TWI498539B - 影像式度量折光度系統 - Google Patents

Description

影像式度量折光度系統

本發明是涉及一種度量系統，特別是指一種影像式度量折光度系統之領域。

目前，折光度計之應用相當廣泛，比方說檢驗果汁甜度之糖度計，或檢驗水中鹽度等，皆可以用到折光度計原理。市面上習知之糖度計或折光度計例如中華民國專利D111526或D127363所揭露之折射計。此種折射計基本上為一根圓管體，其前端之鴨嘴狀的部分為測量端，具有機頭狀的可掀式蓋板，內部有長方形透鏡，可將液體滴入到透鏡上，而中間的圓管體則為握持部，尾端為鼓形的接目端，可由此觀看透鏡上的刻度，得知欲測定的折射率或濃度等。習知技術係使用此種由眼睛目視判讀透鏡上的刻度，進而得知欲測定的待測物之折射率或濃度，在長期使用環境下，對使用者的眼睛是非常吃力且容易造成職業傷害。

此外，在中華民國新型專利M398117之糖度檢測機與中華民國新型專利M395161之水果糖度檢測裝置，係使用光學方式來量測折光度。然，此等糖度檢測因為運用光柵光譜零件與紅外檢測元件架構，導致系統設計複雜且紅 外偵測元件和光柵光譜零件所費不貲，因此對於使用者來說，此種類型使用上較為複雜且使用成本較高無法大量利用係為最大之缺點。

因此，如何讓量測折光度之過程變得更具有其簡便性且降低成本。本案發明人有鑑於習知技術之缺失，乃亟思加以研究，終能構思一良善的解決方案，期能提供業界更為方便實用的技術。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種影像式度量折光度系統，其至少包含光學裝置及電子裝置。光學裝置可匯集通過待測物之外部光源；電子裝置包含影像擷取模組、影像分析模組及顯示模組。影像擷取模組可擷取外部光源以產生第一影像；影像分析模組連接於影像擷取模組可接收第一影像，並分析第一影像以產生包含待測物之折光度之分析結果；顯示模組連接於影像分析模組可接收並顯示分析結果。其中，光學裝置可拆卸式地接合於電子裝置，並使外部光源匯集進入影像擷取模組。

較佳地，影像分析模組可包含像素轉換單元、對比線空間座標偵測單元、對比線空間-參數空間座標轉換單元、全像素參數空間座標比對單元、對比線傾斜角判斷單元及折光度對照單元。像素轉換單元可利用像素轉換公式轉換第一影像以得到第二影像。對比線空間座標偵測單元連接於像素轉換單元，可分析第二影像以得到第二影像中每一個像素點(x,y)之梯度值G並可定義梯度值G大於閾值K之像素點(x,y)為對比線特徵點，再計算第二影像中所有對比線特徵點之座標之平均值可得到第二影像中之對比線及其對比線空間座標。對比線空間-參數空間座標轉換單元連接於對比線空間座標偵測單元，可根據座標轉 換公式以將第二影像中所有對比線特徵點轉換為複數個參數空間座標映射曲線。全像素參數空間座標比對單元連接於對比線空間-參數空間座標轉換單元，可使用累加器以得到該複數個參數空間座標映射曲線在極座標上之最大參數空間座標，進而得到對比線之傾斜角。對比線傾斜角判斷單元連接於全像素參數空間座標比對單元，可定義預設值用以判斷傾斜角是否小於預設值，當傾斜角小於預設值時，折光度對照單元可根據對比線空間座標-折光度對照表比對出待測物之折光度，當傾斜角大於預設值時，顯示模組可發出提醒訊號。

較佳地，像素轉換公式可將第一影像之彩色訊號轉換為灰階訊號以獲得第二影像，像素轉換公式符合下列關係式：gr=0.299*Ri+0.587*Gi+0.114*Bi；其中Ri、Gi、Bi分別代表第一影像中紅色、綠色及藍色之色階值，gr代表第二影像中之灰階值，灰階值之範圍可為0-255。

較佳地，對比線空間座標偵測單元係藉由使第二影像中每一個像素點(x,y)分別與水平索伯運算遮罩(Mask_i)及垂直索伯運算遮罩(Mask_j)進行摺積運算(convolution)後，以得到每一個像素點(x,y)之水平梯度強度(Gi)及垂直梯 度強度(Gj)，梯度值。

較佳地，座標轉換公式符合下列關係式：r=xcos θ+ysin θ；其中，r為任意像素點(x,y)在極座標上距離極點之距離，θ為極軸與像素點(x,y)和極點線段之角度。

