TRỰC QUAN hóa THÔNG TIN HUỲNH QUANG của CHẤT LỎNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN  NGUYỄN HỒNG NGÂN TRỰC QUAN HĨA THƠNG TIN HUỲNH QUANG CỦA CHẤT LỎNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGÔ ĐỨC THÀNH TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2017 LỜI CÁM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo sư Imari Sato (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản) thầy TS Ngô Đức Thành Trong suốt trình làm luận văn, giáo sư thầy dành nhiều công sức giúp đỡ, hướng dẫn em tận tình để em hồn tất đề tài cách thuận lợi Bên cạnh đó, em xin cảm ơn anh chị đồng nghiệp bạn sinh viên khoa Khoa học máy tính phòng Thí nghiệm Truyền thông Đa phương tiện, trường ĐH Công nghệ Thông tin hỗ trợ em nhiều suốt thời gian em thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trường ĐH Công nghệ Thông tin, ĐHQG HCM tạo điều kiện cho em học tập hồn tất luận văn Em xin chân thành cảm ơn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác, ngoại trừ tư liệu trích dẫn ghi mục tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Nguyễn Hoàng Ngân Mục lục Mục lục v Danh sách hình vẽ viii Danh sách bảng ix Danh sách từ viết tắt x TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Bài toán phân biệt chất lỏng 1.2.1.1 Nhóm thịt động vật 1.2.1.2 Nhóm trái - rau củ 1.2.1.3 Nhóm chất lỏng Bài tốn mơ chất lỏng 1.2.2.1 Thành phần huỳnh quang loại chất lỏng 1.2.2.2 Các mơ hình chiếu sáng Nội dung Đóng góp luận văn 10 1.2.2 1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Bài tốn mơ chất lỏng 12 2.2 Phản xạ ánh sáng huỳnh quang 14 v MỤC LỤC 2.2.1 Phản xạ ánh sáng 14 2.2.2 Huỳnh quang 15 2.2.3 Ma trận kích thích phát xạ 15 2.3 Mơ hình kết hợp phản xạ ánh sáng huỳnh quang 16 2.4 Chuyển đổi từ quang phổ sang hệ màu RGB 19 2.5 Kĩ thuật tạo hình ảnh Ray tracing 20 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 23 3.1 Tiền xử lý liệu 23 3.2 Trực quan hoá liệu quang phổ phản xạ để phân biệt chất lỏng 28 3.2.1 Dữ liệu quang phổ phản xạ 28 3.2.2 Trực quan hoá liệu quang phổ phản xạ 29 3.3 Kết hợp hai thành phần phản xạ huỳnh quang để xác định màu sắc chất lỏng THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 33 4.1 Mẫu thử chất lỏng phương pháp đo lường 33 4.1.1 Mẫu thử chất lỏng 33 4.1.2 Phương pháp đo lường 34 4.1.2.1 Thiết lập máy đo 34 4.1.2.2 Cách thức đo lường 37 Kết đánh giá 39 4.2 4.2.1 31 Ảnh hưởng hiệu điện liệu quang phổ phản xạ quang phổ huỳnh quang 39 4.2.2 Phân biệt chất lỏng 41 4.2.3 Màu sắc chất lỏng 43 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 48 5.1 Kết đạt 48 5.2 Hướng phát triển 49 vi MỤC LỤC Cơng trình công bố 50 Tài liệu tham khảo 51 58 Phụ lục cơng trình cơng bố Phụ lục cơng trình công bố 58 67 Phụ lục đề cương luận văn xét duyệt Phụ lục đề cương luận văn xét duyệt vii 67 Danh sách hình vẽ 1.1 Mô chất lỏng [1] 2.1 Lưu đồ hệ thống mô chất lỏng 14 2.2 Ma trận kích thích phát xạ nước 16 2.3 Quang phổ kích thích quang phổ phát xạ[2] 18 2.4 Các hàm kết hợp màu sắc theo bước sóng [3] 19 2.5 Ý tưởng Ray tracing[4] 21 3.1 Các bước loại bỏ nhiễu tán xạ Rayleigh [5] 25 3.2 Dữ liệu nước nhiễu sau lọc nhiễu 27 3.3 Quang phổ phản xạ nước tờ giấy sticker màu xanh lá, màu đỏ 31 4.1 Máy đo quang phổ huỳnh quang Hitachi - F7000 35 4.2 Nguyên lý hoạt động máy quang phổ huỳnh quang 36 4.3 Glass vials 20ml bảo quản mẫu thử 39 4.4 Quang phổ phản xạ nước mức hiệu điện khác 40 4.5 Quang phổ huỳnh quang chất mức điện khác 41 4.6 Quang phổ phản xạ nước giấm hiệu điện khác 45 4.7 Quang phổ phản xạ chất lỏng: nước, rượu whisky, nước rửa chén sữa chua 46 4.8 Quang phổ phản xạ nước giấm 46 4.9 Quang phổ phản xạ bia rượu whisky 47 4.10 Đồ thị chiều màu sắc xác bia 47 viii Danh sách bảng 3.1 Dữ liệu nước 24 3.2 Dữ liệu quang phổ phản xạ vùng ánh sáng nhìn thấy (quang phổ phản xạ) bia 28 3.3 Dữ liệu quang phổ phản xạ rượu whisky 29 4.1 Thông tin mẫu thử chất lỏng 34 4.2 Màu sắc xác bia vùng bước sóng kích thích 300 - 350nm; bước sóng phát xạ: 300 - 350nm ix 44 Danh mục từ viết tắt BSDF bidirectional scattering distribution function EEM ma trận kích thích phát xạ quang phổ phản xạ quang phổ phản xạ vùng ánh sáng nhìn thấy StandardData liệu huỳnh quang McNamara Boswell x TÓM TẮT Trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính, chất lỏng đối tượng thu hút nhiều quan tâm phức tạp kiến trúc bề mặt chuyển động vật lý màu sắc Một toán nhiều nhà nghiên cứu tập trung giải tốn mơ chất lỏng Để mơ chất lỏng có hai vấn đề cần xem xét phân tích chất lỏng phương pháp mơ Phân tích chất lỏng cung cấp thơng tin mặt vật lý hoá học Đây sở