CN108051434B - 一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物检测领域，特别涉及一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，包括以下主要步骤：步骤S4，通过图像识别技术定位颜色反应区域和各个颜色组块所对应的信息，并将漫反射光信息转换为特定色彩空间下的颜色坐标；步骤S5，通过光学原理，将颜色反应区域和颜色组块漫反射信息、环境光照以及其他外部因素等效推算为一等效环境光照；步骤S7，计算颜色反应区域标准颜色；步骤S8，通过颜色反应区域标准颜色与待测液浓度的对应关系计算待测液浓度，输出结果。与现有技术相比，本发明的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法可进一步修正设备和环境因素造成的检测误差，提高检测精确度，降低成本，提高适用性。
Description
【技术领域】
本发明涉及生物检测领域，特别涉及一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法。
【背景技术】
各类化学物质在发生化学反应(包括络合反应、鳌合反应、氧化还原反应等)后经常会有变色情况发生，此时可称其发生了变色反应。变色反应的本质是化学试剂分子个体或个体聚集程度在反应前后发生变化(分子颗粒直径或分子间间隙发生变化)，使得其丧失或获得对于特定波长可见光的吸收或散射能力，在人肉眼中表现为色彩的变化。
化学试剂的反应变色能力经常被用于特定化学物质的表征或标识，依据变色程度与调配精度的差异，试剂反应前后颜色的变化可以定性地对特定化学物的存在性进行判断(如膜促性腺激素HCG测定用于验孕、酸碱指示剂用于酸碱性判定等)，半定量地对特定化学物的含量进行估计(如促黄体生成素LH、如促卵泡生成素FSH测定用于排列周期估计、PH试纸用于ph值测定等)，甚至定量地测定特定化学物含量。由于其结果观测的便捷性，基于可见光范围内变色反应的化学品测定在实际生活得到了更加广泛的应用。
在变色反应中，有一类反应是通过“鳌合染色”的原理来标识目标化合物的。其一般通过免疫反应使得待测物“染色”将其标记出来，并在除去染色剂后依靠残留颜色的浓淡程度来判断待测物含量。为了测定的准确性，需要保证待测液体与染色剂充分接触后分离，目前的定量测试方法主要有两种，可称为水洗法与层析法。
水洗法多用于实验室环境中(包括固相法与均相法)，其步骤一般包括对于反应基底(基底上可以是对待测液有效成分敏感的抗体或抗原)的“浸染-等待-褪液-冲洗”过程，在单次反应物不具备优良显色特性的情况下，某些实验中存在利用具备鲜明颜色竞争物或抗体物进行“上色”的“二次浸染-二次冲洗”步骤，最后的测得色彩浓淡程度即能与待测液体中目标化合物浓度成相应比例关系。
层析法在快速测定领域应用广泛，其必须依赖具备对待测液体具有层析效应的白色吸附性基底(一般为硝酸纤维)。在将一定浓度的待测液体滴加在基底上后，溶液通过层析作用向前移动,溶解固化在结合垫上的染色物并裹挟其一同移动；
当液体进一步移动到测试线处时，一种可能是已经与染色物结合的目标化合物会在此被固化在“测试线”上的某些化合物“捕获”(目标化合物为大分子时的双夹心法)，也可能是目标化合物需要与“测试线”上的同类物质“竞争性”的与染色物结合(竞争法)；
当液体携带反应剩余物继续移动到“控制线”处时，要么是残余的未与目标化合物结合的染色物被固化在“控制线”上的目标化合物同类物“捕获”(双夹心法)，要么是结合了目标化合物的标记物通过目标化合物与被固化在“控制线”上化合物联结(竞争法)；
不论何种原理，最后的“测试线”上的颜色浓度，或者说“测试线”与“控制线”上颜色浓淡的比值(或者说是对于特定波段可见光的吸收程度),与待测液体目标化合物浓度成相应对应关系。由于方法差异，两大类方法对于颜色变化的测试方法也有差异：水洗法中既可以利用透射法和光谱分析仪来测定反应基底吸收光谱的变化，又可利用反射法在白色背景下测定反应基底的颜色变化程度；层析法一般直接利用反射法和光敏元件检测反应区域对于特定波长光线的吸收程度。
