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[摘 要]空头烟支是烟支在生产运输过程中无法避免的问题，在烟支包装成小盒烟包前需要将空头烟支剔除，目前常用的方法是在小包模盒中进行检测剔除，但这会造成极大的浪费，有些厂家剔除在下烟库中对烟支检测，剔除空头烟支，主要分机械接触式和光电式两种，但这两种方式受环境影响大，效果不好，本文提出采用机器视觉的方式对下烟库中的空头烟支进行检测、剔除，取得较好的效果。
[关键词]空头烟支；机器视觉
中图分类号：TP101 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0234-01
引言
烟支空头问题是国内卷烟制造企业普遍存在的质量问题，如何检测和剔除空头烟支一直困扰着卷烟制造企业[1]。目前市面上已有检测方式包括：机械接触式检测和光电式检测[2]。这两种检测方式受环境影响大、稳定性差、检测效果并不理想。如何应用新的检测手段，高速准确的检测和剔除空头烟支是急需解决的难题。
空头烟支的准确检测和剔除不仅可以提高卷烟质量，避免空头烟支流入市场影响卷烟制造企业品牌形象，还可以降低盘纸、滤嘴、锡箔纸等材料的消耗，减少人工检测空头烟成本，提升卷烟生产效率，具有良好的经济和社会效益。
本文基于上述情况提出采用机器视觉检测的方式对下烟库中的烟支进行检测，检测出空头烟支后利用气阀进行剔除。这种方法检测准确率高，剔除稳定可靠，能够极大地提升卷烟质量，同时减少卷烟生产中的浪费[3]。
实施方案：
本文所述的检测装置采用电子内窥镜替换原机无烟探测器，对通过下烟库的每一支烟进行拍照并分析，当检测到空头烟和倒支烟时利用安装在检测盒下面的剔除气板进行吹气剔除，当检测到下烟库无烟时控制卷烟机停机。
本文所述的设备主要由检测盒、剔除气板、主控柜、触摸显示屏、编码器、电磁阀箱等组成。
检测盒安装时直接替换卷烟机原有的无烟探测器，它由数字内窥镜、LED光源、视频转接板和散热风扇组成。检测盒通过视频线和光源控制线与主控柜相连，其主要作用是实时采集通过下烟库的每支烟的图像并传送给主控柜。
剔除气板安装时直接替换无烟探测器下面的金属板，剔除气板上有与每个下烟通道对应的气孔，其主要作用是通气剔烟，并给检测盒提供安装支撑。
主控柜由工业计算机主板、电源、IO控制板、继電器和图像采集卡等组成，并安装有检测软件。主控柜的作用是接收检测盒传来的图像并进行计算，当检测到空头烟或倒支烟时控制相应的电磁阀进行剔除。另外，主控柜还对下烟库有无烟支进行分析判断，当发现无烟时控制卷烟机停机（保持原机的功能）。
触摸显示的主要作用是提供人机交互界面，通过显示屏可以设置检测参数以及浏览空头烟或倒支烟图像。
编码器安装在卷烟机的一个主轴上，该轴提供包装机下烟库推杆的动力，主轴转动一圈，推杆推动一次完成一盒烟，IO控制板采集编码器的相位信号并根据该信号控制拍照和剔除。
磁阀箱中由20路电磁阀组成，以实现每一个下烟道空头烟支的剔除。
整个设备的组成部分如下图所示：
整个装置的工作流程为：主轴转动带动编码器旋转，编码器旋转到固定的相位时触发相机拍照，同时将图像传送给主控柜，主控柜中的软件对图像进行处理，判断是否是空头烟支，如果是空头烟支就发送剔除信号，编码器转动到剔除相位时，剔除阀打开剔除空头烟支，空头烟支被剔除到废烟回收槽中。
