基於圖像分析的捲菸菸絲結構表徵方法與流程
2023-06-10 13:43:36 1
本發明屬於菸絲結構的表徵方法技術領域，具體涉及一種基於圖像分析的捲菸菸絲結構表徵方法。
背景技術：
菸絲結構是指不同長度區段菸絲佔總菸絲的質量百分比，是表徵整絲率、碎絲率的有效方式。不同的菸絲結構對捲菸端部落絲量有明顯影響，對穩定產品質量有良好的基礎作用。也就是說，菸絲結構差異不僅影響產品的物理質量、吸食品質，還可能影響卷接工藝。現行的菸絲結構測定方法是將樣品菸絲通過菸絲振動分選篩，使不同長度的菸絲實現分離，結果以各層或某層篩網上的累計質量佔總質量的比例來表示。有學者指出，該方法的不足之處在於：(1)從採樣到稱重多採用人工完成，勞動強度大，採樣周期長，並且受人為因素影響較多，評價的客觀性差；(2)數據只能用手工錄入，與菸草企業的現代化生產與管理不相適應；(3)由於檢測是抽樣進行，無實時性，若結果顯示不合格時，有很多的菸絲已經進入了下一步的生產線，影響煙支生產質量。申曉鋒等人則指出，這些表徵方法僅表明了離散的菸絲尺寸分布，無法準確描述不同區間內菸絲尺寸的連續分布及其變化情況，且無法描述菸絲結構分布的均勻性，而菸絲尺寸分布的均勻性同樣會對捲菸質量產生重要影響。除此以外，現行標準存在的問題還包括分析時間長，分析受到篩分頻率、篩分時間、篩分強度等影響較大，結構的呈現較為粗放，缺乏菸絲尺度連續化的精細表達，在線檢測難度較大等問題。有學者以菸草行業標準為基礎，改進了菸絲結構測定的設備，探索了在線監測的可能性，申請了專利，但是他們的研究都是以三或四個尺寸區段為基礎的，結果的呈現只能是3大區段，缺乏區段內菸絲結構精細化表述。有學者研究表明2.50～3.35mm菸絲比例大小對捲菸機的控制能力影響較大，而捲菸工藝規範中只對大於2.50mm菸絲即整絲率進行檢測與考核，顯得較為寬泛，所以，應該對菸絲結構進行精細化表徵。隨著品牌規模擴大，產品均質化生產成為企業關注的焦點之一。除了感官評吸和煙支規格等傳統手段驗證均質化程度以外，用煙支中的菸絲結構表徵作為一種判斷均質化程度及產品質量差異分析的方式，也是本領域技術人員值得研究的技術難題。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術的不足而提供一種基於圖像分析的捲菸菸絲結構表徵方法，該方法運用圖像分析手段打破了原行業標準中菸絲結構區段劃分的定式，簡單可行，結果呈現更加多樣化、能對菸絲結構進行精細化表徵，可潛在應用於均質化加工評價，具有更強的可讀性和可用性。
本發明採用如下技術方案：
基於圖像分析的捲菸菸絲結構表徵方法，包括如下步驟：
步驟一：選取數個不同牌號的成品捲菸作為樣品，按照標準GB/T 16447-1996調節樣品含水率，然後隨機抽取樣品，取出其菸絲作為測試對象；
步驟二：將菸絲小心攤開在畫有長度標尺的乾淨白紙上，選擇合適的光照度，用數位相機垂直拍照，用Image-Pro Plus軟體對數碼照片中的待測目標著色，選取AOI區進行測量操作，並以參考標尺像素為標準，將所有目標物像素換算成目標物長度，按照菸絲長度對獲取數據進行排列，獲取的各品牌菸絲長度信息，用數據處理軟體對各品牌捲菸菸絲長度進行進行描述性統計；
步驟三：對通過圖像處理獲取的測定結果進行排序，以序號為橫坐標，各序號對應的菸絲長度為縱坐標製圖，以某長度菸絲對應序號除以該菸絲的總序號數，得出在該尺寸以下菸絲的數量累計百分比，以菸絲長度為橫坐標，以該菸絲長度以下對應的數量累計百分比為縱坐標製圖；或以菸絲長度為橫坐標，以該長度以下所有菸絲的累計長度為縱坐標製圖，用各菸絲長度區段的累計長度除以總累計長度得到該區段菸絲的長度百分數，以菸絲長度為橫坐標，以該菸絲長度的累計長度百分數為縱坐標製圖；或用數據處理軟體對各牌號所有菸絲長度做頻數分布直方圖，並添加正態擬合曲線，得到各牌號捲菸菸絲結構。
