CN113436195B - 一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法及烟丝取向分布测量系统，搭建测量系统，建立函数模型，结合图像预处理，进行多组试验，将获取到的数值与设定阈值作比较，高于设定阈值的作为初步结果，多组试验后选取数值最高的一组作为最优结果，基于正交设计分别探明三个设计参数的最佳工作条件值。本发明量化精度高，通用性强，且可实现烟草智能化测量。
Description
技术领域
本发明涉及烟草机械技术领域，尤其涉及一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法。
背景技术
目前加热不燃烧卷烟以美国菲莫公司IQOS为代表，发烟段开始采用了有序填充方式（烟丝朝向方向一致）。研究表明，提高烟丝有序性能够获得较好的热传递效果，具有更好的吸食口味。
为了保证烘培加热效果，烟厂提出了烟丝有序排列率必须大于80%的工艺指标要求，即烟丝朝向方向一致性达到80%以上，也就是所谓的部分有序排列。但目前装备的各种传统卷烟机型，尚不能达到这个指标（一般在60%以下），所以，研究和开发这类装备，具有较大的市场需求和符合烟草行业战略发展的要求。同时，烟支质量取决于烟丝在风室的运动和烟丝与气流之间的耦合作用。因此，对烟丝在风室中的流化与有序性进行研究，具有非常重要的意义。
由于风室内烟丝数量多且形状不规则，测量员劳动强度大、速度慢、结果稳定性差。目前，国内对烟丝取向的测量均采用目测方法，对量化烟丝角度分布暂无合适测量方法与实验设备。较为先进的烟丝取向分析方法为CCD图像测量，可对烟丝在通道内部的角度进行量化分析。因此，建立合适的光纤式高速摄影的烟丝流化有序性试验装置，能够帮助烟草机械研究人员认识到烟丝流化本质，有利于烟丝流化床的设计、放大和优化。
发明内容
本发明的目的在于设计了一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，搭建了一种基于光纤式高速摄影的烟丝流化试验装置，引入内窥镜与压力探针，能够对流场内局部空气流动特征进行测量与分析，以此来掌握烟丝流化时角度分布及其对应空气特性。
为了实现本发明的目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，包括以下步骤：
步骤1.进行不同工作条件下的烟丝有序性实验，所述工作条件包括风机速度v、供丝量y、烟丝长度z；
步骤2.拍照获得不同工作条件下，烟丝在预设角度a~b的朝向范围内的取向分布率f（x）；
步骤3.得到取向分布率f（x）>A的工作条件，并记录；A为预设阈值；
步骤4.在生产时，测量得到所用烟丝的烟丝长度z，然后查询记录，得到f（x）>A时得到所需的风机速度v、供丝量y。
进一步的改进，所述步骤2中烟丝在预设角度a~b的朝向范围内的取向分布率f（x）的获取方式如下：
步骤2.1获取不同工作条件下的烟丝图像；
步骤2.2对获取的烟丝图像进行预处理分割得到各烟丝区域，标记烟丝轮廓；
步骤2.3根据预设的像素面积阈值识别所标记烟丝轮廓，得到烟丝连通域最小外接矩形，并在图中建立一个坐标系；
步骤2.4提取各烟丝连通域最小外接矩形的长度与水平方向的夹角，作为烟丝的取向角度，并根据建立的坐标系计算出角度的大小，统计图像中各烟丝取向分布；
步骤2.5根据得到的烟丝取向分布以及烟丝的角度，得到在预设角度范围a~b内烟丝数量占所有烟丝数量的百分比作为烟丝的取向分布率f（x）。
进一步的改进，所述步骤2.4中烟丝的取向角度θ的计算公式如下：
θ=arctan |(y1-y2)/x1-x2|
其中：x1表示烟丝连通域最小外接矩形长度方向一个端点的横坐标，x2表示烟丝连通域最小外接矩形长度方向另一个端点的横坐标，y1表示烟丝连通域最小外接矩形长度方向一个端点的纵坐标，y2表示烟丝连通域最小外接矩形长度方向另一个端点的纵坐标。
