技術 測定装置および測定方法

0001

本発明は、測定対象の物質との接触により色が変化するセンサ素子を撮像したカラー画像データを用いて物質の測定を行う測定装置および方法に関するものである。

0002

例えば、ガスセンサの分野では，色の変化を利用して対象のガスを検知する方法が広く研究されている。一般に広く行われているガスの測定方法としては、ガス検知管を用いるものがある（非特許文献１参照）。この方法では、雰囲気や測定対象気体中のガス濃度を、ガス検知管の色の変化として検出するものであり、簡易な測定を可能としている。このガス検知管による方法は、目視による読み取りが簡単に行えるという利点があるが、色の変化領域と未変化領域の境界が明確でないため、読み取る人による読み取り誤差がかなりの濃度範囲で生じてしまうという欠点がある。

0003

また、検知紙によりガス濃度を測定する方法も知られている。例えば、シックハウス症候群の原因物質の一つであるホルムアルデヒドについては、「ビル管理法」や「学校環境衛生の基準」において測定が義務づけられており、簡易測定法が用いられている。用いられている簡易測定法には、検知紙を用いるものが多くあり、検知紙の色変化から濃度に変換を行っている。検知紙としては、例えば、簡易ホルムアルデヒド測定器（理研計器株式会社製）がある（非特許文献２参照）。

0004

検知紙を用いた測定においても、簡易であるという利点があるが、前述したガス検知管の場合と同様に、使用者による読み取り誤差が存在する。このため、検知紙を用いて誤差を防いで正確な測定を行う場合、測定箇所で検知紙における光の反射率を測定するなど、光学測定器を併用した装置が必要になる。また、このような光学測定器は一般に高価であり、測定を行う装置も高価になる。このため、検知紙を用いる正確な測定では、測定が容易に行えず、また、コストの上昇を招く。

0005

一方、基準となるカラーチャートとの比較により、目視の判断でも読み取り誤差を低減するようにした技術がある。例えば、光化学オキシダントの原因物質であり環境基準が定められている二酸化窒素の測定が行える「空気の汚れはかるくん」がある（非特許文献３参照）。しかしながら、この技術においても、やはり目視に頼っているため、光学測定器を用いるような精度は望めない。また、場合によっては、検知紙の色変化の範囲にカラーチャートが対応せず、比較が困難な場合もある。

0006

上述したようなセンサ素子の色変化を利用した簡便な測定において、発明者らは、高価な光学測定器を用いることなく、より安価なカラー撮像装置を用いた測定の技術を提案している（特許文献１，２参照）。これらの技術では、発明者らが開発したオゾン，二酸化窒素，およびホルムアルデヒドなどと反応することで色が変化する高感度なセンサ素子を用い、色標本とセンサ素子とを同時に撮像することで、センサ素子の色（色変化）を数値化している。

0007

特開２００８−１１６２３４号公報
特開２００９−１３３６３４号公報

0008

http://www.gastec.co.jp/products/frame.php?place=seihin/c1.htm
http://www.rikenkeiki.co.jp/products/densitometer/FP-30.html
http://www.kenis.co.jp/onlineshop/2008/06/1165215.html

0009

しかしながら、上述したカラー撮像による測定では、センサ素子の色変化に対応させた色標本を用いるようにしている。例えば、対象物質との接触により青から白に色変化するセンサ素子を用いる場合、白および水色などの濃度が異なる複数の青からなる色標本を用いている。

0010

このため、まず、センサ素子に対応して各々異なる色標本を用意する必要があり、汎用性に劣るという問題がある。また、上述した技術では、光源の状態により撮像の結果が変化するため、異なる光源下で測定した結果が異なるなど、光学測定器を用いる場合と比較して高い精度が得られないという問題がある。

0011

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高価な光学測定器と用いることなく、環境の状態に応じて色が変化する検知紙などのセンサ素子を利用して、高い精度で測定が行えるようにすることを目的とする。

