CN111678913B - 一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，实验装置包括样品外罩，样品外罩内设置有光源、图像采集器和流明度传感器；首先配制标准样已知浓度的一系列有色溶液；将配制的不同浓度标准样放置于实验装置内，开启光源，图像采集器对标准样进行拍摄获得标准样图像，对获得的标准样图像进行亮度的归一化处理，并建立标准样已知浓度与相应标准样图像的均值亮度的历史数据库。利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像，对该待测样图像进行修整并获得均值亮度，再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度。本发明的实验方法工艺流程简单，易操作，无需使用昂贵的设备，具有检测效率高，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于实验教学仪器领域，具体涉及一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法。
背景技术
在分析化学中利用比较有色溶液深浅的方法来测定物质含量的方法称为比色法。传统比色法多采用肉眼观察，受外部光线、温度、样品测试条件、实验人员主观因素等条件影响，分析结果精度不高。
而精度较高的光电比色计，仪器体积大、设备及备件投入较高、分析测试软件缺少二次开放接口；使得分光光度计不适于经常性移动使用、课堂演示教学、以及针对性地开发教学策略。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法。
所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：配制标准样已知浓度的一系列有色溶液；
S2：有色溶液浓度定量测定的实验装置包括密闭的样品外罩，样品外罩内设置有光源、图像采集器和流明度传感器；将步骤S1配制的不同浓度标准样放置于实验装置内，开启光源，流明度传感器感受实验装置内部光照强度并将其传输到电脑终端，记录相应光照功率下的稳定流明度传感器感应值Ih，建立光照功率与稳定流明度传感器感应值Ih对应关系的数据库；图像采集器对标准样进行拍摄获得标准样图像；
S3：将获得的标准样图像进行处理，即对获得的标准样图像进行亮度的归一化处理，记录标准样图像的均值亮度，并建立标准样已知浓度与相应标准样图像的均值亮度的历史数据库；
S4：测量待测样未知浓度的有色溶液时，将未知浓度的待测样放置于实验装置内，开启光源，记录测量时的流明度传感器感应值，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像，对该待测样图像进行修整并获得均值亮度，再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度。
所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于步骤S4中，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄之前还对光源进行校正，校正公式如下：
其中δ为流明度偏差率，I为对未知浓度的待测样测量时的流明度传感器感应值，Ih为数据库记载的相同光照功率下的稳定流明度传感器感应值；当δ≥5％时，调整光源的光照功率，直至流明度偏差率δ小于5％；当流明度偏差率δ小于5％时，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像。
所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于步骤S4中，对待测样图像进行修整获得均值亮度的过程如下：
首先根据未知浓度的待测样测量时的流明度传感器感应值I，对待测样图像的亮度、流明度感应值进行校正处理，公式如下：
其中L为待测样图像某一点的亮度，Ka为环境反射系数，La为环境光强，在相同的光照功率测试条件下，KaLa为稳定的数值；Kd为漫反射系数，Ld为漫反射光强，α为漫反射角度系数；Ks为镜面反射系数，Ls为镜面反射光强，β为镜面反射角度系数；
因此基于待测样图像的各点位置坐标，以矩阵的形式对待测样图像的亮度、流明度感应值进行校正处理，处理的矩阵公式如下：
上述两个矩阵公式中，待测样图像的所有点位置坐标是以矩阵的形式进行表达，记录待测样图像的所有点位置坐标的矩阵形式表达为：
待测样图像的所有点位置坐标的流明度感应值以矩阵形式表达为：
由此根据待测样图像的所有位置坐标的流明度感应值，计算该整个待测样图像的平均流明度感应值
公式如下：
其中Iij表示待测样图像的任意点(i，j)坐标的流明度感应值，n2表示待测样图像的所有点位置坐标的流明度感应值Iij总数量；
随后对待测样图像的流明度感应值偏差较大的区域进行剔除，剔除公式如下：
δij表示待测样图像的任意点(i，j)坐标的流明度感应值偏差率，剔除待测样图像中δij＞10％的区域，其余区域予以保留；
