选地，所述刀面为圆刀片；所述刀片由电机驱动沿平行于第一中心孔端面的方向行进以切割待测滤棒。

进一步优选地，所述刀片与电机的输出轴同轴固定；所述电机的基座与外框架之间滑动安装且滑动方向垂直于第一中心孔和第二中心孔的轴向；所述电机的基座上设置推杆。

刀片通过紧固件与电机轴相配合连接。电机能够在安装位置处与第一中心孔轴向相垂直的方向移动，不工作时与第一中心孔的端面相切。

优选地、所述外框架内还设有为所述电机供电的电池。电池采用锂电池，用于对电机及灯圈进行供电，锂电池可进行充电并重复使用。

优选地、所述控制模块为平板电脑，安装于所述外框架的顶部。平板电脑内存储检测软件以及用于启动整个装置，摄像头采集的图像由数据线传输给平板电脑并进电脑内的检测软件进行分析与记录，平板电脑对摄像头供电并进行数据采集。

沟槽滤棒的特征参数包括常规滤棒共有的长度、圆周、圆度等质量参数以及沟槽数目、沟槽深度、沟槽面积等特有参数。本发明可检测的是沟槽滤棒的圆周、圆度、沟槽数目、沟槽深度、沟槽面积等参数。关于这些参数的提取方法本身已为成熟技术，本发明可引用成熟的图像处理技术自动提取。这些成熟的检测技术中，滤棒端面空洞数量无法检测，因此，本发明在实现快速检测的基础上还解决滤棒端面空洞数量无法检测的问题，在原有检测程序上增加了关于空洞数量的检测，利用连通域面积、深度、连通域间夹角等空间位置参数对空洞数量进行测算。

即：优选地，所述特征参数包括滤棒端面空洞数量，滤棒端面空洞数量提取方法包括如下步骤：

对所述图像进行灰度化、二值化以及去噪预处理；

测算预处理后图像中各连通区域的面积、深度、以及所在位置，每个连通区域为沟槽孔或空洞；

根据获得的各连通区域的面积、深度、以及所在位置，按照预设的查找规则，对每个连通区域进行筛选统计，以获得沟槽滤棒端面的空洞数量。

采用中值滤波方法对图像进行去噪处理。

所述测算预处理后图像中各连通区域的面积、深度、以及所在位置包括：

提取预处理后图像的内外轮廓，并以滤棒中心点为原点O，以水平直径为X轴建立直角坐标系，然后计算获得每个连通区域在直角坐标系下的面积，深度以及位置，其中，以连通区域最高点在直角坐标系的坐标H_i表示连通区域的位置。

其中，深度是指连通区域边缘上距离连通区域质心最近的点与最远的点的连线，在滤棒经向上的投影。

在对每个连通区域进行筛选统计之前，还包括：

再以直角坐标系的原点O为极点，以水平轴OX为极轴，建立极坐标系，并计算每个连通区域的位置在极坐标系中的极角，该极角作为每个连通区域的极角，这样，每个连通区域可以表示成{θ_i,H_i}，其中，θ_i表示第i个连通区域的极角，H_i表示第i个连通区域的位置信息。

所述根据获得的各连通区域的面积、深度、以及所在位置，按照预设的查找规则，对每个连通区域进行筛选统计包括：

对连通区域进行分类，具体如下：

当连通区域的深度满足0.05≤D_i＜0.1，则将连通区域划分到集合M，其中，M＝{M_i,i＝1,2,3,…,N}，M_i＝{θ_i，H_i}，D_i表示i个连通区域的深度；

当连通区域的深度满足D_i≥0.1，则将连通区域划分到集合P，其中，P＝{P_i,i＝1,2,3,…,N}，P_i＝{θ_i,H_i}；

针对集合M中的每个连通区域M_i＝{θ_i，H_i}，连通区域的极角θ_i与相邻的连通区域的极角之差处于(2π/17)±7％范围内，则该连通区域为沟槽孔，剩余连通区域为空洞；

针对集合P中的每个连通区域P_i＝{θ_i,H_i}，若该连通区域的极角与相邻连通区域的极角之差，也就是两个连通区域的极角之间的夹角处在(2π/17)±7％范围外，则认为该连通区域为空洞，剩余为沟槽孔。

所述沟槽滤棒端面空洞的计算方法还包括：

将被认定为空洞的位置H_i转换成极经ρ_i，将极经ρ_i小于正常沟槽孔最低点到滤棒中心的距离的空洞认定为最终的空洞。

本发明装置可由单人操作并可随身携带，可携带至机台或者生产线对滤棒进行现场检验。操作者只需将设备放置桌面或其它平台上，开启设备开关，将所测滤棒插入滤棒固定孔内，推动电机侧壁的把柄，所测滤棒被刀片切割，待电机归回至初始位置，电机平板电脑进行测量，灯圈及摄像头启动，对滤棒进行切面的图像采集，并将采集上来的图像传输至平板电脑并进行相对性的分析。摄像头与平板电脑连接，平板电脑控制着电机的转动及灯圈和摄像头。该发明装置不仅方便快捷且测量速度快并精准，因此有很好的推广效果。