0012

本発明に係る測定装置は、Ｒ値，Ｇ値，Ｂ値の座標からなる基準ＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられるＲＧＢ値が（ｎ，０，０）の第１色標本、ＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，０）の第２色標本、およびＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，ｎ）の第３色標本（ｎ＝自然数）と、測定対象の物質との接触により色が変化するセンサ素子と、所定の光源のもとで第１色標本，第２色標本，第３色標本，およびセンサ素子とを同時に撮像してカラー画像データを得る撮像手段と、撮像手段が撮像して得られた第１色標本，第２色標本，および第３色標本のカラー画像データより、光源によるＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられる各々のＲＧＢ値を各々第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値として求める第１画像処理手段と、撮像手段が撮像して得られたセンサ素子のカラー画像データよりＲＧＢ値をセンサＲＧＢ値として求める第２画像処理手段と、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値より、基準ＲＧＢ色空間に対する光源によるＲＧＢ色空間の差からなる補正値を求める解析手段と、補正値を用いてセンサＲＧＢ値より補正センサＲＧＢ値を算出する補正手段と、設定されている換算式を用いて補正センサＲＧＢ値よりセンサ素子が物質との接触による色変化に対応する物質の濃度値を算出する濃度算出手段とを備える。

0013

上記測定装置において、解析手段は、第１基準ＲＧＢ値のＲ値を１行１列の値とし、第１基準ＲＧＢ値のＧ値を２行１列の値とし、第１基準ＲＧＢ値のＢ値を３行１列の値とし、第２基準ＲＧＢ値のＲ値より第１基準ＲＧＢ値のＲ値を減じた値を１行２列の値とし、第２基準ＲＧＢ値のＧ値より第１基準ＲＧＢ値のＧ値を減じた値を２行２列の値とし、第２基準ＲＧＢ値のＢ値より第１基準ＲＧＢ値のＢ値を減じた値を３行２列の値とし、第３基準ＲＧＢ値のＲ値より第２基準ＲＧＢ値のＲ値を減じた値を１行３列の値とし、第３基準ＲＧＢ値のＧ値より第２基準ＲＧＢ値のＧ値を減じた値を２行３列の値とし、第３基準ＲＧＢ値のＢ値より第２基準ＲＧＢ値のＢ値を減じた値を３行３列の値とした３行３列の行列の逆行列を補正値として算出し、補正手段は、逆行列を用いてセンサＲＧＢ値より補正センサＲＧＢ値を算出すればよい。

0014

上記測定装置において、ｎの最大値は２５５であり、第１色標本は、ＲＧＢ値が（２５５，０，０）であり、第２色標本は、ＲＧＢ値が（２５５，２５５，０）であり、第３色標本はＲＧＢ値が（２５５，２５５，２５５）であればよい。

0015

また、本発明に係る測定方法は、Ｒ値，Ｇ値，Ｂ値の座標からなる基準ＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられるＲＧＢ値が（ｎ，０，０）の第１色標本、ＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，０）の第２色標本、ＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，ｎ）の第３色標本（ｎ＝自然数）、および測定対象の物質との接触により色が変化するセンサ素子を所定の光源のもとで同時に撮像してカラー画像データを得る第１ステップと、第１色標本，第２色標本，および第３色標本のカラー画像データより、光源によるＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられる各々のＲＧＢ値を各々第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値として求める第２ステップと、センサ素子のカラー画像データよりＲＧＢ値をセンサＲＧＢ値として求める第３ステップと、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値より、基準ＲＧＢ色空間に対する光源によるＲＧＢ色空間の差からなる補正値を求める第４ステップと、補正値を用いてセンサＲＧＢ値より補正センサＲＧＢ値を算出する第５ステップと、設定されている換算式を用いて補正センサＲＧＢ値よりセンサ素子が測定対象とする物質との接触による色変化に対応する物質の濃度値を算出する第６ステップとを備える。

0016

上記測定方法において、第１基準ＲＧＢ値のＲ値を１行１列の値とし、第１基準ＲＧＢ値のＧ値を２行１列の値とし、第１基準ＲＧＢ値のＢ値を３行１列の値とし、第２基準ＲＧＢ値のＲ値より第１基準ＲＧＢ値のＲ値を減じた値を１行２列の値とし、第２基準ＲＧＢ値のＧ値より第１基準ＲＧＢ値のＧ値を減じた値を２行２列の値とし、第２基準ＲＧＢ値のＢ値より第１基準ＲＧＢ値のＢ値を減じた値を３行２列の値とし、第３基準ＲＧＢ値のＲ値より第２基準ＲＧＢ値のＲ値を減じた値を１行３列の値とし、第３基準ＲＧＢ値のＧ値より第２基準ＲＧＢ値のＧ値を減じた値を２行３列の値とし、第３基準ＲＧＢ値のＢ値より第２基準ＲＧＢ値のＢ値を減じた値を３行３列の値とした３行３列の行列の逆行列を補正値として算出し、行列の逆行列を用いてセンサＲＧＢ値より補正センサＲＧＢ値を算出するようにすればよい。

