JP2006031593A - 細菌培養過程アニメーション作成システム - Google Patents

Abstract

【課題】細菌の成長過程などを観察するための動画すなわちアニメーションを作成する
【解決手段】異なる培養条件下で得られた複数の細菌画像から、指定された培養条件の細菌画像を抽出して、コロニーの発生過程のアニメーションを作成する。また、細菌画像がモニタ解像度を超えるような場合、細菌画像を画像処理して出力されたコロニー数、大きさ、中心位置の情報から局所的な大きさを算出して、画像を拡大表示してコロニーの発生過程のアニメーションを作成する。さらに、指定された培養条件で抽出した細菌画像をアニメーション化する時、採取画像間の時間間隔を細分化して補完することによりスムーズなアニメーションを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は細菌培養過程アニメーション作成システムに関し、特に異なる条件で収集された細菌培養画像の比較、分析などを支援するシステムに関する。

培養装置に関する先行技術としては、特許文献１がある。特許文献１には、シャーレを載置する棚にスキャナを設けておき、シャーレ内の培養の状態を任意の時に、又は予め設定したスケジュールに従って連続的に又は定期的に観察できるようにした培養装置が開示されている。
このような構成の培養装置を用いれば、シャーレ内の細菌のコロニーについての画像は、表示装置でモニタ上に表示可能である。それとともに、その画像を印刷して目視確認することや、予めコンピュータ装置内に記憶されている画像処理データと比較し、コロニーの数の確認、培養状態をチェックすることができる。
特開２００２−８５０５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の培養装置では、細菌画像のモニタ表示、印刷、また、予め記憶された画像処理結果との比較に留まり、時刻を指定した観察は可能であるが、時間経過を考慮したコロニーの成長過程を観察することはできない。
また、特許文献１に記載の培養装置はスキャナすなわちラインセンサなどを使用した高解像度の画像を対象とするものである。このため、コロニーの発生初期は、コロニー自体の大きさが小さいことから目視確認できない。また、パソコンのモニタ画面に合わせて表示すると縮小表示されることとなり、モニタ画面に表示した画像では確認できない課題があった。
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は細菌の成長過程などを観察するための動画すなわちアニメーションを作成することのできる細菌培養過程アニメーション作成システムを提供することである。

本発明の請求項１による細菌培養過程アニメーション作成システムは、細菌の培養過程を撮影した画像である細菌画像、前記細菌画像に対応した複数項目からなる培養条件、前記細菌画像に対応した画像処理結果を含む細菌画像データベースと、
前記複数項目からなる培養条件の少なくとも１項目が指定されたことに応答して、前記細菌画像データベースを検索して、条件に合う画像を抽出する画像抽出手段と、
前記画像抽出手段により抽出した細菌画像と該細菌画像に対応する画像処理結果とに基づいて時間経過に合わせたアニメーションを作成するアニメーション作成手段と
を含み、異なる条件下のコロニー成長過程をアニメーションとして比較できるようにしたことを特徴とする。このような構成によれば、指定された条件に合致したシャーレ全体の画像についてのアニメーションが得られる。

本発明の請求項２による細菌培養過程アニメーション作成システムは、請求項１において、前記細菌画像に含まれているコロニーの大きさ及び該コロニーの中心位置の情報に基づいて決定した小領域を決定する小領域決定手段を更に含み、決定された小領域の画像に基づいて、各コロニーを拡大した場合のコロニー成長過程についてのアニメーションを作成するようにしたことを特徴とする。このような構成によれば、シャーレ全体の画像と共に、各コロニーを拡大した場合の成長過程についてのアニメーションが得られる。

本発明の請求項３による細菌培養過程アニメーション作成システムは、請求項１又は２において、前記細菌画像は離散的な時刻に対応する画像であり、それら画像間の時間間隔を細分化し、細分化した時間の画像を前後の画像から補間する補間手段を更に含むことを特徴とする。このような構成によれば、コロニー成長過程をスムーズなアニメーションが得られる。