附图说明

图1是本发明整体结构的结构示意图。

图2是本发明装置的部件爆炸图。

图3是本发明装置的背面示意图。

图4是本发明部分组件的示意图。

图5是沟槽滤棒结构示意图。

图6是图5所示沟槽滤棒的截面图。

图7是经预处理后的滤棒断面图像。

图8是连通区域深度示意图。

图9是可能存在误判为空洞的示意图。

图中所示附图标记如下：

1-外框架 2-抽屉 3-平板电脑

4-沟槽滤棒 5-摄像头 6-灯圈

7-刀片 8-电机 9-推杆

10-沉孔 11-第一中心孔 12第二中心孔

13-落料孔 14-滤棒 15-截面

16-沟槽

具体实施方式

如图1～图4所示，一种沟槽滤棒特征参数的小型检测装置，包括外框架1、安装于外框架内的抽屉2、锂电池、摄像设备和切割机构以及安装于外框架1顶部的平板电脑。

外框架采用箱体结构，摄像设备、切割机构安装于外框架内上半部，平板电脑安装于外框架顶部，抽屉和锂电池安装于外框架内下半部。

外框架的上半部内设置同轴布置且水平贯通外框架的第一中心孔11和第二中心孔12，第一中心孔作为滤棒插入孔，第二中心孔用于安装摄像设备，第二中心孔孔径大于第一中心孔孔径，在第一中心孔和第二中心孔衔接处形成一个环形面，第一中心孔的端面位于环形面的中心。

摄像设备包括摄像头5和灯圈6，摄像头和灯圈均安装于第二中心孔内，第一摄像头的镜头正对第一中心孔的端面，灯圈位于摄像头与第一中心孔之间，灯圈的灯珠面向第一中心孔的端面。灯圈位于摄像头与第中心孔端面之间，灯圈与第一中心孔端面之间且位于第二中心孔地面设置落料孔13。

抽屉2位于落料孔的下方，抽屉与外框架之间可为简单的抽拉配合也可以在外框架内侧安装抽屉轨道。抽屉由第一中心孔一侧抽出，第一中心孔端口所在的外框架外壁面上设置沉孔10。

平板电脑3安装在外框架的顶部，平板电脑用于安装检测程序及启动整个装置用，摄像头采集的图像由数据线传输给平板电脑并经电脑进行分析及记录，平板电脑对摄像头供电并进行数据采集。

切割设备包括电机8、刀片7和推杆9，刀片采用圆刀片，刀片与电机的轴之间同轴且固定连接，电机的基座与外框架之间滑动安装，滑动方向垂直于第一中心孔的第二中心孔的轴向，刀片垂直于第一中心孔和第二中心孔的中心轴线运行，不切割时刀片与第一中心孔的端面相切、切割时沿第一中心孔的端面行进。电机的基座上固定一个推杆9，用于操作电机在垂直于第一中心孔与第二中心孔轴线上的滑动。电机由外框架内的锂电池供电，与平板电脑之间通信连接，由平板电脑发送启停信号。

利用该滤棒检测装置可以对沟槽滤棒14的截面15上的沟槽16进行深度、数量及槽表面积检测，还可以对滤棒断面的空洞数量进行检测。操作者或检验员将滤棒质量检测装置的开关开启后，同时启动平板电脑内的检测程序，取一根被测滤棒，将该滤棒通过沉孔插入至第一中心孔内，滤棒插入第一中心孔内的深度由滤棒的型号决定。待滤棒插入第一中心孔后，点击平板电脑控制面上的切割按钮，锂电池将对电机供电，圆刀片随着电机的转动而转动。此时推动推杆，用圆刀片将伸出第一中心孔的多余滤棒切割掉，被切割掉的滤棒将落料孔13掉落致抽屉2内。

待滤棒切割完毕后，将电机恢复至原位。此时点击平板电脑屏幕上的图像采集按钮，灯圈点亮启动，对滤棒的切割面进行照射，摄像头此时将对滤棒的端面进行照片采集，并将采集的照片传输至平板电脑内，有测量程序对所采集的滤棒端面进行沟槽的质量判断。

本实施方式中，质量判断包括如下步骤：

具体地，由于沟槽滤棒端面的图像的像素分布比较均匀，且变化梯度不大，因此选择中值滤波方法对图像进行去噪处理。该中值滤波方法能够快速有效地去除图像中的噪声点，以平滑图像，获得质量高的图像。