0017

上記測定方法において、ｎの最大値は２５５であり、第１色標本は、ＲＧＢ値が（２５５，０，０）であり、第２色標本は、ＲＧＢ値が（２５５，２５５，０）であり、第３色標本はＲＧＢ値が（２５５，２５５，２５５）であればよい。

0018

以上説明した本発明によれば、高価な光学測定器と用いることなく、環境の状態に応じて色が変化する検知紙などのセンサ素子を利用して、高い精度で測定が行えるという優れた効果が得られる。

0019

図１は、本発明の実施の形態における測定装置の構成を示す構成図である。
図２は、本発明の実施の形態における測定装置の動作（測定方法）について説明するフローチャートである。
図３は、センサＲＧＢ値による測定濃度と実際の濃度との相関を示す相関図である。
図４は、補正センサＲＧＢ値による測定濃度と実際の濃度との相関を示す相関図である。

0020

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における測定装置の構成を示す構成図である。この測定装置は、Ｒ値，Ｇ値，Ｂ値の座標からなる基準ＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられるＲＧＢ値が（ｎ，０，０）の第１色標本１０１、ＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，０）の第２色標本１０２、およびＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，ｎ）の第３色標本１０３とを備える。ここで、ｎは自然数である。また、基準ＲＧＢ空間は、例えば、正方ＲＧＢ色空間である。

0021

また、この装置は、測定対象の物質との接触により色が変化するセンサ素子１０４と、所定の光源（不図示）のもとで第１色標本１０１，第２色標本１０２，第３色標本１０３，およびセンサ素子１０４とを同時に撮像してカラー画像データを得る撮像部１０５とを備える。

0022

また、この装置は、撮像部１０５が撮像して得られた第１色標本１０１，第２色標本１０２，および第３色標本１０３のカラー画像データより、光源によるＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられる各々のＲＧＢ値を各々第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値として求める第１画像処理部１０６と、撮像部１０５が撮像して得られたセンサ素子１０４のカラー画像データよりＲＧＢ値をセンサＲＧＢ値として求める第２画像処理部１０７とを備える。

0023

また、この装置は、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値より、基準ＲＧＢ色空間に対する光源によるＲＧＢ色空間の差からなる補正値を求める解析部１０８と、補正値を用いてセンサＲＧＢ値より補正センサＲＧＢ値を算出する補正部１０９と、設定されている換算式を用いて補正センサＲＧＢ値よりセンサ素子１０４が物質との接触による色変化に対応する物質の濃度値を算出する濃度算出部１１０とを備える。

0024

ここで、センサ素子１０４は、例えば、ろ紙などの繊維より構成された担体に、オゾンガスと反応して色が変化する色素を含んだ検知成分および保湿剤が担持されたオゾン検知素子（ＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製オゾン検知紙「オゾン見太郎」）である。この場合、センサ素子１０４は、環境の状態としてオゾンにより色が変化し、オゾンの濃度により異なる色の変化を示す。

0025

また、ｎの最大値が２５５であり、第１色標本１０１は、ＲＧＢ値が（２５５，０，０）であり、第２色標本１０２は、ＲＧＢ値が（２５５，２５５，０）であり、第３色標本１０３は、ＲＧＢ値が（２５５，２５５，２５５）であればよい。この場合、第１色標本１０１は、典型的な赤色となる。また、第２色標本１０２は、Ｂ値が０であり、典型的な黄色となる。また、第３色標本１０３は、白となる。

0026

例えば、コンピュータによる画像処理において、一般にＲＧＢの各色は８ビットで表現され（ｓＲＧＢなど）、各色の輝度範囲は、０〜２５５の２５６（＝２8）段階で表現されている。上述の例では、第１色標本１０１は、Ｒ値が最大（２５５）であり、第２色標本１０２は、Ｒ値およびＧ値が最大（２５５）であり、第３色標本１０３は、Ｒ値，Ｇ値，およびＢ値が最大（２５５）である。これらのＲＧＢ値は、例えば、色温度５０００Ｋの光源を用いて測定されるＲＧＢ値が、上述した値となっている第１色標本１０１，第２色標本１０２，および第３色標本１０３を用いればよい。なお、「ＲＧＢ値が（２５５，０，０）の赤」は、国際照明委員会（ＣＩＥ）のＸＹＺで記述すれば、（３９．３３，２１．２３，１．８２）の赤である。また、「ＲＧＢ値が（２５５，２５５，０）の黄色」は、ＣＩＥのＸＹＺで記述すれば、（７５．８４，９１．３３，１２．９９）の黄色である。

