CN114047187B - 一种使用raw图像测量有色溶液物质浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用RAW图像测量有色溶液物质浓度的方法，使用从溶液RAW图像中提取的原始数据值与溶液浓度变量建立标准曲线模型，进而用来测量包含该物质的溶液浓度，实施过程包括：检索标准曲线模型数据库，模型存在时直接获取RAW图像并计算溶液浓度值，否则先建立标准曲线模型；配制待测溶液的标准浓度溶液，使用其RAW图像原始数据值与溶液浓度建立标准曲线模型；获取未知浓度溶液的RAW图像原始数据值，使用标准曲线模型计算溶液浓度值。该方法可以更广泛地适用于能够拍摄RAW图像的数码相机、手机、摄像头等，各种检测部件可灵活组装配合使用，有望在提高测量精度的同时降低测量成本，基于此可构建廉价的有色溶液物质快速检测设备。

Description

一种使用RAW图像测量有色溶液物质浓度的方法

技术领域

本发明属于光学手段测量技术领域，具体涉及一种使用RAW图像测量有色溶液物质浓度的方法。

背景技术

常见的溶液物质浓度光学检测方法有比色法、分光光度法、荧光法等，均利用了不同浓度溶液与其特征光谱之间的相关关系。相机作为一种光电转换装置，其产生的电信号与接收的光线强度之间呈较强的正相关性，可根据相似原理用于测定溶液的物质浓度。但目前常见方法并非使用能直接反映光线强度的RAW图像(原始图像)，而是使用将RAW图像转换成用户颜色空间后的RGB图像数据。如：基于机器视觉的水体溶解氧检测装置(CN110672784 A，2020.01.10)，对待测溶液拍照后，将图像的RGB分量转换成HSI分量，并采用神经网络模型计算溶解氧浓度；一种可视化快速检测有机汞化合物的方法(CN 107402210B，2019.06.07)，利用数码相机记录有机汞溶液的颜色变化，与建立的标准色卡进行对比，实现溶液中有机汞的半定量检测。由于从RAW图像到RGB图像的转换需经过一系列非线性化处理，对测量结果存在一定影响。

RAW图像是几乎未作处理且未压缩的数据，能将信息损失降到最低。其结构通常是拜耳阵列模式的二维平面数据形式(如图1)，不能直接用于显示。一般CMOS相机均配有4色通道的拜耳阵列色彩滤片，且以RGBG(红绿蓝绿)拜耳阵列模式较为常见。RAW图像文件直接存储了来自图像传感器的光电信号放大后的数值(原始数据值)以及拍摄时的相机和环境参数，便于后期能够更灵活地处理。RAW图像文件格式较多，不同品牌的相机通常有其自定义的RAW图像文件存储格式，但多数都能转换成公开通用的DNG文件格式。目前支持RAW拍摄的手机也已普及，且基本支持DNG文件存储格式。这为获取和处理RAW图像提供了极大便利，也为实现用RAW图像测量溶液物质浓度带来了更多选择。

基于此，本发明利用相机获得有色溶液的RAW图像及其原始数据值，以此测量溶液中的物质浓度。该方法与分光光度法有相似之处，需要首先建立待测溶液的标准曲线模型。但在建立标准曲线模型时，使用了反映光强度的颜色通道值，而非吸光度。

发明内容

本发明提供了一种使用RAW图像测量有色溶液物质浓度的方法，通过分解RAW图像拜耳阵列以获得各颜色通道的原始数据值，并建立原始数据值与浓度之间的预测模型，以此达到测量溶液物质浓度的目的。该方法包含一个可共享、可随时建立和更新的标准曲线模型数据库，存储了各种待测物质的标准曲线模型及其对应的检测环境参数。本发明的技术解决方案包括以下步骤：

(1)检索标准曲线模型数据库

根据待测物质名称和检测设备使用的相机型号、光源类型、试剂盒规格检索标准曲线模型数据库，若检索到结果，直接执行步骤(6)；否则，执行步骤(2)一(6)。

(2)配制待测物质的标准浓度溶液

配制包含待测物质的一定浓度梯度的标准溶液样品，为建立标准曲线模型做准备。应至少包括含5种浓度样品，其浓度值记为A_j，其中j∈[1，m]，m为样品数量。

(3)获取待测溶液的RAW图像

按照图3所示拍摄方式，吸取固定体积的V ml待测溶液滴入只有底部和顶部透光的固定规格试剂盒中，使用相机在暗室中距试剂盒正上方H处拍摄均匀光线从底部透射溶液的RAW图像。RAW图像结构如图1所示。当重复此操作时，应以相同的拍摄参数值进行拍摄，包括感光度ISO、曝光时间、白平衡、焦距、相机距试剂盒上表面高度H等。