要使系统稳定运行，每个部分不可缺少，本文着重研究了如何从拍摄的图像中判断是否是空头烟支，这主要涉及到图像检测算法的研究。
检测算法：
本文所涉及的图像检测算法主要可分为两步：第一步，从图像中准确提取出要检测的烟支范围；第二步，计算烟支末端烟丝的空陷深度以判断是否是空头烟支。具体的做法为：
（1）将采集的图像进行灰度化处理，在灰度图像中提取局部较小区域，减少计算时间；
（2）初步确定图像中烟支的圆心位置：采用canny算子确定烟支的边缘，通过检测出的边缘采用最小二乘的方法确定初步的圆心坐标A0；
（3）以模拟出的圆心A0为中心对图像进行旋转，将下烟库护栏旋转成竖直方向，将旋转后的图像向竖直方向投影，投影中灰度值变化最大的地方即为烟支上下边界，计算真实的圆心和半径，拟合出烟支外径的圆；
（4）确定烟支的烟丝与烟纸的分界点：在灰度图像中将拟合出的圆分成128等份，将各个区域旋转成水平方向，提取各部分的最亮点与最暗点，图像中烟纸与烟丝的分界线表现为亮区与暗区的差别；在明暗交界的区域内计算梯度，内圆取梯度最大值，外圆取梯度最小值；采用曲率的方法去除边缘的跳变点，从而精确定位内外圆的边界点；
（5）计算内外边缘的距离，判断是否是空头烟支。
整个软件的运行效果为：
运行效果：
本文所述设备采用机器视觉检测的方式对空头烟支进行检测，能有效检测出空头烟支，取得较好效果。
小结
本文介绍了一种采用机器视觉的方法检测烟支空头，该方法受环境影响因素小、图像信息丰富；检出率高，误剔率低；可检测反向烟支（倒装烟）；检测和剔除结果可追溯，可对缺陷烟支进行图像存底，方便分析统计。
参考文献
[1] 柯林.烟支空头检测单支剔除装置原理及经济效益分析 甘肃科技 2013年16期.
[2] 董斌.基于电容式传感器的烟支空头检测系统设计 西安电子科技大学硕士论文 2011.
[3] 卢凡.基于机器视觉的包装机空头烟支检测技术研究 轻工机械 2010年4月.
作者简介
谢惠斌（1967—），男，吉林延吉，本科，工程师，研究方向：烟机设备自动化检测与控制。
[关键词]空头烟支；机器视觉
中图分类号：TP101 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0234-01
引言
烟支空头问题是国内卷烟制造企业普遍存在的质量问题，如何检测和剔除空头烟支一直困扰着卷烟制造企业[1]。目前市面上已有检测方式包括：机械接触式检测和光电式检测[2]。这两种检测方式受环境影响大、稳定性差、检测效果并不理想。如何应用新的检测手段，高速准确的检测和剔除空头烟支是急需解决的难题。
空头烟支的准确检测和剔除不仅可以提高卷烟质量，避免空头烟支流入市场影响卷烟制造企业品牌形象，还可以降低盘纸、滤嘴、锡箔纸等材料的消耗，减少人工检测空头烟成本，提升卷烟生产效率，具有良好的经济和社会效益。
本文基于上述情况提出采用机器视觉检测的方式对下烟库中的烟支进行检测，检测出空头烟支后利用气阀进行剔除。这种方法检测准确率高，剔除稳定可靠，能够极大地提升卷烟质量，同时减少卷烟生产中的浪费[3]。
实施方案：
本文所述的检测装置采用电子内窥镜替换原机无烟探测器，对通过下烟库的每一支烟进行拍照并分析，当检测到空头烟和倒支烟时利用安装在检测盒下面的剔除气板进行吹气剔除，当检测到下烟库无烟时控制卷烟机停机。
本文所述的设备主要由检测盒、剔除气板、主控柜、触摸显示屏、编码器、电磁阀箱等组成。