本発明によれば、細菌画像と、細菌画像に対応した複数項目からなる培養条件と、細菌画像に対応した画像処理結果などからなる細菌画像データベースについて、複数項目からなる培養条件のある一部を指定して検索し、条件に合う画像を抽出し、抽出した細菌画像と画像処理結果を時間経過に合わせてアニメーションとして表示することができるので、異なる条件下のコロニー成長過程を比較観察できる。

また、画像処理結果のコロニーの大きさ、コロニーの中心位置などの情報を利用して、時間経過で変化するコロニーの大きさ、コロニーの中心位置から小領域画像の大きさを決定し、全体シャーレ画像に合わせて各コロニーに対応した小領域画像のコロニー成長過程をアニメーションとして比較観察できる。
さらに、離散的な時刻で得られた細菌画像間の時間間隔を細分化し、細分化した時間の画像を前後の画像から補間することにより、コロニー成長過程をスムーズなアニメーションとして比較観察できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（本システムの概要）
本システムでは、異なる培養条件下で得られた複数の細菌画像から、指定された培養条件の細菌画像を抽出して、コロニーの発生過程のアニメーションを作成する。また、モニタ解像度の都合により、細菌画像をそのまま表示できない場合、細菌画像を画像処理して出力されたコロニー数、大きさ、中心位置の情報から局所的な大きさを算出し、画像を拡大表示してコロニーの発生過程のアニメーションを作成する。さらに、指定された培養条件で抽出した細菌画像をアニメーション化する時、採取画像間の時間間隔を細分化して補完することによりスムーズなアニメーションを作成する。

具体的には、図２に示されているように処理される。まず、培養条件の指定を受け付ける（ステップＳ１１１）。培養条件が指定されると、指定培養条件画像データベースに対する検索が行われ、指定された条件に合致する画像が抽出される（ステップＳ１１２）。次に、この抽出された画像について、指定培養条件画像データベースが作成され、各画像が記憶される（ステップＳ１１３）。最後に、指定培養条件画像データベースに記憶されている画像を利用してアニメーションが作成される（ステップＳ１１４）。

以下、上記の各処理について説明する。
（培養条件の指定）
上述したように本システムでは、培養条件が指定されると、細菌画像データベースからその培養条件に合致する画像を抽出する。その抽出された指定培養条件画像を利用することでアニメーションを作成する。
ここで、作成されるアニメーションは、例えば、以下の（１）、（２）のようなものを想定している。
（１）培養条件の１つが、異なるものごとのアニメーションである。例えば、温度条件２５℃、３０℃、３５℃ごとにアニメーションを作成し、それらを同時に再生する。
（２）培養条件の２つ以上が、異なるものごとのアニメーションである。培養条件の異なるものごとにアニメーションを作成し、それらを同時に再生する。

（細菌画像データベース）
細菌画像データベースの構成について、図１、図３を参照して説明する。
図１において、細菌画像データベース１には、細菌画像１１が記憶されている。この細菌画像データベース１は、細菌画像１１と、複数項目からなる培養条件１２と、画像処理結果１３とを連携させることによって管理される。
培養条件１２は、温度、湿度、酸素濃度、収集位置、ｐＨ、換気量、光量などからなり、細菌画像は、培養条件の異なるものごとに、時刻情報を付与することなどによって、時間経過に関連付けて記憶されている。

画像処理結果１３は、細菌画像ごとの結果を持つものである。ここでいう画像処理は、例えば、２値化、エッジ検出、ラベリングなどの処理をいう。これらの画像処理によって、大きさ、縦長さ、横長さ、面積、球体数、線数などの結果が得られる。
図１においては、「Ｉｍａｇｅ１」という細菌画像１１について、培養条件として「時刻」、「温度」、「湿度」及び「酸素濃度」という項目が対応付けられて細菌画像データベースに記憶されている。また、同じく「Ｉｍａｇｅ１」という画像について、画像処理結果として「大きさ」、「縦長さ」、「横長さ」、「面積」、「球体数」及び「線数」という項目が対応付けられて細菌画像データベース１に記憶されている。他の細菌画像についても同様に、各項目が対応付けられている。

