CN113393539A - 化学反应溶液颜色突变识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学反应溶液颜色突变识别方法，首先使用CCD工业相机摄取溶液图像，实现化学反应过程中溶液颜色的自动化识别；然后基于颜色二阶矩和像素点数量排除溶液颜色交替变化的干扰，并基于直方图对比得到相似度进行滴定终点的判定。使用CCD工业相机代替人眼摄取溶液图像，能够有效、准确地实现化学反应过程中溶液颜色的自动化识别，减轻人工成本；基于颜色分量二阶矩阈值和颜色直方图相似度对比实现化学反应溶液颜色突变识别，能消除化学反应过程中溶液颜色交替变化引起的误判。

Description

化学反应溶液颜色突变识别方法

技术领域

本发明涉及一种化学工业领域中，检验样品中金属元素的成分及含量技术，尤其涉及一种基于颜色分量二阶矩阈值和颜色直方图相似度对比的化学反应溶液颜色突变识别方法。

背景技术

在化学工业领域中，检验材料中金属元素的成分及含量，可用于更精准地确定材料的价格、功能和用处。在样品含量的检验过程中，随着测定样品所用指示剂的加入样品溶液颜色会发生突变，突变时刻为指示剂停止加入的时刻，从而可根据指示剂用量计算出样品含量。

样品含量的检测在化学工业上广泛借助滴定操作来完成，对于滴定过程中化学溶液颜色的突变，通常靠人眼来识别，但由于人的经验和颜色识别差异性，会导致指示剂用量产生偏差，而且人眼识别存在费时费力，人工成本高，无法实现自动化的问题。因此，需要一种降低人工成本，减少判定偏差，自动溶液颜色突变识别方法，进而保证样品含量检测的准确性和规范性。

借助数字图像处理技术，使用摄像头代替人眼对滴定过程进行图像摄取，上传至计算机图像处理单元进行颜色识别，相比于人眼识别本方法具有易于自动化、相比于电极判断终点本方法具有成本低等优点。

现有技术一：

1、李莎莎，洪文娟，陈华才等.R/G/B直方图对比算法判别红茶发酵适度[J].中国计量学院学报，2016，27(2):172-176：一种基于RGB直方图对比算法判别红茶发酵适度的方法：

采用鲜叶样品进行标准发酵后留作审评的标准图像，通过计算红茶发酵叶的颜色直方图与标准直方图的匹配度判别发酵适度。设定发酵适度的标准图像与阈值T，并实时采集分析红茶发酵过程中在制品图像的RGB三种颜色分量直方图，计算其与标准图像的相似度：曼哈顿距离。当Manhattan距离D的均值小于设定阈值T时，则判别为发酵适度，并输出信号停止红茶继续发酵。研究结果表明,基于RGB直方图对比算法判别红茶发酵适度状态是可行的。

2、付邦鹏，刘珊，瞿关明等.一种基于HSV色彩空间直方图的车身颜色识别方法:中国,CN201811584499.X[P].2019-04-05：一种基于HSV色彩空间直方图的车身颜色识别方法：

利用CCD工业相机获取外部车身彩色图像到计算机中并进行前处理操作；将前处理后的彩色图像的色彩空间由RGB转为HSV空间；计算机获取图像的H-S直方图并按照直方图最高柱Hue查表输出颜色。该方法所述的基于HSV色彩空间直方图的车身颜色识别方法，充分的利用了HSV色彩空间的色度H、饱和度S的相关统计信，利用直方图的方式将颜色分布呈现出来，能够有效、准确地识别光线变化剧烈场景下的车身颜色信息。

现有技术一的缺点：

1.R、G、B三种分量相关性较强，难以很好地反映出物体具体的颜色信息，而HSV颜色空间相比RGB颜色空间能够更直观地表达颜色的色调、鲜艳程度和明暗程度，方便进行颜色的对比。

