一种卷烟燃烧过程图像自动采集系统及分析方法与流程

1.本发明涉及图像处理技术领域，更具体地，涉及一种卷烟燃烧过程图像自动采集系统及分析方法。


背景技术：

2.在卷烟燃烧过程中，燃烧锥状态变化是判断卷烟燃烧稳定性的一个重要因素，特别是燃烧锥长度、燃烧锥在燃烧线附近的“塌陷直径”以及燃烧线附近卷烟“动态直径”，与卷烟燃烧“掉头”情况密切相关。因此，对卷烟燃烧过程中燃烧锥外观尺寸，以及“燃烧线”附近卷烟物理尺寸的快速、精确测定对卷烟燃烧稳定性分析十分必要。但是，目前对于以上物理参数的检测尚没有高效、准确的装置和方法，对于相关参数的判定多采用目测法，但目测法受主观影响较大，不能用于卷烟燃烧特性的定量分析。
3.现有的技术中，中国发明专利公开了一种基于机械手仿真人体卷烟抽吸全过程及全视觉测定表征卷烟燃烧碳线质量的方法，该方法将待检测卷烟烟支采用机械手夹持，置于夹持位置的烟支轴向方向与摄像系统的摄像头和打光系统的光源垂直；点燃待测卷烟烟支后，机械手开始按仿真人体的卷烟抽吸路径进行运动或静燃，摄像系统采集卷烟燃烧前图像并实时采集卷烟燃烧灰柱图像；卷烟燃烧至设定测试长度时，停止对卷烟燃烧灰柱图像的采集，之后对采集到的图像进行处理，根据得到的卷烟燃烧炭线宽度和卷烟燃烧炭线整齐度判断卷烟燃烧碳线质量。该发明虽然有图像采集的过程，但是只是分析了炭线宽度和卷烟燃烧炭线整齐度，对于研究稳定性需要的燃烧线附近的塌陷直径以及烟支在燃烧线附近动态直径等参数并未涉及。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有的卷烟燃烧稳定性的参数判定依靠目测的技术缺陷，提供了一种卷烟燃烧过程图像自动采集和分析方法。
5.为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
6.一种卷烟燃烧过程图像自动采集系统，包括自动吸烟模块、图像采集模块、上位机控制模块和图像处理模块；所述自动吸烟模块的输出端与所述上位机控制模块的输入端电性连接，所述上位机控制模块的输出端与所述图像采集模块的输入端电性连接；所述图像采集模块的输出端与所述图像处理模块的输入端无线连接；所述自动吸烟模块用于燃烧卷烟，所述图像采集模块用于实现卷烟燃烧过程中的图像自动采集，所述上位机控制模块用于控制图像采集模块并对采集到的图像数据进行传输和存储，图像处理模块用于计算燃烧线位置、燃烧锥长度，燃烧锥在燃烧线附近塌陷直径、烟支在燃烧线附近动态直径参数。
7.上述方案中，图像采集模块由上位机控制模块根据卷烟抽吸信号自动控制启停，可自动实现图像采集；图像处理模块自动检测并跟踪卷烟燃烧过程中燃烧线位置；图像处理模块自动测定燃烧锥直径、塌陷直径和燃烧过程中的卷烟动态直径；图像处理模块自动计算燃烧锥直径、塌陷直径和燃烧过程中的卷烟动态直径的均值、标准偏差、变异系数等统
计数据，根据以上统计数据判定卷烟燃烧稳定性。
8.优选的，所述自动吸烟模块包括取景室，所述图像采集模块采集取景室内的图像。
9.上述方案中，专门设置取景室，取景室为方形、黑色背景、两侧带有均匀光源，取景室上方开圆孔，利于烟气散失。有利于获得拍摄主体清晰、背景简单的图像，以便于后期图像处理工作。
10.优选的，所述自动吸烟模块的输出端与所述上位机控制模块的输入端通过压力传感器建立电性连接。
11.上述方案中，自动吸烟模块逐口抽吸量和抽吸频率可控，且可实现与上位机通信，将抽吸启动和停止信号实时发送给上位机控制模块。
12.一种卷烟燃烧过程图像分析方法，应用于所述的一种卷烟燃烧过程图像自动采集系统的图像处理模块，其特征在于，包括以下步骤：