培養条件が指定されると、検索部２が、細菌画像データベース１に記憶されている内容について検索する。この検索処理を行うことにより、指定された培養条件に合致する画像が抽出される。なお、検索部２は、例えば検索プログラムを記憶するメモリと、その検索プログラムによって検索処理を行うＣＰＵなどによって構成することができる。
以上のように抽出された画像は、指定培養条件画像データベース（ＤＢ）３１、３２、３３…として一旦記憶される。このようにして作成された各指定培養条件画像データベース１に記憶されている画像について、アニメーションを作成することにより、細菌の観察が容易になる。

以上の処理は、図３に示されているように行われる。同図には、画像データベース１に記憶されている細菌画像Ｉｍａｇｅ１、Ｉｍａｇｅ２、Ｉｍａｇｅ３…と、それに対応付けられている培養条件とについての例が示されている。画像データベース１に記憶されている細菌画像について、湿度及び酸素濃度が同一環境の画像を抽出する場合に、それらの条件を指定して検索すると、時刻「ＴＭ１」〜「ＴＭ４」、温度「ＴＥ１」〜「ＴＥ４」、湿度「Ｈ１」、酸素濃度「Ｏ１」の画像が抽出される。
この抽出結果３について、時刻「ＴＭ１」、「ＴＭ２」、「ＴＭ３」、「ＴＭ４」の各細菌画像に基づいて、アニメーション「アニメＴＥ１」〜「アニメＴＥ４」を作成する。

（指定培養条件画像データベース）
指定培養条件画像データベースについて、図４を参照して説明する。
図４において、指定培養条件画像データベースは、細菌画像データベース１と同じく、細菌画像１１と、培養条件１２と、画像処理結果１３とから構成され、指定された検索条件で抽出されたデータベースである。本例では、画像処理結果１３は、コロニー数１３１、コロニー大きさ１３２、コロニー中心位置１３３からなる。時間の経過とともにコロニーの数は増え、コロニーの大きさは大きくなり、コロニーの中心位置は大きさの情報により多少変化したりする。

細菌画像１１と、培養条件１２と、画像処理結果１３とを利用することにより、アニメーションを作成することができる。この場合、シャーレ全体の画像である全体細菌画像１１０と共に、コロニーの大きさ、縦長さ、横長さ、線数、球体数、がグラフィック表示される。
また、コロニー数１３１、コロニー大きさ１３２、コロニー中心位置１３３を利用することにより、特定のコロニーに着目した拡大アニメーションを作成することができる。この場合も同様に、拡大細菌画像１１１と共に、コロニーの大きさ、縦長さ、横長さ、線数、球体数、がグラフィック表示される。

（コロニー中心位置の検出）
コロニー中心位置１３３の検出は、例えば、以下のような処理によって行う。すなわち、画像中のコロニーの図形を構成する小領域ごとの２値画像について、各画素位置と総画素数（つまり面積）とによって、重心（つまりコロニーの中心位置）を求めることができる。その場合、小領域ごとの２値画像データをＸ軸、Ｙ軸にそれぞれ投影して、平均値を算出することにより、重心を求めることができる。
例えば、図５に示されているコロニーＣの２値画像データをＸ軸、Ｙ軸にそれぞれ投影すると、投影図形データＹＣ、ＸＣが得られる。これら投影図形データＹＣ、ＸＣそれぞれについて、平均値を算出する。すると、同図中に一点鎖線で示されている平均値同士の交点が重心Ｇになる。

（局所画像作成処理）
コロニーを拡大表示するための局所画像を作成する場合には、画像中のコロニーの大きさを算出し、小領域を決定する必要がある。アニメーションとして再生される画像群の時間的に最後の画像についての画像処理結果を参照すれば、コロニーの大きさが判る。このコロニーの大きさ、及び、コロニーの中心位置に基づき、拡大表示すなわち局所画像とする領域の大きさを決定する。

局所画像とした場合の画像の大きさを算出する処理の一例について、図６を参照して説明する。
同図に示されているように、最初に、画像を取込む（ステップＳ１０１）。次に、取り込んだ画像について平滑化を行う（ステップＳ１０２）。さらに、平滑化した画像について、鮮鋭化を行う（ステップＳ１０３）。鮮鋭化した画像について、２値化処理を行う（ステップＳ１０４）。

