專利名稱：基于圖像處理技術(shù)的薄層色譜定量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機(jī)數(shù)字圖像處理領(lǐng)域和化學(xué)分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥研究、臨床醫(yī)學(xué)、食品加工等領(lǐng)域中，對某種微量物質(zhì)成份的檢測與鑒定是一項非常必要的工作，其中薄層色譜法或薄層層析法(Thin LayerChromatography，簡稱TLC)被廣為使用。所謂薄層色譜法就是將吸附劑(例如硅膠或氧化鋁)鋪到平面物體上如玻璃板、塑料片或金屬箔形成一薄層，然后用溶劑把樣品展開和分離的方法，它是一種簡便、經(jīng)濟(jì)、微量、適用范圍廣的色譜方法。薄層色譜法主要由三個步驟組成樣品的點(diǎn)樣、點(diǎn)樣后樣品的展開、展開后對樣品的測量。樣品的點(diǎn)樣與展開已經(jīng)成為非常成熟的技術(shù)，而對展開后的樣品進(jìn)行測定，特別是精確的定量測量技術(shù)卻仍處于不斷地探索當(dāng)中。目前，薄層色譜定量分析基本上都采用了薄層掃描儀法。雖然薄層掃描儀被廣泛地使用。但是，薄層掃描儀存在著以下缺點(diǎn)(a)測量速度慢，測量一塊薄層板要花費(fèi)幾十分鐘，不利于大量樣品的檢測；(b)精度較低，特別是對于面積較大、不規(guī)則的斑點(diǎn)，誤差更大；(c)無法直接拍照或錄像，降低了可信度；(d)不直觀，因無法看到掃描的定位情況，易造成定位不準(zhǔn)，從而產(chǎn)生較大誤差；(e)操作復(fù)雜，由于薄層掃描儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此調(diào)整起來非常困難；(f)成本高，由于薄層掃描儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因而制作起來工序多，因而成本高；最近幾年，國際上有學(xué)者提出了利用平板式圖像掃描儀法對薄層板上的樣品進(jìn)行定量分析測量。有人利用平板式圖像掃描儀將染色后的薄層板進(jìn)行掃描，得到數(shù)字圖像后再進(jìn)行處理。他們用分辨率為100DPI的掃描儀將薄層圖像掃描到計算機(jī)中，然后利用計算機(jī)編程進(jìn)行定量分析。他們的結(jié)論是，此方法不但可以進(jìn)行定性分析，也可以進(jìn)行定量分析。對平板式圖像掃描儀而言，由于利用線型光源移動掃描，其掃描光線分布比較均勻，因而它對染色后的薄層板進(jìn)行處理時得到的效果比較好。但是平板式圖像掃描儀不能掃描需要特殊光源進(jìn)行成像的薄層層析板，如熒光照射、紫外線照射等。此外，這種處理方法費(fèi)時比較長，也無法與其他儀器集成一體。
要解決平板式圖像掃描儀所帶來的問題，人們自然就會想到攝像機(jī)。其實，在平板式圖像掃描儀被使用之前，利用攝像機(jī)成像對薄層色譜進(jìn)行定量分析就被研究了，這是因為攝像機(jī)的成像速度快，安裝方便，而且很容易和其它儀器集成使用。然而，在采用了攝像機(jī)進(jìn)行薄層色譜分析后，人們給出的結(jié)論卻不十分理想。原因是與傳統(tǒng)的薄層掃描儀相比，攝像機(jī)成像的正確性受到光照均勻性的制約，因而結(jié)果不是十分精確，重復(fù)性不好。除了他們指出的原因外，攝像機(jī)成像時，光源不定、光圈不定、曝光速度不定也給研究帶來了困難，也就是重復(fù)性不強(qiáng)。正是這些問題，使攝像機(jī)成像法在薄層色譜中的定量分析中得不到較好的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
從上面的分析來看，如果能夠?qū)z像機(jī)成像過程中光照不均的缺點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的彌補(bǔ)，攝像機(jī)成像在薄層色譜中就會有強(qiáng)大的生命力成像速度快、分析精度高、結(jié)果直觀、易于存儲、成本低廉。攝像機(jī)成像過程中光照不均的現(xiàn)象是固有的，為此，怎樣利用數(shù)字圖像處理的手段彌補(bǔ)這一現(xiàn)象所帶來的缺陷，這就是本發(fā)明的關(guān)鍵所在。
另外，本發(fā)明的目的還在于提供了一種基于背景估計的一種圖像分割方法。
