JP2005127790A - 粒子画像分析方法と装置およびそのプログラムと記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子画像の解析パラメータとして粒子画像の減光率を求めること。
【解決手段】粒子画像とその背景画像からなる画像データを用いて、粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐと、背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂとを算出し、算出したＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを求める工程からなることを特徴とする粒子画像分析方法。
【選択図】図４

Description

この発明は粒子を撮像し、その粒子像を画像分析することによって、粒子に関する情報を求める粒子画像分析方法と装置に関する。

この発明の背景技術としては、粒子懸濁液の流れをシース液で取り囲んだ流れに変換するフローセルと、変換された懸濁液流に対して光を照射する光照射手段と、照射された粒子を撮像する撮像手段と、撮像された粒子像を解析する画像解析手段と、表示手段とを備え、画像解析手段は、撮像された各粒子像の面積および周囲長についての粒子データを測定し、その粒子データから粒子と円形度を算出する算出手段と、粒径による粒度頻度データに基づいてヒストグラムを作成すると共に粒径と円形度とに対応する２つのパラメータによる２次元スキャッタグラムを作成して表示手段にそれぞれ表示する図表作成手段と、撮像された各粒子像を格納する記憶手段と、記憶手段に格納された各粒子像を表示手段に一括表示する粒子像呼出手段からなることを特徴とする粒子画像分析装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３４１１１１２号

近年、ファインセラミックス粒子やトナー、顔料、化粧品用パウダー、食品添加物、化学薬品のような種々の粒子状物質の製造過程や品質管理工程において、粒子物質の各粒子に関する様々な情報を測定し、粒子の解析を行うことが重要になってきている。
しかしながら、従来の方法や装置では、粒子の粒径や円形度又は凝集度などを求めることはできるが、他の粒子情報、例えば粒子の減光率を求めることができなかった。
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、粒子を撮像して得られた粒子画像から粒子の減光率を算出することが可能な粒子画像分析方法と装置を提供するものである。

この発明は、粒子画像とその背景画像からなる画像データを用いて、粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐと、背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂとを算出し、算出したＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを求める工程からなることを特徴とする粒子画像分析方法を提供するものである。

また、この発明は、粒子画像とその背景画像からなる画像データを用いて粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐを算出する第１演算部と、前記画像データを用いて背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂを算出する第２演算部と、ＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを算出する第３演算部とを備えた粒子画像分析装置を提供するものである。

この発明によれば、粒子画像の平均輝度と背景画像の平均輝度から粒子画像の減光率が容易に求められ、粒子の分析に必要な新しい情報が提供される。

この発明の画像解析対象は、ファインセラミックス、顔料、化粧品用パウダーのような無機物の粉体および食品添加物のような有機物の粉体を含むものであり、多結晶からなる粒子であってもよい。
この発明の粒子画像分析方法は、粒子画像とその背景画像を複数画素の輝度で表した画像データを用いて、粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐと、背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂとを算出し、算出したＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを求める工程からなることを特徴とする。

減光率αを求める工程は、粒子画像の径をＲｓとするとき、
α＝（１／Ｒｓ）×１ｏｇ_e（Ｉｂ／Ｉｐ）
を演算する工程であることが好ましい。この場合、ランベルト・ベールの法則に基づいて減光率αが求められる。

また、この発明による粒子画像分析装置は、粒子画像とその背景画像を複数の画素の輝度で表した画像データを用いて粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐを算出する第１演算部と、前記画像データを用いて背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂを算出する第２演算部と、ＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを算出する第３演算部とを備える。
第１、第２および第３演算部は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭからなるマイクロコンピュータ又はパーソナルコンピュータにより一体的に構成できる。

第３演算部は、粒子画像の径をＲｓとするとき、前述と同様に、
α＝（１／Ｒｓ）×１ｏｇ_e（Ｉｂ／Ｉｐ）
を演算するようにしてもよい。この発明の粒子画像分析装置は、粒子を含む懸濁液を懸濁液流に変換するフローセルと、変換された懸濁液流に対して光を照射する光照射部と、照射された粒子を撮像する撮像部とをさらに備えてもよい。
この場合、フローセルは、粒子懸濁液の流れをシース液で包んで流すことにより流体力学的効果によって、細かいあるいは偏平な流れに変換することができるセルであり、これには、従来公知のものを用いることができる。

