專利名稱：使用圖像的水質測定設備和方法
技術領域：
本發明涉及使用圖像數據來測定水質的設備和方法，更具體地涉及這樣的使用圖像數據來測定水質的設備和方法，該設備和方法在獲得包含在由拍攝器(photographer)拍攝的圖像中的圖像數據以后，通過將適于測定水質如渾濁度、COD(化學需氧量)、污染物等的樣品與保存的標準樣進行比較，能夠精確地測定樣品的水質。本發明是以在先的韓國專利申請No.2002-57356的國內優先權為基礎進行準備和申請的。
背景技術：
隨著工業的發展，環境污染成為現代社會的一大問題。在以上的環境污染中，水污染問題廣泛而持久。為了防止水污染造成的一些傷害，需要測定水污染的程度。
用于測定水污染之一的渾濁度的方法有透射光法、表面散射光法和透射散射光法。
在透射光法中，當用來自光源的線偏振光束(light beam)掃描流過流動槽(flow cell)的樣品水時，光電轉換器接收從某一液體透射的光線，并將轉化的電壓再轉化成濁度值。
在散射光法中，當用來自光源的線偏振光束掃描流過流動槽(flow cell)的樣品水時，光電轉換器接收由液體中的微粒散射的光線，并將轉化的電壓再轉化成濁度值。
在表面散射光法中，當不是通過流動槽來掃描而是用來自光源的線偏振光束掃描樣品水的表面時，光電轉換器接收由靠近樣品水表面的微粒散射的光線，并將轉化的電壓再轉化成濁度值。
在透射散射光法中，將通過用散射光強度除以透射光強度獲得的數值再轉化成濁度值。
在上述的渾濁度測定方法中，由于輸入樣品的散射光有失真現象，因此不可能穩定精確地測定低于0.1的渾濁度。
另外，由于存在COD、各種污染物等問題，因此需要使用專用的測定設備來檢查水污染狀況，并且需要肉眼觀察污染的狀況。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供使用圖像數據來測定水質的設備和方法，該設備和方法克服了現有技術中遇到的問題。
本發明的另一個目的是提供使用圖像數據來測定水質的設備和方法，該設備和方法在獲得由拍攝器拍攝的圖像中含有的圖像數據以后，通過將適于測定水質如渾濁度、COD、污染物等的樣品與保存的標準樣進行比較，能夠精確地測定樣品的水質。
本發明的另一個目的是提供使用圖像數據來測定水質的設備和方法，該設備和方法通過將包含在樣品圖像中的紅色、綠色和藍色像素的數目與標準樣的像素數目進行比較，能夠精確地計算與樣品水質值具有相同像素數目的標準樣的水質值。
本發明的另一個目的是提供使用圖像數據來測定水質的設備和方法，該設備和方法通過將樣品從外面全部遮住，并在光強度和掃描角度不變的情況下用相機拍攝圖像，始終能夠從相同的樣品中獲得相同的水質數據。
為了達到上述目的，在能夠通過將光投射到樣品上來測定水質狀況的水質測定方法中，提供了一種水質測定方法，該方法包括如下步驟將待測水質的樣品放在樣品容器中；在避免外部光線輸入的情況下將光線照射到樣品容器上；拍攝樣品的圖像并將其處理成圖像數據；將拍攝的樣品圖像中包含的圖像數據與之前計算并儲存的標準樣的圖像數據進行比較；以及用樣品的水質值計算與樣品具有相同的圖像數據的標準樣的水質值。
進一步提供了在樣品中產生所需顏色的樣品預處理，以測定與樣品COD和各種離子有關的水質。
為了達到上述目的，在能夠測定水質的水質測定設備中，提供了一種使用圖像數據的水質測定設備，該設備包含能夠避免外部光線輸入的一定形狀的外殼、安裝在該外殼的一側并能容納插入其中的樣品的樣品容器、設置在該樣品容器附近并適于為樣品容器提供光線的光源、適于拍攝由光線照射的樣品容器中的樣品并形成圖像的拍攝單元、適于將由拍攝單元拍攝的圖像中含有的圖像數據與之前儲存的標準樣的圖像數據進行比較并計算樣品水質值的相關計算單元、適于將由相關計算單元計算的樣品的水質值顯示在屏幕上的顯示單元、以及適于控制各種數據流程的控制單元。
