RGB图像颜色检测的Cd(II)浓度测量研究*

胡卫军

(重庆市检测控制集成系统工程实验室 重庆工商大学 计算机科学与信息工程学院，重庆 400067)



RGB图像颜色检测的Cd(II)浓度测量研究*

胡卫军

(重庆市检测控制集成系统工程实验室 重庆工商大学 计算机科学与信息工程学院，重庆 400067)

在实验中，镉离子(Cd(II))与对硝基苯重氮氨基偶氮苯反应的溶液随着Cd(II)浓度从0.066 0～0.648 2 μg/mL会有颜色深浅的变化。为了探求颜色变化与Cd(II)浓度之间的关系，本研究包含了红绿兰(RGB)测量结构、实验图像采集、对实际采集的RGB图像数据处理，其中重点在于RGB图像处理中的图像定位、图像分割和RGB图转YUV图时V值计算。最终通过非线性拟合得到颜色变化(V值)与Cd(II)五种浓度之间的关系服从指数函数关系。

Cd(II)； 红绿兰； 图像分割

0 引 言

镉离子(Cd(II)) 是一种广泛存在于空气、水和食物中的对人体健康危害极大的重金属污染物[1]，因而对Cd(II)的检测具有重要的意义。目前测定Cd(II)的主要仪器或分析方法有：原子吸收光谱法、原子发射光谱法、ICP—质谱法、X射线荧光光谱法、离子选择性电极、伏安法及库仑计等。这些测定方法对重金属离子的检测限都可达10-9级，但这些方法一般是在实验室进行，存在耗时、分析步骤复杂、分析仪器昂贵、采样频率低及样品不易保存等缺点[2]。此外，Shweta C利用酞菁染料与酶的作用来进行Cd2+和Cu2+的检测[3]。李俊立等人基于Cd(II)和人血清白蛋白(HSA)之间的结合特征及机理采用荧光猝灭法定量检测Cd(II)浓度[4]。胡卫军采用塑料光纤对Cd(II) 与对硝基苯重氮氨基偶氮苯反应的溶液进行吸收光谱采集和处理，测量下限可以达到0.004 7 μg /mL[5]，并且对采用高斯函数来对离子敏光纤传感器阵列进行仿真[6]。在研究过程中，发现Cd(II) 与对硝基苯重氮氨基偶氮苯反应的溶液颜色随着Cd(II)浓度的增大会由浅变深。因而考虑通过对红绿蓝(RGB)颜色进行检测来实现Cd(II)浓度的测量。RGB颜色检测已经得到了广泛的应用。Senthilnath J等人采用RGB图像进行番茄的检测[7]。Nguyen Tien Thanh等人采用RGB摄像机对苹果进行检测[8]。说明这一方法是可行的。

1 Cd(II) RGB测量结构

Cd(II)的测量结构如图1所示。当4种浓度的Cd(II)与对硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)指示剂在反应板中反应后得到不同浓度RGB颜色信息，经过对摄像头采集的图像信息进行处理来确定Cd(II)的浓度与RGB颜色之间的关系。

图1 Cd(II)RGB测量结构Fig 1 Structure of Cd(II) RGB measurements

2 实 验

选用中国国家有色金属与电子材料分析测试中心浓度为1 000 μg/mL的Cd (II) 标准试剂进行测试溶液配置，将Cd (II)与对硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)分别配置成0.066,0.131 7,0.327 3,0.436 3,0.648 2 μg/mL共5种浓度的溶液置于反应板中，摄像头采集的RGB图像如图2所示，从左至右分别对应着前述5种浓度。

图2 5种浓度Cd(II)的RGB图像Fig 2 RGB image of 5 concentrations of Cd(II)

3 图像数据处理

由图2可见，每个反应板边缘部分有背景光干扰，对RGB信息的提取会有影响，所以只需要截取中心部分图像，这就需要先对反应池每个中心进行定位，即在图2中找到各反应池的圆心位置，那么首先要进行图像的二值化处理，经过滤波后进行定位然后再分割图像。图像数据处理的过程如图3所示。以下的处理均用MatLab软件实现。