相对而言，水洗法方便排除背景噪声(未反应染色剂)但操纵步骤较为复杂，而层析法的测定过程更加便捷，其商用化产品也得到更加普遍的接受。
由于光源照射强度、外界温度、环境湿度和设备特异性等因素都可能影响到光电感应设备所检测到的特定波段范围光亮强度，故在真实检测时并不直接以“测试线”或“控制线”上测得的光强度推算目标化合物浓度，而是以“测试线”与“控制线”上测得的光强比例作为浓度的推算依据，此时可认为位于同一试剂条上的“控制线”和“测试线”在短时间(5秒)内所处的测量环境是一致的。
在层析试纸的染色反应中，与目标化合物结合的染色物被留在了“测试线”，而剩余未与目标化合物结合的大量染色物则未能停留，被裹带并停留在了“控制线”上，并使得其范围内达到该种染色物饱和溶液所能具有的“最浓颜色”(即对特定波段光照具有最大“吸光度”)，在不考虑试剂条其他位置的微量残留时，可认为目标化合物溶度＝A*“测量线”吸光度/(“测量线”吸光度+“控制线”吸光度)，其中A为与标记物含量相关的液体体积相关系数。
一般情况下，目标化合物浓度相同的不同体积待测液体滴加在相同试剂条上时，只要不超过测量范围，“测量线”吸光度与“控制线”吸光度的比值保持一致，“测量线”吸光度与“控制线”吸光度的和值与待测液体积线性相关。
因此，“双线式”的试剂条需要观测两个敏感带的吸光程度才能得到所需目标化合物浓度，而为了得以准确的测得所需的吸光情况，存在有多种成熟的测量方式与手段，其现行的通用方法是：利用步进电机或减速电机驱动“特定波长光源-感应组块”与试剂条间的相对运动，以开环方式驱动步进电机在每运行相同的指定步数(或减速电机匀速运行相同时间)后停顿，以便模数转换模块对光电器件的响应输出采样，并最终得到一份“吸光程度-移动步数”(或“吸光程度-移动时间”)关系列表，而列表中的通过拟合法获得的“吸光程度”局部极大值或者“吸光程度”曲线围出的“鼓包”面积即可作为前文提到的“测量线”吸光度与“控制线”吸光度参考值。
在某些应用场合，为避免减速电机的多次启动停止以及由此带来的距离输出误差，减速电机会以较慢速度匀速行进取代间隔停顿运动，此时一次相对运动同样可检测到一份“吸光程度-移动时间”。
颜色是物体在特定照射光下吸收光谱/反射光谱的表征，当获取条件恰当时(照射光光谱涵盖物体吸收光谱/反射光谱的至少一个主要吸收峰、照射光条件不变、视觉传感器在测试时间段内的物理特性不变)，用传感器探取到的物体颜色变化即对应于其吸收光谱/反射光谱的变化。基于这一原理，即可以通过图像处理和颜色识别技术完成层析试剂条的待测物浓度定量测试，其基本方法为：利用图像处理技术确定反应区域(即变色区域)，之后利用颜色识别技术在特定坐标系中将反应区域的颜色标识出来，最后利用先期已收集数据(颜色坐标与待测物浓度的对应关系)即可得到待测物浓度。
以上这两类方法预设正式的测试发生在环境光已知、照射光可控的密闭场所，但，其测量结果的鲁棒性很差，当外界光照环境发生变化时，传感器探取到的颜色将会发生明显变化，单纯利用前期对应关系，并不能获得良好的测试结果。
在以上基于颜色的测量方法基础上，有部分研究者开始利用“对比色卡”作为对抗外界光照环境变化的手段：利用离线实验获取试剂条反应区在标准白光(如D50)光照下的检测到特定浓度待测物时的颜色反应情况；将相应的颜色精准地打印为“对比色卡”并将其与放置于试剂条变色区域附近(保证同样的观测条件)；在颜色探取阶段同时获取反应区域的颜色信息以及“对比色卡”的颜色信息，并认定在此时“对比色卡”上测得颜色在色彩空间中的坐标值偏移量与试剂条变色区(“双线”区域)上测得颜色在色彩空间中的坐标值偏移量一致；最后将“对比色卡”上测得颜色在色彩空间中标注并获得“对比色卡曲线”，并获取试剂条变色区上测得颜色的色彩坐标值与该曲线的相对位置关系；这一位置关系可以描述为一组计算权值，并可进一步作为推算待测物浓度的依据。
在公开的资料中，部分专利在RGB空间中利用“投影法”获取上段文字中的“相对位置关系”，并声称所采用方法可以在不同亮度白光(照射光谱中各波长光波比例保持一致但总光强度不同的白光)下合理的估测出待测物浓度。