更進一步地，步驟一中選取國內不同企業五個牌號的成品捲菸作為樣品，即1#，2#，3#，4#，5#，其中4#和5#均為一類煙。
更進一步地，步驟三中所述數據處理軟體為Origin、excel、spss或matlab軟體中的一種。
更進一步地，步驟三中所述數據處理軟體為Origin軟體。
本發明與現有技術相比，具有以下有益效果：
本發明運用圖像分析手段打破了原行業標準中菸絲結構區段劃分的定式，可以獲取樣品菸絲的群體和個體信息，並將其轉換為多樣的可視化形式呈現，有些適用於宏觀表徵，如頻數分布；有些適宜於微觀應用，如等效質量結構。這些呈現形式都較之行業標準方法獲得的結果具有更強的可讀性和可用性。本發明解決了當前行業規範與標準中出現的問題，但是目前尚未開發專用儀器設備和數據自動轉化軟體，在本申請的基礎上，若能結合在線採樣、自動成像和獲取圖像數據，並將結果自動呈現出不同可視化形式，則效果更佳。
附圖說明
圖1為各牌號捲菸菸絲數量結構圖；
圖2為各牌號捲菸菸絲累計長度與菸絲等效質量結構圖；
圖3為依據菸絲長度頻數分布建立的各牌號捲菸菸絲結構圖；
圖4為本申請的基於圖像分析的捲菸菸絲結構表徵方法的流程框圖。
具體實施方式
下面通過具體實施方式對本發明作進一步詳細說明，但本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用於說明本發明，而不應視為限定本發明的範圍。本發明使用Image-Pro Plus軟體對菸絲結構進行表徵，但不限於此軟體，與該軟體有相同或類似功能的軟體也可達到本發明的目的，也可納入本發明的保護範圍內。
實施例
如圖4所示，本申請的基於圖像分析的捲菸菸絲結構表徵方法包括如下步驟：
步驟一：選取國內不同企業5個牌號(規格)的成品捲菸，即樣品1#，2#，3#，4#，5#，其中4#和5#均為一類煙。測試前對樣品含水率按《菸草及菸草製品調節和測試的大氣環境》(GB/T 16447—1996)進行調節。然後隨機抽菸支，用刀片輕輕劃開，取出菸絲作為測試對象。
步驟二：用鑷子將菸絲小心攤開在畫有長度標尺的乾淨白紙上，選擇合適的光照度，用數位相機垂直拍照，用Image-Pro Plus6.0軟體對數碼照片中的待測目標著色，選取AOI區進行測量操作，對所獲照片中的樣品進行識別和計數，並以參考標尺像素為標準，將所有目標物像素換算成目標物長度，按照菸絲長度對獲取數據進行排列。獲取的各品牌菸絲長度信息，用Origin 8.0軟體進行統計，具體如下：圖像處理技術可以直接對品牌捲菸菸絲總數量進行計數，並可以對各個菸絲的長度自動進行逐個測量，本申請根據測量結果，對各品牌捲菸菸絲長短進行大小排列，並用Origin8.0軟體進行描述性統計，結果如表1所示。
表1各品牌菸絲長度描述性統計
數量上來說，4#品牌顯然具有最少的菸絲數量，而5#品牌菸絲數量最多，其餘牌號介於兩者之間。4#具有最大的平均長度，達到2.91mm，且最大長度、最小長度和中位數均大於其他牌號，說明其菸絲長度整體較大。3#品牌具有最大的菸絲累計長度。
如果用表1中的累計長度除以各自樣品的總質量，得出1#～5#各牌號菸絲的一組數據分別是4338.88，4579.40，4864.56，4524.23，4489.01，這一組數據可以被認為是各牌號菸絲平均線密度的倒數(1/ρL，這裡ρL表示菸絲平均線密度；Li表示第i根菸絲長度；M表示樣品菸絲的總質量；n為樣品菸絲總數)，其值越大則線密度越小，如果切絲寬度一致，這將意味著所用菸葉整體較薄或者結構疏鬆，反之，則意味著所用菸葉整體較厚或者結構緊密。如果將1/ρL作為特徵參數應用於生產或許會對配方菸葉的選用起到一定的指導作用。比較本發明所得的各牌號菸絲1/ρL的數值可以看出，1#和3#樣品中處於兩端位置，而4#、2#和5#品牌相對適中。事實上，4#和5#同屬一類捲菸牌號。