在本發明中，所述光源使用至少一個以上的光源，并且所述光源選自由白光、可見光、紅外線、紫外線以及激光所組成的組中。
優選地，所述拍攝單元以與所述光源單元成90°的角度安裝。
優選地，所述圖像數據與R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)像素的數目相對應。
優選地，水質與選自由渾濁度、COD以及多種離子所組成的組中的一種相對應。


結合附圖將能更好地理解本發明，但是附圖只是為了描述而不是對本發明的限制，在附圖中圖1是描述依據本發明實施方案的使用圖像數據的水質測定設備的示意圖；
圖2是描述依據本發明實施方案的使用圖像數據的水質測定設備的方塊圖；圖3是描述依據本發明實施方案的數據庫的一個實例的視圖；圖4A-4C是描述依據本發明實施方案的所測定的圖像中含有的像素密度的曲線圖；圖5A-5C是依據本發明的圖4A-4C的校準曲線圖。
具體實施方案下面將結合附圖來說明依據本發明的使用圖像數據來測定水質的設備的結構。
圖1是描述依據本發明實施方案的使用圖像數據的水質測定設備的示意圖，圖2是描述依據本發明實施方案的使用圖像數據的水質測定設備的方塊圖，以及圖3是描述依據本發明實施方案的數據庫的一個實例的視圖。
如圖1和2所示，依據本發明的水質測定設備1形成在盒形外殼中，所述外殼可以形成各種結構，如六面體等。樣品5安置在外殼的內部用于測定各種水質值。在將光線透射(transmit)到樣品5上的情況下，通過拍攝獲得圖像數據。然后，比較樣品圖像中含有的圖像數據和之前測定的標準樣的圖像數據，以搜索與樣品5具有相同圖像數據的標準樣，從而計算樣品5的水質值。此時，外殼的內側涂覆有無光澤的黑色物質來防止通過樣品的透射光被除了樣品以外的某一物質所散射。
如圖2所示，將描述使用圖像數據的水質測定設備。在水質測定設備1的內部，設置有樣品容器2、光源單元4、拍攝單元6、相關計算單元8以及控制單元14。在水質測定設備的表面，設置有顯示單元10和各種操作開關單元12。
樣品容器2安裝在光源附近，因此在提供用于測定各種水質狀況的樣品之后，來自光源單元4的光線被直接輸出到樣品5上。當將樣品5放置到樣品容器2中時，樣品容器2被覆蓋使得除了來自光源的光線以外的光線不被輸入。此時，樣品容器2形成于定量結構(a batch construction)中，以實現樣品5的均勻分布。
在樣品容器2中，應當進行預處理以便肉眼觀察與COD(化學需氧量)、Cr6+、F、T-P、Cl-、過氧化物、氯化物、Fe、T-N、硝酸氮、ABS、硫酸根離子、苯酚、氰、鉻、鋅、銅、鎘、鉛、砷、鎳、三鹵甲烷等因素有關的水質。例如，為了測定COD，將H2SO4和Ag2SO4加入到樣品中，并且加入KMnO4并加熱，按照這個次序進行預處理。然后，混入Na2C2O4，并逐滴加入KMnO4。另外，Cr6+需要一個特定的預處理，即將H2SO4加入到樣品并冷卻至15℃，然后注入聯苯卡巴肼(diphenylcarbazide)。另外，F需要預處理，即將酚酞乙醇溶液加入到樣品，加入氫氧化鈉并濃縮，加入二氧化硅、磷酸和高氯酸鹽并蒸餾，并且將得到的混合物置于鑭-茜素絡合酮(La AlizarinComplexon)中靜置一小時。當通過上述方法用著色劑將離子染色時，拍攝單元拍下與染色狀態有關的照片，因此可以獲得微粒暴露的圖像。