进一步的改进，所述步骤2.1中获取烟丝图像的系统为一种基于光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统，其结构如下：
包括烟丝通道，烟丝通道安装在机架上；烟丝通道自上向下安装有两组朝向烟丝通道径向的图像获取设备；两组图像获取设备的朝向互相垂直；所述烟丝通道内底部安装有布风板且连通有布风袋，布风袋连通有风机，布风袋上安装有流量计和压力表；图像获取设备、流量计和压力表通讯连接有数据采集计算机；所述风机为变频调压风机。
进一步的改进，所述图像获取设备安装有光源，光源为卤素灯。
进一步的改进，所述图像获取设备包括处于烟丝通道内的光纤内窥镜，光纤内窥镜连接有高分辨率数码CCD。
进一步的改进，所述一种基于光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统的使用方式为：
步骤S1.调节高分辨率数码CCD与光纤内窥镜角度，直到两者的镜头成像平行于通道监测方向；
步骤S2.将烟丝随机布置在布风板上，均匀分散，烟丝之间不相互纠缠；
步骤S3.启动风机，高分辨率数码CCD拍摄得到烟丝图像。
进一步的改进，步骤S2中，得到各烟丝区域以及标记烟丝轮廓的方法如下：
步骤S2.1 图片灰度化，将烟丝流化的彩色图像转化为灰度化图像；
步骤S2.2通过中值滤波技术去除烟丝流化灰度图中局部噪点；
步骤S2.3烟丝流化灰度图转换为二值图，并进行背景去除；
步骤S2.4对图像进行二值图取反处理，烟丝流化显示为白色，外界背景为黑色；
步骤S2.5 通过形态学闭运算填充烟丝轮廓；
步骤S2.6 通过多连通域分割技术划分烟丝区域，标记烟丝轮廓。
进一步的改进，所述步骤4中若f（x）>A有多个值，取f（x）为最大值时所需的所需的风机速度v、供丝量y。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本方案基于光纤式高速摄影技术，对流化通道烟丝流化行为进行有效分析。在满足测量精度的要求下，实验成本较低，装置布置简单，测量方法更加有效实用。
附图说明
图1一种基于光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统；
图2烟丝在线监测区域；
图3烟丝取向角测量流程；
图4图像处理后烟丝角度分布；
图5基于图像处理的烟丝流化操作参数调节方法；
图6烟丝风分-计量-除杂-取向反馈系统；
图7检测区域的烟丝流化图像；
图8图像处理结果；
图9图像处理后检测区域内流化烟丝的角度标记。
其中：1.风机，2.变频调压阀，3.压力表，4.流量计，5.楔形台，6.布风板，8.光源，9.烟丝通道，10.光纤内窥镜，11.高分辨率数码CCD，12.皮托管，13.软管，14.压差传感器，15.压差变送器，16.压差转换器，17.数据采集计算机，18.视频采集卡，20.机架，21.布风袋。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实例，对依据本发明提出的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法及烟丝取向分布测量系统，详细说明如下：
基于光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统
