CN113155814A - 基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置及检测方法 - Google Patents
基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置及检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置及检测方法，该装置包括：光源、匀光片、暗室、多孔板、一体化光纤固定台、聚合物光纤、遮光罩、智能手机等。该方法利用比色阵列与待测物质溶液反应；通过智能手机采集比色阵列图像，根据RGB值生成待测物质色彩指纹；配置不同类型待测物溶液加入到比色阵列，生成各自的色彩指纹，计算欧式距离，对不同待测物进行分类；配置不同浓度待测物溶液，生成色彩指纹，计算欧式距离，拟合出待测物最佳标定曲线，将待测样品的欧氏距离代入标定曲线，计算出待测物溶液浓度。本发明实现了对比色阵列的快速分析、物质分类以及物质定量检测，具有操作简单、成本低廉以及能满足现场快速检测等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置及检测方法，尤其涉及基 于图像分析的水环境污染物质检测的装置及方法。
背景技术
针对水环境的保护和污染检测具有十分重要的现实意义。对于水环境污染检测，目前的 标准方法依赖于精密的实验室设备分析，这类仪器的体积庞大、价格昂贵且需要专人操作； 而现有的现场快速检测方法则依赖于比色反应，其中比色检测装置的集成度和功能完整性都 较低。近年来，由于智能手机的摄像性能和硬件计算能力的不断提升，越来越多的研究团队 致力于开发基于智能手机的便携式比色分析装置，以期实现在现场对样品进行媲美实验室的 高精度检测。目前开发的便携式比色分析装置常采用智能手机摄像头直接拍摄多孔板，由于 镜头对焦距离的限制，此类光学结构的体积较大，样机的便携性会受到影响，无法完美满足 现场检测的需求。因此，对于水环境污染检测这类对操作、成本和便携性有特殊要求的领域， 亟需一种操作简单、成本低廉的便携式比色阵列检测装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光纤阵列的便携式比色阵列图像 采集装置及检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光纤阵列的便携式比色阵列图像 采集装置，该装置包括：电流可调电源适配器、白光LED平面光源、平面光源支架、匀光片、 匀光片支架、暗室、多孔板、一体化光纤固定台(分为载物台和光纤束汇聚端两部分)、聚合 物光纤、微孔、光纤端面保护玻璃、遮光罩、矩形视窗、智能手机以及智能手机卡槽；其中， 白光LED平面光源扣在平面光源支架上，再通过螺丝固定在暗室顶端，其电源线通过暗室背 面开孔与暗室外的电流可调电源适配器链接；均光片通过万能胶固定在匀光片支架上；多孔 板固定于一体化光纤固定台的载物台上；96根聚合物光纤通过万能胶固定在一体化光纤固定 台上，一端连接于载物台上的微孔以传递多孔板的比色阵列图像，另一端固定于光纤束汇聚 端形成整齐的96通道光纤端面；光纤端面保护玻璃通过紫外胶分别固定在96根聚合物光纤 的两个端面上；遮光罩通过万能胶固定于96通道光纤端面外侧；一体化光纤固定台通过螺丝 固定于暗室底部；暗室的顶端上有卡槽，智能手机可通过该卡槽固定在暗室顶端的外侧；暗 室顶端开有一24mm*12mm的矩形视窗，该视窗与暗室内部的96通道光纤端面相对应，智能 手机摄像头通过该视窗对96通道光纤端面进行拍摄，实现对比色阵列的图像采集。
一种利用上述装置且基于图像分析的比色阵列检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)比色阵列测试实验：配置成分不同的比色反应试剂，依次加入至多孔板中构成比色 阵列。在比色阵列反应孔中加入待测样品，摇晃均匀使反应完全，将多孔板放置在一体化光 纤固定台上，由白光LED平面光源照射，透射光通过光纤固定台上的微孔进入聚合物光纤， 光纤将比色阵列的颜色变化传递至另一端的96通道光纤端面上；
(2)比色阵列图像处理：放置于暗室顶端的智能手机通过矩形视窗拍摄暗室中的96通 道光纤端面，对采集的图像进行处理。其中，对图像的处理过程包括以下子步骤：
(2.1)对原始图像进行边缘切割，分割出比色阵列所在区域，区域像素为290*430像素 点；
(2.2)根据光纤阵列分布，提取区域像素中对应的光纤中心点附近10个像素点的RGB 值，分别提取R、G、B三个色彩通道的分量；
(2.3)对(2.2)中提取的光纤中心点附近的10个像素点的RGB分量进行均值处理；根 据平均像素值重新生成96通道数字图像，该图像即为当前比色阵列的色彩指纹；
