圖像RGB數(shù)值衍生的歐氏距離用于手機(jī)比色法檢測(cè)石油類(lèi)物質(zhì)

王嘉輝，吳 限，李麗華，馮恩臨，吳 麗

(遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

石油類(lèi)物質(zhì)是一種含有多種烴類(lèi)及少量其他有機(jī)物的混合物[1]，按各種化合物具有不同沸點(diǎn)這一特征，一般可將石油分為汽油餾分、煤油餾分、輕柴油餾分、重柴油餾分和潤(rùn)滑油餾分，以及殘?jiān)?渣油)。石油類(lèi)污染物被歸類(lèi)為HW08危險(xiǎn)廢物，屬于具有易燃性和毒性的固體廢物[2]。各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)石油類(lèi)污染物含量要求不盡相同，但不論怎樣，石油類(lèi)污染物處理前后的檢測(cè)都有迫切需求。

石油類(lèi)污染物的檢測(cè)方法有重量法[3-5]、電阻法[6]、氣相色譜法[7-8]、熱解法[9]、濁度法[9]、分光光度法[10-12]、熒光光度法[13-14]和紅外分光光度法[15-16]等。一些標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用分光光度法測(cè)定石油類(lèi)物質(zhì)，使用波長(zhǎng)為410～430 nm，屬于藍(lán)紫色光的吸收范圍；而在各種油料含油率的測(cè)試上，羅維朋比色法在可見(jiàn)光范圍內(nèi)檢測(cè)含油率的方法已經(jīng)發(fā)展得非常成熟[17-18]。

隨著移動(dòng)設(shè)備的快速普及和發(fā)展，基于數(shù)字圖像的比色分析方法在手機(jī)平臺(tái)上的定量分析檢測(cè)得到了快速發(fā)展。圖像比色法的分析對(duì)象廣泛，從生物領(lǐng)域的蛋白質(zhì)檢測(cè)[19-20]、生物標(biāo)記檢測(cè)[21-22]、指標(biāo)物檢測(cè)[23-25]和指定疾病檢測(cè)[26]，到具體的染料[27-29]、各類(lèi)農(nóng)殘藥殘[30-31]以及某些可顯色物質(zhì)[32-33]，都能借助移動(dòng)設(shè)備上圖像比色的定量分析，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可靠的檢測(cè)。本文首次通過(guò)圖像比色和歐氏距離計(jì)算油含量，將圖像比色法引入石油類(lèi)物質(zhì)濃度的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了含油污染物的快速檢測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化反饋提供了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

測(cè)試使用智能手機(jī)為MI8(小米公司)，Samsung SM-G960N和Samsung SM-A8S(三星公司)，均使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器；碘鎢燈(300 W，飛利浦公司)；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(蘇州島津儀器有限公司)；恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限公司)；測(cè)光儀(TA8131，蘇州特安斯)；石油醚(分析純，阿拉丁公司)。

1.2 樣品的制備

標(biāo)準(zhǔn)油的提取：參考標(biāo)準(zhǔn)[11]中的標(biāo)準(zhǔn)樣品和操作要求，取50 g油泥樣品置于分液漏斗中，加入一定量的石油醚，在酸性環(huán)境下提取油泥中油品，提取液經(jīng)無(wú)水氯化鈣脫水后過(guò)濾，再于80 ℃水浴蒸去石油醚，得到標(biāo)準(zhǔn)油樣。

含石油類(lèi)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備：取標(biāo)準(zhǔn)油，用石油醚使其完全溶解稀釋?zhuān)渲瞥少|(zhì)量濃度為1 000 mg·L-1的石油類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)溶液儲(chǔ)備液，避光低溫密封保存，待用。取4、8、12、16、20、24、28、32 mL上述儲(chǔ)備液于100 mL 容量瓶中，用石油醚稀釋后搖勻，得到質(zhì)量濃度為40、80、120、160、200、240、280、320 mg·L-1的含油石油醚溶液，并取適量溶液移至比色皿中，供分光光度計(jì)和手機(jī)拍照分析。

1.3 圖片采集裝置及數(shù)據(jù)提取

300 W碘鎢燈作為手機(jī)數(shù)字圖片采集時(shí)的補(bǔ)光設(shè)備，與手機(jī)攝像頭置于同一平面內(nèi)，固定在距離待測(cè)樣品比色皿正前方55 cm處。比色皿后以純白A4紙作為背景。整套裝置置于暗室環(huán)境中，智能手機(jī)基于設(shè)定好的參數(shù)拍照。

圖片通過(guò)Matlab語(yǔ)言編制的軟件處理，由imread命令導(dǎo)入比色皿溶液中心部位16像素×16像素區(qū)域的顏色矩陣，得出對(duì)應(yīng)的RGB值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，并按公式計(jì)算歐式距離(D)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 圖片的處理方式

