CN103984979B - 无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置及方法，封闭盒内的底部安装有传感器模组，传感器模组的成像平面的上方设置有载玻片，藻类样本夹在盖玻片和载玻片之间，且与成像平面平行；微孔元件置于封闭盒顶部中心，且位于盖玻片的正上方；光源位于微孔元件的上方，与微孔元件的微孔紧邻，其光路方向与盖玻片垂直，并从盖玻片的上方垂直入射。载玻片下方的传感器模组记录衍射光照射藻类样本后的衍射成像，并输出图像。将输出图像通过数据线导入计算机，通过计算机程序运算实现水藻的显示，识别，自动标记和计数。节省了大量的人力和时间。制作简单、成本低廉、易于操作、无需透镜、可实现小型化。

Description

无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置及方法

技术领域

本发明涉及一种自动检测计数技术，具体涉及无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置和方法。

背景技术

由于环境变化及人为活动的影响,我国的湖泊富营养化仍在加剧。多数湖泊、塘堰已经处于富营养化,大江大河的富营养化现象也日益凸显，影响到国计民生。为应对这一情况，对水中藻类进行实时监测，可以实现对水体富营养状况的实时掌握。实现监测对当前的藻类检测技术提出了新的挑战，对简单低成本便携的藻类检测工具具有巨大需求。

常用的藻类计数方法中，显微镜计数法计数精确，成本相对较低。但是要从显微镜观察细胞计数器中的藻类并人工计数，对工作人员要求高，耗时长。另外，这种方法必须在光学显微镜下进行。

此外，还有流式细胞仪法和光度法等可以对藻类自动计数。但是，对样液有一定要求，并且需要样液匀速通过微流管。这就需要另外的技术和设备的支持。即使能够将这些都集中在一个集成化设备中，却还要面对耗时长、仪器精密不易维护和便携性等问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种无透镜衍射成像藻类自动检测计数的装置，其具有无透镜的简单结构，且视野广，可实现小型化。

本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种无透镜衍射成像藻类自动检测计数的方法，该方法易于操作，且观察细胞的视野广，能够快速自动检测藻类样本。

为了解决上述第一个技术问题，本发明采用以下技术方案，无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，包括光源、盖玻片、载玻片、传感器模组、微孔元件以及不透光封闭盒，封闭盒内的底部安装有传感器模组，传感器模组的成像平面的上方设置有载玻片，藻类样本夹在盖玻片和载玻片之间，且与成像平面平行；微孔元件置于不透光封闭盒顶部中心，且位于盖玻片的正上方；光源位于微孔元件的上方，与微孔元件的微孔紧邻，其光路方向与盖玻片垂直，并从盖玻片的上方垂直入射。

所述微孔元件嵌入封闭盒的顶部中心，其微孔直径为30～100微米，该微孔元件位于所述盖玻片的正上方5～20厘米。

所述传感器模组为CCD传感器或CMOS传感器，均包括感光面和控制电路，其感光面尺寸为1/5～1/3英寸，传感器模组位于载玻片下方，两者间距离小于200微米。

所述载玻片和盖玻片的厚度为100～200微米。

所述光源为LED光源，颜色为白色或白色偏蓝色。

所述样本为直径为微米及以上的淡水藻类。

一种无透镜衍射成像的藻类自动检测计数方法，其步骤为：

1)将藻类样本置于载玻片与盖玻片之间，压好，然后放在传感器模组的感光面正上方，接着合上不透光封闭盒；

2)开启光源，使光源发出的光透过微孔元件的微孔衍射，并垂直入射到盖玻片上，位于载玻片下方的传感器模组记录衍射光照射藻类样本后的衍射成像，并输出图像；

3)将输出图像通过数据线导入计算机，通过计算机程序实现图像显示，藻类识别，自动完成标记计数以及藻类样本的估计。

所述计算机程序原理步骤如下：首先对图像进行增强处理，将输出图像的读取显示，对图像像素灰度值进行修正，采用直方图均衡化使原图像灰度集中的区域拉开，均匀分布灰度，需要先进行去除噪声的工作时，用滤波器进行滤波处理，对图像的像素执行滤波运算时，若对邻域内的像素的计算为线性，则对应的去除噪声技术就是线性空间滤波技术；接着根据图像特征进行连通域分割，被分割的连通域包含藻类细胞和杂质等，以指定颜色对其边界进行标记，并计算各连通域的种类和个数。

