CN110044898A - 一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置与方法 - Google Patents

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CN110044898A CN201910249926.7A CN201910249926A CN110044898A CN 110044898 A CN110044898 A CN 110044898A CN 201910249926 A CN201910249926 A CN 201910249926A CN 110044898 A CN110044898 A CN 110044898A
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杨宁
张荣标
俞俊杰
周晓迪
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    • G06T2207/30188—Vegetation; Agriculture

Abstract

本发明公开农作物真菌病害检测领域中一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置与方法，LED光源模块射出的光通过转盘微孔模块的一个微孔，依次经第一反射镜模块、第二反射镜模块和第三反射镜模块的反射，垂直向下照射到孢子样本、图像接收凸透镜和CMOS模块上；CMOS模块907拍摄孢子的衍射全息图并传至上位机，上位机先使用角谱法重构出孢子图像，对重构后出的孢子图像进行中值滤波处理，再针对中值滤波强化后的图像进行阈值分割处理，得到目标边缘信息，最后检测识别出孢子；本发明能够快速调节装置和检测稻瘟病孢子，且不需要频繁更换载玻片，降低病害孢子检测装置的体积与成本，增加了自动化程度。

Description

一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置与方法
技术领域
本发明涉及农作物真菌病害的检测领域，尤其涉及采用衍射成像技术来检测病害孢子。
背景技术
作物真菌病害具有传播速度快、危害大等特点。真菌病害是由散布在空气中的真菌孢子浸染水稻引起的。因此，对空气中孢子浓度的测定是病害流行分析和预警中不可或缺的部分。作物真菌病害的检测方法归结起来主要有免疫检测法、核酸检测法、微悬臂梁检测法、分子生物学检测法、形态学鉴定法等，这些方法有时效性低、人力资源消耗大、成本高、集成度低等缺点。目前已尝试利用衍射全息孢子检测装置来检测病害孢子，且发现病害孢子有着独特的形态学特征，因此衍射全息孢子检测装置能在孢子检测中得到利用。衍射全息技术是指通过干涉的方法将物光的全部信息记录在存储介质上，然后用再现光即制作全息图时所用的参考光照射全息图，再现光通过全息图将产生衍射，这样就能重现原始的物光波，直观上就表现为物体的图像。
计算机技术以及光电传感器的性能决定了数字全息技术的应用，数字全息技术在各种领域中得到应用，例如可以只用一张全息图(细胞的全息图)就得到物体全部的振幅和位相信息，可以通过对再现物光波的特性进行分析从而得到了粒子场中粒子的轴向位置信息，通过数字全息显微镜可以观察繁殖中的活体细胞，通过补充像素的方法增加卷积法再现视场从而达到再现大尺度物体的目的。在同一全息记录系统中,通过实验比较以激光和发光二极管为光源的数字全息重建图像质量，表明在数字全息中使用LED作为光源，散斑噪声和寄生干涉噪声被很好地抑制，可以获得比激光高得多的全息图质量和物光场重构质量。
孢子捕捉仪是基于传统显微图像检测方法，使用气泵直接抽取空气到捕捉仪内的显微镜下，搭载图像采集卡的显微镜采集孢子图像，然后传输到上位机对孢子进行识别，整个仪器体积巨大成本高昂，不适合大面积农业应用与野外布置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置与方法，利用多反射镜增加光程缩小体积，使用凸透镜增加放大倍率，且通过图像处理的方式来检测孢子。