較佳地，光學裝置包含菱鏡座、透明窗片、可產生全反射之菱鏡、轉接透鏡、接合件及鏡筒。菱鏡座內部具有容置空間；透明窗片可傾斜平貼於菱鏡座之一側；菱鏡可設置於菱鏡座之容置空間內且菱鏡之斜面平貼於透明窗片；轉接透鏡之一側可面向菱鏡之端面；接合件可設置於面向轉接透鏡相對於 菱鏡之端面之另一側；鏡筒為中空結構，鏡筒可套接於菱鏡座以使菱鏡、轉接透鏡及接合件實質上容置於鏡筒；其中，光學裝置可透過接合件可拆卸式地接合於電子裝置。

較佳地，接合件可為磁性元件。

較佳地，電子裝置更可包含聲音提醒模組以根據分析結果之折光度之高低而分別發出高頻聲音訊號及低頻聲音訊號。

較佳地，當折光度高於參考值時，聲音提醒模組發出高頻聲音訊號；當折光度不高於參考值時，聲音提醒模組發出低頻聲音訊號。

承上所述，依本發明之影像式折光度度量系統，其可具有下述優點：本發明之影像式折光度度量系統僅需簡單地將光學裝置設置於具有影像擷取功能之電子裝置上，並使用影像處理方式以快速且準確地得到待測物之折光度，不僅降低了製造成本也不需要複雜的操作步驟，大大地提昇了使用者使用上之簡便性。

1‧‧‧影像式折光度度量系統

10‧‧‧光學裝置

100‧‧‧菱鏡座

110‧‧‧透明窗片

120‧‧‧菱鏡

1201‧‧‧斜面

1202‧‧‧端面

130‧‧‧轉接透鏡

140‧‧‧接合件

150‧‧‧鏡筒

20‧‧‧電子裝置

200‧‧‧影像擷取模組

210‧‧‧影像分析模組

2100‧‧‧像素轉換單元

2110‧‧‧對比線空間座標偵測單元

2120‧‧‧對比線空間-參數空間座標轉換單元

2130‧‧‧全像素參數空間座標比對單元

2140‧‧‧對比線傾斜角判斷單元

2150‧‧‧折光度對照單元

220‧‧‧顯示模組

230‧‧‧聲音提醒模組

第1圖係為本發明之影像式折光度度量系統之第一示意圖。

第2圖係為本發明之影像式折光度度量系統之第二示意圖。

第3圖係為本發明之影像式折光度度量系統之第三示意圖。

第4圖係為本發明之影像式折光度度量系統之流程示意圖。

請一併參閱第1圖與第2圖，第1圖係為本發明之影像式折光度度量系統之第一示意圖，第2圖係為本發明之影像式折光度度量系統之第二示意圖。如第1圖所示，本發明之影像式度量折光度系統1包含光學裝置10及電子裝置20。如第2圖所示，電子裝置20包含影像擷取模組200、影像分析模組210及顯示模組220。光學裝置10包含菱鏡座100、透明窗片110、可產生全反射之菱鏡120、轉接透鏡130、接合件140及鏡筒150。其中，菱鏡座100內部具有容置空間；透明窗片110可傾斜平貼於菱鏡座100之一側；菱鏡120可設置於菱鏡座100之容置空間內且菱鏡120之斜面1201平貼於透明窗片110；轉接透鏡130之一側可面向菱鏡120之端面1202；接合件140可設置於面向轉接透鏡130相對於菱鏡120之端面1202之另一側；鏡筒150為中空結構，鏡筒150可套接於菱鏡座100以使菱鏡120、轉接透鏡130及接合件140實質上容置於鏡筒150。此外，光學裝置10可透過接合件140可拆卸式地接合於電子裝置20，接合件140可為磁性元件。

值得注意的是，電子裝置20更可包含聲音提醒模組230，以根據分析結果之折光度之高低而分別發出高頻聲音訊號及低頻聲音訊號。其中，當折光度高於參考值時，聲音提醒模組230發出高頻聲音訊號，當折光度不高於參考值時，聲音提醒模組230發出低頻聲音訊號。

請參閱第3圖，第3圖係為本發明之影像式折光度度量系統之第三示意圖。如第3圖所示，影像分析模組210可包含像素轉換單元2100、對比線空間座標偵測單元2110、對比線空間-參數空間座標轉換單元2120、全像素參數空間座標比對單元2130、對比線傾斜角判斷單元2140及折光度對照單元2150。像素轉換單元2100可利用像素轉換公式轉換第一影像以得到第二影像。對比線空間座標偵測單元2110連接於像素轉換單元2100，可分析第二影像以得到第二影 像中每一個像素點(x,y)之梯度值G並可定義梯度值G大於閾值K之像素點(x,y)為對比線特徵點，再計算第二影像中所有對比線特徵點之座標之平均值可得到第二影像中之對比線及其對比線空間座標。對比線空間-參數空間座標轉換單元2120連接於對比線空間座標偵測單元2110，可根據座標轉換公式以將第二影像中所有對比線特徵點轉換為複數個參數空間座標映射曲線。全像素參數空間座標比對單元2130連接於對比線空間-參數空間座標轉換單元2120，可使用累加器以得到該複數個參數空間座標映射曲線在極座標上之最大參數空間座標，進而得到對比線之傾斜角。對比線傾斜角判斷單元2140連接於全像素參數空間座標比對單元2130，可定義預設值用以判斷傾斜角是否小於預設值，當傾斜角小於預設值時，折光度對照單元2150可根據對比線空間座標-折光度對照表比對出待測物之折光度，並傳遞折光度給顯示模組220，顯示模組220可接收並顯示折光度，當傾斜角大於預設值時，顯示模組220可發出提醒訊號，提醒使用者須檢查光學裝置10與電子裝置20之間的連結是否有偏斜。也就是說，倘若傾斜角大於預設值時，則會提醒使用者應調整可拆卸式光學裝置10後，再重新進行取像步驟。