13.s1：图像读取，并由rgb图像转化为灰度图像；
14.s2：对灰度图像进行滤波，消除灰度图像中孤立的噪声点；
15.s3：将灰度图像进行边缘检测，转化为二值化图像；
16.s4：对二值化图像进行“开运算”消除图像中面积过小的点，对二值化图像进行“闭运算”，将断开的点连接，得到烟支区域图像；
17.s5：标记图像中联通的区域,存入结构体area中，寻找area结构中，联通区域面积最大的区域，为烟支未燃烧部分图像；
18.s6：通过烟支区域图像减去烟支未燃烧部分图像得到燃烧锥长度；
19.s7：测定燃烧锥在燃烧线附近的“塌陷直径”和燃烧线附近卷烟的“动态直径”。
20.优选的，在步骤s2中，灰度图像看做是灰度在每一个像素点上的函数，即：
21.i＝f(x，y)
22.采用中值滤波法，选择3
×
3的滤波模板，即将每个输出像素3
×
3为邻域的像素灰度中值作为本像素点的灰度值，从而消除孤立的噪声点，即：
23.f(x，y)＝med[f(x-1，y-1)，f(x，y-1)，f(x-1，y-1)，f(x-1，y)，f(x，y)，f(x-1，y)，f(x-1，y-1)，f(x，y-1)，f(x-1，y-1)]。
[0024]
优选的，在步骤s3中，定义对角线方向的于x和y分别求偏导数：
[0025][0026][0027]
g(x)和g(y)表示在点(x,y)处两个对角线方向上灰度变化情况，则定义(x,y)点处的灰度梯度为：
[0028][0029]
对图像中每一个像素点通过上述公式求取灰度梯度，再设定某一限度l，当某一像素点灰度梯度大于l时，则认为此点为边缘点；设置此像素点灰度为1，否则设置此像素点灰度为0，此图像由灰度图像转化为二值化图像。
[0030]
优选的，在步骤s4中，在图像矩阵中，寻找x轴和y轴中像素灰度为“1”的点，并将其坐标分别存入行向量r和列向量c中。分别查找行向量r和列向量c中的最大值和最小值，得
到r
max
、r
min
、c
max
和c
min
。即烟支所在区域坐标；令
[0031]
i11＝i[r
max
：r
min
，c
max
：c
min
]
[0032]
即得到烟支所在区域图像。
[0033]
优选的，在步骤s5中，选择合适的阈值，将烟支所在区域图像二值化，然后标记图像中联通的区域，存入结构体area中：area[1，2，3
…
]，寻找area结构中，联通区域面积最大的区域：max(area)，该区域即为烟支中未燃烧的部分；上述区域中行列数均为最小的像素点所在的行rm，即认为是燃烧线。
[0034]
优选的，在步骤s6中，在步骤s4中求的烟支所在区域行最小值r
min
,与燃烧线所在的行rm的差值即为燃烧锥长度：brunlen＝r
m-r
min
。
[0035]
优选的，在步骤s7中，从燃烧线rm向上至r
m-30，计算每一行燃烧锥直径，求以上30个数中的最小值，如果有重复值，则选择最靠近燃烧线的行的直径，该直径即为“塌陷直径”：φ’＝narrow＝min[d
rm-1
,d
rm-2
,d
rm-3
…drm-30
]；
[0036]
从燃烧线rm向下至rm 30，计算每一行烟支直径，求以上30个数的均值，该均值即为燃烧线附近卷烟“动态直径”：φ＝diam＝mean[d
rm 1
,d
rm 2
,d
rm 3
…drm 30
]。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0038]
