菌落计数器图像分析系统的设计与实现

菌落计数器图像分析系统的设计与实现鄢

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渊员特种光纤与光接入网重点实验室袁特种光纤与先进通信国际合作联合实验室袁

上海先进通信与数据科学研究院袁上海大学袁上海圆园园源源源曰圆上海健康医学院医疗器械学院袁上海圆园员猿员愿冤

摘要院对菌落进行计数分析是食品尧药品尧医疗卫生尧保健等众多行业中评价其是否符合安全尧卫生要求和预测保藏期的一项重要依据袁菌落总数指标反应了产品质量的优劣遥设计并实现了菌落计数器图像分析系统袁此系统可以比较准确地对菌落进行计数和分割袁并对菌斑形态尧周长尧面积等数据进行分析和记录袁提高工作效率袁减少人工主观意识对计数带来的干扰和误差遥

关键词院图像采集袁菌落计数袁边缘提取袁轮廓分析袁粘连分割

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刘书朋员杜翠芬员陈麒麟员陈志强员李太豪圆陈娜员陈振宜员菌落指标反映的是食品卫生安全状况袁对菌落数量的计数和分析也是食品质量分析和安全卫生检验的一个重要部分咱员暂遥根据菌落的形态学特征来辨认尧鉴定菌种以及衡量菌种的纯度遥从数量上来看袁通过数学计算估计样品中的细菌含量袁了解样品中细菌的繁殖动态袁菌落总数作为判断被检测产品中细菌含量和被污染程度的特征数据咱圆暂遥

对于菌落的计数和分析袁早期采用的是人工计数的方法袁计数不方便遥后来出现了成本低廉的菌落计数器袁优点是计数笔点击菌落计数袁计数结果用蕴耘阅屏幕显示袁解决了人脑对数字和菌落位置的双重记忆混淆问题袁同时利用菌落计数器上面的放大器进行放大观察袁便于看到人眼有时会忽略的细节遥

目前袁在国内市场上已经有一些全自动菌落分析仪器袁多为国外进口袁价格相对昂贵遥为在中小型企业尧学校实验室以及科研机构使用袁本文尝试开发一款自动菌落计数器袁减少人工的干预和劳动遥

员菌落图像采集

对自来水中的细菌进行培养扩增袁用于菌斑的培养袁培养出来的菌落如图员所示遥

所采集的图像以允孕耘郧格式保存在设定的路径中袁可以存储数据以供后续调用和处理遥圆菌落计数器分析系统

本文设计的系统是由图像输入系统尧图像处理软件系统尧数据储存系统猿个部分组成遥其中袁图像输入系统有工业悦悦阅相机尧调焦镜头尧光源系统以及配套电路设施组成咱猿暂曰图像处理软件系统是对输入的图像进行数字图像处理的桌面程序软件曰数据储存系统是计算机主机系统袁实现了对处理后的一系列数据的存储和显示遥系统通过图像输入设备对培养好的菌落进行数字化图像采集袁通过悦韵酝口数据通信传输到计算机袁软件系统将输入的数字图像进行处理袁得出结果袁将得出的数据存储在计算机中袁具体功能示意图如图圆所示遥

图圆系统功能示意图

图员实验室培养的菌落

本文在宰蚤灶云燥则皂的运行界面中使用哉杂月工业相机以及三可变镜头和照明系统直接对菌落培养皿显示和采集图像袁将工业相机采集图像的过程直接加入到菌落计数和分析系统软件中袁不仅可以提高工作效率袁而且还可以提高系统的独立性与实用性遥这里借助宰蚤灶云燥则皂和耘皂早怎悦灾视觉处理库来编写程序袁

圆援员硬件部分

系统的硬件主要为图像采集系统袁主要由悦悦阅工业相机尧三可变调焦镜头尧照明系统尧箱体和其他电路组成遥如图猿袁悦悦阅工业相机尧三可变调焦镜头都通过哉杂月接口与电脑主机连接袁进行数据传输遥圆援圆软件部分

圆援圆援员软件开发流程

本文系统的开发平台为宰蚤灶凿燥憎泽员园曰利用灾杂圆园员缘编程软件进行编程袁用悦裕语言完成宰蚤灶枣燥则皂界面程序的开发袁在编程过程中还用到了酝粤栽蕴粤月咱源原缘暂软件做算法的测试遥