(4)获得溶液在RAW图像中的原始数据值

为降低图像噪声影响，溶液的原始数据值用其RAW图像典型区域内的均值表示。对步骤(3)获取的RAW图像进行线性化纠正、黑水平校正、范围值裁切等预处理后，以液面图像中心点为中心，截取宽为2r(r为不大于1/2液面半径的整数值)个像素的正方形图像为典型区域，分解区域中图像的拜耳阵列以获得4色通道数据，如图2所示。假设每个通道中非空像素的原始数据值分别记为c_1i，c_2i，c_3i，c_4i，计算其均值C₁、C₂、C₃、C₄，即为溶液RAW图像的原始数据值。因此，有

其中n＝r²。

(5)建立标准曲线模型

对于步骤(2)中配制的标准溶液，重复步骤(3)-(4)，获得每个标准浓度溶液的RAW图像4通道原始数据值，记为C_1j、C_2j、C_3j、C_4j，其中j∈[1，m]。以原始数据值C₁、C₂、C₃、C₄为自变量，物质浓度A为因变量，建立线性模型，即标准曲线模型

A＝a*C₁+b*C₂+c*C₃+d*C₄+e，其中a、b、c、d、e为待求参数。

代入具体标准浓度数据A_j和对应4色通道的原始数据值C_1j、C_2j、C_3j、C_4j可求解模型参数。若模型误差符合要求，则将该模型、待测物质名称、步骤(3)中相机拍摄参数和相机型号、光源类型、试剂盒规格、检测溶液体积V等环境参数同步存入数据库；否则，可重复上述步骤。各种待测量物质预测模型及其相应的检测环境参数共同构成了标准曲线模型数据库。

(6)测量未知浓度溶液

执行步骤(3)，按照检索到的标准曲线模型提供的拍摄参数拍摄待测溶液获得溶液RAW图像，并执行步骤(4)获得溶液对应的4色通道原始数据值C_1u、C_2u、C_3u、C_4u、将该值代入检索到的标准曲线模型计算溶液物质浓度值A_u。

本发明有益效果如下：

本发明可以更广泛地适用于能够拍摄RAW图像的数码相机、手机、摄像头等，各种检测部件可灵活组装配合使用，有望在提高测量精度的同时降低测量成本，基于此可构建廉价的有色溶液物质快速检测设备。

附图说明

图1是溶液的RAW图像结构示意图。此图为RGBG拜耳阵列模式的二维平面结构，R、G、B分别代表拜耳阵列的红、绿、蓝色通道。灰色背景为液面区域，斜体加粗字母RGB所示范围为截取的典型区域。

图2是分解典型区域拜耳阵列后得到的R、G、B、G 4色通道图像，其中标识字母R、G、B的为有数值像素，对应数值分别记为R_i、G_i、B_i，参与计算均值：无字母标识的为空像素，不参与计算均值。

图3是RAW图像拍摄示意图。在暗室中，均匀光线从盛有待测溶液的试剂盒底部照射，在距试剂盒正上方固定距离H处用摄像头拍摄液面以获得RAW图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本实施例使用支持RAW图像拍摄的手机测量硫酸铜溶液浓度。具体操作方式如下：

(1)检索标准曲线模型数据库

根据待待测物质名称(此处为“硫酸铜”)以及使用的相机型号、光源类型、试剂盒规格检索标准曲线模型数据库，若未检索到结果，直接执行步骤(6)；否则，执行步骤(2)-(6)。

(2)配制硫酸铜标准浓度溶液

配制浓度为A₁＝100mmol/L、A₂＝200mmol/L、A₃＝300mmol/L、A₄＝400mmol/L、A₅＝500mmol/L、A₆＝600mmol/L的硫酸铜溶液，此时标准样品数量m＝6。

(3)获取硫酸铜标准溶液的RAW图像

吸取待测硫酸铜溶液2ml滴入直径为1.7cm的圆柱形试剂盒中，在暗室内利用光源从底部照射试剂盒。设置相机拍摄参数为ISO-50、曝光时间1/400、白平衡-自然光、默认焦距，使用手机的专业拍摄模式在距离试剂盒20cm高度的正上方拍照，生成名为xxxx.dng的RAW图像。

(4)获取硫酸铜溶液在RAW图像中的原始数据值

对每幅RAW图像进行预处理，包括线性化纠正、黑水平校正、范围值裁切等。在图像的液面中心处，设置一边长为200像素(即r＝100)的正方形区域作为液面图像的典型区，提取区域内的图像。提取的图像为RGBG(红绿蓝绿)拜耳阵列模式，将其直接分解为R、G、B、G 4个通道。对于RGBG模式，2个G通道值几乎相同，可只使用其中一个G通道数据。设R、G、B颜色通道对应的每个像素的原始数据值分别为R_i、B_i、G_i(其中i∈[1，10000])，对每个通道计算原始数据值均值，得到

