基于MSER仿射变换配准的农用柔性pH芯片性能优化

时间：2024-05-24

张淼王丽茹李浩榛路逍刘刚

(1.中国农业大学智慧农业系统集成研究教育部重点实验室, 北京 100083;2.中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室, 北京 100083)

0 引言

pH值是衡量作物生长环境酸碱度的重要指标,主要由氢离子(H+)与氢氧根离子(OH-)在土壤或基质中的浓度比例决定,与基质肥力转化、作物根系养分吸收、病害及污染密切相关[1-3]。电极电位法是pH值测定的标准方法[4],柔性pH传感芯片结构微小、易于集成,在发生机械拉伸、扭转、弯曲及折叠时可保持输出稳定[5-7],近年来发展势头迅猛。

柔性pH传感芯片多采用3D打印等增材制造方法加工,不同功能传感层按设计叠层加工,形成预设传感结构。多敏感涂层间的配准精度是影响“堆叠加工”工艺的共性关键参数[8]。研究人员探索通过等离子体刻蚀凹槽栅、掩膜或喷头定位等物理手段实现功能油墨层间的精准配准及隔离,并实现了毫米级配准精度[9-11]。同时,研究发现硬配准严重受制于实现配准的硬件结构,加工精度的提高常以设备成本的翻倍提升为代价[12-13]。数控机床与3D打印机都采用基于G-code的机械控制方式,一些研究人员尝试绕开硬件限制,采用图像处理方式软配准,提高刀头运动轨迹控制精度。谭高山等[14]通过计算目标与实际工件特征点间投影映射关系,使用复合加权仿射迭代最近点(Iterative closest point,ICP)图像配准方法,改进车床加工区域配准精度,可将配准误差控制在0.304 mm。TAN等[15]提出一种复杂曲面轮廓误差检测ICP算法,通过计算点集偏差向量实现复杂轮廓配准,实现了钣金件最小配准误差1.744 mm。靳宇婷等[16]基于ICP算法,结合三维轮廓特征点约束,实现飞机智能蒙皮的精确配准,配准误差小于3.5 mm。LI等[17]通过ICP方法改进了整体立铣刀螺旋槽磨削工艺对截面曲线的匹配精度,使螺旋槽加工误差缩小至3.5 mm。最大稳定极值区域(Maximally stable extremal regions, MSER)仿射变换配准是一种基于特征的图像配准方法,通过对不同灰度图像进行阈值分割,将图像信息转变成二维坐标信息,进而使用特征点二位坐标ICP算法实现图像配准,具有计算量低,易嵌入精简硬件的优势,可避免传统ICP算法缺乏目标图形形状约束,易陷入局部极值的问题[18-19]。WU等[20]应用MSER算法实现了全局/局部的目标检测,最大加工误差可控制在0.1～0.6 mm,精度较ICP方法明显提升。

综上,本文旨在探讨利用MSER仿射变换配准方法提高农用柔性pH芯片功能涂层加工精度及检测性能的可行性,提出用于分析两功能涂层间平移、旋转、伸缩等5种典型形变的关键描述参数及MSER仿射变换计算方法,通过大量试验分析MSER模型配准精度,配准后农用柔性pH芯片线宽、线间距加工精度及电化学检测性能,通过基质原位酸碱度监测试验验证基于仿射变换的软配准算法对柔性芯片性能的改善作用。

1 研究方法与原理

柔性pH传感芯片可应用于精确检测作物生长局部环境,因芯片打印过程中基底银层(Ag)与介导层单壁碳纳米管(SWCNT)分别采用喷墨和点胶工艺制备,功能打印头更换,常存在两功能油墨层间平移、旋转、伸缩等形变及配准偏差问题。柔性芯片的制备工艺示意如图1a所示。

图1 柔性pH芯片MSER仿射变换配准研究内容

本文探讨通过图像处理软配准算法实现pH双功能涂层配准,其基本工作流程图如图1b所示。设计配准试验图形,双层打印后将第1层定义为基准区域,第2层定义为待配准区域,人工判定形变模式后,获取两层图样位置关键参数。进而,基于MSER算法计算配准矩阵A。基于配准矩阵,校准第2层带配准区域图样后,开始打印。循环配准步骤,直至达到预设配准精度。

