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摘 要：为了研究烟草加工过程中滚筒内物料料幕的完整性，建立了一种图像分析的方法：通过适当的方法拍摄下滚筒内的物料料幕图像，使用Image-pro plus图像处理技术对图像处理、测量，比较固定截面内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例。对图像特征进行量化，从而对不同条件（物料流量、滚筒转速等）下料幕的完整性进行比较，确定了较优的工艺参数。
关键词：滚筒料幕；完整性；图像分析；烟草加工
中图分类号 TS452 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）08-0135-04
Abstract：A method of image analysis is established，in order to study the integrity of material curtain in the cylinder during the manufacturing process of tobacco. The image is processed and measured by the Image-pro plus image processing technique，and the ratio of the area of the exposed cylinder wall to the fixed image area in the fixed section，by the image of material in the cylinder using an appropriate method. The image features are quantified to compare the integrity of material curtain in different conditions（material flow，cylinder rotational speed，etc.），and the optimum process parameters are established.
Key words：Material curtain；Integrity；Image analysis；Tobacco processing
滚筒设备在卷烟制丝生产线应用较为广泛，包括松散滚筒、加料滚筒、烘丝滚筒、加香滚筒等。加料滚筒和加香滚筒设备的主要工作任务是将料（香）液均匀地施加在抛洒的烟叶（丝）上，最终达到提高卷烟的吸食品质，形成特有风格，满足吸烟者的要求的目的[1]。在加料（香）区域形成均匀、完整的料幕（瀑布面）是影响加料（香）工序在制品加工品质的关键因素之一。关于滚筒内物料的运动情况，许多学者对此进行研究，其中邓国栋[2]等对烟丝在滚筒烘丝机内的运动状态进行了分析，但多数只是停留在理论分析上，而对物料料幕方面的研究则很少。传统的观察筒内料幕的方法是在生产中通过滚筒出口端观察窗进行观察，但由于生产过程中筒内光线不足、蒸汽弥漫，无法看清滚筒内物料料幕情况。为深入研究滚筒内料幕的完整性，对料幕的完整性有真实的了解，首先需要建立对料幕完整性检测和评价的方法。本文主要对一定区域料幕的完整性的检测和评价方法进行论述，并通过实验验证其可行性，为实际生产作指导。
1 滚筒内料幕完整性图像分析的基本过程
对于滚筒内料幕完整性的图像分析的过程大致可以按照图1所示进行。
1.1 明确测量分析对象 为分析滚筒内料幕的完整性，主要针对加料喷嘴辐射区域的料幕，所以将“加料区域的料幕”作为测量分析的对象。
1.2 图像拍摄 在明确测量分析对象后，要使用适当的方法拍摄下这个对象：将高速、高清摄像设备固定在筒内制作的支架上，对在加料区域内且与滚筒轴向平行的料幕进行拍摄，并将拍摄到的影像进行截图，以图片形式进行保存。
1.3 确定图像图形 分析照片上的图像元素，确定能反映测量对象特征特性的图像图形：为了研究料幕的完整性，将“拍摄区域内露出的筒壁”作为能反映测量对象特性的图像图形。
1.4 使用Image-Pro Plus软件分析测量 在将“拍摄区域内露出的筒壁”作为能反映测量对象特性的图像图形后，使用专业的图像分析软件Image-Pro Plus对图片上的图像图形进行测量，得到相应的测量数据。Image-Pro Plus是功能强大的2D和3D图像处理、增强和分析软件，具有异常丰富的测量和定制功能。在分析料幕的完整性时，主要使用其中的COUNT/SIZE功能，测得“拍摄区域内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例α”数据，其测量过程大致可按照图2所示进行。
2 应用案例
2.1 材料与设备仪器 实验设备：德国虹霓公司KAS滚筒加料机；实验材料：经过松散回潮设备加工后的烟叶原料300kg；实验图像拍摄设备：SONY-高速、高清摄像机（自带摄影灯）；摄像机固定支架。
