基于变径圆的烟丝宽度图像检测方法

刘洪坤，邓国栋，李 斌，周 博，赵继俊，陈志浩，朱文魁

中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

烟丝是卷烟生产的核心材料，也是生成卷烟烟气的主要来源。烟丝宽度对烟支物理指标和化学性质都有一定的影响［1-2］。一方面随着烟丝宽度增加，烟支单支质量、总通风率及烟支物理指标稳定性有所降低，并且烟气中挥发性香味物质逐渐降低，烟气质变得粗糙，感官质量也有所降低［3-4］；另一方面，烟丝宽度的增加会导致燃烧锥体积减小，燃烧锥的低温区体积增加、高温区体积减小，因此通过调整切丝宽度搭配，能有效降低燃烧锥特征温度T0.5，降低CO释放量［5］。快速有效地检测烟丝宽度，对调整烟丝宽度搭配、兼顾卷烟品质和卷烟减害具有重要意义。ISO 20193—2012提供了一种投影法检测烟丝宽度的方法，该方法依靠人力寻找烟丝轮廓两侧的测量点，过程较为费时费力［6］。近些年，计算机视觉检测技术在烟草形态特征检测方面已有大量研究［7-8］，夏营威等［9］、Liu等［10］采用Hough变换检测烟丝宽度的方法，通过计算烟丝两侧切口位置的距离检测宽度，取得了良好的检测效果。赵维一等［11］、邸成良等［12］采用矩阵翻转法检测烟丝宽度，也取得了较好的实验效果。研究基于变径圆算法的烟丝宽度检测方法，通过检测烟丝轮廓内局部最大圆直径，并以最大变径圆直径作为烟丝的局部宽度，以实现更加灵活、准确的烟丝宽度检测，旨在为烟丝宽度检测提供一种客观、可靠的新方法。

1 材料与方法

1.1 检测装置

烟丝宽度检测装置包括工业相机（DFK 23GP031，德国The Imaging Source公司）、自制载物台、夹持装置以及计算机图像处理系统。为满足图像处理要求，采用张正友法标定工业相机，以消除畸变影响［13］。设置采集图像分辨率为2 560×1 920，工业相机镜头距离载物台垂直距离为400 mm。为获得良好拍摄效果，在黑色载物台两侧布置LED（6500K）光源，并采用封闭壳体遮罩检测装置以减少阴影及外界光源的影响。

1.2 烟丝样品

以6种未加香加料的烟丝（烟叶原料产地：攀枝花）作为取样对象，在GB/T 16447—2004规定的环境下取样和测量［14］，参照文献［9］中的样本容量计算方法，确定30根烟丝为一组。6种烟丝的宽度水平为0.4、0.8、1.0、1.2、1.6和2.2 mm。

1.3 实验方法

采用变径圆法检测8种已知宽度的标准线条图，检验变径圆算法的精确度。另外，6种烟丝样品在恒温恒湿环境下平衡到含水率（12.5±0.5）%，每种样品随机取样30根长度不小于10 mm的烟丝作为测试样品，采用ISO投影法［6］、变径圆法和Hough变换法分别测量6种烟丝样品的宽度，以30根烟丝样品宽度平均值作为该组样品的宽度测量结果，比较变径圆法检测烟丝宽度的精确性和准确性。

2 烟丝宽度检测方法及比较

2.1 烟丝宽度检测方法

2.1.1 图像分割

图1A为一张原始烟丝图片，采用最大类间方差法对原始烟丝图片进行图像分割。最大类间方差法计算简单，受图像亮度和对比度的影响较小，被认为是图像分割中阈值选取的最佳算法［15］。图1B为阈值处理并二值化后的图像，可以看出，轮廓边缘细节保留较好，说明该方法能够保证烟丝宽度检测的准确性与真实性。

图1 烟丝图像分割结果Fig.1 Segmentation result of tobacco strand image

2.1.2 图像预处理

为了更加准确地检测烟丝宽度，对采集后的烟丝图像进行形态学处理，包括开闭操作、降噪、填充、边缘检测等处理。完成图像预处理后，采用Zhang-Suen细化算法提取烟丝中心线［16］，图2为单根烟丝细化操作后的图像。

图2 单根烟丝细化图像Fig.2 A thinned imageof a singletobacco strand

2.1.3 变径圆法烟丝宽度测量

对于烟丝宽度检测，ISO方法［6］中推荐至少检测一根烟丝的5个有效宽度值作为烟丝宽度数据。本研究中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［16］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=1 px，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3、图4所示的烟丝图像。如图3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4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：

图3 变径圆法检测结果Fig.3 Measurement result of the method based on circles with different radii

图4 存在极端直径的检测结果Fig.4 Measurement result with extreme diameter

（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。

2.2 烟丝宽度检测方法比较

图5 A为ISO投影法所用的烟丝样品夹持器，夹持器上画有5条分布均匀的刻度线，烟丝垂直粘贴在夹持器上，通过光学方法放大烟丝图像，手动选择刻度线两侧测量点，红色线段长度即为实际烟丝宽度值（如宽度d1）。ISO投影法检测的原理是以夹持器水平刻度线为参考，测量垂直于刻度线处的烟丝宽度值。因此，宽度值在烟丝与刻度线垂直的情况下检测较为准确，倾斜粘贴时则会出现测量偏差（如宽度d2）。

图5B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寻找和匹配平行线段，以烟丝两侧平行线段间距离作为宽度值（如宽度d3）。由于可能存在切丝机工作状态不佳导致的切丝质量不稳定，如图5B所示，该工况下形成的不规则、不均匀烟丝，存在难以匹配到平行线段的状况，或者部分匹配到的平行线段距离（如宽度d4）与烟丝宽度偏差甚远，导致难以检测到准确的烟丝宽度。