(3)区分不同种类的待测物质：配置不同种类的待测溶液，依次加入到多孔板中，重复 步骤(2)，得到不同物质的色彩指纹，计算得出不同待测物之间的欧式距离，通过层次聚类 分析算法，得出不同待测物质之间的树状分类图，实现不同待测物质的区分；
(4)确定待测物质的浓度：
(4.1)配置不同浓度的待测物质溶液，依次加入到多孔板中，重复步骤(2)，得到不同 浓度待测溶液的色彩指纹，计算得出不同浓度待测物质的欧式距离，通过最小二乘法拟合曲 线算法，拟合出待测溶液的最佳标定曲线；
(4.2)将未知浓度的待测物质溶液加入至多孔板中，重复步骤(2)得出色彩指纹，计 算得出欧式距离，再通过(4.1)确定的待测物质溶液最佳标定曲线，计算出未知待测物质溶 液的浓度。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置 及基于图像分析的检测方法，可以实现对水环境污染物比色阵列反应的检测和分析，并可扩 展用于其他基于比色反应的化学物质的检测。与现行的标准检测仪器分光光度计及液相质谱 联用仪器相比，具有成本低、操作简便和便携性强等优点。根据以上优点，本发明的装置及 方法可用于对工业废水、农药、重金属、石油等常见水环境污染物的现场快速检测和分析。
附图说明
图1是本发明实施例中基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置整体结构图；
图2是本发明实施例中一体化光纤固定台的结构图；
图3是本发明实施例确定的物质色彩指纹图；
图4是本发明实施例确定的物质分类结果图；
图5是本发明实施例确定的检测重金属的最佳标定曲线的结果图；
图中，电流可调电源适配器1、光源导线2、白光LED平面光源3、平面光源支架4、匀光片5、匀光片支架6、暗室7、多孔板8、一体化光纤固定台9、载物台10、光纤束汇聚端 11、聚合物光纤12、微孔13、光纤端面保护玻璃14、遮光罩15、矩形视窗16、智能手机17、 智能手机卡槽18。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但并不是限制本发明。
如图1、2所示，本发明实施例提供一种基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置， 该装置包括：电流可调电源适配器1、光源导线2、白光LED平面光源3、平面光源支架4、 匀光片5、匀光片支架6、暗室7、多孔板8、一体化光纤固定台9(分为载物台10和光纤束汇聚端11两部分)、聚合物光纤12、微孔13、光纤端面保护玻璃14、遮光罩15、矩形视窗 16、智能手机17以及智能手机卡槽18；其中白光LED平面光源3通过胶水固定在平面光源 支架4上，再通过螺丝固定在暗室7的顶端，光源导线2通过暗室背面开孔与暗室外的电流 可调电源适配器1链接；均光片5通过胶水固定在匀光片支架6上；多孔板8固定于一体化 光纤固定台9的载物台10上；96根聚合物光纤12通过胶水固定在一体化光纤固定台9上， 一端连接于载物台10上的微孔13以传递多孔板8的比色阵列图像，另一端固定于光纤束汇 聚端11形成整齐的96通道光纤端面台；光纤端面保护玻璃14通过紫外胶分别固定在96根 聚合物光纤12的两个端面上；遮光罩15通过胶水固定于光纤束汇聚端11的外侧；一体化光 纤固定台9通过螺丝固定于暗室7底部；暗室7的顶端上有智能手机卡槽18，智能手机17 可通过该卡槽固定在暗室顶端的外侧；暗室顶端开有一24mm*12mm的矩形视窗16，该视窗 与暗室内部的光纤束汇聚端11相对应，智能手机摄像头通过矩形视窗16对96通道光纤端面 进行拍摄，实现对比色阵列的图像采集。
本发明实施例还提供一种应用上述装置检测重金属离子的图像分析方法，包括以下步骤：
(1)比色阵列测试：在多孔板8中依次加入不同种类的pH指示剂、氧化还原指示剂、溶剂致变性指示剂和金纳米颗粒构成比色阵列。在比色阵列中加入待测重金属溶液样品，摇 晃均匀使反应完全，将多孔板8放置在一体化光纤固定台9上，由白光LED平面光源3照射， 透射光通过光纤固定台上的微孔13进入聚合物光纤12，光纤将比色阵列的颜色变化传递至 另一端的光纤束汇聚端11上；
(2)比色阵列图像处理：放置于暗室7顶端的智能手机17通过矩形视窗16拍摄暗室7 中的96通道光纤端面，并对采集的图像进行处理。其中，对图像的处理过程包括以下子步骤：
(2.1)对原始图像进行边缘切割，分割出比色阵列所在区域，区域像素为290*430像素 点；
(2.2)根据光纤阵列分布，提取比色阵列区域像素中对应的光纤中心点附近10个像素 点的RGB值，分别提取R、G、B三个色彩通道的分量；
(2.3)对(2.2)中提取的光纤中心点附近的10个像素点的RGB分量进行均值处理；根 据平均像素值重新生成数字图像，该图像即为当前重金属离子的色彩指纹；
