机器视觉与烟支缺陷自动检测技术的融合模式研究

张月华

摘 要：烟支缺陷自动检测技术设计与开发涉及机器视觉、图像处理、模式识别等研究课题。在烟支加工与生产过程中，由于多种客观原因使烟支成品中出现各种残次品，例如烟支缺失、烟丝空陷等。为保证香烟产品质量，必须加强烟支成品检测，避免残次品流入市场。文章基于烟支质量为研究导向，利用机器视觉展开系统规划，对烟支缺陷自动监测系统进行简述，说明此系统的应用特征，并详细表述出机器视觉与烟支缺陷自动检测技术融合系统的设计方案。

关键词：机器视觉;自动监测系统;烟支缺陷;图像数据

0    引言

烟支产品制备过程中，由卷接机传送至包装线的烟支会在各种因素的影响下出现残缺问题。为进一步规范烟支成品的质量，有必要在包装线上安装能够识别残次缺陷的检测装置，以判断筛除成品中的残次烟支。在烟草生产加工领域中，机器视觉技术的运用范围越来越广，其主要作用在烟支外包装的外观质量检测与制丝的异物检测过程中，而专门作用于烟支检测的视觉系统应用较为匮乏。考虑到机器视觉技术的不断完善与成熟，将其融入烟支自动检测也成为提高烟支成品质量的有效手段。

1    系统应用概述

通过机器视觉与烟支缺陷自动检测技术的融合，设计规划出一个能够对烟支进行空头检测的系统。该系统能够在检测出残次烟支的同时，将剔除信号传输至包装机组的控制系统中，由包装机组控制系统将装有残次烟支的烟包位置进行记录，并在到达剔除口出将其移除。本检测装置系统在增量式编码器的作用下，使装置与整个机组融为一体，每条香烟通过一次检测装置，增量式编码器便会运行一个周期，该系统可以通过编码器确定烟盒的确切位置，以确保在通过图像采集模块之前检测到每个烟盒。检测装置通过图像获取模块收集待检查烟盒的烟丝端面的图像，利用控制器的相关设施检测处理烟包图像数据，判断烟包内时候存有残次烟支，结合判断信息向包装机组的控制系统发出剔除信号，当包装单元的控制系统接收到剔除信号后，将会在相应的剔除口去除装有残次烟支的烟盒[1]。

2    机器视觉技术在烟支缺陷自动检测中的应用

2.1  智能剔除烟草异物

当前，我国烟草行业中，大部分烟草制造商会通过金属检测器来检测并去除烟支原料中的金属物体，而对于纸制品、塑料、石块、土块等物体，尚无有效的检测系统。因此，在机器视觉技术的支持下，设计开发出标准色库与典型异物库，基于异物滤色法，此系统的有效异物事变率达到90%以上。在智能烟草异物分类系统的研究中，引入了图像分割和图像预处理技术，以提高图像处理和异物识别的能力。测试结果表明，该系统对各种异物，特别是大尺寸异物的识别率和剔除率较高，可以达到95%以上，混合烟草的检测情况可以达到89.7%，误选率小于1%，都达到验收标准线。

2.2  用于打叶后片烟规格检测

打叶后片烟面积的尺寸决定烟丝质量，必须在加工过程中对烟丝进行精准高效的检测，方便及时调整技术参数，保证打叶质量。当前的测量方法是在打叶后手動取样、筛选、分类、称重并计算烟草切片在每个区域段中的比例。这种方法的实时性较差，不能及时调整在线生产参数。相关研究结果表明：在打叶复烤工序中，使用机器视觉技术收集到的打叶烟草的数字图像，并结合之后的打叶面积参数，为工序调整提供数据支持，保证打叶机的快速调整。与手动采样统计数据相比，此方法存在一些问题，如难以将单个卷曲的烟叶散开并将其视为无法完全进入成像区域的小片烟，从而导致测量误差问题，针对此问题，必须采取边界补偿和数据校正等措施来进行及时处理[2]。

2.3  在工业机器人中的应用

烟草业的大部分堆叠和拆卸工作都是通过机器人完成的。机器人利用电容、电感、光电等传感器信号来判断物体是否存在，从而执行相应的命令，机器人视觉系统在烟支生产加工环节中的应用，有效降低错误检测的概率，为进一步提高烟支检测环节的智能话应用提供了更大发展空间。此系统主要用于卷烟辅助材料配盘系统中，能够准确高效地完成目标盘纸的图像采集、处理、定位等工作，并对纸盘的偏移量进行计算，为精确抓取纸盘任务创造可视化指导，极大程度地推进当前烟草物流企业配盘的自动化与智能化发展进程。