在使用便携式层析试剂条的变色反应测量液滴中待测物浓度时，若环境光照的影响得以用以上方式移除，则完全可以在开放空间中利用带视觉传感器(摄像头)的移动设备拍下恰当的图片后，直接获得满足精度要求的待测物溶度。
基于变色反应的层析试剂条基于其便携性与易读性，已经在待测物定性测量中得到广泛应用，但由于人眼对颜色判断的主观误差，其半定量测量的检测精度不高，且难以直接被用于待测物浓度值的定量测量。比较而言，引入稳定性较高的测量设备搭配层析试剂条，只要保证试剂条在加工生产中的一致性，则可以得到较为精准的浓度测定结果，并可以通过不断提升测量设备的检测精度来实现测量结果准确性的提高。
然而在目前的主流方法中，不论是利用光电传感器获得“吸光度”的技术方案还是利用颜色检测获得颜色坐标值的技术方案，都必须控制试剂条表面的光照情况，这意味着很可能需要利用检测装置制造一个密闭无光环境，增加设备的体积与造价，限制基于此类原理的便携性设备的经济性与适用性。
已经有专利方案描述了利用带有摄像头的手持式设备直接对试剂条拍照，并基于获取到的试剂条变色区域颜色进行待测物浓度判断(CN103649731A-WO2012131386A1)，但其默认进行拍照时的环境照射光由手持式设备给出，其方案中描述的测试环境完全理想化，并不能够保证方案在真实环境中的有效性。
而引入半定量式测试时的“对比色卡”的方案中(US9285323B2),其只能在避免特定白光光强变化这一种“环境光变化”造成的测量误差，而无法适应其他光照条件的变化。同时，其“对比色卡”本身颜色难以保证与各浓度待测物真实对应的试剂条变色区颜色完全一致，这同样会引入测量误差。
【发明内容】
为了克服上述问题，本发明提出一种可有效解决上述问题的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法。
本发明解决上述技术问题提供的一种技术方案是：提供一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，包括以下步骤：步骤S1，将待测液融入检测物，待测液在检测物内发生颜色反应；步骤S2，计算步骤S1中颜色反应时间，保证颜色反应充分进行，确定检测物内的颜色反应区域，在检测物内的颜色反应区域周边布置多块颜色组块；步骤S3，利用传感器设备获取颜色反应区域和颜色组块的漫反射光信息；步骤S4，通过图像识别技术定位颜色反应区域和各个颜色组块所对应的信息，并将漫反射光信息转换为特定色彩空间下的颜色坐标；步骤S5，通过光学原理，将颜色反应区域和颜色组块漫反射信息、环境光照以及其他外部因素等效推算为一等效环境光照；步骤S6，判断等效环境光照是否符合要求，等效环境光照符合要求则进入下一步骤，等效环境光照不符合要求，则需改善等效环境光照，重新判断，直至符合要求；步骤S7，计算颜色反应区域标准颜色；步骤S8，通过颜色反应区域标准颜色与待测液浓度的对应关系计算待测液浓度，输出结果。
优选地，所述步骤S2中，颜色组块可以是固化在颜色反应区域边上，也可以是仅在观测时置于颜色反应区域周边，以保证颜色组块与颜色反应区域在观测时处于相同的环境。
优选地，所述颜色组块与颜色反应区域的相对位置的确定可以通过卡槽、滑槽和锁扣实现。
优选地，所述颜色组块包括用于辅助计算照射光色度值的颜色块、用于辅助计算照射光亮度值的颜色块、用于验证照射光计算结果正确性的颜色块和用于注册并定位颜色组块对应关系的颜色块。
优选地，所述颜色组块与颜色反应区域同位于观测范围内，颜色反应区域放置于卡槽内，卡槽放置于观测范围中间，颜色组块呈矩阵式分布于卡槽两边，颜色组块和卡槽以观测范围中心呈中心对称分布。
优选地，所述步骤S5中，由于物体不可能反射出未曾照射其上的光亮，在等效环境光下颜色被认为是环境光照的一个明科夫斯基范数比，其遵循计算式：