本发明公开了一种均匀来流中烟丝流化可视化研究装置。该风机出风口的截面直径为80mm，风机与流化通道通过布风袋连接，确保了通风管的密封性。流化通道由竖直通道与楔形台组成，两组件基于法兰盘用M5×4的螺栓均匀连接。通道由透明亚克力板制成，壁厚2mm，长900mm，直径160mm。两个截面共布置9个探测孔，用于分析通道内部烟丝流化状态与空气流动性能。截面1中，随着监测高度由下向上变化，每隔300mm布置一个探测孔，光纤内窥镜与压差传感器交替布置。截面2中，随着监测高度由上向下变化，每隔200mm布置一个探测孔，全部布置光纤内窥镜。楔形台高120mm，锥度为21.8°，上侧法兰盘用于与竖直通道连接，下侧法兰盘用于与连接风机的布风袋连接，通过安装密封锁扣防止了空气的泄露，保证了对应空气流动特征测量的准确性。当风机提供的气体流经楔形台后作用于布风板，湍流流场稳定后进一步形成均匀流场，并作用于待流化的烟丝上，通过调节风机流量和供丝量来进行不同技术参数下的烟丝流化性能与空气特征的记录，以完成多种工况下的烟丝取向测量与分析。
固定流化通道的托架由铝型材组装而成，实验风机、变频调压阀、压力表流量计、布风袋、楔形台、布风板、竖直通道按序依次装配。烟丝的运动轨迹、取向分布都可以直接观察到，或者通过高速摄像机拍摄下来，从而实现烟丝三维可视化的研究，而且风机的速度通过变频调压阀调节，可用于不同工况需求下的烟丝流化实验。通过改变风机流量与烟丝质量，可以获得不同的烟丝流化特征。
考虑到图像测量系统的检测能力，设置烟丝多区域在线监测点，如图2所示。OYZ截面与XOZ截面各布置3组光纤测量设备，成交错布置方式。多次测量不同截面烟丝流化特征，判断单一工况下各测量组之间的一致程度，提高在线测量准确度。压力传感器布置在两截面光纤测量设备之间，以测定不同截面对应流速与压力分布，为烟丝流化特征提供了相应的压力数据支撑。
烟丝流化角度测量
烟丝角度分布测量测量系统流程为：装置组装、单位标定、图像数据获取、图像预处理、数字图像计算、结果输出等。具体实施步骤如下：
(a) 根据图1方案搭建实验系统，连接高分辨率数码CCD、光纤内窥镜与计算机测量系统。光源左右对称放置，且光源亮度足够大，以防通道附近的相机、压力传感器或者内窥镜阻挡光线。两侧光源应使通道内部亮度均匀，无阴影，烟丝与外界图像界面清晰。
(b)调节数码相机与光纤内窥镜角度，直到两者的镜头成像平行于通道监测方向，使获取到的烟丝图像与实际烟丝成一定比例。并且，数码相机与光纤内窥镜的拍摄中心应与通道中心截面重合，使聚焦一致，如图2所示。
(c)将一定数量的烟丝随机布置在布风板上，均匀分散，防止烟丝之间相互缠结 。
(d)计算机读取数码相机拍摄的图像并保存；
(e)通过编写的烟丝角度测量系统，读取拍摄的N张图片，P1…PN。
记录各组图像中烟丝角度分布。
烟丝取向角与浓度测量流程如图3所示，瞬时图像处理流程依次为读入多帧烟丝图像，单位标定，图像预处理，图像二值化，背景去除，烟丝多连通区域分割，烟丝章动角输出，烟丝不同区域浓度输出，构建烟丝取向分布函数。其中图像预处理包括图像灰度化，直方图修正，滤波去噪，图像锐化等。通过图像预处理去除了烟丝取向角分析时图像背景噪声的干涉，提高了检测准确性。
其中，烟丝取向分布识别系统的识别流程依次为参数输入，数据读取，结果解析。经过运行求解后，解析结果可以在显示区标准。烟丝取向分布识别流程如下：
（1）运行求解程序，首先对图像进行预处理；
（2）图片灰度化，将烟丝流化的彩色图像转化为灰度化图像；
（3）通过中值滤波技术去除烟丝流化灰度图中局部噪点；
（4）烟丝流化灰度图转换为二值图，并进行背景去除；
（5）对图像进行二值图取反处理，烟丝流化显示为白色，外界背景为黑色；
（6）通过形态学闭运算填充烟丝轮廓；
（8）通过多连通域分割技术划分烟丝区域，标记烟丝轮廓；
（9）统计各组图片中烟丝的总面积Si；
（10）提取各烟丝连通域最小外接矩形的对角线矢量，视为烟丝的角度。统计每帧图像中各烟丝取向分布，以此计算烟丝流化时的有序性烟丝角度分布；
（11）解析结果中的其他关键信息，经图像计算后在右侧显示栏展示。
图4为图像处理后流化烟丝的角度分布。可以看出，操作参数优化前，0°-至180°烟丝数量均占用一定比例，说明流化烟丝的取向较为随机。
烟丝流化试验装置
