傾斜金標試紙圖像的線寬測量方法

周 律， 陳正偉， 朱建華， 劉鐵兵

(浙江科技學院 a.工程實踐中心； b.中德農產品加工工業研究院，浙江 杭州 310023)

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傾斜金標試紙圖像的線寬測量方法

周 律a， 陳正偉a， 朱建華a， 劉鐵兵b

(浙江科技學院 a.工程實踐中心； b.中德農產品加工工業研究院，浙江 杭州 310023)

基于顯微圖像的金標試紙條測試線線寬參數的測量方法具備操作方便、測量速度快、分辨率高等優點，然而圖像采集系統采集到的金標試紙條的顯微圖像不可避免地會發生傾斜，這為后續的圖像分割和參數測量帶來了困難，因此需要對傾斜的金標試紙條顯微圖像進行校正。根據霍夫變換法和最小二乘法在直線檢測中的優點和適用條件，擬采用一種結合霍夫變換法和最小二乘法的直線檢測算法來求得金標試紙條圖像的邊緣線和邊緣線的傾斜角度參數，并采用圖像旋轉變換算法實現對原圖像的傾斜校正。實驗表明，所采用的傾斜校正算法具備計算量小、占用內存小、校正精度高的優點，通過傾斜校正可以準確測量傾斜金標試紙圖像的線寬參數。

自動化儀器儀表與裝置； 金標試紙條； 圖像傳感器； 顯微圖像； 幾何參數測量

0 引 言

金標試紙檢測法是近年來迅速發展起來的一種生化檢測技術，廣泛應用于疾病診斷、食品安全等領域。它應用了抗原、抗體特異性規律和膠體金顯色的原理。測試線呈現的顏色的深度和測試線的寬度與待測樣品的目標物的濃度成正相關。因此，如何得到測試線線寬度和顏色是這種測量方法的關鍵[1-4]。基于顯微圖像測量金標試紙條測試線細節特征的方法具有操作方便、測量速度快、分辨率高等優點。然而圖像采集系統采集到金標試紙條的顯微圖像不可避免會發生傾斜，這為后續的圖像分割和參數測量帶來了困難，因此需要對傾斜的金標試紙條顯微圖像進行校正。圖像的傾斜校正包括圖像邊緣線傾斜角檢測和圖像的旋轉變換兩大部分，其核心是圖像邊緣線傾斜角的檢測[5]。Hough變換(Hough Transformation,HT)是直線檢測的主要方法之一，它具有魯棒性好、無需啟發知識等優點，同時普通的Hough變換算法存在計算的空間、時間開銷大和存在虛假直線等缺點。HT的改進算法RHT和PPHT等，通過利用啟發式消息來限制HT的累加過程或設置不同點的Hough空間投票權重等方法來消除HT在直線檢測上的不足。這些改進的HT算法盡管能節省一些計算的時間和空間的開銷，但檢測分辨率受時間、空間及圖形噪聲等因素的限制，不能達到較高的水平[6-15]。與HT方法不同，最小二乘法(Least Square,LS)可以獲得給定數據在均方誤差意義下的絕對精確直線，達到HT所達不到的檢測精度。但是最小二乘法二乘法受“野值”影響大，需要采用一些算法削弱或消除“野值”對檢測結果的影響。本文擬采用一種結合霍夫變換法和最小二乘法的直線檢測算法來求得金標試紙條圖像的邊緣線和邊緣線的傾斜角度參數，并采用圖像旋轉變換算法實現對原圖像的傾斜校正。從而實現應用投影法測量傾斜金標試紙圖像測試線的線寬參數。

1 圖像法測量金標試紙條參數的原理

1.1 金標試紙檢測原理

金標試紙檢測原理如下：當待測溶液浸泡或滴入金標試紙條時，溶液通過吸水纖維的毛細作用，將膠體金一起帶到吸附有抗體的測試線T和質控線C上，若溶液中的抗原與測試線上的抗體相對應，則抗體和抗原產生特異性結合，膠體金附著在測試線T和質控線C對應的區域上，從而使該區域呈膠體金的紅色或紫紅色。測試線呈的顏色的深度和測試線的寬度與待測樣品的目標物的濃度成正相關，因此只要檢測出測試線呈的顏色的深度和測試線的寬度，就可以推斷出待測樣品的檢測結果。如果是定性判斷，則判定測試線顏色深、寬度大的待測樣品為陽性；反之為陰性。如果是定量檢測，則是通過建立測試線呈的顏色的深度和測試線的寬度與待測樣品中待測物質的濃度相對應的標準曲線來得到待測樣品的濃度參數。金標試紙條結構如圖1所示，金標測量儀的核心就是要測定測試線的顏色深度和測試線的寬度。

