基于ImageJ的卷烟包灰值定量测定方法优化

冯亚婕FENG Ya-jie 王建民 - 梁 淼 穆 林 马胜楠 - 王怀煦 - 徐凌鹤 g-

(1. 郑州轻工业学院，河南 郑州 450000；2. 贵州中烟工业有限责任公司技术中心,贵州 贵阳 550009)

包灰性能是衡量卷烟品质、体现卷烟档次的重要指标。卷烟的包灰性能好，烟支燃烧后烟灰柱紧致美观，包灰性能差，则烟支在抽吸过程中掉灰严重，不仅污染环境还影响消费者的体验[1-3]。引起卷烟包灰性能差的因素有多种，其中最主要的是卷烟纸和烟丝燃烧速度的匹配性，如卷烟纸的燃烧速度大于烟丝的燃烧速度，导致烟丝来不及变成烟灰，包裹在烟丝外围的卷烟纸就无法向内凝结而散落[4-5]。

随着卷烟技术的不断发展以及消费者对高品质卷烟的追求，探索影响包灰性能因素和改善卷烟包灰性能受到研究者们的广泛关注。例如，邹中亮等[6]考察了卷烟纸定量、透气度对包灰效果的影响，表明卷烟纸定量达到一定值后出现卷烟纸与烟丝燃烧不匹配现象，卷烟纸定量不宜超过40 g/m2，此外，在卷烟纸透气度<90 CU时，提高透气度有利于包灰性能和燃烧速度的提高。

建立卷烟包灰性能的评价方法[7-8]是指导提升卷烟品质、改善包灰性能的基础。程占刚等[9]建立了从包灰松紧度、裂纹、灰分颜色多方面对卷烟包灰进行肉眼观察和语言描述评价的方法，该方法涵盖指标全面，但存在主观描述不准确的问题；建立定量评价卷烟包灰性能的方法可减少人为影响因素，王道宽等[10]采用数码相机拍照，利用ImageJ图像处理软件分析包灰灰柱裂纹比例，建立了基于包灰值的卷烟包灰性能定量分析方法，但方法中仅对卷烟灰柱搭口背面进行裂纹分析，不能全面反映整个灰柱的包灰状况，且相对标准偏差较大，方法稳健性有待提高。

本研究拟从卷烟燃烧面选择、燃烧灰柱高度确定及图像分析时适宜的灰柱宽度选取三方面对基于ImageJ软件[11]的卷烟包灰值测定方法进行优化，以建立全面准确地定量评价卷烟包灰性能的方法，并提高其重复性和可靠性。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器及设备

试验样品：市售的4种不同档次的卷烟，以下称为1#、2#、3#、4#；

卷烟包灰性能测试箱：自行设计并搭建的，结构示意图及实物图见图1；

恒温恒湿箱：KBF240型，德国Binder公司；

数码相机：佳能EOS70D型，佳能(中国)有限公司。

1. 箱体 2. 排烟装置 3. 箱体支座 4. 柔性导管 5. 烟支固定玻璃导管(长) 6. 拍照背景布 7. 包灰测试架 8. 卷烟

图1 卷烟包灰性能测试箱结构示意图及实物图

Figure 1 Structural diagram and physical map of burning cigarette ash integration test box

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案设计

(1) 单支卷烟单个燃烧面试验方案：参照文献[10]中测定卷烟包灰值的方法，选取15支进行包灰值测定，取其平均值作为测定结果。制作卷烟灰柱时，将烟支燃烧长度设定为距离接装纸1 cm处，并选取卷烟纸搭口背对相机的方向进行拍照；进行图片处理时，使用25 mm×15 mm的矩形框从距离烟支燃烧端5 mm处由上而下截取图片区域。

(2) 3支卷烟3个燃烧面试验方案：为考察不同燃烧面对测量结果的影响，取45支卷烟随机分成15组、每组3支；同组内的3支卷烟分别测定不同燃烧面(卷烟纸搭口面、卷烟纸搭口背面、卷烟纸搭口侧面，以下分别称为A、B、C面)的包灰值，取3个燃烧面的平均值为该组的测定结果，取15组的平均值作为最终测定结果。其他条件不变，卷烟3个不同燃烧面示意图见图2。

