基于機(jī)器視覺(jué)有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥殘留半定量檢測(cè)研究

王成剛++曲令帥++丁建軍++章盛++楊飄++宴芙蓉

摘要 本文針對(duì)水體環(huán)境中有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥殘留污染物現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需要，提出基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)藥殘留半定量檢測(cè)的方法。該方法與彩色數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，提取出農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的顏色信息RGB值。由于RGB每個(gè)通道均有256個(gè)亮度等級(jí)，故可以組成1 677多萬(wàn)種顏色，克服了灰度圖像亮度等級(jí)少、圖像區(qū)分不明顯的缺點(diǎn)，從而提高了檢測(cè)的靈敏性。結(jié)果表明，本文提出的方法簡(jiǎn)單、快速、高效，適用于水體壞境農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺(jué)；有機(jī)磷農(nóng)藥；半定量檢測(cè)；LOG邊緣檢測(cè)；RGB顏色空間

中圖分類(lèi)號(hào) S481+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）19-0105-02

Abstract In this paper，a method for semi-quantitative detection of pesticide residues based on machine vision was presented to meet the needs of rapid detection of organophosphorus pesticide residues in water environment.The method combined the color digital image processing technology to extract the color information RGB value of pesticide residue detection card.Because each channel of the RGB has 256 brightness levels，it can be composed of about 16.77 million colors which overcomes the disadvantage that the brightness level of the gray image is not obvious，and the detection sensitivity is improved.The experimental results showed that the proposed method was simple，rapid and efficient，and could be used for the rapid detection of pesticide residues in aquatic environment.

Key words machine vision；organophosphorus pesticide；semi-quantitative detection；LOG edge detection；RGB color space

水資源污染會(huì)威脅人類(lèi)生命健康，也會(huì)破壞整個(gè)生態(tài)世界。然而，由于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，農(nóng)戶(hù)為了保護(hù)農(nóng)作物免受害蟲(chóng)和雜草的影響加大了農(nóng)藥的使用劑量，農(nóng)藥在土壤表面被雨水沖刷到河流中造成了水資源的嚴(yán)重污染。因此，檢測(cè)水體環(huán)境中的農(nóng)藥殘留是否超標(biāo)對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)工程建設(shè)具有重要意義。目前，農(nóng)藥殘留檢測(cè)的主要方法有頂空氣相色譜法、離子色譜法、電子捕獲-毛細(xì)色譜法[1]，但這些方法對(duì)試驗(yàn)環(huán)境要求較高，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)要求。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)研發(fā)出了基于酶抑制原理的農(nóng)藥殘留速測(cè)卡，依據(jù)速測(cè)卡的顏色特征判斷農(nóng)藥殘留的含量。我國(guó)也頒布了《蔬菜中有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥殘留量的快速檢測(cè)》（GB/T 5009.199—2003）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了速測(cè)卡的操作流程[2]，但檢測(cè)卡的判讀結(jié)果一般為人眼比色完成，誤差較大。本文應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，依據(jù)農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的顏色特征進(jìn)行水體環(huán)境中農(nóng)藥殘留的定量檢測(cè)，避免了人為主觀因素造成的誤差，從而提高了檢測(cè)精度。

1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)成及規(guī)格參數(shù)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集圖像，獲取被拍攝目標(biāo)的顏色、形態(tài)、紋理等圖像信息，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)處理軟件將圖像信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，達(dá)到用機(jī)器代替人眼做測(cè)量和判斷。本文機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由CCD相機(jī)、工業(yè)鏡頭、環(huán)形光源、機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成[3]，圖像分析處理軟件主要由MATLAB圖像處理工具箱組成，系統(tǒng)的具體選型見(jiàn)表1。