其中n＝r²＝10000。

(5)建立硫酸铜溶液标准曲线模型

对步骤(2)中的每个标准浓度硫酸铜溶液执行步骤(3)-(4)，获得每个浓度溶液的RAW图像原始数据值C_Rj、C_Gj、C_Bj，其中j∈[1，6]。以标准浓度硫酸铜溶液的原始数据值C_R、C_G、C_B为自变量，浓度A为因变量，建立标准曲线模型

A＝a*C_R+b*C_G+c*C_B+e。

代入数据A_j和C_Rj、C_Gj、C_Bj求解参数a、b、c、e。若模型误差符合要求，将该模型、待测物质名称(此处为“硫酸铜”)、步骤(3)中的拍摄参数和相机型号、光源类型、试剂盒规格、检测溶液体积2ml等环境参数存入标准曲线模型数据库；否则，检查并纠正上述过程，重新实施直至模型误差符合要求。

(6)测量未知浓度硫酸铜溶液

执行步骤(3)-(4)，使用标准曲线模型对应的拍摄参数值拍摄待测硫酸铜溶液以获取溶液RAW图像，并计算各颜色通道原始数据值C_Ru、C_Gu、C_Bu，将其代入标准曲线模型，求解未知硫酸铜溶液的浓度值A_u。

Claims (3)

1.一种使用RAW图像测量有色溶液物质浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检索标准曲线模型数据库；根据待测物质名称和检测设备使用的相机型号、光源类型、试剂盒规格检索标准曲线模型数据库，若检索到结果，直接执行步骤(6)；否则，执行步骤(2)-(6)；

(2)配制待测物质的标准浓度溶液；配制包含待测物质的一定浓度梯度的标准溶液样品，至少应包括含5种浓度；其浓度值记为A_j，其中j∈[1，m]，m为样品数量；

(3)获取待测溶液的RAW图像；吸取固定体积的V ml待测溶液滴入只有底部和顶部透光的固定规格试剂盒中，使用相机在暗室中距试剂盒正上方固定距离H处拍摄均匀光线从底部透射溶液的RAW图像；当重复此操作时，应以相同的拍摄参数值进行拍摄，包括感光度ISO、曝光时间、白平衡、焦距、相机距试剂盒上表面高度H；

(4)获得溶液在RAW图像中的原始数据值；为降低图像噪声影响，溶液的原始数据值用其RAW图像典型区域内的均值表示；对步骤(3)中获取的RAW图像进行线性化纠正、黑水平校正、范围值裁切等预处理，以液面图像中心点为中心，截取宽为2r个像素的正方形图像为典型区域，r为不大于1/2液面半径的整数值，分解区域中图像的拜耳阵列以获得4色通道数据；假设每个通道中非空像素的原始数据值分别记为c_1i，c_2i，c_3i，c_4i，计算其均值C₁、C₂、C₃、C₄，即为溶液RAW图像的原始数据值；因此，有C1＝1nc1in，C2＝1nc2in，C3＝1nc3in，C4＝1nc4in，其中n＝r²；

(5)建立标准曲线模型；对于(2)中配制的标准溶液，重复步骤(3)-(4)，获得每个标准浓度溶液的RAW图像及4通道原始数据值，记为C_1j、C_2j、C_3j、C_4j，其中j∈[1，m]；以原始数据值C₁、C₂、C₃、C₄为自变量，物质浓度A为因变量，建立线性模型，即标准曲线模型A＝a*C₁+b*C₂+c*C₃+d*C₄+e，其中a、b、c、d、e为待求参数，代入具体标准浓度数据A_j和对应4色通道的原始数据值C_1j、C_2j、C_3j、C_4j可求解；若模型误差符合要求，则将该模型、待测物质名称、步骤(3)中的相机拍摄参数和相机型号、光源信息、试剂盒规格、检测溶液体积V等环境参数同步存入数据库；否则，重复上述步骤；各种待测量物质预测模型及其相应的检测环境参数共同构成了标准曲线模型数据库；

(6)测量未知浓度溶液；执行步骤(3)，按照检索到的标准曲线模型提供的拍摄参数拍摄待测溶液获得RAW图像，执行步骤(4)获得溶液对应的4色通道原始数据值C_1u、C_2u、C_3u、C_4u、将该值代入检索到的标准曲线模型计算待测溶液物质浓度值A_u。

2.根据权利要求1所述的一种使用RAW图像测量有色溶液物质浓度的方法，其特征在于，包含一个可重复使用的标准曲线模型数据库，该数据库由各种待测量物质预测模型及其相应的检测环境参数共同构成；在相同的检测环境下可直接使用其中已建立的标准曲线模型，且该数据库可根据需要随时更新。

3.根据权利要求1所述的一种使用RAW图像测量有色溶液物质浓度的方法，其特征在于，使用待测物质溶液的RAW图像原始数据值为自变量建立标准曲线模型，以避免RAW图像转换成RGB图像时非线性化处理的影响。