本发明提供的一种卷烟燃烧过程图像自动采集和分析方法，图像采集模块由上位机控制模块根据卷烟抽吸信号自动控制启停，可自动实现图像采集；图像处理模块自动检测并跟踪卷烟燃烧过程中燃烧线位置；图像处理模块自动测定燃烧锥直径、塌陷直径和燃烧过程中的卷烟动态直径；图像处理模块自动计算燃烧锥直径、塌陷直径和燃烧过程中的卷烟动态直径的均值、标准偏差、变异系数等统计数据，根据以上统计数据判定卷烟燃烧稳定性。
附图说明
[0039]
图1为本发明的系统模块图；
[0040]
图2为本发明的方法流程图；
[0041]
图3为本发明的图像边缘检测示意图；
[0042]
图4为本发明的图像中烟支所在区域提取示意图；
[0043]
图5为本发明的图像燃烧线位置检测示意图；
[0044]
图6为本发明的相关参数测定示意图；
[0045]
图7为本发明的装置结构示意图；
[0046]
图8为本发明的牌号a的塌陷直径参数示意图；
[0047]
图9为本发明的牌号b的塌陷直径参数示意图；
[0048]
图10为本发明的牌号a的动态比值参数示意图；
[0049]
图11为本发明的牌号b的动态比值参数示意图。
具体实施方式
[0050]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0051]
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
[0052]
实施例1
[0053]
如图1所示，一种卷烟燃烧过程图像自动采集系统，包括自动吸烟模块、图像采集模块、上位机控制模块和图像处理模块；所述自动吸烟模块的输出端与所述上位机控制模块的输入端电性连接，所述上位机控制模块的输出端与所述图像采集模块的输入端电性连接；所述图像采集模块的输出端与所述图像处理模块的输入端无线连接；所述自动吸烟模块用于燃烧卷烟，所述图像采集模块用于实现卷烟燃烧过程中的图像自动采集，所述上位机控制模块用于控制图像采集模块并对采集到的图像数据进行传输和存储，图像处理模块用于计算燃烧线位置、燃烧锥长度，燃烧锥在燃烧线附近塌陷直径、烟支在燃烧线附近动态直径参数。
[0054]
上述方案中，图像采集模块由上位机控制模块根据卷烟抽吸信号自动控制启停，可自动实现图像采集；图像处理模块自动检测并跟踪卷烟燃烧过程中燃烧线位置；图像处理模块自动测定燃烧锥直径、塌陷直径和燃烧过程中的卷烟动态直径；图像处理模块自动计算燃烧锥直径、塌陷直径和燃烧过程中的卷烟动态直径的均值、标准偏差、变异系数等统计数据，根据以上统计数据判定卷烟燃烧稳定性。
[0055]
优选的，所述自动吸烟模块包括取景室，所述图像采集模块采集取景室内的图像。
[0056]
上述方案中，专门设置取景室，取景室为方形、黑色背景、两侧带有均匀光源，取景室上方开圆孔，利于烟气散失。有利于获得拍摄主体清晰、背景简单的图像，以便于后期图像处理工作。
[0057]
优选的，所述自动吸烟模块的输出端与所述上位机控制模块的输入端通过压力传感器建立电性连接。
[0058]
上述方案中，自动吸烟模块逐口抽吸量和抽吸频率可控，且可实现与上位机通信，将抽吸启动和停止信号实时发送给上位机控制模块。
[0059]
实施例2
[0060]
如图2～图6所示，一种卷烟燃烧过程图像分析方法，应用于所述的一种卷烟燃烧过程图像自动采集系统的图像处理模块，其特征在于，包括以下步骤：
[0061]
s1：图像读取，并由rgb图像转化为灰度图像；
[0062]
s2：对灰度图像进行滤波，消除灰度图像中孤立的噪声点；
[0063]
s3：将灰度图像进行边缘检测，转化为二值化图像；
[0064]
s4：对二值化图像进行“开运算”消除图像中面积过小的点，对二值化图像进行“闭运算”，将断开的点连接，得到烟支区域图像；
