CN115202026A - 一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统。本发明的主要工作围绕花粉载玻片展开，针对人工在光学显微镜下观测花粉的问题，结合计算机软件技术与步进电机等硬件系统，设计了一套适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统。首先将制作好的花粉载玻片固定在载玻片托板上，使用软件控制自动载物台移动并采集显微图像。

Description

一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统
技术领域
本发明涉及气象学领域中花粉图像采集方面，涉及一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统。
背景技术
气传花粉是常见的过敏原之一，严重危害着特定敏感人群的身体健康，因此，花粉浓度播报业务已经变成气象局不可或缺的业务之一。目前常见的花粉检测方式为首先对空气中的花粉进行收集，制作成花粉涂片，然后在显微镜下寻找并统计花粉的数量[1][2]，使用统计结果推算空气中花粉浓度。人工观测显微图像存在效率低，且显微镜的操作需要很高的学习成本。随着集成电路技术的不断发展，计算机运算能力的提高，越来越多的领域开始使用计算机辅助人工以减少劳动量[3]。本专利研制出一套适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，用于采集气传花粉的显微图像[4]。
参考文献
[1]戴丽萍,陆晨.春季花粉及其观测技术[J].气象,2000(12):49-52.
[2]欧阳志云,嘉楠,郑华,孟雪松,王效科.北京城区花粉致敏植物种类、分布及物候特征[J].应用生态学报,2007(09):1953-1958.
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[4]王继成,高珍.软件需求分析的研究[J].计算机工程与设计,2002(08):18-21.DOI:10.16208/j.issn1000-7024.2002.08.005.
发明内容
为了解决花粉观测员在显微镜下手动调节显微镜载物台以获取花粉图像并实时存取图像的问题，本发明提供了一套适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统以解决该类问题，后续亦称为采集系统。该系统包括硬件部分与人机交互界面，硬件部分模拟人工遍历载玻片的过程搭建了三轴向自动移动载物台，软件部分设计编写UI界面以实时控制载物台的三轴向移动与图像截取。
本发明技术方案为：
一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，包括硬件和软件部分，所述硬件部分包括三轴自动移动载物台底座与显微镜，构建三轴自动移动载物台来代替显微镜上的原始载物台实现自动移动；所述软件部分包括微机控制程序、软件UI界面设计、软件实时显示显微图像模块、软件串口通信模块、软件向微机控制器发送指令模块、软件实现显微图像保存模块。
所述三轴向自动移动载物台由底座，步进电机及其丝杠型滑道、花粉载玻片托板构成，步进电机及其丝杠型滑道一体化模块，其丝杠螺距为2000μm，即步进电机旋转一周，滑道上的滑块行进2000μm；两套步进电机丝杠滑块台平行安装，负责自动载物台的y向平移；再在这两个平行滑道的滑块上安装第三套步进电机丝杠型滑道，负责自动载物台的x向平移；通过第三套步进电机丝杠滑道的滑块安装第四套步进电机丝杠滑道负责自动载物台的z向平移。
所述微机控制程序包括：微机控制器中写入脉冲指令，即接收到上位机计算机端的指令后向步进电机发送脉冲指令；依据脉冲与位移对应关系来编写程序，对应关系如下表所示：
Figure BDA0003737735720000021
所述软件UI界面设计包括，界面设计使用Qt designer完成；下表给出软件各个模块所用的控件类型：
Figure BDA0003737735720000022
所述软件实时显示显微图像模块包括：显微镜接入目镜相机并与计算机连接后，点击软件左侧的“连接显微镜”按钮后在右侧可实时显示显微镜物镜下的图像；代码实现过程为：
(1)利用目镜相机的二次开发工具箱的nncam类，点击连接显微镜按钮，线程开始；