图5C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d5），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的适用性更广。

图5 3种烟丝宽度检测方法示意图Fig.5 Schematic diagrams of three measurement methods to determine the width of tobacco strand

3 结果与讨论

3.1 准确性实验

3.1.1 标准线条图检验

采用Photoshop CS6软件绘制如图6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张宽度不同，长度和颜色都相同的标准线条图片。8张图片中，以像素数目统计的线条宽度分别为4、6、8、10、12、15、20和30 px，单像素实际宽度为0.06 mm。采用变径圆法测量绘制的线条宽度，检验测量算法的准确性。

图6 算法准确性检验测试图Fig.6 The diagram of algorithm accuracy test

测量结果如表1所示，测得的线条宽度与实际线条宽度基本一致，线性拟合的确定系数R2=0.998 91，斜率k=0.996 7。其中，4 px宽度的标准线条测试相对误差为5%，其他标准线条的测试误差大多在3%以内。这是由于在图像分辨率一定的条件下，通过边缘检测和二值化对目标区域分割的绝对误差是在一定范围内的，因此标准线条宽度值越小，则宽度检测结果的相对误差就越大。此外，通过提高相机分辨率和增加变径圆迭代次数可以进一步提高该方法的测量准确性。

表1 标准线条图测试结果Tab.1 Measurement results of standard strands’width

3.1.2 不同切丝宽度烟丝检验

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1#、2#、3#、4#、5#和6#样品，以30根烟丝宽度的平均值作为该组烟丝样品的宽度数据，分别采用ISO投影法、变径圆法和Hough变换法测量6组烟丝样品的宽度，测量结果见表2。

由表2可知，除1#样品外，变径圆法和ISO投影法的测量结果之间无显著性差异（P＞0.05），和Hough变换法测量结果之间存在一定差异。以ISO方法测量的结果作为参照，变径圆法测得的整组宽度均值更接近ISO投影法的结果。图7为ISO投影法和变径圆法测量30根3#烟丝样品的拟合结果，线性拟合斜率为0.99802，表明变径圆法测量值和ISO投影法测量值接近相等，T检验结果为两组宽度测量值在95%置信区间内存在显著相关。

表2 ISO投影法、变径圆法、Hough变换法测量烟丝宽度准确性对比实验结果①Tab.2 Comparativeexperimentresultsontheaccuracyof tobaccostrands’widthmeasuredbytheISOprojection method,themethodbasedoncircleswithdifferent radiiandtheHoughtransformmethod （mm）

图7 30根烟丝宽度测量结果对比Fig.7 Comparisononthewidthmeasurementresults of30tobaccostrands

由图8可知，变径圆法在最低宽度水平（1#样品）下测量结果有所偏高，出现误差一方面可能是由较低分辨率的相机引起，在较低分辨率情况下烟丝图像边缘处理的难度增大，精确度因此有所降低；另一方面可能是由变径圆迭代次数较少引起，迭代次数越多测量结果越精确，因此可通过增加迭代次数来提高检测结果的精确性。在其余宽度水平下，变径圆法测量结果与ISO投影法的测量结果更接近，二者的测量结果均高于Hough变换法。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。

图8 6种烟丝样品宽度测量结果对比Fig.8 Comparisononthewidthmeasurementresults of6tobaccostrandsamples

3.2 重复性实验

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见表3。由表3可知，6种烟丝样品宽度的RSD在0.3%~1.2%，r最大为0.021，符合计量学的重复性要求。

表3 烟丝宽度重复性实验测量结果Tab.3 Results of repeatability test of tobacco strands’width （mm）

3.3 检测时间对比

采用已知的6种烟丝样品进行实验，表4为3.1节对比实验所用时间。由表4可知，ISO投影法所用检测时间最长，测量每组烟丝样品平均用时37.000 min；Hough变换法所用检测时间最短，每组烟丝样品平均用时1.113min，变径圆法用时居中，每组烟丝样品平均用时2.534min，但已经大幅度低于ISO投影法所用时间，能够满足烟丝宽度离线检测需求。另外，ISO投影法与Hough变换法所用时间分布较为均匀，而变径圆法所用时间逐渐变长，结合表2所测得的6种烟丝样品宽度分析可知，由于变径圆法需要不断迭代增加半径，直至最大变径圆与烟丝轮廓相切，故在初始半径一定情况下，烟丝宽度越宽，算法迭代次数越多，用时也随之增加；而Hough变换法和ISO投影法检测时不进行迭代，所以检测时间不会随宽度增加而增加。

表4 ISO投影法、变径圆法、Hough变换法检测烟丝宽度所用时间对比结果Tab.4 Test time needed by the ISO projection method,the method based on circles with different radii and the Hough transform method for measuring tobacco strands’width （min）

4 结论

①提出了一种基于变径圆的烟丝宽度图像检测方法，实现了烟丝宽度的准确测量。与ISO投影法和Hough变换法的对比实验结果显示，ISO投影法和变径圆法测量的30根烟丝（3#样品）宽度结果在95%置信区间内存在显著相关，线性拟合斜率为0.998。②以6种烟丝样品为实验对象，变径圆法测量结果除较低宽度水平误差较大外，在正常宽度水平下相较于Hough法更接近ISO投影法的测量结果，并且变径圆法重复10次测量6种烟丝样品的RSD最大为1.2%，精密度好。③变径圆法测量6种烟丝样品平均用时2.5 min，远小于ISO投影法用时，检测效率更高。