để xây dựng phương pháp mô chất lỏng Trong phân tích chất lỏng, tơi tập trung giải tốn phân biệt chất có biểu mặt màu sắc khác tính chất Trong phương pháp mô chất lỏng, tập trung giải toán nâng cao độ chân thực hình ảnh mơ Trong tốn phân biệt chất lỏng, phân biệt chất lỏng có màu sắc khác đặc tính khơng thể sử dụng giác quan thị giác, khứu giác vị giác nhu cầu thực tế đặt Thông thường trường hợp phương pháp hóa học sử dụng để phân tích thành phần cấu tạo để xác định loại chất Tuy nhiên phương pháp có quy trình thực nghiệm phức tạp, chi phí cao, thơng tin thu đòi hỏi kiến thức chun sâu hóa học để đọc hiểu Gần để xác định, phân biệt đánh giá chất lượng loại thực phẩm, nghiên cứu sử dụng quang phổ phản xạ đạt kết đáng tin cậy Vì vậy, luận văn đưa phương pháp phân biệt chất lỏng dựa trực quan hóa quang phổ phản xạ vùng ánh sáng nhìn thấy Kết thực nghiệm liệu tự xây dựng gồm loại chất lỏng phổ biến bia, Nguyễn Hồng Ngân, Ngơ Đức Thành (Phần II.B) Trước tiên, quang phổ phản xạ đo lường nhiều lần với hiệu điện thay đổi để xác định điều kiện thí nghiệm mà liệu thực nghiệm có độ xác cao Sau quang phổ phản xạ trực quan biểu đồ đường Biểu đồ dạng biểu đồ điển hình để thể quang phổ phản xạ loại chất Đóng góp lớn báo đánh giá thực tế khả ứng dụng quang phổ phản xạ cho việc phân biệt chất lỏng thông qua việc sử dụng mô chất lỏng đồ thị quang phổ phản xạ II PHƯƠNG PHÁP A GIỚI THIỆU VỀ MÀU SẮC CỦA CHẤT LỎNG Theo Zhang Sato [14], màu sắc loại vật chất hai yếu tố định huỳnh quang phản xạ ánh sáng Huỳnh quang tượng quang phát quang, loại vật chất hấp thụ ánh sáng bước sóng ngắn (năng lượng cao hơn) thông thường vùng ánh sang tử ngoại 200nm – 380nm phát ánh sáng bước sóng dài (năng lượng thấp hơn) nằm vùng ánh sáng nhìn thấy 380nm – 720nm Bước sóng ánh sáng vật chất hấp thụ gọi bước sóng kích thích (Excitation – EX), bước sóng ánh sáng vật chất phát sau hấp thụ lượng gọi bước sóng phát xạ (Emission – EM) Thông tin huỳnh quang thể qua hai loại quang phổ quang phổ kích thích (excitation spectra) quang phổ phát xạ (emission spectra), ví dụ Hình Với phản xạ ánh sáng, vật chất phát ánh sáng có bước sóng bước sóng kích thích Thơng tin phản xạ ánh sáng thể qua quang phổ phản xạ Hình Quang phổ kích thích quang phổ phát xạ chất [14] Màu sắc chất lỏng định hai yếu tố Do để xác định màu sắc loại chất lỏng huỳnh quang hay phản xạ ánh sáng tạo nên, tiến hành đo đạc thông tin hai yếu tố vùng ánh sáng nhìn thấy Các mẫu chất lỏng đo máy đo quang phổ huỳnh quang Hitachi F-7000 với giá trị bão hòa cường độ ánh sáng 9999.9 Các loại quang phổ đo với bước sóng thay đổi từ 300nm tới 700nm, bước đo bước sóng tăng lên 10nm, bước sóng kích thích phát xạ thay đổi đồng thời Tại mức điện khác nhau, cường độ nguồn sáng thay đổi, thí nghiệm cần thực nhiều hiệu điện nhằm đảm bảo tín hiệu thu phản ánh tốt quang phổ phản xạ vùng ánh sáng nhìn thấy mẫu thử Chúng thực phép đo mức điện khác 100V, 150V 180V cho tất mẫu thử B TRỰC QUAN HÓA DỮ LIỆU QUANG PHỔ PHẢN XẠ Để trực quan hóa liệu quang phổ chúng tơi sử dụng đại lượng cường độ phản xạ tương đối để đảm bảo giá trị quang phổ không bị sai khác tiến hành nhiều lần đo khác loại máy hay nhiều loại máy khác Cường độ phản xạ tương đối (Relative Reflectance) tỉ lệ cường độ phản xạ ánh sáng chất so với cường độ phản xạ ánh sáng chuẩn (thông thường cường độ phản xạ ánh sáng chuẩn sử dụng cường độ phản xạ ánh sáng tờ giấy màu trắng) Tại bước sóng 𝜆 bất kỳ, cường độ ánh sáng phản xạ tương đối tính theo cơng thức sau: 𝑅 = 100 ∗ 𝐼 𝐼0 (1) Với R cường độ phản xạ tương đối bước sóng 𝜆; I cường độ ánh sáng phản xạ bước sóng 𝜆; I0 cường độ ánh sáng phản xạ chuẩn bước sóng 𝜆 Dữ liệu quang phổ chúng tơi lưu trữ ma trận hai chiều biểu diễn dạng bảng hàng bảng bước sóng kích thích (EX), cột bảng liệu bước sóng phát xạ (EM), giá trị hàng cột lại giá trị cường độ ánh sáng Dữ liệu cường độ ánh sáng phản xạ giá trị nằm đường Nguyễn Hồng Ngân, Ngơ Đức Thành chéo bảng (EM = EX) Chúng minh họa cách biểu diễn liệu Bảng Ví dụ Bảng 1, cường độ ánh sáng phản xạ bước sóng 310nm 3103 (EX=EM=310) Chúng tơi tiến hành trực quan hóa liệu thu thông qua hai bước Đầu tiên loại bỏ nhiễu liệu quang phổ đo được, sau chúng tơi lựa chọn loại đồ thị thích hợp để biểu diễn liệu quang phổ đo (thông qua cường độ phản xạ tương đối) Loại bỏ liệu nhiễu Dữ liệu cường độ ánh sáng huỳnh quang giá trị có EM > EX Theo Fujita [17] vùng liệu huỳnh quang khơng bị nhiễu vùng liệu vị trí thỏa mãn điều kiện EX ≥ EM – 40 2EX ≤ EM + 40 Việc xác định rõ vị trí mà huỳnh quang đạt giá trị lớn giải thích ảnh hưởng huỳnh quang màu sắc chất lỏng Trong