無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置及方法，封閉盒內(nèi)的底部安裝有傳感器模組，傳感器模組的成像平面的上方設置有載玻片，藻類樣本夾在蓋玻片和載玻片之間，且與成像平面平行；微孔元件置于封閉盒頂部中心，且位于蓋玻片的正上方；光源位于微孔元件的上方，與微孔元件的微孔緊鄰，其光路方向與蓋玻片垂直，并從蓋玻片的上方垂直入射。載玻片下方的傳感器模組記錄衍射光照射藻類樣本后的衍射成像，并輸出圖像。將輸出圖像通過數(shù)據(jù)線導入計算機，通過計算機程序運算實現(xiàn)水藻的顯示，識別，自動標記和計數(shù)。節(jié)省了大量的人力和時間。制作簡單、成本低廉、易于操作、無需透鏡、可實現(xiàn)小型化。
【專利說明】無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置及方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種自動檢測計數(shù)技術，具體涉及無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置和方法。
【背景技術】
[0003]由于環(huán)境變化及人為活動的影響，我國的湖泊富營養(yǎng)化仍在加劇。多數(shù)湖泊、塘堰已經(jīng)處于富營養(yǎng)化，大江大河的富營養(yǎng)化現(xiàn)象也日益凸顯，影響到國計民生。為應對這一情況，對水中藻類進行實時監(jiān)測，可以實現(xiàn)對水體富營養(yǎng)狀況的實時掌握。實現(xiàn)監(jiān)測對當前的藻類檢測技術提出了新的挑戰(zhàn)，對簡單低成本便攜的藻類檢測工具具有巨大需求。
[0004]常用的藻類計數(shù)方法中，顯微鏡計數(shù)法計數(shù)精確，成本相對較低。但是要從顯微鏡觀察細胞計數(shù)器中的藻類并人工計數(shù)，對工作人員要求高，耗時長。另外，這種方法必須在光學顯微鏡下進行。
[0005]此外，還有流式細胞儀法和光度法等可以對藻類自動計數(shù)。但是，對樣液有一定要求，并且需要樣液勻速通過微流管。這就需要另外的技術和設備的支持。即使能夠將這些都集中在一個集成化設 備中，卻還要面對耗時長、儀器精密不易維護和便攜性等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的第一個技術問題是:提供一種無透鏡衍射成像藻類自動檢測計數(shù)的裝置，其具有無透鏡的簡單結構，且視野廣，可實現(xiàn)小型化。
[0007]本發(fā)明所要解決的第二個技術問題是:提供一種無透鏡衍射成像藻類自動檢測計數(shù)的方法，該方法易于操作，且觀察細胞的視野廣，能夠快速自動檢測藻類樣本。
[0008]為了解決上述第一個技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案，無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，包括光源、蓋玻片、載玻片、傳感器模組、微孔元件以及封閉盒，封閉盒內(nèi)的底部安裝有傳感器模組，傳感器模組的成像平面的上方設置有載玻片，藻類樣本夾在蓋玻片和載玻片之間，且與成像平面平行；微孔元件置于封閉盒頂部中心，且位于蓋玻片的正上方；光源位于微孔元件的上方，與微孔元件的微孔緊鄰，其光路方向與蓋玻片垂直，并從蓋玻片的上方垂直入射。
[0009]所述微孔元件嵌入封閉盒的頂部中心，其微孔直徑為30~100微米，該微孔元件位于所述蓋玻片的正上方5~20厘米。
[0010]所述傳感器模組為CXD傳感器或CMOS傳感器，均包括感光面和控制電路，其感光面尺寸為1/5~1/3英寸，傳感器模組位于載玻片下方，兩者間距離小于200微米。
[0011]所述載玻片和蓋玻片的厚度為100~200微米。
[0012]所述光源為LED光源，顏色為白色或白色偏藍色。
[0013]所述樣本為直徑為微米及以上的淡水藻類。[0014]一種無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)方法，其步驟為:
1)將藻類樣本置于載玻片與蓋玻片之間，壓好，然后放在傳感器模組的感光面正上方，接著合上封閉盒；
2)開啟光源，使光源發(fā)出的光透過微孔元件的微孔衍射，并垂直入射到蓋玻片上，位于載玻片下方的傳感器模組記錄衍射光照射藻類樣本后的衍射成像，并輸出圖像；