實施例：

以下所描述之實施例僅為使便於了解，故不應以此實施例侷限本發明。請參閱第4圖，第4圖係為本發明之影像式折光度度量系統之流程示意圖。如圖所示，首先，使用者啟動電子裝置20之影像擷取模組200擷取待測物置於光學裝置10上，匯集通過待測物之外部光源以產生第一影像，影像分析模組210所接收之第一影像是一張彩色二維影像g(x,y)，其中包含RGB三原色成分，利用像素轉換公式進行影像像素色彩轉換，可獲得第二影像，第二影像係為一張灰階 影像h(x,y)，其灰階值大小介於0-255。完成影像像素色彩轉換後，灰階影像進入對比線空間座標偵測單元2110，對比線空間座標偵測單元2110首先使用索柏運算子(Sobel operator)進行，該對比線空間座標偵測單元係藉由使該第二影像中每一個像素點(x,y)分別與水平索伯運算遮罩(Mask_i)及垂直索伯運算遮罩(Mask_j)進行摺積運算(convolution)後，以得到每一個像素點(x,y)之水平梯度強度(Gi)及 垂直梯度強度(Gj)，該梯度值。梯度值G最大的像素點即為影 像邊緣，亦為對比線所在的像素點。

值得注意的是，

其中水平梯度強度Gi=Mask_i*h(x,y)，垂直梯度強度Gj=Mask_j*h(x,y)。若閾值K為正數且當影像梯度值G小於閾值K，則表示裝置異常，進入告知檢查狀態，讓使用者檢查待測物是否為無效待測物或其他裝置原因並隨後重新擷取影像。當梯度值G大於閾值K，此時將梯度值G大於閾值K之像素點視為對比線特徵點，再計算該第二影像中所有該對比線特徵點之座標之平均值以得到該第二影像中之一對比線及其一對比線空間座標以完成影像對比線邊緣之偵測與對比線位置座標標示。

完成影像對比線邊緣之偵測與對比線位置座標標示後，進入影像對比線空間座標至參數空間座標轉換。利用對比線空間-參數空間座標轉換單元2120根據一座標轉換公式，將該第二影像中所有該對比線特徵點轉換為複數個參數空間座標映射曲線。座標轉換公式符合下列關係式：r=xcos θ+ysin θ；其 中，r為任意像素點(x,y)在極座標上距離極點之距離，θ為極軸與像素點(x,y)和極點線段之角度。

當可拆式光學裝置10與電子裝置20之連接歪斜時，其待測物之對比線於第一影像亦會是歪斜，若歪斜超過某角度值時表示光學裝置10與電子裝置20歪斜過度，且會影響量測折光值之正確性。因此對比線空間-參數空間座標轉換單元2120可將每一特徵點(x,y)，畫出參數空間座標映射曲線，並藉由全像素參數空間座標比對單元2130使用累加器累加該複數個參數空間座標映射曲線。也就是說，在全像素參數座標影像中，所有位於像素空間大小(size)內之每個像素之每個像素參數座標Ii(r,θ)都會被逐點檢查比對，若非最大參數空間座標(MAX)則跳過至下一點(I=I+1，I之初始值為1)繼續檢查；若是最大參數空間座標，則先是儲存最大參數空間座標(MAX)之像素參數座標Ii(r,θ)後，繼續下一點繼續檢查(I=I+1)比對，直到所有位於像素空間大小(size)內之每個像素之每個像素參數座標Ii(r,θ)都被逐點檢查後，最後得到累加值最大的最大參數空間座標(MAX)，即為參數空間座標映射曲線交會之處，即可得知累加值最大時之傾斜角，其中最大參數空間座標(MAX)初始值係為0。

值得注意的是，藉由對比線傾斜角判斷單元2140可判斷傾斜角是否小於預設值，若傾斜角小於預設值，折光度對照單元2150則根據對比線空間座標-折光度對照表得出該待測物之該折光度，並藉由顯示模組220顯示折光度。反之，顯示模組220將發出提醒訊號，告知使用者需調整可拆式光學裝置10之角度並重新擷取影像。