2 檢測(cè)原理及過(guò)程

2.1 農(nóng)藥殘留檢測(cè)原理

速測(cè)卡檢測(cè)農(nóng)藥殘留基于酶抑制法，其方法原理是：有機(jī)磷類(lèi)和氨基甲酯類(lèi)農(nóng)藥可以抑制膽堿酶活性，進(jìn)而影響膽堿酶與底物的顯色反應(yīng)，水解生成乙酸和藍(lán)色的靛酚。根據(jù)反映后檢測(cè)卡的顏色信息可判定樣品中農(nóng)藥殘留情況[4]，農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡如圖1所示。其中，左側(cè)圓區(qū)域?yàn)榈宸右宜狨?，右?cè)橙色區(qū)域?yàn)槟憠A酯酶。對(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單的前處理后，以少量緩沖液提取樣品中的農(nóng)藥殘留，取1 μL提取液滴到酶片上，配以簡(jiǎn)易的恒溫裝置，經(jīng)過(guò)抑制反應(yīng)和顯色反應(yīng)后即可判定結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

用蒸餾水配備A、B 2個(gè)系列濃度梯度的乙酰甲胺磷農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)液。其中，A系列為較低濃度農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)液，具體濃度為0、0.005、0.010、0.020、0.040、0.060、0.080、0.100、0.200、0.300 mg/kg。B系列為較高濃度農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)液，具體濃度為0.50、0.75、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00、15.00 mg/kg。取20組速測(cè)卡，撕去上蓋膜，用滴管量取2 mL農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)液，滴在右側(cè)底物上，在37 ℃恒溫裝置中放置10 min進(jìn)行預(yù)反應(yīng)。預(yù)反應(yīng)后將農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡對(duì)折讓膽堿酯酶與靛酚乙酸酯反應(yīng)3 min。用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)獲取反應(yīng)后的農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡低濃度圖像如圖2所示，高濃度圖像如圖3所示。

3 圖像處理與特征值檢測(cè)endprint

3.1 基于LOG的邊緣檢測(cè)

拉普拉斯高斯（LOG）算法是一種二階邊緣檢測(cè)算法，通過(guò)尋找圖像灰度值中二階微分的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)邊緣點(diǎn)，其原理是圖像先與高斯函數(shù)G（x，y）進(jìn)行卷積，這一步既平滑了圖像又降低了噪聲，然后利用無(wú)方向性的拉普拉斯算子？犖2實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)[5]。

設(shè)原圖像為f（x，y），通過(guò)卷積運(yùn)算和拉普拉斯算子作用，得到輸出圖像為：

稱(chēng)作拉普拉斯算子。求h（x，y）的所有過(guò)零點(diǎn)軌跡即可得到圖f（x，y）的邊緣，如圖4所示。

3.2 目標(biāo)區(qū)域的提取原理

農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的目標(biāo)區(qū)域?yàn)橛疫厛A形區(qū)域，通過(guò)LOG邊緣檢測(cè)可得目標(biāo)區(qū)域的大致位置，可通過(guò)Hough變換來(lái)進(jìn)一步提取目標(biāo)區(qū)域。Hough 變換的實(shí)質(zhì)是將圖像空間的具有一定關(guān)系的像元進(jìn)行聚類(lèi)，尋找能把這些像元用某一解析形式聯(lián)系起來(lái)的參數(shù)空間累計(jì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)。Hough變換檢測(cè)圓是將圖像空間中的邊緣點(diǎn)映射到參數(shù)空間中，然后將在參數(shù)空間中得到的所有坐標(biāo)點(diǎn)元素對(duì)應(yīng)的累加值進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，根據(jù)累加值判斷圓的大小和圓心所在位置[6]。用 V代表圖像中的所有邊緣點(diǎn)的集合。從 V中隨機(jī)選取3個(gè)像素，3個(gè)不在同一直線上的點(diǎn)確定一個(gè)圓。Hough變換用一個(gè)加法器去記錄所有候選圓的計(jì)數(shù)。其中，圓的方程可表示為2*x*a+2*y*b+d=x2+y2。（a，b）為圓心，r為半徑。取vi=（xi，yi），i=1，2，3。則該3點(diǎn)確定圓心半徑為：

確定待選圓的圓心cijk 和半徑，在進(jìn)行數(shù)據(jù)累加過(guò)程，先取遍V中的點(diǎn)vl，如果dl→ijk則計(jì)數(shù)加 1[7]。取完后如果計(jì)數(shù)大于自定義閾值150，則確定該圓為真實(shí)圓，然后進(jìn)行下一輪候選圓的檢測(cè)。按上述方法依次將20組農(nóng)藥殘留液由低濃度到高濃度依次檢測(cè)，其中前10組低濃度農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡目標(biāo)區(qū)域見(jiàn)圖5，后10組高濃度農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡目標(biāo)區(qū)域見(jiàn)圖6。

