《烟丝长度、宽度、卷曲度的检测 图像法》技术报告

烟丝长度、宽度、卷曲度的检测图像法技术报告2023年5月

目录1、项目背景和意义 12、主要研究内容 23、技术路线 34、基本原理 35、材料与方法 75.1材料与仪器 75.2试验方法 75.2.1图像采集系统标定方法 75.2.2图像采集实验方法 95.2.3图像分析方法 96、结果与分析 106.1图像采集系统标定 106.2图像采集参数确定 126.2.1分辨率及视场大小的确定 126.2.2光强色温的选择 126.3图像采集方法 136.3.1测试样品量确定 136.3.2测试步骤 176.4图像处理方法研究 186.4.1图像预处理 186.4.2宽度检测方法研究与表征 216.4.3长度检测方法研究与表征 276.4.4卷曲度检测方法研究与表征 336.5方法准确度评价 366.5.1正确度评价 366.5.2精密度验证 407、实验验证与应用 447.1实验验证 447.1.1试验样品 447.1.2试验过程 447.1.3试验结果 467.2应用 497.2.1基于流化床的烟丝形态图像检测装置 497.2.1基于带式铺料的烟丝形态图像采集系统 518、结论 52参考文献 531、项目背景和意义将卷烟原料从原烟转变为适宜于卷制的烟丝形态，是烟草工艺加工的主要目的之一。烟丝形态特征是稳定和控制卷烟产品质量的关键工艺质量要素。建立科学、准确、高效的烟丝形态检测方法，对于及时准确地评价和衡量制丝过程加工质量、稳定和控制卷烟质量有重要意义[1-5]。现有烟丝结构测定方法（YC/T178-2003、YC/T289-2009）均是利用多层筛分装置使不同长度尺寸的烟丝分离，结果以各层或某层筛网上的累积质量占总质量的百分比例来表示，无法准确反映烟丝的真实长度，也不能描述烟丝长度尺寸的连续分布情况[6-7]。烟丝宽度是切叶丝工序的主要工艺质量指标，目前行业制丝线切丝宽度范围0.6-1.2mm，允差±0.1mm。现行烟丝宽度测量的ISO方法，是采用投影仪由人工逐根分段量。此方法操作劳动强度大，检测速度慢，人为影响速度大，测试结果稳定性不高。由于数字图像处理技术的快速发展，采用计算机视觉方法检测烟丝宽度得到了研究人员关注。夏营威、邸成良、刘洋等[8-10]分别研究了用于烟丝宽度测量的图像处理方法，郭高飞、李旭等[11-12]则采用该方法开展了加工工艺对烟丝形态影响、不同形态烟丝热解燃烧特性等相关研究。图像检测方法主要采用线阵CCD采集烟丝图像，进一步通过图像二值化处理、阈值分割、图像去噪、边缘探测、特征值提取等流程，测量出图像内每根烟丝的特征宽度值，进而统计出待测烟丝样品的平均特征宽度。该方法同时可计算出反映烟丝宽度分布均匀性的特征参数。对于烟丝卷曲度的检测，研究者研究了最小外接矩形法和卷曲角度法，用以定量表征烟丝的卷曲程度。最小外接矩形法是以单根烟丝的实际长度与最小外接矩形长的比值作为该烟丝的卷曲度。该方法能够较好地反映批次烟丝的卷曲情况，具有较高的研究价值。随着图像检测技术的不断发展，由于其快速准确等特点，不断被应用到各行各业。将图像检测技术应用到烟丝长度、宽度、卷曲度检测中，检测烟丝尺寸快捷准确。基于此，本课题将光学成像和计算机图像分析方法结合，建立可同时检测烟丝长度及分布、宽度及分布、卷曲度等形态特征的方法，有助于提升卷烟工艺质量检测的数字化水平，为烟丝加工形态的调控提供检测方法支撑。2、主要研究内容本项目主要技术要点包括：1、样品预处理装置构成与工作参数的确定；2、图像处理装置构成与工作参数的确定；3、烟丝长度及分布测定方法；3.1特征参数指标提取3.2长度及分布结果表征3.3测定方法验证4、烟丝宽度及分布测定方法；4.1特征参数指标提取4.2宽度及分布结果表征4.3测定方法验证5、烟丝卷曲度测定方法；5.1特征参数指标提取5.2卷曲度结果表征5.3测定方法验证6、形态检测系列方法的应用验证。3、技术路线图3.1技术路线4、基本原理通过人工或者机械辅助铺料方式离散烟丝物料，使用图像采集装置获得离散烟丝图像，通过图像分析程序计算每根烟丝的长度、宽度、卷曲度，进而统计分析批次烟丝样品的长度、宽度分布特征，基本原理如下：（1）烟丝图像识别烟丝图像识别是通过对图像中烟丝像素的量化分析，统计目标与背景间颜色分量的灰度分布差异，使用了基于RGB分量差值的阈值分割方法在图像颜色空间进行分割处理，提取出目标烟丝，图4.1为其中一种图像识别算法的烟丝提取结果。图4.1烟丝图像识别（2）烟丝宽度提取方法①Hough变换法[13]，该方法是对单个烟丝图像（如图4.2所示），两侧寻找和匹配平行线段，以烟丝两侧平行线段间平均距离作为该测量点的烟丝宽度值，并计算多个测量点的平均宽度作为该烟丝的宽度值。统计图像中所有烟丝宽度的均值，作为检测样品的宽度值，计算方法如公式(4.1)、(4.2)。 (4.1) (4.2)图4.2Hough变换法测烟丝宽度示意②变径圆法[14]，该方法是对单个烟丝图像（如图4.3所示），该方法首先确定烟丝图像的中心轴线，进而从中心轴线的特定位点处寻找最大内切圆，内切圆宽度即为该位点的烟丝宽度，通过中心轴线多个检测位点的平均可计算出单根烟丝宽度。统计图像中所有烟丝宽度的均值，作为检测样品的宽度值，计算方法如公式(4.3)所示。图4.3变径圆法测烟丝宽度示意 (4.3)（3）烟丝长度提取方法图4.4为烟丝长度提取示意图，采用细化算法检测烟丝图形中心线，计算出的烟丝中心线长度即为烟丝长度。（常用方法-中点法、查表法、模板法等）图4.4烟丝长度提取示意Zhang-Suen算法[15](模板法)：在3*3像素模板中，根据中心像素周围8个相邻像素信息及联通情况，判断中心点像素是否可删除。S(P1)表示从P2～P9～P2像素中出现0～1的累计次数，其中0表示背景，1表示前景。其中N(p1)表示跟P1相邻的8个像素点中，为前景像素点的个数。Zhang-Suen细化算法是一个迭代算法，整个迭代过程分为两步：①循环所有前景像素点，对符合如下条件的像素点标记为删除：1.2<=N(p1)<=62.S(P1)=13.P2*P4*P6=04.P4*P6*P8=0②跟第一步很类似，条件1、2完全一致，只是条件3、4稍微不同，满足如下条件的像素P1则标记为删除，条件如下：1.2<=N(p1)<=62.S(P1)=13.P2*P4*P8=04.P2*P6*P8=0循环上述两步骤，直到两步中都没有像素被标记为删除为止，输出的结果即为二值图像细化后的骨架。（4）烟丝卷曲度提取方法图4.5为烟丝卷曲度提取示意图，卷曲度S由烟丝长度值L1与其最小外接矩形的长度L2比值计算得到，计算方法为公式(4.4)。该值反映了单根烟丝的卷曲程度。图4.5烟丝卷曲度提取示意图 QUOTE (4.4)5、材料与方法5.1材料与仪器试验材料：配方烟丝、叶丝、丝状梗丝、膨胀丝试验仪器：CWT200烟丝宽度测量仪（中国科学院安徽光学精密机械研究所）；DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱（上海齐欣科学仪器有限公司）；TPI150-Ⅱ烟草数字投影仪（合肥威尔仪光电科技有限公司）；烟丝形态测量系统（面阵CCD相机（2592×1944，15fps）、镜头、计算机、光源、样品夹持装置等）。