2.2 实验方法 （1）将加料机进行本地-单机操作，加料、加水、热风系统均关闭；（2）将带有支架的摄像机放在滚筒内离入口1m处准备料幕拍摄；（3）通过改变皮带秤频率，改变烟叶来料流量；（4）通过改变设备参数，改变滚筒转速；（5）调整各参数（表1），對拍摄影像进行保存。
表1 因素水平
[水平因素＼&滚筒转速（r）＼&工艺流量（kg/h）＼&1＼&12＼&4800＼&2＼&10＼&5200＼&3＼&8＼&5600＼&]
2.3 使用Image-Pro Plus软件分析测量
2.3.1 图像预处理 当滚筒转速为8r，工艺流量为4 800kg/h时，对物料料幕稳定后拍摄的影像进行截图，截图原图如图3（a）所示，然后对原图进行“best fit equalization”调节，调节后图像如如图3（b）所示。 2.3.2 选择测量项目 在count/size窗口的measure菜单项下点击select measurements，调出这个选择测量项目的窗口。左边列出了所有可供选择的测量项目，中间是已经选择的测量项目，为了测定“拍摄区域内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例α”，将“Per Area （obj./Total）”选为测量项，如图4（a）所示。
2.3.3 选择测量环境 在count/size窗口里点击options 按纽，调出这个options窗口，设置测量环境。将“outline style”选择为“Filled”；“Lable Style”选择为“Measurement”；“Lable Color”选择为“Blue”，如图4（b）所示。
2.3.4 选择测量区域 点击 select color按纽，用选择颜色范围的方法来选择测量区域，调出segmentation工具。其中Sensitivity数值调整选择颜色的范围大小，可根据需求选定，如图4（c）所示。选定测量区域后如图4（d）所示。
2.3.5 选择测量区域 选择好各项测量参数环境，使用segmentation作了选色后，点击count按钮进行测量。
2.3.6 提取测量数据 在count/size窗口的view菜单下选择“statistics”选项，调出测量数据，如图4（e）所示。通过查看图4（e）可见，测得拍摄区域内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例α=12.34%。
2.4 结果与分析
2.4.1 物料运动轨迹分析 通过图像处理的方式对滚筒内物料真实运动轨迹进行研究，研究结果如下：（1）当滚筒转速为8r时，物料在运动过程中，绝大多数物料在09：30方向以下（抛出角β约5°）贴滚筒壁做圆周运动，未显现出明显的抛物运动，有极少量的物料被提升到10：30的方向，示意图如图5所示。
（2）当滚筒转速为10r时，物料在运动过程中，物料主要分3个部分，第一部分绝大多数物料在09：30方向以下（抛出角β约10°）贴滚筒壁做圆周运动未显现出明显的抛物运动，第二部分物料被耙钉带到10：30方向向下抛洒，第三部分有极少量的物料被提升到11：00方向向下抛洒，示意图如图6所示。
（3）当滚筒转速为12r时，物料在运动过程中，物料主要分2部分，第一部分物料在9：45方向（抛出角β约15°）以下做圆周运动和抛物运动，第二部分是部分物料被耙钉提升从9：45方向到11：45向下抛洒，示意图如图7所示。
通过滚筒出料端对物料运动的观察和记录，找出工艺流量为5 200kg/h时，相应滚筒转速对应的物料抛出角β（表2）。
2.4.2 料幕完整性分析 使用Image-Pro Plus图像分析软件中的COUNT/SIZE功能，测量筒内物料运动过程中截面内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例，进行比较分析，得出评价结果见表3。
对表3数据运用minitab统计软件进行统计分析，结果见图8。
首先进行方差一致性检验（图9），可见，Levene检验中P值均大于0.05，即可确认各组方差齐，在此基础上进行双因素方差分析。
由表4可以看到：（1）滚筒转速（r）：P=0.001<0.05，即认为不同的滚筒转速时的拍摄截面内露出筒壁面积占固定图像面积的比例不一致，存在显著性差异。（2）工艺流量（kg/h）：P=0.131>0.05，即认为不同的工艺流量时的拍摄截面内露出筒壁面积占固定图像面积的比例大体一致，不存在显著性差异。
3 结论
本文运用Image-Pro Plus软件，将图像分析法运用在烟草行业，分析滚筒内料幕的完整性，得到如下的结论：
（1）通过建立的图像分析方法可对滚筒料幕完整性进行分析。
（2）使用本文讲述的分析方法，可将料幕的图像特征进行量化，相较人眼分辨，研究结果更科学、直观、具有更强的可比性。
（3）通过实证研究，滚筒的转速和工艺流量同时对物料在滚筒内的运动形态和轨迹有一定的影响，其中滚筒转速对物料的料幕完整性影響显著，当滚筒转速为12r时，物料料幕完整性相对较好，物料的运动轨迹有利于工艺加工性能的充分发挥。
参考文献
[1]章涛.卷烟配方设计、生产工艺技术与感官鉴定及质量控制检验实务全书[M].北京：中国科技文化出版社，2005.
