初烤烟叶智能化分选级成像功能探索与分析

赵一君 黄宁 周建云

摘要：初烤烟叶分级是提升烟叶原料质量的关键步骤，本文以初烤烟叶为对象采取智能化分选级进行研究，简述了当前烟草行业智能化分级现状、智能化分级技术研究进展及存在的相关问题。通过对比总结，将烟叶智能化分级成像功能技术有关研究成果与我国烟草行业当前实际情况和背景相结合并通过合适的判别方法描述。同样着重分析了国内外光学成像的烟叶分级技术及所研制开发出的更精准高效的技术。

关键词：初烤烟叶;智能化分选级;成像功能

当前我国初烤烟叶分级收购以人工为主，通过眼观手摸的方式识别判断烟叶等级。在分选过程中因分级人员眼感的微差性，可能出现定级标准和稳定性存在差异;同时人工分拣效率相对偏低，难以实现快速准确的分级。人工分选时烟叶处于水平摆放状态，难以完全清除混杂的非烟杂;人工分级还可能增加人工直接接触原料而导致接触污染的风险，将造成产品质量的降低。研究并利用机械智能化分级替代传统的人工分级，能更好地体现分级评价指标的客观性和公正性，有利于稳定烟农队伍、更有利于烟叶行业长足发展[1]。

1  智能化分选级研究现状及存在的问题

为实现机械智能分级替代人工分级的目的，行业内外开展智能化分级成像技术方面的研究较多。目前，初烤烟叶智能化分级系统已初步实现了单叶自动分离、自动传输、对比成像及自动分仓等功能，并且某些研究已增加了新的光学成像技术等手段，以提高分选级的准确率。但相关研究仍存在机械硬件、自动传输、成像对比定级等方面的问题，同时初烤烟叶外观特征与内在品质的关联参数提取、数学模型搭建还有待进一步研究，主要表现以下几方面问题。

1.1  硬件系统

机械智能化装备主要有两种模式，一是通过水平传输方式，初烤烟叶始终附着于传输带上，采集图像或成像过程仅有烟叶单面信息，无法体现正反两面的完整信息采集点。二是通过水平转垂直传输方式，能将烟叶实现单片分离，采集图像时烟叶处于垂直悬挂状态，并完整的采集烟叶正反信息，但此模式在水平转垂直过程中，易出现掉烟现象，同时出现二次摊平不彻底，出现单片分离不彻底的问题。

1.2  成像系统

目前，成像系统主要通过建立各烟叶等级模型，通过不断的？？？训练，在分选级过程中，采集被分选烟叶图像，并与模型图像进行对比分析，进而自动判断和定级，以实现智能化分选级。但此方法将出现烟叶部位不易区分、定级准确率偏低的现象。需要不断完善样品建模和模拟训练，以提高准确率。

1.3  识别系统

分选级需对烟叶的脉络特征、色泽度、外观形状等特性进行综合判断，仅采用烟叶颜色深浅的图像对比无法识别和判断部位、等级，进而降低了识别率。可深入探索初烤烟叶外观的众多特征与内在品质参数的关联性，利用图像加光谱等手段，搭建数学模型，通过人工智能算法进行模拟训练，寻求突破口。

1.4  辅助工作人员

实现智能化分选级的过程，需辅助人员在前端进行上料，需要掌握一定的分级技能和经验，能初步判断是否有混青杂、混部位的现象。所上的待选烟叶部位纯度相对较高，为后端智能化分选级把好第一道关。

2  智能化分选级装备主要功能研究进展

目前，智能化分选级装备主要通过三大系统实现：

2.1  成像系统

四条光源、两个相机、一个光电传感器，一个同步盒、一台工控机等是组成成像系统的关键部分。成像系统简单来说就是进行图像采集并且将其转换为信号传输到计算机中然后进行相应的处理。这样对每片烟叶加强了保护，同时也可以对烟叶进行一个追踪，防止出现定位不准等问题。