本发明所述的一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置采用的技术解决方案为：外壳内底部设有气泵，气泵的输入管道从外壳内部伸向外部抽集含有孢子的气体，外壳内的顶部固定连接LED光源模块，LED光源模块的斜下方是固定连接外壳侧壁上的转盘支架，与转盘支架的同一外壳侧壁上还固定连接第一反射镜模块和第三反射镜模块，第一反射镜模块在转盘支架的下方，第三反射镜模块在第一反射镜模块的下方，在第一反射镜模块和第三反射镜模块对面的外壳侧壁上固定连接第二反射镜模块，第二反射镜模块的高度位于第一反射镜模块和第三反射镜模块之间；外壳内底部设有在第三反射镜模块下方的图像接收模块，气泵的输出端连接软管一端，软管另一端伸在图像接收模块的上方；LED光源模块具有凹面镜，凹面镜的下端是光源凸透镜，LED灯位于凹面镜和光源凸透镜之间且的焦点上；转盘微孔模块具有转盘，转盘的盘面上沿同一圆周线上开有四个直径不同的微孔；第一反射镜模块、第二反射镜模块和第三反射镜模块的结构一样，均具有反射镜；图像接收模块最上方正中间是载玻片，载玻片的正下方是图像接收凸透镜，图像接收凸透镜的正下方是CMOS模块；LED光源模块射出的光通过转盘微孔模块的一个微孔，依次经第一反射镜模块、第二反射镜模块和第三反射镜模块的反射，垂直向下照射到孢子样本、图像接收凸透镜和CMOS模块上。
所述的一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置的检测方法采用的技术解决方案为：CMOS模块907拍摄孢子的衍射全息图并传至上位机，上位机先使用角谱法重构出孢子图像，对重构后出的孢子图像进行中值滤波处理，再针对中值滤波强化后的图像进行阈值分割处理，得到目标边缘信息；最后检测识别出孢子。
在所述的阈值分割处理前，由灰度直方图得到孢子灰度值主要分布在0-100之间；阈值分割处理时，选择面积A、细度T这两个参数进行孢子的识别和计数：同时满足A＝15～30，T＝0.9～1.4的目标判定为病害孢子。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)装置光源用到凹面镜和凸透镜产生平行光，可以增加LED光源的利用率，增强整个装置光源的亮度，降低功耗。
(2)微孔台使用转盘式结构，可以更换4种不同尺寸的微孔，增加成像清晰度。(3)多反射镜的使用可以在不缩短光程的情况下，降低装置高度，缩小体积。
(4)CMOS模块上方的凸透镜增加装置的放大倍数。
(5)多反射镜结构还可以保持出射光光轴位于CMOS模块中央。
(6)降低病害孢子检测装置的体积与成本，增加了自动化程度。
(7)装置排气通道与外壳一体成型，降低了装置内部复杂度，且保持装置内部避光。
(8)可以利用步进电机电控样本和凸透镜高度，实现不同的放大倍率。
(9)上位机设计了装置控制和检测算法，能够快速调节装置和检测稻瘟病孢子，且不需要频繁更换载玻片。
附图说明
图1是本发明所述一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置的整体结构及其光路标示示意图；
图2是图1中的LED光源模块2的结构放大图；
图3是图1中的转盘微孔模块4未调节之前的主视结构放大图；
图4是图3的右视图；
图5是图1中的第一反射镜模块5未调节之前的主视结构放大图；
图6是图5的右视图；
图7是图1中的图像接收模块9的结构放大图；
图8是图7的俯视图；
图9是图7的侧视放大图；
图10是上位机对CMOS模块907上传的衍射全息图像进行处理的流程图；
图11是图10中图像阈值分割的流程图。
图中：1.外壳；2.LED光源模块；3.排气通道；4.转盘微孔模块；5.第一反射镜模块；6.第二反射镜模块；7.第三反射镜模块；8.软管；9.图像接收模块；10.气泵；
201.光源支架；202.紧固螺栓；203.光源悬臂；204.凹面镜；205.LED灯；206.光源凸透镜；
401.转盘；402.第一微孔；403.第二微孔；404.转盘转轴；405.第三微孔；406.第四微孔；407.转盘步进电机；408.紧固螺栓；409.转盘支架；
501.反射镜；502.反射镜悬臂；503.反射镜转轴；504.反射镜步进电机；505.反射镜支架；506.紧固螺母；
901.载玻片；902.载物台；903.滑轨；904.齿轮；905.紧固螺栓；906.图像接收凸透镜；907.CMOS模块；908.图像接收凸透镜步进电机；909.凸透镜支架；910.电机输出轴；911.电机壳体；912.电机壳体；913.载玻片步进电机；914.电机输出轴；915.齿轮。
具体实施方式
参见图1，本发明一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置的最外部是一个外壳1，外壳1上设有连通内外的排气通道3。外壳1内部从上至下依次布置的LED光源2、转盘微孔模块4、第一反射镜模块5、第二反射镜模块6、第三反射镜模块7和图像接收模块9。