目前，數(shù)碼照片的彩色模式以RGB(紅綠藍(lán))最為普遍和常用，已有研究大多數(shù)是利用其中一個(gè)顏色通道或其灰度值建立待測(cè)目標(biāo)(濃度等定量指標(biāo))與顏色值的線性關(guān)系[19-33]；然而由于顏色表現(xiàn)和傳感器硬件條件的限制，這個(gè)線性關(guān)系的范圍和線性程度往往不是很理想。

在圖片采集裝置內(nèi)，利用三星G960N手機(jī)在最優(yōu)條件下采集對(duì)應(yīng)圖像，300 W碘鎢燈做光源，白平衡色溫取2 800 K，樣品處的光照度為7 500 Lux，拍攝時(shí)曝光模式設(shè)為自動(dòng)(AE)，對(duì)焦模式設(shè)為自動(dòng)(AF)。結(jié)合不同濃度溶液的RGB值與空白值按公式(1)求得歐式距離(Euclidean distance，D)。其中Ri、Gi、Bi分別為對(duì)應(yīng)濃度下的RGB值，R0、G0、B0為相同拍攝條件下純石油醚溶液的RGB值。

(1)

將各分量(RGB值與D值)與質(zhì)量濃度(C，mg·mL-1)進(jìn)行線性擬合(圖1)，發(fā)現(xiàn)在同樣條件下，RGB顏色通道的各分量都與質(zhì)量濃度存在較好的線性關(guān)系，但線性相關(guān)系數(shù)和濃度梯度均不如計(jì)算后的D值。在適當(dāng)條件下，歐式距離D與質(zhì)量濃度C的相關(guān)系數(shù)(r2)可達(dá)0.999 3。這是因?yàn)橛?jì)算后的D值消除了一定的背景誤差和空白誤差，提高了方法的精密度和準(zhǔn)確度。

圖1 RGB各分量(A)、歐氏距離(B)與質(zhì)量濃度的線性關(guān)系Fig.1 Linear relationship between concentration and RGB components(A) and Euclidean distance(B)

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明在一定的拍攝條件下，含石油類(lèi)物質(zhì)溶液顏色隨質(zhì)量濃度C的變化在RGB 3個(gè)顏色分量上呈線性分布，各個(gè)顏色點(diǎn)在RGB顏色空間內(nèi)也呈線性分布。所以總體上，以歐氏距離D來(lái)衡量質(zhì)量濃度C的變化，比用RGB某個(gè)單一分量更準(zhǔn)確。

2.2 不同品牌手機(jī)的測(cè)試

選取三星G960N、三星A8S和小米MI8 3款手機(jī)為實(shí)驗(yàn)樣品拍照并分析，手機(jī)拍攝時(shí)曝光模式、對(duì)焦模式設(shè)為自動(dòng)，白平衡模式設(shè)為2 800 K以取得最佳圖像表現(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2和表1。結(jié)果表明，采用不同品牌手機(jī)檢測(cè)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液，在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)均有較好的線性關(guān)系，可用于定量測(cè)量。但各手機(jī)之間的線性相關(guān)程度、濃度梯度和濃度范圍因硬件和軟件不同有一定的差別。不同性能的手機(jī)攝像頭，在不同自動(dòng)曝光算法的控制下有不同的表現(xiàn)。對(duì)比圖2和表1發(fā)現(xiàn),在7 500 Lux的照度下自動(dòng)拍攝，相機(jī)的光圈值越小，進(jìn)光量越大，圖像就越明亮越蒼白，數(shù)據(jù)上顯示為低濃度標(biāo)準(zhǔn)液和零濃度標(biāo)準(zhǔn)液的D值就越小，線性程度和范圍也有所下降；另一方面，當(dāng)光圈值相近時(shí)，相機(jī)的質(zhì)量(像素和圖片優(yōu)化算法)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線的表現(xiàn)影響可能更大。

圖2 3款手機(jī)D值與質(zhì)量濃度的線性關(guān)系Fig.2 Linear relationship between D value and concentration of 3 mobile phones

表1 3款手機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)及D值與質(zhì)量濃度C(mg·mL-1)的線性關(guān)系Table 1 The parameters of 3 mobile phones and linear relationship between D value and C(mg·mL-1)

2.3 影響因素的考察

數(shù)字圖像的質(zhì)量容易受光源條件、環(huán)境條件等因素的影響，其中以相機(jī)傳感器色彩表現(xiàn)模式(白平衡模式)和光源種類(lèi)對(duì)圖像顏色影響最為明顯；所以控制這些因素對(duì)提高方法精密度和準(zhǔn)確度有很大的幫助。

利用三星G960N手機(jī)，在光源照度7 500 Lux，拍攝距離55 cm條件下，考察了不同白平衡模式(對(duì)應(yīng)色溫值為2 800、5 500、7 500 K)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度檢測(cè)的影響。由圖3可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)溶液的顏色隨濃度的升高向棕色變化，照片的整體背景顏色隨著色溫值的升高從冷色調(diào)向暖色調(diào)移動(dòng)。在數(shù)值(圖4)上顯示為，隨著色溫值的升高，R顏色通道上的分量逐漸趨于飽和(越來(lái)越接近255的滿值)，B顏色通道上分量的線性區(qū)域快速變??；而同一色溫下不同濃度對(duì)應(yīng)的D值雖然仍保持一定的線性，但其線性相關(guān)系數(shù)隨著色溫的升高也有所下降。結(jié)果表明，偏冷色調(diào)的白平衡模式更有利于石油類(lèi)物質(zhì)濃度的定量測(cè)試，顏色不容易飽和失真，顏色值受到的干擾小，D值線性更好。本文選擇在2 800 K白平衡模式下測(cè)定。

