圖像分析處理應(yīng)用

1、圖像分析產(chǎn)生于圖像分析產(chǎn)生于1969年，當(dāng)時(shí)年，當(dāng)時(shí),美國(guó)一家公司引進(jìn)了可以存儲(chǔ)全黑美國(guó)一家公司引進(jìn)了可以存儲(chǔ)全黑和全白圖像的圖像分析器。借助該圖像分析器將圖像以一系列點(diǎn)和全白圖像的圖像分析器。借助該圖像分析器將圖像以一系列點(diǎn)的坐標(biāo)的形式被存儲(chǔ)。幾個(gè)月之后的坐標(biāo)的形式被存儲(chǔ)。幾個(gè)月之后,又推出了二進(jìn)制式圖像分析器。又推出了二進(jìn)制式圖像分析器。這種圖像分析器將這種圖像分析器將像素二進(jìn)制化像素二進(jìn)制化,轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成64灰度級(jí)的圖像灰度級(jí)的圖像。而到而到20世紀(jì)世紀(jì)70年代初年代初,由于電腦開始被越來越多地用于控制圖像分由于電腦開始被越來越多地用于控制圖像分析的結(jié)果析的結(jié)果,圖像分析領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的

2、變化。圖像分析領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的變化。1974年年,又隨著又隨著數(shù)學(xué)形數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)態(tài)學(xué)的引入改變了圖像處理的方式。同時(shí)隨著人們逐步使用的引入改變了圖像處理的方式。同時(shí)隨著人們逐步使用軟件軟件來控制實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)收集來控制實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)收集,圖像分析技術(shù)獲得越來越廣泛地應(yīng)用圖像分析技術(shù)獲得越來越廣泛地應(yīng)用,為各領(lǐng)域的發(fā)展提供了更好的分析手段。為各領(lǐng)域的發(fā)展提供了更好的分析手段。圖像分析發(fā)展：圖像分析發(fā)展：圖像分析的基礎(chǔ)理論之一是圖像分析的基礎(chǔ)理論之一是圖像的灰度處理圖像的灰度處理。數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中以。數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中以矩形點(diǎn)陣形式存在矩形點(diǎn)陣形式存在,像素是數(shù)字圖像中的基本元素。一幅像素是數(shù)字圖

3、像中的基本元素。一幅MxN大小的圖大小的圖像中像中,每個(gè)像素由具有不同明暗程度的灰度值所標(biāo)識(shí)。若將每個(gè)像素由具有不同明暗程度的灰度值所標(biāo)識(shí)。若將白色白色的灰度的灰度值定義為值定義為L(zhǎng)max,黑色黑色灰度值定義為灰度值定義為L(zhǎng)min,由白到黑之間的灰度均勻地劃分由白到黑之間的灰度均勻地劃分為為L(zhǎng)max至至Lmin之間若干個(gè)等級(jí)。數(shù)字圖像的灰度理論是進(jìn)行圖像分析的之間若干個(gè)等級(jí)。數(shù)字圖像的灰度理論是進(jìn)行圖像分析的基礎(chǔ)。基礎(chǔ)。Glasbry圖像分析理論圖像分析理論圖像顯示圖像顯示圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)圖像分割圖像分割數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作特征信息提取特征信息提取閾值法閾值法閾值法是利用圖像的閾值法是

4、利用圖像的灰度特征灰度特征來選擇一個(gè)來選擇一個(gè)(或多個(gè)或多個(gè))最佳最佳灰度閾值灰度閾值,并將圖像中每個(gè)像素的灰度值與閾值相比較并將圖像中每個(gè)像素的灰度值與閾值相比較,最后將對(duì)應(yīng)的像素最后將對(duì)應(yīng)的像素根據(jù)比較結(jié)果分到合適的類別中根據(jù)比較結(jié)果分到合適的類別中,把屬于同一部分的像素視作同把屬于同一部分的像素視作同一個(gè)物體。一個(gè)物體。閾值法：閾值法：數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是以數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是以形態(tài)形態(tài)為基礎(chǔ)對(duì)圖像進(jìn)行分析的一種數(shù)學(xué)工具。為基礎(chǔ)對(duì)圖像進(jìn)行分析的一種數(shù)學(xué)工具。用具有一定形態(tài)的用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元去去度量和提取度量和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀特圖像中的對(duì)應(yīng)形狀特征征,從而對(duì)圖像進(jìn)行分析和識(shí)別從而對(duì)圖像