然后对待测样图像的对比度进行归一化处理，公式如下：
其中Cw表示对比度，Cwij是待测样图像的任意点(i，j)坐标的对比度，Lij是待测样图像的任意点(i，j)坐标的亮度值；在数据处理过程中，设定图像对比度灵敏范围Δ；如果Cwij＞Δ，Lij值得以保留；如果Cwij小于或等于Δ，Lij＝0，即待测样图像的于该点(i，j)坐标的区域予以剔除，由此经过对比度处理，确定待测样图像的边界；
在待测样图像的边界确定之后，统计Lij≠0的亮度值数目，求取得到其亮度平均值
所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于在取得待测样图像的亮度平均值
后，还包括待测样图像的均匀度处理过程，均匀度处理公式如下：
其中σ2表示待测样图像的均匀度，均匀度处理公式中的Lij是待测样图像的边界确定之后，统计得到的Lij≠0的亮度值；
若σ2＜0.05，则认为待测样图像的修整处理合适，通过取得的待测样图像的亮度平均值
再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度；
若σ2大于或等于0.05，则认为待测样图像的修整处理不合适，重新利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像，随后对重新获得的待测样图像进行修整并获得均值亮度，再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度。
所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于所述实验装置的样品外罩由透明材料制备而成，样品外罩内层覆盖感光变色薄膜，感光变色薄膜感受到一定强度的光照之后变为白色不透明状态，使得样品受光均匀，图像采集器拍摄到的样品图像的亮度受外部光影响较小，以提高拍摄取像的稳定性和可重复性。
本发明取得的有益效果是：
本发明通过稳定的光源和封闭可控的图片采集环境，减少了外部光线对于图像采集结果的影响，提高了样品采集的稳定性。
本发明的实验方法相比现有的有色溶液浓度的测试方法，工艺流程简单，易操作，无需使用昂贵的设备，具有检测效率高，成本低的优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例：
一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，包括以下步骤：
S1：配制标准样已知浓度的一系列有色溶液；
S2：有色溶液浓度定量测定的实验装置包括密闭的样品外罩，样品外罩内设置有光源、图像采集器和流明度传感器；将步骤S1配制的不同浓度标准样放置于实验装置内，开启光源，流明度传感器感受实验装置内部光照强度并将其传输到电脑终端，记录相应光照功率下的稳定流明度传感器感应值Ih，建立光照功率与稳定流明度传感器感应值Ih对应关系的数据库；图像采集器对标准样进行拍摄获得标准样图像；
S3：将获得的标准样图像进行处理，即对获得的标准样图像进行亮度的归一化处理，记录标准样图像的均值亮度，并建立标准样已知浓度与相应标准样图像的均值亮度的历史数据库；
S4：测量待测样未知浓度的有色溶液时，将未知浓度的待测样放置于实验装置内，开启光源，记录测量待测样有色溶液时的流明度传感器感应值；利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像，对该待测样图像进行修整并获得均值亮度，再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度。
其中所述实验装置的样品外罩由透明材料制备而成，样品外罩内层覆盖感光变色薄膜，感光变色薄膜感受到一定强度的光照之后变为白色不透明状态，使得样品受光均匀，图像采集器拍摄到的样品图像的亮度受外部光影响较小，以提高拍摄取像的稳定性和可重复性。
其中在步骤S4中，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄之前还对光源进行校正，校正公式如下：
其中δ为流明度偏差率，I为对未知浓度的待测样测量时的流明度传感器感应值，Ih为数据库记载的相同光照功率下的稳定流明度传感器感应值；当δ≥5％时，调整光源的光照功率，直至流明度偏差率δ小于5％；当流明度偏差率δ小于5％时，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像。
步骤S4中，对待测样图像进行修整获得均值亮度的过程如下：
首先根据未知浓度的待测样测量时的流明度感应值I，对待测样图像的亮度、流明度感应值进行校正处理，公式如下：
其中L为待测样图像某一点的亮度，Ka为环境反射系数，La为环境光强，在相同的光照功率测试条件下，KaLa相对稳定；Kd为漫反射系数，Ld为漫反射光强，α为漫反射角度系数，由于图像中各点位置和光源的相对距离不同，所以图片中各点的αKdLd值是不同的；Ks为镜面反射系数，Ls为镜面反射光强，β为镜面反射角度系数；由于图像中各点对光源反射的角度不同，所以图片中各点的βKsLs值是不同的。但是环境光强、漫反射光强和镜面反射光强之和等于流明度传感器感应值。故实际图片处理时，基于待测样图像的各点位置坐标，以矩阵的形式对待测样图像的亮度、流明度感应值进行校正处理，处理的矩阵公式如下：