安裝光源單元4使得來自光源單元4的光線輸入到樣品容器2。將普通的可見光、紅外線、紫外線、激光等用作光源。在普通樣品的情況下，使用具有相對高的透射系數的激光。在需要消光度如T-P的樣品的情況下，一般使用UV。
此外，在光源單元中，連續安裝至少一個以上的光源，使得樣品容器基于輸出到樣品容器的光線具有相同的發光強度。也就是說，在使用一個光源的情況下，由于光線不能透過被樣品微粒中的較大微粒覆蓋的相對小的微粒，因此光線可能不被輸入到拍攝屏幕中。在使用多個光源的情況下，由于微粒沒有位于光源的直線方向上，因此可以防止光線因為較小微粒被較大微粒覆蓋而不能透過這些微粒的問題。因此，可以獲得基于透過樣品的微粒形成的所需的圖像。
拍攝單元6包括設置在樣品容器2附近用于捕捉在來自光源的光線照射時形成的樣品5的圖像的拍攝設備。數碼相機、CCD、圖像照相機、可攜式攝像機(camcorder)等都可以用作拍攝設備6。設計普通相機使其能夠將由A/D轉換器捕捉的圖像轉換成數字數據。上述拍攝單元6以大約45°-90°的角度安裝，使得拍攝單元6不受除照射到樣品5的光線以外的其它光線的影響。特別優選地，拍攝單元6以與光源成90°的角度安裝。
相關計算單元8接收由拍攝單元6拍攝的樣品的圖像，并將圖像中含有的圖像數據與水質數據DB16中儲存的標準樣的圖像數據進行比較，從而計算樣品5的水質數據。
在相關計算單元8中，回歸分析法、最優化技術、人工神經元系統、模糊算法、神經元模糊算法等可以用于在比較樣品和標準樣時使用的相關計算算法。特別地，在相關計算單元中，使用比較法來測定由拍攝單元拍攝的圖像的圖像數據中含有的紅色、綠色和藍色像素的數目，將測定值與設置為之前儲存的標準樣的圖像數據的R、G、B值進行比較，然后搜索具有相同R、G、B值的標準樣。例如，通過拍攝標準樣品并計算其平均值得到的圖像數據中含有的密度，如圖4A所示在0.1NTU-1.0NTU的范圍內保持穩定，如圖4B所示在1.0NTU-10.0NTU的范圍內保持穩定，并且如圖4C所示在10.0NTU-100.0NTU的范圍內保持穩定。此外，圖5A-5C是測定的像素密度與渾濁度之間關系的校準曲線圖。如圖所示，像素密度在0.1NTU-100.0NTU的所有區域里線性增強。
另外，關于各種不同的水質標準樣的圖像數據，將通過測定來自圖像數據的R、G、B像素的數目而獲得的結果作為標準值儲存在水質數據DB16中，所述圖像數據是通過在相同情況下多次進行的多步拍攝操作而獲得的。如圖3所示，與渾濁度有關的圖像數據儲存在渾濁度數據DB20中，與COD有關的圖像數據儲存在COD數據DB22中，并且與各種離子有關的圖像數據儲存在數據庫24-40中。
由相關計算單元8比較的樣品5的水質數據以及與水質測定設備1的操作有關的數據通過顯示單元10輸出到屏幕上，如LCD等。
操作開關單元12包括操作水質測定設備1所需的各種開關。
另外，控制單元14適用于控制水質測定設備1的信號。
下面將描述使用依據本發明實施例的水質測定設備來測定渾濁度的過程。
首先，將適于測定渾濁度的樣品5放入樣品容器2中，并將樣品容器2的蓋子蓋上。當樣品5置于樣品容器2中時，為光源單元4提供電源，因此光線從光源單元4輸出。此時，來自光源的光線只輸出到樣品容器2中的樣品5上。
然后，利用拍攝單元6的相機來拍攝由光線照射的樣品5。此時，拍攝單元6以與光源單元4成90°的角度安裝，使得拍攝單元6不受除了照射到樣品上的光線以外的反射光和光源的影響。特別地，光源單元4的內部完全與外部光線隔開，以將來自樣品5的圖像充分地傳遞到拍攝單元6。