5.2试验方法5.2.1图像采集系统标定方法图像采集系统包括相机、镜头等，在测试前需要标定相机内参和外参，从而消除畸变影响。为获得物体单位像素下的实际尺寸，还需要使用高精度的量块标定图像分辨率，从而实现像素坐标系和图像坐标系的转换。5.2.1.1相机标定相机标定采用常规方法张正友棋盘格标定法[16]，棋盘标定板如图5.1所示。使用已知检定值的光刻棋盘格作为校准板，通过计算各棋盘区域像素个数和其对应检定值的比例关系，获得系统的校准系数。测试系统的测量结果与校准系数相乘得到输出值，在实现图像尺度到欧式空间尺度的转换的同时，消除了成像系统由于光学变换引入的放大倍数误差。具体标定步骤包括：（1）不同角度下采集多张棋盘格图像，要求棋盘格物理尺寸已知；（2）对图像进行角点检测，得到标定板角点的像素坐标值，根据已知的棋盘格大小和世界坐标系原点，计算得到标定板中角点的物理坐标值；（3）求解内外参数矩阵，物理坐标和像素坐标的关系如公式5.1，其中，R1、R2为旋转矩阵的R的前两列，A为内参矩阵，对于不同的图片内参矩阵A和外参矩阵(R1R2T)为定值，通过角点信息和参数约束关系以及构造相应矩阵求解相机内参数A和相机外参矩阵(RT)； (5.1)（4）根据理想的无畸变像素坐标和实测像素坐标(u,v)构造约束方程，进一步求解相机的畸变参数；（5）依次计算一组棋盘格图像的内外参数及畸变参数，不断优化减少实测像素坐标与理想像素坐标之间误差，导出标定结果。图5.1棋盘格标定板5.2.1.2图像分辨率标定为降低仪器本身的误差对本方法测量结果的影响，在开展相关实验前，需对仪器的精度进行校准。为获得单个像素对应的视场空间的实际尺寸，通常使用对尺寸固定、形状规则的校准板成像，通过分析校准板的特征量与其图像像素数量的比例关系来实现。5.2.2图像采集实验方法在恒温恒湿环境下，抽取一定数量的烟丝摆放在样品夹持装置面板上，要求烟丝平整且无相互重叠，将样品夹持装置由导轨放入系统成像视场内；操作图像采集程序对样品进行图像采集，并通过图像分割、轮廓提取，识别出烟丝图像；进而通过形状描述算法，确定各烟丝的形状尺寸指标，并进行统计分析。光源采用贴片白光LED作为发光器件，按线阵方式排列在视场侧上方，为视场提供大入射角的测光照明，并采用黑色玻璃基板作为成像背景。5.2.3图像分析方法图像处理技术在烟草领域的应用已十分广泛。采用图像处理方法研究烟丝形态相较于人工测量具有快速、准确等优势。本研究对烟丝长度、宽度和卷曲度等形态特征的检测方法进行了系统研究，旨在提供更加全面、准确的烟丝形态图像检测算法。图像分析过程如图5.2所示，在读取CCD相机采集到的烟丝图像后，首先采用形态学处理的方法进行烟丝图像预处理，包括腐蚀膨胀处理、开闭操作、滤波、细化等方式，一方面去除粉粒等微小颗粒对图像质量的影响，另一方面通过图像分割、二值化等操作获得便于后续处理的烟丝图像。进一步地，对一张图像中的所有烟丝进行逐根处理，采用细化、变径圆、最小外接矩形等算法提取每根烟丝的形态信息，当处理完所有烟丝图像后保存所有烟丝形态数据，并进一步分析烟丝长度、宽度、卷曲度的分布特征。图5.2图像分析过程6、结果与分析6.1图像采集系统标定像素（pixel，简写px）是相机感光元件上最小的感光单位，由于高速摄像机拍摄的烟丝图像大小是以像素表示，而常用的烟丝尺寸单位为毫米，因此需要标定高速相机的图像分辨率，常用ppi（PixelsPerInch）大小表示图像分辨率，即每英寸所拥有的像素数。为了便于计算，采用每毫米真实烟丝在图像中所占的像素数量来计量图像分辨率，单位为px/mm。图像分辨率越高，单位毫米烟丝所占的像素数量越多，图像越清晰，因此在保证采样帧率满足的情况下提高成像质量有利于提高烟丝尺寸检测精度。采用如图6.1a所示的标准量块进行标定，量块宽度尺寸在出厂前经过精确测量，其宽度尺寸分别为10.00mm、15.36mm、21.50mm、30.12mm、55.12mm。将量块平行于镜头固定在拍摄区域，多次静态采集量块图像，在图像进行二值化处理后通过最小外接矩形框选量块外轮廓，以矩形宽度作为量块宽度（如图6.1d），计算量块宽度像素与实际宽度的比值来标定图像分辨率。a：量块实物图；b：量块灰度图；c：二值化结果；d：检测量块长度图6.1图像分辨率标定图6.2为5个量块的真实宽度和测量宽度均值拟合结果，结果显示测得像素大小和量块实际宽度之间存在线性关系，斜率为7.19265，R2为0.9999，这表明实际检测过程中每毫米烟丝在成像中相当于7.19265个像素大小。图6.2量块测得长度和实际长度拟合结果6.2图像采集参数确定6.2.1分辨率及视场大小的确定针对不同的CCD和COMS传感器拍摄设备，其采样清晰度有所区别。参照国际标准ISO20193—2015[17]原则上图像分辨率不低于500万像素，图像采集区域大小应不小于100mm*150mm，应最低限度满足单像素所对应的实际长度小于0.05mm，即所要求的图像处理精度达到0.05mm。图6.3分别为同一相机、不同视场大小下的烟丝图像对比，左图分辨率为1280*860，视场为177.92mm*119.54mm，右图分辨率为1070*719，视场为148.73mm*99.94mm。由图像可知，当相机感光元件确定的情况下，较小视场所采集的烟丝图像清晰度更高，视场容纳的烟丝数量更少；而较大视场下烟丝图像分辨率有所降低，可能会降低图像处理精度，最终影响检测结果准确性。由此可见，选择具有较高分辨率的感光设备以及与之匹配的视场大小尤为重要，推荐图像分辨率不低于500万像素。图6.3较大视场和较小视场比较6.2.2光强色温的选择色温是指绝对黑体从绝对零度（﹣273℃）加温所呈现的颜色。当加热到一定的温度，黑体发出的光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温。对于色温的选择，以突出烟丝这一待测物为原则，选择5000~6500k的LED作为光源，色温接近中午时分的白色日光，能够有效增强烟丝与背景的对比度，有利于凸显烟丝边缘轮廓，提高检测精度。光强指发光亮度，是描述发光面明亮程度的重要指标，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直于发光面的面积之比，单位是cd/m2。光源亮度直接影响在成像质量好坏，合适的亮度范围能最大限度的增强图像轮廓和背景之间对比度，通常选择范围为1000-3000lux。6.3图像采集方法6.3.1测试样品量确定6.3.1.1烟丝宽度测试样品量的确定使用简单随机抽样样本量计算公式近似估计样本量。实际上，数据类型不同时，简单随机抽样样本量的计算公式也不相同。一般来说，可以将数据类型分为平均数类型和百分比类型。本项目中抽样数据为绝对数，应按照平均数类型样本量计算方法进行处理。该方法描述如下：已知期望调查结果的精度（可接受的抽样误差），期望调查结果的置信度（标准误差的置信水平），总体的标准差估计值，总体量。样本量的计算公式为： (6.1)当总体量巨大时，计算公式简化为： (6.2)本方法中N数目巨大，采用上式计算样本量，式中期望调查结果的精度e取值为0.1mm，其95%的置信度要求z的统计量为1.96。实际值参考国际标准ISO20193-2015[17]中烟丝宽度检测样品量，设定宽度检测值样品量为30根。