Bảng 1, cường độ ánh sáng huỳnh quang giá trị in nghiêng Ví dụ cường độ ánh sáng huỳnh quang bước sóng kích thích bước sóng phát xạ EM = 300nm, EX = 310nm 1285 Từ Bảng bia nhận thấy cường độ phản xạ ánh sáng mạnh cường độ huỳnh quang Đây đặc điểm chung loại mẫu thử chất lỏng thí nghiệm Dữ liệu quang phổ phản xạ vùng bước sóng 300nm – 400 nm có giá trị tất mẫu thử, nguyên nhân vùng bước sóng gần vùng ánh sáng tử ngoại, lượng cao, mẫu chất lỏng hấp thụ ánh sáng phát huỳnh quang Bảng Dữ liệu quang phổ bia EX EM 300 310 320 330 340 350 300 310 320 330 340 350 2798 1285 144.6 11.67 7.388 7.868 2495 3103 1350 147.2 12.53 8.028 720.7 2929 3593 1498 157 12.5 16.01 832.6 3313 3930 1548 155.7 1.028 19.43 993.4 3721 4219 1626 0.755 1.136 24.12 1136 4048 4472 Bảng Dữ liệu quang phổ rượu whisky EX EM 300 310 320 330 340 350 300 310 320 330 340 350 2439 1112 123.4 10.07 6.441 6.826 2196 2692 1143 119.7 11.16 7.711 639.7 2548 3101 1269 127.1 11.13 14.24 726.6 2854 3320 1295 122.8 0.899 17.38 866.7 3215 3608 1366 0.669 0.991 21.7 997.8 3547 3887 Nhìn vào liệu quang phổ bia rượu whisky Bảng khó để phân biệt loại chất lỏng này, cần lựa chọn phương pháp trực quan hố thích hợp để thể liệu Đồ thị biểu diễn liệu quang phổ phản xạ Dữ liệu quang phổ phản xạ loại liệu định lượng Theo Cleveland [18], loại liệu định lượng, độ xác nhận thức với hình ảnh trực quan hóa giảm dần theo yếu tố biểu thị vị trí, độ lớn, góc, màu sắc Do chúng tơi lựa chọn biểu đồ đường để thể liệu quang phổ phản xạ Đây dạng biểu đồ điển hình sử dụng nghiên cứu ứng dụng quang phổ phản xạ Từ liệu cường độ ánh sáng phản xạ tiến hành xử lý để thu cường độ ánh sáng phản xạ tương đối, sau trực quan hóa thành biểu đồ đường, thể phân bố cường độ phản xạ tương đối theo bước sóng Biểu đồ tuân theo quy tắc Cleveland, thể thông tin màu sắc loại chất theo thông tin vị trí (giá trị bước sóng) độ lớn (cường độ bước sóng đó) Nếu hình dạng biểu đồ đường parapol, giá trị hồnh độ đỉnh parapol bước sóng thể màu sắc loại chất Nếu biểu đồ khơng có dạng parapol mà đạt cực đại khơng đổi từ bước sóng bắt đầu đạt cực đại dải màu sắc chất Trong trường hợp biểu đồ có dạng phân bố đều, giá trị cực đại cường độ so với giá trị cường độ lại khơng đáng kể loại chất khơng màu dạng chất suốt Xem xét ví dụ Hình 2, thể quang phổ nước tờ giấy sticker màu xanh lá, màu đỏ Với tờ giấy màu xanh biểu đồ có dạng parapol đạt giá trị cực đại bước sóng 510nm, bước sóng nằm dải màu xanh (495nm Nguyễn Hồng Ngân, Ngơ Đức Thành – 570nm) Với tờ giấy màu đỏ, giá trị cường độ bắt đầu đạt cực đại bước sóng 630nm khơng giảm bước sóng 700nm, vùng ánh sáng màu đỏ (620nm – 750nm) Trong đó, nước quang phổ phản xạ có giá trị cường độ điểm cực đại so với điểm khác biểu đồ khơng đáng kể Hình Quang phổ nước tờ giấy sticker màu xanh (green), màu đỏ (red) III THỰC NGHIỆM A MẪU THỬ CHẤT LỎNG Hiện chưa có liệu chuẩn cho toán sử dụng quang phổ phản xạ vùng ánh sáng nhìn thấy để phân biệt chất lỏng Do chúng tơi tiến hành xây dựng liệu loại chất lỏng phổ biến gồm có: bia, rượu whisky, nước, giấm, nước rửa chén sữa chua Các mẫu thử bảo quản glass vials (20 ml) nhiệt độ phòng 25 oC – 27oC Sáu loại chất lỏng chia theo nhóm dựa theo màu sắc Bảng Bảng Thông tin mẫu thử chất lỏng Màu sắc Các chất lỏng Không màu nước, giấm (Mizkan Rice Vinegar) Vàng suốt bia (Asahi Super Dry), rượu whisky (Scotch whisky) Cam suốt nước rửa chén (Rocket Dishwashing Liquid – Orange 600ml) Trắng đục sữa chua (Morinaga Bifidus Plain Yogurt) B KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng hiệu điện quang phổ phản xạ vùng ánh sáng nhìn thấy Để xét mức độ ảnh hưởng hiệu điện quang phổ phản xạ, thực so sánh cường độ ánh sáng mức hiệu điện chất lỏng so sánh khác quang phổ mẫu chất lỏng mức hiệu điện Quang phổ phản xạ chất lỏng tỉ lệ thuận với hiệu điện thế, ví dụ điển hình quang phổ phản xạ nước mức điện 100V, 150V 180V Hình Với mức điện 180V, cường độ ánh sáng đạt mức bão hòa Nguyễn Hồng Ngân, Ngơ Đức Thành Hình 3: Quang phổ nước mức điện khác Tại hiệu điện khác nhau, khác mặt quang phổ chất lỏng chịu ảnh hưởng điện Ví dụ trường hợp nước giấm Hình 4, mức điện 100V khác biệt quang phổ chất ít, ngược lại mức 180V cường độ đạt bão hòa Hình 4: Sự khác quang phổ nước giấm hiệu điện khác Như vậy, để thu quang phổ thực nghiệm tốt, cần tiến hành thí nghiệm đo mức điện đảm bảo cường độ, cường độ đủ lớn để thấy khác biệt chất khơng đạt giá trị bão hòa Sau đo lường so sánh, lựa chọn liệu đo mức điện 150V để thực bước Phân biệt chất lỏng sử dụng trực quan hoá liệu quang phổ phản xạ vùng ánh sáng nhìn thấy Chúng xem xét hiệu kết trực