所述比例值是根据图像的一维熵H，并按计算公式(1-H*K+σ)计算，其中K>0为熵系数，σ>0为调整因子。

所述连通域其分类通过计算图像中单个连通域占据的像素个数实现。

与现有方法相比，本发明提供一种无透镜的基于衍射成像的大视野的藻类检测技术方案，其记录每个藻细胞在光电传感器阵列(即指CCD或CMOS感光器)上的衍射图像。这种无透镜的光学方法数倍(一般为2倍)地增加了传统光学显微镜的视野，可以实时检测大视域内的众多藻类。实现了新的显微技术，不再需要精密复杂的透镜模组。图像处理算法能够显示输出图像，并快速对图像中的藻类进行识别，自动完成标记计数以及样本估计，节省了大量的人力和时间。制作简单、成本低廉、易于操作，其无需透镜，可实现小型化。

附图说明

图1是发明装置的结构示意图；

图中：1.光源，2.盖玻片，3.藻类样本，4.载玻片，5.传感器模组，6.微孔元件，7.不透光封闭盒。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，参见图1，无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，包括光源1、盖玻片2、载玻片4、传感器模组5、微孔元件6以及不透光封闭盒7，不透光封闭盒7内的底部安装有传感器模组5，传感器模组5的成像平面的上方设置有载玻片4，藻类样本3夹在盖玻片2和载玻片4之间，且与成像平面平行；微孔元件6置于封闭盒7顶部中心，且位于盖玻片2的正上方；光源1位于微孔元件6的上方，与微孔元件6的微孔紧邻，其光路方向与盖玻片2垂直，并从盖玻片2的上方垂直入射。

所述微孔元件6嵌入封闭盒7的顶部中心，其微孔直径为30～100微米，该微孔元件6位于所述盖玻片2的正上方5～20厘米。

所述传感器模组5为CCD传感器或CMOS传感器，均包括感光面和控制电路，其感光面尺寸为1/5～1/3英寸，传感器模组5位于载玻片4下方，两者间距离小于200微米。

所述载玻片4和盖玻片2的厚度为100～200微米。

所述光源1为LED光源，颜色为白色或白色偏蓝色。

所述样本为直径为2微米及以上的淡水藻类。

一种无透镜衍射成像的藻类自动检测计数方法，其步骤为：

1)将藻类样本3置于载玻片4与盖玻片2之间，压好后，放在传感器模组5的感光面正上方，并合上不透光封闭盒7；

2)开启光源1，使光源1发出的光透过微孔元件6的微孔衍射，并垂直入射到盖玻片2上，位于载玻片4下方的传感器模组5记录衍射光照射藻类样本3后的衍射成像，并输出图像；

3)将输出图像通过数据线导入计算机，通过计算机程序实现图像显示，藻类识别，自动完成标记计数以及藻类样本3的估计。

所述计算机程序原理步骤如下：首先对图像进行增强处理，将输出图像的读取显示，对图像像素灰度值进行修正，采用直方图均衡化使原图像灰度集中的区域拉开，均匀分布灰度，需要先进行去除噪声的工作时，用滤波器进行滤波处理，对图像的像素执行滤波运算时，若对邻域内的像素的计算为线性，则对应的去除噪声技术就是线性空间滤波技术；接着根据图像特征进行连通域分割，被分割的连通域包含藻类细胞和杂质等，以指定颜色对其边界进行标记，并计算各连通域的种类和个数。