本發(fā)明的基本原理是當(dāng)被測樣品在薄層板上展開并干燥以后，就把該薄層板放置到具有多波長光照的燈箱中，然后利用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)拍照形成數(shù)字圖像，最后由計算機(jī)估測出薄層板上每一點(diǎn)的光照強(qiáng)度，根據(jù)估測出的光照強(qiáng)度把樣品分割出來并根據(jù)樣品灰度的積分來確定樣品的實際含量。具體步驟包括利用攝像機(jī)在不同波長的光照條件下對薄層板進(jìn)行拍攝；對所拍攝的圖像進(jìn)行鏡頭畸變校正、噪聲慮除等預(yù)處理；利用縱向像素灰度積分投影法確定控制點(diǎn)；根據(jù)所得到的控制點(diǎn)，再利用插值方法構(gòu)造出圖像背景；將構(gòu)造出的背景圖像從鏡頭畸變校正后的薄層圖像中去除，同時根據(jù)所構(gòu)造的背景圖像對每一像素點(diǎn)進(jìn)行光照強(qiáng)度歸一化；對去掉背景圖像后的薄層圖像進(jìn)行分割；根據(jù)分割結(jié)果對每個樣品區(qū)域內(nèi)的灰度進(jìn)行積分；根據(jù)樣品灰度積分與樣品質(zhì)量成線性關(guān)系的特點(diǎn)，再對比標(biāo)準(zhǔn)品，計算出每個樣品的實際含量。
本發(fā)明特征在于，依次按下述步驟步驟1.對載有樣品的薄層板利用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)在所選的波長光照條件下進(jìn)行拍攝，形成數(shù)字圖像后存于計算機(jī)或DSP處理系統(tǒng)中；步驟2.計算機(jī)對所拍攝的圖像按以下步驟進(jìn)行預(yù)處理步驟2.1.鏡頭畸變校正用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)拍攝標(biāo)準(zhǔn)方格圖，再根據(jù)網(wǎng)格交點(diǎn)一一對應(yīng)的關(guān)系，把步驟2.1得到的圖像校正成標(biāo)準(zhǔn)方格圖，記錄下各點(diǎn)的校正參數(shù)，供以后拍攝薄層板圖像時作校正用；步驟2.2.慮除噪聲，采用下述濾波方法中的任何一種方法進(jìn)行平滑濾波、或低通濾波、或維納濾波，從而得到薄層板的數(shù)字圖像；步驟3.利用點(diǎn)樣時是沿著垂直于展開方向均勻分布的這一特點(diǎn)，從步驟2得到的預(yù)處理后圖像中找到控制點(diǎn)的橫坐標(biāo)，再按照縱向距離等分的原則，確定控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)，從而得到控制點(diǎn)；步驟4.利用下述各插值方法中的任何一種方法依據(jù)步驟3得到的控制點(diǎn)來構(gòu)造背景圖像所述插值方法是拉格朗日插值、或均差的牛頓插值、或分段低次插值、或樣條插值；步驟5.從步驟2得到的薄層板數(shù)字圖像中減去所構(gòu)造出的背景圖像，設(shè)f(x，y)是鏡頭畸變校正后薄層板數(shù)字圖像中像素(x，y)處的灰度，而g(x，y)是估測出的背景圖像中像素(x，y)處的灰度，則相減得到圖像的像素(x，y)處的灰度值為(g(x，y)-f(x，y))；再根據(jù)所構(gòu)造的背景圖像對每一點(diǎn)進(jìn)行歸一化，得到均勻背景的薄層板數(shù)字圖像，該圖像中對應(yīng)點(diǎn)(x，y)處的灰度修正后為 或者 其中，Imax為所構(gòu)造的背景圖像的最高灰度，Imin為最小灰度，Ib為所述背景圖像中同一點(diǎn)(x，y)處的灰度值，即每一點(diǎn)(x，y)的實際光強(qiáng)與背景光成反比；步驟6.利用全局閾值方法分割出目標(biāo)圖像，所述全局閾值取2或3；
步驟7.對步驟6得到的圖像中各個區(qū)域內(nèi)每一象素以灰度值進(jìn)行累加，即進(jìn)行灰度積分；步驟8.根據(jù)步驟7得到的灰度積分值的大小通過線性比例關(guān)系確定各樣品點(diǎn)之間定量關(guān)系。具體的計算方法為設(shè)某一被測樣品的灰度積分值為S，而標(biāo)準(zhǔn)品的積分值為T，且標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量為G，則被測樣品的質(zhì)量為 采用本方法進(jìn)行處理不僅能夠準(zhǔn)確的描述所給圖像背景信息，分割出目標(biāo)圖像，而且還可以對每一點(diǎn)的光照強(qiáng)度進(jìn)行歸一化，分割結(jié)果達(dá)到很高的準(zhǔn)確率，從而使定量分析的結(jié)果達(dá)到了較高的精度。