Nncam_Open函数判断是否接入了显微镜，若接入则进入下一步；
(2)编写回调函数以获取图像，并把图像转换为Qimg格式最终在QLabel控件上显示。
所述软件串口通信模块包括：点击软件左侧的“打开串口”按钮、下拉QComboBox并选择可用串口、再点击“open”按钮完成串口连接；代码实现过程为：
(1)“打开串口”按下开始扫描串口：使用QSerialPortInfo::availablePorts()函数返回可用串口列表，使用QSerialPort方法实例化串口的对象，遍历可用串口，选择下拉QComboBox控件中显示的可用串口；
(2)“open”按钮按下打开串口：使用setPortName方法设置串口名，使用setBaudRate方法设置波特率为9600，使用setDataBits方法设置数据位为8为，使用setParity方法设置奇偶校验位，使用setStopBits方法设置1位停止位，使用serialPort的open方法打开串口并完成串口连接。
所述软件向微机控制器发送指令模块包括软件通过串口向微机控制器发送控制三轴向的步进电机移动的指令，以带动三轴自动移动载物台移动；代码实现过程为：
(1)定义发送指令函数：通过serial->write()串口发送函数实现；
(2)载物台调节模块中的按钮对应着向微机端发送的指令，对应关系如下表所示：
Figure BDA0003737735720000031
所述软件实现显微图像保存模块包括：点击软件下侧手动保存模块的“保存当前图片”按钮可以保存当前物镜下的显微图像；代码实现过程为：
(1)点击“保存当前图片”按钮后：使用nncam类获取当前图像；
(2)使用QFileDialog::getSaveFileName方法，在弹出对话窗中选择保存路径，最后命名图片名称并保存在已选择路径下。
本发明有益效果是：
附图说明
图1为花粉载玻片；
图2为三轴向自动移动载物台的底座；
图3为软件系统；
图4为采集保存后的一张花粉显微图像，分辨率为1280×960；
图5为系统的接线图；
图6微机控制程序代码示意图；
1-载玻片；2-盖玻片；3-显微镜放置处；4-丝杠型滑道支架；5-底板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统包括硬件部分和软件部分，
硬件部分：
1、本发明选用正置光学显微镜，使用明显牌MX-3000系列。电子目镜选用明显牌CMOS目镜相机，型号为UCMOS05100KPA，装配于显微镜顶端接口，用于获取显微图像。
2、构建三轴自动移动载物台来代替显微镜上的原始载物台实现自动移动。三轴向自动移动载物台由底座，步进电机及其丝杠型滑道、花粉载玻片托板构成。步进电机及其丝杠型滑道一体化模块选用北京海杰公司的CTM-28，其丝杠螺距为2000μm，即步进电机旋转一周，滑道上的滑块行进2000μm。两套步进电机丝杠滑块台平行安装，负责自动载物台的y向平移；再在这两个平行滑道的滑块上安装第三套步进电机丝杠型滑道，负责自动载物台的x向平移；通过第三套步进电机丝杠滑道的滑块安装第四套步进电机丝杠滑道负责自动载物台的z向平移。用于控制三轴向自动移动载物台的微机控制器选用Arduino Uno。步进电机驱动控制器选用TB6600型。
软件部分：
本发明设计一款软件用来控制三轴向自动移动载物台，通过Qt creator实现采集系统交互平台主页的设计与实现。
1、软件左侧的“显微镜连接”模块的“连接显微镜”按钮为目镜相机与计算机端通过串行端口连接，以实时显示显微镜物镜下的图像，图像会在软件的右侧实时显示。“暂停”按钮为目镜相机与计算机端通信暂停，即停止显示图像。
2、软件左侧的“串口连接”模块的打开串口按钮为串口扫描，扫描当前可用的串口，一般情况可下拉选择“com3”，点击“open”按钮实现串口的连接。该模块用于计算机端与微机控制器之间通信，连接后即可向微机控制器发送指令以控制步进电机带动三轴自动移动载物台移动。
3、软件左侧的“载物台调节”模块为三轴向自动移动载物台的控制模块，按钮解释为：“X+”、“X-”为载物台沿x方向向前、向后移动580.65μm；“Y+”、“Y-”为载物台沿y方向向左、向右移动435.48μm；“x”(上)、“x”(下)为载物台沿x方向向前、向后移动290.33μm；“y”(左)，“y”(右)为载物台沿y方向向左、向右移动217.74μm；“z”(上)、“z”(下)按钮为载物台向上、向下移动200μm；“向上精调”，“向下精调”为载物台向上、向下移动20μm。
