多光谱成像在卷烟工序上的烟丝检测应用
作者：张磊磊
来源：《科学与财富》2018年第27期
摘要：本文简要介绍了多光谱的成像原理、基本结构、性能特点、使用技巧，并重点说明它在卷烟生产线的质量检测的应用前景、工作原理等
关键词：4CCD；多光谱成像；可见光成像；红外成像；X成像；烟丝检测
引言：
传统的卷烟设备，都采用风管从储丝房输送烟丝给卷烟机，随着细支烟的流行，卷烟工艺对烟丝的要求也越来越高，例如，烟丝的纯度、烟丝的杂物含量、梗签含量，这些都会严重影响卷烟的指标。
基于多光谱成像的检测模式，检测速度大大提升，将来可应用于烟丝精选生产的工艺环节。
1、多光谱成像的工作原理
1.1 CCD技术
电荷耦合器件（charge coupled device）英文简称CCD。
是美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯与1969年发明的。
它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。
它是具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗低、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存储和处理方面得到了广泛的应用。
CCD图像传感器能够实现图像信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容和丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真同学机器工业检测和自动控制系统。
其主要的参数有：
1.光谱灵敏度
CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。
量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。
不同工艺制成的CCD芯片，其量子效率不同。
灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效率高，光谱响应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱响应曲线上存在若干个峰和谷。
D的暗电流与噪声
CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。
CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在光电子形成之前将势阱填满热电子。
由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差别很大。
在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。
这种效应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非暗电流已使势阱中的电子达到饱和。
晶格点阵的缺陷产生不能收集光电子的死像素。
由于电荷在移出芯片的途中要穿过像素，一个死像素就会导致一整列中的全部或部分像素无效；过渡曝光会使过剩的光电子蔓延到相邻像素，导致图像扩散性模糊。
3.转移效率和转移损失率
电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。
像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。
引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。
采用“胖零”技术可减少这种损耗。
1.2 多光谱成像（RGB+IR+X）
所谓的多光谱，其特点在于一套设备上分布有一个或则多个CCD工业相机。
常用的4CCD感光芯片，采用棱镜分光技术，每一个感光芯片对红、绿、蓝、红外四个波段进行成像。
其中棱镜分光有别于相互交叉分布成像，棱镜分光成像的每一个pixel感应的光线是同一束光纤，不存在相机的相位差。
该CCD的频谱范围分布为400nm到1000nm的感应范围，可以有效的对烟叶和烟梗的多个波段进行成像。
X射线是一种电磁波，具有很强的穿透能力，甚至能够穿透一定厚度的钢板，因此常被用于对物体内部的透视成像。
自1895年被德国物理学家伦琴发现后，X射线首先被运用到医学成像与诊断上，在随后的一百多年当中，在医学、安全检查、无损检测、工业探伤等领域中均发挥了巨大作用。
X射线透视成像技术是违禁品检查领域最基本的、也是最早得到广泛应用的方法。
其中X射线的分布范围0～200nm波段，基于CCD上设计有闪烁体的结构，可以有效的把X射线的转换为电信号，从而完成图像的收集。
采用X射线透视成像可以有效的分辨烟丝、梗签，并提取出梗签的含量。
2 多光谱成像在卷烟工序上的烟丝检测应用
随着卷烟工艺的提高以及设备的生产速度越来越高，对烟丝的要求也提高到新的层次。
例如，在制丝环节很难控制烟丝中的杂物含量，现有的除杂设备运行效率、除杂效果都不是最好
的情况，同事生产过程中还好引入新的杂物，如果杂物进入卷烟设备，杂物就会跟着一起卷成成品烟支，影响品牌和口碑；随着细支烟的流程，烟支越细，如果出现一点梗签，会直接导致烟纸炸裂，吸阻指标达不到，带来很多废烟，浪费原材料；同时，生产速度的提高，烟支内部的梗签也要求更小，否则生产的成品率无法提高。
为了进一步提高烟丝的纯度，采用多光谱的图像式检测方式，可以有效提升设备的烟丝的纯度，更加有效的控制产品质量和生产的各项指标。
2.1 烟丝检测设备的构想
基于上述的行业背景，采用工业4CCD和X射线的成像检测手段是当下烟丝质量的一个潜在的突破点。
该4CCD成像单元，可以同时抓捕提取可见光波段和红外波段的图像，X射线成像具有透光特性，同时多波段布局有利于对烟丝和梗签的分离，便于后端的图像处理和分析。
检测的设备的设计布局，改造管道输送结构，物料经过图像成像窗口，上下布局由可见光光源和高亮度红外背光光源组成，采用多光谱4CCD相机对运动的烟叶和烟梗进行成像，同时提取可见光波段的图像和红外波段的图像。
采集到的多光谱图像后，进行分割、烟丝烟梗分类、尺寸测量、杂物识别模型的建立等一系列算法的处理，最后计识别出杂物、烟梗，并同步控制电磁阀动作，把杂物和超出规格尺寸的梗签及时剔除。
2.2 可行性实验
针对以上的设计构思，对烟丝和烟梗进行成像预演，其实验环境如下：
2.3 需要克服的问题
在整体布局方面，采用4CCD+X射线成像，涵盖的波段范围较宽，可以分别识别杂物和梗签，成像效果是最好的。
关键难点：
1、烟丝输送速度较快：由于颜色输送速度较快，图像采集的速度比快，因此图像的曝光时间较短，所需要的光源也越亮，光的散热会是一个大问题，需要独立的水冷散热。
2、物料存在拖影现象：对高速运动物体拍照，都会有一点拖影现象，曝光时间不能调的太小，对后期的图像处理是一个考验
在卷烟生产过程中，烟丝品级、水分、产地、环境温度参数等，对应烟丝和烟梗的颜色、密度产生不同的影响。
在识别杂物的过程中，需要根据不同的品牌制作相应的识别数据库，进而提高设备的检测准确率。
本应用方案的优势在于检测速度快，且可见光、红外波段、X射线的光谱范围涵盖了0.1nm～1000nm的全光谱范围。
另外，对于高端的多光谱4CCD和X成像技术，应用于烟丝量检测尚属首次，如果对检测后的控制体系设计得当，提升卷烟生产线的智能化程度。
参考文献：
[1]李果；许成；袁兴；朱云霞基于智能相机的残烟丝异物智能剔除系统的研究科技创新导报2016-08-03
[2]朱文魁；刘斌；毛伟俊；席建平；钟科军基于低能X射线透射成像的打叶片烟中烟梗在线检测烟草科技2015-02-15
作者介绍：张磊磊 1984年6月生籍贯：贵州遵义学历：本科研究方向：工业自动化。