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明的硬件組成框圖；圖2為本發(fā)明的整體流程框圖；圖3是本發(fā)明的薄層板圖像采集裝置；圖4是本發(fā)明的鏡頭畸變校正拍攝圖；圖5是本發(fā)明采集到的薄層板圖像拍攝原圖；圖6是本發(fā)明所采集的薄層板圖像的三維立體顯示；圖7是本發(fā)明的濾波模板；圖8是本發(fā)明用于選擇控制點(diǎn)的示意圖，基于圖5拍攝圖；圖9是利用本發(fā)明所構(gòu)造圖像背景的三維顯示；圖10是本發(fā)明得到的去除不均勻光照背景后的薄層板圖像的三維顯示結(jié)果；圖11是本發(fā)明的樣品分割結(jié)果。
具體實施例方式圖1給出了本發(fā)明的硬件組成框圖。載有樣品的薄層板1被放置到燈箱2中，然后由攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)3對其拍照，形成的圖像被送到計算機(jī)或DSP處理系統(tǒng)4中，處理的結(jié)果被送到打印機(jī)6打印或其它設(shè)備7中備用。圖1中的監(jiān)視器5用以顯示所拍攝的圖像和程序運(yùn)行過程。
圖2給出了本發(fā)明的工作流程框圖，包括拍攝薄層板圖像(第一步)；對拍攝圖像做鏡頭畸變畸校正、噪聲濾除等圖像預(yù)處理(第二步)；利用圖像縱向像素灰度積分投影確定控制點(diǎn)的橫坐標(biāo)，然后利用距離等分求出控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)，從而得到控制點(diǎn)(第三步)；根據(jù)上述控制點(diǎn)插值產(chǎn)生背景圖像(第四步)；從原始圖像中減去插值所生成的背景，并根據(jù)背景圖像對各像素點(diǎn)灰度進(jìn)行修正處理(第五步)；利用連通域或全局域值分割圖像(第六步)；根據(jù)分割結(jié)果計算各區(qū)域的灰度積分(第七步)，根據(jù)灰度積分結(jié)果計算樣品的含量(第八步)。
本發(fā)明的第一步是拍攝薄層板圖像，圖3給出了具體的拍攝過程。載有樣品的薄層板a被放置在可以選擇光照波長(波長為254nm，312nm，365nm，以及白色光)的燈箱b中，然后由裝有濾光片的數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)c對薄層板進(jìn)行拍照形成數(shù)字圖像并存于計算機(jī)或DSP處理系統(tǒng)中。圖5給出了一幅所拍攝的薄層板圖像，其中f是要測量的樣品。為了進(jìn)一步說明不均勻的背景給定量分析帶來的影響，圖6給出了圖5的三維立體顯示效果(為清楚起見，圖6中的像素灰度被反相了)，圖中g(shù)是三維圖中樣品的位置，可以看出背景的影響是十分明顯的。
在得到薄層板的數(shù)字圖像后，為了校正由鏡頭畸變引起的影響，并去掉噪聲干擾，必須對所得到的薄層板數(shù)字圖像進(jìn)行鏡頭畸變校正、噪聲濾除等圖像預(yù)處理(第二步)。鏡頭畸變的矯正方法是用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)。拍攝標(biāo)準(zhǔn)方格圖得到畸變圖像，如圖4(a)所示，然后根據(jù)網(wǎng)格交點(diǎn)一一對應(yīng)的關(guān)系，如e與d的對應(yīng)關(guān)系，將畸變圖像校正成標(biāo)準(zhǔn)方格圖，如圖4(b)所示，記錄下校正參數(shù)，在以后拍攝薄層板圖像時，就用該校正參數(shù)進(jìn)行校正。而噪聲濾波則采用平滑濾波，或低通濾波，或維納濾波等濾波方法。例如采用3×3的平滑濾波模板進(jìn)行平滑濾波，圖7給出了這種3×3的模板，具體計算時K0=19Σi=08Ki,]]>其中Ki是模板內(nèi)各點(diǎn)的灰度值。
