CN105738292A - 一种比色传感器阵列的手机成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光化学比色阵列传感器的手机成像方法。具体包括：图像的获取，图像上传感器单元及参考颜色单元各通道值的提取，以及利用参考颜色对传感器单元的各通道值进行校正。本方法首先利用手机对含有传感单元及参考颜色单元的传感器阵列进行取像，然后提取图像中的传感器单元和参考颜色单元并分解成红、绿、蓝三个颜色通道，利用获得的参考颜色单元的红、绿、蓝三个通道值对传感器单元的红、绿、蓝通道值进行校正从而获得传感单元的校准信号值。本发明通过简单的参考颜色单元的引入，快速有效的消除了利用手机成像过程中由于拍摄角度，拍摄光强及位置等因素引起的偏差。

Description

一种比色传感器阵列的手机成像方法

技术领域

本发明涉及成像领域，具体说是一种比色传感器阵列的成像方法。

背景技术

光化学比色阵列传感器是模仿哺乳动物嗅觉和味觉系统，利用多个传感器单元组成阵列，通过传感器阵列与分析物之间的交叉响应，来实现对多种物质及复杂混合物进行响应和检测，这一概念是2000年由美国伊利诺伊大学香槟分校的Suslick教授首次提出，并在接下来的10年里蓬勃发展，已经被应用于毒品检测、有毒气体监测、食品控制等诸多方面。光化学比色传感器阵列利用传感器单元的光学性质(吸收或发射)改变作为输出信号，实现对待分析物的检测。通常采用光谱或成像两种方式对光化学比色传感器阵列中所有传感单元的光学信号进行同时采集。光谱技术由于可以获得完整的光谱，包含信息量大而具有很大优势，但需要比较复杂的仪器设备，对每个传感单元数据的采集也需要一定时间。与光谱技术相比，成像技术具有在给定视野范围内能够检测多个传感器单元的优点，且成像技术比光谱技术简单，无需特殊的仪器，成像设备可以是数码照相机、平板扫描仪、手机摄像头等。

所谓图像是光线经过被摄物体的反射后再经过由镜头、传感器和图像信号处理器组成的基本成像系统的采样量化处理后所产生的。如果不考虑采样与量化，这个过程可以用以下公式简化：

$E_K(x^{*},y^{*})=\underset{\mathrm{\λ}}{\∫}e(x,y,z,\mathrm{\λ})s(x,y,z,\mathrm{\λ}){\mathrm{\ρ}}_K(x,y,z,\mathrm{\λ})\mathrm{d\λ}$

其中x，y，z为被摄物体的空间坐标，λ为可见光波长，e为入射光强度，s为被摄物体反射函数，ρ为成像系统传输函数，K为RGB三色。x^*，y^*为被摄物体空间坐标在成像面上的投影。可以看出，利用成像技术对传感单元的光学信号进行采集时容易受光强，成像设备与传感器之间的距离以及成像设备本身等因素影响而导致采集到的信号出现误差，辅助设备或具有特定光源的封闭检测室的引入成为消除这类干扰的主要方法。但是，由于辅助设备的引入使得利用成像设备进行数据采集的方法一般只能在实验室中完成，而具有特定光源的封闭检测室需要一定能耗，并且操作不便利，为光化学比色阵列传感器用于现场的快速检测带来了困难。智能手机作为目前大规模应用的一种工具，在成像方面具有操作便捷，成像迅速等优点，是应用于光化学比色阵列传感器快速成像的理想工具。然而，因采用手机现场成像易受光强、成像距离等因素的影响，导致手机成像方法获得的颜色与真实颜色偏差较大；不同型号手机所配置的摄像设备的性能差异导致成像结果差异较大，难以实现标准化，严重阻碍了手机便携成像设备在现场比色分析中的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种手机成像方法，通过引入黑色和白色两种参考颜色，利用校正公式，消除对光化学比色阵列传感器进行取像时产生的颜色偏差，从而达到利用比色传感阵列对待测物的现场快速检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