quan hoá trường hợp: Phân biệt chất lỏng khác màu sắc phân biệt chất lỏng màu sắc Phân biệt chất lỏng khác màu sắc: Quang phổ nhóm chất lỏng khác màu trực quan hóa Hình Từ kết thấy được, chất lỏng có độ suốt cao (nước, rượu whisky, nước rửa chén) có cường độ phản xạ ánh sáng thấp so với chất lỏng không suốt (sữa chua) Sự khác biệt quang phổ loại chất lỏng suốt đủ lớn để phân biệt loại chất lỏng Các chất lỏng suốt có màu sắc gần giống khác biệt quang phổ nhỏ (nước rửa chén rượu whisky) Bên cạnh đó, chất lỏng suốt không phản xạ mạnh bước sóng nào, ánh sáng xuyên qua chất lỏng này, lí khiến chất lỏng suốt Đối với sữa chua: Thành phần sữa chua sữa Sữa chứa thành phần fat globules, casein micelles, whey proteins, lactose, salts Các chất không hấp thụ ánh sáng nhiều bước sóng mà tán xạ ánh sáng Sự đồng hóa mặt cấu trúc sữa làm gia tăng phản xạ khuyếch tán khiến sữa có màu trắng, tương tự sữa chua có màu trắng Ngồi sữa chua có huỳnh quang mạnh, thành phần sữa chua hấp thụ ánh sáng vùng ánh sáng tử ngoại (360nm) phát ánh sáng vùng ánh sáng nhìn thấy (430nm), quang phát quang khiến cho quang phổ phản xạ tương đối sữa chua 100% [13] Nguyễn Hồng Ngân, Ngơ Đức Thành Hình 5: Quang phổ chất lỏng nước, rượu whisky, nước rửa chén sữa chua Phân biệt loại chất lỏng màu sắc: Các loại chất lỏng màu sắc phân biệt cách sử dụng quang phổ phản xạ Các chất lỏng màu có phân bố quang phổ có khác biệt rõ rệt độ lớn cường độ, điều thể qua trực quan quang phổ chất Hình 6, Hình 6: Quang phổ phản xạ nước giấm Ở Hình khác biệt cường độ nước giấm rõ rệt, sở để phân biệt hai chất Trong Hình 7, quang phổ phản xạ bia rượu whisky có khác biệt cường độ so với khác biệt cường độ nước giấm Mặc dù đạt cường độ cực đại giá trị bước sóng 460nm màu sắc nhóm bia – rượu whisky khác với nhóm nước – giấm Sự khác biệt màu sắc ảnh hưởng huỳnh quang Màu sắc loại vật chất tổng hợp quang phổ phản xạ quang phổ phát xạ huỳnh quang Trong thành phần bia có chất phát huỳnh quang, màu sắc bia phát huỳnh quang hình thành, điển hình Riboflavin bia hấp thụ ánh sáng bước sóng 440nm phát ánh sáng bước sóng 530nm (màu vàng) [15] Tương tự rượu whisky chứa chất phát huỳnh quang [16] Nguyễn Hồng Ngân, Ngơ Đức Thành Hình 7: Quang phổ phản xạ bia rượu whisky IV KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả ứng dụng quang phổ phản xạ để phân biệt loại chất lỏng thơng qua việc trực quan hố liệu quang phổ Bên cạnh chúng tơi xây dựng liệu quang phổ phản xạ quang phổ huỳnh quang cho loại chất lỏng phổ biến nước, nước rửa chén, bia, rượu whisky, giấm sữa chua, liệu chưa có nhóm nghiên cứu xây dựng công bố Hiện tại, công bố liệu loại chất lỏng cho nhóm nghiên cứu liên quan1 Đồng thời đề xuất giải pháp trực quan hoá liệu quang phổ giúp dễ dàng phân biệt loại chất lỏng Kết cho thấy loại chất lỏng khác màu sắc loại chất lỏng màu sắc phân biệt sử dụng hình ảnh đồ thị trực quan quang phổ phản xạ Với chất lỏng khác màu sắc hình dạng biểu đồ có khác rõ rệt Với chất lỏng màu sắc suốt, biểu đồ có hình dạng giống khác biệt độ lớn cường độ, khác biệt đủ để phân biệt chất Ngồi ra, chất lỏng có tính chất suốt bia, rượu Whisky, nước, giấm hình dạng biểu đồ tương tự nhau, khác màu sắc ảnh hưởng huỳnh quang Trong tương lai, mở rộng với nhiều loại chất lỏng, xây dựng sở liệu đủ lớn cho loại chất lỏng phổ biến đưa tiếp cận tự động để nhận diện nhóm loại chất lỏng dựa vào quang phổ chất lỏng V LỜI CẢM ƠN Thí nghiệm hỗ trợ Giáo sư Imari Sato – Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản Chúng gửi lời cám ơn chân thành tới Giáo sư việc cung cấp mẫu thử, thiết bị thí nghiệm kiến thức quang phổ phản xạ quang phổ huỳnh quang VI TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Mamani-Linares, L W., C Gallo, and D Alomar "Identification of cattle, llama and horse meat by near infrared reflectance or transflectance spectroscopy.", Meat science, vol.90, no.2, pp.378-385, 2012 Ding, Haibiao, Ruo‐Jun Xu, and Daniel K O Chan "Identification of broiler chicken meat using a visible/near‐ infrared spectroscopic technique.", Journal of the Science of Food and Agriculture vol.79, no.11, pp.1382-1388, 1999 Liu, Yongliang, et al "Prediction of physical, color, and sensory characteristics of broiler breasts by visible/near infrared reflectance spectroscopy.", Poultry science, vol.83, no.8, pp.1467-1474, 2004 Prieto, Nuria, et al "On-line application of visible and near infrared reflectance spectroscopy to predict chemical– physical and sensory characteristics of beef quality.", Meat Science vol.83, no.1, pp.96-103, 2009 Liao, Yi-Tao, Yu-Xia Fan, and Fang Cheng "On-line