配准试验图像采用十字形设计,配准精度测试图形有“等宽不等线间距”及“不等宽等线间距”两种模式。双层打印基准区域定义及5种待配准区域形变模式如图1c所示。图中Ⅱ及Ⅲ待配准区域图形未发生尺寸改变,其余3种形变模式下待配准区域与打印基准区域内图形存在不同程度尺寸偏差。通过获取两层特征点(配准试验图形原点P0、与x轴相交的点P2以及与y轴相交的点P1)坐标、待配准区域与基准区域夹角等参数,计算获取MSER配准矩阵。

MSER仿射变换配准主要包括坐标信息获取、形变模式判定及仿射变换矩阵计算:

坐标信息获取中,坐标信息指由P0、P1及P2位置信息组成的3×3区域坐标矩阵。获取操作指确定配准图形打印基准区域和待配准区域坐标矩阵,两矩阵分别表示为C和C′。

形变模式判定中,定义了2大类5种类型形变。第1类普通形变,包括平移变换和旋转变换,如图1c中Ⅱ、Ⅲ所示,待配准区域形变只改变P0、P1及P2坐标位置,不改变配准图形形状;第2类为伸缩变换,包括尺寸变换、横向伸缩和纵向伸缩,如图1c中Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ所示,待配准区域形变原点P0位置不改变,而配准图形发生形变。

仿射变换矩阵计算用以获取基准区域与待配准区域间的映射关系,使用迭代计算方法,认为待配准区域坐标矩阵经过有限次仿射逆变换后,可以无限接近基准区域矩阵。

双层柔性pH芯片MSER仿射变换配准算法,计算式为

(1)

(2)

(3)

式中A1——普通形变模式下的MSER仿射变换配准矩阵,主要涉及到θ、w、h3个变量

θ——旋转变换时与y轴的夹角

w——平移变换时x轴平移量

h——平移变换时y轴平移量

A2——伸缩形变模式下的MSER仿射变换配准矩阵,涉及到φ1、φ2、W、H4个变量

φ1——横向伸缩时与y轴的夹角

φ2——纵向伸缩时与x轴的夹角

W——尺寸变换时纵向伸缩量

H——尺寸变换时横向伸缩量

式(1)～(3)中,所有角度均取顺时针方向,变换类型及变量的取值如图1c所示。模型运算采用多次迭代的方法逐步实现两层间的配准,计算过程均在Matlab 2018b 中完成。

2 材料与方法

2.1 校准图形及传感芯片设计

图形设计如图1a、1c所示,其中包括配准图形、精度测试图形以及pH传感芯片设计图形。

为使导电层与介导层精确配准,以长10 mm、宽0.3 mm的2个矩形垂直交叠构成的十字架为例详细描述建模方法与点胶机配准试验,如图1c中配准试验图形所示。设计精度测试图形如图1c中精度试验图形所示,图中d=s,尺寸如下:0.01～0.1 mm,以0.01 mm 为梯度递增;0.1～1 mm,以0.1 mm为梯度递增。PANI-SWCNT pH传感芯片多层结构及尺寸如图1a中pH传感芯片设计图所示。

2.2 仪器与材料

试验采用喷墨打印机(上海幂方科技有限公司)在PI基底上打印纳米银作为导电层,使用纳米加热板(HTL-300EX型,深圳市博大精科生物科技有限公司,设置温度为室温至450℃,控温精度±0.1℃)进行热固化,使用Mega S型点胶机(深圳市纵维立方科技有限公司)在导线层上点胶单壁碳纳米管(SWCNT)作为介导层,最后使用电化学工作站(CHI660D型,上海辰华仪器有限公司)电聚合的工艺在介导层上聚合一层聚苯胺作为pH电极的敏感层。以商用Ag/AgCl为参比电极,铂丝为对电极,自制SWCNT电极作为工作电极,设置参数:初始电位0 V,高电位0.9 V,低电位-0.2 V,极性为阳极,扫描速率为0.025 V/s,扫描50圈。

标准玻璃pH电极厂家为美国Thermal Scientific Orion公司,型号为8107BNUMD(测量范围:0～14,pH值精度:0.01),结合美国 Pinnacle的M555型离子计进行测定。

2.3 配准精度与传感性能测试

不进行配准,使用原始默认的先喷墨后点胶的方式,打印图1c配准试验图形,将每次的结果按照仿射变换类型进行归类,共5类问题,测量模型参数,对模型进行验证。为测定该模型精度,首先进行喷墨打印精度测定,通过打印图1c精度试验图形,测量3次并计算误差,测定喷墨打印精度。得出喷墨打印精度后,对喷墨精度范围内的图案进行点胶并用模型配准,在配准后的双层图形上随机选取20个匹配点,分别测量这些点之间的欧氏距离并记录,计算均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差,对该模型进行评价,得出模型可配准的精度。