5、進(jìn)行分析和識(shí)別,以達(dá)到簡(jiǎn)化圖像、保持其基本以達(dá)到簡(jiǎn)化圖像、保持其基本的結(jié)構(gòu)形態(tài)并除去不相干結(jié)構(gòu)單元影響的目的。的結(jié)構(gòu)形態(tài)并除去不相干結(jié)構(gòu)單元影響的目的。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)：數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)：數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算：數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算：膨脹膨脹腐蝕腐蝕開啟開啟閉合閉合增加目標(biāo)邊緣的圖素增加目標(biāo)邊緣的圖素,使邊緣圖像得到延伸使邊緣圖像得到延伸去除目標(biāo)邊緣的圖素去除目標(biāo)邊緣的圖素,使邊緣部位相對(duì)較高的灰度使邊緣部位相對(duì)較高的灰度值降低值降低,從而邊緣會(huì)向灰度值高的區(qū)域內(nèi)收縮。從而邊緣會(huì)向灰度值高的區(qū)域內(nèi)收縮。長(zhǎng)期以來長(zhǎng)期以來,污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行管理通常依賴于污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行管理通常依賴于運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行參數(shù)和和水質(zhì)指標(biāo)

6、水質(zhì)指標(biāo)的的測(cè)定來判斷和控制。近年來隨著顯微鏡技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展測(cè)定來判斷和控制。近年來隨著顯微鏡技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用利用圖像分析系統(tǒng)不僅可以對(duì)系統(tǒng)的生物相構(gòu)成進(jìn)行圖像分析系統(tǒng)不僅可以對(duì)系統(tǒng)的生物相構(gòu)成進(jìn)行定性分析定性分析,同時(shí)也給出同時(shí)也給出定量的信息定量的信息以判斷污水處理系統(tǒng)的生物群落的構(gòu)成特點(diǎn)、特定種屬以以判斷污水處理系統(tǒng)的生物群落的構(gòu)成特點(diǎn)、特定種屬以及運(yùn)行狀況等。及運(yùn)行狀況等。如污泥膨脹是活性污泥法運(yùn)行管理中常見的問題如污泥膨脹是活性污泥法運(yùn)行管理中常見的問題,早期人們主要從早期人們主要從出出水水質(zhì)以及污泥性能水水質(zhì)以及污泥性能來判斷污泥膨脹發(fā)生與否來判斷污泥膨脹發(fā)生與

7、否,無法獲得伴隨運(yùn)行問無法獲得伴隨運(yùn)行問題的發(fā)生生物相變化的定量信息題的發(fā)生生物相變化的定量信息,但現(xiàn)在利用圖像分析技術(shù)對(duì)活性污但現(xiàn)在利用圖像分析技術(shù)對(duì)活性污泥絮體進(jìn)行定量分析泥絮體進(jìn)行定量分析,不僅從微觀上了解其形態(tài)學(xué)特征及群落構(gòu)成不僅從微觀上了解其形態(tài)學(xué)特征及群落構(gòu)成,也也能更好地監(jiān)測(cè)和判斷污水處理系統(tǒng)的變化規(guī)律。能更好地監(jiān)測(cè)和判斷污水處理系統(tǒng)的變化規(guī)律。圖像分析在污水處理中的研究圖像分析在污水處理中的研究Li等在等在1986年首次應(yīng)用圖像分析系統(tǒng)來定量描繪活性污泥絮體的特征年首次應(yīng)用圖像分析系統(tǒng)來定量描繪活性污泥絮體的特征,他他們對(duì)絮體的幾何學(xué)特征如最長(zhǎng)尺寸、寬度、當(dāng)量直徑、截面面積、周

