CN110333236A - 浮游生物多视角原位检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下浮游生物在线原位检测装置，包括密封舱和安装在密封舱内的流动单元、成像单元、控制单元和供电单元。流动单元控制样液均匀地流过流通池，三个流通池由导管串联并分别置于不同角度，对应的三个相机分别对流经流通池的浮游生物进行图像采集，以此获取浮游生物不同角度姿态下的图像。基于深度神经网络的实时检测算法部署在低功耗嵌入式计算平台，对相机采集的图像进行实时检测及分析。本发明提供一种多视角显微成像装置及实时检测算法，克服了传统浮游生物检测方法的缺陷，有助于监测海洋生态环境的变化，预防赤潮自然灾害的发生。

Description

浮游生物多视角原位检测装置

技术领域

本发明涉及水下浮游生物在线原位检测领域，具体涉及浮游生物的多视角成像装置，属于水下视觉技术领域。

背景技术

浮游生物是海洋中最主要的初级生产者，在海洋生态系统中发挥着重要作用。然而，水体富营养化使得浮游生物大量繁殖形成赤潮，严重危害海洋生态环境和人类健康。近年来，对浮游生物群落特征的实时监测和相关研究成为了海洋学研究的热点。目前，对浮游生物的监测主要采取野外采样并在现场或实验室使用显微镜观察等手段，存在难于部署实施、耗时费力和专业性要求高等缺点。因此，亟需研究及开发一套浮游生物原位在线检测装置，对浮游生物进行原位实时监测。

发明内容

为实时监测水下浮游生物及其群落特征变化，实现海洋生态环境实时监测及预警，本发明提供一种多视角显微成像装置及实时检测算法，克服了传统浮游生物检测方法的缺陷，有助于监测海洋生态环境的变化，预防赤潮自然灾害的发生。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种水下浮游生物多视角自动成像及检测装置，包括密封舱和安装在密封舱内的流动单元、成像单元、控制单元和供电单元。

所述流动单元包括微量蠕动泵，流通池，进样容器，废液容器。微量蠕动泵连接进样容器和流通池，蠕动泵流速（0.005-200ml/min）可控，其流速根据不同的流通池规格进行调整，控制样液均匀地流经流通池，废液容器收集流通池排出的样液。

进一步的，所述成像单元包括CCD相机，显微镜头（1X-7X倍），LED光源。CCD相机视场及镜头放大倍率与流通池尺寸匹配，LED光源在CCD相机进行图像采集时进行曝光，CCD相机与LED光源均与控制模块相连接。

进一步的，所述控制单元由低功耗嵌入式计算平台及轻量级深度神经网络检测算法构成，控制整个装置进行样液采集及实时检测，并将检测结果进行回传。

进一步的，所述供电单元由蓄电池模块组成，为检测装置供电，蓄电池需定期充电。

进一步的，所述采样容器的采样口外部带有由铜网和尼龙网组成的过滤网。滤网需要定期进行冲洗及更换。

进一步的，密封舱是水密结构，以保证整个装置持续在野外进行原位监测。

本发明提供一种水下浮游生物多视角自动成像方法，该方法包括如下步骤：

步骤（1）根据所需观测的浮游生物尺寸，选择合适放大倍率的显微物镜以及对应尺寸的流通池，物镜和流通池需要按照如下方式组合使用：2X / 800um，4X / 300um，7X /150um。

步骤（2）通过调整导轨锁螺丝，对视场进行焦距粗调，滑动流通池组件，使其完全位于焦距视场范围内。固定滑动导轨螺丝。

步骤（3）调整视场亮度，通过调整LED光源控制器改变光强度，获取最佳照明图像。并进行流通池的微调，使流通池边缘刚好在视场范围内。

步骤（4）启动微量蠕动泵，打开进样容器的入口，使样液流经过滤网进入进样容器，由微量蠕动泵抽液并依次流经三个旋转角度不同的流通池，最终流入废液容器。

步骤（5）CCD相机对流通池进行图像采集，浮游生物依次通过三个流通池时，浮游生物的姿态发生变化，我们对同一浮游生物的不同姿态进行了捕获。

步骤（6）控制单元对捕获的浮游生物图像进行识别，嵌入式计算平台部署了轻量级深度神经网络，可实现浮游生物的实时监测。

通过以上的技术方案，避免了采样、运输过程中给实验样本带来的影响和损伤。

本发明采用了三个流通池和对应的三个相机，为的是能够从多个角度来检测浮游生物的多个形态，避免单一角度成像导致的漏检和误检，从而提高浮游生物的检测率，从而对海洋进行长期原位采样收集，能够及时的防范浮游生物带来的赤潮灾害。

附图说明

图1 是本装置的整体外观结构示意图。

图2 是本装置的俯视构造示意图。

图3 是本装置的左侧剖面构造示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、实施流程、目的及效果有更加详尽和清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种水下浮游生物自动成像装置，其特征在于，包括【密封舱】1以及安装在密封舱内的【流动单元】5、【成像单元】9、【控制单元】11和【供电单元】。