prediction of fresh pork quality using visible/near-infrared reflectance spectroscopy.", Meat Science, vol.86, no.4, pp.901-907, 2010 Liu, Yongliang, et al "Prediction of color, texture, and sensory characteristics of beef steaks by visible and near infrared reflectance spectroscopy A feasibility study.", Meat Science, vol.65, no.3, pp.1107-1115, 2003 Jamshidi, Bahareh, et al "Reflectance Vis/NIR spectroscopy for nondestructive taste characterization of Valencia oranges.", Computers and Electronics in Agriculture, vol.85, pp.64-69, 2012 Cao, Fang, Di Wu, and Yong He "Soluble solids content and pH prediction and varieties discrimination of grapes Truy cập theo địa https://drive.google.com/open?id=0B0Wdfzy6k6y0dmJqMVVWRG9paU0 Nguyễn Hồng Ngân, Ngơ Đức Thành [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] based on visible–near infrared spectroscopy.", Computers and Electronics in Agricultur, vol.71, pp S15-S18, 2010 Flores, Katherine, et al "Feasibility in NIRS instruments for predicting internal quality in intact tomato.", Journal of Food Engineering, vol.91, no.2, pp.311-318, 2009 Lin, Ping, Yongming Chen, and Yong He "Identification of geographical origin of olive oil using visible and near-infrared spectroscopy technique combined with chemometrics.", Food and Bioprocess Technology, vol 5, no.1, pp 235-242, 2012 Wu, Di, et al "Study on infrared spectroscopy technique for fast measurement of protein content in milk powder based on LS-SVM.", Journal of Food Engineering, vol.84, no.1, pp.124-131, 2008 Bogomolov, Andrey, et al "Quantitative determination of fat and total protein in milk based on visible light scatter.", Food Chemistry, vol.134, no.1, pp.412-418, 2012 Choudhury, Asim Kumar Roy Principles of Colour and Appearance Measurement: Object Appearance, Colour Perception and Instrumental Measurement Elsevier, 2014 Zhang, Cherry, and Imari Sato "Separating reflective and fluorescent components of an image.", Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), IEEE Conference on IEEE, 2011 Sikorska, Ewa, et al "Monitoring beer during storage by fluorescence spectroscopy.", Food Chemistry, vol.96, no.4, pp.632-639, 2006 Mignani, Anna Grazia, et al "Identifying the production region of single-malt Scotch whiskies using optical spectroscopy and pattern recognition techniques.", Sensors and Actuators B: Chemical, vol.171, pp.458-462, 2012 Fujita, Kaori, Mizuki Tsuta, Mito Kokawa, and Junichi Sugiyama "Detection of deoxynivalenol using fluorescence excitation–emission matrix.", Food and Bioprocess Technology, vol.3, no 6, pp 922-927, 2010 Cleveland, William S., and Robert McGill "Graphical perception: Theory, experimentation, and application to the development of graphical methods.", Journal of the American statistical association, vol.79, no.387, pp.531554, 1984 A VISIBLE REFLECTANCE SPECTROSCOPY BASED VISUALIZATION TECHNIQUE FOR LIQUID INDENTIFICATION Nguyen Hoang Ngan, Ngo Duc Thanh ABSTRACT— The need for distinguishing similar-looking liquids without tasting and smelling is now rising in many fields such as control quality of beverage, crime analysis, etc Normally, methods based on chemical composition analysis are used to identify elements of each liquid and then recognize types of each liquid However, those methods require complex procedures, high cost, and specialists to conduct Recently, methods based visible reflectance spectroscopy have achieved good results to distinguish divers kinds of foods In this paper, we propose a method of using visible reflectance spectroscopy to distinguish similar-looking liquids Our experiments conducted on kinds of liquids including beer, whiskey alcohol, pure water, vinegar, dishwashing, and yogurt have shown the effectiveness of recognizing similar looking liquids Chương Phụ lục đề cương luận văn xét duyệt 67 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự - Hạnh phúc CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (PTII): 15TC Tên đề tài hướng NC  Tiếng Việt: TRỰC QUAN HĨA THƠNG TIN HUỲNH QUANG CỦA CHẤT LỎNG  Tiếng Anh: VISUALIZING FLUORESCENCE OF LIQUIDS Ngành mã ngành đào tạo: Khoa Học Máy Tính – 60.48.01.01 Họ tên học viên thực đề tài, khóa- đợt học: Nguyễn Hồng Ngân , Khóa – Đợt Địa email: ngannh@uit.edu.vn Điện thoại: 01229478720 Địa chỉ: 33/4 Lê Hồng Phái, Phường 17, Quận Gò Vấp, Thành Phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Ngơ Đức Thành Điện thoại: 0918145729 Địa email: thanhnd@uit.edu.vn Tổng quan tình hình NC 4.1 Giới thiệu chung  Trong thời gian gần đây, vấn đề an toàn thực phẩm nhu cầu