其中，[re,ge,be]T为等效环境光照的RGB颜色值坐标，[μp(Rp),μp(Gp),μp(Bp)]T为颜色组块在等效环境光照下的实测RGB坐标的p阶明科夫斯基范数，N为成功测得的颜色组块数目，Mn为第个颜色块可被细分的最小区块的个数，f(n,m)为以n，m标记的最小区块上的RGB加权灰度值，R(n,m)、G(n,m)和B(n,m)分别是以n，m标记的最小区块上的RGB坐标值。
优选地，所述步骤S5中，引入RGB坐标系并重新定义一CIE1931坐标系，颜色在CIE1931坐标系中可以用(X,Y,Z)表示，在CIE1931色度图可以表示为坐标(x,y)，其与RGB坐标的转换关系式为：
优选地，所述步骤S5中，利用CIE1931色度图中光谱曲线选取特征颜色组块(用于辅助计算照射光色度值的颜色块a)，锚定特征颜色组块在光谱线上的位置并记为点组D1,...Dk，之后再将对应颜色组块的观测值标示在色度图中，并记为点组S1,...Sk，分别做射线D1S1,...DkSk，利用最小二乘法求出距离所有射线距离和最短的点E，则E点的坐标值即为等效环境光照的色度。同时，利用用于辅助计算照射光亮度值的颜色块b上的灰度信息，可以得到当前等效环境光照的亮度。等效环境光照在颜色空间中的色彩坐标值总能表示为颜色组块测得颜色坐标的函数，关系如下：
其中，
是由各颜色组块上所有最小区块R通道数值组成的列向量，
是由各颜色组块上所有最小区块G通道数值组成的列向量，
是由各颜色组块上所有最小区块B通道数值组成的列向量，以标准光照条件下RGB坐标值为[rc,gc,bc]T的颜色组块为例，其在颜色坐标值为[re,ge,be]T的等效环境光照下的颜色坐标值[rce,gce,bce]T为：
rce＝rc/re；gce＝gc/ge；bce＝bc/be。
优选地，所述步骤S7中，在等效环境光照已知的情况下，通过测得的颜色推算颜色反应区域在标准光照环境下的标准颜色是一个矩阵变换过程，在CIE1931坐标系中，对于在等效环境光照[re,ge,be]T下实测颜色坐标值为[rs,gs,bs]T的颜色组块，其标准光照下的颜色坐标值[rc,gc,bc]T可依下式计算：
过局部优化算法存在有其他更高精度的映射方案，可以用以下等式表示这一还原过程：
fc([re,ge,be]T,[rs,gs,bs]T,[rc,gc,bc]T)＝0。
优选地，所述颜色反应区域标准颜色与待测液浓度的对应关系都可以利用以下关系式描述，并利用插值方法得到待测液浓度：
σc＝fσ(C1,σ1,C2,σ2,...,Cn,σn,Cc)
其中，σ1,σ2,...,σn为离线状态下n种已知待测液浓度，而为颜色反应区域在不同浓度待测液作用下颜色反应后标准颜色在颜色空间中的坐标值，Cc为换算得到的颜色反应区域当前标准颜色在颜色空间中的坐标值。
优选地，所述步骤S1中，检测物为基于试剂和颜色变化进行检测的物品。
优选地，所述步骤S3中，传感器设备为集成摄像头、单立的摄像头、CCD感光器件中的一种或多种。
优选地，所述步骤S1中，检测物为小孔径硝酸纤维试纸。
与现有技术相比，本发明基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法通过引入在颜色反应区域周边布置颜色组块，并且根据颜色组块颜色信息来推算等效环境光照的方式可以进一步修正和降低由于检测设备差异和环境差异所造成的检测误差，提高检测精确度；无需通过检测装置制造密封无光环境，降低检测设备使用要求，降低成本，提高适用性。
【附图说明】
图1为本发明一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法的颜色组块布置示意图；
图2为本发明一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法的步骤S5中推算等效环境光照光谱线示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅限于指定视图上的相对位置，而非绝对位置。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明的一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，包括以下步骤：
