CN114166699A - 一种悬浮颗粒体积的光学测量装置和方法 - Google Patents

一种悬浮颗粒体积的光学测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种悬浮颗粒体积的光学测量装置和方法，该测量装置包括至少两个照明模块、至少两个图像采集模块以及处理模块，所述至少两个照明模块经配置以同时从不同的角度照亮样品池或自然水体中的悬浮颗粒，所述至少两个图像采集模块经配置以同时从不同的角度对水体中的悬浮颗粒进行图像采集，获得悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，处理模块与至少两个图像采集模块相连，其中，处理模块根据悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，并根据悬浮颗粒的三维结构模型计算出悬浮颗粒的体积。相对于其他的光学测量方法，本发明利用多角度的投影图像获取悬浮颗粒的三维形态信息，实现了对悬浮颗粒尤其是生物碎屑更加精准的体积测量。

Description

一种悬浮颗粒体积的光学测量装置和方法
技术领域
本发明涉及悬浮颗粒光学测量技术，特别是涉及一种悬浮颗粒体积的光学测量装置和方法。
背景技术
水体中藻细胞、生物碎屑及其他生物悬浮颗粒数据是对水体生物量评估的重要依据。测量数据主要包括藻细胞数量、有机碳含量、生物颗粒种类等等。目前，由于悬浮颗粒特别是生物碎屑具有体态各异、外型不完整、形状不规则、容易破碎等特点，对于悬浮颗粒特别是生物碎屑的体积原位准确测量仍然面临较大的挑战。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种悬浮颗粒体积的光学测量装置和方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种悬浮颗粒体积的光学测量装置，包括至少两个照明模块、至少两个图像采集模块以及处理模块，所述至少两个照明模块经配置以同时从不同的角度照亮样品池或自然水体中的悬浮颗粒，所述至少两个图像采集模块经配置以同时从不同的角度对水体中的悬浮颗粒进行图像采集，获得所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，所述处理模块与所述至少两个图像采集模块相连，其中，所述处理模块根据所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，并根据所述悬浮颗粒的三维结构模型计算出所述悬浮颗粒的体积。
进一步地：
所述至少两个照明模块与所述至少两个图像采集模块的数量相等或不等。
所述至少两个照明模块对悬浮颗粒照射平行光，所述至少两个图像采集模块中的每一者分别对应地设置在所述至少两个照明模块中的每一者的照射方向上。
所述至少两个照明模块各自包括平行光源，所述至少两个图像采集模块各自包括相机和设置在所述相机与待测悬浮颗粒之间的远心镜头。
所述至少两个照明模块包括以相互垂直的照明角度照亮水体中的悬浮颗粒的第一照明模块和第二照明模块，所述至少两个图像采集模块包括以相互垂直的拍摄角度拍摄水体中的悬浮颗粒的第一图像采集模块和第二图像采集模块。
所述至少两个照明模块包括第一照明模块和第二照明模块，所述第一照明模块包括平行光源、分光棱镜和第一反射镜，所述第二照明模块包括第二反射镜，所述平行光源发射的平行光的一部分经过所述分光棱镜透射后以第一角度照亮水体中的悬浮颗粒，所述平行光源发射的平行光的另一部分经过所述分光棱镜反射后，再经过依次经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射，随后以第二角度照亮水体中的悬浮颗粒。
所述处理模块使用自底向上的重构算法、基于模型引导的重构算法或基于体切削的重构算法重建悬浮颗粒的三维结构模型。
所述处理模块使用基于体切削的重构算法重建悬浮颗粒的三维结构模型包括：设定投影图像与所述悬浮颗粒的二维投影图像大致相近的标准三维实体，通过对所述标准三维实体不断地进行切削去除,使其投影图像的大小和形状逐渐逼近乃至完全拟合所采集的悬浮颗粒二维投影图像，从而完成悬浮颗粒的三维重建；优选地，结合深度学习方法进行训练逼近；其中，基于实体的初始体积和切削去除的体积，确定所测量的悬浮颗粒的体积。
一种悬浮颗粒体积的光学测量方法，包括使用所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置进行悬浮颗粒体积的测量。