3.3 提取目標(biāo)圖像顏色特征值

由于農(nóng)藥檢測(cè)卡發(fā)生特異性反應(yīng)后會(huì)顯示不同的彩色圖像，本文用matlab軟件計(jì)算檢測(cè)卡的RGB三通道的特征值，依據(jù)RGB值的大小判斷農(nóng)藥殘留的濃度[8-9]。低濃度農(nóng)藥殘留與RGB的關(guān)系見(jiàn)表2，高濃度農(nóng)藥殘留與RGB的關(guān)系見(jiàn)表3。

在低濃度時(shí)農(nóng)藥殘留濃度與顏色特征B分量成負(fù)相關(guān)，如圖7所示。在高濃度時(shí)農(nóng)藥殘留濃度主要與R分量顏色特征成正相關(guān)，如圖8所示。

4 結(jié)論

（1）提出機(jī)器視覺(jué)與農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡相結(jié)合的方法檢測(cè)農(nóng)藥殘留濃度。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法快速高效，可滿(mǎn)足農(nóng)藥殘留半定量檢測(cè)的要求[10]。

（2）結(jié)合圖像處理技術(shù)利用拉普拉斯高斯二階邊緣檢測(cè)算法和Hough變換提取農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的目標(biāo)圖像；利用matlab軟件提取目標(biāo)圖像的顏色特征RGB值。

（3）在低濃度時(shí)農(nóng)藥殘留濃度主要與顏色特征B分量有關(guān)。無(wú)有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥殘留時(shí)，農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的顏色特征B分量灰度值達(dá)到最高200。在0.300 mg/kg時(shí)，農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的顏色特征B分量灰度值為171。在0～0.300 mg/kg之間的農(nóng)藥殘留含量與與顏色特征B分量在灰度為171～200時(shí)二者成負(fù)相關(guān)。在高濃度時(shí)，農(nóng)藥殘留濃度與顏色特征R分量有關(guān)。在0.50 mg/kg時(shí)，農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的顏色特征R分量灰度值最小，為177。在15.00 mg/kg時(shí)，農(nóng)藥殘留檢測(cè)卡的顏色特征R分量灰度值最大，為223。在0.50～15.00 mg/kg之間的農(nóng)藥殘留含量與顏色特征R分量在灰度為177～223時(shí)，二者成正相關(guān)。

5 參考文獻(xiàn)

[1] YARITA T，AOYAGI Y，OTAKE T.Evaluation of pressurized liquid ext-raction for determination of organophosphorus and pyrethroid pesticides in soybean[J].Journal of Environmental Science & Health.B，2012，47（10）：942.

[2] 賈冰慧，張沛強(qiáng)，羅宇強(qiáng)，等.基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)藥殘留速測(cè)卡結(jié)果判讀方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2017，53（7）：231-234.

[3] 謝俊，吳滎滎，朱廣韜，等.基于機(jī)器視覺(jué)的二維尺寸檢測(cè)[J].工具技術(shù)，2017，51（1）：98-100.

[4] 朱松明，周晨楠，和勁松，等.基于酶抑制法的農(nóng)藥殘留快速比色檢測(cè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014（6）：242-248.

[5] 鄧彩霞，陰茵，馬偉鳳，等.改進(jìn)的LOG算子與小波變換融合的邊緣檢測(cè)方法[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，17（5）：87-90.

[6] QIANG J，HARALICK R M.Error propagation for the Hough transform[J].Pattern Recognition Letters，2001，22（6/7）：813-823.

[7] 王建鋒，吳慶標(biāo).一種隨機(jī)Hough變換檢測(cè)圓的改進(jìn)算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41（14）：64-64.

[8] 張宏薇.基于圖像分析的多通道農(nóng)藥殘毒檢測(cè)系統(tǒng)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.

[9] 吳莉莉，李輝，惠國(guó)華，袁超.傳感器技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，22（5）：101-105.

[10] 潘立剛，張縉，陸安祥，等.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（增刊2）：325-330.endprint