なお、フローセルに供給されるシース液については、粒子懸濁液の性質（粒子）や溶媒の性質）に対応してその種類を選択することが好ましい。
また、光照射部には、パルス発光するストロボやレーザ光源を用いることが好ましい。
連続的に発光する光源を用いることもできるが、この場合には撮像部にシャッターを設ける必要がある。撮像部には、一般的な２次元画像を撮像するビデオカメラを用いることができる。

光照射部と撮像部とはフローセルを挟んで配置され、フローセルにおいて粒子懸濁液が偏平な流れに変換される場合、光照射部は、粒子懸濁液流の偏平な一面に直交して光を照射し、撮像部はその光軸上に配置されることが好ましい。
さらに、この発明は、粒子画像とその背景画像からなる画像データを用いて、粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐと、背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂとを算出し、算出したＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを求める工程からなることを特徴とする粒子画像分析プログラムを提供するものである。
また、この発明は、上記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供するものである。

この記録媒体は、マイクロコンピュータで処理が行われるメモリ、例えばＲＯＭのようなものであってもよいし、外部記憶装置としてプログラム読み取り装置が設けられ、そこに挿入されて読み取られるプログラムメディアであってもよい。

いずれの場合においても、格納されているプログラムはマイクロプロセッサがアクセスして実行される構成であってもよいし、コンピュータのプログラム記憶エリアにダウンロードされて、そのプログラムが実行される方式であってもよい。このダウンロード用のプログラムはあらかじめ粒子画像解析装置に格納されているものとする。

ここで、プログラムメディアは、装置と分離可能に構成される記憶媒体であり、磁気テープやカセットテープなどのテープ系、フロッピー（登録商標）ディスクやハードディスクなどの磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤなどの光ディスクのディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カードなどのカード系、あるいはマスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＲＯＭなどによる半導体メモリを含めた固定的にプログラムを担持する媒体であってもよい。

また、この発明の粒子画像解析装置をインターネットを含む通信ネットワークと接続可能なシステム構成とし、記録媒体を通信ネットワークからプログラムをダウンロードするように流動的にプログラムを担持する媒体としてもよい。尚、そのダウンロード用プログラムは予め解析装置に格納しておく。

この発明の粒子解析装置の流体系と光学系を図１に示す。
図１において、バルブ１６、１７が開くと、粒子懸濁液はポンプ１８によって吸引ピペット１から吸引され、サンプルフィルター２を通りフローセル５の上部の試料チャージングライン３へ引き込まれる。サンプルフィルター２によって、懸濁液中の粗大な粒子ごみが取り除かれ、流路の細い（狭い）フローセル５が詰まらないようにしている。またこのサンプルフィルタ２は、粗大な凝集塊をほぐす効果も持っている。

チャージングライン３に引きこまれた粒子懸濁液は、バルブ１６、１７を閉じてシリンジ４を動作させることによってフローセル５に導かれ、内部のサンプルノズル（図示しない）の先端から懸濁液が押し出される。それと同時にシース液もシース液ボトル６からシース液チャンバー７を介してフローセル５に送り込まれ、粒子懸濁液はそのシース液で取り囲まれ、液体力学的に懸濁液は偏平に絞られてフローセル５の内を流れ、廃液チャンバー１４を介して排出される。このように偏平に絞られた懸濁液流に対して、ストロボ８からパルス光を周期的に照射することによって、粒子の静止画像が対物レンズ９を介してビデオカメラ１０で撮像される。

粒子を懸濁する溶媒は粒子特性（粒径や比重）に応じて最適なものを選べばよい。
また、懸濁液の流れを確実に偏平にあるいは細かく絞り込むために懸濁液の特性に応じて、例えば溶媒の粘度や比重に応じて、シース液の粘度や比重を変更するのが好ましい。図１には図示していないが、複数種類のシース液ボトルを設け、測定する試料に応じて使用するシース液の種類を容易に切り換えられるような機構を付加してもよい。

懸濁液流の偏平な面をビデオカメラ１０で撮像すれば、ビデオカメラ１０の撮像エリア全体にわたって粒子像を捉えることができ、図２に示すように１回の撮像で多数の粒子を撮像できる。また、撮像される粒子の重心とビデオカメラ１０の撮像面との距離をほぼ一定にすることができるので、粒子の大きさに関わらず常にピントの合った粒子像が得られる。