为验证烟丝流化测量系统的可行性，建立了光纤式高速摄影的烟丝流化试验装置。由空压机提供初始压力与流动能量，通过调压阀控制空气流量。流化床内烟丝由光纤内窥镜与高速摄像机进行图像获取，烟丝取向与形貌特征由目标检测与图像处理软件进行分析与测量。测量结果导入数据采集计算机进行评价，将不满足目标函数的工况反馈给应用层，调控空压机压力、计量落料与定量供丝阈值，能够为卷烟智能制造领域的降本增效提供实验支持。
烟丝流化试验装置中，两组卤素灯对称布置，有效减弱了烟丝局部阴影的干扰。使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，大大降低了目标分割、识别等图像处理算法的难度。
本发明中，开启风机，风机吹出的风称为来流，该来流为具有一定压力的风，此时来流并不稳定，来流进入楔形台后，由布风板实现气流的稳定。稳定后的来流进入竖直通道，通过楔形台实现风机和竖直通道之间气流的光滑过渡，避免因为截面尺寸的突变导致气流变乱，影响实验效果。布风板设于竖直通道与楔形台的两法兰盘间，为一带有均匀筛孔的圆形截面，所述布风板为2 mm厚有机玻璃制作。布风板上设有多个密集等径开孔，两个布风板叠加使用。流化实验前需放置一定量的烟丝于布风板上，其主要作用包括承接烟丝与稳定风机流量分布。
烟丝流化操作参数调节方法
基于光纤式高速摄影的烟丝流化试验装置与图像测量方法，已经能够识别烟丝角度分布，但此时流化烟丝角度随机。为提高烟丝流化有序性与分选效率，提出了烟丝流化有序性调节方法与烟丝流化反馈模型，建立烟丝角度分布与操作参数对应正交实验表。借助内窥镜提取的烟丝流化数据，可以按需优化供丝量与制丝工艺，以满足中心系统用户对整体态势把控需求，实现按需、智能的有序性调节。
基于图像处理的烟丝流化操作参数调节方法如下，首先通过光纤内窥镜获取流化通道内部烟丝流化图像，每帧图像依次通过光学成像系统、图像采集与数字化与图像处理与决策模块，将获取信息提交给烟丝取向反馈系统能够实现技术参数的调整与优化。
通过光纤式高速摄影的烟丝流化试验与烟丝图像处理方法结合，建立烟丝流化反馈系统。基于目标检测与技术计算烟丝取向分布。在约束函数范围内，优选设计参数，调节供丝量与风机流量，判断方案是否达到最优性能。评价烟丝束卷接前的烟丝有序性，提高烟支质量。烟丝性能优化设计过程的核心参数包括：
设计问题：使烟丝流化系统满足烟丝有序
设计要求f（x）：最优设计方案中烟丝有序性满足阈值需求，即薄片烟丝与重力方向的夹角在规定区间a~b所占比例超过阈值A。
设计参数x：风机速度v、供丝量y、烟丝长度z。
设计准则：g（v），g（y），g（z）。
其中，设计准则由正交设计表及对应流场中的烟丝取向角决定。依据正交实验，可以减少实验组合，并探明三个设计参数的最佳工作条件值。g（v）为正交设计表中与风机速度相关的烟丝取向角，g（v）=min (g1（v）-A, g2（v）-A, … gi（v）-A)。i代表正交设计表的第i个水平，gi（v）-A代表第i个水平对应的烟丝取向角与阈值A的偏差。偏差越小说明该工作条件值有利于提高烟丝有序性。g（y）与g（z）分别为正交设计表中与供丝量，烟丝长度相关的烟丝取向角，其计算公式同g（v）。
数学模型如下:目标函数f（x）>A。
约束函数：v 1 <v<v 2 , y 1 <y<y 2 , z 1 <z<z 2 。
其中：v 1 为（3 m/s ）；v 2 为（10 m/s ）；y 1 为（0.02286 kg/s）；y 2 为（0.04572 kg/s）；z 1 为（1 cm）；z 2 为（3 cm）。
为了更加快速优化烟丝分选性能，提高烟丝流化有序性，建立正交试验L9(34)以探明烟丝流化的最佳工艺条件。烟丝性能优化正交设计表是三因素三水平的试验表，不考虑各因素间的交互作用。根据烟草机械员工生产经验和技术人员分析，影响烟丝流化性能的主要因素有风机速度，供丝量，烟丝长度，每个因素取三个水平进行研究，得到烟丝性能优化正交设计表如表1所示。
