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基于智能手机金标试纸定量检测仪
丑佳文,李 晶,陈唯美,陈 煜
广东东软学院计算机科学与技术系,广东佛山 528225
摘 要 随着移动互联网的迅速发展,智能手机的功能迅速提升,人们已习惯通过移动端来完成各种操作,享受着互联网带来的便捷、快速服务的乐趣.为了改善目前用于对金标试纸进行定量分析的仪器存在的过于依赖硬件、便携性不够等缺陷,本文采用图像处理技术进行图像数据处理,通过以手机摄像头采集试条图片,提取图像特征值与样品浓度间的关系函数,开发一款基于Android 操作系统的金标试纸定量检测软件.此款软件在自带微距摄像功能的智能手机上进行研究开发,通过以手机摄像头采集试条图片,由以ja 和c++ 语言编写的Android 应用程序对图像数据进行分析处理,并将处理结果显示在人机交互界面,从而实现对金标试条的定量检测.
关键词 图像处理；定量检测；金标试纸条；Android 系统
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2016）12-0021-02
基金项目：广东省大学生科技创新培育项目研究成果之一.
作者简介：丑佳文,广东东软学院计算机科学与技术系,研究方向为Android应用开发,智能仪器仪表.
李晶,讲师,研究方向为软件开发、网站开发.
陈唯美,广东东软学院计算机科学与技术系.
陈煜,广东东软学院计算机科学与技术系.
金标免疫层析测定是20 世纪90 年代初建立的一种快速诊断技术[1],具有较为先进的灵敏、特异、快速、简便、准确率高等特点,广泛在食品安全检测、环境检测、疾病诊断等领域.目前,出现的便携式金标试条检测仪主要是基于FPGA、ARM、单片机、DSP 等嵌入式系统[2-4],虽然体积小,但还没达到便携的程度,而且软件开发依赖于硬件.本文基于Android 操作系统开发了一款金标试纸定量检测软件.改善目前用于对金标试纸进行定量分析的仪器存在的过于依赖硬件、便携性不够等缺陷.
1 系 统软件功能设计
1.1 定量检测方法
对金标试纸进行定量检测采用的是基于图像测量的方法,由于金标试纸与被测溶液发生反应后,溶液浓度越高,试纸条上的显色区域（检测线）颜色就越深,通过计算色带颜色值就可计算出相应浓度值.
试纸条上色带的颜色值信息需要选取合适的特征值.这里合适的特征值指的是能精确描述试纸颜色信息、对条纹出现位置不敏感、能消除或减少不同试纸图像条纹强度差异等的值.当采用纯绿色平行光照射试纸条时,可根据朗伯—比尔定律推导出试纸条检测线和控制线（另一条显色区,用于与检测线进行对照）的积分光密度值：
可知,相对积分光密度值可通过检测线、控制线和空白区域的灰度值计算得到.要获取采集图片上目标区域,为了简化计算量减少误差,需将图像进行剪切和滤波处理.同时为提取上述3 个区域的灰度值,除了将其转换为灰度图外,还需进行图像切割.图像切割的方法采用的是基于遗传算法的FCM 聚类算法[5].通过此算法可将图像上检测线、控制线和空白区域分割开来,分别计算各区域的平均灰度值（区域内像素点的平均灰度值）,带入公式（2）中,即可到RIOD 值.
采集与不同浓度溶液反应后的试纸条图像,通过图像处理可计算得到相应的RIOD 值,将浓度值与RIOD值进行曲线拟合,得到浓度与RIOD 的关系函数.将此函数写入到程序中,将计算得到的RIOD 值通过关系函数换算成浓度值,即为仪器定量检测结果.
1.2 软件设计
本金标试纸定量检测软件,是在已有成果的基础上进行的改进.已有成果中,是在以Android 手机摄像头、微距镜头及自制外壳搭建的硬件平台上进行的开发,通过摄像头采集与待测溶液发生反应后的金标试纸图像,对采集到的图像进行分析处理后得到相应待测液浓度值,从而实现定量检测.
虽体积较市面上已有产品已大幅缩小,但仍受限于硬件平台.硬件平台中的自制外壳内置放LED 电源、固定微距镜头及固定金标试纸的凹槽,其周围被密封,尽量隔绝外界光源.这种设计是考虑到当时手机上没有微距功能,同时为排除金标试纸离镜头距离近时,光照不均匀对试纸图像采集干扰过大的影响,将外壳进行密封处理,将试纸位置固定.这种仪器同样依赖于硬件,必须对手机进行改造制成特定仪器才能使用.
为尽可能摆脱硬件约束,考虑到现有只能手机已有微距功能,同时可通过在摄像头预览界面上加入一个长条形框这种软件处理方式,来实现试纸条的物理固定,可直接设计为独立于硬件的一款移动应用软件.
此软件中的图像处理程序通过OpenCV（计算机视觉库）实现,在Android 程序中通过本地调用接口调用图像处理程序（C/C++ 语言）来完成图像分析.Android主程序实现人机交互界面（监听点击事件,调用手机摄像头采集图片,传给图像处理程序,接收处理结果并显示）；C/C++ 程序实现图像分析处理并返回结果值.
2 实验数据
实验采用HCG（人绒毛膜促性腺激素）试纸.将HCG 溶液稀释成10、35、75、100、150、200、300、400、500（mlU/ml）各种不同浓度的溶液.将等量的以上溶液用滴管分别滴定到相同数量相同批次的HCG 试纸条上,严格控制溶液用量.等待5min 后,用此仪器测量它们的相对积分光密度值,检测数据如表1 所示.
相应的关系曲线如图2 所示.由上述曲线关系可知,仪器检测结果有较好的浓度区分等级.将此关系模型写入处理程序中,即可将RIOD 值换算成相应浓度值.仪器最终会将测试的浓度值输出到软件界面上.
3 结论
本文在自带微距摄像功能的智能手机上进行研究开发,采用图像处理技术进行图像数据处理,通过以手机摄像头采集试条图片,提取图像特征值与样品浓度间的关系函数,由以ja 和c++ 语言编写的Android 应用程序对图像数据进行分析处理,并将处理结果显示在人机交互界面,从而实现对金标试条的定量检测.通过实验校正与测试,证明这款基于Android 操作系统开发了一款金标试纸定量检测软件,区分度和精确度较好.不过,由于其功耗、体积等的局限性,与电脑相比其性能还有一定差距.
参考文献
[1]李红梅.基于ARM的便携式试纸分析仪的研制[D].长春：吉林大学,2011.
[2]王洋.高精度金标试纸读数仪的设计与开发[D].杭州：浙江大学,2013.
[3]李晶.浅谈移动电子商务社交APP软件发展趋势[J].科技广场,2014（1）：145-147.
[4]丑佳文,赵立宏,等.基于Android系统的金标试条定量检测仪的研制[J].化工自动化及仪表,2015,42（293）：188-191.
[5]丑佳文.基于Android系统的手持金标试纸定量分析仪的研制[D ].衡阳：南华大学,2015.
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