6.3.1.2烟丝长度、卷曲度检测样品量的确定对烟丝长度及卷曲度检测，考察了测试样品量对检测结果的影响。采用了1#、2#两个烟丝作为检测样品，其中1#为在制丝线风选工序后所取的配方叶丝样品，2#为1#样品进行一次跑条后的烟丝。样品缩分过程如图6.4所示：取不少于80g烟丝作为实验室样品，采用四分法缩样，均分为每份不低于20g的四个检测样品；每个检测样品再通过四分法缩样，依次缩至10g、5g、2.5g和1.25g不同次级检测样品量水平；检测并统计分析每个样品量水平下的检测样品的特征长度和长度均匀性系数。图6.4样品缩分过程示意2#烟丝各样品量水平下检测烟丝样本的特征长度及B值结果如下表6.1所示。表6.12#烟丝特征长度及B值检测结果x0.5Bx0.5Bx0.5Bx0.5B1.25g11.261.777.861.859.912.029.461.989.562.008.301.9210.001.949.232.119.741.947.741.959.291.9310.171.898.851.916.711.888.881.819.621.8010.971.8910.741.8310.302.0710.511.879.001.8910.051.829.471.8511.311.879.401.8010.921.698.911.6910.562.068.471.8910.791.8710.071.949.311.899.761.959.151.998.291.739.932.1810.891.809.542.0710.051.849.932.059.902.007.072.118.731.959.821.978.781.967.302.048.161.6810.551.9910.231.879.761.999.651.878.891.9610.281.9010.902.0011.011.9112.781.918.801.769.731.998.571.789.722.079.321.899.312.118.951.6711.331.912.5g10.301.888.091.889.941.989.342.049.331.927.241.919.081.879.881.859.951.8810.391.839.861.9510.881.888.911.8310.841.789.431.799.891.9510.261.879.352.039.191.779.922.129.411.977.182.088.441.8010.191.9810.251.8810.341.9910.301.8810.651.839.021.819.512.068.761.7310.481.995g9.861.897.661.899.521.939.601.949.431.8510.591.809.651.8710.341.919.841.918.232.018.801.7810.052.059.691.849.892.019.491.7910.551.9110g9.641.879.121.789.581.909.951.929.761.889.082.009.151.7810.291.9720g9.701.889.091.899.361.8410.121.95根据上表结果，统计分析了各样品量水平下重复性检测的标准偏差和变异系数，结果见下表6.2及图6.5所示。表6.22#烟丝各样品量水平下特征长度标偏和变异系数1.25g2.5g5g10g20g标准偏差1.100.920.780.430.44变异系数11.45%9.60%8.16%4.54%4.63%图6.52#烟丝各样品量水平下特征长度检测结果可以看出，在最小的检测样品量水平下，烟丝特征长度重复检测结果的变异系数在10%以上。随着检测样品量的增大，检测结果的变异系数逐步减小，烟丝检测样品量达到10g及以上时，检测结果的变异系数在5%以下。进一步地，将不少于80g的实验室样本作为总体烟丝样本，计算分析了总体样本的特征长度及均匀性系数，分别为9.58mm和1.89。在此基础上计算了各样品量水平下检测结果相对于总体样本的最大相对偏差，结果如图6.6所示。可以看出，随检测样品量增大，特征长度重复性检测结果相对于总体样本的最大相对偏差呈显著降低趋势，在最低样品量水平下，重复检测结果的最大相对偏差超过30%，而在样品量达到10g、20g，重复检测结果的最大相对偏差依次降低至7.4%、5.6%。图6.62#烟丝各样品量水平下检测结果最大相对偏差实验表明，20g样品量的实验室样本重复检测的相对偏差能够满足检测需求，所检测的烟丝长度、卷曲度结果均能较好地表征80g总体样本的长度、卷曲度情况。因此限定烟丝长度、卷曲度检测的样品量最低为20g，在实际测定过程当中，取样量不低于100g，四分法缩样后，测试样品量不低于20g。在满足检测精度需求下的最低工作量，有效减少检测时间和工作强度。6.3.2测试步骤烟丝形态检测流程如图6.7，包括样品制备、样品分散、图像采集、烟丝图像处理、提取形态指标及统计分析等步骤。具体实验操作如下：（1）样品制备。实验前在GB/T16447—2004[18]规定的环境下预先平衡烟丝样品水分48h，取样80~100g采用四分法缩样至不低于20g用于烟丝长度、卷曲度检测。（2）图像采集参数设置。打开图像采集软件，设置相机采集帧率、曝光时间以及存储位置等参数，微调高速相机光圈焦距以及光源亮度，实现相机的准确对焦。（3）标定相机的图像分辨率。将5个标准块放置在拍摄区域，重复拍摄三张标准块图像。采用标定算法检测出每个标准块的宽度尺寸，并与标准块的真实宽度进行拟合，得到相机拍摄的图像分辨率，即单位毫米烟丝在图像中所占的像素个数。（4）烟丝图像采集及处理。取部分待测烟丝随机布置在载样盘上，烟丝之间避免相互折叠。由相机完成所有烟丝图像采集并保存于本地硬盘中，用于图像分析和关键指标提取。（5）烟丝形态特征提取与分析。打开烟丝图像处理软件，按已知路径进行处理烟丝图像，对处理后的烟丝尺寸数据进行分析，计算宽度、特征长度、卷曲度等关键指标。图6.7烟丝形态检测流程6.4图像处理方法研究图像处理技术在烟草领域的应用已十分广泛，采用图像处理方法研究烟丝长度、宽度、卷曲度相较于投影测量具有快速、准确等优势。本研究中采用图像预处理以及一系列形态提取算法，研究了能够快速、有效检测烟丝长度、宽度、卷曲度的方法，旨在提供更加全面、便捷的图像处理方法。6.4.1图像预处理首先对采集到的烟丝原始图像进行形态学处理，形态学处理方法包括腐蚀膨胀处理、开闭操作、滤波、细化等。首先进行滤波，滤除烟丝碎丝及粉粒等面积较小的图像区域，接着经开闭操作平滑烟丝轮廓，分离不完全与烟丝相连接的部分，从而提高识别质量。考虑到烟丝内可能存在虫蚀孔洞，进一步对其填充孔洞处理。最后进行图像分割、二值化处理获得后续处理的基础烟丝图像。为便于后续图像处理，预处理时一并完成烟丝边缘检测及细化操作。具体预处理流程如图6.8所示。图6.8预处理流程6.4.1.1图像分割相机采集到的烟丝图像如图6.9a所示，经过滤波、开闭运算、填充、等形态学处理后烟丝灰度较高，背景灰度低于烟丝灰度，选择基于拉普拉斯边缘信息改进的全局阈值处理进行分割烟丝与背景，分离背景和烟丝。