2.由于按照H-S特征直方图最高柱Hue查表输出颜色的特性，仅适用于对颜色单一的物体进行颜色识别，难以对溶液等状态多变、颜色不稳定的样品进行颜色识别。

现有技术二：

1、项艳丽.基于颜色特征的异色物识别方法研究[D].内蒙古大学，2013，22-26：基于颜色特征的异色物识别方法研究：

将CCD摄像机拍摄到的图像传送到计算机中,利用图像处理系统对获得的图像进行处理，提取图像多个颜色空间的多种颜色特征量，经多次模拟实验分析，图像在RGB颜色空间下的颜色矩有着代表图像的颜色特征的能力，适用于异色物体颜色判定。系统可根据颜色矩控制气动喷嘴的动作,以达到剔除异色物，提纯物体的最终目的。

2、张安发，陈洁，陈燕娟等.一种车辆年检标签颜色的识别方法及装置:中国,CN201711320505.6[P].2018-05-22：一种车辆年检标签颜色识别方法及装置：

利用摄像头获取待识别年检标签图像，同时统计各类颜色对应的像素点的数量；判断各类颜色对应的像素点的数量是否满足预设条件；当满足时,将对应的像素点的数量最大的颜色作为待识别年检标签图像的颜色；当不满足时,对待识别年检标签图像进行剪切,并将剪切后的待识别年检标签图像作为下一循环的图像,返回执行获取待识别年检标签图像的步骤。通过在数量不满足预设条件的情况下,将待识别年检标签图像剪切后重新进行颜色识别,消除了由于光照和折叠的部分因素的影响。

现有技术二的缺点：

对物体颜色信息的分析较为单一，难以对溶液等状态多变、颜色不稳定的样品进行颜色识别，需要将多种算法结合使用继而高效地表现溶液的颜色特征。

发明内容

本发明的目的是提供一种化学反应溶液颜色突变识别方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的化学反应溶液颜色突变识别方法，使用CCD工业相机摄取溶液图像，基于颜色二阶矩和像素点数量排除溶液颜色交替变化的干扰，并基于直方图对比得到相似度进行滴定终点的判定。

然后，基于颜色二阶矩和像素点数量排除溶液颜色交替变化的干扰，并基于直方图对比得到相似度进行滴定终点的判定。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的化学反应溶液颜色突变识别方法，由于使用CCD工业相机代替人眼摄取溶液图像，能够有效、准确地实现化学反应过程中溶液颜色的自动化识别，减轻人工成本；基于颜色分量二阶矩阈值和颜色直方图相似度对比实现化学反应溶液颜色突变识别，能消除化学反应过程中溶液颜色交替变化引起的误判。

附图说明

图1为本发明实施例检测流程的颜色识别流程图；

图2和图3分别为颜色突变前和突变后的溶液图像示意图；

图4、图5、图6和图7分别为图像处理单元基于灰度世界算法对溶液图像进行溶液颜色白平衡处理的效果图；

图8为图3中的溶液图像的RGB分量二阶矩值图。

图9和图10分别为颜色变化刚开始进行时刻图像颜色呈浅紫色和颜色变化结束时刻图像颜色从白色完全变为紫色的示意图。

图11为基于实时图像和颜色突变后的溶液彩色图像提取H-S特征并获取的H-S直方图；

图12为对滤波后的直方图相似度进行微分运算，并以时间作横坐标，微分值为纵坐标的图；

图13和图14分别为两次滤波前后的直方图；

图15和图16分别为二阶矩滤波后图标两次波峰时刻溶液图像。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的化学反应溶液颜色突变识别方法，其较佳的具体实施方式是：

首先，使用CCD工业相机摄取溶液图像，实现化学反应过程中溶液颜色的自动化识别；

然后，基于颜色二阶矩和像素点数量排除溶液颜色交替变化的干扰，并基于直方图对比得到相似度进行滴定终点的判定。

颜色识别的步骤包括：

A、检测流程开始，进行颜色识别，摄像头实时摄取锥形瓶内溶液的彩色图像，并获取颜色突变前的溶液图像和颜色突变后的溶液图像；

B、图像处理单元基于灰度世界算法对溶液图像进行溶液颜色白平衡处理，减轻环境光线干扰；

C、图像处理单元比较实时图像和颜色突变后的溶液图像R、G、B三分量二阶矩的数值进行阈值的选取。

D、将图像的颜色空间由RGB颜色空间转为HSV颜色空间；

E、基于实时图像和颜色突变后的溶液彩色图像提取H-S特征并获取H-S直方图，直方图是以色度Hue为横轴，以及每个Hue区间的饱和度Saturation累加和为纵轴的直方图；