表 1. 烟丝性能优化正交设计表L9(34)
| 因素 | 风机速度 | 供丝量 | 烟丝长度 | 空列 | 评价指标（设计准则） |
| (m/s) | (kg/s) | (mm) | 烟丝取向 | ||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | |
| 4 | 2 | 1 | 2 | 3 | |
| 5 | 2 | 2 | 3 | 1 | |
| 6 | 2 | 3 | 1 | 2 | |
| 7 | 3 | 1 | 3 | 2 | |
| 8 | 3 | 2 | 1 | 3 | |
| 9 | 3 | 3 | 2 | 1 |
表中任一因素（风机速度，供丝量，烟丝长度）各水平（1,2,3）都出现，且次数相同，减少了实验次数，有效加快了优化效率。其中：风机速度的3水平选取范围为3 m/s -10 m/s；供丝量的3水平选取范围为0.02286 kg/s-0.04572 kg/s；烟丝长度的3水平选取范围为z 1 为1 cm-3 cm；
综上所述，结合正交设计表的烟丝流化反馈系统，为设计参数选择（供丝量调节，风机速度与烟丝长度的确定）提供了快速解决方案，在满足设计要求的基础上，由正交设计表调节设计参数，使最优工况参数达到预期设计准则。
本发明技术方案带来的有益效果：
针对现有烟丝取向检测均通过人为目测，测量结果存在滞后，效率低，外界因素影响大等缺点，提出基于数字图像处理技术的烟丝流化角度分布测量方法，对实时工况下烟丝流化角度进行测量分析。实验结果表明，烟丝取向检测效率明显优于人工测量，数据吻合储存效果好。因此，将光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统与图像处理技术结合运用于烟丝取向检测可行度高，能够快速无损地测量多组烟丝样本的角度分布。进一步地，烟丝风分-计量-除杂-取向反馈系统可以引入到国产卷接机组的在线检测，为叶梗分离设备、供料成条机、卷接成型机的数据采集与反馈提供必要支撑。
目前，烟丝在线监测区域包括OYZ截面与XOZ截面，多组内窥镜交替布置，能够对负压流场内烟丝流化进行全方面研究。若需扩大烟丝流化监测视角，仅需增加光纤内窥镜数量。不同内窥镜截面间布置空气压力与速度探针，能够对负压流场内局部空气流动特征进行测量与分析，为掌握烟丝流化时对应空气特性奠定基础。烟丝角度分布与操作参数按照正交实验表执行。通过烟丝流化反馈系统优化供丝量与风机流量，能够快速实现烟丝角度的有序调整。
如图6所示光纤式在线测量系统可以引入烟草机械的风分系统与流化床，包括叶梗分离设备及供料成条机，判断除梗除杂效果。根据反馈信息，对落料器、供料箱、风机流量、制丝工艺等技术参数进行调整，可以提高国产卷接机组的除杂效率；智能取向识别方法可以用于供料成条机、卷接成型机，根据反馈信息，对平整器角度修整，调节吸丝带速度，可以提高国产卷接机组的烟丝有序性。
实施例
搭建的烟丝流化光纤式在线实验装置，拍摄多个区域的烟丝流化图像，如图7所示。
搭建的烟丝流化角度图像测量系统，对监测区域的烟丝进行图像处理与角度分析，如图8-9所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.进行不同工作条件下的烟丝有序性实验，所述工作条件包括风机速度v、供丝量y、烟丝长度z；
步骤2.拍照获得不同工作条件下，烟丝在预设角度a~b的朝向范围内的取向分布率f（x）；
步骤3.得到取向分布率f（x）>A的工作条件，并记录；A为预设阈值；
步骤4.在生产时，测量得到所用烟丝的烟丝长度z，然后查询记录，得到f（x）>A时得到所需的风机速度v、供丝量y；所述步骤2中烟丝在预设角度a~b的朝向范围内的取向分布率f（x）的获取方式如下：