2.2  软件算法系统

软件算法指的是针对不同的烟叶进行图像的处理，并且将烟叶的特征部分进行提取概括并利用相应的智能技术对烟叶进行判断，将得到的结果通过计算机反馈回来[2]。

2.3  机械系统

通常由自动摊薄系统、单片分离系统、传输系统、分仓系统构成。单片分离通常采用悬挂式的传输系统，将烟叶悬挂后进行一个高速的运输并分离。其优点在于可利用变频加速震荡，将悬挂的烟叶实现单片分离，使单片烟叶保持垂直状态，为成像环节打下基础。同时，悬挂式传输结构简单，传输速度更快。

3  烟叶智能化分选级成像功能技术研究

3.1  成像一致性的研究

通常所说的成像一致性主要指对同一目标获得的图像进行评价并将其差异标明，差异越小证明一致性越好。因此成像一致性的研究意义主要是能够提高烟叶智能化分级的准确率，能够将模型的适应能力增高，能够简化过程。

从研究上来说，如果同一工位不同的区域间成像一致性不够完善，会造成整体烟叶的离散增强，同类聚集欠缺，整体效果将会变差，出现的误差越大，使得最后的识别结果出现问题。因此，通过研究提高烟叶智能分级的准确度是非常关键的[3]。同样如果一台机器的成像一致性有欠缺，为了弥补问题就会设立两个工位，从而增加了整个处理流程的工作量，过程不够简洁，在实际的工作生产过程中成像一致性的指标越小越好，这就要求工作单位对指标和工作安排都要有准确规定。

3.2  吸风成像的方案研究

烟叶的运输方式主要是采用悬挂高速运输，这就会带来不同的问题。因此，需要用更好的圖像软件输出更高质量的计算结果。多腔体负压吸风盒技术，主要是由多个腔体组成，腔体下方有风管与负压风机相连，在上方有栅格盖板，吸风皮带上会有小孔。当开启负压风机时，高速旋转的皮带会提高运速，使得烟叶紧贴于上，保证了成像的清晰与平稳。该技术吸力大且结构简单，是一项值得研究与应用的技术。

3.3  扫描式图像采集设备研究

扫描式图像采集设备，主要包括了采集系统和控制分析系统。采集系统则主要由放置台、光学成像部分、光电转换部分和机械传输部分等组成。控制分析系统则主要由压力传感器、LCD显示屏以及图像处理程序等构成。本系统主要是利用扫描仪的工作原理，从而将图像转化为数字信号传送给计算机提高工作计算效率[4]。由于采用的是嵌入式系统的开发，仪器设备一体化，有利于随时搬动使用，并开发多项功能，通过LCD显示屏呈现出智能化分级的结果。

3.4  有关相机选型定制

为了能够将图像更好地表达对于相机也有要求。首先要求分辨率在0.3-0.5mm/像素，尺寸在600mm左右，2048是最后得到的横向分辨率。在此范围内可供选择的芯片种类也是相对较多的。机器运行速度通常在180m/min，至此可计算出扫描速度保持在10KHz即可，相机是图像成像系统的主要部分，因此选择适合的相机是至关重要的。

4  结语

综上所述，烟叶智能化分选级成像在整个烟叶分选级过程中非常重要，在选择时要结合实际情况，不断地总结比较，找出最适合此时发展的成像系统结构。使智能化分级的成果能够超越人工分级的效果，为烟叶行业的发展奠定坚实的技术基础。

参考文献：

[1]宾俊.广义灰色体系和无损分析技术在烟叶生产加工过程中的应用[D].湖南农业大学，2017：1-81.

[2]刘东来.基于机器视觉的烟叶自动分级方法[J].广东蚕业，2020，54（08）：64-66.

[3]陈朋.烟叶纹理表面的视觉检测技术研究与应用[D].贵州大学，2017：1-92.

[4]李海杰.基于机器视觉的烟草异物检测和烟叶分类分级方法研究[D].南京航空航天大学，2016：1-164.

资金来源：中国烟草总公司贵州省公司科技项目 散叶智能化分选级装备及技术的研究与开发（项目编号：2020XM01）