值得注意的是，上述所述實施例是以具有彩色影像感測器之電子裝置，若是以黑白影像感測器之電子裝置所完成之之折光度度量系統皆在本案 之發明精神範圍內，且本發明所指利用折光度以檢測之濃度可為糖度、甜度或鹽度。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧影像式折光度度量系統

10‧‧‧光學裝置

20‧‧‧電子裝置

Claims (8)

1. 一種影像式折光度度量系統，其包含：一光學裝置，係匯集通過一待測物之一外部光源；以及一電子裝置，包含：一影像擷取模組，係擷取該外部光源以產生一第一影像；一影像分析模組，連接於該影像擷取模組，係接收該第一影像，並分析該第一影像以產生包含該待測物之一折光度之一分析結果；以及一顯示模組，連接於該影像分析模組，係接收並顯示該分析結果；其中，該光學裝置係可拆卸式地接合於該電子裝置，並使該外部光源匯集進入該影像擷取模組；其中，該影像分析模組包含：一像素轉換單元，係利用一像素轉換公式轉換該第一影像以得到一第二影像；一對比線空間座標偵測單元，連接於該像素轉換單元，係分析該第二影像以得到該第二影像中每一個像素點(x,y)之一梯度值G，並定義該梯度值G大於一閾值K之該像素點(x,y)為一對比線特徵點，再計算該第二影像中所有該對比線特徵點之座標之平均值以得到該第二影像中之一對比線及其一對比線空間座標； 一對比線空間-參數空間座標轉換單元，連接於該對比線空間座標偵測單元，係根據一座標轉換公式，將該第二影像中所有該對比線特徵點轉換為複數個參數空間座標映射曲線；一全像素參數空間座標比對單元，連接於該對比線空間-參數空間座標轉換單元，係使用一累加器累加該複數個參數空間座標映射曲線，以得到該複數個參數空間座標映射曲線在極座標上之一最大參數空間座標，進而得到該對比線之一傾斜角；以及一對比線傾斜角判斷單元，連接於該全像素參數空間座標比對單元，係定義一預設值並判斷該傾斜角是否小於該預設值；其中，當該傾斜角小於該預設值時，一折光度對照單元係根據一對比線空間座標-折光度對照表得出該待測物之該折光度，當該傾斜角大於該預設值時，該顯示模組發出一提醒訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像式折光度度量系統，其中該像素轉換公式係將該第一影像之彩色訊號轉換為灰階訊號以獲得該第二影像，該像素轉換公式符合下列關係式：gr=0.299*Ri+0.587*Gi+0.114*Bi；其中Ri、Gi、Bi分別代表該第一影像中紅色、綠色及藍色之色階值，gr代表該第二影像中之灰階值，該灰階值之範圍係為0-255。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像式折光度度量系統，其中該對比線空間座標偵測單元係藉由使該第二影像中每一個像素點(x,y)分別與水平索伯運算遮罩(Mask_i)及垂直索伯運算遮罩 (Mask_j)進行摺積運算(convolution)後，以得到每一個像素點(x,y)之水平梯度強度(Gi)及垂直梯度強度(Gj)，該梯度值
4. 如申請專利範圍第1項所述之影像式折光度度量系統，其中該座標轉換公式符合下列關係式：r=xcos θ+ysin θ；其中，r為任意像素點(x,y)在極座標上距離極點之距離，θ為極軸與像素點(x,y)和極點線段之角度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之影像式折光度度量系統，其中該光學裝置包含：一菱鏡座，其內部具有一容置空間；一透明窗片，係傾斜平貼於該菱鏡座之一側；一菱鏡可產生全反射，係設置於該菱鏡座之該容置空間內且該菱鏡之一斜面平貼於該透明窗片；一轉接透鏡，其一側係面向該菱鏡之一端面；一接合件，係面向該轉接透鏡相對於該菱鏡之端面之另一側；以及一鏡筒，係為一中空結構，該鏡筒係套接於該菱鏡座以使該菱鏡、該轉接透鏡及該接合件實質上容置於該鏡筒；其中，該光學裝置係透過該接合件可拆卸式地接合於該電子裝置。
6. 如申請專利範圍第5項所述之影像式折光度度量系統，其中該 接合件係為磁性元件。
7. 如申請專利範圍第1項所述之影像式折光度度量系統，其中該電子裝置更包含一聲音提醒模組以根據該分析結果之該折光度之高低而分別發出一高頻聲音訊號及一低頻聲音訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之影像式折光度度量系統，當該折光度高於一參考值時，該聲音提醒模組發出該高頻聲音訊號，當該折光度不高於該參考值時，該聲音提醒模組發出該低頻聲音訊號。