《烟丝长度、宽度、卷曲度的检测 图像法》编制

PAGEPAGE14《烟丝长度、宽度、卷曲度的检测图像法》行业标准编制说明1工作简况任务来源2021年国家烟草专卖局以国烟科[2021]55号文件下达了本标准的制订任务，项目合同编号为：2021B001。项目承担单位、协作单位及主要分工项目牵头承担单位中国烟草总公司郑州烟草研究院负责项目的牵头组织、方案设计、数据分析、标准编制和工业验证。项目承担单位中国烟草标准化研究中心为标准项目实施过程、标准文本编制等提供指导和建议。项目承担单位河南中烟工业有限责任公司、山东中烟工业有限责任公司、湖南中烟工业有限责任公司、四川中烟工业有限责任公司、安徽中烟工业有限责任公司协助项目技术方案的试验实施、数据采集、参与方法的制定及工业验证应用。主要工作过程（起草、试验验证、征求意见、送审、报批等环节及项目研讨会等内容）（1）2021年5月-2021年7月，查阅文献，搜集整理资料，形成项目技术方案和工作方案，召开项目启动会。（2）2021年8月-2021年12月，开展实验研究，研究测试原理，对原理进行分析考证；优化图像处理方法，并设计取样装置；对检测样品量、铺料条件、光源参数等测试条件进行研究优化，将样品预处理与图像检测单元集成、并进行调试；对检测系统和检测方法开展离线和在线验证，考察该方法在实际生产过程中的可操作性。（3）2022年1月-2022年8月，项目组按照项目实施方案进行了试验研究，并根据试验结果形成了《烟丝长度、宽度、卷曲度的检测图像法》（初稿），并将初稿发至中国烟草标准化研究中心和企业相关专家进行征求意见，同时按照初稿确定的测试方法选取郑州烟草研究院、河南中烟、山东中烟、湖南中烟、四川中烟、安徽中烟六家单位进行试验验证。（4）2022年9月-2022年12月，项目组对专家反馈意见和验证结果进行分析讨论，对初稿进行了修改完善，形成了《烟丝长度、宽度、卷曲度的检测图像法》（讨论稿），采用会议、咨询、邮件等多种形式与行业相关专家进行了交流沟通、研讨。（5）2023年1月-2023年4月，收集整理验证结果和项目组内意见，修改标准草稿并形成了《烟丝长度、宽度、卷曲度的检测图像法》（征求意见稿）、撰写试验报告以及编制说明等材料并提交征求意见材料。标准主要起草人及其所做的工作略相关领域的国、内外标准研究和制修订情况（1）ISO20193:2019/Amd1:2021烟草及烟草制品烟丝宽度测定国际标准化组织（ISO）于2003年开始研究烟丝宽度的测定方法，并于2012年发布了国际标准ISO20193:2012《烟草及烟草制品烟丝宽度的测定》。该标准方法是将20根烟丝作为一组试样粘贴在样品夹持器上，并使用放大镜刻度尺法/烟草数字投影仪进行测量（每根烟丝测量5个位置的烟丝宽度值），20根烟丝的100个测量点烟丝宽度测量值的均值作为该样品的烟丝宽度值。为了减少实验过程的测试次数，ISO于2019年修订并发布了ISO20193:2019，修订的主要内容是由原来20根样品每根烟丝测试次数由5次改为1次；样品长度由至少20mm改为至少10mm。鉴于ISO20193:2019仍存在样品制备操作较繁琐、测试耗时较长的问题，中国向国际标准化组织/烟草及烟草制品技术委员会（ISO/TC126）提出对ISO20193:2019进行修订，并提供了一种新的测试方法——基于图像处理的烟丝宽度测量方法，并于2021年发布了ISO20193:2019/Amd1:2021《烟草及烟草制品烟丝宽度测定》。（2）卷烟配方烟丝结构的测定:YC/T289-2009[S].2009.2009年，国内发布烟丝结构的测定方法标准YC/T289-2009《卷烟配方烟丝结构的测定》，利用不同孔径尺寸的多层筛网，将一定质量的配方烟丝按照尺寸差异进行分离，称量每层筛网及无孔底盘上的配方烟丝质量，计算其占所取样品的总质量的比例，得到配方烟丝的结构。