3)將輸出圖像通過數(shù)據(jù)線導入計算機，通過計算機程序實現(xiàn)圖像顯示，藻類識別，自動完成標記計數(shù)以及藻類樣本的估計。
[0015]所述計算機程序原理步驟如下:首先實現(xiàn)輸出圖像的讀取顯示，將圖像轉化為灰度圖像，進行行列分割，對每個分割區(qū)域內(nèi)求灰度平均值，以平均值為區(qū)域內(nèi)所有像素的灰度值，如此組成平均值模板，然后原灰度圖以一定比例減去平均值模板以實現(xiàn)背景均勻，t匕例值通過自適應算法計算；消除背景影響后，對圖像進行灰度變換，增強對比度，接著根據(jù)圖像特征進行連通域分割，被分割的連通域包含藻類細胞和雜質等，以指定顏色對其邊界進行標記，并計算各連通域的種類和個數(shù)。
[0016]所述比例值是根據(jù)圖像的一維熵H，并按計算公式(1-Η*Κ +σ )計算，其中K>0為熵系數(shù)，0 >0為調(diào)整因子。
[0017]所述連通域其分類通過計算圖像中單個連通域占據(jù)的像素個數(shù)實現(xiàn)。
[0018]與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明提供一種無透鏡的基于衍射成像的大視野的藻類檢測技術方案，其記錄每個藻細胞在光電傳感器陣列(即指CXD或CMOS感光器)上的衍射圖像。這種無透鏡的光學方法數(shù)倍(一般為2倍)地增加了傳統(tǒng)光學顯微鏡的視野，可以實時檢測大視域內(nèi)的眾多藻類。實現(xiàn)了新的顯微技術，不再需要精密復雜的透鏡模組。圖像處理算法能夠顯示輸出圖像，并快速對圖像中的藻類進行識別，自動完成標記計數(shù)以及樣本估計，節(jié)省了大量的人力和時間。制作簡單、成本低廉、易于操作，其無需透鏡，可實現(xiàn)小型化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是發(fā)明裝置的結構示意圖；
圖中:1.光源，2.蓋玻片,3.藻類樣本，4.載玻片,5.傳感器模組,6.微孔兀件,7.封閉盒。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，參見圖1，無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，包括光源1、蓋玻片2、載玻片4、傳感器模組5、微孔元件6以及封閉盒7，封閉盒7內(nèi)的底部安裝有傳感器模組5，傳感器模組5的成像平面的上方設置有載玻片4，藻類樣本3夾在蓋玻片2和載玻片4之間，且與成像平面平行；微孔元件6置于封閉盒7頂部中心，且位于蓋玻片2的正上方；光源I位于微孔兀件6的上方,與微孔兀件6的微孔緊鄰，其光路方向與蓋玻片2垂直，并從蓋玻片2的上方垂直入射。
[0021]所述微孔元件6嵌入封閉盒7的頂部中心，其微孔直徑為30?100微米，該微孔元件6位于所述蓋玻片2的正上方5?20厘米。
[0022]所述傳感器模組5為CXD傳感器或CMOS傳感器，均包括感光面和控制電路，其感光面尺寸為1/5?1/3英寸，傳感器模組5位于載玻片4下方，兩者間距離小于200微米。[0023]所述載玻片4和蓋玻片2的厚度為100~200微米。
[0024]所述光源I為LED光源，顏色為白色或白色偏藍色。
[0025]所述樣本為直徑為2微米及以上的淡水藻類。
[0026]一種無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)方法，其步驟為:
1)將藻類樣本3置于載玻片4與蓋玻片2之間,壓好后,放在傳感器模組5的感光面正上方，并合上封閉盒7;
2)開啟光源1，使光源I發(fā)出的光透過微孔元件6的微孔衍射，并垂直入射到蓋玻片2上，位于載玻片4下方的傳感器模組5記錄衍射光照射藻類樣本3后的衍射成像，并輸出圖像；
3)將輸出圖像通過數(shù)據(jù)線導入計算機，通過計算機程序實現(xiàn)圖像顯示，藻類識別，自動完成標記計數(shù)以及藻類樣本3的估計。
[0027]所述計算機程序原理步驟如下:首先實現(xiàn)輸出圖像的讀取顯示，將圖像轉化為灰度圖像，進行行列分割，對每個分割區(qū)域內(nèi)求灰度平均值，以平均值為區(qū)域內(nèi)所有像素的灰度值，如此組成平均值模板，然后原灰度圖以一定比例減去平均值模板以實現(xiàn)背景均勻，t匕例值通過自適應算法計算；消除背景影響后，對圖像進行灰度變換，增強對比度，接著根據(jù)圖像特征進行連通域分割 ，被分割的連通域包含藻類細胞和雜質等，以指定顏色對其邊界進行標記，并計算各連通域的種類和個數(shù)。
