专利名称：使用图像的水质测定设备和方法
技术领域：
本发明涉及使用图像数据来测定水质的设备和方法，更具体地涉及这样的使用图像数据来测定水质的设备和方法，该设备和方法在获得包含在由拍摄器(photographer)拍摄的图像中的图像数据以后，通过将适于测定水质如浑浊度、COD(化学需氧量)、污染物等的样品与保存的标准样进行比较，能够精确地测定样品的水质。本发明是以在先的韩国专利申请No.2002-57356的国内优先权为基础进行准备和申请的。
背景技术：
随着工业的发展，环境污染成为现代社会的一大问题。在以上的环境污染中，水污染问题广泛而持久。为了防止水污染造成的一些伤害，需要测定水污染的程度。
用于测定水污染之一的浑浊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，当用来自光源的线偏振光束(light beam)扫描流过流动槽(flow cell)的样品水时，光电转换器接收从某一液体透射的光线，并将转化的电压再转化成浊度值。
在散射光法中，当用来自光源的线偏振光束扫描流过流动槽(flow cell)的样品水时，光电转换器接收由液体中的微粒散射的光线，并将转化的电压再转化成浊度值。
在表面散射光法中，当不是通过流动槽来扫描而是用来自光源的线偏振光束扫描样品水的表面时，光电转换器接收由靠近样品水表面的微粒散射的光线，并将转化的电压再转化成浊度值。
在透射散射光法中，将通过用散射光强度除以透射光强度获得的数值再转化成浊度值。
在上述的浑浊度测定方法中，由于输入样品的散射光有失真现象，因此不可能稳定精确地测定低于0.1的浑浊度。
另外，由于存在COD、各种污染物等问题，因此需要使用专用的测定设备来检查水污染状况，并且需要肉眼观察污染的状况。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供使用图像数据来测定水质的设备和方法，该设备和方法克服了现有技术中遇到的问题。
本发明的另一个目的是提供使用图像数据来测定水质的设备和方法，该设备和方法在获得由拍摄器拍摄的图像中含有的图像数据以后，通过将适于测定水质如浑浊度、COD、污染物等的样品与保存的标准样进行比较，能够精确地测定样品的水质。
本发明的另一个目的是提供使用图像数据来测定水质的设备和方法，该设备和方法通过将包含在样品图像中的红色、绿色和蓝色像素的数目与标准样的像素数目进行比较，能够精确地计算与样品水质值具有相同像素数目的标准样的水质值。
本发明的另一个目的是提供使用图像数据来测定水质的设备和方法，该设备和方法通过将样品从外面全部遮�。⒃诠馇慷群蜕杞嵌炔槐涞那榭鱿掠孟嗷纳阃枷瘢贾漳芄淮酉嗤难分谢竦孟嗤乃适�。
为了达到上述目的，在能够通过将光投射到样品上来测定水质状况的水质测定方法中，提供了一种水质测定方法，该方法包括如下步骤将待测水质的样品放在样品容器中；在避免外部光线输入的情况下将光线照射到样品容器上；拍摄样品的图像并将其处理成图像数据；将拍摄的样品图像中包含的图像数据与之前计算并储存的标准样的图像数据进行比较；以及用样品的水质值计算与样品具有相同的图像数据的标准样的水质值。
进一步提供了在样品中产生所需颜色的样品预处理，以测定与样品COD和各种离子有关的水质。
为了达到上述目的，在能够测定水质的水质测定设备中，提供了一种使用图像数据的水质测定设备，该设备包含能够避免外部光线输入的一定形状的外壳、安装在该外壳的一侧并能容纳插入其中的样品的样品容器、设置在该样品容器附近并适于为样品容器提供光线的光源、适于拍摄由光线照射的样品容器中的样品并形成图像的拍摄单元、适于将由拍摄单元拍摄的图像中含有的图像数据与之前储存的标准样的图像数据进行比较并计算样品水质值的相关计算单元、适于将由相关计算单元计算的样品的水质值显示在屏幕上的显示单元、以及适于控制各种数据流程的控制单元。
在本发明中，所述光源使用至少一个以上的光源，并且所述光源选自由白光、可见光、红外线、紫外线以及激光所组成的组中。
优选地，所述拍摄单元以与所述光源单元成90°的角度安装。
优选地，所述图像数据与R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)像素的数目相对应。
优选地，水质与选自由浑浊度、COD以及多种离子所组成的组中的一种相对应。
结合附图将能更好地理解本发明，但是附图只是为了描述而不是对本发明的限制，在附图中图1是描述依据本发明实施方案的使用图像数据的水质测定设备的示意图；