２値化処理された画像に含まれているコロニーの図形について、後述するようにラベリングを行う（ステップＳ１０５）。ラベリングが行われたコロニーの図形について、大きさ、縦長さ、横長さ、面積、中心位置を求める処理を行う（ステップＳ１０６）。その後、ラベルごとにコロニーの図形を構成する小領域を決定する（ステップＳ１０７）。なお、ステップＳ１０６及びＳ１０７は、画像に含まれているコロニーの図形全てについて、ラベル順に処理される（ステップＳ１０８）。コロニーの図形全てについて上記の処理が終了した場合、小領域についての局所画像が細菌画像データベース１に記憶される（ステップＳ１０９）。
以上の局所画像作成処理は、図６に対応する処理を行うためのプログラムをメモリなどに記憶しておき、それをＣＰＵが実行することなどによって行われる。

（ラベリング）
ラベリングとは、２値画像の連結領域に番号（つまりラベル）を順に付与する処理である。このラベリングは、例えば図７に示されているように行う。最初に、同図（ａ）に示されているような画像を、２値化処理する。これにより同図（ｂ）に示されているような２値化画像が得られる。
同図（ｂ）のように２値化処理された画像について、画像内の図形について面積の多い順にラベリングした状態が同図（ｃ）に示されている。同図（ｃ）では、面積の最も大きい右下の図形に「１」、右上の図形に「２」、左上の図形に「３」、左下の図形に「４」が付与される。

また、別の手法として、同図（ｂ）のように２値化処理された画像について、画像の表示開始点から順に走査し、その走査順にラベルを付与しても良い。この場合、同図（ｄ）に示されているように、左上の図形に「１」、右上の図形に「２」、左下の図形に「３」、右下の図形に「４」が付与される。
その他、どのような手法でラベリングしても良い。このラベリングにより、同一２値画像上のデータを、連結領域単位で独立して扱うことができる。そして、付与されたラベルの順番で、中心位置、縦横の長さから局所画像とする領域を決定する。

（補間処理）
スムーズなアニメーションを作成するには、補間処理が必要になる。この補間処理について、図８〜図１０を参照して説明する。
図８は、実際に採取された画像から補間画像を作成する処理の一例を示す概略図である。同図においては、採取された採取画像は実線で、その画像を元に作成した補間画像は破線で、それぞれ示されている。そして、同図中の矢印で示されているように、補間画像は、前後の採取画像に基づいて作成される。
例えば、図９に示されているように、採取画像Ｉ１及び採取画像Ｉ２を元に、矢印で示されているように前後の画像から予測されることにより、補間画像Ｂが作成される。

ここで、補間方法の一例として、採取した前後の画像から補間画像が位置する時刻の時間比などで予測する方法が知られている。この予測方法には、コロニーの成長方向に線形的に予測したり、非線形的に予測したりする方法がある。例えば、線形に予測する場合、例えば図１０（ａ）に示されているように、コロニーが徐々に連続的に大きくなるように補間画像Ｂ１〜Ｂ３が作成される。これに対し、非線形に予測する場合、例えば図１０（ｂ）に示されているように、コロニーがある程度の大きさになった後で急激に大きくなるように補間画像Ｂ１〜Ｂ３が作成される。

以上は周知のＭＰＥＧ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔｓ Ｇｒｏｕｐ）技術において用いられている補間処理である。この他、種々の予測方法を用いることができる。補間することでスムーズなアニメーションを作成できればどのような予測方法を利用しても良い。このように、本システムでは、採取画像間の時間を細分化して補間し、補間した画像を順次表示し、アニメーションを作成する。