8、長(zhǎng)和們對(duì)絮體的幾何學(xué)特征如最長(zhǎng)尺寸、寬度、當(dāng)量直徑、截面面積、周長(zhǎng)和圓度進(jìn)行測(cè)定。圓度進(jìn)行測(cè)定。1990年年,他們通過他們通過分析絮體截面面積分析絮體截面面積圖像來研究污泥絮體圖像來研究污泥絮體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Grijspeerdt等在等在1996年將一放大倍數(shù)為年將一放大倍數(shù)為50倍的顯微鏡與一暗視場(chǎng)照明倍的顯微鏡與一暗視場(chǎng)照明系統(tǒng)結(jié)合系統(tǒng)結(jié)合,通過圖像分析來通過圖像分析來分析絮體形狀分析絮體形狀以判斷污泥沉降性能以判斷污泥沉降性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)只能分辨出圖像中大塊的污泥絮體。隨后只能分辨出圖像中大塊的污泥絮體。隨后,通過對(duì)通過對(duì)描繪絮體形態(tài)學(xué)的參數(shù)描繪絮體形態(tài)學(xué)的參數(shù)(對(duì)絮體形狀、

9、大小、輪廓規(guī)則程度的定量描述對(duì)絮體形狀、大小、輪廓規(guī)則程度的定量描述)、三維縱橫比、圓度和三維縱橫比、圓度和分形維數(shù)分形維數(shù)的測(cè)定分析的測(cè)定分析,他們總結(jié)出這些特定的參數(shù)他們總結(jié)出這些特定的參數(shù),并發(fā)現(xiàn)污泥沉降性能并發(fā)現(xiàn)污泥沉降性能對(duì)形態(tài)學(xué)參數(shù)的變化很敏感。對(duì)形態(tài)學(xué)參數(shù)的變化很敏感。da Motta等早在等早在1999年就開發(fā)了一自動(dòng)分析程序年就開發(fā)了一自動(dòng)分析程序,利用光學(xué)顯微鏡圖像利用光學(xué)顯微鏡圖像估計(jì)絲狀菌數(shù)量、絮體大小和分形尺寸。研究發(fā)現(xiàn)活性污泥形態(tài)學(xué)參估計(jì)絲狀菌數(shù)量、絮體大小和分形尺寸。研究發(fā)現(xiàn)活性污泥形態(tài)學(xué)參數(shù)和反映污泥沉降性能的參數(shù)如懸浮固體濃度數(shù)和反映污泥沉降性能的參數(shù)如懸浮固

10、體濃度(SS)和污泥容積指數(shù)和污泥容積指數(shù)(SVI)之間有一定的相關(guān)性。之間有一定的相關(guān)性。隨后在隨后在2002年年,da Mottat 進(jìn)一步展開研究進(jìn)一步展開研究,在一中試規(guī)模污水處理系統(tǒng)在一中試規(guī)模污水處理系統(tǒng)中通過對(duì)活性污泥形態(tài)學(xué)特征的圖像分析檢測(cè)其生物量。在不同溫度中通過對(duì)活性污泥形態(tài)學(xué)特征的圖像分析檢測(cè)其生物量。在不同溫度下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)圖像中絲狀菌的形態(tài)學(xué)參數(shù)對(duì)圖像中絲狀菌的形態(tài)學(xué)參數(shù),如如細(xì)絲總長(zhǎng)度、細(xì)絲總長(zhǎng)度、細(xì)絲數(shù)目和絮體尺寸細(xì)絲數(shù)目和絮體尺寸等的探測(cè)分析得出污泥等的探測(cè)分析得出污泥容積指數(shù)和沉降速率與細(xì)容積指數(shù)和沉降速率與細(xì)絲總長(zhǎng)度和數(shù)目及絮體尺