為了估測出薄層板圖像的不均勻光照背景，本發(fā)明的第三步和第四步就是從預(yù)處理后的薄層板數(shù)字圖像中尋找到控制點(diǎn)的橫坐標(biāo)，然后利用距離等分法求出控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)，從而得到控制點(diǎn)，這是第三步，接著再根據(jù)所求控制點(diǎn)利用拉格朗日插值，或均差與牛頓插值公式，或差分與等距節(jié)點(diǎn)插值，或埃爾米特插值，或分段低次插值，或樣條插值等插值方法構(gòu)造出圖像背景圖，這是第五步。圖8給出了從預(yù)處理后的薄層板數(shù)字圖像尋找控制點(diǎn)的示意圖。由于樣品是沿著相同方向展開的，因而我們在點(diǎn)樣的時候，可以沿著垂直于展開方向的方向進(jìn)行等距離點(diǎn)樣，測量的時候，根據(jù)點(diǎn)樣通道數(shù)先進(jìn)行等距劃分，找到控制頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)，如圖8(a)中的垂直線h所示，這些垂直線所通過的位置就是圖像背景，從這些直線處取點(diǎn)就能得到將來構(gòu)造背景圖像的控制點(diǎn)。在取得控制點(diǎn)的橫坐標(biāo)后，再按不大于橫坐標(biāo)間距的方式對圖像進(jìn)行縱向等距劃分，從而確定控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)，圖8(b)給出了控制點(diǎn)的最后示意圖，各交叉點(diǎn)i就是我們要找的控制點(diǎn)。有了控制頂點(diǎn)，利用上面提到的曲面構(gòu)造方法就能構(gòu)造出圖像背景。例如，利用3次Catmull-Rom樣條曲面構(gòu)造圖像背景，公式為P(u,v)=Σi=0nΣj=0mPijBi,3(u)Bj,3(v),0≤u≤1,0≤v≤1]]>上式中的Pij(i＝0，1，…，n；j＝0，1，…，m)是步驟三中找到的控制點(diǎn)，u，v是插值參數(shù)，其取值的大小，影響著插值點(diǎn)的疏密，Bi，3(u)是調(diào)和函數(shù)，它們的表示式如下B0，3(u)＝-τ+2τu2-τu3B1，3(u)＝1+(τ-3)u2+(τ-2)u3B2，3(u)＝τu+(3-2τ)u2+(τ-2)u3B3，3(u)＝-τu2+τu3τ為力度控制系數(shù)，0≤τ≤1，一般取值為0.2。
圖9是根據(jù)圖8所確定的控制點(diǎn)而由Catmull-Rom樣條曲面插值產(chǎn)生的背景圖像j的三維立體顯示。為清楚起見，圖9中的像素灰度被反相了。
在估測出不均勻的背景圖像后，從鏡頭畸變校正后的薄層板數(shù)字圖像減去所構(gòu)造出的背景圖像就得到了均勻背景的薄層板數(shù)字圖像，這就是本發(fā)明的第五步。具體的相減方法是，設(shè)f(x，y)是鏡頭畸變校正后薄層板數(shù)字圖像中像素(x，y)處的灰度，而g(x，y)是估測出的背景圖像中像素(x，y)處的灰度，則相減得到圖像的像素(x，y)處的灰度值為(g(x，y)-f(x，y))。圖10給出了去掉非均勻背景的薄層板圖像的三維顯示，其中k代表樣品點(diǎn)。
另外，有了估測出的背景，我們也就得到了每一像素點(diǎn)的相對光強(qiáng)值，從而可以進(jìn)行光強(qiáng)修正。修正的方法是設(shè)估測背景j的最高灰度為Imax，最小為Imin，j中某一像素點(diǎn)(x，y)的灰度值為Ib，圖10中對應(yīng)(x，y)處的灰度值為I，則圖10中對應(yīng)(x，y)處的灰度值被修正為 或者 也就是每一點(diǎn)的實際光強(qiáng)與背景光成反比。
有了去掉非均勻背景的薄層板圖像，利用全局閾值方法分割出目標(biāo)圖像(第六步)，并去掉孤立點(diǎn)。全局閾值理論上為0，但實際上由于噪聲的存在，一般取2或3。圖11就是最后的分割結(jié)果，l就是分割出的樣品區(qū)域。
根據(jù)上面的分割結(jié)果，我們就可以在圖10中對相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行灰度積分，也就是把區(qū)域內(nèi)的每一像素的灰度值累加，這是第七步。
最后，根據(jù)灰度積分值的大小就可以通過線性比例確定各樣品點(diǎn)之間定量關(guān)系，這是本發(fā)明的最后一步，即第八步。具體的計算方法為設(shè)某一被測樣品的灰度積分值為S，而標(biāo)準(zhǔn)品的積分值為T，且標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量為G，則被測樣品的質(zhì)量為
權(quán)利要求