步骤S1，将待测液融入检测物，待测液在检测物内发生颜色反应。
所述检测物为基于试剂和颜色变化进行检测的物品。
所述检测物为小孔径硝酸纤维试纸，小孔径硝酸纤维试纸具有良好的灵敏度，并且可以适当降低待测液在试纸中的流速，从而获得较长的颜色反应时间，使得颜色反应充分进行。
步骤S2，计算步骤S1中颜色反应时间，保证颜色反应充分进行，确定检测物内的颜色反应区域，在检测物内的颜色反应区域周边布置多块颜色组块。
请参阅图1，所述步骤S2中，颜色组块可以是固化在颜色反应区域边上，也可以是仅在观测时置于颜色反应区域周边，以保证颜色组块与颜色反应区域在观测时处于相同的环境，使得测试结果更为精确。颜色组块与颜色反应区域的相对位置的确定可以通过卡槽e、滑槽和锁扣等物理式实现。所述颜色组块包括用于辅助计算照射光色度值的颜色块a、用于辅助计算照射光亮度值的颜色块b、用于验证照射光计算结果正确性的颜色块c和用于注册并定位颜色组块对应关系的颜色块d。卡槽e用于放置颜色反应区域，便于确定颜色反应区域与颜色组块的相对位置。如图1所示的颜色组块在颜色反应区域周边布置方式中，选取圆形观测范围，颜色组块与颜色反应区域同位于观测范围内，颜色反应区域放置于卡槽e内，卡槽e放置于观测范围中间，颜色组块呈矩阵式分布于卡槽e两边，颜色组块和卡槽e以观测范围中心呈中心对称分布。
步骤S3，利用传感器设备获取颜色反应区域和颜色组块的漫反射光信息。
所述传感器设备为集成摄像头、单立的摄像头、CCD感光器件中的一种或多种，以保证使用者可以通过恰当的方式获取到包括颜色反应区域、颜色组块在内连续区域的测试期间的漫反射光信息。
步骤S4，通过图像识别技术定位颜色反应区域和各个颜色组块所对应的信息，并将漫反射光信息转换为特定色彩空间下的颜色坐标。
步骤S5，通过光学原理，将颜色反应区域和颜色组块漫反射信息、环境光照以及其他外部因素等效推算为一等效环境光照。
所述步骤S5中，为对颜色进行定义，需要引入色彩空间的概念，利用坐标值唯一的描述每一种颜色，最为常见的是RGB坐标系，即利用红、绿、蓝光源配出任意色光，或利用红、绿、蓝色配出任意颜色。利用RGB值描述颜色的光谱学意义是：在各个可见光波段上，对于人眼理解的等亮度白光或白色都可以用不同比例的红光、绿光和蓝光调配出来。然而由于有时这种“调配”甚至需要减去某种光(这在物理上是不可能的)，故RGB坐标系其实并不能真正搭配出所有的颜色。引入CIE1931坐标系，CIE1931坐标系定义了新的“三原色”，称为光谱三刺激值
和
其满足：
a.三刺激值为正；
b.某一原色的刺激值，正好代表混合色的亮度，而另外两张原色对混合色的亮度没有贡献；
c.当三刺激值相等时，混合光仍代表标准等能白光。
在此基础上，颜色在CIE1931坐标系中可以用(X,Y,Z)表示，在CIE1931色度图可以表示为坐标(x,y)说明：此处色度图坐标是否为二维坐标，交底材料中为二维坐标，但是下述公式中出现z坐标，请确认，其与RGB坐标的转换关系式为：
任何RGB坐标均可转换为CIE1931坐标进行计算。
等效环境光照的推算方法优选为两种，两种方法都需经过步骤S4测得颜色组块在RGB坐标系中的坐标值。
等效环境光照推算方法一：
由于物体不可能反射出未曾照射其上的光亮，在等效环境光下颜色被认为是环境光照的一个明科夫斯基范数比，其遵循计算式：
其中，[re,ge,be]T为等效环境光照的RGB颜色值坐标，[μp(Rp),μp(Gp),μp(Bp)]T为颜色组块在等效环境光照下的实测RGB坐标的p阶明科夫斯基范数，N为成功测得的颜色组块数目，Mn为第n个颜色块可被细分的最小区块的个数，f(n,m)为以n，m标记的最小区块上的RGB加权灰度值，R(n,m)、G(n,m)和B(n,m)分别是以n，m标记的最小区块上的RGB坐标值。
等效环境光照推算方法二：