一种用于测量悬浮颗粒体积的光学装置，包括至少两个照明模块和至少两个图像采集模块，所述至少两个照明模块经配置以同时从不同的角度照亮样品池或自然水体中的悬浮颗粒，所述至少两个图像采集模块经配置以同时从不同的角度对悬浮颗粒进行图像采集，获得所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，以便根据所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，从而根据所述悬浮颗粒的三维结构模型计算出所述悬浮颗粒的体积。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种测量悬浮颗粒体积的光学测量装置和方法，其中设置至少两个照明模块从不同的角度照亮样品池或自然水体中的悬浮颗粒，并设置至少两个图像采集模块同时从不同的角度对被照亮的悬浮颗粒进行图像采集，从而获得悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，由处理模块基于悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，重建悬浮颗粒的三维结构模型，并根据该三维结构模型计算出悬浮颗粒的体积。本发明通过对水体中悬浮颗粒进行两个或更多个角度(例如垂直的两个角度)的拍摄，可同时获得单个悬浮颗粒多角度的投影图像信息，再以多角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，由此能够实现对悬浮颗粒特别是形态不规则的颗粒进行准确的体积测量，实现原位、快速、高通量地计算出水体中的生物碎屑的准确体积，为计算评估水体中的生物量提供重要依据。相对于其他的光学测量方法，本发明利用多角度的投影图像获取悬浮颗粒的三维形态信息，实现了对悬浮颗粒尤其是生物碎屑更加精准的体积测量。
附图说明
图1为本发明一种实施例的悬浮颗粒体积的光学测量装置的结构示意图。
图2为本发明另一种实施例的悬浮颗粒体积的光学测量装置的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1和图2，本发明实施例提供一种悬浮颗粒体积的光学测量装置，包括至少两个照明模块(如平行光源1、2)、至少两个图像采集模块(如相机3、4)以及处理模块(未示出)，所述至少两个照明模块经配置以同时从不同的角度照亮样品池7或自然水体中的悬浮颗粒，所述至少两个图像采集模块经配置以同时从不同的角度对水体中的悬浮颗粒进行图像采集，获得所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，所述处理模块与所述至少两个图像采集模块相连，其中，所述处理模块根据所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，并根据所述悬浮颗粒的三维结构模型计算出所述悬浮颗粒的体积。容易理解，当本发明的光学测量装置应用于对自然水体中的悬浮颗粒进行测量时，照明模块和图像采集模块采用适于在水体环境中工作的防水设计。当本发明的光学测量装置应用于对样品池水体中的悬浮颗粒进行测量时，照明模块和图像采集模块可采用普通的非防水设计。所述图像采集模块和所述处理模块之间可采用无线或有线的连接方式进行数据传送。
在优选的实施例中，所述至少两个照明模块与所述至少两个图像采集模块的数量相等。在其他实施例中，所述至少两个照明模块与所述至少两个图像采集模块的数量也可以不同。
参阅图1和图2，在优选的实施例中，所述至少两个照明模块对悬浮颗粒照射平行光，所述至少两个图像采集模块中的每一者分别对应地设置在所述至少两个照明模块中的每一者的照射方向上。
参阅图1和图2，在优选的实施例中，所述至少两个照明模块各自包括平行光源1、2，所述至少两个图像采集模块各自包括相机3、4和设置在所述相机3、4与待测悬浮颗粒之间的远心镜头5、6。
如图1所示，在优选的实施例中，所述至少两个照明模块包括以相互垂直的照明角度照亮水体中的悬浮颗粒的第一照明模块(如平行光源1)和第二照明模块(如平行光源2)，所述至少两个图像采集模块包括以相互垂直的拍摄角度拍摄水体中的悬浮颗粒的第一图像采集模块(如相机3和远心镜头5)和第二图像采集模块(如相机4和远心镜头6)。
如图2所示，在更优选的实施例中，所述至少两个照明模块包括第一照明模块和第二照明模块，所述第一照明模块包括平行光源2、分光棱镜8和第一反射镜9，所述第二照明模块包括第二反射镜10，所述平行光源2发射的平行光的一部分经过所述分光棱镜8透射后以第一角度照亮水体中的悬浮颗粒，所述平行光源2发射的平行光的另一部分经过所述分光棱镜8反射后，再经过依次经过所述第一反射镜9和所述第二反射镜10的反射，随后以第二角度照亮水体中的悬浮颗粒。
在一些实施例中，所述相机可以采用CCD相机，但本发明不限于此。
在一些实施例中，所述处理模块可以使用各种图像处理算法，如自底向上的重构算法、基于模型引导的重构算法、以及基于体切削的重构算法等，来重建悬浮颗粒的三维结构模型。