當由拍攝單元6拍攝到樣品5的圖像時，通過相關計算單元8根據一些理論和技術的算法如回歸分析法、最優化技術、人工神經元系統、模糊算法、神經元模糊算法等來計算樣品的圖像數據。將水質數據DB16中儲存的標準樣圖像數據與相應的樣品的圖像數據進行比較，選擇具有相同圖像數據的標準樣作為樣品5的水質值。例如，測定R、G、B像素的數目作為所拍攝的樣品圖像的圖像數據，并且將其與設定為之前儲存的標準樣的圖像數據的R、G、B像素的數目進行比較。然后，搜索并選擇具有相同R、G、B像素數目的標準樣作為樣品的濁度值。
此外，為了測定樣品的水質因素，如COD、Cr6+、F、T-P、Cl-等，可以進行預處理以改變與樣品的COD狀況或某一離子的反應有關的顏色。使用拍攝單元拍攝樣品，從而可以檢查樣品的水質因素，如COD、Cr6+、F、T-P、Cl-等。
在上述預處理中，在測定COD的情況下，將10毫升H2SO4和10毫升Ag2SO4加入到樣品中，并且加入KMnO4，并且將得到的樣品加熱并混入10毫升Na2C2O4，然后逐滴加入KMnO4，因此圖像變成淡粉紅色。另外，在測定Cr6+的情況下，用氫氧化鈉(1N)或硫酸溶液(1N)中和樣品，然后加入3毫升H2SO4(1+9)。將得到的混合物冷卻至15℃，往得到的混合物中注入聯苯卡巴肼進行預處理，因此可以在可見光范圍內獲得圖像。
在測定F的情況下，將酚酞乙醇溶液和氫氧化鈉加入到樣品并蒸發、濃縮因此得到紅色的混合物。然后加入二氧化硅、磷酸和高氯酸鹽并蒸餾。將得到的混合物置于鑭-茜素絡合酮中靜置一小時。完成上述預處理后，可以在可見光范圍內獲得圖像。
在測定T-P的情況下，將10毫升過氧二硫酸鉀溶液加入到10毫升樣品中，在高壓蒸汽熱滅菌器中加熱30分鐘并冷卻。加入20毫升鉬酸銨和抗壞血酸的混合物，并且在20-40℃下放置15分鐘，從而在可見光范圍內獲得圖像。此外，在測定Cl-的情況下，用氫氧化鈉溶液或硫酸溶液中和樣品，從而在可見光范圍內獲得圖像。
將通過上述預處理拍攝的樣品的圖像數據與COD數據DB22、Cr6+數據DB24、F數據DB26、T-P數據DB28和氯離子數據DB30中儲存的標準樣的圖像數據進行比較，從而獲得樣品的水質數據。
如上所述，在依據本發明的水質測定設備中，拍攝具有準確的水質因素如渾濁度、COD等的標準樣的圖像，在數據庫中形成該圖像中含有的R、G、B數據值的圖像數據，并用由數據組成的該數據庫來處理樣品的圖像數據，以了解如渾濁度、COD等的水質因素，從而可以獲得樣品的準確的水質狀況。
另外，將經過處理可以獲得水質狀況的樣品的圖像數據與標準樣的圖像數據進行比較。參照與樣品水質值具有相同圖像數據的標準樣可以計算出水質值。
在依據本發明的水質測定設備中，為了測定與COD、Cr6+、F、T-P、氯、各種離子等有關的水質，為達到所需目的對樣品進行預處理，并且拍攝樣品圖像并用之前形成的數據庫處理該圖像，從而可以準確地獲得樣品的水質狀況。
在拍攝條件如光強度、照射角度等相同的情況下，使用拍攝設備拍攝樣品，從而可以得到準確的水質數據。
在不偏離本發明的主旨或必要特征的情況下可以按照多種方式實施本發明，因此應當理解到，除非特別限定，上述的實施例不受之前說明書的任何詳細說明所限制，而應當在所附的權利要求限定的主旨和范圍內解釋，所以在所述權利要求，或者其等同物范圍內的所有改變和修改都被所附的權利要求所包括。
權利要求
