CN113702258A - 一种卷烟轴向孔隙分布的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于烟草和烟草制品检测领域，具体涉及一种卷烟轴向孔隙分布的检测方法。本发明的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，通过对卷烟样品进行断层扫描并重建三维模型，分段求出孔隙率并确定使孔隙率方差稳定的分段数N，以N为标准求出卷烟样品沿轴向方向的孔隙率分布的方差和变化情况，进而可以对卷烟轴向孔隙率分布情况进行分析评价。借助本发明求出的卷烟轴向孔隙率分布数据可以指导生产过程，为提高卷烟的填充均匀性提供数据支持，同时也为分析卷烟逐口吸阻和感官质量的稳定性提供了参照，对比传统的密度法能够做到无损定量分析。
Description
技术领域
本发明属于烟草和烟草制品检测领域，具体涉及一种卷烟轴向孔隙分布的检测方法。
背景技术
卷烟烟丝填充均匀性是影响其品质稳定性和感官质量的关键参数。孔隙是卷烟烟丝梗丝等填充物中间的空隙，被空气所填充，孔隙率是指空隙占卷烟体积的百分比，孔隙率可以用来表征卷烟填充性能和烟支结构，孔隙率分布越均匀的卷烟其填充均匀性越好、密度一致性越高，逐口的感官质量也就越稳定。
卷烟孔隙率区别于医学和材料学等领域的孔隙率，卷烟孔隙率不包含烟丝本身的孔隙，只包含烟丝之间的空隙，医学、材料学中的孔隙率一般指材料内部的孔隙。由以上概念可以得到卷烟孔隙率的计算公式如下：
公式中V0代表烟丝之间空隙体积总量，V代表卷烟烟支体积。
现有技术中，CN106568641A和CN106770382A提出了利用CT技术对卷烟燃烧过程及燃烧后的燃烧段进行无损测试，以得到卷烟样品燃烧前、燃烧中和燃烧后的内部结构变化。
目前，尚缺少有效的方法来对卷烟轴向孔隙率的分布情况进行评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卷烟轴向孔隙分布的检测方法，实现对卷烟轴向孔隙率分布情况的分析评价。
为实现上述目的，本发明的卷烟轴向孔隙分布的检测方法的技术方案是：
一种卷烟轴向孔隙分布的检测方法，包括以下步骤：
(1)对卷烟进行断层扫描，获取断层灰度图像；
(2)根据断层灰度图像，确定分割阈值，根据分割阈值对断层灰度图像进行二值化处理，得到将孔隙与卷烟填充物区分开的二进制图像；
(3)利用二进制图像进行卷烟的三维模型重建，得到三维重建模型；
(4)根据三维重建模型，求取卷烟总体孔隙率δ0：
其中，N为测量区域像素的总数目，N0为测量区域孔隙的像素数目；
(5)采用不同分割方式将三维重建模型沿卷烟轴向均分，求取每种分割方式所有段的孔隙率；
(6)求取每种分割方式的孔隙率方差，确定使孔隙率方差稳定的分割段数；孔隙率方差表示为：
式中：SN为孔隙率方差，表示各段孔隙率和卷烟总体孔隙率之间的离散程度；N为卷烟分段的段数；δi为各段孔隙率；δ0为卷烟总体孔隙率；
(7)根据步骤(6)确定的分割段数，绘制i-δi曲线，对卷烟轴向孔隙分布进行分析。
本发明的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，通过对卷烟样品进行断层扫描并重建三维模型，分段求出孔隙率并确定使孔隙率方差稳定的分段数N，以N为标准求出卷烟样品沿轴向方向的孔隙率分布的方差和变化情况，进而可以对卷烟轴向孔隙率分布情况进行分析评价。
借助本发明求出的卷烟轴向孔隙率分布数据可以指导生产过程，为提高卷烟的填充均匀性提供数据支持，同时也为分析卷烟逐口吸阻和感官质量的稳定性提供了参照，对比传统的密度法能够做到无损定量分析。
优选的，步骤(1)中，步骤(1)中，所述断层扫描所使用的发射源为X射线、γ射线、超声波中的一种。更优选的，所述发射源的分辨率为20～30μm。
优选的，步骤(1)中，所述断层灰度图像为8位，灰度范围为0～255。
优选的，步骤(2)中，采用Otsu算法确定分割阈值。
优选的，步骤(2)中，绘制灰度直方图，空气波峰在直方图的最左侧，选取最左侧波峰和次左侧波峰中间的波谷对应的灰度值作为分割阈值。