上述两个矩阵公式中，待测样图像的所有点位置坐标是以矩阵的形式进行表达，记录待测样图像的所有点位置坐标的矩阵形式表达为：
待测样图像的所有点位置坐标的流明度感应值以矩阵形式表达为：
由此根据待测样图像的所有点位置坐标的流明度感应值，计算该整个待测样图像的平均流明度感应值
公式如下：
其中Iij表示待测样图像的任意点(i，j)坐标的流明度感应值，n2表示待测样图像的所有点位置坐标的流明度感应值Iij总数量；
随后对待测样图像的流明度感应值偏差较大的区域进行剔除，剔除公式如下：
δij表示待测样图像的任意点(i，j)坐标的流明度感应值偏差率，剔除待测样图像中δij＞10％的区域，其余区域予以保留；
然后对待测样图像的对比度进行归一化处理，公式如下：
其中Cw表示对比度，Cwij是待测样图像的任意点(i，j)坐标的对比度，Lij是待测样图像的任意点(i，j)坐标的亮度值；在数据处理过程中，设定图像对比度灵敏范围Δ(例如Δ取值为0.2％)。如果Cwij＞Δ，Lij值得以保留；如果Cwij小于或等于Δ，Lij＝0，即待测样图像的于该点(i，j)坐标的区域予以剔除，由此经过对比度处理，确定待测样图像的边界；在待测样图像的边界确定之后，统计Lij≠0的亮度值数目，求取得到其亮度平均值
在取得待测样图像的亮度平均值
后，还包括待测样图像的均匀度处理过程，均匀度处理公式如下：
其中σ2表示待测样图像的均匀度，均匀度处理公式中的Lij是待测样图像的边界确定之后，统计得到的Lij≠0的亮度值；
若σ2＜0.05，则认为待测样图像的修整处理合适，采用取得的待测样图像的亮度平均值
再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度；
若σ2大于或等于0.05，则认为待测样图像的修整处理不合适，重新利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像，随后对重新获得的待测样图像进行修整并获得均值亮度，再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度。
其中标准样图像的均值亮度处理方式，与待测样图像的均值亮度处理方式类似。例如，记录标准样图像的均值亮度处理方式如下：
如果Cwij＞Δ，Lij值得以保留；如果Cwij小于或等于Δ，Lij＝0，即标准样图像的于该点(i，j)坐标的区域予以剔除，由此经过对比度处理，确定标准样图像的边界；在标准样图像的边界确定之后，统计Lij≠0的亮度值数目，求取得到其亮度平均值
实施例1：被测元素：Fe(III)，标准样浓度梯度为6级。
(1)Fe(III)标准样准备：称取2.41g硫酸铁铵(十二水)溶于500ml去离子水中，得到0.01mol/L的Fe溶液。称取1.27g磺基水杨酸溶于500ml去离子水中，得到0.01mol/L的显色剂溶液。取6个50ml的容量瓶，分别取0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0ml的0.01mol/L的Fe溶液，每个容量瓶中加入5ml的0.01mol/L的显色剂溶液，然后将样品定容到50ml。
(2)将标准样放入基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验装置，设定光照强度20W/s，测试温度25℃，拍照白平衡荧光灯模式、ISO800、光圈2.2、像素3120*4160px，样品测试前超声处理2min，对每个样品进行3次实验取像，分析标准样图像的R、G、B值，拟合标准曲线，将拟合结果存储于软件开发板中。
(3)Fe(III)待测样准备：取分别0.31、0.52ml的0.01mol/L的Fe溶液加入50ml的容量瓶，加入5ml的0.01mol/L的显色剂溶液，然后将样品定容到50ml作为待测溶液使用。
(4)将待测样放入基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验装置，设定光照强度20W/s，测试温度25℃，拍照白平衡荧光灯模式、ISO800、光圈2.2、像素3120*4160px，对每个样品进行3次实验取像，分析待测样图像的R、G、B值，使用拟合曲线对样品进行分析。最终显示实验结果为6.12*10-5mol/L，1.037*10-4mol/L。
(5)为验证实验结果的准确性，使用紫外分光光度计对标准样品和待测样品进行定量测量，待测样品检测结果为6.18*10-5mol/L，1.042*10-4mol/L，误差在允许范围内。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (4)
1.一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：配制标准样已知浓度的一系列有色溶液；