经预处理后的图像如图7所示，图像的边缘清楚地呈现了多个连通的一些小区域，这些小区域的深度有所差异，一般情况下，深度较深的小区域为沟槽孔，深度较浅的小区域为空洞。其中，深度是指连通区域边缘上距离连通区域质心最近的点与最远的点的连线，在滤棒经向上的投影，如图8所示，其中，(a)为当连通区域为标准区域时，连通区域的深度D示意图，(b)为当连通区域为非标准区域时，连通区域的深度D示意图。

为了统计空洞的数量，对这些区域进行统计，具体地，提取预处理后图像的内外轮廓，并以滤棒中心点为原点O，以水平直径为X轴建立直角坐标系，然后计算获得每个连通区域在直角坐标系下的面积，深度以及位置，其中，以连通区域最高点在直角坐标系的坐标H_i表示连通区域的位置。

此外，再以直角坐标系的原点O为极点，以水平轴OX为极轴，建立极坐标系，并计算每个连通区域的位置在极坐标系中的极角，该极角作为每个连通区域的极角，这样，每个连通区域可以表示成{θ_i,H_i}，其中，θ_i表示第i个连通区域的极角，H_i表示第i个连通区域的位置信息。

由于连通区域的深度直接影响连通区域的分类，即连通区域是滤棒孔还是空洞，因此，首先根据连通区域的深度信息，对连通区域进行分类，具体如下：

当连通区域的深度满足0.05≤D_i＜0.1，则将连通区域划分到集合M，其中，M＝{M_i,i＝1,2,3,…,N}，M_i＝{θ_i，H_i}，D_i表示i个连通区域的深度；

当连通区域的深度满足D_i≥0.1，则将连通区域划分到集合P，其中，P＝{P_i,i＝1,2,3,…,N}，P_i＝{θ_i,H_i}。

这样集合M中的连通区域的深度均比较小，即D_i∈[0.05,0.1)，根据YC/T 223.1-2014，特种滤棒第1部分：醋纤沟槽滤棒

行业标准，D_i∈[0.05,0.1)的连通区域不能确定为沟槽孔，也就是D_i∈[0.05,0.1)的连通区域被认定为空洞，但是在实际的生产过程中，部分沟槽孔的深度偏小，满足D_i∈[0.05,0.1)，此时该沟槽孔被误判成孔洞，如图9中连通区域A则由于深度偏小很容易被判成孔洞。因此，不能简单地根据深度的大小，来判断集合M中的所有连通区域均为空洞。

为了避免对沟槽孔的误判，也就是为了提升空洞统计的准确性，针对集合M中的每个连通区域M_i＝{θ_i，H_i}，连通区域的极角θ_i与相邻的连通区域的极角之差处于(2π/17)±7％范围内，则该连通区域为沟槽孔，剩余连通区域为空洞。

由于一个正常的沟槽滤棒端面，17个沟槽孔均匀分布在沟槽滤棒端面上，则相邻两个沟槽孔的夹角应为2π/17，在实际测量中由于存在误差，所以相邻两个沟槽孔的实际夹角应为(2π/17)±7％，根据该实际夹角，能够准确地对集合中的沟槽孔进行筛选滤除，获得较准确的空洞的数量。

集合P中的连通区域的深度均较大，即D_i≥0.1，根据根据YC/T 223.1-2014，特种滤棒第1部分：醋纤沟槽滤棒行业标准，则认为集合P中的所有连通区域即为孔洞孔，但是，在实际的生产过程中，部分空洞的深度较大，满足D_i≥0.1，此时，该空洞被误判成沟槽孔，如图3中连通区域B则由于深度较大被误判成沟槽孔。

经实验研究和观察，发现被误判成沟槽孔的连通区域，一般出现在两个沟槽孔的之间，且连通区域的最高点位置通常低于正常的沟槽孔，因此，为了避免对空洞的误判，也就是为了提升空洞统计的准确性，针对集合P中的每个连通区域P_i＝{θ_i,H_i}，若该连通区域的极角与相邻连通区域的极角之差，也就是两个连通区域的极角之间的夹角处在(2π/17)±7％范围外，则认为该连通区域为空洞，剩余为沟槽孔。

此外，为了更精确地统计集合P中的空洞，对集合P中被认定为空洞的连通区域进行高度验证，具体地，

将被认定为空洞的位置H_i转换成极经ρ_i，将极经ρ_i小于正常沟槽孔最低点到滤棒中心的距离的空洞认定为最终的空洞。

最后将集合M和集合P中确定的空洞进行显示。

以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种快速自动检测沟槽滤棒特征参数的小型检测系统，其特征在于，包括：

