烟用香料快速检测及异常单体预警系统的建立

刘博 李自娟 孙嘉 尹航

（1.张家口卷烟厂有限责任公司 河北省张家口市 075000 2.张家口经开区食品和市场监督管理局 河北省张家口市 075000）

卷烟加料不但能够提高卷烟的吸食品质，而且还在卷烟品牌风格特征形成中具有重要作用。卷烟加料可以调节烟气的酸碱度，改善吸味。 同时还可调整烟香并赋予品牌卷烟的产品风格特征。因此，卷烟糖料的质量稳定性直接影响卷烟产品的质量稳定性。现行业内主要通过仪器分析法检测料液配制是否准确，但是由于生产现场的局限性不能摆放精密仪器，所以急需一种适用于生产现场的检测方法，以加强料液配制过程的质量管理。

pH 值的测定有两种方法: 化学传感器法和人工比色目测法[1]。化学传感器法具有检测迅速/结果准确等特点，被广泛应用于科学研究实验，但是其成本较高不适合批量使用的企业。通常比色目测法是由肉眼对色彩进行比对识别，借助某种介质如 pH 试纸，对呈现色彩及与标准色库进行比对以判断出当前溶液 pH 值。但是这种方法也存在缺陷，如比对环境的光源差异、缺乏客观的评价标准等诸多因素的存在，其判断结果会产生主观意判或者误判，进而影响结果的使用与产品的判断结果。鉴于以上情况，若使用数字图像处理技术将能够克服人工视觉识别的不足，提高 pH 测定精度，这对实际的工业生产具有很大程度的现实意义。

数字图像处理技术是通过计算机对图像进行去除噪声、复原、增强、分割、提取特征等处理的方法和技术。其在医药、农业、工业等领域已经得到广泛的应用。农林部门通过遥感图像辨识植物生长状态，进行估产，监视病虫害发展及治理。水利部门通过遥感图像分析，获取水文信息，以判断灾害发生可能性。气象部门用以分析气象图，提高天气预报的准确程度。国防及测绘部门，使用航拍器获得地域地貌及地面设施等资料。机械部门使用图像处理技术，自动进行金相图分析识别。医疗部门采用各种数字图像技术及智能技术对各种疾病进行自动诊断。

配性模型（SMV）是一种通过预设结果与检测结果进行相似度分析的模型，该模型需针对每种牌号香料的每一单体异常情况建立一个结果数据库，当检测结果放入系统后，系统将数据带入每一个异常单体模型中进行匹配性分析。

1 材料与方法

1.1 试验材料和仪器

试验材料：pH 试纸，江苏泰州奥克滤纸厂，广泛试纸（测量范围1-14）

仪器：SNOY Exmor RS CMOS,日本索尼，1.12μm 像素间距

1.2 方法

1.2.1 影像目标区域的提取

在使用前的pH 试纸上以底边为起始在距底边1cm 处用铅笔轻画一条横线，此横线将pH 试纸分为浸入区及显色区两个部分，将pH 试纸的浸入区没入待测料液后取出，对pH 试纸使用CMOS 图像传感器记录试纸影像，在获取的图片上裁剪掉浸入区的部分，保留显色区。在显色区内取两个最适合的点，以其连线作为对角线，得到一个长为x 宽为y 的区域，作为目标区域。

1.2.2 图像平滑处理

中值滤波法[2]是一种非线性平滑技术，它将每一像素点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值。

将板内像素按照像素值的大小进行排序，生成单调上升(或下降)的为二维数据序列。二维中值滤波输出为g(x,y)=med{f(x-k,y-l), (k,l∈W)} ，其中，f(x,y)，g(x,y)分别为原始图像和处理后图像。W为二维模板，通常为3*3，5*5 区域，本文采用的是3*3 中值滤波器。

1.2.3 RGB 到HSV 转化

将相机采集的图片（RGB 格式）转化为包含色调、饱和度和明度三个参数的HSV 模型[3-5]。RGB 是一种通过对红、绿、蓝三个基本颜色变化，以及三色间相互叠加，得到其他颜色，但是此种色彩模式易受到亮度等因素的影响。因取样环境复杂多变，还需要符合人工视觉的特点，固本文使用HSV 色彩模型。HSV 色彩模型成倒锥形，由色调（H）、饱和度（S）、明度（V）三个参数构成，其空间结构图如图1 所示。

图1：HSV 色彩模型结构图

RGB 到HSV 模型转化是一个非线性的变换过程，转化过程如下所示：

表1：pH 试纸测试准确度统计

表2：各牌号标准料液H 值范围

1.2.4 匹配性模型数据库建立

模型采用相关性分析方法建立各单一牌号每种单体异常匹配模型。模型建立的方法是将各牌号标准溶液（20g）中添加单体溶液，每次只添加一种单体的一个添加量，单体添加量分别为1g、5g、10g，每个单体添加添加下检测5 次，将数据放入系统建立模型数据库。

2 试验结果与分析

2.1 pH值与H分量之间的关系

因HSV 色彩模型特点是每一个色彩对应唯一的H 值，且每一个pH 值对应着一种颜色，这为图像检测料液pH 值提供了依据。以pH 试纸提供的比色卡为基础，建立pH 值与其对应的H 值关系曲线，如图2 所示。

如图2 所示，pH 值和H 值成s 型曲线关系，以此曲线关系能够准确读取pH 值。

2.2 准确度测试结果

为了验证试验结果，本文采取电极法作为检验方法，检验结果准确度如表1 所示。

从表可以看出，经过长期的跟踪监测，数字图像检测方法的准确率达99.2%，检测方法有效且稳定，能够用于实际生产的检测。

2.3 建立牌号料液H值数据库

为了便于生产检验的需要，需建立H 值数据库，结果如表2 所示。

表2 为不同牌号对应的pH 试纸显色的H 值及其允差，使用时检测结果与数据库数据进行对比，结果在牌号标准范围内的则判定为料液配制合格，若不在牌号标准范围内的则判定为料液配制不合格。

2.4 异常料液判断

当系统判定料液异常后，将异常结果带入本牌号异常单体匹配模型，通过结果与数据库中异常标准数据的相关性分析，得到异常单体的匹配性结果，如图3 所示。

3 结果

采用数字图像处理技术提高了目视检测pH 试纸的精度，将pH试纸的显色区域的RGB 图片转换为HSV 图片，因为HSV 色彩模型中的H 值分量具有唯一性，与pH 值检测结果具有对应关系，通过与牌号料液pH 值数据库对比得到料液配制是否符合工艺要求，利用匹配模型对异常料液的异常单体添加情况给出判断结果，为现场处置提供依据。

图2：PH 值和H 值分量之间的关系曲线

图3