基于红外图像边缘检测的松散回潮过程中烟草运动轨迹分析

张天驿，蒋红海，忽正熙

(昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500)



基于红外图像边缘检测的松散回潮过程中烟草运动轨迹分析

张天驿，蒋红海，忽正熙

(昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500)

摘要：为了对制丝加工过程的松散回潮工序中滚筒内的烟草运动状态进行表征，研究了基于红外图像边缘检测的烟草松散回潮过程中烟草运动轨迹测量方法。通过试验得到的轨迹与该工序中其他学者对烟草轨迹研究得到的理论轨迹进行了对比分析可知，试验结果与理论分析基本相同。该方法为制丝加工过程试验研究奠定了基础。

关键词：松散回潮；运动轨迹；红外图像边缘检测

制丝过程是卷烟加工过程的核心部分，是决定卷烟加工质量好坏的关键环节。近年来，有少数研究者开始了相关研究[1-4]，但是目前用于制丝加工过程的传统分析手段，如均值、CPK值、SPC和MES等统计方法，只能对单个工序的加工结果进行一定的分析评价，基本属于经验化定性推测方法、试验研究方法和物理试验验证方法，对复杂系统问题的分析具有典型的黑箱特点，即以定性和经验为指导构造特定的输入，变化外部激扰影响和控制参数，观察、统计和分析结果(系统输出)，调整输入参数，再进入下一轮试验。在对问题研究的初期，或不具备内在关系理论支撑的情况下，这样的研究是有效的，可以获得一定的成果，但不能描述揭示复杂系统的本质和内部过程与特点，也不能揭示多因素的相关性和互相干性等，分析结果具有明显的盲目性、试凑性、局部性、优化性差以及多因素多目标优化不可解等缺陷，而且耗资大，费时，模型重用性差，不能满足精细化研究的要求，不能有效支撑卷烟精细化生产的发展；因此，有必要把黑箱问题转化为白箱问题，即通过图像的数据采集、研究和处理，来实现滚筒加工过程可视化分析。

在工作状态下，松散回潮设备加料桶中的烟草被高温蒸汽包裹，针对可见光视觉下的图像研究是没有意义的。通过试验研究发现，在松散回潮工序中烟片、烟块与环境温度是不一致的。根据这一特点，烟叶运动轨迹可以采用红外图像分析。目前，国内外较少对高温烟草进行红外轨迹分析，可以借鉴的方法不多，但是针对红外图像轮廓提取与分类的方法[5-7]可以借鉴到烟叶轨迹分析中。本文运用改进的Canny算子对松散回潮过程中的烟叶运动轨迹进行提取分析。

1试验装置

被测对象是松散回潮滚筒搅拌下的烟叶流。加热的烟叶在滚筒的搅拌过程中用红外高速相机拍照(见图1)。通过调节红外相机曝光时间可获得烟叶流的瞬态图像和轨迹图像。

图1　松散回潮过程红外拍摄示意图

2试验方案与原理

2.1试验方案

为模拟正常生产环境，所有滚筒运行参数按照烟草企业松散回潮生产过程设定。在滚筒出料口的观察窗口，设置红外摄像机，拍摄烟草运动状态图。运用红外图像处理手段，在烟草运动状态图中提取出烟叶流轨迹与理论轨迹进行对比研究。

2.2图像处理算法

红外成像技术展现的是目标自身的热分布情况，所以原始红外图像清晰度要低于一般的可见光图像，目标与背景分界较为模糊，对人眼表现为分辨率低和视场立体感弱等现象[8]，考虑到红外传感器出现的一些特有噪声，使得原始未经处理的红外图像一般难以达到应用水平，需要对其进行一定的图像处理。图像边缘是图像的基本特征之一，它包含了图像的大部分信息[9-10]。

具有代表性的边缘检测算子有Roberts、Prewitt、Sobel、LoG和Canny等，经过对比试验，改进的Canny算子相比其他几种算法更适合本试验。

本文在Canny算子中引入形态学滤波，分别利用2个不同尺度的结构元素对图像进行顺序开闭运算，平滑图像去除噪声。

改进Canny算法处理流程图如图2所示。

图2　改进Canny算法处理流程图

3试验结果和轨迹图像分析

3.1试验结果分析

分别用基于红外图像优化过的LoG与Canny算法对目标图像进行分析处理，得到的烟草轨迹图像如图3和图4所示。对比后发现，LoG得到的边缘结果不连续，相比Canny算法的处理结果不理想。对比不同阈值下的改进的Canny算法得到相对最优结果，从所有红外图片边缘检测样本中选出18个边缘检测效果明显的样本进行拟合分析，得出的曲线多项式方程分析结果见表1，对应的拟合曲线效果图如图5所示。根据表1数据进行6次拟合，效果理想的有4幅图像；进行3次拟合，效果理想的有5幅图像；进行2次拟合，效果理想的有6幅图像。

