RGB圖像顏色檢測的Cd(II)濃度測量研究*

胡衛軍

(重慶市檢測控制集成系統工程實驗室 重慶工商大學 計算機科學與信息工程學院，重慶 400067)

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RGB圖像顏色檢測的Cd(II)濃度測量研究*

胡衛軍

(重慶市檢測控制集成系統工程實驗室 重慶工商大學 計算機科學與信息工程學院，重慶 400067)

在實驗中，鎘離子(Cd(II))與對硝基苯重氮氨基偶氮苯反應的溶液隨著Cd(II)濃度從0.066 0～0.648 2 μg/mL會有顏色深淺的變化。為了探求顏色變化與Cd(II)濃度之間的關系，本研究包含了紅綠蘭(RGB)測量結構、實驗圖像采集、對實際采集的RGB圖像數據處理，其中重點在于RGB圖像處理中的圖像定位、圖像分割和RGB圖轉YUV圖時V值計算。最終通過非線性擬合得到顏色變化(V值)與Cd(II)五種濃度之間的關系服從指數函數關系。

Cd(II)； 紅綠蘭； 圖像分割

0 引 言

鎘離子(Cd(II)) 是一種廣泛存在于空氣、水和食物中的對人體健康危害極大的重金屬污染物[1]，因而對Cd(II)的檢測具有重要的意義。目前測定Cd(II)的主要儀器或分析方法有：原子吸收光譜法、原子發射光譜法、ICP—質譜法、X射線熒光光譜法、離子選擇性電極、伏安法及庫侖計等。這些測定方法對重金屬離子的檢測限都可達10-9級，但這些方法一般是在實驗室進行，存在耗時、分析步驟復雜、分析儀器昂貴、采樣頻率低及樣品不易保存等缺點[2]。此外，Shweta C利用酞菁染料與酶的作用來進行Cd2+和Cu2+的檢測[3]。李俊立等人基于Cd(II)和人血清白蛋白(HSA)之間的結合特征及機理采用熒光猝滅法定量檢測Cd(II)濃度[4]。胡衛軍采用塑料光纖對Cd(II) 與對硝基苯重氮氨基偶氮苯反應的溶液進行吸收光譜采集和處理，測量下限可以達到0.004 7 μg /mL[5]，并且對采用高斯函數來對離子敏光纖傳感器陣列進行仿真[6]。在研究過程中，發現Cd(II) 與對硝基苯重氮氨基偶氮苯反應的溶液顏色隨著Cd(II)濃度的增大會由淺變深。因而考慮通過對紅綠藍(RGB)顏色進行檢測來實現Cd(II)濃度的測量。RGB顏色檢測已經得到了廣泛的應用。Senthilnath J等人采用RGB圖像進行番茄的檢測[7]。Nguyen Tien Thanh等人采用RGB攝像機對蘋果進行檢測[8]。說明這一方法是可行的。

1 Cd(II) RGB測量結構

Cd(II)的測量結構如圖1所示。當4種濃度的Cd(II)與對硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)指示劑在反應板中反應后得到不同濃度RGB顏色信息，經過對攝像頭采集的圖像信息進行處理來確定Cd(II)的濃度與RGB顏色之間的關系。

圖1 Cd(II)RGB測量結構Fig 1 Structure of Cd(II) RGB measurements

2 實 驗

選用中國國家有色金屬與電子材料分析測試中心濃度為1 000 μg/mL的Cd (II) 標準試劑進行測試溶液配置，將Cd (II)與對硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)分別配置成0.066,0.131 7,0.327 3,0.436 3,0.648 2 μg/mL共5種濃度的溶液置于反應板中，攝像頭采集的RGB圖像如圖2所示，從左至右分別對應著前述5種濃度。

圖2 5種濃度Cd(II)的RGB圖像Fig 2 RGB image of 5 concentrations of Cd(II)

3 圖像數據處理

由圖2可見，每個反應板邊緣部分有背景光干擾，對RGB信息的提取會有影響，所以只需要截取中心部分圖像，這就需要先對反應池每個中心進行定位，即在圖2中找到各反應池的圓心位置，那么首先要進行圖像的二值化處理，經過濾波后進行定位然后再分割圖像。圖像數據處理的過程如圖3所示。以下的處理均用MatLab軟件實現。

圖3 圖像數據處理流程Fig 3 Process of image data processing

由于反應板背景和顏色比較淡，直接灰度化再二值化的效果不理想。在此應先將RGB圖轉換為HSV圖，其S層圖像如圖4所示。

圖4 HSV圖的S層圖像Fig 4 S layer image of HSV image

在此基礎上將圖4二值化得到圖5所示二值化圖像。

圖5 二值化圖像Fig 5 Binary image

如圖5所示，Cd(II)d的各濃度二值化圖像疊加著很多高頻噪聲信息，會影響最終的各反應池中心定位。在此采用50×50中值濾波的方式對二值化圖像做平滑處理，得到圖6。可以明顯地看到去噪后圖像的噪點基本消除，信噪比有較大的改善。