二值化后的烟丝可能存在边缘锯齿，通过开闭运算进行平滑及分离粘连的部分[19]，二值化后图像如图6.9b。由于烟丝物料可能存在粒径较小的颗粒，通过设置面积阈值过滤掉面积较小的粉末和碎丝，从而降低尺寸极小的粉末碎丝对尺寸检测结果的影响。图6.9烟丝原始图像及二值化后图像6.4.1.2边缘检测完成图像预处理后，需要进行轮廓提取操作和中心线提取操作。通过边缘检测算法提取轮廓，常见的边缘检测算子包括：Sobel边缘检测算子、Prewitt边缘检测算子、Roberts边缘检测算子、Canny检测算子等，提取烟丝轮廓采用Canny边缘检测算子，该算子边缘检测准确性较高，其检测原理如下[20]：（1）采用高斯滤波器进行滤波与平滑处理。（2）通过一阶偏导计算梯度变化幅值与方向，边缘点为梯度方向上局部强度极大值点。（3）将局部强度极大值以外的梯度值抑制为0。（4）双阈值算法检测并连接边缘。通过检测每根烟丝的边缘，确定烟丝轮廓点集，为烟丝宽度检测做准备。如果烟丝轮廓腐蚀过多，则宽度检测偏小，腐蚀过少则烟丝宽度检测偏大。因此，良好的边缘检测算法能准确反映烟丝外轮廓的真实大小。6.4.1.3细化处理本实验中所用细化处理方法为Zhang-Suen算法，以下为细化原理：在3*3的像素模板中，根据中心像素周围8个相邻像素信息及联通情况，判断中心点像素是否可删除。S(P1)表示从P2～P9～P2像素中出现0～1的累计次数，其中0表示背景，1表示前景。其中N(p1)表示跟P1相邻的8个像素点中，为前景像素点的个数。Zhang-Suen细化算法是一个迭代算法，整个迭代过程分为两步：①循环所有前景像素点，对符合如下条件的像素点标记为删除：1.2<=N(p1)<=62.S(P1)=13.P2*P4*P6=04.P4*P6*P8=0②跟第一步很类似，条件1、2完全一致，只是条件3、4稍微不同，满足如下条件的像素P1则标记为删除，条件如下：1.2<=N(p1)<=62.S(P1)=13.P2*P4*P8=04.P2*P6*P8=0循环上述两步骤，直到两步中都没有像素被标记为删除为止，输出的结果即为二值图像细化后的骨架。6.4.2宽度检测方法研究与表征由于烟丝宽度主要分布在0.6~1.2mm范围内，精度要求较高，因此对烟丝宽度的精确检测难度较大。主流的烟丝宽度检测方法包括投影法和图像法，两种方法中图像法以检测速度快、准确性较高占据优势。其中成熟的烟丝宽度图像检测方法为Hough变换法。本实验中主要研究了基于变径圆、Hough变换的烟丝宽度检测方法，并与ISO投影法进行了原理比较，旨在提供一种精确的、具有普适性的烟丝宽度图像检测方法。6.4.2.1烟丝宽度检测原理比较对于单根烟丝宽度检测，主要研究了变径圆法和霍夫变换法两种烟丝宽度检测方法。变径圆法是利用烟丝轮廓内不断增大半径的圆，直至圆周与烟丝外轮廓相切，以该圆直径作为局部烟丝宽度；霍夫变换法是在烟丝轮廓两侧寻找相匹配的平行线段，以平行线段间距离作为局部烟丝宽度。图6.10A为应用图像检测技术的Hough变换法检测示意图，该方法是在烟丝两侧匹配平行线段，以烟丝两侧平行线段间距离作为宽度值（如宽度d1）。图6.10B为变径圆法烟丝宽度检测示意图，该方法首先确定烟丝图像的中心轴线，进而从中心轴线的特定位点处寻找最大内切圆，内切圆直径即为该位点的烟丝宽度（如宽度d3），通过中心轴线多个检测位点的测量结果平均即可计算出单根烟丝宽度。变径圆法关注的是烟丝本身在不同设定位点处的宽度值，这与ISO投影法类似，但变径圆法是以烟丝中心轴线作为基准，确保了测定位点处的宽度（即内切圆直径）与中心轴线是垂直的。变径圆法对不同形状烟丝颗粒的适用性更广。A.Hough变换法B.变径圆法图6.102种烟丝宽度检测方法示意图6.4.2.2变径圆法烟丝宽度检测法该方法是以变径圆的最大直径作为烟丝局部宽度，通过采集一根烟丝上多处局部宽度（≥5处），取其平均值作为单根烟丝的宽度测量值。具体步骤如下：（1）采用Zhang-Suen细化算法检测中心线并计算长度N，从中心线一端以N/10为步长取点作为变径圆圆心（Yx，Yy），设置变径圆初始半径为radius=1px，不断增大圆半径。（2）当变径圆增大至圆周超出烟丝轮廓（X，Y），判断出圆周超出烟丝轮廓的点坐标[(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)……(xk，yk)]，并采集烟丝轮廓外圆周的点坐标，取坐标均值作为轮廓外点集中心点(Cx，Cy)。（3）以轮廓外点集中心点(Cx，Cy)和圆心坐标的相对位置作为调整圆心的依据，中心点相对圆心坐标的反方向作为圆心调整方向，调整一定长度，以新圆心作相同半径圆，判断与烟丝轮廓相交情况。若有圆周点落在轮廓外，则重复上述步骤调整圆心位置；若无圆周点落在烟丝轮廓外，则继续增大半径，直至圆周与烟丝轮廓相切（或略微相交），则以此圆直径作为局部烟丝宽度，继续遍历中心线上其他圆心点，直至遍历完所有圆心位置。（4）遍历结束后得到如图6.11、图6.12所示的烟丝图像。如图6.11所示，以从左至右6个变径圆直径的平均值作为该烟丝的宽度测量平均值。但由于烟丝在切丝过程中存在毛刺等切割不平整情况，会导致出现极端直径的变径圆，如图6.12左端第一个绿色变径圆。针对这种情况，以整根烟丝平均宽度的一半（obj/2）作为判据，大于烟丝平均宽度一半的直径d作为宽度数据采集，小于烟丝平均宽度一半的直径d则筛除，判据与计算公式如下： (6.3) (6.4)（5）以上为单根烟丝的检测过程，遍历整张图片中的所有烟丝，并统计烟丝宽度数据。图6.11变径圆法检测结果图6.12存在极端直径的检测结果6.4.2.3霍夫变换法烟丝宽度检测霍夫变换法是采用霍夫变换实现烟丝切口识别，通过比较线段间夹角实现烟丝切口配对，计算线段间距离，即获得相应位置的烟丝宽度值。其原理详见第4节原理部分。6.4.2.4烟丝宽度检测步骤（1）实验室样品平衡：GB/T16447，温度（22±1）℃、相对湿度（60±3）%；（2）从待测实验室烟丝样品中，挑选不少于30根长度10mm以上的烟丝；（3）将烟丝放置于载样盘上，烟丝之间无重叠；（4）将载样盘放置于检测装置中，装置进行图像采集和分析；（5）计算出每根烟丝宽度。6.4.2.5烟丝样品宽度表征方法（1）烟丝样品平均宽度以所有烟丝颗粒宽度的算术平均值作为检测烟丝样品的宽度值，计算公式如下： (6.5)式中，Wi——第i根烟丝宽度，单位为毫米（mm）；m——烟丝数量，单位为根；——烟丝样品平均宽度，单位为毫米（mm）。（2）烟丝样品宽度标准偏差与变异系数采用烟丝宽度的标准偏差与变异系数表征烟丝样品的宽度均匀性，计算如下： (6.6) （6.7）SDw——烟丝宽度的标准偏差，单位为毫米（mm）；RSDw——烟丝宽度的变异系数，%。（3）测试结果的比较实验样品：6种未加香加料的烟丝（烟叶原料产地：攀枝花），宽度水平分别为0.4、0.8、1.0、1.2、1.6和2.2mm。实验方法：在GB/T16447—2004规定的环境下取样和测量，从6种烟丝样品中分别随机取样30根，每30根作为一组实验样品，得到样品1、样品2、样品3、样品4、样品5和样品6，以30根烟丝宽度的平均值作为该组烟丝样品的宽度数据，采用ISO投影法、变径圆法和Hough变换法测量6组烟丝样品的宽度。