cấp thiết xã hội Để giải vấn đề này, nghiên cứu tập trung vào toán nhận biết, phân loại đánh giá chất lượng thực phẩm Có nhiều cách tiếp cận toán dựa vào cấu trúc hoá học, tính chất vật lý…Tuy nhiên 15 năm trở lại đây, hướng nghiên cứu cộng đồng giới quan tâm sử dụng thông tin huỳnh quang thực phẩm kết hợp với thuật toán phân tích liệu Các nghiên cứu thực thi chuỗi thức ăn sản phẩm từ sữa [1], dầu thực vật [2], bột tinh bột [3], rượu – bia – nước giải khát [4, 5, 6], thịt động vật [7, 8, 9] Kết từ nghiên cứu cho thấy hướng tiếp cận có tiềm lớn, đồng thời mang lại nhiều hiệu mặt kinh tế  Huỳnh quang phát quang phân tử hấp thụ lượng dạng nhiệt (phonon) dạng quang (photon) Phần lớn vật chất huỳnh quang hấp thụ ánh sáng nằm gần vùng tử ngoại có bước sóng từ 200nm tới 380nm phát ánh sáng có quang phổ vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 380nm tới 720nm Quang phổ phát xạ vật chất huỳnh quang ln ln có phân bố tần số với quang phổ ánh sáng kích thích Đối với loại vật chất huỳnh quang, chiếu sáng, màu sắc chúng tạo màu phản xạ ánh sáng màu huỳnh quang Thông tin huỳnh quang không cung cấp đặc tính vật lý mà cung cấp thơng tin thành phần hóa học vật chất huỳnh quang Mỗi loại vật chất khác chứa chất phát huỳnh quang khác hàm lượng loại chất Thơng tin huỳnh quang có ưu điểm phát nhanh, không bị phá hủy điều kiện chiếu sáng khác nhau, có tính chọn lọc cao, độ nhạy lớn  Đối với loại thực phẩm dạng lỏng dầu thực vật, rượu – bia – nước giải khát, thông tin huỳnh quang liên quan mật thiết tới độ tinh khiết, chất lương chất lỏng Do nghiên cứu sử dụng thông tin huỳnh quang để tiến hành phân loại, nhận biết, đánh giá chất lỏng [2, 4, 5, 6, 16, 17, 18] Tuy nhiên, theo tìm hiểu học viên chưa có nghiên cứu trực quan hóa thơng tin huỳnh quang để hiểu tính chất vật lý thành phần hóa học chất lỏng thơng qua kênh thị giác Bên cạnh đó, thơng tin phản xạ ánh sáng thể đặc trưng vật lý, thể mặt chất lượng chất lỏng Do đề tài học viên tập trung vào việc tìm hiểu đề xuất phương pháp trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng 4.2 Thách thức  Hiện tại, liệu phản xạ ánh sáng huỳnh quang loại chất lỏng chưa xây dựng  Dữ liệu huỳnh quang có nhiều cách trực quan hóa, việc lựa chọn mơ hình trực quan để biểu diễn trực quan liệu mang lại hiệu cao việc tiếp nhận thơng tin tính chất vật lý thành phần hóa học chất lỏng toán lớn cần nghiên cứu kĩ 4.3 Tình hình nghiên cứu 4.3.1 Nghiên cứu ngồi nước  Thông tin huỳnh quang sử dụng nghiên cứu thông tin quang phổ  Trong lĩnh vực thực phẩm, thông tinh huỳnh quang ứng dụng theo nhiều phương pháp khác nhau, điển hình phương pháp sau: • Thơng tin quang phổ huỳnh quang sử dụng việc đo lường thay đổi hoá học vật lý sản phẩm từ sữa trình sản xuất lưu trữ Các nghiên cứu xem xét thay đổi quang phổ huỳnh quang chất tryptophan [10, 11], Vitamin A [12, 13], Riboflavin [14, 15] để đánh giá mối quan hệ thông tin quang phổ huỳnh quang với chất lượng sản phẩm từ sữa • Sử dụng quang phổ huỳnh quang mặt trước (Front - face fluorescence spectroscopy) Ma trận kích thích – phát xạ (Excitation - Emission Matrix) dấu hiệu để nhận biết, phân loại, đánh giá chất lượng số loại thực phẩm thịt động vật [8, 9, 10], dầu thực vật [2], rượu – bia – nước giải khát [16, 17, 18] Các nghiên cứu sử dụng phương pháp Principal component analysis [1, 7], Parallel factor analysis [16, 17] để xử lý liệu • Bên cạnh số nghiên cứu ứng dụng thơng tin huỳnh quang sử dụng quang phổ huỳnh quang đồng (Synchronous Fluorescence Spectroscopy) để quan sát thay đổi chất cấu tạo thực phẩm [6, 19]  Trong lĩnh vực xử lý ảnh, thông tin huỳnh quang phản xạ ánh sáng sử dụng để tăng cường độ xác thể màu sắc ảnh chiếu sáng lại điều kiện ánh sáng Cùng cảnh vật, chụp lại cảnh điều kiện chiếu sáng Iknown, cần dự đoán màu sắc ảnh cảnh chiếu sáng ánh sáng Iarbitrary Để giải toán chiếu sáng lại, nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mơ hình kết hợp hai thành phần phản xạ ánh sáng huỳnh quang Đối với đối tượng có phát huỳnh quang màu sắc nhìn thấy tổng hợp hai thành phần phản xạ ánh sáng huỳnh quang, mơ hình kết hợp hai thành phần ảnh hưởng lớn tới độ xác ảnh chiếu sáng lại Trong nghiên cứu Lam Sato [20], tác giả đưa mơ hình kết hợp hai thành phần này, chứng minh hiệu việc dự đoán màu sắc ảnh chiếu sáng lại với độ xác cao  Trong đề tài này, học viên tìm hiểu phương pháp sử dụng liệu huỳnh quang, đồng thời kết hợp với mơ hình Lam Sato [20], từ đề xuất phương pháp trực quan hóa liệu phản xạ ánh sáng huỳnh quang 4.3.2 Nghiên cứu nước  Theo tìm hiểu học viên tình hình nghiên cứu Việt Nam nay, ứng dụng