3标准编制原则及主要内容确定的依据3.1标准适用范围本标准规定了烟丝（叶丝、梗丝、膨胀烟丝、薄片丝、配方烟丝等）长度、宽度、卷曲度的测定方法。本标准适用于烟丝长度、宽度、卷曲度的测定。3.2标准编制原则本标准的编制遵循了科学性、先进性、适用性和可操作性的原则。（1）科学、先进的原则本测定方法的建立原理是：通过人工或者机械辅助铺料方式离散烟丝物料，使用图像采集装置获得离散烟丝图像，通过相机标定方法和图像分析程序计算每根烟丝的长度、宽度、卷曲度，进而统计分析批次烟丝样品的长度、宽度、卷曲度分布特征。本方法建立过程中分别研究了图像采集系统参数设置和标定方法的确定、图像预处理方法的确定、样品取样量的确定、测试方法的正确度和精密度、烟丝的长度、宽度、卷曲度分布特征等，并与现有方法进行了比较，在此基础上建立了烟丝的长度、宽度、卷曲度的测定方法。与筛分法（YC/T289-2009）相比，本测定方法不仅能够准确得到烟丝的真实尺寸，而且可以得到烟丝长度尺寸的分布状况。与烟丝宽度测量的ISO方法相比，本测定方法操作劳动强度小，检测速度快，测试结果稳定性高。本测定方法首次提出通过烟丝卷曲度表征烟丝形状特征。综上所述,本标准《烟丝长度、宽度、卷曲度的检测图像法》的提出和确定具有很强的研究基础，保证了标准制定的科学性和先进性。（2）适用、可操作的原则通过项目研究，建立了烟丝长度、宽度、卷曲度测定方法，该测定方法主要由样品离散铺料和取样方法、图像采集和检测方法、形态指标提取与表征方法组成。分别完成取样、相机标定、图像采集、图像预处理、特征提取、数据分析等功能。利用该测定方法可实现烟丝长度、宽度、卷曲度的测定。通过对图像中烟丝像素的量化分析，经过阈值分割在图像颜色空间进行分割处理，提取出目标烟丝，通过细化算法提取烟丝长度特征，采用R-R粒度分布方程描述烟丝样品长度分布特征；通过霍夫变换法和变径圆法提取烟丝宽度特征；通过最小外接矩形法和长度信息提取烟丝卷曲度特征，在此基础上实现烟丝长度、宽度、卷曲度的表征。方法研究过程中，通过试验确定了最小测试样品量，分析了不同特征提取算法对测试结果的影响等，极大地提高了本标准测定方法的适用性和可操作性。在测试方法建立的基础上进行了测试验证，结果表明，该测试方法可以应用于制丝加工过程各取样点烟丝长度、宽度、卷曲度的测定，具有很好的适用性和很强的可操作性。3.3标准主要内容确定的依据本标准采用利用图像采集装置获得离散烟丝数字图像，通过对烟丝图像中所占像素进行量化分析，通过数字图像算法提取烟丝特征，从而计算出被测烟丝的长度、宽度和卷曲度，从而得到一定样品量的离散烟丝的分布状况。3.3.1图像采集系统标定及参数设置烟丝图像大小是以像素表示，烟丝尺寸单位为毫米，因此需要标定图像空间分辨率，采用每毫米真实烟丝在图像中所占的像素数量来计量图像空间分辨率，通过宽度尺寸分别为10.00mm、20.00mm、30.00mm、40.00mm、50.00mm的标准量块进行标定。将量块平行于镜头固定在拍摄区域，多次静态采集量块图像，在量块图像中测定的各量块宽度方向像素数作为量块宽度，线性拟合量块宽度像素与实际宽度的比值来标定单像素的尺寸。针对不同的CCD和COMS传感器拍摄设备，其采样清晰度有所区别。参照国际标准ISO20193—2015原则上图像分辨率不低于500万像素，图像采集区域大小应不小于100mm×150mm，应最低限度满足单像素所对应的实际长度小于0.05mm，即所要求的图像处理精度达到0.05mm。为突出烟丝这一待测物，选择5000～6500k的LED作为光源，且均匀平行覆盖样品放置区域。