测量结果如表6.3、表6.4和图6.13所示，以ISO方法测量的结果作为参考，变径圆法测得的整组宽度均值更接近ISO投影法结果。在最低宽度水平（样品1）下，变径圆法测量结果有所偏高，而在其余宽度水平下，变径圆法测量结果与ISO投影法的测量结果接近程度较高，二者结果均高于Hough变换法测量结果。这可能是由于Hough变换法仅能检测烟丝中平行切口处的宽度，对于烟丝中不规则段或者颗粒形状整体不规则的烟丝，则无法检测。整体来看，变径圆法测得的6组烟丝宽度数据相较于Hough变换法更接近ISO投影法测量的宽度数据，这也验证了变径圆法和ISO投影法原理的一致性。通过比较三种烟丝宽度方法的标准偏差和变异系数可以发现，两种图像检测方法的标准偏差和变异系数均小于投影法检测结果，说明图像检测方法相较于人工投影检测具有更高的再现性，对操作人员的要求更低，因此烟丝宽度的图像检测方法更具有普适性和推广性。表6.3对比实验结果样品烟丝宽度/mmISO投影法变径圆法Hough变换法1#0.378±0.001b0.435±0.002a0.379±0.006b2#0.744±0.022b0.754±0.004b0.795±0.003a3#1.029±0.020a1.043±0.001a0.992±0.001a4#1.223±0.018a1.221±0.002a1.178±0.001b5#1.650±0.009a1.638±0.003a1.482±0.003b6#2.283±0.013a2.264±0.002a1.964±0.002b表6.4变异系数结果样品变异系数/%ISO投影法变径圆法Hough变换法1#0.2650.4601.5832#2.9570.5310.3773#1.9440.0960.1014#1.4720.1640.0855#0.5450.1830.2026#0.5690.0880.102

图6.136种烟丝样品宽度测量结果对比6.4.3长度检测方法研究与表征6.4.3.1单根丝长度检测方法烟丝长度检测采用Zhang-Suen细化算法，该算法通过设置多个判据来判断相邻8像素是否剥离，通过不断迭代删除到单像素为止，从而将条状的烟丝细化成仅保留单像素的中心线，通过计算细化后中心线的长度作为该烟丝的长度，依次遍历每一张烟丝图像下的每一根烟丝，从而完成烟丝长度检测，细化前后如图6.14所示。图6.14单根烟丝图像及细化后图像6.4.3.2烟丝长度检测步骤（1）实验室样品平衡：GB/T16447，温度（22±1）℃、相对湿度（60±3）%；（2）采用四分法缩样，从实验室样品中抽取不少于20g的待测烟丝；（3）取部分待测烟丝随机放置在载样盘上，烟丝之间无重叠；（4）将载样盘放置于检测装置中，装置采集载样盘上的烟丝图像、并进行分析；（5）重复步骤（2）~（3），直至装置采集获取完所有待测烟丝的图像；（6）计算出每根烟丝长度，对烟丝样品长度分析并表征。6.4.3.3烟丝样品长度表征方法烟丝结构是影响卷烟质量的重要因素之一，目前主要是采用振筛的方法测定各层筛网上的累积质量，以各层筛网上累积质量占总质量的百分比来评价烟丝结构。如雷诺公司采用长丝率（大于1.68mm）、中丝率（大于0.85mm小于1.68mm）和碎丝率（小于0.85mm）来表示烟丝结构[21]，国内以整丝率（大于2.50mm）和碎丝率(小于1.0mm)来表示[6]。这些表征方法仅表明了离散的烟丝尺寸分布，而无法准确地描述不同区间内烟丝尺寸的连续分布及其变化情况，而且无法描述烟丝尺寸分布的均匀性，而烟丝尺寸分布的均匀性同样会对卷烟质量产生重要影响。在颗粒学研究中，常用函数法来表征多分散体物料的粒径分布规律，即通过研究各种粒径大小的统计学分布规律得到某种分布函数（粒度特性方程），常用的粒度特性方程有高丁－舒曼分布（简称G－S）分布、罗辛－拉姆勒尔（简称R－R）分布、对数正态分布、高丁－梅洛伊（简称G－M）分布等，并采用能够表征粒度分布规律的特征值来反映物料的总体粒度分布[22-24]。本研究采用粒度分布的研究方法，通过研究不同烟丝样品的尺寸分布变化规律，建立烟丝尺寸分布特性方程，分析得到描述烟丝结构分布规律的特征量，从而得到能够描述烟丝及其在加工过程中结构分布的表征方法。（1）特征长度表征图6.15为SX牌号的成品丝样品通过图像检测方法的长度检测结果，对所有烟丝长度按2mm长度区间进行频数分布比较，发现其频数分布符合幂指数下降规律，结合过去对烟丝结构分布规律表征的研究方法，推测其长度累积分布存在幂指数规律，因此对烟丝长度分别计算累计上限百分比，该样品累积百分比分布如图6.4所示，烟丝长度累积百分比随烟丝长度增加呈指数下降趋势，下降趋势的快慢反映烟丝长度的集中情况。图6.15两种样品长度频数分布比较图6.16累积百分比拟合后曲线通过对图形分析，发现累计百分比随烟丝长度的变化趋势符合R-R（Rosin-Rammler-Bennet）分布，R-R粒度分布方程如式6.8所示： (6.8)式中：R(Dp)——筛余累积百分比，%；De——特征粒径，毫米（mm）；n——均匀性系数；有时在使用时也令a=1/Den，并通过R-R粒度分布方程将筛网孔径与筛上物累积质量百分比建立联系。该方法在烟草行业的应用是以筛上烟丝的累积质量为研究对象，研究不同筛网孔径上累积质量百分比的变化趋势，此时R-R粒度分布方程写成如下形式[25]： (6.9)式中，x——筛网孔径，毫米（mm）；F(x)——烟丝筛上累积质量百分比，%；计算方法如公式6.10 (6.10)式中，m累积——筛上烟丝累积质量，克（g）；m总——烟丝样品总质量，克（g）；l累积——烟丝累积上限长度，毫米（mm）；l总——烟丝样品总长度，毫米（mm）；ρ——烟丝密度，g/cm3；w——烟丝宽度，mm；d——烟丝厚度，mm；由公式6.10可见，在烟丝表观密度一致、宽度厚度均衡的情况下，烟丝筛上累积质量百分比等同于烟丝长度累积上限百分比。类似地，在图像法检测过程中，以烟丝长度为基础数据，通过R-R粒度分布方程，建立烟丝长度与长度累积上限百分比的关系，此时R-R粒度分布方程如下形式： (6.11)式中，x——烟丝长度，毫米（mm）；F(x)——烟丝长度累积上限百分比，指长度等于或大于x的烟丝累积长度与烟丝样品总体累计长度的百分比，%；A、B——方程参数。F(x)，可由下式确定： (6.12)式中，——样品中长度等于或大于x的所有烟丝长度之和，n为长度等于或大于x的烟丝数量；——样品的烟丝长度总和，N为样品总烟丝数量：由上式(6.11)、(6.12)，对F(x)~x关系进行拟合计算，可确定常数A、B。待测样本的特征长度值按下式计算： (6.13)上式中特征长度x0.5为烟丝颗粒长度占比F(x)等于50%时，对应的烟丝长度。（2）均匀性系数及任意长度区间烟丝比例计算由上式(6.11)、(6.12)，对F(x)~x关系进行拟合计算，可确定常数A、B。其中，B作为均匀性系数，用于反映待测样品烟丝长度均匀性。任意长度区间内烟丝比例： (6.14)（3）烟丝结构测定及表征在同一生产线上不同操作工序下取样，得到成品丝、跑条丝和后身丝3种烟丝样品。实验中每次实验样品量为20g，平行取样两次，样品分别编号为成品丝-1、成品丝-2、跑条丝-1、跑条丝-2、后身丝-1、后身丝-2。