thông tin huỳnh quang vào hệ thống liên quan tới thực phẩm vấn đề mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu giới có nhiều ứng dụng đa dạng Tính khoa học tính đề tài 5.1 Tính tính cấp thiết  Ứng dụng huỳnh quang vào lĩnh vực an toàn thực phẩm xu hướng cộng đồng nghiên cứu giới đặc biệt quan tâm Với kết tiềm chi phí thấp so với nghiên cứu trước hướng nghiên cứu cần đầu tư nghiên cứu  Trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng có nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt việc nhận biết, phân loại, đánh giá chất lượng loại chất lỏng  Ứng dụng thông tin huỳnh quang có nhiều phương pháp tiếp cân, việc thực tìm hiểu tổng quan phương pháp giúp đánh giá, lựa chọn cách trực quan hóa thông tin huỳnh quang cụ thể để giải yêu cầu đặt 5.2 Tính khoa học Đề tài nghiên cứu trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng tập trung vào hai nội dung sau:  Nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng thông tin quang phổ huỳnh quang  Xây dựng đánh giá phương pháp để trực hóa thông tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng Mục tiêu, đối tượng phạm vi NC 6.1 Mục tiêu: Đề tài “Trực quan hóa thông tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng” có mục tiêu sau đây: Tìm hiểu tổng quan phương pháp ứng dụng huỳnh quang lĩnh vực an toàn thực phẩm; Đánh giá số phương pháp ứng dụng huỳnh quang số mặt độ phức tạp thí nghiệm, mơ hình, tiềm ứng dụng; Áp dụng kiến thức tìm hiểu ứng dụng huỳnh quang tốn trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng; Đánh giá phương pháp trực quan đề xuất Với mục tiêu học viên thực công việc cụ thể sau: (1) Nghiên cứu tổng quan ứng dụng huỳnh quang lĩnh vực an toàn thực phẩm, khảo sát tốn trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng; (2) Nghiên cứu số phương pháp ứng dụng thông tin huỳnh quang (như ma trận kích thích – phát xạ , quang phổ huỳnh quang đồng bộ…) đánh giá mức độ phù hợp phương pháp ứng dụng cho vấn đề cụ thể; (3) Xây dựng đánh giá phương pháp trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng; (4) Tổng kết đề tài 6.2 Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá nghiên cứu tập liệu thí nghiệm tự xây dựng gồm loại chất lỏng phổ biến: nước rửa chén, giấm, nước sữa chua  Các loại chất lỏng đại diện cho nhóm chất lỏng sau: Chất lỏng chứa nhiều thành phần hóa học hữu vô (Nước rửa chén), chất lỏng sản phẩm từ sữa (sữa chua), chất lỏng có chứa nhóm chất hữu alcohol (giấm) chất lỏng phản xạ ánh sáng toàn phần (nước) Nội dung, phương pháp Nội dung 1: Mục tiêu:  Khảo sát tổng quan ứng dụng huỳnh quang lĩnh vực an tồn thực phẩm;  Khảo sát tốn trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng Kết quả:  Tài liệu tổng hợp, phân tích ứng dụng huỳnh quang vào thực tế nay;  Tài liệu tổng hợp, phân tích phương pháp state-of-the-art trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng Nội dung 2: Mục tiêu:  Khảo sát tổng quan phương pháp ứng dụng huỳnh quang Kết quả:  Tài liệu tổng hợp, phân tích phương pháp ứng dụng huỳnh quang Nội dung 3: Mục tiêu:  Xây dựng đánh giá phương pháp trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng Kết quả:  Phương pháp trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh quang chất lỏng;  Một báo hội nghị khoa học Nội dung 4: Mục tiêu:  Tổng hợp kiến thức tìm hiểu viết báo cáo Kết quả:  Báo cáo luận văn Kế hoạch bố trí thời gian NC Nội dung Nghiên cứu tổng quan ứng dụng huỳnh quang lĩnh vực an toàn thực phẩm, khảo sát tốn trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh sáng huỳnh Thời gian 10/2016 – 11/2016 quang chất lỏng Nghiên cứu số phương pháp ứng dụng huỳnh quang đánh giá mức 11/2017 – 1/2017 độ phù hợp phương pháp ứng dụng cho vấn đề cụ thể Xây dựng đánh giá phương pháp trực quan hóa thơng tin phản xạ ánh 1/2017 - 5/2017 sáng huỳnh quang chất lỏng Tổng kết đề tài 6/2017 9.Tài liệu tham khảo [1] Andersen, C M., & Mortensen, G (2008), “Fluorescence spectroscopy: a rapid tool for analyzing dairy products” Journal of agricultural and food chemistry, 56(3), 720-729 [2] Sikorska, E., Khmelinskii, I., & Sikorski, M (2012), Analysis of olive oils by fluorescence spectroscopy: Methods and applications INTECH Open Access Publisher [3] Shibata, M., Fujita, K., Sugiyama, J., Tsuta, M., Kokawa, M., Mori, Y., & Sakabe, H (2011), “Predicting the buckwheat flour ratio for commercial dried buckwheat noodles based on the fluorescence fingerprint” Bioscience, biotechnology, and biochemistry, 75(7), 1312-1316 [4] Yin, C., Li, H., Ding, C., & Wang, H (2009), “Preliminary investigation on variety, brewery and