[2]邓国栋，王宏生，李斌，等.滚筒烘丝机中烟丝运动的模拟与试验[J].烟草科技，2007，9：13-17.
（责编：张宏民）
关键词：滚筒料幕；完整性；图像分析；烟草加工
中图分类号 TS452 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）08-0135-04
Abstract：A method of image analysis is established，in order to study the integrity of material curtain in the cylinder during the manufacturing process of tobacco. The image is processed and measured by the Image-pro plus image processing technique，and the ratio of the area of the exposed cylinder wall to the fixed image area in the fixed section，by the image of material in the cylinder using an appropriate method. The image features are quantified to compare the integrity of material curtain in different conditions（material flow，cylinder rotational speed，etc.），and the optimum process parameters are established.
Key words：Material curtain；Integrity；Image analysis；Tobacco processing
滚筒设备在卷烟制丝生产线应用较为广泛，包括松散滚筒、加料滚筒、烘丝滚筒、加香滚筒等。加料滚筒和加香滚筒设备的主要工作任务是将料（香）液均匀地施加在抛洒的烟叶（丝）上，最终达到提高卷烟的吸食品质，形成特有风格，满足吸烟者的要求的目的[1]。在加料（香）区域形成均匀、完整的料幕（瀑布面）是影响加料（香）工序在制品加工品质的关键因素之一。关于滚筒内物料的运动情况，许多学者对此进行研究，其中邓国栋[2]等对烟丝在滚筒烘丝机内的运动状态进行了分析，但多数只是停留在理论分析上，而对物料料幕方面的研究则很少。传统的观察筒内料幕的方法是在生产中通过滚筒出口端观察窗进行观察，但由于生产过程中筒内光线不足、蒸汽弥漫，无法看清滚筒内物料料幕情况。为深入研究滚筒内料幕的完整性，对料幕的完整性有真实的了解，首先需要建立对料幕完整性检测和评价的方法。本文主要对一定区域料幕的完整性的检测和评价方法进行论述，并通过实验验证其可行性，为实际生产作指导。
1 滚筒内料幕完整性图像分析的基本过程
对于滚筒内料幕完整性的图像分析的过程大致可以按照图1所示进行。
1.1 明确测量分析对象 为分析滚筒内料幕的完整性，主要针对加料喷嘴辐射区域的料幕，所以将“加料区域的料幕”作为测量分析的对象。
1.2 图像拍摄 在明确测量分析对象后，要使用适当的方法拍摄下这个对象：将高速、高清摄像设备固定在筒内制作的支架上，对在加料区域内且与滚筒轴向平行的料幕进行拍摄，并将拍摄到的影像进行截图，以图片形式进行保存。
1.3 确定图像图形 分析照片上的图像元素，确定能反映测量对象特征特性的图像图形：为了研究料幕的完整性，将“拍摄区域内露出的筒壁”作为能反映测量对象特性的图像图形。
1.4 使用Image-Pro Plus软件分析测量 在将“拍摄区域内露出的筒壁”作为能反映测量对象特性的图像图形后，使用专业的图像分析软件Image-Pro Plus对图片上的图像图形进行测量，得到相应的测量数据。Image-Pro Plus是功能强大的2D和3D图像处理、增强和分析软件，具有异常丰富的测量和定制功能。在分析料幕的完整性时，主要使用其中的COUNT/SIZE功能，测得“拍摄区域内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例α”数据，其测量过程大致可按照图2所示进行。
2 应用案例
2.1 材料与设备仪器 实验设备：德国虹霓公司KAS滚筒加料机；实验材料：经过松散回潮设备加工后的烟叶原料300kg；实验图像拍摄设备：SONY-高速、高清摄像机（自带摄影灯）；摄像机固定支架。
2.2 实验方法 （1）将加料机进行本地-单机操作，加料、加水、热风系统均关闭；（2）将带有支架的摄像机放在滚筒内离入口1m处准备料幕拍摄；（3）通过改变皮带秤频率，改变烟叶来料流量；（4）通过改变设备参数，改变滚筒转速；（5）调整各参数（表1），對拍摄影像进行保存。
表1 因素水平