检测盒安装时直接替换卷烟机原有的无烟探测器，它由数字内窥镜、LED光源、视频转接板和散热风扇组成。检测盒通过视频线和光源控制线与主控柜相连，其主要作用是实时采集通过下烟库的每支烟的图像并传送给主控柜。
剔除气板安装时直接替换无烟探测器下面的金属板，剔除气板上有与每个下烟通道对应的气孔，其主要作用是通气剔烟，并给检测盒提供安装支撑。
主控柜由工业计算机主板、电源、IO控制板、继電器和图像采集卡等组成，并安装有检测软件。主控柜的作用是接收检测盒传来的图像并进行计算，当检测到空头烟或倒支烟时控制相应的电磁阀进行剔除。另外，主控柜还对下烟库有无烟支进行分析判断，当发现无烟时控制卷烟机停机（保持原机的功能）。
触摸显示的主要作用是提供人机交互界面，通过显示屏可以设置检测参数以及浏览空头烟或倒支烟图像。
编码器安装在卷烟机的一个主轴上，该轴提供包装机下烟库推杆的动力，主轴转动一圈，推杆推动一次完成一盒烟，IO控制板采集编码器的相位信号并根据该信号控制拍照和剔除。
磁阀箱中由20路电磁阀组成，以实现每一个下烟道空头烟支的剔除。
整个设备的组成部分如下图所示：
整个装置的工作流程为：主轴转动带动编码器旋转，编码器旋转到固定的相位时触发相机拍照，同时将图像传送给主控柜，主控柜中的软件对图像进行处理，判断是否是空头烟支，如果是空头烟支就发送剔除信号，编码器转动到剔除相位时，剔除阀打开剔除空头烟支，空头烟支被剔除到废烟回收槽中。
要使系统稳定运行，每个部分不可缺少，本文着重研究了如何从拍摄的图像中判断是否是空头烟支，这主要涉及到图像检测算法的研究。
检测算法：
本文所涉及的图像检测算法主要可分为两步：第一步，从图像中准确提取出要检测的烟支范围；第二步，计算烟支末端烟丝的空陷深度以判断是否是空头烟支。具体的做法为：
（1）将采集的图像进行灰度化处理，在灰度图像中提取局部较小区域，减少计算时间；
（2）初步确定图像中烟支的圆心位置：采用canny算子确定烟支的边缘，通过检测出的边缘采用最小二乘的方法确定初步的圆心坐标A0；
（3）以模拟出的圆心A0为中心对图像进行旋转，将下烟库护栏旋转成竖直方向，将旋转后的图像向竖直方向投影，投影中灰度值变化最大的地方即为烟支上下边界，计算真实的圆心和半径，拟合出烟支外径的圆；
（4）确定烟支的烟丝与烟纸的分界点：在灰度图像中将拟合出的圆分成128等份，将各个区域旋转成水平方向，提取各部分的最亮点与最暗点，图像中烟纸与烟丝的分界线表现为亮区与暗区的差别；在明暗交界的区域内计算梯度，内圆取梯度最大值，外圆取梯度最小值；采用曲率的方法去除边缘的跳变点，从而精确定位内外圆的边界点；
（5）计算内外边缘的距离，判断是否是空头烟支。
整个软件的运行效果为：
运行效果：
本文所述设备采用机器视觉检测的方式对空头烟支进行检测，能有效检测出空头烟支，取得较好效果。
小结
本文介绍了一种采用机器视觉的方法检测烟支空头，该方法受环境影响因素小、图像信息丰富；检出率高，误剔率低；可检测反向烟支（倒装烟）；检测和剔除结果可追溯，可对缺陷烟支进行图像存底，方便分析统计。
参考文献
[1] 柯林.烟支空头检测单支剔除装置原理及经济效益分析 甘肃科技 2013年16期.
[2] 董斌.基于电容式传感器的烟支空头检测系统设计 西安电子科技大学硕士论文 2011.
[3] 卢凡.基于机器视觉的包装机空头烟支检测技术研究 轻工机械 2010年4月.
作者简介
谢惠斌（1967—），男，吉林延吉，本科，工程师，研究方向：烟机设备自动化检测与控制。