所述比例值是根据图像的一维熵H，并按计算公式(1-H*K+σ)计算，其中K>0为熵系数，σ>0为调整因子。

所述连通域其分类通过计算图像中单个连通域占据的像素个数实现。

本发明提出一种无透镜衍射成像藻类检测计数的装置，包括用于放置样本的载玻片4、置于载玻片4之上的盖玻片2和不透光封闭盒7，在所述载玻片4的下方设有CCD或CMOS传感器模组，在所述盖玻片2上方设有微孔元件6，微孔元件6上设置有光源1，上述组件安装在不透光封闭盒7内。光源1和微孔元件6位于盖玻片2的正上方，光源1发出的光透过微孔元件6的微孔能够垂直入射在盖玻片2上。CCD或CMOS传感器模组包括感光面和控制电路，感光面的尺寸为1/4英寸，像素为130万。CCD或CMOS传感器模组的感光面与载玻片4平行设置且与载玻片4的距离不大于200微米。载玻片4和盖玻片2的厚度为100～200微米。光源1为LED光源，其颜色为白色或者白色偏蓝色。藻类样本3为直径为2微米以及以上的淡水藻类。载玻片4形状为方形。

本发明的无透镜衍射成像藻类检测计数的方法，包括：将藻类样本置于载玻片与盖玻片之间，压好，然后将玻片放在所述传感器模组的感光面正上方，接着合上不透光封闭盒。开启光源，使光源发出的光透过微孔衍射，并垂直入射到盖玻片上，位于载玻片下方的CCD或CMOS传感器模组记录衍射光照射藻类样本后的衍射成像，并输出图像。将输出图像通过数据线导入计算机，通过专用程序运算实现水藻的识别和自动标记计数。

实施例：该无透镜衍射成像藻类检测计数装置，包括光源1、盖玻片2、载玻片4、传感器模组5、微孔元件6以及封闭盒7。藻类样本3夹在上层玻片2和下层玻片4之间，下层玻片4置于传感器模组5的成像平面的上方，与成像平面平行，微孔元件6置于封闭盒7顶面中心，位于盖玻片2的正上方。光源1位于微孔元件6的上方，与微孔紧邻，光路方向与盖玻片2垂直，从盖玻片2的上方垂直入射，封闭盒7将上述元件包含，且底面连接传感器模组5，可拆卸。

载玻片4与传感器模组5的成像平面的距离保持200微米或者小于200微米。盖玻片2与载玻片4的厚度为100-150微米。光源1采用常用的LED光源，颜色为白色。藻类样本的直径在2微米或以上。藻类被放置在两个玻片(载玻片和盖玻片)之间。

传感器模组5采用CCD传感器或COMS传感器的成像阵列记录衍射光通过样本后的衍射图像。打开计算机，将输出图像读入计算机处理系统，运行专用程序，显示图像，对水藻进行种类识别，然后进行自动标记和计数，最后根据估计模型，计算水体藻类含量等数据。

本发明装置不需要透镜即可对大视域的大量藻类进行检测计数，其采用光电传感器阵列记录成像平面上的藻类衍射成像，能检测较大视野，大于传统光学显微镜视野的2倍。而且，其不需要任何机械扫描和光学元件、如显微镜目镜或镜头。该装置可以在线检测计数大视域内的藻类，为水体藻类状况监测提供依据。

CCD或CMOS传感器模组采集形成的信息输入到数据处理系统(附带藻类图像分析处理计数的计算机程序)分析处理，最后得到样本结果输出。计算机程序原理步骤如下：首先对图像进行增强处理，将输出图像的读取显示，对图像像素灰度值进行修正，使图像灰度值动态范围加大，对比度扩展，成像均匀清晰，达到改善图像质量的目的。为了使图像细节清晰，并使一些目标突出，达到图像增强的效果，可采用直方图均衡化使原图像灰度集中的区域拉开，使灰度分布均匀，从而增强图像整体对比度，使图像细节清晰。进行图像处理时，有时需要先进行去除噪声的工作。最直接的去除噪声的方法是用滤波器进行滤波处理，对图像的像素执行滤波运算时，若对邻域内的像素的计算为线性，则对应的去除噪声技术就是线性空间滤波技术，接着根据图像特征进行连通域分割，被分割的连通域包含藻类细胞和杂质等，以指定颜色对其边界进行标记，并计算各连通域的种类和个数。