[0065]
s5：标记图像中联通的区域，存入结构体area中，寻找area结构中，联通区域面积最大的区域，为烟支未燃烧部分图像；
[0066]
s6：通过烟支区域图像减去烟支未燃烧部分图像得到燃烧锥长度；
[0067]
s7：测定燃烧锥在燃烧线附近的“塌陷直径”和燃烧线附近卷烟的“动态直径”。
[0068]
优选的，在步骤s2中，灰度图像看做是灰度在每一个像素点上的函数，即：
[0069]
i＝f(x，y)
[0070]
采用中值滤波法，选择3
×
3的滤波模板，即将每个输出像素3
×
3为邻域的像素灰度中值作为本像素点的灰度值，从而消除孤立的噪声点，即：
[0071]
f(x，y)＝med[f(x-1，y-1)，f(x，y-1)，f(x-1，y-1)，f(x-1，y)，f(x，y)，f(x-1，y)，f(x-1,y-1)，f(x，y-l)，f(x-1，y-1)]。
[0072]
优选的，在步骤s3中，定义对角线方向的于x和y分别求偏导数：
[0073][0074][0075]
g(x)和g(y)表示在点(x，y)处两个对角线方向上灰度变化情况，则定义(x，y)点处的灰度梯度为：
[0076][0077]
对图像中每一个像素点通过上述公式求取灰度梯度，再设定某一限度l，当某一像素点灰度梯度大于l时，则认为此点为边缘点；设置此像素点灰度为1，否则设置此像素点灰度为0，此图像由灰度图像转化为二值化图像。
[0078]
优选的，在步骤s4中，在图像矩阵中，寻找x轴和y轴中像素灰度为“1”的点，并将其坐标分别存入行向量r和列向量c中。分别查找行向量r和列向量c中的最大值和最小值，得到r
max
、r
min
、c
max
和c
min
。即烟支所在区域坐标；令
[0079]
i11＝i[r
max
：r
min
，c
max
：c
min
]
[0080]
即得到烟支所在区域图像。
[0081]
优选的，在步骤s5中，选择合适的阈值，将烟支所在区域图像二值化，然后标记图像中联通的区域,存入结构体area中：area[1,2,3
…
]，寻找area结构中，联通区域面积最大的区域：max(area)，该区域即为烟支中未燃烧的部分；上述区域中行列数均为最小的像素点所在的行rm，即认为是燃烧线。
[0082]
优选的，在步骤s6中，在步骤s4中求的烟支所在区域行最小值r
min
,与燃烧线所在的行rm的差值即为燃烧锥长度：brunlen＝r
m-r
min
。
[0083]
优选的，在步骤s7中，从燃烧线rm向上至r
m-30，计算每一行燃烧锥直径，求以上30个数中的最小值，如果有重复值，则选择最靠近燃烧线的行的直径，该直径即为“塌陷直径”：φ’＝narrow＝min[d
rm-1
,d
rm-2
,d
rm-3
…drm-30
]；
[0084]
从燃烧线rm向下至rm 30，计算每一行烟支直径，求以上30个数的均值，该均值即为燃烧线附近卷烟“动态直径”：φ＝diam＝mean[d
rm 1
,d
rm 2
,d
rm 3
…drm 30
]。
[0085]
实施例3
[0086]
自动吸烟模块启动吸烟，逐口抽吸量设定为35ml，抽吸时间为2s,抽吸间隔为58s,设置在抽吸通道上的压力传感器检测到通道内压力变化，经信号线将抽吸信号送至上位机控制模块；上位机控制模块检测到抽吸信号后，通过数据线控制图像采集模块启动，图像采集频率为25帧/秒；图像采集装置启动后，上位机控制图像传输与存储，抽帧率与吸烟装置工作时间相匹配，抽吸时抽帧率为10帧/秒，抽吸间隔期间抽帧率为1帧/秒。图像采集模块与上位机控制模块采用usb3.0协议通信，以实现控制信号和图像数据的传输。图像处理模块对采集到的图像识别燃烧线位置、燃烧锥长度，燃烧锥在燃烧线附近塌陷直径、烟支在燃烧线附近动态直径等参数。根据以上图像处理过程求得的数据，分别相关数据均值、标准偏差、变异系数，根据以上统计数据判定卷烟燃烧稳定性。