传感器性能测定。按照图1a所示工艺顺序制备柔性pH传感芯片,进行电化学性能测定。

灵敏度S对比测试。在标定过程中,通过7个已知pH值的标定组,利用电化学工作站在不同标定组中测量柔性 pH 传感芯片与参比电极之间的电位变化,同时以玻璃电极的电位变化作对比。绘制测量电位与 pH值之间的曲线图,作为柔性 pH 传感芯片的建模标定曲线。

误差对比测试。在误差对比测试分析中,本文采用绝对误差进行对比测试,绝对误差是指传感器输出的测量数据与真值之间的误差。利用柔性 pH 传感芯片和标准pH传感器分别测量 5 组未知 pH值的测试集电位,每组重复测 3 次取平均,并将测量电位代入标定曲线计算出其对应的 pH 值,计算在 5 组 pH值测试集下,柔性 pH 传感芯片相比于标准 pH 传感器,所测 pH 值之间的绝对误差及相对误差。为避免测量时的偶然误差,每组测量数据重复测定3次,取平均值,误差棒显示测量值与平均值间的偏差。

2.4 番茄基质pH值监测

试验使用粉冠番茄,栽培方式为基质槽栽培。基质为有机基质,配方为草炭、蛭石、珍珠岩按照比例3∶1∶1混合。每天09:00浇水200 mL,每隔3 d随水施肥1次,具体为:150 g磷酸二铵((NH4)2HPO4)、100 g磷酸钾(K3PO4)。连续7 d分别在每天10:00、17:00采样约30 g,经粉碎、干燥后,按照基质液比例1∶5加入去离子水,放入摇床振荡30 min,静置30 min,得到基质浸提液。使用自制配准后的柔性pH芯片和标准玻璃pH电极同时测定pH值,并进行对比分析。柔性芯片有机基质pH值监测应用如图2所示。

图2 柔性芯片有机基质pH值监测应用

2.5 评价指标

从配准后的图像中随机选取20对匹配点,以它们的均方根误差(RMSE)作为评价配准精度的指标,其值越小,则表明匹配精度越高。选择平均绝对误差(MAE)和平均相对误差(MRE)作为配准算法的评价指标。其值越小,则表明匹配越准确。标准玻璃电极的灵敏度约为每单位pH值55 mV,制备的柔性pH电极灵敏度越大越好。

灵敏度可由能斯特方程求出,计算式为

E=Slgc(H+)+E0

(4)

式中E——电化学输出电势,mV

E0——标准电势,mV

3 结果与分析

3.1 配准模型验证

统计配准过程中出现的问题,按照仿射变换分类共有5类,将每个问题分解成单一的仿射变换,求仿射逆矩阵并记录参数,5类问题及配准结果如图3所示,可以看出点胶机工作过程中确会出现配准偏差问题,并且按照本文配准方法能够将两层配准。表1列出的分别为5类问题时测定的7个参数,问题1代表了平移变换,问题2代表旋转变换+平移变换,问题3代表尺寸伸缩+旋转变换,问题4代表平移变换+横向伸缩,问题5代表平移变换+纵向伸缩。序号1-1～5-1及1-2～5-2表示按照本文配准方法将两层配准后的结果。

表1 模型配准参数

图3 配准前后对比

按照配准模型进行打印,每类问题打印2个,计算配准后的MAE、MRE见表2,其中MAE为23.95～47.11 μm,MRE为5.75%～14.95%。根据配准试验结果,确定配准图形MAE不大于50 μm时,达到配准效果,可开展精度测试试验或pH芯片打印。

表2 模型配准评价指标

3.2 模型精度测试

单层喷墨打印精度测试的误差结果如图4a、4b所示。由图4a可知,随线宽设定值增加,MAE、MRE相对应总体呈先上升后平缓的趋势;线宽50 μm,喷墨打印MAE在-40～-30 μm范围内波动,相对误差MRE达到-367%～-100%;打印线宽为50～1 000 μm范围内,MAE在-20～-4 μm范围内波动, MRE为-22.22%～-6.7%;打印线宽大于100 μm时,MAE由-6.7 μm上升至78 μm,MRE基本保持不变,在-6.7%～11.14%小范围内波动。图4b显示,随线间距设定值增加,MAE、MRE相对应总体呈先上升后下降的趋势;线间距90 μm时,MAE在10～68 μm范围内波动,MRE达到60%～100%;打印线间距为90～1 000 μm,MAE在12～89 μm范围内波动,MRE为6.6%～25.33%。单层喷墨打印可设置最小线宽应不低于50 μm,最小线间距应不低于90 μm,明确单层配准打印精度可为后续配准精度试验提供基础。