步骤2.1获取不同工作条件下的烟丝图像；
步骤2.2对获取的烟丝图像进行预处理分割得到各烟丝区域，标记烟丝轮廓；
步骤2.3根据预设的像素面积阈值识别所标记烟丝轮廓，得到烟丝连通域最小外接矩形，并在图中建立一个坐标系；
步骤2.4提取各烟丝连通域最小外接矩形的长度与水平方向的夹角，作为烟丝的取向角度，并根据建立的坐标系计算出角度的大小，统计图像中各烟丝取向分布；
步骤2.5根据得到的烟丝取向分布以及烟丝取向的角度，得到在预设角度范围a~b内烟丝数量占所有烟丝数量的百分比作为烟丝的取向分布率f（x）。
2.如权利要求1所述的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：所述步骤2.4中烟丝的取向角度θ的计算公式如下：
θ=arctan |(y1-y2)/（x1-x2）|
其中：x1、y1表示烟丝连通域最小外接矩形长度方向一个端点的横坐标、纵坐标，x2、y2表示烟丝连通域最小外接矩形长度方向另一个端点的横坐标、纵坐标。
3.如权利要求1所述的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：所述步骤2.1中获取烟丝图像的系统为一种基于光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统，其结构如下：
包括烟丝通道，烟丝通道安装在机架上；烟丝通道自上向下安装有若干朝向烟丝通道径向的图像获取设备，图像获取设备分为两组；两组图像获取设备的朝向互相垂直；所述烟丝通道内底部安装有布风板且连通有布风袋，布风袋连通有风机，布风袋上安装有流量计和压力表；图像获取设备、流量计和压力表通讯连接有数据采集计算机；所述风机为变频调压风机。
4.如权利要求3所述的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：所述图像获取设备安装有光源，光源为卤素灯。
5.如权利要求3所述的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：所述图像获取设备包括处于烟丝通道内的光纤内窥镜，光纤内窥镜连接有高分辨率数码CCD。
6.如权利要求如权利要求4所述的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：所述一种基于光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统的使用方式为：
步骤S1.调节高分辨率数码CCD与光纤内窥镜角度，直到两者的镜头成像平行于通道监测方向；
步骤S2.将烟丝随机布置在布风板上，均匀分散，烟丝之间不相互纠缠；
步骤S3.启动风机，高分辨率数码CCD拍摄得到烟丝图像。
7.如权利要求1所述的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：步骤2.2中，得到各烟丝区域以及标记烟丝轮廓的方法如下：
步骤2.21 图片灰度化，将烟丝流化的彩色图像转化为灰度化图像；
步骤2.22通过中值滤波技术去除烟丝流化灰度图中局部噪点；
步骤2.23烟丝流化灰度图转换为二值图，并进行背景去除；
步骤2.24对图像进行二值图取反处理，烟丝流化显示为白色，外界背景为黑色；
步骤2.25通过形态学闭运算填充烟丝轮廓；
步骤2.26通过多连通域分割技术划分烟丝区域，标记烟丝轮廓。
8.如权利要求1所述的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法，其特征在于：所述步骤4中若f（x）>A有多个值，取f（x）为最大值时所需的风机速度v、供丝量y。
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