菌落计数分析系统软件的开发流程主要分为四个部分袁包

鄢国家自然科学基金渊远员源苑缘园怨缘袁远员缘苑缘员圆园冤和上海大学特种光纤与光接入网重点实验室开放项目渊杂运蕴杂云韵圆园员苑原园圆冤资助

叶工业控制计算机曳圆园员愿年第猿员卷第员园期图猿菌落计数器硬件部分组成

括图像采集输入尧图像处理尧菌落计数和分析尧结果输出与数据保存袁其基本流程如图源所示遥

图源软件开发基本流程图

员冤图像采集输入院基于耘皂早怎悦灾编写与工业相机尧三可变镜头和照明系统的数据通信和参数控制程序袁实现对照明系统的开关尧对镜头的光圈尧变焦焦距尧对焦焦距的控制袁与工业镜头进行数据通信袁实时采集图像作为菌落计数和分析的输入图像曰或者从计算机中选择历史图像作为输入图像遥

圆冤图像处理院将采集的彩色图像转化为愿位灰度图像遥对图像进行去噪尧平滑尧锐化尧滤波等预处理袁通过数组图像处理去除背景和培养皿背景袁系统采用预先采集没有培养皿时的照片袁然后与采集的有菌落的图像进行相减处理袁可以去掉大部分的背景袁保留菌落图像和小部分的培养皿信息袁便于后续处理袁然后根据形态学方法去除培养皿边缘和无用信息袁得到菌落的二值图像曰然后对菌落进行轮廓提取咱远暂落的边缘信息遥

袁通过一系列图像处理得到菌猿冤菌落计数和分析院对得到的边缘信息和对应的菌落的面积尧周长尧形态尧灰度信息等进行分析袁对粘连菌落咱苑暂通过距离变换和极限腐蚀发进行处理分析和分割袁分割出单独的菌落袁然后对菌落进行计数和形态学分析遥

源冤结果输出与数据保存院对得出的结果输出到程序界面上进行显示袁同时将结果在计算机上进行保存并生成结果报告遥圆援圆援圆软件功能介绍

本菌落计数系统软件的用户界面设计可以分为缘大个部分袁分别为图像来源尧图像调整尧菌落计数尧结果修改尧报告生成遥另外还有其他添加功能袁本用户程序主界面如图缘所示袁每个部分功能如图缘所示遥

员冤图像来源院其功能是选择输入图片袁包含野打开图片冶渊将本地图片作为输入图像冤和野打开相机冶渊将工业相机作为输入源冤两个选项袁在野打开相机冶按钮执行后会显示新的三个按钮袁

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图缘系统程序运行界面

分别为野图像捕获冶尧野关闭相机冶和野镜头控制冶袁第三个按钮是可对镜头的光圈大小尧变焦焦距尧对焦焦距进行调整以及照明系统的操作遥

野灰度圆冤冶尧野图像对调比整度院冶尧野其功能是亮对图像的灰度和区域进行调整袁包含野图像猿冤菌落计数院其功能是度冶和野对区菌域选择落图像冶遥

进行一键计数袁按钮为源处冤结理果冶遥

修改院其功能是对计数结果进行修改袁包含野添加计数冶和野重置计数冶两个选项遥

缘冤报告生成院其功能是生成一个孕阅云格式的报告袁按钮在完成计数结果后显示遥

除了上述所述功能外袁还在用户界面上添加有登录界面尧计数结果显示区域尧单个菌落观察区域以及选项设置修改界面遥猿菌落计数和分析猿援员轮廓提取

在图像计数和分析中袁所应用的方法是对菌落的边缘进行提取袁对于图像来说袁图像的轮廓就是图像最外一周边缘袁本系统菌落轮廓寻找的方法和步骤如下院

员冤对图像进行腐蚀操作袁腐蚀尺寸为员袁也就是消除菌落图像最外层的袁将其灰度由员变为园曰

圆冤对两幅图像进行按位异或穴赞雪操作袁其意义是如果参加异或运算的两个对象不同袁则为真袁否则为假袁则二值图像原图与步骤员冤所得图片只有被腐蚀部分的像素值不一样袁故而轮廓为真袁其余为假袁得到轮廓袁过程图像如图远所示遥

图远轮廓寻找

得到轮廓图像之后袁将图像的每个轮廓中的点用一个点数组记录下来袁将所有的轮廓存入一个数组中袁就得到了所有菌落的轮廓遥

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猿援圆粘连分割

本系统粘连分割方法采用基于距离变换的极限腐蚀方法袁如果菌落有粘连袁在粘连部位长度会比其他部位短袁在腐蚀过程中袁粘连部位会将比其他未粘连部位分离的早袁具体方法和步骤如下院淤从菌落中提取出单个轮廓袁在空白图像中画出二值图像曰于对图像进行腐蚀袁找出腐蚀后的轮廓及其数目员曰盂若步骤于中轮廓数量大于员袁则进行第榆步袁否则袁返回第淤步曰榆对每个轮廓重新进行记录袁并将每个轮廓作为输入袁执行步骤淤曰虞对第淤步输入图像和结果进行数学分析袁根据形态学方法计算出粘连部位遥猿援猿菌落分析