图4 模型精度测定结果

双层配准(底层喷墨,第2层点胶)模型精度测试结果如图4c、4d所示。由图4c可知,配准后双层打印可实现的最小打印线宽为90 μm,随线宽增加,MAE呈总体上升趋势,MRE、RMSE相对应总体呈先下降后上升的趋势;线宽90 μm时, MRE在25%～80%范围;线宽为90～1 000 μm,MAE在-20～120 μm范围内波动,MRE为3.33%～22.22%,RMSE变化范围为0～140 μm。图4d表明,随线间距设定值增加,MAE、RMSE呈阶梯状上升趋势,MRE呈先上升后下降的趋势,配准后双层打印可实现的最小打印线间距为500 μm;线间距500 μm时,MRE为29.17%～85.42%;线间距为500～1 000 μm范围内,MAE在116.67～160 μm范围内波动,MRE为11.67%～24%,RMSE变化范围为 119.02～162.69 μm。

综上,校准后双层打印的最小线宽为90 μm,最小线间距为500 μm,较单层喷墨打印的线宽及线间距分辨率明显降低;配准后双层图案的尺寸相对误差波动可控制在25%范围内,较未配准前表现出明显改善,仍具进一步优化潜力。

3.3 传感器制备及性能测定

按照工艺顺序打印并用模型配准,制备出的柔性pH传感芯片如图1a实物所示,性能分析如图5所示。由图5a 传感器建模标定曲线可知,柔性pH传感芯片在测量pH值小于2或大于10时的灵敏度分别为每单位pH值-12.11、-30.21 mV,灵敏度较低,均和标准传感器相差较大,因此定义响应范围为2～10,此区间内灵敏度为每单位pH值-61.9 mV,标准 pH 传感器的灵敏度为每单位pH值-55.2 mV,响应范围为1.68～12,且两者在响应范围内,pH值与电位的决定系数均达到0.99。由图5b可知,相比于标准pH传感器,柔性pH传感芯片测量绝对误差小于0.15,测量相对误差小于4.1%。由图5c可知,柔性pH传感芯片测量值pHf与标准pH传感器测量值pHstd具有明显的一致性,拟合曲线为pHf=0.97pHstd+0.11,决定系数R2为0.99,拟合度较高,表明使用配准方法制备的柔性pH传感芯片具有较高的准确性。

图5 传感芯片性能测定结果

3.4 基质培番茄pH值监测性能

对无土栽培番茄基质pH值参数开展了连续7 d的动态追踪,实时获取标准pH传感器与自制柔性pH芯片监测数据。整理每日10:00、17:00测定pH值数据,绘制曲线如图6所示,蓝色虚线代表每日09:00浇水,黑色虚线代表每隔3 d 09:00随水施肥。

图6 有机基质pH值监测结果

监测周期内,2种pH传感器准确追踪到对基质的浇水及施肥操作,具体表现为:由于番茄对养分及水分的吸收,每日17:00的pH值监测结果较10:00均为下降趋势,次日09:00浇水后,pH值回升。第3天09:00随水施肥后,2种pH传感器均追踪到pH值回升,柔性及标准pH传感器监测值分别为从前一天17:00的5.51、5.54变化至第3天10:00的5.95、5.99,基质pH值变化幅值分别为0.44、0.45。经过3、4、5 d的生长后,pH值整体呈下降趋势,第6天09:00随水施肥后,柔性和标准pH传感器的监测结果分别从5.68、5.63变化为6.11、6.05,基质pH值变化幅值分别为0.43、0.42,数据提高趋势一致,变化幅值接近。

综合比较整个监测周期内两种传感器的测量偏差及数据相关性,柔性芯片与标准电极间的测量值绝对误差为-0.07～0.09,相对误差为-1.19%～1.50%。同时两传感器数据一致性良好,拟合方程为pHf=1.05pHstd-0.29,R2=0.91,均方根误差仅为0.05。同时,使用标准EC传感器监测的基质EC值均在正常范围内[21]。