本文采用圖像法檢測量紙條的上述參數，為了提高儀器對金標試紙條的分辨能力，本文在普通的圖像傳感器前增加了一組顯微鏡頭，組成如圖2所示的圖像采集系統，通過該系統采集到的圖像經過后續算法處理便可得到所需的參數。

圖1 試紙條結構圖

(a)框圖

(b)實物圖

1.2 金標試紙參數測量方法

通過如圖2所示的顯微圖像采集系統，分別采集標準測微尺的圖像和待測金標試紙條的圖像，并對它們進行相關處理和運算，便可得到金標試紙條測試線線寬參數的值。

1.2.1 求解圖像采集系統定標系數K

設測微標尺的實際寬度為L, 顯微系統放大倍數為A, 采樣密度為Q,對應圖像的長度為N(像素點數), 則系統定標值K可表示為：

(1)

1.2.2 通過測試線的像素距離求解實際距離

如果令測試線圖像長度為M(像素點數),則測試線的實際寬度D由下公式給出：

D=KM

(2)

通過檢測顯微標尺圖像可以得到系統定標值K，再通過金標試紙條的測試線線寬度的像素值M，便可由式(2)得到金標試紙條的測試線線寬度的真實值。

1.2.3 金標圖像的預處理和線寬測量

考慮到金標試紙條圖像的顏色偏暗紅，圖像中的綠色分量最具意義，本文采用式3對圖3(a)所示的原始圖像進行灰度化,

gray[i,j]=int(c[i,j].G)

(3)

并對得到的圖像進行3×3的均值濾波，得到結果如圖3(b)所示。

根據圖3(b)中所示的金標試紙條圖像中測試線和背景的不同灰度值均值，取兩部分灰度值的平均值作為分割閾值進行二值化，得到如圖3(c)所示的二值化圖像。

(a)原始圖像

(b)灰度圖像

(c)二值化圖像

可以看出，測試線邊界模糊且呈現不規則的形狀。為了提高測量值的穩定性，使不同批次試紙條的測量值具備可比性，本文采用投影法定義金標試紙條測試線線寬D為:令測試線方向為y軸，統計沿x軸方向每一列白色像素點數目，該數值沿x軸的分布如圖4所示，線寬D定義為分布圖中測試線位置的缺口寬度。

不難發現，上述方法只適合金標試紙條放置水平的情況。然而在測量過程中金標試紙條圖像不可避免地會發生傾斜，因此必須對傾斜的金標試紙條顯微圖像進行校正才能保證測量結果的準確。

2 結合HT與LS的金標圖像校正方法

2.1 Hough變換檢測直線的基本原理

Hough變換時對二值圖像進行直線檢測的有效方法之一，其實質是坐標變換，將圖像空間的點映射到參數空間，通過變換可以使圖像空間的直線或線段容易被檢測出來，如圖5所示。

圖5 Hough變換原理示意圖

圖中：r為坐標原點到直線l的距離；θ為坐標原點到直線l的垂線與x軸正方向的夾角。圖像空間的一條直線可以有參數方程r=xcosθ+ysinθ表示。通過Hough變換，在圖像空間直角坐標系下的一條直線映射為參數空間極坐標下的一族具有公關交點的曲線。在參數空間極坐標一點對應于直角坐標系下的一條直線。基于Hough變換檢測圖像中的直線步驟如下：

(1) 在r、θ合適的最大值和最小值之間建立一個離散的參數空間。

(2) 建立一個累加器A(r,θ),并置每個元素為0。

(3) 對二值圖像的每一個非零點作Hough變換，并算出該點在r-θ空間上的對應曲線，并對相應的累加器加1。

(4) 找出對應圖像平面共線點的累加器上的局部極大值，這個值所在點的位置參數便是所要檢測直線的參數。

2.2LS(最小二乘法)檢測直線的基本原理

LS法是最為常見的線性回歸方法之一，能夠給出均方差意義下的精確直線。應用最小二乘法檢測直線的原理如下：

給定的數據集{(xi,yi)|1≤i≤N}，待確定的回歸直線方程為y=ax+b。則均方誤差為：

(4)

E取最小值時有：

因此有：

(5)

其中：

如果寫成r-θ參數方程可得：

2.3 結合HT和LS的金標圖像校正方法

結合Hough變換和最小二乘法的金標圖像校正方法利用Hough變換具備的魯棒性且無需啟發式信息的優點和最小二乘法能確定待檢測直線的精確參數的特性對圖像邊緣直線參數進行高效精確的檢測，并利用圖像旋轉變換實現圖像的校正。其主要步驟如下:

(1)給定二值圖像I、HT的參數分辨率(Δr,Δθ)、HT投票數閾值T以及直線所在大致區域的距離誤差限d。

(2)在分辨率(Δr,Δθ)下求取I得標準Hough變換，并確定投票值不小于T的直線參數點。

(3)對檢測到的直線參數點，在I中尋找所有到該直線距離大于d的特征點，構成特征點集L。

(4)對L進行最小二乘法直線擬合，得到最終的圖像邊緣直線及其傾斜角參數(θq)。

(5)應用圖像旋轉算法將原圖像整體旋轉-θq角度得到校正后的圖像。

通過最小二乘法的直線檢測方法提高了直線的檢測率和檢測精度，且降低了對Hough變換的分辨率要求，從而減小算法整體的空間開銷。

3 結果分析

3.1 傾斜金標試紙圖像的校正

對采集到的傾斜的金標試紙圖像進行1.2節所述的方法進行預處理，得到圖6(b)所示的二值化圖像，可以發現試紙條的邊緣線較寬，無法進行直接的邊緣線檢測，因此本文應用Rosenfeld細化算法對圖6(b)所示的圖像進行細化處理得到圖6(c)所示的細化后的圖像，然后對圖6(c)所示的圖像應用本文提出的結合Hough變換和最小二乘法的直線檢測算法得到圖6(d)所示的邊緣直線。并用邊緣直線的參數對原圖進行傾斜校正得到圖7所示的校正后的圖像。最后對傾斜校正后的金標試紙圖像按照1.2節所述的參數測量方法對金標試紙圖像的測試線線寬進行有效地測量。

(a)原圖 (b)預處理過的二值化圖像

(c)細化后的二值化圖像 (d)檢測到的邊緣直線

圖6 校正處理過程

(a)彩色像

(b)二值化后的圖像

3.2 參數測量結果分析

先由顯微標尺圖像得到系統的定標系數K=0.005 387 mm/pixel，再由圖4求得金標試紙條測試線線寬像素值M為170 pixel，從而得到金標試紙條測試線線寬D為0.92 mm。將同一金標試紙條用最小刻度0.1 mm的測微標尺直接觀察，如圖8所示,可以看到測試線的寬度在0.8～1.10 mm之間，從而證明本文的基于顯微圖像的測試線線寬測量結果是正確可信的。

4 結 語

本文采用投影法測量金標試紙圖像測試線線寬參數，為了保證線寬測量的有效性，采用結合Hough變換和最小二乘法的的金標圖像校正方法，利用Hough變換具備的魯棒性且無需啟發式信息的優點和最小二乘法能確定待檢測直線的精確參數的特色，在保證直線的檢測率和檢測精度的前提下，減小算法整體的時間、空間開銷。實驗證明本文提出的傾斜金標圖像測試線線寬參數的測量結果是正確可信的。

圖8 顯微標尺與金標試紙條對照結果圖像

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Study on Detection Method of the Width Parameters of Slanted Colloidal Gold Strip Image

ZHOULüa,CHENZheng-weia,ZHUJian-huaa,LIUTie-bingb

(a. Center of Engineering Practice; b. Zhejiang Provincial Key Lab for Chemical & Biological Processing Technology of Farm Product, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

The width parameter detection method based on colloidal gold strip microscopic image has lots of merits such as easy operation, high testing speed, and high resolution. However, the colloidal gold strip microscopic image is inevitable slanted by many factors. The slanted image is difficult to be segmented and measured. So it is necessary to rectify the slanted image before it is segmented and measured. According to the advantages of Hough transform method and the least-square method in the line detection, a method combining Hough transform and the least-square is proposed to detect the edge lines of the colloidal gold strip microscopic image and find the angle parameters of the edge lines. Image rotation algorithm is used to rotate the slanted image and get the correction image. Experiments show that the method has high detection precision with less computer memory and shorter calculation time, and the measure result is accurate.

electrical instruments and apparatus; colloidal gold strip; image sensor; microscopic image; geometrical parameter measurement

2014-08-14

浙江省教育廳科研計劃項目(Y201225526)

周 律(1967-)，男，浙江杭州人，工程師，實驗師，主要研究領域為自動化及電工電子技術。

Tel.:13336002527;E-mail:zhou_lv@126.com

TP 216．3

A

1006-7167(2015)03-0146-04