在平衡水分后采用烟丝形态图像检测装置测定烟丝结构，3组样品的长度累积分布如图6.17所示，在相同累积上限百分比时，成品丝长度＞后身丝＞跑条丝，这在表6.5中3种样品特征长度的大小关系相对应，成品丝X0.5＞后身丝X0.5＞跑条丝X0.5。由图6.17可知，两次平行实验的累积分布曲线相接近，表明两次平行实验结果重复性较好。通过对每组样品中所有烟丝的长度进行频数统计，得到图6.18所示的3组样品的频数分布图。比较两组平行样品之间长度频数，发现平行样品之间频数分布大致相似，平行样品之间偏差最大的样品为后身丝，5-10mm长度区间最大相差3.68个百分点，其他长度区间偏差较小，仍在可接受范围。比较不同样品之间的长度频数分布，发现3组样品中占比前三的长度区间依次为5-10mm、10-15mm、15-20mm，达到总体样品数量的80%以上。另外，跑条丝样品在5-10mm的长度区间中占比明显高于另外两组样品，说明跑条丝的中短丝含量较高；成品丝和后身丝在15-20mm长度区间的占比略高于跑条丝，跑条丝样品在该长度区间占比11%左右，成品丝在该长度区间占比超过14%，因此推断成品丝在送丝过程中部分较长烟丝发生了断裂，增加了中短丝的含量。根据烟丝结构的准确测定，有利于生产过程中准确掌握烟丝在不同工序加工后其结构的变化情况，进一步调整生产工艺参数。图6.173种烟丝样品的累计百分比图6.183组样品的长度频数分布表6.5A、C、F样品结构测试结果样品成品丝X0.5/mm跑条丝X0.5/mm后身丝X0.5/mm样品F20.8016.5218.256.4.4卷曲度检测方法研究与表征6.4.4.1单根烟丝卷曲度检测方法最小外接矩形法是以单根烟丝的实际长度与最小外接矩形长的比值作为该烟丝的卷曲度[26]。具体检测步骤如下：（1）图像预处理。通过形态学处理分割出烟丝与背景，提取出烟丝形态图像。（2）计算烟丝长度。通过细化算法将烟丝图像细化成单像素形态的中心线，统计烟丝中心线的长度，以中心线的长度作为单根烟丝长度（如图6.19中L1所示）。（3）计算最小外接矩形长边长度。采用最小外接矩形框选烟丝轮廓，最小外接矩形的涵义为能框选住烟丝轮廓的面积最小矩形，统计最小外接矩形的长边长度（如图6.19中L2所示）。（4）计算卷曲度大小。单根烟丝的卷曲度为： (6.15)对于样品量为n的烟丝样品，采用整体样本的平均卷曲度表征该样本的卷曲度大小。式中S为单批次样品的平均卷曲度；Li1为烟丝真实长度；Li2为烟丝最小外接矩形长；n为单批次样品中烟丝数量。图6.19最小外接矩形法示意图6.4.4.2烟丝卷曲度检测步骤（1）实验室样品平衡：GB/T16447，温度（22±1）℃、相对湿度（60±3）%；（2）采用四分法缩样，从实验室样品中抽取不少于20g的待测烟丝；（3）取部分待测烟丝随机放置在载样盘上，烟丝之间无重叠；（4）将载样盘放置于检测装置中，装置采集载样盘上的烟丝图像、并进行分析；（5）重复步骤（2）~（3），直至装置采集获取完所有待测烟丝的图像；（6）计算出每根烟丝卷曲度，对烟丝样品卷曲度分析并表征。6.4.4.3烟丝样品卷曲度表征方法（1）烟丝样品平均卷曲度以所有烟丝卷曲度的算术平均值作为检测样品的卷曲度，计算如下： (6.16)式中，Si——第i根烟丝卷曲度；m——烟丝数量，单位为根；——烟丝样品平均卷曲度。（2）烟丝样品卷曲度标准偏差与变异系数采用烟丝卷曲度的标准偏差与变异系数表征烟丝样品的卷曲度均匀性，计算如下： (6.17) (6.18)SDs——烟丝卷曲度的标准偏差；RSDs——烟丝卷曲度的变异系数。（3）卷曲度表征验证采用长度检测算法验证所使用的不同长度的矩形样条（如图6.20所示）验证最小外接矩形法检测卷曲度的准确性，由于矩形样条是规则的矩形，其最小外接矩形应是矩形本身，因此理论上矩形样条的理论卷曲度应大小为1。在图像预处理中矩形被腐蚀微小像素，导致最小外接矩形长边变短，最终结果表现为矩形样条的卷曲度略大于1，这种误差主要表现在长度为28px和56px的矩形样条上，由于矩形本身长度较短相对放大误差，随着长度增大，相对误差逐渐减小，表现为长度在84px~336px的矩形测得的卷曲度相对误差依次减小到0.01。在实际应用时主要面对的待测物为烟丝，其形态相对不规则，卷曲度也远大于1，绝对误差在0.1以内仍在可接受范围。图6.20卷曲度检测算法准确性验证6.5方法准确度评价6.5.1正确度评价6.5.1.1烟丝宽度检测方法评价（1）变径圆法准确性采用软件绘制如图6.21所示的标准线条图，图片包括9条已知宽度和长度的矩形线条，每根线条宽度相同，长度不同。类似的，共绘制8张除宽度不同，长度和颜色都相同的标准线条图片。8张图片中线条宽度分别为4px、6px、8px、10px、12px、15px、20px和30px。采用变径圆法测量绘制的线条宽度，检验测量算法的精确度。图6.21宽度测试标准样测量结果如表6.6和图6.22所示，测得的线条宽度与实际线条宽度基本一致，偏差最大为0.60px，线性拟合的可决系数R2=0.99891，斜率k=0.9967，斜率趋近于1表明测得的线条宽度越能代表实际宽度。表6.6测得的线条宽度实际线条宽度（px）4.006.008.0010.0012.0015.0020.0030.00测得线条宽度（px）4.206.007.8010.2012.0015.6019.8030.00图6.22样条宽度测量结果（2）霍夫变换法准确性考虑到上述实验的对象为标准光刻板，其外型、颜色、背景颜色与烟丝差异较大，为更加真实地考察本方法的准确度，采用了与烟丝颜色更为接近的牛皮纸条作为测试对象，进行重复性实验。实验中采用的牛皮纸条宽度均匀，其宽度参照值为2.05mm（由分辨率为0.001mm的数字投影仪测量获得），重复测量20次，每次摆放的位置不同，样品图像及测试结果如表6.7。表6.7准确度实验测试结果（单位：mm）次序12345测量值2.072.082.072.062.07次序678910测量值2.042.062.052.082.06次序1112131415测量值2.052.032.052.062.06次序1617181920测量值2.032.032.042.052.04表6.8准确度实验结果分析（单位：mm）标称值2.05平均值2.054最大值2.08最小值2.03误差0.004从表6.8可以看出，本次实验的误差为0.004mm，与用光刻尺作为测试对象的误差（0.007mm）比较，测试结果较为接近，表明系统在测试不同的样品时，准确度也基本一致。6.5.1.2长度、卷曲度图像检测方法准确性评价为了评价长度、卷曲度测试原理的准确度，绘制了图6.23所示的直线型、L型、C型、S型四种不同形状的标准样品，每个样品的长度真值和卷曲度真值如表6.9所示。图6.23长度及卷曲度测试标准样表6.9标准样品长度及卷曲度标准样品长度卷曲度直线型63.51L型83.01.63C型75.41.48S型150.71.59由表6.10可知，对于不同形状标准样品的几何形状特征参数的测试与理论值的偏差及测试结果变异系数多在5%以内，表明测试系统准确度好，具有较高的正确度和精密度。表6.10不同形态标准样检测结果