请参阅图2，首先利用CIE1931色度图中光谱曲线选取特征颜色组块(用于辅助计算照射光色度值的颜色块a)，锚定特征颜色组块在光谱线上的位置并记为点组D1,...Dk，之后再将对应颜色组块的观测值标示在色度图中，并记为点组S1,...Sk，分别做射线D1S1,...DkSk，利用最小二乘法求出距离所有射线距离和最短的点E，则E点的坐标值即为等效环境光照的色度。同时，利用用于辅助计算照射光亮度值的颜色块b上的灰度信息，可以得到当前等效环境光照的亮度。等效环境光照在颜色空间中的色彩坐标值总能表示为颜色组块测得颜色坐标的函数，关系如下：
其中，
是由各颜色组块上所有最小区块R通道数值组成的列向量，
是由各颜色组块上所有最小区块G通道数值组成的列向量，
是由各颜色组块上所有最小区块B通道数值组成的列向量。
步骤S6，判断等效环境光照是否符合要求，等效环境光照符合要求则进入下一步骤，等效环境光照不符合要求，则需改善等效环境光照，重新判断，直至符合要求。
所述步骤S6中，当等效环境光照包含特殊的环境光，由于特殊的环境光本身缺乏部分波长光波(或占比很低)，使得在其照射下颜色反应区域的颜色变化及其不明显，此时等效环境光照不符合要求，需改善等效环境光照，改善后的等效环境光照重新判断，直至符合要求。
在试剂测量时，由于变色反应的结果集范围是可估算的，其变色结果对应的反射光谱特性也是可预测的。对于测得等效环境光照照射光谱E(λ)与反射光谱集S(λ)＝[S1(λ),S2(λ),...,Si(λ),...]T，i→∞，则测试程序可以进行下去的必要条件是：对任意的反射光谱的范数满足：
||E(λ),Si(λ)||*1+||E(λ),Si(λ)||*2＝nd+nl≤δd+δl＝δes
否则，等效环境光照照射光中所具有的可反射光亮度不够，无法为待测物浓度测试提供足够的依据。
同时，范数nd指示照射光谱与反射光谱的匹配度，若其数值大于δd，则意味着当前等效光照中的主波峰与变色区主反射波峰的距离过大，探取到的颜色不能用作浓度判断；范数nl指示照射光在变色区祝反射波峰段的光功率分布情况，若其数值大于δl，则意味着光照强度过暗，无法提供有效测试结果。
在得到等效环境光照的光源颜色坐标，可以利用Von Keris色系数定律得到用于验证照射光计算结果正确性的颜色块c在等效环境光照下的颜色信息，用于验证等效环境光照的计算结果。以标准光照条件下RGB坐标值为[rc,gc,bc]T的颜色组块为例，其在颜色坐标值为[re,ge,be]T的等效环境光照下的颜色坐标值[rce,gce,bce]T为：
rce＝rc/re；gce＝gc/ge；bce＝bc/be
步骤S7，计算颜色反应区域标准颜色。
所述步骤S7中，同样按照Von Keris色系数定律，在等效环境光照已知的情况下，通过测得的颜色推算颜色反应区域在标准光照环境下的标准颜色是一个矩阵变换过程，在CIE1931坐标系中，对于在等效环境光照[re,ge,be]T下实测颜色坐标值为[rs,gs,bs]T的颜色组块，其标准光照下的颜色坐标值[rc,gc,bc]T可依下式计算：
通过局部优化算法存在有其他更高精度的映射方案，可以用以下等式表示这一还原过程：
fc([re,ge,be]T,[rs,gs,bs]T,[rc,gc,bc]T)＝0
当上式不能写成如
的显式表达式时，使用迭代法求解fc(*)＝0。
步骤S8，通过颜色反应区域标准颜色与待测液浓度的对应关系计算待测液浓度，输出结果。
所有颜色反应区域颜色与待测液浓度的对应关系都可以利用以下关系式描述，并利用插值方法得到待测液浓度：
σc＝fσ(C1,σ1,C2,σ2,...,Cn,σn,Cc)
其中，σ1,σ2,...,σn为离线状态下n种已知待测液浓度，而为颜色反应区域在不同浓度待测液作用下颜色反应后标准颜色在颜色空间中的坐标值，Cc为换算得到的颜色反应区域当前标准颜色在颜色空间中的坐标值。
如果颜色反应过程中，颜色反应区域与各浓度待测液反应后对应的颜色反应结果反射光谱具有相同的反射峰，则上述关系式可以改写为：
σc＝fσ(Csr,Cc)
其中Csr为在标准颜色计量下颜色反应区域在待测液作用下所能实现的饱和度最高颜色在颜色空间中的坐标值。据以上公式，可得到：
其中*包括颜色反应区域的实测颜色信息、颜色组块的标准颜色与实测颜色信息、颜色反应区域标准颜色与待测液浓度对应关系信息。