烟丝形态图像检测系统如图1所示：1、图像采集装置；2、光源；3、载样台；4、烟丝样品；5、图像处理系统。图1烟丝形态图像检测系统示意图3.3.2测试样品量的确定实际值参考国际标准ISO20193-2015中烟丝宽度检测样品量，设定宽度检测值样品量为30根。利用本项目测试方法，分别对1.25g、2.50g、5.00g、10.00g、20.00g、烟丝进行测试，获得不同样品量下特征长度的标偏和变异系数，确定保证测试结果精密度的最小样品量。实验表明，实验室样本量不低于100g时，四分法缩样后的20g测试样品量重复检测的相对偏差能够满足检测需求，所检测的烟丝长度、卷曲度结果均能较好地表征总体样本的长度、卷曲度情况。3.3.3图像预处理方法研究对采集到的烟丝原始图像进行形态学处理，首先进行滤波，滤除烟丝碎丝及粉粒等面积较小的图像区域，接着经开闭操作平滑烟丝轮廓，分离不完全与烟丝相连接的部分，从而提高识别质量最后进行图像分割、二值化处理获得后续处理的基础烟丝图像。为了分离背景和烟丝，选择基于拉普拉斯边缘信息改进的全局阈值处理进行分割烟丝与背景。二值化后的烟丝可能存在边缘锯齿，通过开闭运算进行平滑及分离粘连的部分。由于烟丝物料可能存在粒径较小的颗粒，通过设置面积阈值过滤掉面积较小的粉末和碎丝，从而降低尺寸极小的粉末碎丝对尺寸检测结果的影响。为了便于后续烟丝长度、宽度、卷曲度的特征提取，在完成图像预处理后，需要进行轮廓提取操作和中心线提取操作。轮廓提取操作是通过Canny边缘检测算子，检测每根烟丝的边缘，确定烟丝轮廓点集。中心线提取操作是通过细化处理方法，输出二值烟丝图像细化后的骨架。3.3.4烟丝宽度检测方法和表征烟丝宽度主要分布在0.6～1.2mm范围内，精度要求较高。本实验中主要研究了基于变径圆、霍夫变换的烟丝宽度检测方法，并与ISO投影法进行了原理比较。分别对6种宽度水平为0.4、0.8、1.0、1.2、1.6和2.2mm的未加香加料的烟丝（烟叶原料产地：攀枝花）随机取样30根，每30根作为一组实验样品，共6组实验进行分析。变径圆法测得的整组宽度均值更接近ISO投影法结果。在最低宽度水平（样品1）下，变径圆法测量结果有所偏高，而在其余宽度水平下，变径圆法测量结果与ISO投影法的测量结果接近程度较高，二者结果均高于霍夫变换法测量结果。整体来看，变径圆法测得的6组烟丝宽度数据相较于霍夫变换法更接近ISO投影法测量的宽度数据。通过比较三种烟丝宽度方法的标准偏差和变异系数发现，两种图像检测方法的标准偏差和变异系数均小于ISO投影法检测结果。3.3.5烟丝长度检测方法和表征烟丝长度检测采用细化算法，该算法通过设置多个判据来判断相邻8像素是否剥离，通过不断迭代删除到单像素为止，从而将条状的烟丝细化成仅保留单像素的中心线，通过计算细化后中心线的长度作为该烟丝的长度，依次遍历每一张烟丝图像下的每一根烟丝，从而完成烟丝长度检测。为考察烟丝长度分布规律，以成品丝样品20g通过图像检测方法的长度检测结果，对所有烟丝长度按2mm长度区间进行频数分布比较，发现其频数分布符合R-R（Rosin-Rammler-Bennet）分布。建立烟丝长度与长度累积上限百分比的关系，此时R-R粒度分布方程如下形式：（x——烟丝长度，毫米（mm）；F(x)——烟丝长度累积上限百分比，指长度等于或大于x的烟丝累积长度与烟丝样品总体累计长度的百分比；A、B——方程参数）F(x)，可由下式确定：（——样品中长度等于或大于x的所有烟丝长度之和，n为长度等于或大于x的烟丝数量；——样品的烟丝长度总和，N为样品总烟丝数量）。对F(x)~x关系进行拟合计算，可确定常数A、B。待测样本的特征长度值按下式计算：，式中特征长度x0.5为烟丝颗粒长度占比F(x)等于50%时，对应的烟丝长度。