vintage of wines using three-dimensional fluorescence spectroscopy” Food science and technology research, 15(1), 27-38 [5] Rasch, C., Böttcher, M., & Kumke, M (2010), “Determination of aflatoxin B1 in alcoholic beverages: comparison of one-and two-photon-induced fluorescence” Analytical and bioanalytical chemistry, 397(1), 87-92 [6] Li, X Y., Li, N., Luo, H D., Lin, L R., Zou, Z X., Jia, Y Z., & Li, Y Q (2011), “A novel synchronous fluorescence spectroscopic approach for the rapid determination of three polycyclic aromatic hydrocarbons in tea with simple microwave-assisted pretreatment of sample” Journal of agricultural and food chemistry, 59(11), 5899-5905 [7] Dufour, É., Frencia, J P., & Kane, E (2003), “Development of a rapid method based on front-face fluorescence spectroscopy for the monitoring of fish freshness” Food Research International, 36(5), 415423 [8] Nishino, K., Nakamura, K., Tsuta, M., Yoshimura, M., Sugiyama, J., & Nakauchi, S (2013), “Optimization of excitation–emission band-pass filter for visualization of viable bacteria distribution on the surface of pork meat” Optics express,21(10), 12579-12591 [9] Yoshimura, M., Sugiyama, J., Tsuta, M., Fujita, K., Shibata, M., Kokawa, M., & Oto, N (2014), “Prediction of aerobic plate count on beef surface using fluorescence fingerprint” Food and bioprocess technology, 7(5), 1496-1504 [10] Herbert, S., Riaublanc, A., Bouchet, B., Gallant, D J., & Dufour, E (1999), “Fluorescence spectroscopy investigation of acid-or rennet-induced coagulation of milk” Journal of Dairy Science, 82(10), 2056-2062 [11] Lopez, C., & Dufour, E (2001), “The composition of the milk fat globule surface alters the structural characteristics of the coagulum” Journal of colloid and interface science, 233(2), 241-249 [12] Karoui, R., Mouazen, A M., Dufour, E., Schoonheydt, R., & De Baerdemaeker, J (2006), “Utilisation of front-face fluorescence spectroscopy for the determination of some selected chemical parameters in soft cheeses” Le Lait,86(2), 155-169 [13] Karoui, R., Dufour, É., Pillonel, L., Schaller, E., Picque, D., Cattenoz, T., & Bosset, J O (2005), “The potential of combined infrared and fluorescence spectroscopies as a method of determination of the geographic origin of Emmental cheeses” International Dairy Journal, 15(3), 287-298 [14] Wold, J P., Jørgensen, K., & Lundby, F (2002), “Nondestructive measurement of light-induced oxidation in dairy products by fluorescence spectroscopy and imaging” Journal of dairy science, 85(7), 1693-1704 [15] Becker, E M., Christensen, J., Frederiksen, C S., & Haugaard, V K (2003), “Front-face fluorescence spectroscopy and chemometrics in analysis of yogurt: rapid analysis of riboflavin” Journal of dairy Science, 86(8), 2508-2515 [16] Airado-Rodriǵ uez, D., Galeano-Díaz, T., Durán-Merás, I., & Wold, J P (2009), “Usefulness of fluorescence excitation− emission matrices in combination with PARAFAC, as fingerprints of red wines” Journal of agricultural and food chemistry, 57(5), 1711-1720 [17] Airado-Rodríguez, D., Durán-Merás, I., Galeano-Díaz, T., & Wold, J P (2011), “Front-face fluorescence spectroscopy: A new tool for control in the wine industry” Journal of Food Composition and Analysis, 24(2), 257-264 [18] Wan, Y., Pan, F., & Shen, M (2012),” Identification of Jiangxi wines by three-dimensional fluorescence fingerprints” Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 96, 605-610 [19] Sádecká, J., & Tóthová, J (2010), “Determination of caramel in non-aged mixed wine spirits by synchronous fluorescence spectroscopy” European Food Research and Technology, 230(5), 797-802 [20] Lam, Antony, and Imari Sato (2013), "Spectral modeling and relighting of reflective-fluorescent scenes." Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition 2013 TP HCM, ngày 09 tháng 01 năm 2017 NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN KÝ TÊN (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) ………………………………… ………………………………… ... thích phân tử [36] Trong luận văn xem xét phát quang huỳnh quang, không xem xét hai loại phát quang lân quang phát quang hố học Chất huỳnh quang chất có chứa phân tử hấp thụ lượng bước sóng xác... thuyết 2.2.2 Huỳnh quang Phát quang phát xạ ánh sáng từ phân tử trạng thái kích thích, xảy kết hấp thụ ánh sáng, quang phát quang phát quang hoá học phản ứng hoá học [34, 35] Quang phát quang chia... quan trọng lĩnh vực đồ hoạ máy tính Bài tốn có đầu vào thông tin chất lỏng môi trường vật lý mà chất lỏng đặt vào Sau qua hệ thống mơ cho đầu hình ảnh mô chất lỏng Thông tin chất lỏng thông tin