与现有技术相比，本发明基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法通过引入在颜色反应区域周边布置颜色组块，并且根据颜色组块颜色信息来推算等效环境光照的方式可以进一步修正和降低由于检测设备差异和环境差异所造成的检测误差，提高检测精确度；无需通过检测装置制造密封无光环境，降低检测设备使用要求，降低成本，提高适用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思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的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，将待测液融入检测物，待测液在检测物内发生颜色反应；所述检测物为小孔径硝酸纤维试纸；
步骤S2，计算步骤S1中颜色反应时间，保证颜色反应充分进行，确定检测物内的颜色反应区域，在检测物内的颜色反应区域周边布置多块颜色组块；所述颜色组块包括用于辅助计算照射光色度值的颜色块、用于辅助计算照射光亮度值的颜色块、用于验证照射光计算结果正确性的颜色块和用于注册并定位颜色组块对应关系的颜色块；
步骤S3，利用传感器设备获取颜色反应区域和颜色组块的漫反射光信息；
步骤S4，通过图像识别技术定位颜色反应区域和各个颜色组块所对应的信息，并将漫反射光信息转换为特定色彩空间下的颜色坐标；
步骤S5，通过光学原理，将颜色反应区域和颜色组块漫反射信息、环境光照以及其他外部因素等效推算为一等效环境光照；
步骤S6，判断等效环境光照是否符合要求，等效环境光照符合要求则进入下一步骤，等效环境光照不符合要求，则需改善等效环境光照，重新判断，直至符合要求；对于测得等效环境光照照射光谱E(λ)与反射光谱集S(λ)＝[S1(λ),S2(λ),...,Si(λ),...]T，i→∞，则测试程序可以进行下去的必要条件是：对任意的反射光谱的范数满足：
||E(λ),Si(λ)||*1+||E(λ),Si(λ)||*2＝nd+nl≤δd+δl＝δes
否则，等效环境光照照射光中所具有的可反射光亮度不够，无法为待测物浓度测试提供足够的依据；其中，范数nd指示照射光谱与反射光谱的匹配度，若其数值大于δd，则意味着当前等效光照中的主波峰与变色区主反射波峰的距离过大，探取到的颜色不能用作浓度判断；范数nl指示照射光在变色区祝反射波峰段的光功率分布情况，若其数值大于δl，则意味着光照强度过暗，无法提供有效测试结果；
步骤S7，计算颜色反应区域标准颜色；
步骤S8，通过颜色反应区域标准颜色与待测液浓度的对应关系计算待测液浓度，输出结果。
2.如权利要求1所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，颜色组块固化在颜色反应区域边上，或仅在观测时置于颜色反应区域周边，以保证颜色组块与颜色反应区域在观测时处于相同的环境；所述颜色组块与颜色反应区域的相对位置的确定通过卡槽、滑槽和锁扣实现。
3.如权利要求2所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述颜色组块与颜色反应区域同位于观测范围内，颜色反应区域放置于卡槽内，卡槽放置于观测范围中间，颜色组块呈矩阵式分布于卡槽两边，颜色组块和卡槽以观测范围中心呈中心对称分布。
4.如权利要求1所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，由于物体不可能反射出未曾照射其上的光亮，在等效环境光下颜色被认为是环境光照的一个明科夫斯基范数比，其遵循计算式：
其中，[re,ge,be]T为等效环境光照的RGB颜色值坐标，[μp(Rp),μp(Gp),μp(Bp)]T为颜色组块在等效环境光照下的实测RGB坐标的p阶明科夫斯基范数，N为成功测得的颜色组块数目，Mn为第n个颜色块被细分的最小区块的个数，f(n,m)为以n，m标记的最小区块上的RGB加权灰度值，R(n,m)、G(n,m)和B(n,m)分别是以n，m标记的最小区块上的RGB坐标值。