在一个优选的实施例中，所述处理模块使用基于体切削的重构算法重建悬浮颗粒的三维结构模型包括：从设定的三维结构形体出发,设定投影图像与所述悬浮颗粒的二维投影图像大致相近的标准三维实体(如长方体、球体、三棱柱等)，通过对所述标准三维实体不断地进行切削去除,使其投影图像的大小和形状逐渐逼近乃至完全拟合所采集的悬浮颗粒二维投影图像，从而完成悬浮颗粒的三维重建。优选地，结合深度学习方法进行训练逼近。基于实体的初始体积和切削去除的体积，可确定所测量的悬浮颗粒的体积。
参阅图1和图2，本发明实施例还提供一种悬浮颗粒体积的光学测量方法，包括使用前述实施例的悬浮颗粒体积的光学测量装置进行悬浮颗粒体积的测量。
参阅图1和图2，本发明实施例还提供一种用于测量悬浮颗粒体积的光学装置，包括至少两个照明模块(如平行光源1、2)和至少两个图像采集模块(如相机3、4)，所述至少两个照明模块经配置以同时从不同的角度照亮样品池或自然水体中的悬浮颗粒，所述至少两个图像采集模块经配置以同时从不同的角度对悬浮颗粒进行图像采集，获得所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，以便根据所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，从而根据所述悬浮颗粒的三维结构模型计算出所述悬浮颗粒的体积。
本发明中设置至少两个照明模块从不同的角度照亮水体中的悬浮颗粒，并设置至少两个图像采集模块同时从不同的角度对被照亮的悬浮颗粒进行图像采集，通过对水体中的悬浮颗粒进行两个或更多个角度(例如垂直的两个角度)的拍摄，同时获得单个悬浮颗粒多角度的投影图像信息，再以多角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，由此能够实现对悬浮颗粒特别是形态不规则的颗粒进行准确的体积测量，实现原位、快速、高通量地计算出水体中的生物碎屑的准确体积，为计算评估水体中的生物量提供重要依据。相对于其他的光学测量方法，本发明利用多角度的投影图像获取悬浮颗粒的三维形态信息，实现了对悬浮颗粒尤其是生物碎屑更加精准的体积测量。
以下进一步描述本发明具体实施例。
实施例1
如图1所示，平行光源1调制以后，照亮样品池水体中的悬浮颗粒，并在照明平行光直线传播方向设置有远心镜头5(一定的物距范围内，得到的图像放大倍率不会变化)和相机3，获得该角度下悬浮颗粒对应的图像信息。在此基础上，在其他角度再设置有一个平行光源2或若干个照明平行光源，并且相应地在平行光源照明直线传播方向设置有成像系统(如远心镜头6和相机4)。这样，实现同时对单个悬浮颗粒若干个角度的拍摄测量，同时对水体中的悬浮颗粒进行通量测量。可用两个或若干个CCD相机同时获得悬浮颗粒在不同角度的投影图像。进而，进行基于二维图像的三维重建，最后计算得到悬浮颗粒的体积。通过两个或更多不同角度的悬浮颗粒的二维投影图像的数据，可以重建出悬浮颗粒的三维结构模型，实现悬浮颗粒的体积测量。
基于二维平面图像的三维重建算法可以是自底向上的重构算法，基于模型引导的重构算法，以及基于体切削的重构算法等等。优选地，可采用基于体切削的重构算法，从三维结构形体出发,设定投影图像与所述悬浮颗粒的二维投影图像大致相近的标准三维实体(如长方体、球体、三棱柱等)，通过对所述标准三维实体不断地进行切削去除，使其图像投影逐渐逼近乃至完全拟合所测量的悬浮颗粒二维投影图像，包括投影图像的面积大小、轮廓形状等，从而完成悬浮颗粒的三维重建。在体切削的重构算法的基础上，可结合深度学习方法进行训练逼近，从而更有效地推断重建出悬浮颗粒的三维结构模型。切削前的实体的体积容易求出，减去切削去除的部分体积，即可得到所测量的悬浮颗粒的体积。
本实施例的照明光路在样品池区域以平行光(所述平行光包括近似平行光)照射，接收光路的景深覆盖样品池。样品池可以是一个透明的流管。样品池的大小可以接收系统的放大倍率进行设置。若放大倍数较大，则样品池可以小一点，否则样品池可以大一些。
对于流管，在使得悬浮颗粒随流体通过时，光学测量装置测量通过成像获得投影图像数据，由此测量出悬浮颗粒的体积。特别优选地，光学测量装置至少存在两个垂直的拍摄角度。此外，成像范围内可以有多个悬浮颗粒同时存在。均可获得有效的成像并测量其成像体积。
实施例2
如图2所示，调制的平行光源2经过分光棱镜8后分成比例接近的两束光束，一束光沿着原来传播方向照亮样品池水体中由流管导流进入的悬浮颗粒，并在光传播方向设置有远心镜头6和相机4，可获得该角度下悬浮颗粒对应的图像信息。经过分光棱镜8反射后的另一束光则经过第一反射镜9和第二反射镜10后，在垂直平行光源2的照射方向入射照亮样品池水体中的悬浮颗粒，并通过远心镜头5和相机3获得该角度下悬浮颗粒对应的图像信息。由此，可以清晰地获得水体中悬浮颗粒的正面(0°)和侧面(90°)的投影图像信息。与实施例1相比，本实施例的实现方式可以省去一个平行光源，结构更为紧凑。同样地，可采用基于体切削的重构算法，从三维结构形体出发,通过对已得到的实体不断地进行切削去除,使其图像投影逐渐逼近乃至完全拟合所测量的悬浮颗粒的正面和侧面的投影图像，包括投影图像的面积大小、轮廓形状等，从而完成三维重建。切削前的实体的体积容易求出，减去切削去除的部分体积，即可以得到所要测量的悬浮颗粒的体积。