图像处理后将所有的识别出来的菌落的中心部分标注出来袁程序还添加了对修改计数结果的功能袁在图像上可以添加程序未识别的菌落和删除错误的计数遥

菌落计数器图像分析系统的设计与实现

菌落分析是对菌落的形态学特征进行分析袁包括其面积尧周长遥在设备条件下袁对于菌落的分析主要是以菌落的数量尧周长和面积为主遥菌落的周长计算方法为其轮廓的像素点数袁根据真实培养皿的大小和图像中培养皿大小的比例计算出菌落周长遥菌落的面积计算方法为其轮廓以及被轮廓包围区域的像素点数的和袁根据真实培养皿的大小和图像中培养皿大小的比例计算出菌落面积遥猿援源报告生成

在对菌落分析完毕之后袁可以选择是否生成报告袁报告内容包括院淤菌落图片的拍摄日期曰于菌落总数曰盂菌落中每一个菌落的周长和面积信息曰榆菌落的平均周长和平均面积遥

程序生成的报告是以孕阅云格式存储在计算机中袁方便对菌落数据的读取的打印遥图苑为菌斑的信息提取袁包括菌斑面积尧最小外界矩形及其面积袁最小外接圆及其面积等细节信息渊数据见图冤袁通过这些信息对菌斑进行分析得出结果遥

参考文献

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咱猿暂谢志鹏袁陈锻生援用灾悦设计数码相机尧扫描仪的图像采集程序咱允暂援微咱源暂贾鹏袁李永奎袁赵萍援基于酝葬贼造葬遭图像处理的谷物颗粒计数方法的研咱缘暂余成波援数字图像处理及酝粤栽蕴粤月实现咱酝暂援重庆院重庆大学出版社袁咱远暂林雯援一种基于悦葬灶灶赠算子的多重边缘检测算法咱允暂援北华大学学报咱苑暂刘相滨袁邹北骥袁孙家广援一种改进的基于边界跟踪的粘连目标分离

算法咱允暂援湖南师范大学自然科学学报袁圆园园远袁圆怨渊圆冤院圆愿原猿员

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图苑

菌斑数据

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究咱允暂援农机化研究袁圆园园怨渊员冤院员缘圆原员缘猿机发展袁圆园园圆袁猿院猿猿苑原猿源园

渊上接第员园员页冤

程度弱于中值法遥随着模板的增加袁图像部分区域变得越来越模糊袁图像的轮廓保留的效果强于邻域平均法遥

三种传统去噪方法处理图像后得到的酝杂耘和孕杂晕砸值如表员耀表猿所示遥

表猿

三种经典去噪方法处理结果的酝杂耘值

时袁应该根据噪声的类型选择适合的滤波方法袁以便达到更好的滤波效果遥在卷烟工厂烟包分拣装置中采用典型的去噪算法还是改进的去噪算法去除干扰信号袁要结合工厂环境实际来决定遥

参考文献

咱员暂王斌援数字图像中典型去噪算法的分析比较咱允暂援智慧工厂袁圆园员缘渊员园冤院咱圆暂孙海英援图像高斯噪声及椒盐噪声去噪算法研究咱阅暂援上海院复旦大

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源结束语

对于含有椒盐噪音的图像而言袁中值滤波去除干扰的能力要强于其它两种遥领域平均法和中值滤波的效果跟模板大小呈反比关系袁模板增加袁滤波效果越弱曰维纳滤波的效果跟模板大小呈正比关系袁模板增加袁过滤干扰的能力就变强曰对有高斯噪声的图像而言袁三种滤波效果没有明显区别袁模板大小与滤波效果呈反比关系袁模板增加袁滤波效果减弱遥因此在使用传统滤波方法去噪

咱猿暂张德丰袁等援酝粤栽蕴粤月数字图像处理咱酝暂援北京院机械工业出版社袁咱源暂孙延奎援小波变换与图像尧图形处理技术咱酝暂援北京院清华大学出版社袁咱缘暂陈健袁郑绍华袁余轮袁等援基于方向的多阈值自适应中值滤波改进算法咱远暂梁晓萍袁罗晓曙援基于遗传自适应的维纳滤波图像去模糊算法咱允暂援广

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