[0087]
实施例4
[0088]
如图7所示，图中第1部分为取景室，取景室为边长为20cm的立方体，立方体包含6
个面，其中正面开放不封闭；取景室内部左右两侧各设置1个对称均匀光源1-2及1-3，取景室内部背面采用了黑色非镜面反射材质；取景室上面中心位置开一个直径为5cm的圆孔1-4。
[0089]
第2部分为逐口抽吸量和抽吸频率可控的自动吸烟装置主体2-4，烟支2-1及剑桥滤片2-3可置于固定装置2-2上，固定装置2-2置于取景室下面中心位置。
[0090]
第3部分为图像采集装置3，该装置焦距可调，帧率为25帧/s,分辨率为1920*1080。
[0091]
第2部分通过信号线5-1连接至上位机系统4，第3部分通过usb数据线5-2连接至上位机系统4。
[0092]
烟支点燃后，开启自动吸烟装置，自动吸烟装置通过信号线5-1向上位机发送启动信号；上位机4收到信号后，通过usb数据线向图像采集装置发送指令，图像采集装置启动并以25帧/s的频率开始拍摄直至收到停止指令；自动吸烟装置每次抽吸开始和结束时，分别发送信号给上位机，上位机根据收到的信号自动从图像采集装置中抽取图像，抽帧率为抽吸时10帧/s，静燃时1帧/s；抽取的图像通过usb数据线，按照usb3.0协议传输到上位机系统，并存放到指定地址；启动图像处理系统，自动读取图像、测定相关参数、并进行统计分析。
[0093]
上述装置的具体使用步骤如下：
[0094]
(1)将烟支及剑桥滤片置于固定装置中，打开光源；
[0095]
(2)将自动吸烟装置逐口抽吸量设为35ml，逐口间隔为58s；
[0096]
(3)将图像采集装置对准烟支，调节焦距直至图像清晰；
[0097]
(4)用点烟器点燃烟支，开启自动吸烟装置，自动吸烟装置向上位机发送启动信号；
[0098]
(5)上位机收到启动信号后，控制图像采集装置启动拍摄；
[0099]
(6)上位机按既定程序设定开始对图像进行抽取和存储；
[0100]
(7)启动图像处理系统，自动读取图像、测定相关参数、并进行统计分析。
[0101]
实施例5
[0102]
如图8～图11所示，由上述方法测试a、b两个牌号卷烟“塌陷直径”，每支抽吸口数为5，每口抽吸时间为2s，抽吸间隔期为58s，每个抽吸循环为1min。
[0103]
由图8和图9可以看出，牌号b卷烟的塌陷直径标准偏差和变异系数均大于牌号a卷烟，其燃烧稳定性略差与牌号a，
[0104]
由上述方法测试a、b两个牌号卷烟“塌陷直径”与卷烟燃烧过程中动态直径的比值，每支抽吸口数为5，每口抽吸时间为2s，抽吸间隔期为58s，每个抽吸循环为1min。
[0105]
由图10和图11可以看出，牌号b卷烟的塌陷直径与卷烟燃烧过程动态直径比值标准偏差和变异系数均大于牌号a卷烟，其燃烧稳定性略差与牌号a。
[0106]
塌陷直径是指在卷烟燃烧过程中，燃烧锥在距离燃烧线一定距离范围内的最小直径。
[0107]
动态直径是指在卷烟燃烧过程中，卷烟未燃烧部分在距离燃烧线一定距离范围内的平均直径。
[0108]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可
以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。