(3) 不同灰柱高度及图像选取区域宽度试验方案：为考察灰柱高度及图像选区区域宽度对测量结果的影响，在3支卷烟3个燃烧面试验方案基础上，制作灰柱时将卷烟燃烧高度分别设定为距离接装纸1.0，1.5，2.0 cm处；进行图像处理时，矩形选取框高度不变、宽度由15.00 mm缩小至6.46 mm(图3)，且从灰柱底部标记线处由下而上选取图片区域。

图2 燃烧面选择Figure 2 The selection of combustion surface

图3 不同区域选择Figure 3 Different area selection

1.2.2 测定步骤及方法

(1) 样品准备：试验开始前，试验样品在温度为(22±1) ℃，相对湿度(60±2)%的恒温恒湿箱中平衡48 h[12]；按照试验方案要求的灰柱高度在距离接装纸1.0，1.5，2.0 cm处划线作标记。

(2) 灰柱图片采集：点燃烟支并垂直放置于测试箱内的烟支架上，依照试验方案要求使相应燃烧面正对相机，待到烟支燃烧至标记线处时立即用数码相机拍照。试验过程中相机位置始终保持不变，相机参数设定为：感光度400，对焦500，光圈5.6，照明条件为白炽灯，曝光模式选择AV(光圈优先自动曝光)，单点伺服对焦。

(3) 图片处理：将采集的灰柱图片导入电脑，启动ImageJ软件。使用Open(打开)功能打开需处理的图片，使用Split Channels(分开色频)功能对灰柱图片分离三原色，并选择分离之后的Blue(蓝色)基色。使用Straight Line(直线选取)工具设置比例，根据试验方案要求截取灰柱图片并复制。使用Adjust Threshold(调节阈值)功能使区域内灰柱中的裂纹尽可能显色并应用，见图4(a)。运行Plugins(插件)功能打开已安装的Macros(宏)，并计算灰柱的黑白比例，其中Percent White(白色所占比例)即为包灰值[13]，见图4(b)。

图4 包灰值计算结果图Figure 4 Calculation of ash integration value

1.3 数据分析

采用Excel对所测数据进行平均值计算，并通过计算相对标准偏差说明试验重复性，进而采用Spss数据分析软件进行试验结果比对。

2 结果与分析

2.1 单支卷烟单个燃烧面试验

按照单支卷烟单个燃烧面试验方案测量4种不同卷烟的包灰值，结果见表1。1#～4#卷烟的包灰值分别为2.086，1.924，2.607，1.760；方差分析结果为极显著(P=0.004)，表明采用单支卷烟单个燃烧面的包灰值能够区分不同卷烟的包灰性能。各牌号卷烟包灰值测量结果的RSD为26.18%～34.52%，说明测量结果的重复性较差。

2.2 3支卷烟3个燃烧面试验

针对单支卷烟单个燃烧面的包灰值测定结果重复性差的问题，文献[10]提出了首先将5支卷烟的测量结果取平均值、然后利用10组的平均值计算RSD的解决方案。然而这种数据处理方法缺乏依据，烟支分组方式不同结果也会出现较大的出入，并且燃烧面均为搭口背面，不能从不同角度全面地反映卷烟整体包灰状况。为此，本研究提出了3支卷烟3个燃烧面为一组的优化方案。

表1 各牌号卷烟包灰值测定结果Table 1 The results of different brand cigarette ash integration value

4种牌号卷烟的3支卷烟3个燃烧面试验结果见表2。由表2可知，对同一牌号、不同燃烧面的包灰值测量结果进行对比发现，A面的包灰值普遍低于B、C面，表明不同卷烟燃烧面包灰状况不一，尤其是搭口面朝向会影响包灰值测量结果，因此，综合3个燃烧面的测量结果可以更全面地反映卷烟的包灰性能；1#～4#卷烟的包灰值分别为2.783，1.694，2.931，3.036，方差分析结果为极显著(P=0.000)，表明采用3支卷烟3个燃烧面测量结果的均值能够有效区分不同卷烟的包灰性能；测量结果的RSD为17.09%～23.70%，与单支卷烟单个燃烧面相比重复性明显改善。