F、基于实时图像和颜色突变后的溶液图像的H-S直方图输出直方图相似度；

G、对滤波后的直方图相似度进行微分运算，当相似度微分值最大时，指示化学反应到达终点，输出检测完毕信号。

对于统计符合阈值条件的像素点数量过程，阈值条件的设定规则如下：

通过多次预实验，设溶液颜色初始变化时刻的Hue通道平均数值和化学反应结束即颜色稳定时刻的Hue通道平均数值为像素点统计的阈值范围。

化学反应过程中溶液颜色发生变化时，由于化学反应不完全、溶质未完全溶解等原因，溶液颜色会交替变化，彩色图像仍会存在部分异常像素点，故系统设置符合阈值的像素点数量需达到图像总像素点的50％以上；

若像素点数量未达到总像素点的50％以上，认为化学反应仍未结束，设相似度为零，若像素点数量达到总像素点的50％以上则开始进行溶液图像颜色突变前后的直方图的相似度计算，配合二阶矩阈值消除溶液颜色交替变化引起的误判。

本发明的化学反应溶液颜色突变识别方法，使用CCD工业相机代替人眼摄取溶液图像，能够有效、准确地实现化学反应过程中溶液颜色的自动化识别，减轻人工成本；基于颜色分量二阶矩阈值和颜色直方图相似度对比实现化学反应溶液颜色突变识别，能消除化学反应过程中溶液颜色交替变化引起的误判。

具体实施例：

下面，通过实施例对本发明进行具体描述。需要说明的是，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的算法、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

名词解释：

颜色直方图是一种图像处理领域中常被应用的颜色特征表示方法，它有效地描述了不同色彩在整幅图像中所占的比例，颜色直方图较适于描述那些难以进行自动分割的图像。计算颜色直方图需要将颜色空间划分成若干个小的颜色区间，每个小区间成为直方图的一个bin。这个过程称为颜色量化。然后，通过计算颜色落在每个小区间内的像素数量可以得到颜色直方图，

颜色矩是一种简单有效的颜色特征表示方法，有一阶矩、二阶矩等，由于颜色信息主要分布于低阶矩中，所以用一阶矩或二阶矩足以表达图像的颜色分布。

本实施例是针对镝铁中铁含量测量的滴定过程进行颜色识别研究。滴定方法采用重铬酸钾容量法，分析步骤如下：首先将称取后的试料置于烧杯中，加入盐酸低温加热至试料完全溶解，冷却后稀释混匀。再移取试液于三角瓶中，加入钨酸钠溶液，滴加三氯化钛溶液至溶液变蓝同时过量1～2滴，再用重铬酸钾初调溶液回滴至淡蓝色。最后加入硫磷混酸和二苯胺磺酸钠指示剂，立即用重铬酸钾标准溶液滴定，溶液将会变为浅绿色，最终变至紫色30s不消失为终点。

滴定实验中将滴定剂滴入溶解了镝铁的溶液中，被放置在锥形瓶中，溶液的颜色和加入的滴定剂的体积具有对应关系，随着滴定剂重铬酸钾含量的增加，溶液颜色首先会在白绿色紫色间交替变化，一定时间过后突变为紫色，本实例将基于颜色二阶矩和像素点数量排除溶液颜色交替变化的干扰，并基于直方图对比得到相似度进行滴定终点的判定，颜色识别步骤包括：