所述密封舱为水密结构，分别通过数据线和供电线与外界进行数据传输和电能输送。三个相机垂直固定支架10和流通单元垂直固定支架6分别与密封舱的顶部和底部由螺丝固定于如图所示位置。顶部安装用于进水缓冲容器固定的顶部固定槽，用于从外界水环境中收集水源样本；底部安装用于收集缓冲容器相连接的导管固定的底部固定槽，与外界水环境相通，用于排出检测完成的水源样本。

在流动单元中，进水缓冲器7与蠕动泵2进水口通过导管相连，蠕动泵出水口与三个流通单元5通过导管串行相连，流通单元与收集缓冲容器通过导管相连，与收集缓冲容器相连的导管与密封舱相连。流体模块中水流速度通过蠕动泵调节旋钮调节；蠕动泵电源线与插座相连。

如图二所示，在控制单元中，三个水平相机固定支架10与对应的相机垂直支架6和流通单元垂直固定支架相连，相机垂直支架、流通单元垂直固定支架与相机水平支架两两垂直；相机固定于相机水平调节滑道上，两个物体的相对位置永远保持不变；流动单元固定于流通单元调节滑道，通过流通单元微调旋钮调整流通单元角度；流通单元调节滑道固定于流通单元垂直支架；相机水平调节滑道与相机水平固定支架相连，通过相机滑道微调旋钮调节相机与流通单元的距离以此进行对焦；相机垂直调节滑道与相机垂直固定支架和流通单元支架分别相连，通过相机滑道微调旋钮调节相机成像位置，寻找最佳的成像位置。

在成像单元中，三个可调节的LED光源4固定于流通单元垂直支架，分别与流通单元的空间位置共面，通过光源调节旋钮调整光线强弱；遮光板固定在相机垂直支架和流动单元垂直支架上，用于排除不同LED光源对同一相机观测的影响。相机将观测的成像结果通过数据传输线传送至识别模块11的PC，相机电源线与插座相连为相机供电。

在控制单元中，数据传输线与PC端相连，将成像模块中获取的图像信息经PC深度学习算法产生浮游生物类别判断结果。

本发明的工作过程如下：

（1）打开插座开关，确保识别模块的PC端可以收到相机传输的图像；

（2）向进样容器注入浮游生物样品细胞的溶液，通过PC端调整至最佳成像位置。使用相机滑道微调旋钮、流通单元微调旋钮调整相机与流动单元的位置，使相机聚焦点位于流动单元的中心，且视场应与流通池的宽度相符，确保在同一时刻能观测到全部流经相机视场内的浮游生物。使用光源调整旋钮控制LED光源的光照强度，使成像对比度能观测到轮廓清晰浮游生物。使用蠕动泵微调按钮调整样液流速，使浮游生物通过相机在PC的单帧成像清晰，确保检测图像质量；

（3）向进样容器注入清水，清理测试环境，避免影响观测结果。与此同时，排除导管和流动单元中的气泡，避免对成像的干扰；

（4）将装置投入水下环境中，在PC端接收成像及检测结果。

此外，如图三所示，所述流体模块中进样容器7、收集缓冲容器8需要定期维护，导管3和滤网可能因水环境腐蚀和阻塞需要定期更换。成像模块中的流通单元、相机9需要定期校正与维护；整个系统环境需要定期清理。

本发明及其实施样例不限于上文所述的实例，而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (9)

1.一种基于多视角的水下浮游生物在线原位检测装置，包括密封舱和安装在密封舱内的流动单元、成像单元、控制单元和供电单元。

2.其特征包括微量蠕动泵连接进样容器和流通池，三个流通池分别置于不同角度，样液经流通池并由CCD相机进行图像采集，流通池放置于白色的背光光源之上。

3.如权利要求1所述的水下浮游生物原位检测装置，其特征在于蠕动泵流速（0.005-200ml/min）可控，其流速根据不同的流通池规格进行调整，控制样液均匀地流经流通池，废液容器收集流通池排出的样液。

4.如权要求1所述的水下浮游生物原位检测装置，其特征在于CCD相机视场及镜头放大倍率与流通池尺寸匹配，LED光源在CCD相机进行图像采集时进行曝光，CCD相机与LED光源均与控制模块相连接。

5.如权利要求3所述的控制模块，其特征在于控制单元由低功耗嵌入式计算平台及轻量级深度神经网络检测算法构成，控制整个装置进行样液采集及实时检测，并将检测结果进行回传。

6.如权利要求1所述的进样容器，其特征在于采样口外部带有由铜网和尼龙网组成的过滤网。

7.滤网需要定期进行冲洗及更换。

8.如权利要求3所述的CCD相机，其特征在于CCD相机与显微镜头连接，显微镜头放大倍率可调（1X-7X倍），可匹配不同尺寸的浮游生物。

9.如权利要求1所述的多视角水下浮游生物在线原位检测装置，其特征在于密封舱是水密结构，以保证整个装置持续在野外进行原位监测。