表2 各品牌不同燃烧面包灰值测定结果Table 2 The results of cigarette ash integration value of each combustion surface

2.3 不同灰柱高度及图片选择区域宽度试验

实际测量过程中发现，由于存在不同程度的外翻灰片和灰柱弯曲现象，图像区域选择的位置和宽度对包灰值测量结果及其重复性有较大影响。

2.3.1 外翻灰片对测量结果的影响 不同卷烟产生外翻灰片的数量和程度不同，选择图像区域时如果将外翻灰片也包含进去，会导致以下不利影响：① 所选区域中包含外翻灰片之外的空白(无效)区域，且空白区域面积的大小与外翻灰片的数量和程度有关；② 外翻灰片与灰柱间的阴影会影响裂纹的识别。为此，将图像选取区域宽度由之前的15.00 mm缩小至6.46 mm(略小于灰柱主体直径)，以消除外翻灰片的影响。

2.3.2 灰柱弯曲对测量结果的影响 当灰柱达到一定高度时会发生不同程度的弯曲、且顶端弯曲更明显，使用缩小宽度后的矩形框选择图片区域时容易导致弯曲部分出框，并在选择区域内形成空白区域。另外，由于烟支“紧头”、初始燃烧状态不同等可能导致顶端包灰性能与其他部位存在差异。基于上述原因，将选择图片区域的方式改为从灰柱底部标记线处由下而上选取，同时选取不同的燃烧高度，以考察灰柱弯曲对灰柱高度的影响，结果见表3。

灰柱高度对同牌号卷烟平均包灰值的影响不大，但对RSD的影响较大，表现为随灰柱高度的增大，RSD呈降低的趋势。考虑到进一步增加灰柱高度时不仅会延长测量时间，灰柱出现断裂的频率也升高，因此，将拍照时机定在烟支燃烧至距离接装纸1.0 cm处；与表2所示测量结果相比，缩小图片选择区域宽度后包灰值测量结果明显升高，以标记线1 cm 时的测量结果为例，1#～4#样品的升幅分别为22.6%，128.6%，32.0%，82.5%；4个样品包灰值排列顺序也由原来的4#>3#>1#>2#变成了4#>2#>3#>1#。可见，缩小图片选择区域宽度、排除外翻灰片后包灰值测量结果发生了明显变化，这应当是与减少了图片选择区域内的空白区域的面积有关。

表3 不同灰柱高度小区域选取时包灰值测定结果Table 3 Determination of ash value with different height of ash column and selection of small area

3 结论

(1) 采用灰柱拍照、ImageJ图片分析技术定量测量卷烟包灰值时，由于卷烟纸搭口的原因，拍照方向对测量结果的影响较大；且以单支卷烟、单个燃烧面为单位测量结果的重复性也较差。为此，提出了3支卷烟、3个燃烧面为一组的改进方案，即以3支卷烟为1组，分别从正对搭口、背对搭口、侧对搭口3个方向对燃烧后的灰柱进行拍照、分析，并取3支卷烟测量结果的平均值作为一次测量结果。“3支3面”测量方案能够更全面地反映卷烟的整体包灰性能，并能明显改善测量结果的重复性。

(2) 拍照时的灰柱高度和分析时的图片选择区域宽度对包灰值测量结果及其重复性也有较大影响。在图片选择区域高度一定时，适当增加灰柱高度并以灰柱底部为起点选择图片区域，有利于避开顶部弯曲现象对测量结果的影响，提高重复性；将图片选择区域宽度限定在灰柱直径范围以内，则可以避免外翻灰片对测量结果的影响，进一步提高精准度。

(3) 与改进前相比，4个参试样品重复测量结果的RSD由26.18%～34.52%下降到15.3%～20.6%，改进效果较明显。

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