[0028]所述比例值是根據(jù)圖像的一維熵H，并按計算公式(1-Η*Κ +σ )計算，其中K>0為熵系數(shù)，0 >0為調(diào)整因子。
[0029]所述連通域其分類通過計算圖像中單個連通域占據(jù)的像素個數(shù)實現(xiàn)。
[0030]本發(fā)明提出一種無透鏡衍射成像藻類檢測計數(shù)的裝置，包括用于放置樣本的載玻片4、置于載玻片4之上的蓋玻片2和封閉盒7，在所述載玻片4的下方設有CXD或CMOS傳感器模組，在所述蓋玻片2上方設有微孔元件6，微孔元件6上設置有光源1，上述組件安裝在封閉盒7內(nèi)。光源I和微孔兀件6位于蓋玻片2的正上方,光源I發(fā)出的光透過微孔兀件6的微孔能夠垂直入射在蓋玻片2上。CCD或CMOS傳感器模組包括感光面和控制電路，感光面的尺寸為1/4英寸，像素為130萬。CXD或CMOS傳感器模組的感光面與載玻片4平行設置且與載玻片4的距離不大于200微米。載玻片4和蓋玻片2的厚度為100-200微米。光源I為LED光源，其顏色為白色或者白色偏藍色。藻類樣本3為直徑為2微米以及以上的淡水藻類。載玻片4形狀為方形。
[0031]本發(fā)明的無透鏡衍射成像藻類檢測計數(shù)的方法，包括:將藻類樣本置于載玻片與蓋玻片之間，壓好，然后將玻片放在所述傳感器模組的感光面正上方，接著合上封閉盒。開啟光源，使光源發(fā)出的光透過微孔衍射，并垂直入射到蓋玻片上，位于載玻片下方的CCD或CMOS傳感器模組記錄衍射光照射藻類樣本后的衍射成像，并輸出圖像。將輸出圖像通過數(shù)據(jù)線導入計算機，通過專用程序運算實現(xiàn)水藻的識別和自動標記計數(shù)。
[0032]實施例:該無透鏡衍射成像藻類檢測計數(shù)裝置，包括光源1、蓋玻片2、載玻片4、傳感器模組5、微孔元件6以及封閉盒7。藻類樣本3夾在上層玻片2和下層玻片4之間，下層玻片4置于傳感器模組5的成像平面的上方，與成像平面平行，微孔元件6置于封閉盒7頂面中心，位于蓋玻片2的正上方。光源I位于微孔兀件6的上方，與微孔緊鄰，光路方向與蓋玻片2垂直，從蓋玻片2的上方垂直入射，封閉盒7將上述元件包含，且底面連接傳感器模組5，可拆卸。
[0033]載玻片4與傳感器模組5的成像平面的距離保持200微米或者小于200微米。蓋玻片2與載玻片4的厚度為100-150微米。光源I采用常用的LED光源，顏色為白色。藻類樣本的直徑在2微米或以上。藻類被放置在兩個玻片(載玻片和蓋玻片)之間。
[0034]傳感器模組5采用CXD傳感器或COMS傳感器的成像陣列記錄衍射光通過樣本后的衍射圖像。打開計算機，將輸出圖像讀入計算機處理系統(tǒng)，運行專用程序，顯示圖像，對水藻進行種類識別，然后進行自動標記和計數(shù)，最后根據(jù)估計模型，計算水體藻類含量等數(shù)據(jù)。
[0035]本發(fā)明裝置不需要透鏡即可對大視域的大量藻類進行檢測計數(shù)，其采用光電傳感器陣列記錄成像平面上的藻類衍射成像，能檢測較大視野，大于傳統(tǒng)光學顯微鏡視野的2倍。而且，其不需要任何機械掃描和光學元件、如顯微鏡目鏡或鏡頭。該裝置可以在線檢測計數(shù)大視域內(nèi)的藻類，為水體藻類狀況監(jiān)測提供依據(jù)。
[0036]CXD或CMOS傳感器模組采集形成的信息輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(附帶藻類圖像分析處理計數(shù)的計算機程序)分析處理，最后得到樣本結果輸出。計算機程序原理步驟如下:首先實現(xiàn)輸出圖像的讀取顯示，將圖像轉化為灰度圖像，進行行列分割，對每個分割區(qū)域內(nèi)求灰度平均值，以平均值為區(qū)域內(nèi)所有像素的灰度值，如此組成平均值模板，然后原灰度圖以一定比例減去平均值模板以實現(xiàn)背景均勻，比例值通過自適應算法計算；消除背景影響后，對圖像進行灰度變換，增強對比度，接著根據(jù)圖像特征進行連通域分割，被分割的連通域包含藻類細胞和雜質等，以指定顏色對其邊界進行標記，并計算各連通域的種類和個數(shù)。
[0037]比例值是根據(jù)圖像的一維熵H，并按計算公式(1-Η*Κ +σ )計算，其中K>0為熵系數(shù)，σ>0為調(diào)整因子。連通域的分類通過計算圖像中單個連通域占據(jù)的像素個數(shù)實現(xiàn)。
[0038]成像陣列獲取的圖像在計算機上通過模式識別與圖像處理算法實現(xiàn)分析進而得到當前樣本的統(tǒng)計信息。
[0039]與常用的藻類計數(shù)裝置比較，本發(fā)明中的衍射成像裝置通過控制樣本與C⑶或CMOS傳感器模組的距離，利用樣本對光的衍射直接成像，不需要通過透鏡組，大大減少了檢查裝置的體積和復雜程度，具有小型化、便攜式、低成本的特點。