均匀性系数及任意长度区间烟丝比例计算为任意长度区间内烟丝比例：。3.3.6烟丝卷曲度检测方法和表征单根烟丝的卷曲度是最小外接矩形法以单根烟丝的实际长度与最小外接矩形长的比值。烟丝样品平均卷曲度是以所有烟丝卷曲度的算术平均值作为检测样品的卷曲度，计算如下：（Si——第i根烟丝卷曲度；m——烟丝数量，单位为根；——烟丝样品平均卷曲度）。烟丝样品卷曲度标准偏差与变异系数采用烟丝卷曲度的标准偏差与变异系数表征烟丝样品的卷曲度均匀性，计算如下， （SDs——烟丝卷曲度的标准偏差；RSDs——烟丝卷曲度的变异系数）。3.3.7测试方法准确度评价为了评价测试方法的准确度，采用已知大小的标准样片进行重复性测试。（1）宽度测试方法的正确度：测试采用与烟丝颜色更为接近的牛皮纸条（宽度参照值为2.05mm）作为测试对象，进行重复实验20次，实验的误差为0.004mm，与用光刻尺作为测试对象的误差（0.007mm）比较，测试结果较为接近，表明系统在测试不同的样品时，准确度也基本一致。（2）长度、卷曲度测试方法的正确度：为了评价长度、卷曲度测试原理的正确度，绘制了标准的直线型、L型、C型、S型四种不同形状的标准样品，对于不同形状标准样品的几何形状特征参数的测试与理论值的偏差及测试结果变异系数多在5%以内，表明测试系统准确度好，具有较高的正确度。（3）宽度测试方法的精密度：为了考察变径圆法的测试精度，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为，6种烟丝样品宽度的RSD在0.287%～1.149%中变化，重复性限r最大为0.021，符合计量学的重复性要求。为了考察霍夫变换算法的测试精度，实验测试样品共5种，宽度分别为0.4mm、0.9mm、1.0mm、1.6mm、3.0mm，每种样品重复测量20次，每次摆放的位置不同，实验结果在0.4～3.0mm测试范围（量程）内的重复性限为0.042～0.069mm，符合测量要求。（4）长度、卷曲度测试方法的精密度：为考察烟丝长度和卷曲度检测的重复性，实验以膨胀丝、配方烟丝和一次跑条丝为实验样品，在平衡水分后，按四分法均匀取平行样10份，在相同的操作条件下采用烟丝形态图像检测装置分别测定每份烟丝样品的长度和卷曲度大小。3个烟丝样品10次长度检测结果显示：3组烟丝样品的卷曲度10次重复性较好，RSD均在5%以内。10次实验长度累积分布曲线相似，表明10次实验测得烟丝样品的结构相一致。另外，10次重复性实验中长度均值最大RSD为0.065（配方烟丝样品），特征长度均值最大RSD为7.524%（配方烟丝样品），在8%以内。膨胀丝和一次跑条丝样品10次实验的长度均值、特征长度均值的RSD均在5%以内。3.3.8方法验证与应用为了对“烟丝长度、宽度、卷曲度的检测图像法”进行工业验证，在甲、乙、丙、丁、戊、己六家单位分别进行共同实验，对0.8mm叶丝、1.0mm叶丝、干燥叶丝、丝状梗丝、复切梗丝、薄片丝、膨胀叶丝等不同样品测试验证。验证结果表明，该方法能够准确评价烟丝长度、宽度、卷曲度的特征值和分布规律。3.4本标准与被修订标准在标准技术内容、水平方面的对比情况本标准是首次制订，不涉及与被修订标准的对比情况。4标准预期产生的社会、经济效益本标准采用图像法的原理能够准确地测定烟丝长度、宽度、卷曲度，建立了能够真实、准确的测定烟丝长度、宽度、卷曲度的方法并反映烟丝形态质量指标的特征值及其分布规律，对于提升卷烟工艺质量检测的数字化、系统化水平，准确评价制丝加工关键过程质量、稳定和控制卷烟质量有重要意义。5采用国际标准和国外先进标准的情况本标准参考国际标准《ISO20193:2019/Amd1