[水平因素＼&滚筒转速（r）＼&工艺流量（kg/h）＼&1＼&12＼&4800＼&2＼&10＼&5200＼&3＼&8＼&5600＼&]
2.3 使用Image-Pro Plus软件分析测量
2.3.1 图像预处理 当滚筒转速为8r，工艺流量为4 800kg/h时，对物料料幕稳定后拍摄的影像进行截图，截图原图如图3（a）所示，然后对原图进行“best fit equalization”调节，调节后图像如如图3（b）所示。 2.3.2 选择测量项目 在count/size窗口的measure菜单项下点击select measurements，调出这个选择测量项目的窗口。左边列出了所有可供选择的测量项目，中间是已经选择的测量项目，为了测定“拍摄区域内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例α”，将“Per Area （obj./Total）”选为测量项，如图4（a）所示。
2.3.3 选择测量环境 在count/size窗口里点击options 按纽，调出这个options窗口，设置测量环境。将“outline style”选择为“Filled”；“Lable Style”选择为“Measurement”；“Lable Color”选择为“Blue”，如图4（b）所示。
2.3.4 选择测量区域 点击 select color按纽，用选择颜色范围的方法来选择测量区域，调出segmentation工具。其中Sensitivity数值调整选择颜色的范围大小，可根据需求选定，如图4（c）所示。选定测量区域后如图4（d）所示。
2.3.5 选择测量区域 选择好各项测量参数环境，使用segmentation作了选色后，点击count按钮进行测量。
2.3.6 提取测量数据 在count/size窗口的view菜单下选择“statistics”选项，调出测量数据，如图4（e）所示。通过查看图4（e）可见，测得拍摄区域内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例α=12.34%。
2.4 结果与分析
2.4.1 物料运动轨迹分析 通过图像处理的方式对滚筒内物料真实运动轨迹进行研究，研究结果如下：（1）当滚筒转速为8r时，物料在运动过程中，绝大多数物料在09：30方向以下（抛出角β约5°）贴滚筒壁做圆周运动，未显现出明显的抛物运动，有极少量的物料被提升到10：30的方向，示意图如图5所示。
（2）当滚筒转速为10r时，物料在运动过程中，物料主要分3个部分，第一部分绝大多数物料在09：30方向以下（抛出角β约10°）贴滚筒壁做圆周运动未显现出明显的抛物运动，第二部分物料被耙钉带到10：30方向向下抛洒，第三部分有极少量的物料被提升到11：00方向向下抛洒，示意图如图6所示。
（3）当滚筒转速为12r时，物料在运动过程中，物料主要分2部分，第一部分物料在9：45方向（抛出角β约15°）以下做圆周运动和抛物运动，第二部分是部分物料被耙钉提升从9：45方向到11：45向下抛洒，示意图如图7所示。
通过滚筒出料端对物料运动的观察和记录，找出工艺流量为5 200kg/h时，相应滚筒转速对应的物料抛出角β（表2）。
2.4.2 料幕完整性分析 使用Image-Pro Plus图像分析软件中的COUNT/SIZE功能，测量筒内物料运动过程中截面内露出筒壁的面积占固定图像面积的比例，进行比较分析，得出评价结果见表3。
对表3数据运用minitab统计软件进行统计分析，结果见图8。
首先进行方差一致性检验（图9），可见，Levene检验中P值均大于0.05，即可确认各组方差齐，在此基础上进行双因素方差分析。
由表4可以看到：（1）滚筒转速（r）：P=0.001<0.05，即认为不同的滚筒转速时的拍摄截面内露出筒壁面积占固定图像面积的比例不一致，存在显著性差异。（2）工艺流量（kg/h）：P=0.131>0.05，即认为不同的工艺流量时的拍摄截面内露出筒壁面积占固定图像面积的比例大体一致，不存在显著性差异。
3 结论
本文运用Image-Pro Plus软件，将图像分析法运用在烟草行业，分析滚筒内料幕的完整性，得到如下的结论：
（1）通过建立的图像分析方法可对滚筒料幕完整性进行分析。
（2）使用本文讲述的分析方法，可将料幕的图像特征进行量化，相较人眼分辨，研究结果更科学、直观、具有更强的可比性。
（3）通过实证研究，滚筒的转速和工艺流量同时对物料在滚筒内的运动形态和轨迹有一定的影响，其中滚筒转速对物料的料幕完整性影響显著，当滚筒转速为12r时，物料料幕完整性相对较好，物料的运动轨迹有利于工艺加工性能的充分发挥。
参考文献
[1]章涛.卷烟配方设计、生产工艺技术与感官鉴定及质量控制检验实务全书[M].北京：中国科技文化出版社，2005.
[2]邓国栋，王宏生，李斌，等.滚筒烘丝机中烟丝运动的模拟与试验[J].烟草科技，2007，9：13-17.
（责编：张宏民）