优选的，步骤(5)中，采用10种以上不同分割方式将三维重建模型均分为2段～128段。例如可以分为2段、4段、8段、16段、24段、32段、40段、48段、64段、80段、96段、112段、128段；或者分为2段、4段、8段、12段、…、128段，4段～128段之间呈等差分布。
优选的，步骤(6)中，确定使孔隙率方差稳定的分割段数采用以下方式：以分段数为X轴，SN×10000为Y轴，绘制X-Y曲线，以Y值变化范围为±0.5内的区间为方差值稳定区间，以方差值稳定区间的中位数确定分割段数。
优选的，确定使孔隙率方差稳定的分割段数采用以下方式：以分段数为X轴，SN×10000为Y轴，绘制X-Y曲线，选取方差出现频次最高的孔隙率方差S，过(0,S)点做一条平行于X轴的直线，选取与N-SN曲线的交点，记交点左侧点为(Li，Si1)，右侧点为(Ri，Si2)；按下式求差值d：
d＝|S-Si1|+|S-Si2|
确定差值d最小的点的横坐标为分割段数。
不同分割方式中，当分割段数较多时各段图像可以近似认为是断层图像，断层位置上孔隙分布不同其孔隙率测量结果差别较大，具有较大的随机性，所以当N较大时各段的孔隙率不能真实反映分段点附近的总体孔隙率。当N过小时，分段太少，不能有效地对轴向方向孔隙率的变化情况进行分析。因此需要确定合适N的取值，才能反应样品轴向上孔隙率的真实数值以及孔隙分布情况。当N的取值过小时，分段的孔隙率接近于整体孔隙率，方差较小；当N的取值过大时，分段孔隙率的值差异较大，方差较大；N的值在一个合理的范围内时，分段孔隙率可以有效表征分段点附近的孔隙情况，同时又有足够的分段数用于分析轴向孔隙的分布情况。
附图说明
图1为本发明卷烟轴向孔隙分布的检测方法的流程图；
图2为本发明实施例中卷烟样品断层扫描方法示意图；
图3为本发明实施例1中孔隙率分布方差S和分割段数N二维坐标图(N-SN曲线)；
图4为本发明实施例2中孔隙率分布方差S和分割段数N二维坐标图(N-SN曲线)；
图5为本发明实施例2中出现频次最大S线与N-SN曲线的交点图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的卷烟轴向孔隙分布的检测方法的具体实施例如下：
实施例1
本实施例的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
(1)对卷烟样品的卷烟段进行断层扫描，获取断层灰度图像
利用如图2所示的断层扫描系统进行断层扫描，断层扫描系统由微焦点X射线源、数字平板探测器和高精度转台组成。
工作时，利用发射源与灵敏度极高的探测器对待测样品做不同位置的断面扫描，可以无损的获得样品的灰度图像，图像中灰度值大小与样品中的物质密度大小相对应，不同的组分及密度对射线衰减不同，对应重建图像上不同的灰度值。
为了剔除烟丝本身孔隙的影响，需要调整断层扫描时射线源的分辨率，使分辨率处于烟丝本身孔隙和烟丝之间空隙范围内。一般烟叶及其他填充物本身孔直径在1～10微米之间。卷烟纸体积在卷烟烟支体积中占比很小，对检测结果影响不明显，在检测中可以忽略卷烟纸对孔隙率的影响。
射线源分辨率设置为20μm，比烟丝本身孔隙直径大，可避免烟丝本身孔隙对实验结果的干扰。采用断层扫描机对卷烟样品进行扫描，将样品放入CT机实验舱中，滤嘴端朝下竖直放置于高精度转台上，投影时转台旋转360°，得到一张径向卷烟断层灰度图像，从上向下均匀移动射线源在不同轴向位置上进行断层扫描，扫描区域为卷烟段，扫描260次。通过对投影图像重建获得260张断层灰度图像。灰度图像为8位，灰度范围0～255，图像大小为1921像素×1921像素。
(2)根据断层灰度图像，利用最大类间方差法求取分割阈值K，根据分割阈值K对图像进行二值化处理。
最大类间方差法，也称Otsu算法，是一种确定图像二值化分割阈值的算法，按照阈值K进行图像二值化分割后前景与背景图像的类间方差最大，即可将孔隙与卷烟填充物区分开。假设存在阈值K将灰度图像所有像素分为两类C1(小于K)和C2(大于K)，设C1的均值为m1，C2的均值为m2，图像全局均值为mG，像素被分为C1的概率为p1，像素被分为C2的概率为p2。因此有：