图像接收模块9固定在外壳1内底部，在图像接收模块9的旁侧是固定在外壳1内底部的气泵10，气泵10的输入管道从外壳1内部伸向外部，气泵10的输出端连接软管8一端，软管8另一端伸在图像接收模块9的上方。打开气泵10时，可以抽集外部的含有稻瘟病孢子的气体，并通过软管8吹集到图像接收模块9正上方的载玻片上，同时，外壳1内的气体从排气通道3排出。
外壳1内的顶部固定连接LED光源模块2，LED光源模块2的斜下方是转盘支架4，转盘支架4固定在外壳1的侧壁上，与转盘支架4的同一外壳1侧壁上还固定连接第一反射镜模块5和第三反射镜模块7，第一反射镜模块5在转盘支架4的下方，第三反射镜模块7在第一反射镜模块5的下方。在第一反射镜模块5和第三反射镜模块7对面的外壳1侧壁上固定连接第二反射镜模块6，第二反射镜模块6的安装高度位于第一反射镜模块5和第三反射镜模块7之间。
参见图2，LED光源模块2的顶部是光源支架201，光源支架201上端固定在外壳1的内顶部，光源支架201下端通过紧固螺栓202连接光源悬臂203上端，光源悬臂203朝向转盘微孔模块4倾斜，调整到与光源支架201呈约呈135°倾斜。光源悬臂203下端刚性连接凹面镜204，凹面镜204的内部安装LED灯205，凹面镜204的下端是光源凸透镜206，LED灯205位于凹面镜204和光源凸透镜206之间且在两者的焦点上，将LED灯205发出的普通LED的散射光线转换为平行光束，增加光源利用率。凹面镜204和光源凸透镜206的焦距都是5mm。使用时，打开LED光源模块2，LED灯205点亮，光线经凹面镜204和光源凸透镜206反射折射后为像斜下方射出的平行光束，正对着斜下方的转盘微孔模块4。
参见图3和图4，转盘微孔模块4包括转盘支架409、转盘401、转盘步进电机407。转盘支架409一端固定在外壳1内侧壁上，另一端通过紧固螺栓408固定连接转盘步进电机407的壳体，调整转盘步进电机407与转盘支架409呈135°斜向上时将紧固螺栓408固定。转盘步进电机407的输出轴同轴心地固定连接转盘401中心的转轴404，带动转盘401转动。在转盘401盘面上的同一圆周线上开有四个直径不同的微孔，分别是直径为75um的第一微孔402、直径为100um的第二微孔403、直径为125um的第三微孔405、直径为150um的第四微孔406，四个微孔沿圆周方向间隙分布且直径依序增大。LED光源模块1中的凸透镜206与转盘401距离1mm，并且正对着其中的一个微孔。使用时，LED光源模块1射出的光线通过其中一个微孔产生相干光，当待测孢子样本的尺度在0-20um时选用直径为75um的第一微孔402，当待测样本尺度在20-40um时选用直径为100um的第二微孔403，当待测样本尺度在40-60um时选用直径为125um的第三微孔405，当待测样本尺度在60-80um时选用第四微孔406。当转盘步进电机407启动时，带动转盘401同方向转动，用于旋转转盘401从而选取不同的微孔正对LED光源模块1射出的光线。
参见图5和图6，第一反射镜模块5、第二反射镜模块6、第三反射镜模块7三者的结构和功能均一样。以第一反射镜模块5为例：其具有反射镜501、反射镜支架505和反射镜步进电机504。反射镜支架505一端固定连接外壳1的内侧壁上，另一端固定连接反射镜步进电机504的壳体，反射镜步进电机504的输出轴同轴固定连接反射镜转轴503，反射镜转轴503通过紧固螺母506连接反射镜悬臂502一端，反射镜悬臂502另一端固定连接反射镜501的正中间，反射镜501的直径为20mm。反射镜步进电机504工作时带动反射镜转轴503旋转，从而带动用紧固螺母506与之固定的悬反射镜臂502运动，以调节反射镜501的倾斜角度。
第一反射镜模块5放置在转盘微孔模块4下方的30mm处，透过转盘微孔模块4中的其中一个微孔的光束正好照射在反射镜501上。第二反射镜模块6设置在第一反射镜模块5下方10mm处，与之相对面的侧壁上。第三反射镜模块7设置在第一反射镜模块5同侧下方20mm处。使用时，第一反射镜模块5将通过微孔的光束反射到第二反射镜模块6上，再由第二反射镜模块6反射到第三反射镜模块7上，经第三反射镜模块7的光束垂直向下，最后反射到图像接收模块9上。
参见图7、图8和图9，图像接收模块9最上方正中间是载玻片901，载玻片901放置在载物台902上，载物台902有两个，面对面对称布置在两侧。载物台902水平布置，与上下垂直的滑轨903滑动连接，载物台902能沿上下垂直的滑轨903上下移动。滑轨903的底端固定连接在外壳1底部。在每个载物台902上固定连接载玻片步进电机913的电机壳体912，在载玻片步进电机913水平布置，其电机输出轴914上同轴套有齿轮915，滑轨903表面上设有齿条，齿轮915与滑轨903上的齿条相啮合。当载玻片步进电机913启动时，带动齿轮915转动，齿轮915沿齿条上下运动，带动载物台902沿滑轨903上下移动，从而调节载玻片901的上下位置。