步驟三：對通過圖像處理獲取的測定進行排序，以序號為橫坐標，各序號對應菸絲長度為縱坐標作圖(圖1A)。從圖1可以看出，各樣品菸絲長度的範圍和對應的大致離散程度，其中10.0mm以上菸絲長度較為離散，在此尺寸以內則具有相對較好的連續性。根據某長度菸絲對應序號除以該菸絲的總序號數(即菸絲數量總數)，可以得出在此尺寸以下菸絲的數量累計百分比(圖1B)。需要說明的是，鑑於圖1A中超過16mm長度菸絲數量少，圖1B橫軸僅顯示了16mm以內的情況(圖2與此相同)。從圖1B中可以看出，7mm以上菸絲數量可能超過10％。申曉峰等人研究中6.7mm以上的葉絲質量佔到了25％，卷制後佔5％。綜合表1和圖1B，小於1.0mm菸絲數量最多，在30％左右，而其質量在16％以內。長度大於3.35mm的菸絲數量超過22％，質量則超過53％。這些數據顯示將長度超過3.35mm菸絲統一划為一個大的區段的做法是較為粗放的。另外，除4#樣品長度為2.50-3.35mm的菸絲的質量比例不是該樣品的最小值外，其餘樣品在這一區段無論質量還是數量其比例都是最小的。
或者用菸絲長度及該長度以下所有菸絲的累計長度關係作圖2A，如果用各菸絲長度區段的累計長度除以總累計長度所獲之比就等同於該區段菸絲的長度百分數，據此，得出各牌號捲菸菸絲長度與其累計長度百分數的關係如圖2B所示。理論上講，曲線的斜率與菸絲長度的離散程度相關。斜率越大，則其在該長度累積就越快，菸絲長度越集中，反之亦然。由此可較為直觀地看出4#樣品在6mm以內菸絲長度較為分散，而5#最為集中。假設同牌號菸絲ρL一致，則菸絲累計長度與菸絲質量呈正比。將圖2B中菸絲累計長度百分比等效於質量累計百分數即得到表2。
表2各等效質量段累計比例對應菸絲長度mm
從表2中可以看出，同等質量分數下，5#品牌菸絲長度更短，這預示著該牌號菸絲在長度較集中於短絲方向。而4#品牌菸絲在各累計百分數對應菸絲長度相對更長，說明其所有菸絲以中長菸絲為主。另外，從該組數據推斷佔菸絲總質量80％左右的菸絲其長度應該在1.0-10.0mm。對照圖2B在1.0-10.0mm區間菸絲數量佔總數量的比例在65％左右。所以，對這一區間菸絲的結構進行細緻分析對生產及產品質量有積極影響。
或者用Origin8.0軟體對各牌號所有菸絲長度做頻數分布直方圖，並添加正態擬合曲線得到圖3。顯然，1#，2#，5#樣品正態曲線的峰位置對應的菸絲長度，也即菸絲長度的均值較為接近且小於3#，4#菸絲長度均值最大。5#樣品峰最高說明其集中程度高，4#樣品峰最低表明其最為分散。所以，這種頻數分布能直觀表達菸絲長度的均勻性。
本發明中使用Origin 8.0軟體進行數據處理，也可以使用其他具有統計功能的軟體進行處理，如excel、spss、matlab等軟體。
對照例
菸草行業內現在採用的行業標準方法是配方菸絲結構的測定(YC/T 289-2009)。該方法要求隨機抽取成品捲菸五條，每條中隨機抽取100支捲菸，然後進行含水率調節。將調節好水分的煙支用刀片縱向剝開，去除菸絲，用鑷子輕輕撥散作為試樣。
稱取(30.0±0.5)g試樣，記為E，並將試樣放入檢測篩頂層篩網中央位置。固定篩網，啟動檢測篩，開始測試。檢測完畢後，取下篩網及無孔底盤，稱量每層篩網及無孔底盤上菸絲的質量，按篩網孔徑尺寸由大到小依此記為F1、F2、F3、F4、F5、F6和無孔底盤為F7，精確至0.01g，並清理篩網。
式中：Tn——n層篩網菸絲所佔比例，結果精確至0.01％
Fn——n層篩網上菸絲的質量，單位為克(g)
n——按孔徑尺寸由大到小的篩網及無孔底盤層數，n＝1，……，7.
根據上式計算結果，得出配方菸絲中不同尺寸段菸絲所佔比例，及配方菸絲結構。
按照上述行業標準測定的各牌號菸絲結構如表3所示：
表3參考菸草行業標準實測各牌號菸絲結構
由表3可以明顯看出，4#碎絲率最低，而長絲比例最大，1#和2#兩個品牌的長絲比例最低，但長絲均超過50％。申曉峰等人的研究中，3.35mm以上葉絲質量比例為54％，卷制後為31％。所以就長絲佔有較大比例這一情況來說，二者具有相似性。