步骤一：检测流程开始，颜色识别流程图如图1所示。

步骤二：摄像头实时摄取锥形瓶内溶液的彩色图像，颜色突变前的溶液图像如图2所示，颜色突变后的溶液图像如图3所示。

步骤三：图像处理单元基于灰度世界算法对溶液图像进行溶液颜色白平衡处理，减轻环境光线干扰，处理效果图如图4、图5、图6、图7所示。

步骤四：基于实时图像和颜色突变后的溶液图像R、G、B三分量二阶矩的差值选取合适阈值，若满足阈值条件开始进行像素点数量的统计。

步骤五：将图像的颜色空间由RGB颜色空间转为HSV颜色空间。

步骤六：统计像素点数量时其阈值的设定规则如下：

通过多次预实验，设溶液颜色初始变化时刻的Hue通道平均数值和化学反应结束即颜色稳定时刻的Hue通道平均数值为像素点统计的阈值范围。

浅紫色和紫色图像如图9、图10所示。

对于测量镝铁中铁含量的实验，溶液颜色由白色变为紫色时，由于化学反应不完全、溶质未完全溶解等原因，溶液颜色会交替变化，彩色图像仍会存在部分白色像素点，故系统设置符合阈值的像素点数量需达到图像总像素点的50％以上；

若像素点数量未达到总像素点的50％以上，认为化学反应仍未结束，设相似度为零，若像素点数量达到总像素点的50％以上则开始进行溶液图像颜色突变前后的直方图的相似度计算，配合二阶矩阈值消除溶液颜色交替变化引起的误判。

步骤七：基于实时图像和颜色突变后的溶液彩色图像提取H-S特征并获取H-S直方图，直方图是以色度Hue为横轴，以及每个Hue区间的饱和度Saturation累加和为纵轴的直方图，直方图输出如图11所示。

步骤八：基于实时图像和颜色突变后的溶液图像的H-S直方图输出直方图相似度。

步骤九：对滤波后的直方图相似度进行微分运算，当相似度微分值最大时，指示化学反应到达终点，输出检测完毕信号。两次滤波前后图像如图13、图14所示，二阶矩滤波后图标两次波峰时刻溶液图像如图15、图16所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种化学反应溶液颜色突变识别方法，其特征在于，使用CCD工业相机摄取溶液图像，基于颜色二阶矩和像素点数量排除溶液颜色交替变化的干扰，并基于直方图对比得到相似度进行滴定终点的判定。

2.根据权利要求1所述的化学反应溶液颜色突变识别方法，其特征在于，颜色识别的步骤包括：

A、检测流程开始，进行颜色识别，摄像头实时摄取锥形瓶内溶液的彩色图像，并获取颜色突变前的溶液图像和颜色突变后的溶液图像；

B、图像处理单元基于灰度世界算法对溶液图像进行溶液颜色白平衡处理，减轻环境光线干扰；

C、图像处理单元比较实时图像和颜色突变后的溶液图像R、G、B三分量二阶矩的数值选取阈值。

D、将图像的颜色空间由RGB颜色空间转为HSV颜色空间；

E、基于实时图像和颜色突变后的溶液彩色图像提取H-S特征并获取H-S直方图，直方图是以色度Hue为横轴，以及每个Hue区间的饱和度Saturation累加和为纵轴的直方图；

F、基于实时图像和颜色突变后的溶液图像的H-S直方图输出直方图相似度；

G、对滤波后的直方图相似度进行微分运算，当相似度微分值最大时，指示化学反应到达终点，输出检测完毕信号。

3.根据权利要求2所述的化学反应溶液颜色突变识别方法，其特征在于，统计像素点数量时其阈值的设定规则如下：

通过多次预实验，设溶液颜色初始变化时刻的Hue通道平均数值和化学反应结束即颜色稳定时刻的Hue通道平均数值为像素点统计的阈值范围。

4.根据权利要求2所述的化学反应溶液颜色突变识别方法，其特征在于，化学反应过程中由于化学反应不完全、溶质未完全溶解等原因，溶液颜色会交替变化，故系统设置符合阈值的像素点数量需达到图像总像素点的50％以上；

若像素点数量未达到总像素点的50％以上，认为化学反应仍未结束，设相似度为零，若像素点数量达到总像素点的50％以上则开始进行溶液图像颜色突变前后的直方图的相似度计算，配合二阶矩阈值消除溶液颜色交替变化引起的误判。

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