p1*m1+p2*m2＝mG (1)
p1+p2＝1 (2)
根据方差的概念，类间方差表达式为：
σ2＝p1(m1-mG)2+p2(m2-mG)2 (3)
将(1)式代入(3)式，可得：
σ2＝p1p2(m1-m2)2 (4)
式(4)中：
其中，i为灰度级，Pi为像素被分为C1或C2的概率，k为阈值。
选取一张断层灰度图像，遍历0～255各灰度级，求能使(4)式中σ2值最大的K，即为二值分割的阈值。选择GitHub中开源的Otsu算法的一种实现，将8位灰度图像传入函数，即可返回分割阈值K。根据阈值K，将灰度图像处理为二进制图像，处理逻辑如下式所示：
处理后的孔隙像素值为0，填充物像素值为最大值。
(3)利用二进制图像进行三维模型重建
由于卷烟样初始切片图像的不稳定性，去除头部10张断层图像，采用余下断层图像进行三维模型重建。将250幅阈值分割后的二进制图像导入VGStudio MAX2.2软件中进行孔隙的三维可视化，得到三维重建模型。
具体地，利用VGStudio MAX2.2软件的实现三维可视化，得到三维重建模型。
(4)根据三维重建模型，求取初始孔隙率δ0
三维重建模型中，孔隙像素为白色，填充物像素为黑色，统计总体像素数N0和孔隙像素数N，根据式(5)计算卷烟样品总体孔隙率δ0：
式(5)中，N为测量区域像素的总数目，N0为测量区域孔隙的像素数目。
(5)将三维中间模型按照不同分割方式分割为不同段数，求取每种分割方式所有段的孔隙率。
具体地，将三维重建模型分别平均分为2段、4段、8段、16段、24段、32段、40段、48段、64段、80段、96段、112段、128段，统计每种分段方式各段孔隙率δi。
(6)求取每种分割方式孔隙不均匀系数S(孔隙率方差)，确定使方差值稳定的分割段数N。
孔隙率方差的表达式为：
式中：SN表示各段孔隙率和样品整体孔隙率之间的离散程度，SN值越小则样品沿轴向方向孔隙率分布越均匀，反之SN值越大则样品沿轴向方向孔隙率分布越不均匀。N为样品分段的段数。δi为各段孔隙率。δ0为卷烟样品的总体孔隙率。
具体地，求取每种分段方式孔隙率方差SN，以N为X轴坐标，SN×10000为Y轴坐标，绘制随着N增大孔隙率方差S的变化情况，选取方差值稳定区间的分割段数的中位数为分割段数N。如图3所示，方差值稳定区间为24～80段，选取范围中点48为N的值。
(7)以N段为分割方式，绘制i-δi曲线，对卷烟样品的孔隙均匀性进行分析
N的值确定，则可以确定对应的样品沿轴向方向孔隙分布的方差S。S可以表示卷烟样品轴向孔隙率分布的均匀性，S的值越小，卷烟样品孔隙率沿轴向分布越均匀，卷烟填充均匀性越好，密度一致性越好，反之越差。以段数i为X轴坐标，δi为Y轴坐标，绘制轴向各段孔隙率δ的变化情况，可以分析卷烟各段孔隙率的大小，δi越小表明该段填充越紧密，δi越大表明该段填充越松散。
实施例2
本实施例的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，将主要步骤说明如下，其他未介绍步骤与实施例1相同。
步骤(1)：射线源采用γ射线，分辨率设置为30微米，将卷烟样品放倒(平放扫描)采集轴向的断层灰度图像，断层扫描系统与实施例1可采用同平台。采集的灰度图像需要切除滤嘴段图像。
步骤(2)：绘制灰度直方图，空气波峰在直方图的最左侧，选取最左侧波峰和次左侧波峰中间的波谷对应的灰度值作为分割阈值K。
步骤(5)：将三维重建模型平均分为2段、4段、8段、12段、…、128段(4段之后采用等差方式)。统计每种分段方式各段孔隙率δi。
步骤(6)：求取每种分割方式孔隙不均匀系数S(孔隙率方差)，确定使方差值稳定的分割段数N。
求取每种分段方式孔隙率方差SN，SN×10000为X轴坐标，SN出现的频次为Y轴，绘制孔隙率方差S的分布情况，发现孔隙率方差S的分布近似符合正态分布，选取方差出现频次最高的孔隙率方差S作为卷烟样品轴向孔隙率分布均匀性的参数。