図３は粒子画像分析装置の信号処理系を示すブロック図である。同図で示すように、画像処理部１１は、ビデオカメラ１０からの画像信号を処理するデータ処理部１１ａと、処理されたデータを分析する画像分析部１１ｂと、画像データや処理データなどを格納するデータ記憶部１１ｆと、プログラム読み取り部１５によってプログラム記録媒体から読み取られた粒子画像分析用プログラムを格納するプログラム記憶部１１ｇを備える。画像分析部１１ｂは、粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐを算出する第１演算部１１ｃと、背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂを算出する第２演算部１１ｄと、ＩｐとＩｂから粒子画像の減光率を算出する第３演算部１１ｅを含む。そして、画像処理部１１は、ビデオカメラ１０からの画像信号をキーボード１３から入力される処理条件に応じて処理し、処理結果をモニターテレビ１２に表示する。

このような構成における画像処理の手順を図４のフローチャートに示す。ビデオカメラ１０からの画像信号は、画像処理部１１に取り込まれてＡ／Ｄ変換され、画像データとして取り込まれる（ステップＳ１）。次に、画像データにおける画素の位置と輝度情報が抽出されてデータ記憶部１１ｆへ格納される（ステップ２）。次に、懸濁液流に対する照射光の強度むら（シューディング）を補正するためのバックグラウンド補正が行われる（ステップＳ３）。

具体的には、粒子フローセル５を通過していない時に光照射して得られる画像データを、測定前にあらかじめ取り込んでおき、その画像データと実際の粒子撮像画面の画像データとを比較演算することであり、画像処理として一般的によくしられた処理である。次に、粒子画像の輪郭を的確に抽出するための前処理として輪郭強調処理を行う（ステップＳ４）。具体的には、一般的によく知られたラプラシアン強調処理を行う。

次に、画像データをある適当なスレシホールドレベルで２値化すると各粒子画像は図５に示すような２値化画像となる（ステップＳ５）。次に、２値化された各粒子画像に対してエッジ点（輪郭を表す輪郭画素）かどうかを判定するとともに、着目しているエッジ点に対して隣合うエッジ点がどの方向にあるかの情報、すなわちチェインコードを生成する（ステップＳ６）。次に、このチェインコードを参照しながら粒子画像のエッジトレースを行い、粒子画像の分析パラメータとして、各粒子画像の面積（総画素数）Ｓｔ、直行カウント数Ｅｔ、斜行カウント数Ｅｓおよびコーナーカウント数Ｃｎを求める（ステップＳ７）。

ここで、ステップＳ６、Ｓ７における処理を図５を用いて説明すると、粒子画像（図５のハッチング部分）の輪郭を形成する輪郭画素（エッジ点）の中心点ａ〜ｎを直線で結び、全輪郭画素を点ａから反時計方向方向（又は時計方向）に順次着目し、現在の着目輪郭画素と次の着目輪郭画素とを結ぶ直線が縦又は横方向を向くとき現在の着目輪郭画素を第１画素とみなし、現在の着目輪郭画素と次の着目輪郭画素とを結ぶ直線が斜め方向を向くとき現在の着目輪郭画素を第２画素とみなし、第１および第２画素の数を計数する。

ここで、第１画素の合計数が直行カウント数Ｅｔであり、第２画素の合計数が斜行カウント数Ｅｓである。
また、図５において、着目する１つの輪郭画素とその両側に隣接する２つの輪郭画素とを結ぶ直線が、着目した輪郭画素において屈曲する場合にその輪郭画素を屈曲点とみなし、全輪郭画素の各々に着目して屈曲点の数を計数する。屈曲点の合計数がコーナーカウント数Ｃｎである。
なお、図５に図示される粒子画像では、
面積Ｓｔ＝総画素数＝２５であり、
第１画素は、点ｃ、ｅ、ｇ、ｈ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを含む画素であるので、Ｅｔ＝８となり、
第２画素は、点ａ、ｂ、ｄ、ｆ、ｉ、ｎを含む画素であるので、Ｅｓ＝６となり、
屈曲点は、点ａ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｉ、ｊ、ｎであるので、Ｃｎ＝９となる。