4、软件左侧的“自动采集”模块提供自动采集方法，可以根据用户需求自行设计图像采集方式，包括遍历载玻片的区域大小、图像数量等。其中，“选择路径”按钮可以选择本地磁盘下的路径；“开始”按钮可以根据用户设计的采集方式自动采集图像；“停止”按钮可以停止图像采集，同时三轴向自动移动载物台停止运动。
5、软件左侧的“控制台输出”模块输出当前系统的状态，包括三轴向自动移动载物台的运动状态，图像保存位置。
6、软件下侧的“手动保存”模块的“保存当前图片”按钮可以将当前图像保存，若在“自动采集”模块的“选择路径”按钮下选择了图像保存路径则保存在该路径下并命名为当前的时间；若没有在“选择路径”按钮下选择图像保存路径则会弹出窗口询问保存路径和图像命名。
7、软件右侧的区域用来实时显示当前显微镜物镜下的图像，单击“显微镜连接”模块的“连接显微镜”按钮软件右侧就会显示显微镜物镜下的图像。若没有接入显微镜，则会在“控制台输出”模块中提示“未接入显微镜”。
具体操作步骤如下：
1、显微镜与目镜相机：目镜相机接于显微镜的头部，并用USB数据线与计算机连接。花粉样本的最佳观测倍率为目镜10倍、物镜10倍。本发明所用的目镜相机为10倍放大倍率，只需将物镜调整至10倍放大倍率即可完成显微镜的初始化调节。
2、花粉载玻片的安装：花粉载玻片为气象局通过自然沉降法采集的花粉样片。将其安装在三轴向自动移动载物台上的花粉载玻片托板上，托板上的一对簧片用于固定花粉载玻片，安装时用簧片压紧花粉载玻片。
搭建的三轴自动移动载物台底座用于放置整个系统的平台，尺寸如下表所示。
Figure BDA0003737735720000061
3、微机控制器、步进电机及其丝杠型滑道一体化模块、步进电机驱动控制器：微机控制器选用Arduino Uno，步进电机及其丝杠型滑道一体化模块需用选用北京海杰公司的CTM-28，步进电机驱动控制器选用TB6600型，三者间的接线图如图5所示。
4、目镜相机的定标：移动载物台时使用的是位移单位，即毫米(mm)或微米(μm)，而计算机存储图像的单位为像素单位(pixel),要确立两种单位的对应关系，即一个像素单位所对应的实际长度，称为定标。本发明利用电子目镜在10倍物镜下最大分辨率图像配合定标刻度尺完成定标。通过定标刻度尺计算所得x轴方向图像宽度为580.65μm，y轴方向图像宽度为435.48μm。所以本发明设定“载物台调节”模块的按钮为：“X+”，“X-”为载物台沿x方向向前与向后移动580.65μm；“Y+”，“Y-”为载物台沿y方向向左与向右移动435.48μm；“x+”，“x-”为载物台沿x方向向前与向后移动290.33μm；“y+”，“y-”为载物台沿y方向向左与向后右移动217.74μm。“z”按钮为载物台向上与向下移动200μm；“向上精调”，“向下精调”为载物台向上与向下移动20μm。
5、步进电机驱动控制器模式设置与微机控制器脉冲程序设置：TB6600设置为4细分模式，即Pr＝800。微机控制器向步进电机驱动控制器输出脉冲信号，脉冲的数量决定着三轴向自动移动载物台运动的位移量。由输入脉冲数量得到三轴向自动移动载物台运动的位移量计算公式为：
Figure BDA0003737735720000062
其中，δ为脉冲个数，单位为(脉冲/转)，2000为丝杠螺距，单位为微米(μm)，L为输出位移，单位为微米(μm)。
三轴步进电机位移模式与输入脉冲关系如下表所示。
Figure BDA0003737735720000063
Figure BDA0003737735720000071
6、对于软件控制三轴向自动移动载物台的部分在上文技术方案的软件部分有具体说明，该部分不做过多叙述。需要注意的是：花粉载玻片安装完成后，若需要采集显微图像，则需要用软件控制三轴向自动移动载物台将载玻片移动到显微镜物镜下方。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，包括硬件和软件部分，所述硬件部分包括三轴自动移动载物台底座与显微镜，构建三轴自动移动载物台来代替显微镜上的原始载物台实现自动移动；所述软件部分包括微机控制程序、软件UI界面设计、软件实时显示显微图像模块、软件串口通信模块、软件向微机控制器发送指令模块、软件实现显微图像保存模块。