利用手机同时获取具有传感器单元和参考颜色单元的传感器阵列图像，然后通过具有取色功能的图像处理软件，获得传感器阵列中传感器单元和参考单元颜色对应的红、绿、蓝(RGB)三个通道值，利用校正公式对传感器单元颜色的RGB值进行校正，得到传感器阵列的真实颜色信息；

所述参考颜色单元由黑色单元和白色单元组成，且分布在传感器单元周围；

所述校正公式为

其中R_校正、G_校正、B_校正分别为校正后传感器单元的R、G、B通道的值，R_白、G_白、B_白分别为参考颜色单元中白色单元的R、G、B通道值，R_黑、G_黑、B_黑分别为参考颜色单元中黑色单元的R、G、B通道值，R_测量、G_测量、B_测量分别为传感器单元的R、G、B通道测量值。

所述手机为具有照相功能的任一型号手机。

所述传感器单元为待测颜色信息的单元，所述参考颜色单元为已知确定颜色的参考单元。

所述参考颜色单元为黑色和白色两种参考单元。

通过上述颜色校正方法可以对由手机成像设备本身，拍照环境(光的明暗)，拍摄角度以及与被摄物之间的距离因素产生的偏差进行校正，从而获得比色传感器阵列上各传感单元的真实颜色信息。

本发明具有如下优点:

本发明采用手机对比色传感阵列进行取像，并通过引入黑色和白色两种参考颜色来校正取像过程中由于拍摄角度，与被摄物之间的距离，光强以及成像设备等因素而产生的偏差，在用手机成像过程中无需任何辅助设施，从而为比色阵列传感器在现场快速检测中的应用提供了便利条件。

附图说明：

图1.传感器图像颜色校正方法流程示意图；

图2.同一被摄物在不同光照条件下利用不同取像设备获取的图像和校正后的图像；

图3.由9种不同颜色的指示剂构成的传感器阵列单元和参考图像单

元组成的传感器示意图；

图4.光化学比色传感阵列在不同光照条件下利用不同取像设备获取的图像校正后颜色值聚类分析图；

图5.光化学比色传感阵列在与手机的距离不同时的颜色值校正后的聚类分析图；

图6.光化学比色传感器阵列在与手机之间的角度不同的情况下图像的颜色值校正后的聚类分析图。

具体实施方案

实施例Ⅰ

称取一定量的品红，用乙醇将其溶解使得品红的浓度为4mg/mL作为指示剂，然后将指示剂20μL点在滤纸上，并在该滤纸尽量靠近品红的上下左右各点一个黑点，待晾干后将点有指示剂和参考颜色(黑点)的滤纸分别放置在室外太阳光下(图2，1-1，2-1)，室内开灯状态下(图2，1-2，2-2)和室内不开灯，且有遮挡的情况下(图3，1-3，2-3)分别用三星I9100(图2，1-1，1-2，1-3)和iphone4(图2，2-1，2-2，2-3)进行拍照(闪光灯关闭，明暗手机自动调节)，从图2(仅显示指示剂点，参照的黑点未显示)中可以看出由于光强度不同和所用取像设备的不同导致同一被摄物拍摄出的颜色明显不同。用photoshop对所获取图片上的指示剂单元和参考图像单元的RGB值进行提取(其中白色的值在四个黑点附近取)，将所得黑点和白点的RGB值取平均作为参考值，然后利用公式:

对图片上指示剂的颜色值进行校正。从图2中可以看出，在不同光照条件和取像设备下拍摄的图片校正后基本一致。说明该方法可以校正由光强以及取像设备等因素导致的颜色偏差。

实施例II

选取不同颜色的9种指示剂(图3，从左到右，从上到下依次为皂黄(1)，结晶紫(2)，孔雀石绿(3)，品红(4)，罗丹明B(5)，亚甲基蓝(6)，甲基红(7)，胭脂红(8)，中性红(9))用乙醇溶解，并点在滤纸上构建一个光化学比色阵列传感器，并在该阵列的上下左右分别点一个黑点作为参考颜色。将上述阵列传感器分别放置在室外太阳光下(a)，室内开灯状态下(b)和室内不开灯，且有遮挡的情况下(c)，分别用三星I9100(S)和iphone4(A)进行取像(闪光灯关闭，明暗手机自动调节)。用photoshop对所获取图片上的指示剂单元和参考图像单元(其中白色的值在四个黑点附近取)的RGB值进行提取，以提取的四个黑点和白点的平均值作为参考值，利用公式