图2是描述依据本发明实施方案的使用图像数据的水质测定设备的方块图；图3是描述依据本发明实施方案的数据库的一个实例的视图；图4A-4C是描述依据本发明实施方案的所测定的图像中含有的像素密度的曲线图；图5A-5C是依据本发明的图4A-4C的校准曲线图。
具体实施方案下面将结合附图来说明依据本发明的使用图像数据来测定水质的设备的结构。
图1是描述依据本发明实施方案的使用图像数据的水质测定设备的示意图，图2是描述依据本发明实施方案的使用图像数据的水质测定设备的方块图，以及图3是描述依据本发明实施方案的数据库的一个实例的视图。
如图1和2所示，依据本发明的水质测定设备1形成在盒形外壳中，所述外壳可以形成各种结构，如六面体等。样品5安置在外壳的内部用于测定各种水质值。在将光线透射(transmit)到样品5上的情况下，通过拍摄获得图像数据。然后，比较样品图像中含有的图像数据和之前测定的标准样的图像数据，以搜索与样品5具有相同图像数据的标准样，从而计算样品5的水质值。此时，外壳的内侧涂覆有无光泽的黑色物质来防止通过样品的透射光被除了样品以外的某一物质所散射。
如图2所示，将描述使用图像数据的水质测定设备。在水质测定设备1的内部，设置有样品容器2、光源单元4、拍摄单元6、相关计算单元8以及控制单元14。在水质测定设备的表面，设置有显示单元10和各种操作开关单元12。
样品容器2安装在光源附近，因此在提供用于测定各种水质状况的样品之后，来自光源单元4的光线被直接输出到样品5上。当将样品5放置到样品容器2中时，样品容器2被覆盖使得除了来自光源的光线以外的光线不被输入。此时，样品容器2形成于定量结构(a batch construction)中，以实现样品5的均匀分布。
在样品容器2中，应当进行预处理以便肉眼观察与COD(化学需氧量)、Cr6+、F、T-P、Cl-、过氧化物、氯化物、Fe、T-N、硝酸氮、ABS、硫酸根离子、苯酚、氰、铬、锌、铜、镉、铅、砷、镍、三卤甲烷等因素有关的水质。例如，为了测定COD，将H2SO4和Ag2SO4加入到样品中，并且加入KMnO4并加热，按照这个次序进行预处理。然后，混入Na2C2O4，并逐滴加入KMnO4。另外，Cr6+需要一个特定的预处理，即将H2SO4加入到样品并冷却至15℃，然后注入联苯卡巴肼(diphenylcarbazide)。另外，F需要预处理，即将酚酞乙醇溶液加入到样品，加入氢氧化钠并浓缩，加入二氧化硅、磷酸和高氯酸盐并蒸馏，并且将得到的混合物置于镧-茜素络合酮(La AlizarinComplexon)中静置一小时。当通过上述方法用着色剂将离子染色时，拍摄单元拍下与染色状态有关的照片，因此可以获得微粒暴露的图像。
安装光源单元4使得来自光源单元4的光线输入到样品容器2。将普通的可见光、红外线、紫外线、激光等用作光源。在普通样品的情况下，使用具有相对高的透射系数的激光。在需要消光度如T-P的样品的情况下，一般使用UV。
此外，在光源单元中，连续安装至少一个以上的光源，使得样品容器基于输出到样品容器的光线具有相同的发光强度。也就是说，在使用一个光源的情况下，由于光线不能透过被样品微粒中的较大微粒覆盖的相对小的微粒，因此光线可能不被输入到拍摄屏幕中。在使用多个光源的情况下，由于微粒没有位于光源的直线方向上，因此可以防止光线因为较小微粒被较大微粒覆盖而不能透过这些微粒的问题。因此，可以获得基于透过样品的微粒形成的所需的图像。
拍摄单元6包括设置在样品容器2附近用于捕捉在来自光源的光线照射时形成的样品5的图像的拍摄设备。数码相机、CCD、图像照相机、可携式摄像机(camcorder)等都可以用作拍摄设备6。设计普通相机使其能够将由A/D转换器捕捉的图像转换成数字数据。上述拍摄单元6以大约45°-90°的角度安装，使得拍摄单元6不受除照射到样品5的光线以外的其它光线的影响。特别优选地，拍摄单元6以与光源成90°的角度安装。
相关计算单元8接收由拍摄单元6拍摄的样品的图像，并将图像中含有的图像数据与水质数据DB16中储存的标准样的图像数据进行比较，从而计算样品5的水质数据。
在相关计算单元8中，回归分析法、最优化技术、人工神经元系统、�：惴�、神经元�：惴ǖ瓤梢杂糜谠诒冉涎泛捅曜佳笔褂玫南喙丶扑闼惴āＬ乇鸬兀谙喙丶扑愕ピ校褂帽冉戏ɡ床舛ㄓ膳纳愕ピ纳愕耐枷竦耐枷袷葜泻械暮焐�、绿色和蓝色像素的数目，将测定值与设置为之前储存的标准样的图像数据的R、G、B值进行比较，然后搜索具有相同R、G、B值的标准样。例如，通过拍摄标准样品并计算其平均值得到的图像数据中含有的密度，如图4A所示在0.1NTU-1.0NTU的范围内保持稳定，如图4B所示在1.0NTU-10.0NTU的范围内保持稳定，并且如图4C所示在10.0NTU-100.0NTU的范围内保持稳定。此外，图5A-5C是测定的像素密度与浑浊度之间关系的校准曲线图。如图所示，像素密度在0.1NTU-100.0NTU的所有区域里线性增强。