2.根据权利要求1所述一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，所述步骤(1)三轴向自动移动载物台由底座，步进电机及其丝杠型滑道、花粉载玻片托板构成，步进电机及其丝杠型滑道一体化模块，其丝杠螺距为2000μm，即步进电机旋转一周，滑道上的滑块行进2000μm；两套步进电机丝杠滑块台平行安装，负责自动载物台的y向平移；再在这两个平行滑道的滑块上安装第三套步进电机丝杠型滑道，负责自动载物台的x向平移；通过第三套步进电机丝杠滑道的滑块安装第四套步进电机丝杠滑道负责自动载物台的z向平移。
3.根据权利要求1所述一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，所述微机控制程序包括：微机控制器中写入脉冲指令，即接收到上位机计算机端的指令后向步进电机发送脉冲指令；依据脉冲与位移对应关系来编写程序，对应关系如下表所示：
Figure FDA0003737735710000011
4.根据权利要求1所述一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，所述软件UI界面设计包括，界面设计使用Qt designer完成；下表给出软件各个模块所用的控件类型：
Figure FDA0003737735710000012
Figure FDA0003737735710000021
5.根据权利要求1所述一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，所述软件实时显示显微图像模块包括：显微镜接入目镜相机并与计算机连接后，点击软件左侧的“连接显微镜”按钮后在右侧可实时显示显微镜物镜下的图像；代码实现过程为：
(1)利用目镜相机的二次开发工具箱的nncam类，点击连接显微镜按钮，线程开始；Nncam_Open函数判断是否接入了显微镜，若接入则进入下一步；
(2)编写回调函数以获取图像，并把图像转换为Qimg格式最终在QLabel控件上显示。
6.根据权利要求1所述一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，所述软件串口通信模块包括：点击软件左侧的“打开串口”按钮、下拉QComboBox并选择可用串口、再点击“open”按钮完成串口连接；代码实现过程为：
(1)“打开串口”按下开始扫描串口：使用QSerialPortInfo::availablePorts()函数返回可用串口列表，使用QSerialPort方法实例化串口的对象，遍历可用串口，选择下拉QComboBox控件中显示的可用串口；
(2)“open”按钮按下打开串口：使用setPortName方法设置串口名，使用setBaudRate方法设置波特率为9600，使用setDataBits方法设置数据位为8为，使用setParity方法设置奇偶校验位，使用setStopBits方法设置1位停止位，使用serialPort的open方法打开串口并完成串口连接。
7.根据权利要求1所述一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，所述软件向微机控制器发送指令模块包括软件通过串口向微机控制器发送控制三轴向的步进电机移动的指令，以带动三轴自动移动载物台移动；代码实现过程为：
(1)定义发送指令函数：通过serial->write()串口发送函数实现；
(2)载物台调节模块中的按钮对应着向微机端发送的指令，对应关系如下表所示：
Figure FDA0003737735710000022
Figure FDA0003737735710000031
8.根据权利要求1所述一种适用于气传花粉载玻片显微图像的采集系统，其特征在于，所述软件实现显微图像保存模块包括：点击软件下侧手动保存模块的“保存当前图片”按钮可以保存当前物镜下的显微图像；代码实现过程为：
(1)点击“保存当前图片”按钮后：使用nncam类获取当前图像；
(2)使用QFileDialog::getSaveFileName方法，在弹出对话窗中选择保存路径，最后命名图片名称并保存在已选择路径下。
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