圖3 白平衡模式2 800 K(A)、5 500 K(B)和7 500 K(C)下采集的圖片F(xiàn)ig.3 The images obtained in white balance mode at 2 800 K(A),5 500 K(B)and 7 500 K(C)

圖4 2 800、5 500、7 500 K白平衡模式下RGB各分量D值與質(zhì)量濃度的關(guān)系變化Fig.4 Linear relationship between the concentration and RGB components D value in the white balance mode of 2 800,5 500，7 500 K

產(chǎn)生數(shù)字圖像時(shí)，圖像中的RGB值與光照有密切聯(lián)系。利用三星G960N手機(jī)，固定白平衡模式色溫為2 800 K，手機(jī)與比色皿距離為55 cm，分別在正午日光(日光組)和300 W碘鎢燈(300 W組，距離手機(jī)攝像頭55 cm)做光源的條件下采集圖片并進(jìn)行分析(圖5)。由圖5可見(jiàn)，300 W組對(duì)應(yīng)的RGB顏色值在標(biāo)準(zhǔn)偏差上比日光組的更低，在一系列質(zhì)量濃度下的梯度更大，線性關(guān)系更好。這說(shuō)明，與日光相比，300 W碘鎢燈做光源采集到的圖像顏色變化更均勻，更適合線性定量分析。

圖5 日光和300 W碘鎢燈環(huán)境下RGB各分量及其標(biāo)準(zhǔn)偏差與濃度變化的對(duì)比Fig.5 Comparison of RGB components,standard deviation and concentration in sunlight and 300 W iodine tungsten lamp

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

取0.08、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 mg·mL-18個(gè)質(zhì)量濃度的含石油類(lèi)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液，以石油醚作參比，在波長(zhǎng)410 nm 處測(cè)定吸光度(ABS)，得到分光光度法標(biāo)準(zhǔn)曲線。由表2可知，最優(yōu)條件下(300 W碘鎢燈做光源、白平衡色溫2 800 K),圖像比色法與分光光度法測(cè)試范圍相當(dāng)，但前者線性更好，且方便廉價(jià)，無(wú)需設(shè)定光源波長(zhǎng)，易于操作。

以純石油醚作為空白樣本，利用三星G960N手機(jī)進(jìn)行21次空白試驗(yàn)，按公式(2)計(jì)算方法檢出限(MDL)。

MDL=t(N-1，0.99)×S

(2)

式中N為樣品平行測(cè)定次數(shù)21次；t為自由度N-1、置信度99% 時(shí)的t分布(單側(cè))，查表為2.528；S為N次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。計(jì)算得到MDL為7.12 mg·L-1，測(cè)定下限為28.5 mg·L-1(4倍檢出限)，約等于0.03 g·L-1。

表2 手機(jī)比色法與分光光度法參數(shù)Table 2 Analytical parameters of phone colorimetric method and spectrophotometry

2.5 樣品的測(cè)定及回收率實(shí)驗(yàn)

取9 mL含油標(biāo)準(zhǔn)液(1 g·L-1)至50 mL 容量瓶中定容，在300 W碘鎢燈、2 800 K色溫下，使用三星G960N 進(jìn)行圖片采集，對(duì)6組樣品進(jìn)行平行測(cè)定。測(cè)得結(jié)果相對(duì)誤差(δ)為2.13%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.0%。

每次取5 mL配好的含油樣品A加入6個(gè)比色皿中，再向比色皿中分別滴加1 mL 0.28 g·L-1的加標(biāo)樣，加標(biāo)前后用圖片比色法測(cè)定其質(zhì)量濃度。得到6組實(shí)驗(yàn)的加標(biāo)回收率為92.0%～105%(表3)，說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確度較高。

表3 含油樣品的回收率實(shí)驗(yàn)Table 3 Recovery experiments of oil sample

3 結(jié) 論

本文將一種新的圖像比色模型應(yīng)用于含石油類(lèi)物質(zhì)的測(cè)量，該模型以RGB顏色值間接計(jì)算得到的歐氏距離D為測(cè)量參數(shù)，用于石油類(lèi)物質(zhì)的質(zhì)量濃度測(cè)定。方法在300 W碘鎢燈，色溫2 800 K的白平衡模式下有良好的線性相關(guān)性，測(cè)量準(zhǔn)確。該方法操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，在確定的參數(shù)條件下較為穩(wěn)定，性價(jià)比高，在工廠無(wú)人自動(dòng)化、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)含油濃度方面有廣闊的應(yīng)用前景。