S2：有色溶液浓度定量测定的实验装置包括密闭的样品外罩，样品外罩内设置有光源、图像采集器和流明度传感器；将步骤S1配制的不同浓度标准样放置于实验装置内，开启光源，流明度传感器感受实验装置内部光照强度并将其传输到电脑终端，记录相应光照功率下的稳定流明度传感器感应值Ih，建立光照功率与稳定流明度传感器感应值Ih对应关系的数据库；图像采集器对标准样进行拍摄获得标准样图像；
S3：将获得的标准样图像进行处理，即对获得的标准样图像进行亮度的归一化处理，记录标准样图像的均值亮度，并建立标准样已知浓度与相应标准样图像的均值亮度的历史数据库；
S4：测量待测样未知浓度的有色溶液时，将未知浓度的待测样放置于实验装置内，开启光源，记录测量时的流明度传感器感应值，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像，对该待测样图像进行修整并获得均值亮度，再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度；
步骤S4中，对待测样图像进行修整获得均值亮度的过程如下：
首先根据未知浓度的待测样测量时的流明度传感器感应值I，对待测样图像的亮度、流明度感应值进行校正处理，公式如下：
其中L为待测样图像某一点的亮度，Ka为环境反射系数，La为环境光强，在相同的光照功率测试条件下，KaLa为稳定的数值；Kd为漫反射系数，Ld为漫反射光强，α为漫反射角度系数；Ks为镜面反射系数，Ls为镜面反射光强，β为镜面反射角度系数；
因此基于待测样图像的各点位置坐标，以矩阵的形式对待测样图像的亮度、流明度感应值进行校正处理，处理的矩阵公式如下：
上述两个矩阵公式中，待测样图像的所有点位置坐标是以矩阵的形式进行表达，记录待测样图像的所有点位置坐标的矩阵形式表达为：
待测样图像的所有点位置坐标的流明度感应值以矩阵形式表达为：
由此根据待测样图像的所有位置坐标的流明度感应值，计算该整个待测样图像的平均流明度感应值
公式如下：
其中Iij表示待测样图像的任意点(i，j)坐标的流明度感应值，n2表示待测样图像的所有点位置坐标的流明度感应值Iij总数量；
随后对待测样图像的流明度感应值偏差较大的区域进行剔除，剔除公式如下：
δij表示待测样图像的任意点(i，j)坐标的流明度感应值偏差率，剔除待测样图像中δij＞10％的区域，其余区域予以保留；
然后对待测样图像的对比度进行归一化处理，公式如下：
其中Cw表示对比度，Cwij是待测样图像的任意点(i，j)坐标的对比度，Lij是待测样图像的任意点(i，j)坐标的亮度值；在数据处理过程中，设定图像对比度灵敏范围Δ；如果Cwij＞Δ，Lij值得以保留；如果Cwij小于或等于Δ，Lij＝0，即待测样图像的于该点(i，j)坐标的区域予以剔除，由此经过对比度处理，确定待测样图像的边界；
在待测样图像的边界确定之后，统计Lij≠0的亮度值数目，求取得到其亮度平均值
2.如权利要求1所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于步骤S4中，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄之前还对光源进行校正，校正公式如下：
其中δ为流明度偏差率，I为对未知浓度的待测样测量时的流明度传感器感应值，Ih为数据库记载的相同光照功率下的稳定流明度传感器感应值；当δ≥5％时，调整光源的光照功率，直至流明度偏差率δ小于5％；当流明度偏差率δ小于5％时，利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像。
3.如权利要求1所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于在取得待测样图像的亮度平均值
后，还包括待测样图像的均匀度处理过程，均匀度处理公式如下：
其中σ2表示待测样图像的均匀度，均匀度处理公式中的Lij是待测样图像的边界确定之后，统计得到的Lij≠0的亮度值；
若σ2＜0.05，则认为待测样图像的修整处理合适，通过取得的待测样图像的亮度平均值
再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度；
若σ2大于或等于0.05，则认为待测样图像的修整处理不合适，重新利用图像采集器对未知浓度的待测样进行拍摄并获得待测样图像，随后对重新获得的待测样图像进行修整并获得均值亮度，再利用所述历史数据库获得待测样有色溶液的浓度。
4.如权利要求1所述的一种基于图像识别实现溶液浓度定量测定的实验方法，其特征在于所述实验装置的样品外罩由透明材料制备而成，样品外罩内层覆盖感光变色薄膜，感光变色薄膜感受到一定强度的光照之后变为白色不透明状态，使得样品受光均匀，图像采集器拍摄到的样品图像的亮度受外部光影响较小，以提高拍摄取像的稳定性和可重复性。
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