比例值是根据图像的一维熵H，并按计算公式(1-H*K+σ)计算，其中K>0为熵系数，σ>0为调整因子。连通域的分类通过计算图像中单个连通域占据的像素个数实现。

成像阵列获取的图像在计算机上通过模式识别与图像处理算法实现分析进而得到当前样本的统计信息。

与常用的藻类计数装置比较，本发明中的衍射成像装置通过控制样本与CCD或CMOS传感器模组的距离，利用样本对光的衍射直接成像，不需要通过透镜组，大大减少了检查装置的体积和复杂程度，具有小型化、便携式、低成本的特点。

本发明中的计算机程序实现了对输出图像的显示，藻类识别、自动标记计数和样本估计。既可以实时观察样本内藻类的状态，也可以直接对图像进行自动化处理，降低了对工作人员专业水平的依赖，也降低了时间和人力成本，为水体藻类实时监测提供了有力的帮助。

Claims (10)

1.无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，包括光源、盖玻片、载玻片、传感器模组、微孔元件以及封闭盒，其特征在于，封闭盒内的底部安装有传感器模组，传感器模组的成像平面的上方设置有载玻片，藻类样本夹在盖玻片和载玻片之间，且与成像平面平行；微孔元件置于封闭盒顶部中心，且位于盖玻片的正上方；光源位于微孔元件的上方，与微孔元件的微孔紧邻，其光路方向与盖玻片垂直，并从盖玻片的上方垂直入射；光源发出的光透过微孔元件的微孔衍射，并垂直入射到盖玻片上，位于载玻片下方的传感器模组记录衍射光照射藻类样本后的衍射成像，并输出图像。

2.根据权利要求1所述无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，其特征在于，所述微孔元件嵌入封闭盒的顶部中心，其微孔直径为30～100微米，该微孔元件位于盖玻片的正上方5～20厘米。

3.根据权利要求1所述无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，其特征在于，所述传感器模组为CCD传感器或CMOS传感器，均包括感光面和控制电路，其感光面尺寸为1/5～1/3英寸，传感器模组位于载玻片下方，两者间距离小于200微米。

4.根据权利要求1所述无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，其特征在于，所述载玻片和盖玻片的厚度为100～200微米。

5.根据权利要求1所述无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，其特征在于，所述光源为LED光源，颜色为白色或白色偏蓝色。

6.根据权利要求1所述无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置，其特征在于，所述样本为直径为微米及以上的淡水藻类。

7.一种基于权利要求1至6任何一项所述无透镜衍射成像的藻类自动检测计数装置的藻类自动检测计数方法，其步骤为：

1)将藻类样本置于载玻片与盖玻片之间，压好，然后放在传感器模组的感光面正上方，接着合上封闭盒；

2)开启光源，使光源发出的光透过微孔元件的微孔衍射，并垂直入射到盖玻片上，位于载玻片下方的传感器模组记录衍射光照射藻类样本后的衍射成像，并输出图像；

3)将输出图像通过数据线导入计算机，通过计算机程序实现图像显示，藻类识别，自动完成标记计数以及藻类样本的估计。

8.根据权利要求7所述的藻类自动检测计数方法，其特征在于：所述计算机程序原理步骤如下：首先实现输出图像的读取显示，将图像转化为灰度图像，进行行列分割，对每个分割区域内求灰度平均值，以平均值为区域内所有像素的灰度值，如此组成平均值模板；然后原灰度图以一定比例值减去平均值模板以实现背景均匀，消除背景影响后，对图像进行灰度变换，增强对比度；接着根据图像特征进行连通域分割，被分割的连通域包含藻类细胞和杂质，以指定颜色对其边界进行标记，并计算各连通域的种类和个数。

9.根据权利要求8所述的藻类自动检测计数方法，其特征在于：所述比例值是根据图像的一维熵H，并按计算公式(1-H*K+σ)计算，其中K>0为熵系数，σ>0为调整因子。

10.根据权利要求8所述的藻类自动检测计数方法，其特征在于：所述连通域其分类通过计算图像中单个连通域占据的像素个数实现。