另外，关于各种不同的水质标准样的图像数据，将通过测定来自图像数据的R、G、B像素的数目而获得的结果作为标准值储存在水质数据DB16中，所述图像数据是通过在相同情况下多次进行的多步拍摄操作而获得的。如图3所示，与浑浊度有关的图像数据储存在浑浊度数据DB20中，与COD有关的图像数据储存在COD数据DB22中，并且与各种离子有关的图像数据储存在数据库24-40中。
由相关计算单元8比较的样品5的水质数据以及与水质测定设备1的操作有关的数据通过显示单元10输出到屏幕上，如LCD等。
操作开关单元12包括操作水质测定设备1所需的各种开关。
另外，控制单元14适用于控制水质测定设备1的信号。
下面将描述使用依据本发明实施例的水质测定设备来测定浑浊度的过程。
首先，将适于测定浑浊度的样品5放入样品容器2中，并将样品容器2的盖子盖上。当样品5置于样品容器2中时，为光源单元4提供电源，因此光线从光源单元4输出。此时，来自光源的光线只输出到样品容器2中的样品5上。
然后，利用拍摄单元6的相机来拍摄由光线照射的样品5。此时，拍摄单元6以与光源单元4成90°的角度安装，使得拍摄单元6不受除了照射到样品上的光线以外的反射光和光源的影响。特别地，光源单元4的内部完全与外部光线隔开，以将来自样品5的图像充分地传递到拍摄单元6。
当由拍摄单元6拍摄到样品5的图像时，通过相关计算单元8根据一些理论和技术的算法如回归分析法、最优化技术、人工神经元系统、�：惴�、神经元�：惴ǖ壤醇扑阊返耐枷袷荨＝适軩B16中储存的标准样图像数据与相应的样品的图像数据进行比较，选择具有相同图像数据的标准样作为样品5的水质值。例如，测定R、G、B像素的数目作为所拍摄的样品图像的图像数据，并且将其与设定为之前储存的标准样的图像数据的R、G、B像素的数目进行比较。然后，搜索并选择具有相同R、G、B像素数目的标准样作为样品的浊度值。
此外，为了测定样品的水质因素，如COD、Cr6+、F、T-P、Cl-等，可以进行预处理以改变与样品的COD状况或某一离子的反应有关的颜色。使用拍摄单元拍摄样品，从而可以检查样品的水质因素，如COD、Cr6+、F、T-P、Cl-等。
在上述预处理中，在测定COD的情况下，将10毫升H2SO4和10毫升Ag2SO4加入到样品中，并且加入KMnO4，并且将得到的样品加热并混入10毫升Na2C2O4，然后逐滴加入KMnO4，因此图像变成淡粉红色。另外，在测定Cr6+的情况下，用氢氧化钠(1N)或硫酸溶液(1N)中和样品，然后加入3毫升H2SO4(1+9)。将得到的混合物冷却至15℃，往得到的混合物中注入联苯卡巴肼进行预处理，因此可以在可见光范围内获得图像。
在测定F的情况下，将酚酞乙醇溶液和氢氧化钠加入到样品并蒸发、浓缩因此得到红色的混合物。然后加入二氧化硅、磷酸和高氯酸盐并蒸馏。将得到的混合物置于镧-茜素络合酮中静置一小时。完成上述预处理后，可以在可见光范围内获得图像。
在测定T-P的情况下，将10毫升过氧二硫酸钾溶液加入到10毫升样品中，在高压蒸汽热灭菌器中加热30分钟并冷却。加入20毫升钼酸铵和抗坏血酸的混合物，并且在20-40℃下放置15分钟，从而在可见光范围内获得图像。此外，在测定Cl-的情况下，用氢氧化钠溶液或硫酸溶液中和样品，从而在可见光范围内获得图像。
将通过上述预处理拍摄的样品的图像数据与COD数据DB22、Cr6+数据DB24、F数据DB26、T-P数据DB28和氯离子数据DB30中储存的标准样的图像数据进行比较，从而获得样品的水质数据。
如上所述，在依据本发明的水质测定设备中，拍摄具有准确的水质因素如浑浊度、COD等的标准样的图像，在数据库中形成该图像中含有的R、G、B数据值的图像数据，并用由数据组成的该数据库来处理样品的图像数据，以了解如浑浊度、COD等的水质因素，从而可以获得样品的准确的水质状况。
另外，将经过处理可以获得水质状况的样品的图像数据与标准样的图像数据进行比较。参照与样品水质值具有相同图像数据的标准样可以计算出水质值。
在依据本发明的水质测定设备中，为了测定与COD、Cr6+、F、T-P、氯、各种离子等有关的水质，为达到所需目的对样品进行预处理，并且拍摄样品图像并用之前形成的数据库处理该图像，从而可以准确地获得样品的水质状况。
在拍摄条件如光强度、照射角度等相同的情况下，使用拍摄设备拍摄样品，从而可以得到准确的水质数据。