5.如权利要求4所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，引入RGB坐标系和CIE1931坐标系，颜色在CIE1931坐标系中用(X,Y,Z)表示，在CIE1931色度图表示为坐标(x,y)，其与RGB坐标的转换关系式为：
6.如权利要求5所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，利用CIE1931色度图中光谱曲线选取特征颜色组块，锚定特征颜色组块在光谱线上的位置并记为点组D1,...Dk，之后再将对应颜色组块的观测值标示在色度图中，并记为点组S1,...Sk，分别做射线D1S1,...DkSk，利用最小二乘法求出距离所有射线距离和最短的点E，则E点的坐标值即为等效环境光照的色度；同时，利用用于辅助计算照射光亮度值的颜色块b上的灰度信息，得到当前等效环境光照的亮度；等效环境光照在颜色空间中的色彩坐标值总能表示为颜色组块测得颜色坐标的函数，关系如下：
其中，
是由各颜色组块上所有最小区块在R通道的数值组成的列向量，
是由各颜色组块上所有最小区块在G通道的数值组成的列向量，
是由各颜色组块上所有最小区块在B通道的数值组成的列向量，以标准光照条件下RGB坐标值为[rc,gc,bc]T的颜色组块为例，其在颜色坐标值为[re,ge,be]T的等效环境光照下的颜色坐标值[rce,gce,bce]T为：
rce＝rc/re；gce＝gc/ge；bce＝bc/be。
7.如权利要求6所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述步骤S7中，在等效环境光照已知的情况下，通过测得的颜色推算颜色反应区域在标准光照环境下的标准颜色是一个矩阵变换过程，在CIE1931坐标系中，对于在等效环境光照[re,ge,be]T下实测颜色坐标值为[rs,gs,bs]T的颜色组块，其标准光照下的颜色坐标值[rc,gc,bc]T可依下式计算：
通过局部优化算法存在有其他更高精度的映射方案，用以下等式表示这一还原过程：
fc([re,ge,be]T,[rs,gs,bs]T,[rc,gc,bc]T)＝0；所述颜色反应区域标准颜色与待测液浓度的对应关系都利用以下关系式描述，并利用插值方法得到待测液浓度：
σc＝fσ(C1,σ1,C2,σ2,...,Cn,σn,Cc)
其中，σ1,σ2,...,σn为离线状态下n种已知待测液浓度，而为颜色反应区域在不同浓度待测液作用下颜色反应后标准颜色在颜色空间中的坐标值，Cc为换算得到的颜色反应区域当前标准颜色在颜色空间中的坐标值。
8.如权利要求1所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，检测物为基于试剂和颜色变化进行检测的物品。
9.如权利要求8所述的基于颜色识别的待测液浓度定量检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，传感器设备为集成摄像头、单立的摄像头、CCD感光器件中的一种或多种。
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| "基于LS-SVR融合算法的颜色恒常性研究";刘百芬 等;《计算机仿真》;20141031;第31卷(第10期);第370-371页2.3节、4.1节 * |
| "自然图像颜色恒常性计算研究";鹿瑞;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20110715(第07期);正文第3,17-23页，表2-1 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108051434A (zh) | 2018-05-18 |
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