次に、各粒子画像（濃度／２値化画像）が切り出され、各画像の画素の輝度がデータ記憶部１１ｆに格納される（ステップＳ８）。
必要な撮像処理が終了すると（ステップＳ９）、各粒子画像の円相当径Ｒｓが次のようにして算出される（ステップＳ１０）。
まず、各粒子画像に対して求められた解析パラメータに基づいて、周囲長Ｌが次式で算出される。
Ｌ＝０．９８０×Ｅｔ＋１．４０６×Ｅｓ−０．０９１×Ｃｎ・・・（１）
（但し、１画素を単位長さ１とする。）
式（１）はVossepoelの式として知られている。
次に、面積Ｓが次式で算出される。
Ｓ＝Ｓｔ−０．５Ｌ・・・（２）
（但し、１画素を単位長さ１とする）
次に、円相当径Ｒｓが次式で算出される。
Ｒｓ＝ａ×Ｓ^1/2×ｋ＋ｂ・・・（３）
次に、各粒子の２値化画像について、粒子画像の中央部を抽出する処理、いわゆるシュリンク処理（外縁を除去する処理）が施され（ステップＳ１１）、シュリンク処理画像に対応する濃淡画像の輝度について平均輝度Ｉｐが算出される（ステップ１２）。ここで、粒子画像の外縁部の画素は、中央部の画素に較べて外乱の影響を受け易いので、その輝度情報は不安定であり、信頼性が低い。そのため、輪郭画素を含む外縁を除去した粒子画像の中央部の画素の輝度を用いて、平均輝度Ｉｐを算出する。
次に、ステップＳ２で格納された背景画像の画素の輝度について平均輝度Ｉｂが算出される（ステップＳ１３）。
次に、次式によって各粒子画像の減光率αが算出される（ステップＳ１４）。
α＝（１／Ｒｓ）×１ｏｇ_e（Ｉｂ／Ｉｐ）・・・（１）
ここで、Ｉｂ、Ｉｐについてオフセット値Ｉｆを考慮する場合には、式（１）は
α＝（１／Ｒｓ）×１ｏｇ_e｛（Ｉｂ−Ｉｆ）／（Ｉｐ−Ｉｆ）｝
となる。
なお、式（１）はランベルト・ベールの法則に基づく。
このようにして、多数の粒子画像の周囲長、面積、円相当径のみならず減光率を得ることができるので、これらを統計的に処理することにより、粒子画像を詳しく分析することができる。

この発明による実施例の要部構成説明図である。 この発明の実施例による画像の説明図である。 この発明による実施例の要部構成を示すブロック図である。 この発明の実施例の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施例における粒子画像の説明図である。

符号の説明

１ 吸引ピペット
２ サンプルフィルター
３ 試料チャージングライン
４ シースシリンジ
５ フローセル
６ シース液ボトル
７ シース液チャンバー
８ ストロボ
９ 対物レンズ
１０ ビデオカメラ
１４ 廃液チャンバー

Claims (10)

1. 粒子画像とその背景画像からなる画像データを用いて、粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐと、背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂとを算出し、算出したＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを求める工程からなることを特徴とする粒子画像分析方法。
2. 減光率αを求める工程は、粒子画像の径をＲｓとするとき、
   α＝（１／Ｒｓ）×１ｏｇ_e（Ｉｂ／Ｉｐ）
   を演算する工程である請求項１記載の粒子画像分析方法。
3. 粒子画像を表わす画素の輝度の平均値Ｉｐが、粒子画像から輪郭画素を除いた中央画素の輝度の平均値である請求項１又は２記載の粒子画像分析方法。
4. 粒子画像とその背景画像からなる画像データを用いて粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐを算出する第１演算部と、前記画像データを用いて背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂを算出する第２演算部と、ＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを算出する第３演算部とを備えた粒子画像分析装置。
5. 第３演算部は、粒子画像の径をＲｓとするとき、
   α＝（１／Ｒｓ）×１ｏｇ_e（Ｉｂ／Ｉｐ）
   を演算する請求項４記載の粒子画像分析装置。
6. 粒子画像を表わす画素の輝度の平均値Ｉｐが、粒子画像から輪郭画素を除いた中央画素の輝度の平均値である請求項４又は５記載の粒子画像分析装置。
7. 粒子画像とその背景画像からなる画像データを用いて、粒子画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｐと、背景画像を表す画素の輝度の平均値Ｉｂとを算出し、算出したＩｐとＩｂに基づいて粒子画像の減光率αを求める工程からなることを特徴とする粒子画像分析プログラム。
8. 減光率を求める工程は、粒子画像の径をＲｓとするとき、
   α＝（１／Ｒｓ）×１ｏｇ_e（Ｉｂ／Ｉｐ）
   を演算する工程である請求項７記載の粒子画像分析プログラム。
9. 粒子画像を表わす画素の輝度の平均値Ｉｐが、粒子画像から輪郭画素を除いた中央画素の輝度の平均値である請求項７又は８記載の粒子画像分析プログラム。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載の粒子画像分析プログラムをコンピュータ読み取り可能に格納した記録媒体。

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