增加更多角度对应的图像，可以获得更精准的结构数据，使得计算的体积更加精确。
本发明提出一种悬浮颗粒体积的光学测量方法和装置，通过利用两个垂直或者多个角度光路的投射，把悬浮颗粒投射到多个CCD相机上，在不同的角度对悬浮颗粒进行同时拍摄，获得悬浮颗粒多角度的图像信息，结合三维重构算法，从而能够对悬浮颗粒特别是不规则颗粒进行准确的体积测量计算。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，包括至少两个照明模块、至少两个图像采集模块以及处理模块，所述至少两个照明模块经配置以同时从不同的角度照亮样品池或自然水体中的悬浮颗粒，所述至少两个图像采集模块经配置以同时从不同的角度对悬浮颗粒进行图像采集，获得所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，所述处理模块与所述至少两个图像采集模块相连，其中，所述处理模块根据所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，并根据所述悬浮颗粒的三维结构模型计算出所述悬浮颗粒的体积。
2.如权利要求1所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，所述至少两个照明模块与所述至少两个图像采集模块的数量相等或不等。
3.如权利要求2所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，所述至少两个照明模块对悬浮颗粒照射平行光，所述至少两个图像采集模块中的每一者分别对应地设置在所述至少两个照明模块中的每一者的照射方向上。
4.如权利要求3所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，所述至少两个照明模块各自包括平行光源，所述至少两个图像采集模块各自包括相机和设置在所述相机与待测悬浮颗粒之间的远心镜头。
5.如权利要求3或4所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，所述至少两个照明模块包括以相互垂直的照明角度照亮水体中的悬浮颗粒的第一照明模块和第二照明模块，所述至少两个图像采集模块包括以相互垂直的拍摄角度拍摄水体中的悬浮颗粒的第一图像采集模块和第二图像采集模块。
6.如权利要求2至5任一项所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，所述至少两个照明模块包括第一照明模块和第二照明模块，所述第一照明模块包括平行光源、分光棱镜和第一反射镜，所述第二照明模块包括第二反射镜，所述平行光源发射的平行光的一部分经过所述分光棱镜透射后以第一角度照亮水体中的悬浮颗粒，所述平行光源发射的平行光的另一部分经过所述分光棱镜反射后，再经过依次经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射，随后以第二角度照亮水体中的悬浮颗粒。
7.如权利要求1至6任一项所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，所述处理模块使用自底向上的重构算法、基于模型引导的重构算法或基于体切削的重构算法重建悬浮颗粒的三维结构模型。
8.如权利要求7所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置，其特征在于，所述处理模块使用基于体切削的重构算法重建悬浮颗粒的三维结构模型包括：设定投影图像与所述悬浮颗粒的二维投影图像大致相近的标准三维实体，通过对所述标准三维实体不断地进行切削去除,使其投影图像的大小和形状逐渐逼近乃至完全拟合所采集的悬浮颗粒二维投影图像，从而完成悬浮颗粒的三维重建；优选地，结合深度学习方法进行训练逼近；其中，基于实体的初始体积和切削去除的体积，确定所测量的悬浮颗粒的体积。
9.一种悬浮颗粒体积的光学测量方法，其特征在于，包括使用如权利要求1至8任一项所述的悬浮颗粒体积的光学测量装置进行悬浮颗粒体积的测量。
10.一种用于测量悬浮颗粒体积的光学装置，其特征在于，包括至少两个照明模块和至少两个图像采集模块，所述至少两个照明模块经配置以同时从不同的角度照亮样品池或自然水体中的悬浮颗粒，所述至少两个图像采集模块经配置以同时从不同的角度对悬浮颗粒进行图像采集，获得所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像，以便根据所述悬浮颗粒的至少两个角度的投影图像重建悬浮颗粒的三维结构模型，从而根据所述悬浮颗粒的三维结构模型计算出所述悬浮颗粒的体积。
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