样品形态统计指标长度卷曲度真值63.51测量均值63.9531.061标准偏差0.1565640.003162变异系数0.0024480.00298测量误差0.716.1真值83.01.63测量均值83.0151.702标准偏差0.2190510.006325变异系数0.0026390.003716测量误差0.024.4真值75.41.48测量均值75.0471.551标准偏差0.1011110.003162变异系数0.0013470.002039测量误差0.54.8真值150.71.59测量均值151.1571.626标准偏差0.5459350.006992变异系数0.0036120.0043测量误差0.32.36.5.2精密度验证6.5.2.1宽度检测重复性验证（1）变径圆法重复性从已知切丝宽度的6种烟丝样品中各随机取样30根，单根烟丝长度大于等于10mm，以30根烟丝宽度的平均值作为该组烟丝样品的宽度数据，采用变径圆法测量6组烟丝样品的宽度。同一组烟丝样品每次测量后调整烟丝位置分布，由同一实验员重复测量10次，操作过程中应尽量避免烟丝破碎、断裂和变形。重复性实验测量结果如表6.11所示，6种烟丝样品宽度的RSD在0.287%~1.149%中变化，重复性限r最大为0.021，符合计量学的重复性要求。表6.11重复性实验测量结果序号样品1样品2样品3样品4样品5样品610.440.741.041.211.632.2720.440.741.051.221.642.2630.430.751.041.221.652.2640.430.751.051.221.642.2750.430.751.051.221.632.2560.440.751.051.211.642.2670.450.751.041.221.642.2680.430.751.041.231.652.2590.430.761.051.231.642.27100.440.761.041.221.642.27SD0.0050.0050.0030.0040.0050.007RSD/%1.1490.6660.2870.3280.3050.309r0.0140.0140.0090.0120.0140.021SD：标准偏差；RSD：相对标准偏差；r：重复性限（2）Hough变换法重复性为了考察测试系统（装置）的测试精度，我们开展了以下实验。实验样品共5种，宽度分别为0.4mm、0.9mm、1.0mm、1.6mm、3.0mm。实验中，每种样品重复测量20次，每次摆放的位置不同。下图给出了0.9mm烟丝测试时的原始图像，每次测量时，烟丝处于图像的不同位置，其他样品采用了相似的摆放位置和摆放方式。表6.12精度实验测试结果（单位：mm）次序0.40.91.01.63.010.450.870.971.623.1620.480.851.001.593.1630.470.830.971.633.1440.480.870.971.623.1450.480.840.961.643.1660.480.880.941.613.1070.460.860.981.623.1780.450.880.901.603.1590.440.860.981.613.18100.440.890.971.623.19110.460.870.961.613.15120.460.870.971.573.14130.470.830.951.603.16140.450.890.961.653.15150.480.880.971.623.16160.450.860.971.623.12170.460.830.991.583.18180.440.880.981.583.20190.460.870.961.653.12200.440.850.941.643.17标准偏差0.0150.0190.0210.0230.024重复性限r0.0420.0540.0600.06390.069表6.12是本实验的测试结果，从表中可以看出，系统在0.4～3.0mm测试范围（量程）内的重复性限为0.042～0.069mm，符合测量要求。6.5.2.2长度、卷曲度检测重复性验证为考察烟丝长度检测的重复性，按照国标GB/T6379.2-2004[27]中规定的重复性检测条件：使用本方法在正常和正确操作情况下，由同一操作人员，在同一实验室内，使用同一仪器，并在短期内，对相同试样所作多个单次测试结果。本实验中，以膨胀丝、配方烟丝和一次跑条丝为实验样品，在平衡水分后，按四分法均匀取平行样10份，在相同的操作条件下采用烟丝形态图像检测装置分别测定每份烟丝样品的长度、宽度和卷曲度大小。3个样品的10份平行样的长度重复性实验结果如图6.24、表6.13、表6.14、表6.15所示，3个烟丝样品10次长度检测结果显示：3组烟丝样品的卷曲度10次重复性较好，RSD均在5%以内。10次实验长度累积分布曲线相似，表明10次实验测得烟丝样品的结构相一致。另外，10次重复性实验中长度均值最大RSD为0.065（配方烟丝样品），特征长度均值最大RSD为7.524%（配方烟丝样品），在8%以内。膨胀丝和一次跑条丝样品10次实验的长度均值、特征长度均值的RSD均在5%以内。10次重复性实验中配方烟丝长度均值偏差较大的原因可能是掺配不均匀、取样不均匀和烟丝长度较长、卷曲缠绕较多、分布范围较广造成的，并非长度检测不准确引起的，未来通过优化取样方式和掺配均匀性能有效改善检测方法的重复性。a：一次跑条丝；b：膨胀丝；c：配方烟丝图6.24烟丝长度重复性实验表6.13长度重复性实验结果序号一次跑条丝/mm膨胀丝/mm配方烟丝/mm113.84510.97620.052213.51910.78019.006312.99510.92918.796412.89710.65119.540512.37010.19516.957612.72410.68117.686713.33310.60716.487812.74510.74917.102912.66810.83618.4731012.61910.18517.757SD0.4580.2731.176RSD/%3.5332.5626.466表6.14特征长度重复性实验结果序号一次跑条丝/mm膨胀丝/mm配方烟丝/mm118.38314.52628.616217.65014.22426.613316.81214.29627.484416.84113.79928.408516.02913.21023.764616.66913.94925.243717.62213.80823.154816.50113.92124.406916.34614.19426.1281016.30613.07124.312SD0.7390.4631.942RSD/%4.3713.3287.524表6.15卷曲度重复性实验结果序号一次跑条丝/mm膨胀丝/mm配方烟丝/mm11.5391.5361.67421.5301.5341.66431.5511.5321.63741.5241.5191.62051.5311.5101.62661.5501.5381.68271.5441.5271.64981.5291.5351.64691.5411.5361.643101.5281.5261.625SD0.0100.0090.021RSD/%0.6250.5791.2877、实验验证与应用7.1实验验证为了对上述烟丝长度、宽度、卷曲度图像检测方法进行验证，选取郑州烟草研究院、湖南中烟、河南中烟、福建中烟、安徽中烟、南京焦耳科技有限责任公司共5家卷烟及相关企业进行共同实验，进一步验证图像法检测烟丝长度、宽度、卷曲度的可靠性，其中宽度检测采用的是霍夫变换方法。