(3)区分不同重金属离子：配置不同种类的待测溶液，依次加入到多块多孔板8中，重 复步骤(2)，得到不同种类重金属离子的色彩指纹，计算得出不同重金属离子之间的欧式距 离，通过层次聚类分析算法，得出不同重金属离子之间的树状分类图，实现不同重金属离子 之间的区分；
(4)确定待测重金属离子的浓度：
(4.1)配置不同浓度的重金属离子溶液，依次加入到多孔板中，重复步骤(2)，得到不 同浓度重金属离子的色彩指纹，计算得出不同浓度重金属离子的欧式距离，通过最小二乘法 拟合曲线算法，拟合出待测重金属离子的最佳标定曲线；
(4.2)将未知浓度的重金属离子溶液加入至多孔板中，重复步骤(2)得出色彩指纹， 计算得出欧式距离，再通过(4.1)确定的重金属离子溶液最佳标定曲线，计算出未知待测重 金属离子的浓度。
图3是本发明实施例确定的重金属离子的色彩指纹图，从图中可以看出不同类型的重金 属离子其色彩指纹有明细差异。图4是本发明实施例区分不同种类重金属离子的树状分类图， 从图中可以看出本发明方法能够实现对不同种类重金属离子的有效区分。图5是本发明实施 例确定的铅离子最佳标定曲线的结果图。从图中可以看出，本发明方法得出的最佳标定曲线 公式为Y＝-0.06829*X+0.7774，其中Y是欧式距离，X是铅离子浓度。实验结果证明本发 明方法能够准确检测待测重金属离子的浓度。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人 员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于光纤阵列的便携式比色阵列图像采集装置，其特征在于，该装置包括：电流可调电源适配器、白光LED平面光源、平面光源支架、匀光片、匀光片支架、暗室、多孔板、一体化光纤固定台、聚合物光纤、光纤端面保护玻璃、遮光罩、矩形视窗和智能手机；
所述白光LED平面光源扣在平面光源支架上，且固定在暗室顶端，其电源线通过暗室背面开孔与暗室外的电流可调电源适配器链接；所述均光片固定在匀光片支架上；
所述一体化光纤固定台固定于暗室底部，分为载物台和光纤束汇聚端两部分；所述多孔板固定于一体化光纤固定台的载物台上；96根聚合物光纤一端连接于载物台上的微孔以传递多孔板的比色阵列图像，另一端固定于光纤束汇聚端形成整齐的96通道光纤端面；光纤端面保护玻璃分别固定在96根聚合物光纤两个端面上；所述遮光罩固定于96通道光纤端面外侧；
所述暗室的顶端设有卡槽，智能手机可通过卡槽固定在暗室顶端的外侧；暗室顶端开有矩形视窗，所述视窗与暗室内部的96通道光纤端面相对应，智能手机摄像头通过所述视窗对96通道光纤端面进行拍摄，实现对比色阵列的图像采集。
2.一种利用权利要求1所述装置且基于图像分析的比色阵列检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)比色阵列测试实验：配置成分不同的比色反应试剂，依次加入至多孔板中构成比色阵列；在比色阵列反应孔中加入待测样品，摇晃均匀使反应完全，将多孔板放置在一体化光纤固定台上，由白光LED平面光源照射，透射光通过光纤固定台上的微孔进入聚合物光纤，光纤将比色阵列的颜色变化传递至另一端的96通道光纤端面上；
(2)比色阵列图像处理：放置于暗室顶端的智能手机通过矩形视窗拍摄暗室中的96通道光纤端面，对采集的图像进行处理，图像处理过程包括以下子步骤：
(2.1)对原始图像进行边缘切割，分割出比色阵列所在区域；
(2.2)根据光纤阵列分布，提取区域像素中对应的光纤中心点附近10个像素点的RGB值，分别提取R、G、B三个色彩通道的分量；
(2.3)对(2.2)中提取的光纤中心点附近的10个像素点的RGB分量进行均值处理；根据平均像素值重新生成数字图像，该图像即为当前比色阵列的色彩指纹；
(3)区分不同种类的待测物质：配置不同种类的待测溶液，依次加入到多孔板中，重复步骤(2)，得到不同物质的色彩指纹，计算得出不同待测物之间的欧式距离，通过层次聚类分析算法，得出不同待测物质之间的树状分类图，实现不同待测物质的区分；
(4)确定待测物质的浓度：
(4.1)配置不同浓度的待测物质溶液，依次加入到多孔板中，重复步骤(2)，得到不同浓度待测溶液的色彩指纹，计算得出不同浓度待测物质的欧式距离，通过最小二乘法拟合曲线算法，拟合出待测溶液的最佳标定曲线；
(4.2)将未知浓度的待测物质溶液加入至多孔板中，重复步骤(2)得出色彩指纹，计算得出欧式距离，再通过(4.1)确定的待测物质溶液最佳标定曲线，计算出未知待测物质溶液的浓度。
3.根据权利要求2所述的比色阵列检测方法，其特征在于，所述比色反应试剂包括pH指示剂、氧化还原指示剂、溶剂致变性指示剂和金纳米颗粒。
4.根据权利要求2所述的比色阵列检测方法，其特征在于，该方法应用于对工业废水、农药、重金属、石油等常见水环境污染物的现场快速检测和分析。
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