0027

撮像部１０５は、例えば、多色光学フィルターによりカラー化を実現した固体撮像素子を備え、撮像によりカラー画像データを生成するデジタルスチルカメラである。撮像部１０５は、対象物を撮像することにより、対象物のカラー画像データを生成して出力する。例えば、撮像部１０５は、いわゆる携帯電話が備えるカメラ機能部であってもよい。

0028

以下、本実施の形態における測定装置の動作（測定方法）について、図２のフローチャートを用いて説明する。

0029

まず、ステップＳ２０１で、撮像部１０５が、第１色標本１０１，第２色標本１０２，第３色標本１０３、およびセンサ素子１０４を所定の光源のもとで同時に撮像してカラー画像データを得る。例えば、撮像部１０５の撮像可能領域内に、第１色標本１０１，第２色標本１０２，第３色標本１０３、およびセンサ素子１０４を配置しておけばよい。また、センサ素子１０４は、対象の環境（空気）に、設定されている時間放置（曝露）した後のものである。従って、環境に測定対象の物質（ガス）が含まれていれば、変色してることになる。

0030

次に、ステップＳ２０２で、第１画像処理部１０６が、撮像部１０５が撮像したカラー画像データを処理し、この画像データのなかの第１色標本１０１，第２色標本１０２，および第３色標本１０３の部分より、色標本画像状態を算出する。例えば、第１画像処理部１０６は、各部分より所定の画素数（例えば６０００画素）分の領域を取り出し、取り出した各領域の各々の画素の値の平均値を求める。画素の値は、赤成分（Ｒチャンネル），緑成分（Ｇチャンネル），および青成分（Ｂチャンネル）毎の輝度値であり、第１画像処理部１０６は、取り出した各領域において、複数の画素のＲ成分，Ｇ成分，およびＢ成分毎に、輝度値の平均値を算出し、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値とする。なお、平均値に限らず、最頻値を用いてもよい。また、取り出す領域は、例えば使用者の指示操作により設定すればよい。

0031

次に、ステップＳ２０３で、第２画像処理部１０７が、撮像部１０５が撮像したカラー画像データを処理し、この画像データのなかのセンサ素子１０４の部分より、所定の画素数（例えば６０００画素）分の領域を取り出し、上述同様にすることで、センサＲＧＢ値を求める。なお、この場合においても、取り出す領域は、例えば使用者の指示操作により設定すればよい。

0032

次に、ステップＳ２０４で、解析部１０８が、上述したようにすることで第１画像処理部１０６が求めた第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値より、この撮像時の光源によるＲＧＢ色空間が、基準ＲＧＢ色空間よりどの程度ずれている（ゆがんでいる）かを求め（解析し）、補正値を求める。

0033

第１色標本１０１，第２色標本１０２，および第３色標本１０３の各ＲＧＢ値は、基準ＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられている。また、撮像時（測定時）の光源によるＲＧＢ色空間の状態は、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値に現れていることになる。従って、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値により決定されるＲＧＢ色空間を、基準ＲＧＢ色空間に変換できる（戻せる）ような補正値を求めればよい。

0034

このように、Ｒ値，Ｇ値，Ｂ値の座標からなる基準ＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられるＲＧＢ値が（ｎ，０，０）の第１色標本、ＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，０）の第２色標本、およびＲＧＢ値が（ｎ，ｎ，ｎ）の第３色標本（ｎ＝自然数）を所定の光源のもとで撮像装置により同時に撮像してカラー画像データを取得し、第１色標本，第２色標本，および第３色標本のカラー画像データより、光源によるＲＧＢ色空間のベクトルとして与えられる各々のＲＧＢ値を各々第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値として求める第１ステップと、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値より、基準ＲＧＢ色空間に対する光源によるＲＧＢ色空間の差からなる補正値を求める第２ステップと、補正値を用いて撮像装置が撮像した画像を補正する第３ステップとで色空間の補正をすることが、本発明の要点となる。