外框架；

位于外框架内且同轴布置的第一中心孔和第二中心孔，第一中心孔为待测滤棒插入孔；

安装在第二中心孔内的摄像头，所述摄像头的镜头正对第一中心孔的端面；

安装于外框架内的切割刀片，所述切割刀片在切割时沿平行于第一中心孔的端面切割；

以及控制模块，所述摄像头接入该控制模块内，所述控制模块包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机软件，所述计算机软件被所述处理器执行时，实现如下步骤：

(1)开启摄像头，采集沟槽滤棒截面的图片；

(2)接收摄像头采集到的图片；

(3)依据所述图片提取沟槽滤棒的特征参数并进行显示。

2.根据权利要求1所述小型检测系统，其特征在于，所述第二中心孔内且位于摄像头与第一中心孔之间设置灯圈；所述灯圈接入所述控制模块内；所述灯圈的灯珠面向所述第一中心孔的端面。

3.根据权利要求1所述小型检测系统，其特征在于，所述第一中心孔与第二中心孔之间预留间隙或第一中心孔与第二中心孔衔接处设置落料孔；还包括与所述外框架配合的抽屉，所述抽屉位于所述预留间隙或落料孔的下方。

4.根据权利要求1所述小型检测系统，其特征在于，所述切割刀片为圆刀片；所述切割刀片由电机驱动沿平行于第一中心孔端面的方向行进以切割待测滤棒；所述切割刀片与电机的输出轴同轴固定；所述电机的基座与外框架之间滑动安装且滑动方向垂直于第一中心孔和第二中心孔的轴向；所述电机的基座上设置推杆。

5.根据权利要求1所述小型检测系统，其特征在于，所述控制模块为平板电脑，安装于所述外框架的顶部。

6.根据权利要求1所述小型检测系统，其特征在于，所述特征参数包括滤棒端面空洞数量，滤棒端面空洞数量提取方法包括如下步骤：

(1)对所述图像进行灰度化、二值化以及去噪预处理；

(2)测算预处理后图像中各连通区域的面积、深度、以及所在位置，每个连通区域为沟槽孔或空洞；

(3)根据获得的各连通区域的面积、深度、以及所在位置，按照预设的查找规则，对每个连通区域进行筛选统计，以获得沟槽滤棒端面的空洞数量。

7.根据权利要求6所述小型检测系统，其特征在于，所述测算预处理后图像中各连通区域的面积、深度、以及所在位置包括：

提取预处理后图像的内外轮廓，并以滤棒中心点为原点O，以水平直径为X轴建立直角坐标系，然后计算获得每个连通区域在直角坐标系下的面积，深度以及位置，其中，以连通区域最高点在直角坐标系的坐标H_i表示连通区域的位置。

8.根据权利要求6所述小型检测系统，其特征在于，在对每个连通区域进行筛选统计之前，还包括：

再以直角坐标系的原点O为极点，以水平轴OX为极轴，建立极坐标系，并计算每个连通区域的位置在极坐标系中的极角，该极角作为每个连通区域的极角，这样，每个连通区域可以表示成{θ_i,H_i}，其中，θ_i表示第i个连通区域的极角，H_i表示第i个连通区域的位置信息。

9.根据权利要求6所述小型检测系统，其特征在于，所述根据获得的各连通区域的面积、深度、以及所在位置，按照预设的查找规则，对每个连通区域进行筛选统计包括：

对连通区域进行分类，具体如下：

当连通区域的深度满足0.05≤D_i＜0.1，则将连通区域划分到集合M，其中，M＝{M_i,i＝1,2,3,…,N}，M_i＝{θ_i，H_i}，D_i表示i个连通区域的深度；

当连通区域的深度满足D_i≥0.1，则将连通区域划分到集合P，其中，P＝{P_i,i＝1,2,3,…,N}，P_i＝{θ_i,H_i}；

针对集合M中的每个连通区域M_i＝{θ_i，H_i}，连通区域的极角θ_i与相邻的连通区域的极角之差处于(2π/17)±7％范围内，则该连通区域为沟槽孔，剩余连通区域为空洞；

针对集合P中的每个连通区域P_i＝{θ_i,H_i}，若该连通区域的极角与相邻连通区域的极角之差，也就是两个连通区域的极角之间的夹角处在(2π/17)±7％范围外，则认为该连通区域为空洞，剩余为沟槽孔。

10.根据权利要求6所述小型检测系统，其特征在于，所述沟槽滤棒端面空洞的计算方法还包括：

将被认定为空洞的位置H_i转换成极经ρ_i，将极经ρ_i小于正常沟槽孔最低点到滤棒中心的距离的空洞认定为最终的空洞。