对图片上每种指示剂的颜色值进行校正。对校正后的颜色值，利用数理统计的方法进行聚类分析(结果如图4)，通过聚类分析结果可以明显的看出不同取像设备和光照下获取的同一指示剂的颜色值校正后能很好的被归为一类，说明该方法可以在比色阵列传感器用于现场快速检测时进行信息采集分析。

实施例III

取与实施例II相同的光化学比色阵列传感器，并将其放置在室内不开灯状态下，在确保手机(三星I9100)与传感器平行的情况下分别拍摄手机与传感器距离分别为5cm，10cm，15cm，20cm时的图像，用photoshop对所获取图片上的指示剂单元和参考图像单元(其中白色的值在四个黑点附近取)的RGB值进行提取，以提取的四个黑点和白点的平均值作为参考值，利用公式:

对图片上每种指示剂的颜色值进行校正。对校正后的颜色值，利用数理统计的方法进行聚类分析(结果如图5)，通过聚类分析结果可以明显的看出即使改变传感器与手机之间的距离，通过校正后各传感单元的颜色值仍能很好的被归为一类，说明通过颜色校正法可以很好的消除由手机拍摄距离所引起的误差。

实施例IV

取与实施例II相同的光化学比色阵列传感器，并将其水平放置在室内不开灯状态下，在确保手机(三星I9100)摄像头与传感器距离不变的情况下，调整手机与传感器之间的角度，设定与传感器平时时为0℃，分别在手机与传感器之间的角度为0℃，30℃，-30℃，60℃，-60℃时用手机进行拍照，将所获得的图像用photoshop对所获取图片上的指示剂单元和参考图像单元(其中白色的值在四个黑点附近取)的RGB值进行提取，以提取的四个黑点和白点的平均值作为参考值，利用公式:

对图片上每种指示剂的颜色值进行校正。对校正后的颜色值，利用数理统计的方法进行聚类分析(结果如图6)，通过聚类分析结果可以明显的看出即使改变传感器与手机之间的夹角，通过校正后各传感单元的颜色值仍能很好的被归为一类，说明通过颜色校正法可以很好的消除由手机与传感器之间的拍摄角度所引起的误差。

本方法首先利用手机对含有传感单元及参考颜色单元的传感器阵列进行取像，然后提取图像中的传感器单元和参考颜色单元并分解成红、绿、蓝三个颜色通道，利用获得的参考颜色单元的红、绿、蓝三个通道值对传感器单元的红、绿、蓝通道值进行校正从而获得传感单元的校准信号值。本发明通过简单的参考颜色单元的引入，快速有效的消除了利用手机成像过程中由于拍摄角度，拍摄光强及位置等因素引起的偏差。

Claims (4)

1.一种比色传感器阵列的手机成像方法，其特征在于：利用手机同时获取具有传感器单元和参考颜色单元的传感器阵列图像，然后通过具有取色功能的图像处理软件，获得传感器阵列中传感器单元和参考单元颜色对应的红、绿、蓝(RGB)三个通道值，利用校正公式对传感器单元颜色的RGB值进行校正，得到传感器阵列中传感器单元的真实颜色信息；

所述参考颜色单元由黑色单元和白色单元组成，且分布在传感器单元周围；

所述校正公式为

其中R_校正、G_校正、B_校正分别为校正后传感器单元的R、G、B通道的值，R_白、G_白、B_白分别为参考颜色单元中白色单元的R、G、B通道值，R_黑、G_黑、B_黑分别为参考颜色单元中黑色单元的R、G、B通道值，R_测量、G_测量、B_测量分别为传感器单元的R、G、B通道测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述手机为具有照相功能的任一型号手机。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述传感器单元为待测颜色信息的单元，所述参考颜色单元为已知确定颜色的参考单元。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述参考颜色单元为黑色和白色两种参考单元。