0035

例えば、第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値により決定されるＲＧＢ色空間は、以下の数（１）で示される第１基準ＲＧＢ値，第２基準ＲＧＢ値，および第３基準ＲＧＢ値による行列Ｔで表すことができる。なお、第１基準ＲＧＢ値＝（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）、第２基準ＲＧＢ値＝（Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２）、第３基準ＲＧＢ値＝（Ｒ３，Ｇ３，Ｂ３）とする

0036

0037

また、基準ＲＧＢ色空間は、３行３列の単位行列とすることができるので、補正行列として行列Ｔの逆行列Ｔ’を求めればよい。

0038

次に、ステップＳ２０５で、補正部１０９が、上述したように求めた逆行列Ｔ’と、センサＲＧＢ値（Ｒｓ，Ｇｓ，Ｂｓ）を１行３列とした行列との積に、２５５（＝ｎ）をかけることで、補正センサＲＧＢ値（Ｒｓ’，Ｇｓ’，Ｂｓ’）を求める。

0039

この後、ステップＳ２０６で、濃度算出部１１０が、補正部１０９により求められた補正線センサＲＧＢ値を設定されている換算式に代入し、濃度値を求める。

0040

以下、実際に測定した結果を用いて説明する。まず、解析部１０８が求めた補正値による補正部１０９の補正を行わず、センサＲＧＢ値（Ｒｓ，Ｇｓ，Ｂｓ）を設定されている換算式に代入して濃度値を求めた場合について説明する。このようにして求めた複数の測定サンプルによる測定濃度と、実際の測定サンプルにおける濃度とを比較すると、図３に示すように、両者の間に高い相関は得られていない。

0041

上述した補正なしの結果に対し、補正値により求めた補正センサＲＧＢ値（Ｒｓ’，Ｇｓ’，Ｂｓ’）を設定されている換算式に代入して濃度値を求めると、図４に示すように、測定濃度値を実際の濃度値との間には、高い相関が得られるようになる。この場合の相関値は、０．９以上となっている。

0042

また、以上の測定では、光源として、白色蛍光灯を用い、撮像は、携帯電話機のカメラを用いている。携帯電話機のカメラで撮像（撮影）して得られた画像データを、メモリーカードを利用し、第１画像処理部１０６，第２画像処理部１０７，解析部１０８，補正部１０９，および濃度算出部１１０が実現されているコンピュータに取り込んで処理している。このコンピュータは、ＣＰＵと主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備え機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作することで、上述した各機能が実現される。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させるようにしてもよい。

0043

以上に説明した本実施の形態によれば、高価な光学測定器と用いることなく、環境の状態に応じて色が変化する検知紙などのセンサ素子を利用して、高い精度で測定が行える。上述したように、本実施の形態によれば、安価で様々な場面で用いることができるいわゆるデジタルカメラを使用し、測定により色を変えるセンサ素子の状態を数値化することができる。また、数値化の際に問題となる撮影毎に異なる照明の状態や、撮像基材の違いによる画像の色の違いが、補正値により補正されるようになるので、より正確な測定が行える。

0044

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、オゾン検知紙，ＵＶラベルを用いた場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、ホルムアルデヒドを検出して色が変化する試験紙，排ガスの粉じんを測定可能とした「空気の汚れチェッカー」，およびｐＨ（水素イオン濃度）試験紙など、環境により色が変化する他のセンサ素子を用いる場合も同様に本発明は適用可能である。また、温度，湿度，オゾンに限らず窒素酸化物や硫黄酸化物などの大気汚染物質の存在（濃度）などの環境により、色が変化する他のセンサ素子を用いる場合も同様である。

0045

また、例えばＧＰＳ機能を備えたカメラ付き携帯電話機を用いることで、容易に環境マップ図が作成可能であり、これに加えて自動画像撮影機能を併用すれば、環境マップの時系列図の作成が容易に可能である。また、特別な改造を必要とせずに、市販されているカメラ付き携帯電話機を用いることが可能である。

0046

１０１…第１色標本、１０２…第２色標本、１０３…第３色標本、１０４…センサ素子、１０５…撮像部、１０６…第１画像処理部、１０７…第２画像処理部、１０８…解析部、１０９…補正部、１１０…濃度算出部。