圖6 中值濾波后二值化圖像Fig 6 Binary image after median filtering

在此基礎上，采用regionprops()函數[9]求得反應池圓心位置。該函數在MatLab中是用來度量圖像區域屬性的函數。其屬性“Centroid”表征每個區域的質心(重心)。通過調用該函數，可以得到第四個和第五個反應池圓心位置的像素坐標分別為(986，155)和(1263，155)，根據反應池的結構可以分別得到第一個、第二個和第三個反應池的圓心位置坐標為(155，155)，(432，155)，(709，155)。各反應池中心位置如圖7中“*”所示。

圖7 反應板中心位置標記Fig 7 Center location marker of reaction plate

以上述5個坐標為中心，以51像素值為邊長在RGB原圖上分割出如圖8所示正方形區域圖形分別對應這5種不同濃度的圖形。

圖8 分割圖像Fig 8 Splited image

根據得到Cd(II)的5種濃度的RGB圖，通過取每一個正方形區域圖像的R，G，B的平均值，得到如表1所示的RGB分量平均值。

表1 RGB分量均值表

將各濃度的RGB值分別代入RGB彩色模型轉YUV模型的式(1)[10]中計算V值，將得到的V值與對應的濃度進行非線性擬合

V=0.615R-0.515G-0.100B

(1)

圖9 Cd(II)V值擬合曲線Fig 9 Fitted curve of V value of Cd(II)

擬合曲線為y=-74.845 3exp(-x/1.398 64)+87.784 22，擬合相關系數R2為0.962 15，擬合度比較高。

4 結 論

本文對Cd(II)與敏感試劑在反應板上反應后生成絡合溶液的RGB圖像進行采集。經過對RGB圖像進行一系列的處理得到Cd(II)的5種濃度對應的RGB圖的V值來反映各種濃度圖像的顏色變化，在此基礎上通過非線性擬合研究得到V值與5種濃度之間的關系服從指數表達形式，擬合的相關系數達到0.962 15。通過這種方法的測量濃度范圍為0.066 0～0.648 2μg/mL。對Cd(II)的RGB圖像顏色信息處理的研究為研究其他重金屬離子的濃度檢測以及重金屬離子敏傳感器陣列的研究提供了良好的實驗基礎。

[1] 吳 剛,劉月明,樓 俊.光纖水質傳感器的研究現狀和發展趨勢[J].傳感器與微系統,2012,31(10):6-8,15.

[2] 方惠群,于俊生,史 堅.儀器分析[M].北京:科學出版社，2002.

[3]ShwetaC,DeepenP,PankajV.Spectroscopicinvestigationofsulfonatephthalocyaninetoprobeenzymereactionsforheavymetalsdetection[J].JournalofHazardousMaterials,2010,173:253-257.

[4] 李俊立,楊葉子,劉華榮,等.熒光猝滅法定量檢測鎘離子濃度的可行性研究[J].中國衛生檢驗雜志，2015,25(3):320-322.

[5] 胡衛軍.基于塑料光纖的Cd(II) 傳感器吸收光譜信號處理研究[J].傳感器與微系統,2015,34(9):11-16.

[6] 胡衛軍,李 明.重金屬離子敏光纖舌信號處理仿真研究[J].傳感器與微系統,2014,33(5):21-23.

[7]SenthilnathJ,DokaniaAkanksha,KandukuriManasa,etal.Detectionoftomatoesusingspectral-spatialmethodsinremotelyensedRGBimagescapturedbyUAV[J].BiosystemsEnginee-ring,2016,146:16-32.

[8]NguyenTienThanh,VandevoordeKoenraad,WoutersNiels,etal.DetectionofredandbicolouredapplesontreewithanRGB-Dcamera[J].JournalofOrganometallicChemistry,2016,146:33-44.

[9] 單改仙,甘 平,孫 露,等.基于圖像傳感器的皮膚紋理自動測量系統設計[J].傳感器與微系統,2013,32(11):92-94.

[10] 程 星,吳 金,陸生禮,等.色彩空間RGB與YUV轉換的硬件設計[J].電子器件,2007,30(2):661-663.

胡衛軍(1977-)，湖南汝城人，工學博士，副教授，主要研究方向為生化傳感技術、信號處理技術和測控技術與儀器等。

Research on measurement of Cd(II) concentration based on color detection of RGB image*

HU Wei-jun

(Chongqing Engineering Laboratory for Detection,Control and Integrated System,College of Computer Science and Information Engineering,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China)

It is discovered that the color of the reaction solution between Cd(II) and 1-(4-nitrophenyl)-3-[4-(phenylazo) phenyl]-1-triazen changes corresponding to the change of Cd(II) concentration from 0.066 0 μg/mL to 0.648 2 μg/mL in experiments.For hunting for relationship between color changes and Cd(II) concentrations,the research includes measurement structure,image acquisition of experiments,data process of RGB image acquired.Among them,the keys of image processing in RGB images are the image positioning,image segmentation andVvalues calculation when RGB format transformed to YUV format.Utilizing the non-linear fitting,relationship between color changes (Vvalues) and five concentrations of Cd(II) obeys the exponential functions.

Cd(II); red,green,blue(RGB); image segmentation

2016—08—08

重慶市檢測控制集成系統工程實驗室開放課題

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0017—03

O 657

A

1000—9787(2016)10—0017—03