在载玻片901的正下方是图像接收凸透镜906，图像接收凸透镜906的焦距是5mm，与LED光源模块2中的凹面镜204和光源凸透镜206的焦距相同。图像接收凸透镜906放置在凸透镜支架909上，凸透镜支架909水平布置，也有两个，也是面对面对称布置在两侧，凸透镜支架909与滑轨903滑动连接。图像接收凸透镜906通过紧固螺栓905固定在凸透镜支架909上。图像接收凸透镜步进电机908水平布置，其电机壳体911固定在凸透镜支架909上。齿轮904与滑轨903上的齿条相啮合，齿轮904同轴固定在图像接收凸透镜步进电机908的电机输出轴910上。当图像接收凸透镜步进电机908启动时，电机壳体911不发生转动，电机输出轴910带动齿轮904转动，滑轨903始终静止，使凸透镜支架909可以沿滑轨903上下移动，从而调节图像接收凸透镜906的上下位置。
在图像接收凸透镜906的正下方是CMOS模块907，CMOS模块907固定置放在外壳1的内底面上。
通过载玻片步进电机913和图像接收凸透镜步进电机908可以调节载玻片901和图像接收凸透镜906的上下位置，从而可以调节放大倍数和CMOS模块907的成像清晰度。
本发明所述的基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置工作时，首先放入样本，打开气泵10富集孢子样本，含有稻瘟病孢子的气体吹集到图像接收模块9正上方的载玻片901上。开启上方的LED光源模块2，然后根据待检测的孢子大小设置合适的微孔尺寸，启动转盘微孔模块4，选取转盘微孔模块4中对应的一个微孔。透过微孔的光束依次经过第一反射镜模块5、第二反射镜模块6和第三反射镜模块7多次反射，然后透过孢子样本照射到CMOS模块907上。由于在选取微孔时光路会发生一些偏离，影响成像质量，所以CMOS模块907会检测出射光光轴是否位于CMOS模块907正中央，如果不是，第一反射镜模块5、第二反射镜模块6和第三反射镜模块7中的反射镜步进电机(例如反射镜步进电机504)工作，调节相应的反射镜，使最后出射光光轴位于CMOS模块907正中央，然后CMOS模块907拍摄保存孢子的衍射全息图并传至上位机，在上位机中进行角谱重构和检测识别。
结合图10，上位机将CMOS模块907上传的衍射全息图载入，使用角谱法重构出孢子图像，再对重构后出的孢子图像进行中值滤波处理，获得较为清晰的图像；针对中值滤波强化后的图像进行阈值分割处理，得到目标边缘信息；最后检测识别出孢子。角谱法过程如下：
在标量衍射的亥姆霍兹方程理论中，角谱理论从频域的角度准确描述了光的衍射过程，将部分相干光场看作不同方向传播的平面波分量，光传播方向上任意一点的复振幅均被表示出来。
振幅为U，波长为λ，方向余弦为cosα，cosβ，cosγ的波矢传播的平面波复振幅为：
令可得：
式中：x、y是全息图像素坐标，z是再现距离，α、β、γ是平面参考光波与空间的yoz平面、xoz平面、xoy平面的夹角。
根据角谱理论，由角谱重建法得到的原像光场U(xi,yi,zi)的复振幅分布(样本原像)为：
U(xi,yi,zi)＝F-1{F[R(x,y)I(x,y)]GAS(fx,fy)}，
其中：F和F-1为傅里叶变换和逆傅里叶变换，I(x,y)为全息图的强度分布，R(x,y)为照明的部分相干光，GAS(fx，fy)为衍射在频域的传递函数
结合图11，阈值分割是对图10中阈值分割这部分的具体化。对重构后的图像进行阈值分割，在使用阈值分割前，由灰度直方图可知稻瘟病孢子灰度值主要分布在0-100之间，灰度值较高部分均为背景。本发明采用枚举法确定阈值，枚举区间为0-100，步长为0.5，当阈值为76.5时，轮廓最为明显。
稻瘟病孢子具有独特的形态特征(细长的梨形)和较为固定的尺寸范围(长15±5um，宽7±2um)，因此可以对重建后稻瘟病孢子形态学的研究，选择面积(Area)、细度(Thiness Ratio)这两个重要的形态学参数进行稻瘟病孢子的识别和计数。其中面积的定义为目标区域所包含的像素数量，用于描述区域大小，细度T用于描述目标形状的纤细程度，定义是：
其中：P和A分别是稻瘟病孢子的周长和面积，设定同时满足A＝15～30，T＝0.9～1.4的目标判定为稻瘟病害孢子。

Claims (7)