1.基于圖像處理技術(shù)的薄層色普定量分析法，其特征在于步驟1.對載有樣品的薄層板利用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)在所選的波長光照條件下進(jìn)行拍攝，形成數(shù)字圖像后存于計算機(jī)或DSP處理系統(tǒng)中；步驟2.計算機(jī)對所拍攝的圖像按以下步驟進(jìn)行預(yù)處理步驟2.1.鏡頭畸變校正用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)拍攝標(biāo)準(zhǔn)方格圖，再根據(jù)網(wǎng)格交點(diǎn)一一對應(yīng)的關(guān)系，把步驟2.1得到的圖像校正成標(biāo)準(zhǔn)方格圖，記錄下各點(diǎn)的校正參數(shù)，供以后拍攝薄層板圖像時作校正用；步驟2.2.慮除噪聲，采用下述濾波方法中的任何一種方法進(jìn)行平滑濾波、或低通濾波、或維納濾波，從而得到薄層板的數(shù)字圖像；步驟3.利用點(diǎn)樣時是沿著垂直于展開方向均勻分布的這一特點(diǎn)，從步驟2得到的預(yù)處理后圖像中找到控制點(diǎn)的橫坐標(biāo)，再按照縱向距離等分的原則，確定控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)，從而得到控制點(diǎn)；步驟4.利用下述各插值方法中的任何一種方法依據(jù)步驟3得到的控制點(diǎn)來構(gòu)造背景圖像所述插值方法是拉格朗日插值、或均差的牛頓插值、或分段低次插值、或樣條插值；步驟5.從步驟2得到的薄層板數(shù)字圖像中減去所構(gòu)造出的背景圖像，設(shè)f(x，y)是鏡頭畸變校正后薄層板數(shù)字圖像中像素(x，y)處的灰度，而g(x，y)是估測出的背景圖像中像素(x，y)處的灰度，則相減得到圖像的像素(x，y)處的灰度值為(g(x，y)-f(x，y))；再根據(jù)所構(gòu)造的背景圖像對每一點(diǎn)進(jìn)行歸一化，得到均勻背景的薄層板數(shù)字圖像，該圖像中對應(yīng)點(diǎn)(x，y)處的灰度修正后為 或者 其中，Imax為所構(gòu)造的背景圖像的最高灰度，Imin為最小灰度，Ib為所述背景圖像中同一點(diǎn)(x，y)處的灰度值，即每一點(diǎn)(x，y)的實際光強(qiáng)與背景光成反比；步驟6.利用全局閾值方法分割出目標(biāo)圖像，所述全局閾值取2或3；步驟7.對步驟6得到的圖像中各個區(qū)域內(nèi)每一象素以灰度值進(jìn)行累加，即進(jìn)行灰度積分；步驟8.根據(jù)步驟7得到的灰度積分值的大小通過線性比例關(guān)系確定各樣品點(diǎn)之間定量關(guān)系。具體的計算方法為設(shè)某一被測樣品的灰度積分值為S，而標(biāo)準(zhǔn)品的積分值為T，且標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量為G，則被測樣品的質(zhì)量為
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理和化學(xué)分析領(lǐng)域，其特征在于利用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)在不同波長的光照條件下對薄層板進(jìn)行拍攝；對所拍攝的圖像進(jìn)行鏡頭畸變校正、噪聲慮除預(yù)處理；利用點(diǎn)樣時點(diǎn)均勻分布的特點(diǎn)以及縱向距離等分原則確定控制點(diǎn)；根據(jù)控制點(diǎn)再利用插值方法構(gòu)造出圖像背景；將構(gòu)造出的背景圖像從鏡頭畸變校正后的薄層圖像中去除，并根據(jù)所構(gòu)造的背景圖像對每一像素點(diǎn)進(jìn)行亮度歸一化；對去掉背景圖像后的薄層圖像進(jìn)行分割；根據(jù)分割結(jié)果對每個區(qū)域內(nèi)的灰度進(jìn)行積分。本方法不僅能夠準(zhǔn)確的描述所給圖像背景信息，分割出目標(biāo)圖像，而且還可以對每一點(diǎn)的光照強(qiáng)度進(jìn)行修正，圖像分割以及樣品定量分析結(jié)果精度都很高，重復(fù)性也非常好，易于推廣。
文檔編號G06K9/54GK1766607SQ20051011577
公開日2006年5月3日 申請日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者張利 申請人:清華大學(xué)