图3　滚筒中烟草红外图像样本示例

图4　对应图3的Canny算法轨迹提取结果示例

图号最优拟合多项式阶次拟合效果112理想153一般162理想422理想676差706一般843一般1102理想1112理想162——1696一般2126一般2182理想227——2453一般2583一般264——2653差

注：“—”表示边缘检测线条没规律，无法拟合。

图5　对应的拟合曲线效果图

3.2轨迹图像分析

烟丝在滚筒内作周期性运动可划分为2个阶段：1)在转动的滚筒和搅棒作用下，烟丝随滚筒的转动被提升，作轴向圆周运动；2)在重力和空气推力F作用下，烟草从滚筒上部的搅棒顶端以一定的初速度被抛撒。在重力和空气介质推动力的共同作用下，烟丝飘落的过程是在空间里作抛物运动[11-12]。

3.2.1烟丝做轴向圆周运动

烟丝颗粒作匀速圆周运动的示意图如图6所示。根据滚筒内部特点建立坐标系。X轴为滚筒轴线方向，Y轴和Z轴在滚筒截面上，且Z轴为水平方向。

图6　烟丝颗粒作匀速圆周运动的示意图

3.2.2烟丝做受外力的抛物运动

烟丝作抛撒运动的示意图如图7所示。其坐标系与图6相同。假设烟丝为均质球体，则单个烟丝颗粒在搅棒顶端被抛撒出时，烟丝颗粒的初速度为V0=Rω。

图7　单位烟丝的抛洒运动示意图

假设图7所示的烟草受空气推力F的作用较小时符合抛物线运动，随着F对抛落烟草影响的增加，烟草的运动曲线开始向高次变化。对比试验结果可以看出，2次抛物线运动的烟草比例较高，剩下3次与6次运动轨迹的比例相对较少。

4结语

本文介绍了基于红外边缘检测的松散回潮过程中烟草运动轨迹的分析方法，对边缘检测算法运用在红外边缘检测问题上进行了对比，使用改进Canny算子得到的运动轨迹，符合物体运动的规律，从而把黑箱问题转化为了白箱问题，为对制丝加工过程进一步分析与试验研究奠定了理论与方法的基础。

参考文献

[1] 邓国栋，王宏生，李斌，等. 滚筒烘丝机中烟丝运动的模拟与试验[J].烟草科技,2007(9):1002-0861.

[2] 管锋，周传喜，陈君若，等. 高温管式膨胀系统的结构优化与模拟[J]. 烟草科技，2006(1)：25-29.

[3] 耿凡，袁竹林，王宏生，等. 流化床中烟丝颗粒的流动特性[J]. 东南大学学报：自然科学版，2009,39(5)：1012-1017.

[4] 张俊荣. 管道式烘丝机气-固两相流场数值模拟[D]. 西安：西北工业大学，2005.

[5] 岳改丽，王栋，杨蕊. 几种边缘检测算子在红外图像处理方面应用研究[J]. 西安科技大学学报,2012(4)：1672-9315.

[6] Liu J Y, Tang Q J, Wang Y, et al. Defects’ geometric feature recognition based on infrared image edge [J]. Infrared Physics & Technology, 2014,67:387-390.

[7] Sun S G, Park H W. Segmentation of forward-looking infrared image using fuzzy thresholding and edge detection[J]. Optical Engineering,2001,40(11):2638-2645.

[8] 于天河，郝富春．红外图像增强技术综述[J]. 红外与激光工程,2007，36(S2):335-338.

[9] 段瑞玲，李庆祥，李玉和.图像边缘检测方法研究综述[J].光学技术,2005，31(3):415-419.

[10] 邓小亚.基于四元数改进人工蜂群算法的彩色图像边缘检测[J].新技术新工艺, 2015(8):124-127.

[11] Klimisch H J, Stadler L. Untersuchungen zurbildung von N-nitrosonornikotin aus nikotin-N-oxid [J]. Talanta, 1976, 23:614-616.

[12] Necht S S, Chen C B, Ornaf R M, et al. Chemical studies on tobacco smoke lvi. tobacco-specific nitrosamines: Origins, carcinogenicity, and metabolism[J]. IARC Sci Puhl, 1987, 19:395-413.

责任编辑郑练

The Trajectory Analysis of Tobacco Remoistening Process based on Infrared Image Edge Detection

ZHANG Tianyi, JIANG Honghai, HU Zhengxi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Abstract：In order to represent the tobacco movement state in loosening and conditioning casing cylinder of silk making process, study the trajectory analysis method of tobacco remoistening process based on infrared image edge detection. According to the comparison between the trajectory obtained by the experiments and the tobacco track obtained from the analysis of other scholars in this process, the experimental results are basically the same as the theoretical analysis. This method lays the foundation for the experimental study on the process of making silk.

Key words:loosening and conditioning, moving track, infrared image edge detection

收稿日期：2015-10-14

作者简介：张天驿(1990-)，男，硕士研究生，主要从事机器人视觉等方面的研究。

中图分类号：TN 216

文献标志码:A