1.一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置，外壳(1)内底部设有气泵(10)，气泵(10)的输入管道从外壳(1)内部伸向外部抽集含有孢子的气体，其特征是：外壳(1)内的顶部固定连接LED光源模块(2)，LED光源模块(2)的斜下方是固定连接外壳(1)侧壁上的转盘支架(4)，与转盘支架(4)的同一外壳(1)侧壁上还固定连接第一反射镜模块(5)和第三反射镜模块(7)，第一反射镜模块(5)在转盘支架(4)的下方，第三反射镜模块(7)在第一反射镜模块(5)的下方，在第一反射镜模块(5)和第三反射镜模块(7)对面的外壳(1)侧壁上固定连接第二反射镜模块(6)，第二反射镜模块(6)的高度位于第一反射镜模块(5)和第三反射镜模块(7)之间；外壳(1)内底部设有在第三反射镜模块(7)下方的图像接收模块(9)，气泵(10)的输出端连接软管(8)一端，软管(8)另一端伸在图像接收模块(9)的上方；LED光源模块(2)具有凹面镜(204)，凹面镜(204)的下端是光源凸透镜(206)，LED灯(205)位于凹面镜(204)和光源凸透镜(206)之间且的焦点上；转盘微孔模块(4)具有转盘(401)，转盘(401)的盘面上沿同一圆周线上开有四个直径不同的微孔；第一反射镜模块(5)、第二反射镜模块(6)和第三反射镜模块(7)的结构一样，均具有反射镜(501)；图像接收模块(9)最上方正中间是载玻片(901)，载玻片(901)的正下方是图像接收凸透镜(906)，图像接收凸透镜(906)的正下方是CMOS模块(907)；LED光源模块(1)射出的光通过转盘微孔模块(4)的一个微孔，依次经第一反射镜模块(5)、第二反射镜模块(6)和第三反射镜模块(7)的反射，垂直向下照射到孢子样本、图像接收凸透镜(906)和CMOS模块(907)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置，其特征是：载玻片(901)放置在水平布置的载物台(902)上，载物台(902)与上下垂直的滑轨(903)滑动连接，滑轨(903)上设有齿条，载物台(902)上固定连接水平布置的载玻片步进电机(913)，该电机输出轴上同轴套有与所述齿条啮合的第一个齿轮(915)；图像接收凸透镜(906)固定连接在水平布置的凸透镜支架(909)上，凸透镜支架(909)与所述的滑轨(903)滑动连接，凸透镜支架(909)上固定连接水平布置的图像接收凸透镜步进电机(908)，该电机输出轴上同轴套有与所述齿条啮合的第二个齿轮(904)。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置，其特征是：转盘微孔模块4包括转盘支架(409)、转盘(401)和转盘步进电机(407)，转盘支架(409)一端固定连接外壳(1)内侧壁，另一端固定连接连接转盘步进电机(407)的壳体，转盘步进电机(407)的输出轴同轴心地固定连接转盘(401)中心，四个微孔的直径分别是75um、100um、125um、150um，四个微孔沿圆周方向间隔分布且直径依序增大。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置，其特征是：每个反射镜模块中的反射镜(501)的正中间固定连接反射镜悬臂(502)另一端，反射镜转轴(503)通过紧固螺母(506)连接反射镜悬臂(502)一端，反射镜步进电机(504)的输出轴同轴固定连接反射镜转轴(503)，反射镜支架(505)一端固定连接外壳(1)的内侧壁上，另一端固定连接反射镜步进电机(504)的壳体。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置，其特征是：图像接收凸透镜(906)的焦距与所述的凹面镜(204)和光源凸透镜(206)的焦距相同。
6.一种如权利要求1所述的基于反射增强衍射的全息病害孢子检测装置的检测方法，其特征是：CMOS模块(907)拍摄孢子的衍射全息图并传至上位机，上位机先使用角谱法重构出孢子图像，对重构后出的孢子图像进行中值滤波处理，再针对中值滤波强化后的图像进行阈值分割处理，得到目标边缘信息，最后检测识别出孢子。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是：在所述的阈值分割处理前，由灰度直方图得到孢子灰度值主要分布在0-100之间；阈值分割处理时，选择面积A、细度T这两个参数进行孢子的识别和计数：同时满足A＝15～30，T＝0.9～1.4的目标判定为病害孢子。
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