如图4和图5所示，过(0,S)点做一条平行于X轴的直线，选取与N-SN曲线的交点，记交点左侧点为(Li，Si1)，右侧点为(Ri，Si2)。求差值d：
d＝|S-Si1|+|S-Si2|
确定差值d最小的点的横坐标为分割段数N。采用该种方式计算得到N为32。
实施例3
本实施例的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，将与实施例1的区别说明如下，其他未介绍步骤与实施例1相同。
步骤(2)中，绘制灰度直方图，空气波峰在直方图的最左侧，选取最左侧波峰和次左侧波峰中间的波谷对应的灰度值作为分割阈值K。
Claims (9)
1.一种卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对卷烟进行断层扫描，获取断层灰度图像；
(2)根据断层灰度图像，确定分割阈值，根据分割阈值对断层灰度图像进行二值化处理，得到将孔隙与卷烟填充物区分开的二进制图像；
(3)利用二进制图像进行卷烟的三维模型重建，得到三维重建模型；
(4)根据三维重建模型，求取卷烟总体孔隙率δ0：
其中，N为测量区域像素的总数目，N0为测量区域孔隙的像素数目；
(5)采用不同分割方式将三维重建模型沿卷烟轴向均分，求取每种分割方式所有段的孔隙率；
(6)求取每种分割方式的孔隙率方差，确定使孔隙率方差稳定的分割段数；孔隙率方差式表示为：
式中：SN为孔隙率方差，表示各段孔隙率和卷烟总体孔隙率之间的离散程度；N为卷烟分段的段数；δi为各段孔隙率；δ0为卷烟总体孔隙率；
(7)根据步骤(6)确定的分割段数，绘制iδi曲线，对卷烟轴向孔隙分布进行分析。
2.如权利要求1所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(1)中，步骤(1)中，所述断层扫描所使用的发射源为X射线、γ射线、超声波中的一种。
3.如权利要求2所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，所述发射源的分辨率为20～30μm。
4.如权利要求1所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述断层灰度图像为8位，灰度范围为0～255。
5.如权利要求1～4中任一项所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(2)中，采用Otsu算法确定分割阈值。
6.如权利要求1～4中任一项所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(2)中，绘制灰度直方图，空气波峰在直方图的最左侧，选取最左侧波峰和次左侧波峰中间的波谷对应的灰度值作为分割阈值。
7.如权利要求1所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(5)中，采用10种以上不同分割方式将三维重建模型均分为2段～128段。
8.如权利要求1或7所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(6)中，确定使孔隙率方差稳定的分割段数采用以下方式：以分段数为X轴，SN×10000为Y轴，绘制X-Y曲线，以Y值变化范围为±0.5内的区间为方差值稳定区间，以方差值稳定区间的中位数确定分割段数。
9.如权利要求1或7所述的卷烟轴向孔隙分布的检测方法，其特征在于，步骤(6)中，确定使孔隙率方差稳定的分割段数采用以下方式：以分段数为X轴，SN×10000为Y轴，绘制X-Y曲线，选取方差出现频次最高的孔隙率方差S，过(0,S)点做一条平行于X轴的直线，选取与N-SN曲线的交点，记交点左侧点为(Li，Si1)，右侧点为(Ri，Si2)；按下式求差值d：
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确定差值d最小的点的横坐标为分割段数。
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