基于數字圖像技術的溶液PH值測定方法研究

胡肇烜 張凌雪

摘要：PH值測定在生物醫學研究、醫學臨床診斷、工農業生產中具有重要應用價值。本文基于數字圖像技術，設計并實現了一種應用手機APP進行溶液PH值測定方法。該方法方便、簡潔，成功克服傳統比色法中不同實驗者主觀判斷差異的不利因素，并提高了比色法PH值測量精度。

關鍵詞：圖像處理；PH值測量；比色法

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0089-02

1 引言

PH值亦稱氫離子濃度指數，是溶液中氫離子活度的一種標度，也就是通常意義上溶液酸堿程度的衡量標準。PH值測定在生物醫學研究、醫學臨床診斷、工農業生產中具有重要應用價值。目前常用的測定方法[1-2]有兩種：電極法和比色法。電極法從經典的玻璃電極到新型絕緣柵場效應管電極，其結構形式多種多樣，但都存在內部阻抗高，易受外界干擾等問題，PH值測量結果會出現跳變、漂移等現象。比色法雖然不受到外界干擾，但標準比對色模板有限，造成測量值分辨率較低，且受檢測人主觀因素影響。本文將數字圖像處理技術引入傳統比色法中，應用Android系統手機采集圖像數據，應用開發App軟件分析并計算PH值。實驗證明，該方法有效提高了比色法的測量精度。

2 測量方法

2.1 數字圖像技術[3-5]

數字圖像，又稱數碼圖像或數位圖像，可用數組或矩陣表示。像素是數字圖像的基本元素，每個像素具有整數行（高）和列（寬）位置坐標，同時每個像素都具有整數灰度值或顏色值。數字圖像可以用數碼相機、掃描儀等獲得，可分成二值圖像、灰度圖像、彩色圖像。彩色圖像是由三幅不同顏色的灰度圖像組合而成，一個為紅色，一個為綠色，另一個為藍色。彩色圖像可以轉換成灰度圖像，其轉換關系如公式1所示。

本文就是基于彩色圖像RGB值隨著溶液PH值變化規律進行高分辨率PH值測定。

2.2 PH試紙標準色碼

本文應用華為榮耀手機對PH試紙標準色碼進行拍照，獲取如圖1所示的數碼圖像。對獲取圖像進行圖像處理，讀取不同色碼一定區域像素RGB值平均值，并繪出圖2所示的顏色變化曲線。其中紅色曲線為R值，綠色曲線為G值，藍色曲線為B值，黑色曲線為灰度值，計算公式為公式1。

由圖2可見，在標準色卡之間RGB有一定間隔，且具有一定的變換規律，表明本文提出測量方法完全可行。

2.3 實驗過程

本文采用飲料脈動作為測試溶液，通過加水稀釋方法獲得不同PH值。實驗開始時，首先應用電極法，即購買的PH值電極測定儀測得脈動飲料溶液PH值；再應用吸管吸取測試溶液滴在PH測試試紙質上，1秒后，將測試試紙和標準色卡并排放置一起，這主要是解決光照非均勻、曝光時間等問題，打開華為榮耀手機上自己開發APP采集圖像，并進行數據分析，計算出測試溶液PH值；對比電極測定儀和APP測定的脈動溶液PH值。加水稀釋脈動飲料溶液，并按照如上所屬過程進行實驗。

2.4 實驗結果

本文進行多次實驗，測得不同濃度下脈動飲料PH值。圖3為PH值為4.01的采集圖像，左側為標準色卡，右側為試紙。圖4為PH值為5.24的采集圖像，左側為標準色卡，右側為試紙。應用本文提出方法測得結果分別為：4.15， 5.3。

3 結語

實驗結果表明：基于數字圖像技術的PH測量值和電極法測量儀測定值基本吻合。實驗誤差可能主要來源于兩個方面：即比色法的光照非均勻性、數字圖像處理時感興趣區域選擇；作為溶液PH準確值的電極測量儀測量波動等幾個方面。

參考文獻

[1]張瑾.“用比色法探究pH對酶活性的影響”教學設計[J]. 生物學通報，2016，51（9）：22-24.

[2]王曉元，張校亮，譚慷，李曉春.利用智能手機和應用程序確定顏色主波長的pH比色法定量[J].分析試驗室，2018，（3）：34-36.

[3] 朱莉玲.數字圖像處理技術與應用研究[J].信息系統工程，2016，（4）：84-84.

[4]袁長斌.數字圖像處理技術的發展現狀與發展趨勢探析[J].電子技術與軟件工程，2016，（2）：101-102.

[5]董德磊，舒力，王德超，曹建明.數字圖像處理技術在噴霧方面的應用[J].汽車實用技術，2017，（3）：3-4.