3    机器视觉技术与烟支缺陷自动监测系统的融合设计

3.1  系统硬件设计

3.1.1  控制器

基于图像处理技术，控制系统能够收集到有关烟支的图像数据，并根据数据展开相应判断，结合判断结论向包装单元的控制系统传达相应的剔除信号。控制器的主要构成部件包括工控板、接口板以及彩色液晶屏。工控板的主要作用在于控制系统及上位机软件，系统采用COMEXPRESS模块。该模块是基于PCIExpress总线的高度集成的计算机模块，其安置位置处于客户自主设定的特殊应用载板中;接口板的作用在于扩大工控板范围，主要元件包括单片机、编码器、图像采集信息接口、驱动电路等。

作为人机交互界面，显示屏所具备的必要条件是：界面条理清晰、操作难度系数低、协调度高等。作为人机交互界面，显示屏的基本设计原理包括：界面清晰、一致、简单方便。为了满足上述条件，系统使用了12.1英寸彩色LCD屏幕，显示屏的分辨率为1024×768。用户可以通过屏幕查看系统操作的相关信息，也可以通过触摸屏设置系统的相关参数[3]。

3.1.2  图像采集模块

图像采集模块的主要作用是为了将图像传感器收集到的待检查烟包及烟丝端面的图像展开处理，并将处理完成的图像传输至控制器中。图像采集模块的主要构成部分包括：光源、光学镜头以及CMOS工业相机。针对此系统的光源规划，选取了白带LED光源。考虑到镜头质量在整体系统中的重要作用，必须保证光学镜头的合理选择与安装。

光学镜片在图像采集模块中的安装架构是：烟支与光学镜片之间必须保证角度的规范性，如果检测到烟支存在空头现象，图像传感器所拍摄传输的图像信息中烟丝区域会比正产烟支的烟丝区域小，且空头现象越严重，烟丝区域就越小。计算机结合每个烟丝所捕获的像素区域确定是否存在空头残缺，如果拍摄到的像素数值比标准数值低，则可以得出烟支空头的结论。以7.8 mm直径的烟支为例，此规格的烟支标准空头基准可调范围是0～5 mm，如果烟支的烟丝区域直径为5 mm，则当图像传感器占据所有白色香烟纸内表面时，光学透镜与香烟之间的角度為57.4°。在实际安装过程中，角度应小于57.4°，即当烟支的烟丝区域为5 mm时，图像传感器能够采集到的更小、更具体的烟丝分布情况，以此确保烟支空头基准检测的有效性。

3.2  软件总体方案

3.2.1  控制器上位机软件

控制器上位机软件主要功能在于：完成对图像及整体系统的处理与操控。在控制器接板口的USB接口与图像采集模块上建立通信，并将图像数据进行收集;在图像处理技术的引导下，对图像展开灰度、二值化、腐蚀、膨胀等方面的处理，并将图像轮廓进行绘制，基于轮廓面积，判断烟支是否属于空头残次烟支;如果当前烟盒中有空头缺陷烟支，则向接口板的MCU发送命令，通知其在指定阶段向包装单元的控制系统发送剔除信号;通过参考显示屏中提供的信息，对相关参数进行调整。

灰度化是将图像传感器拍摄的烟草端面的彩色图像转换为灰度图像。如果使用黑白图像传感器，则不需要在对图像进行灰度处理。二值化是为了将切好的烟草与卷烟纸的内表面区分开，烟丝切割像素的灰度值设置为255，香烟纸内表面像素的灰度值设置为0。

通过腐蚀和膨胀消除二值化图像中的部分噪点，以此提高烟丝区域的搜索速度;通过确定烟丝轮廓，绘制出精准度较高的烟丝区域轮廓线，确保后去相关区域像素值的计算。计算烟草切割轮廓区域的目的是计算由每个烟草切割区域的轮廓线包围的烟草切割区域中的像素数目[4]。

3.2.2  控制器接口板控制软件

控制器接口板控制软件主要负责执行控制器上位机软件的命令并在外围设备上执行相关操作。这些功能的展开顺序是：利用编码器的信号，对编码器当前相位进行读取与收集，之后将信息传输至控制器的上位机软件当中;在指定阶段控制图像采集模块进行图像采集;将剔除信号传输至包装单元控制系统。

4    结语

将机器视觉与烟支检测装置进行科学融合，有效提高烟支成品的最终质量。机器视觉技术的引入使触摸屏有效应用在烟支空头检测中，极大地改进员工的操作与参数调整。同时，在质量检测、控制、分选等工业生产过程中的进一步应用，节省了大量的人力和物力，提高了生产效率，使烟草企业的市场竞争力得到提升。

[参考文献]

[1]李捷，陆海华，王翔，等.基于机器视觉的烟支接装质量在线检测系统[J].烟草科技，2019（9）：109-114.

[2]杨钰煊.基于图像处理的烟支瑕疵检测方法的设计与实现[D].昆明：云南大学，2018.

[3]付航，李果，许成，等.基于智能相机的残烟丝异物智能剔除系统的研究[J].科技创新导报，2016（9）：8-10.

[4]胡龙.基于机器视觉的烟支缺陷自动检测技术研究[D].长沙：湖南大学，2016.

（编辑 姚 鑫）