图3 图像数据处理流程Fig 3 Process of image data processing

由于反应板背景和颜色比较淡，直接灰度化再二值化的效果不理想。在此应先将RGB图转换为HSV图，其S层图像如图4所示。

图4 HSV图的S层图像Fig 4 S layer image of HSV image

在此基础上将图4二值化得到图5所示二值化图像。

图5 二值化图像Fig 5 Binary image

如图5所示，Cd(II)d的各浓度二值化图像叠加着很多高频噪声信息，会影响最终的各反应池中心定位。在此采用50×50中值滤波的方式对二值化图像做平滑处理，得到图6。可以明显地看到去噪后图像的噪点基本消除，信噪比有较大的改善。

图6 中值滤波后二值化图像Fig 6 Binary image after median filtering

在此基础上，采用regionprops()函数[9]求得反应池圆心位置。该函数在MatLab中是用来度量图像区域属性的函数。其属性“Centroid”表征每个区域的质心(重心)。通过调用该函数，可以得到第四个和第五个反应池圆心位置的像素坐标分别为(986，155)和(1263，155)，根据反应池的结构可以分别得到第一个、第二个和第三个反应池的圆心位置坐标为(155，155)，(432，155)，(709，155)。各反应池中心位置如图7中“*”所示。

图7 反应板中心位置标记Fig 7 Center location marker of reaction plate

以上述5个坐标为中心，以51像素值为边长在RGB原图上分割出如图8所示正方形区域图形分别对应这5种不同浓度的图形。

图8 分割图像Fig 8 Splited image

根据得到Cd(II)的5种浓度的RGB图，通过取每一个正方形区域图像的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

将各浓度的RGB值分别代入RGB彩色模型转YUV模型的式(1)[10]中计算V值，将得到的V值与对应的浓度进行非线性拟合

V=0.615R-0.515G-0.100B

(1)

图9 Cd(II)V值拟合曲线Fig 9 Fitted curve of V value of Cd(II)

拟合曲线为y=-74.845 3exp(-x/1.398 64)+87.784 22，拟合相关系数R2为0.962 15，拟合度比较高。

4 结 论

本文对Cd(II)与敏感试剂在反应板上反应后生成络合溶液的RGB图像进行采集。经过对RGB图像进行一系列的处理得到Cd(II)的5种浓度对应的RGB图的V值来反映各种浓度图像的颜色变化，在此基础上通过非线性拟合研究得到V值与5种浓度之间的关系服从指数表达形式，拟合的相关系数达到0.962 15。通过这种方法的测量浓度范围为0.066 0～0.648 2μg/mL。对Cd(II)的RGB图像颜色信息处理的研究为研究其他重金属离子的浓度检测以及重金属离子敏传感器阵列的研究提供了良好的实验基础。

[1] 吴 刚,刘月明,楼 俊.光纤水质传感器的研究现状和发展趋势[J].传感器与微系统,2012,31(10):6-8,15.

[2] 方惠群,于俊生,史 坚.仪器分析[M].北京:科学出版社，2002.

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

[4] 李俊立,杨叶子,刘华荣,等.荧光猝灭法定量检测镉离子浓度的可行性研究[J].中国卫生检验杂志，2015,25(3):320-322.

[5] 胡卫军.基于塑料光纤的Cd(II) 传感器吸收光谱信号处理研究[J].传感器与微系统,2015,34(9):11-16.

[6] 胡卫军,李 明.重金属离子敏光纤舌信号处理仿真研究[J].传感器与微系统,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] 单改仙,甘 平,孙 露,等.基于图像传感器的皮肤纹理自动测量系统设计[J].传感器与微系统,2013,32(11):92-94.

[10] 程 星,吴 金,陆生礼,等.色彩空间RGB与YUV转换的硬件设计[J].电子器件,2007,30(2):661-663.

胡卫军(1977-)，湖南汝城人，工学博士，副教授，主要研究方向为生化传感技术、信号处理技术和测控技术与仪器等。

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

重庆市检测控制集成系统工程实验室开放课题

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0017—03

O 657

A

1000—9787(2016)10—0017—03