7.1.1试验样品试验样品类型及来源如表7.1所示，采用合适的装样方式，将样品装入自封袋，装箱前于箱内四周放置泡沫板防止晃动造碎。收集所有样品至郑州院后，将下表标红样品平均分配至七家单位（郑州院、河南中烟、四川中烟、湖南中烟、福建中烟），每家单位每个样品500g。表7.1样品类型及来源取样类型提供企业取样要求样品量叶丝（0.8mm）叶丝（1.0mm）河南中烟卷制前或贮丝柜出口烟丝（不含其他组分）3.5kg干燥膨胀后叶丝河南中烟气流干燥后取的烟丝梗丝（丝状梗丝，复切梗丝1.0）四川中烟山东中烟成品梗丝薄片丝1.0河南中烟单独成丝样品膨胀叶丝河南中烟成品膨胀丝（CO2膨胀烟丝）7.1.2试验过程7.1.2.1烟丝颗粒特征测定仪指标确认（或烟丝宽度测量仪）首先确认实验室烟丝颗粒特征测定仪是否具备下列指标，如下图7.1，需求单颗烟丝宽度相关指标、长度相关指标、卷曲度相关指标。如果相关指标无法获取，请确认能否将此仪器拍摄的图片导出收集。图7.1烟丝形态指标检测输出结果7.1.2.2测试步骤：（1）共五类样品，分别各500g，进行实验室样品平衡：GB/T16447，温度（22±1）℃、相对湿度（60±3）%；（2）宽度测量：从待测实验室烟丝样品中，随机挑选不少于30根长度10mm以上的烟丝；（3）通过镊子将烟丝放置于载样盘上，烟丝之间无重叠，单颗烟丝无折叠；（4）将载样盘放置于检测装置中，装置进行图像采集和分析；（5）每个样品重复步骤（2）-（4）共10次，记录总结果，导出excel表格归类保存。（6）长度和卷曲度测试：将80g-100g样品采用四分法缩样，从样品中抽取不少于20g的待测烟丝；（7）取部分待测烟丝随机放置在载样盘上，烟丝之间无重叠；（8）将载样盘放置于检测装置中，装置采集载样盘上的烟丝图像、并进行分析；（9）重复步骤（7）~（9），直至装置采集获取完每类样品所有待测烟丝的图像（20g样品测试约10次左右）；（10）记录结果，导出excel表格归类保存。7.1.3试验结果记录数据为每次测量的平均数据如上图7.1红框所示，导出的excel数据为每根烟丝的数据如蓝框所示，文件名称为：样品类型_宽度或长度和卷曲度_测试次数（如：叶丝0.8_宽度_1次）。表7.2为郑州院、湖南中烟和河南中烟所测的5种样品的长度及卷曲度结果，3家试验单位所测得平均长度及特征长度一致性较好，变异系数均在10%以内。其中湖南中烟测得两组叶丝的长度结果偏差较大，潜在原因可能是烟丝样品在运输途中水分散失，产生了部分造碎，从而导致叶丝（0.8mm）和叶丝（1.0mm）两组样品的平均长度和特征长度均小于另外两家单位的测试结果；其他可能导致长度结果不一致的原因还包括检测前分样不均匀，以及操作人员对碎丝的处理方式不同等。由图7.2-7.6中同样可以得到以上信息：长度累积分布越接近，测得特征长度越接近。反映了烟丝长度累积分布曲线和特征长度能够较好地表征烟丝样品的长度分布特征。由表7.2可见5种样品的卷曲度检测结果一致性高，变异系数均在5%以内，表明通过图像检测能够稳定地表征烟丝样品的卷曲情况，反映了图像法应用在烟丝形态检测方面具有较高的精密度和重现性。表7.25种样品长度、卷曲度统计结果郑州院湖南中烟河南中烟平均结果标准偏差变异系数薄片丝平均长度/mm14.0114.1715.6514.610.910.06特征长度/mm17.4017.3019.6718.121.340.07卷曲度1.421.451.541.470.060.04梗丝平均长度/mm6.307.257.346.960.570.08特征长度/mm7.048.078.327.810.680.09卷曲度1.411.461.411.430.030.02膨胀丝平均长度/mm9.6210.5610.4010.190.500.05特征长度/mm11.2012.0812.5011.930.660.06卷曲度1.451.571.481.500.060.04叶丝（0.8mm）平均长度/mm14.7512.7915.1514.231.270.09特征长度/mm19.6216.9420.3718.981.800.10卷曲度1.541.571.551.550.020.01叶丝（1.0mm）平均长度/mm17.3915.7917.7616.981.050.06特征长度/mm23.8921.2424.3923.171.690.07卷曲度1.571.581.601.580.010.01图7.2薄片丝样品长度累计分布比较图7.3梗丝样品长度累计分布比较图7.4膨胀丝样品长度累计分布比较图7.5叶丝（0.8mm）样品长度累计分布比较图7.6叶丝（1.0mm）样品长度累计分布比较表7.3为5种样品的宽度统计结果，5家试验单位的5种样品宽度检测结果均值较为接近，除膨胀丝以外的4种样品宽度标准偏差均在0.1以内，变异系数在10%以内。膨胀丝样品测试结果存在误差，但前4家试验单位测试结果接近，只有福建中烟所测结果存在较大误差，原因可能是实验操作不当造成的。5种样品的宽度检测结果整体上较为一致，表明图像检测方法具有一定潜在应用价值。表7.35种样品宽度统计结果郑州院湖南中烟河南中烟安徽中烟福建中烟平均值标准偏差变异系数薄片丝/mm0.930.970.850.910.910.910.040.05梗丝/mm0.921.10.960.970.900.970.080.08膨胀丝/mm1.091.171.091.090.841.060.130.12叶丝（0.8mm）/mm0.790.930.780.870.830.840.060.07叶丝（1.0mm）/mm11.031.040.921.031.000.050.057.2应用为满足快速检测烟丝样品长度、宽度、卷曲度的需要，结合不同的物料分散技术设计了两种烟丝形态检测装置，一种是利用气流分散烟丝物料，另一种是利用差速皮带分散烟丝物料。通过这两种方式快速分散烟丝，同时高速相机快速采集烟丝图像，从而实现快速、准确检测不同烟丝样品的长度、宽度及卷曲度。7.2.1基于流化床的烟丝形态图像检测装置7.2.1.1图像检测装置结构图7.7为基于流化床的烟丝形态图像检测装置结构图，该图像检测装置具有流化分散物料、二维图像采集以及返料落料等功能。烟丝样品从料斗进入流化床内，受气流作用相互分散，进而进入二维流化床区域，二维流化床床体采用高透钢化玻璃拼接而成，避免了亚克力等材质的摩擦静电对碎丝的吸附作用。二维流化床床体横截面长宽比为10:1，尺寸设计为200mm×20mm，床体厚度较薄使得烟丝呈单层分散状态通过二维流化床，从而减少厚度方向上的烟丝相互重叠，进一步提高烟丝形态检测的准确性。在理想状态下，烟丝以单层状态通过二维流化床，因此采集平面上的烟丝图像即可视为烟丝的真实形态。采集后的烟丝图像由图像处理程序提取烟丝形态指标。该装置通过气流分散烟丝，并结合高速图像采集技术，避免了人工铺料检测等繁琐过程，从而实现快速、高效检测烟丝形态特征。图7.7流化床烟丝形态检测装置结构图7.2.1.2实验应用测试样品：未跑条烟丝