[0040]本發(fā)明中的計算機程序實現(xiàn)了對輸出圖像的顯示，藻類識別、自動標記計數(shù)和樣本估計。既可以實時觀察樣本內(nèi)藻類的狀態(tài)，也可以直接對圖像進行自動化處理，降低了對工作人員專業(yè)水平的依賴，也降低了時間和人力成本，為水體藻類實時監(jiān)測提供了有力的幫助。
【權利要求】
1.無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，包括光源、蓋玻片、載玻片、傳感器模組、微孔元件以及封閉盒，其特征在于，封閉盒內(nèi)的底部安裝有傳感器模組，傳感器模組的成像平面的上方設置有載玻片，藻類樣本夾在蓋玻片和載玻片之間，且與成像平面平行；微孔元件置于封閉盒頂部中心，且位于蓋玻片的正上方；光源位于微孔元件的上方，與微孔元件的微孔緊鄰，其光路方向與蓋玻片垂直，并從蓋玻片的上方垂直入射。
2.根據(jù)權利要求1所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，其特征在于，所述微孔元件嵌入封閉盒的頂部中心，其微孔直徑為30?100微米，該微孔元件位于蓋玻片的正上方5?20厘米。
3.根據(jù)權利要求1所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，其特征在于，所述傳感器模組為CCD傳感器或CMOS傳感器，均包括感光面和控制電路，其感光面尺寸為1/5?1/3英寸，傳感器模組位于載玻片下方，兩者間距離小于200微米。
4.根據(jù)權利要求1所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，其特征在于，所述載玻片和蓋玻片的厚度為100?200微米。
5.根據(jù)權利要求1所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，其特征在于，所述光源為LED光源,顏色為白色或白色偏藍色。
6.根據(jù)權利要求1所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)裝置，其特征在于，所述樣本為直徑為微米及以上的淡水藻類。
7.—種如權利要求1至6任何一項所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)方法，其步驟為: 1)將藻類樣本置于載玻片與蓋玻片之間，壓好，然后放在傳感器模組的感光面正上方，接著合上封閉盒； 2)開啟光源，使光源發(fā)出的光透過微孔元件的微孔衍射，并垂直入射到蓋玻片上，位于載玻片下方的傳感器模組記錄衍射光照射藻類樣本后的衍射成像，并輸出圖像； 3)將輸出圖像通過數(shù)據(jù)線導入計算機，通過計算機程序實現(xiàn)圖像顯示，藻類識別，自動完成標記計數(shù)以及藻類樣本的估計。
8.根據(jù)權利要求7所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)方法，其特征在于:所述計算機程序原理步驟如下:首先實現(xiàn)輸出圖像的讀取顯示，將圖像轉化為灰度圖像，進行行列分割，對每個分割區(qū)域內(nèi)求灰度平均值，以平均值為區(qū)域內(nèi)所有像素的灰度值，如此組成平均值模板；然后原灰度圖以一定比例值減去平均值模板以實現(xiàn)背景均勻，消除背景影響后，對圖像進行灰度變換，增強對比度；接著根據(jù)圖像特征進行連通域分割，被分割的連通域包含藻類細胞和雜質，以指定顏色對其邊界進行標記，并計算各連通域的種類和個數(shù)。
9.根據(jù)權利要求8所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)方法，其特征在于:所述比例值是根據(jù)圖像的一維熵H，并按計算公式(1-Η*Κ +σ )計算，其中K>0為熵系數(shù)，σ>0為調(diào)整因子。
10.根據(jù)權利要求8所述無透鏡衍射成像的藻類自動檢測計數(shù)方法，其特征在于:所述連通域其分類通過計算圖像中單個連通域占據(jù)的像素個數(shù)實現(xiàn)。
【文檔編號】G06M11/02GK103984979SQ201410248302
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權日:2014年6月6日
【發(fā)明者】陳震, 孔丁丁, 孫開瓊, 張聰炫 申請人:南昌航空大學