在不偏离本发明的主旨或必要特征的情况下可以按照多种方式实施本发明，因此应当理解到，除非特别限定，上述的实施例不受之前说明书的任何详细说明所限制，而应当在所附的权利要求限定的主旨和范围内解释，所以在所述权利要求，或者其等同物范围内的所有改变和修改都被所附的权利要求所包括。
权利要求
1.一种使用图像数据的水质测定设备，包括能够避免外部光线输入的一定形状的外壳；安装在所述外壳的一侧并能容纳插入其中的样品的样品容器；设置在所述样品容器附近并适于为所述样品容器提供光线的光源；适于拍摄由光线照射的所述样品容器中的样品并形成图像的拍摄单元；适于将由所述拍摄单元拍摄的图像中含有的图像数据与之前储存的标准样的图像数据进行比较并计算样品水质值的相关计算单元；适于将由所述相关计算单元计算的样品水质值显示在屏幕上的显示单元；以及适于控制各种数据流程的控制单元。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述水质对应于选自由浑浊度、COD(化学需氧量)和水中含有的各种离子所组成的组中的一种。
3.如权利要求1所述的设备，其中在所述相关计算单元中进行的所述水质状况分析方法是选自由回归分析法、最优化技术、人工神经元系统、模糊算法、和神经元�：惴ㄋ槌傻淖橹械囊恢�。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述拍摄单元使用至少一个以上的光源，所述光源选自由白光、可见光、红外线、紫外线和激光所组成的组中。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述拍摄单元以与所述光源单元成45°-90°的角度安装。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述图像数据对应于R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)像素的数量。
7.在能够通过将光线照射到样品上来测定水质状况的水质测定方法中，一种水质测定方法包括如下步骤将待测水质的样品放在样品容器中；在避免外部光线输入的情况下将光线照射到所述样品容器上；拍摄所述样品的图像并将其处理成图像数据；将所拍摄的样品图像中包含的图像数据与之前计算并储存的标准样的图像数据进行比较；以及用样品的水质值来计算与样品具有相同的图像数据的标准样的水质值。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述水质对应于选自由浑浊度、COD和各种离子所组成的组中的一种。
9.如权利要求7所述的方法，该方法进一步包括在样品中产生所需颜色的样品预处理，以测定与样品的COD和各种离子有关的水质。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述将样品的图像数据与标准样的图像数据进行比较的步骤参考样品的图像信号通过一种理论和/或方法来实现，所述理论和/或方法选自由回归分析法、最优化技术、人工神经元系统、模糊算法和神经元模糊算法所组成的组中，并且其中将样品的图像数据与标准样的图像数据值进行比较。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述图像数据对应于R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)像素的数量。
全文摘要
本发明涉及使用图像数据来测定水质的设备和方法，该设备和方法在获得由拍摄器拍摄的图像中含有的图像数据以后，通过将适于测定水质如浑浊度、COD、污染物等的样品与保存的标准样进行比较，能够精确地测定样品的水质。提供了能够避免外部光线输入的一定形状的外壳、安装在所述外壳的一侧并能容纳插入其中的样品的样品容器、设置在所述样品容器附近并适于为样品容器提供光线的光源、适于拍摄由光线照射的样品容器中的样品并形成图像的拍摄单元、适于将由拍摄单元拍摄的图像中含有的图像数据与之前储存的标准样的图像数据进行比较并计算样品水质值的相关计算单元、适于将由相关计算单元计算的样品水质值显示在屏幕上的显示单元以及适于控制各种数据流程的控制单元。
文档编号G01N33/18GK1688880SQ03824412
公开日2005年10月26日 申请日期2003年8月30日 优先权日2002年9月19日
发明者柳民树, 朴钟镐 申请人:易斯提克株式会社, 黄福荣
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