1.一種使用圖像數據的水質測定設備，包括能夠避免外部光線輸入的一定形狀的外殼；安裝在所述外殼的一側并能容納插入其中的樣品的樣品容器；設置在所述樣品容器附近并適于為所述樣品容器提供光線的光源；適于拍攝由光線照射的所述樣品容器中的樣品并形成圖像的拍攝單元；適于將由所述拍攝單元拍攝的圖像中含有的圖像數據與之前儲存的標準樣的圖像數據進行比較并計算樣品水質值的相關計算單元；適于將由所述相關計算單元計算的樣品水質值顯示在屏幕上的顯示單元；以及適于控制各種數據流程的控制單元。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述水質對應于選自由渾濁度、COD(化學需氧量)和水中含有的各種離子所組成的組中的一種。
3.如權利要求1所述的設備，其中在所述相關計算單元中進行的所述水質狀況分析方法是選自由回歸分析法、最優化技術、人工神經元系統、模糊算法、和神經元模糊算法所組成的組中的一種。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述拍攝單元使用至少一個以上的光源，所述光源選自由白光、可見光、紅外線、紫外線和激光所組成的組中。
5.如權利要求1所述的設備，其中所述拍攝單元以與所述光源單元成45°-90°的角度安裝。
6.如權利要求1所述的設備，其中所述圖像數據對應于R(紅色)、G(綠色)和B(藍色)像素的數量。
7.在能夠通過將光線照射到樣品上來測定水質狀況的水質測定方法中，一種水質測定方法包括如下步驟將待測水質的樣品放在樣品容器中；在避免外部光線輸入的情況下將光線照射到所述樣品容器上；拍攝所述樣品的圖像并將其處理成圖像數據；將所拍攝的樣品圖像中包含的圖像數據與之前計算并儲存的標準樣的圖像數據進行比較；以及用樣品的水質值來計算與樣品具有相同的圖像數據的標準樣的水質值。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述水質對應于選自由渾濁度、COD和各種離子所組成的組中的一種。
9.如權利要求7所述的方法，該方法進一步包括在樣品中產生所需顏色的樣品預處理，以測定與樣品的COD和各種離子有關的水質。
10.如權利要求7所述的方法，其中所述將樣品的圖像數據與標準樣的圖像數據進行比較的步驟參考樣品的圖像信號通過一種理論和/或方法來實現，所述理論和/或方法選自由回歸分析法、最優化技術、人工神經元系統、模糊算法和神經元模糊算法所組成的組中，并且其中將樣品的圖像數據與標準樣的圖像數據值進行比較。
11.如權利要求7所述的方法，其中所述圖像數據對應于R(紅色)、G(綠色)和B(藍色)像素的數量。
全文摘要
本發明涉及使用圖像數據來測定水質的設備和方法，該設備和方法在獲得由拍攝器拍攝的圖像中含有的圖像數據以后，通過將適于測定水質如渾濁度、COD、污染物等的樣品與保存的標準樣進行比較，能夠精確地測定樣品的水質。提供了能夠避免外部光線輸入的一定形狀的外殼、安裝在所述外殼的一側并能容納插入其中的樣品的樣品容器、設置在所述樣品容器附近并適于為樣品容器提供光線的光源、適于拍攝由光線照射的樣品容器中的樣品并形成圖像的拍攝單元、適于將由拍攝單元拍攝的圖像中含有的圖像數據與之前儲存的標準樣的圖像數據進行比較并計算樣品水質值的相關計算單元、適于將由相關計算單元計算的樣品水質值顯示在屏幕上的顯示單元以及適于控制各種數據流程的控制單元。
文檔編號G01N33/18GK1688880SQ03824412
公開日2005年10月26日 申請日期2003年8月30日 優先權日2002年9月19日
發明者柳民樹, 樸鐘鎬 申請人:易斯提克株式會社, 黃福榮