（表示例）
以上の処理により、コロニーがどこに位置し、局所画像とした場合の画像サイズがどの程度かを算出し、コロニーの数に応じて、シャーレ全体画像に合わせて、局所画像を抽出して表示することができる。例えば図１１に示されているように表示することができる。図１１においては、温度ＴＥ１、ＴＥ２における全体細菌画像１１０ａ、１１０ｂが表示されている。さらに、温度ＴＥ１における全体細菌画像１１０ａ中の位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃ、それぞれについての拡大細菌画像１１１Ａａ、１１１Ｂａ、１１１Ｃａが表示されている。また、温度ＴＥ２における全体細菌画像１１０ｂ中の位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃ、それぞれについての拡大細菌画像１１１Ａｂ、１１１Ｂｂ、１１１Ｃｂが表示されている。なお、以上の全体細菌画像１１０ａ、１１０ｂ、拡大細菌画像１１１Ａａ、１１１Ｂａ、１１１Ｃａ、１１１Ａｂ、１１１Ｂｂ、１１１Ｃｂそれぞれに対応して、コロニーの大きさ、縦長さ、横長さ、線数、球体数、がグラフィック表示されている。
これらの表示内容を観ることで、細菌の培養状態を観察することができる。

（まとめ）
以上説明した細菌培養過程のアニメーション作成システムは、次の（１）〜（３）のような特長がある。
（１）複数項目からなる培養条件のある一部を指定して、細菌画像データベースを検索して、条件に合う画像を抽出して細菌画像アニメーションを作成することにより、培養条件の異なる細菌の成長過程が容易に比較可能となる。
（２）画像処理結果のコロニーの数、コロニーの大きさ、コロニーの中心位置の情報を利用して、時間経過で変化するコロニーの数、コロニーの大きさ、コロニーの中心位置から小領域画像の数と大きさを決定してシャーレ全体の画像に合わせてコロニーの数に対応した小領域画像のコロニー成長過程をアニメーションとして比較可能とすることにより、全体画像では見えないコロニーを局所画像の拡大表示で確認することができ、ごく小さいコロニーの成長過程が容易に比較可能となる。
（３）採取画像間の時間間隔を細分化して補間することによりスムーズなアニメーションが作成可能となり、より見やすい環境が構築できる。

本発明は細菌の培養過程を、アニメーションとして観る場合に利用できる。

本発明の実施形態による細菌培養過程アニメーション作成システムの概要構成図である。 本発明の実施形態による細菌培養過程アニメーション作成システムの処理の概要を示す図である。 細菌画像データベースに記憶されている画像に基づいてアニメーションを作成する際の概要図である。 指定培養条件画像データベースに記憶されている画像に基づいてアニメーションを作成する際の概要図である。 コロニー中心位置の検出処理の概要を示す図である。 局所画像とした場合の画像の大きさを算出する処理の一例を示す図である。 ラベリング処理の例を示す図である。 実際に採取された画像から補間画像を作成する処理の一例を示す概略図である。 前後の画像から予測されることにより、補間画像が作成される様子を示す図である。 コロニーの予測方法の例を示す図である。 画面表示例を示す図である。

符号の説明

１ 細菌画像データベース
２ 検索部
１１ 細菌画像
１２ 培養条件
１３ 画像処理結果
３１〜３３ 指定培養条件画像データベース
１１０ 全体細菌画像
１１１ 拡大細菌画像

Claims (3)

1. 細菌の培養過程を撮影した画像である細菌画像、前記細菌画像に対応した複数項目からなる培養条件、前記細菌画像に対応した画像処理結果を含む細菌画像データベースと、
   前記複数項目からなる培養条件の少なくとも１項目が指定されたことに応答して、前記細菌画像データベースを検索して、条件に合う画像を抽出する画像抽出手段と、
   前記画像抽出手段により抽出した細菌画像と該細菌画像に対応する画像処理結果とに基づいて時間経過に合わせたアニメーションを作成するアニメーション作成手段と
   を含み、異なる条件下のコロニー成長過程をアニメーションとして比較できるようにしたことを特徴とする細菌培養過程アニメーション作成システム。
2. 前記細菌画像に含まれているコロニーの大きさ及び該コロニーの中心位置の情報に基づいて決定した小領域を決定する小領域決定手段を更に含み、決定された小領域の画像に基づいて、各コロニーを拡大した場合のコロニー成長過程についてのアニメーションを作成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の細菌培養過程アニメーション作成システム。
3. 前記細菌画像は離散的な時刻に対応する画像であり、それら画像間の時間間隔を細分化し、細分化した時間の画像を前後の画像から補間する補間手段を更に含むことを特徴とする請求項１又は２記載の細菌培養過程アニメーション作成システム。

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