[發明專利]一種基于圖像處理的重金屬比色識別裝置及方法

在審

• 申請號: 201711005681.0
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107807098A
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 江帆;朱真才;卞玄玄;周公博;李偉;彭玉興;張夢;盧昊
• 申請（專利權）人: 江蘇海德環境科技有限公司;中國礦業大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G06T7/90
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及一種重金屬比色識別技術，尤其是一種基于圖像處理的重金屬比色識別裝置及方法，屬于水質監測領域。

背景技術

隨著全球經濟的迅速發展，人類對水資源需求量越來越大，但同時水資源的污染問題也日益嚴重。在眾多水污染中重金屬污染占了相當大的比例。而重金屬污染又容易在生物鏈中富集和擴大，并且毒性較大，因此水中重金屬超標及其造成的問題已經嚴重危害到生態環境和人類的生命健康，所以對水中的重金屬含量的檢測至關重要。

目前，國內外真正應用于水中重金屬在線分析的技術主要是比色法和電化學分析方法。比色法又稱分光光度法是化學分析中常用的方法之一，是經典的化學分析方法之一，主要基Lambert-Beer定律，在一定的條件下，重金屬離子與某一特定的試劑進行化學反應，在溶液中產生新的化學物質，該物質一般具有特定吸收波長光，當一束與新產生的化學物質匹配的單色光通過該溶液時，溶液的吸光度與溶液中新產生的化學物質濃度相關，據此建立吸光度與被測組分的濃度關系。該方法原理簡單，不需要特殊設備，一般分光光度計即可滿足需求，因此在實驗室重金屬分析中依舊較為常見。但該方法面臨突出的離子干擾問題，因而精確性與可靠性不高，且缺乏自動性。

申請號為CN 201510413799.1的發明專利，雖然公開了通過圖像分析實現重金屬濃度預測的裝置和方法，但是其建立的模型給出的是金屬濃度的預測范圍，存在模型的建立難度大，測量精度低的不足，同時，需要先識別重金屬種類，然后測量的金屬濃度為一個范圍值，不精確。

發明內容

為了克服現有技術的上述不足，本發明提供一種基于圖像處理的重金屬比色識別裝置及方法，可實現自動化與精確化的重金屬含量判定，具有極高的推廣價值。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是：

一種基于圖像處理的重金屬比色識別裝置，包括拍攝模塊、補光模塊、固定模塊、控制模塊、顯示模塊和供電模塊，所述補光模塊包含可調補光燈和顏色指定標簽，所述拍攝模塊與可調補光燈安裝于固定模塊上并與水樣容器相對，可調補光燈布置于拍攝模塊的四周，顏色指定標簽安裝在水樣容器的內壁，拍攝模塊也與控制模塊的輸入端相連，控制模塊的輸出端分別與可調補光燈和顯示模塊相連，供電模塊為整個裝置供電；比色識別裝置工作于沒有光照的條件下。

一種基于圖像處理的重金屬比色識別裝置的重金屬比色識別方法，包括以下步驟：

步驟一、建立去燥后的標準對比圖庫和RBF神經網絡金屬濃度預測模型

(1)確定顏色指示標簽的圖像拍攝效果較好的光照為標準曝光條件，并在此條件下由拍攝模塊拍攝顏色指示標簽的圖像，輸入控制模塊，獲得顏色指示標簽像素矩陣，定義為曝光對比矩陣A；

(2)在相同的標準曝光條件下，由拍攝模塊獲得水樣金屬濃度從0到濃度L下與試劑充分反應后的圖像，濃度數值上增加間隔為0.001，輸入至控制模塊中并進行圖像去噪，建立圖像對比圖庫；

(3)將圖像對比圖庫中的所有圖像輸入至RBF神經網絡，獲得圖像對比圖庫中的圖像與對應金屬濃度的擬合模型，用于金屬濃度監測分析；

步驟二、金屬濃度監測前的預處理

(1)控制模塊初始化，設定補光閾值d；

(2)由拍攝模塊獲得當前光照條件下的顏色指示標簽圖像，輸入控制模塊計算其像素矩陣B；

(3)由控制模塊計算||A-B||_F，如果||A-B||_F＞d，則裝置的控制模塊調整可調補光燈的亮度，并執行上一步驟，如果||A-B||_F≤d，則當前為標準曝光條件，并執行下一步驟；

步驟三、金屬濃度監測分析

(1)在標準曝光條件下，由拍攝模塊獲得標準曝光條件下的滴入一定量顯色試劑的測試反應液的照片，并由控制模塊對測試時反應液的照片進行圖像去噪，并獲得測試像素矩陣；

(2)將反應液的測試像素矩陣輸入到步驟一中建立的去燥后的對比圖像與金屬濃度的擬合模型中，模型的輸出值即為此時水樣的重金屬濃度。