11、寸有直接關(guān)聯(lián)性絲總長(zhǎng)度和數(shù)目及絮體尺寸有直接關(guān)聯(lián)性,這為絲狀菌引起的污泥膨脹這為絲狀菌引起的污泥膨脹現(xiàn)象提供了簡(jiǎn)便的分析方法。通過這個(gè)圖像分析進(jìn)程現(xiàn)象提供了簡(jiǎn)便的分析方法。通過這個(gè)圖像分析進(jìn)程,能更方便快捷監(jiān)能更方便快捷監(jiān)測(cè)到污水處理廠運(yùn)行中絲狀菌引起的膨脹現(xiàn)象。測(cè)到污水處理廠運(yùn)行中絲狀菌引起的膨脹現(xiàn)象。Schmid等將圖像分析與等將圖像分析與CLSM 技術(shù)相結(jié)合來分析活性污泥絮體的技術(shù)相結(jié)合來分析活性污泥絮體的3D圖像圖像。通過。通過3D共聚焦圖像定量分析活性污泥和生物膜的穩(wěn)定性與其體共聚焦圖像定量分析活性污泥和生物膜的穩(wěn)定性與其體積、不同細(xì)菌種群構(gòu)成之問的關(guān)系積、不同細(xì)菌種群構(gòu)成之問的關(guān)系

12、,并建立了關(guān)系式。研究中采用熒光并建立了關(guān)系式。研究中采用熒光素一異硫氰酸鹽將污泥絮體染色后素一異硫氰酸鹽將污泥絮體染色后,用一共焦激光掃描顯微鏡獲得用一共焦激光掃描顯微鏡獲得75個(gè)圖片堆個(gè)圖片堆(約約3000個(gè)絮體個(gè)絮體)。借助合成的。借助合成的3D圖像分析絮體的構(gòu)成圖像分析絮體的構(gòu)成,并通并通過熒光原位雜交技術(shù)定量分析活性污泥絮體的數(shù)量及結(jié)構(gòu)。過熒光原位雜交技術(shù)定量分析活性污泥絮體的數(shù)量及結(jié)構(gòu)。Jenne等研究了一個(gè)等研究了一個(gè)全自動(dòng)圖像分析系統(tǒng)全自動(dòng)圖像分析系統(tǒng),自動(dòng)估計(jì)和分析整體或單個(gè)自動(dòng)估計(jì)和分析整體或單個(gè)細(xì)絲和絮體的特性。該研究將此圖像分析系統(tǒng)作為一個(gè)細(xì)絲和絮體的特性。該研究將此圖

13、像分析系統(tǒng)作為一個(gè)監(jiān)測(cè)工具監(jiān)測(cè)工具,觀測(cè)觀測(cè)活性污泥系統(tǒng)中絲狀菌引起的污泥膨脹發(fā)生之前或之后的絮體活性污泥系統(tǒng)中絲狀菌引起的污泥膨脹發(fā)生之前或之后的絮體形狀變形狀變化及菌絲的生長(zhǎng)規(guī)律化及菌絲的生長(zhǎng)規(guī)律,并與污泥沉降性能并與污泥沉降性能(以污泥容積指數(shù)表示以污泥容積指數(shù)表示)進(jìn)行相進(jìn)行相關(guān)分析。關(guān)分析。Jenen等進(jìn)一步定量分析活性污泥性能。研究中等進(jìn)一步定量分析活性污泥性能。研究中,使用使用光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡(奧林奧林巴斯巴斯BX 51)配備配備3CCD彩色錄像機(jī)彩色錄像機(jī)(索尼公司索尼公司DXC一一950P),大量拍攝活大量拍攝活性污泥圖像。這些圖像通過性污泥圖像。這些圖像通過MATLAB

14、數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理和分對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析。通過對(duì)圖像分割、物體識(shí)別及對(duì)絮體、菌絲和污泥碎片的定量分析析。通過對(duì)圖像分割、物體識(shí)別及對(duì)絮體、菌絲和污泥碎片的定量分析和特征描述和特征描述,發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)SVI和圖像中總菌絲長(zhǎng)度間存在顯著的相關(guān)性和圖像中總菌絲長(zhǎng)度間存在顯著的相關(guān)性,并呈線性并呈線性關(guān)系。關(guān)系。該圖像分析程序能成功區(qū)分圖像中的污泥碎片該圖像分析程序能成功區(qū)分圖像中的污泥碎片,顯示出每個(gè)圖像的碎片顯示出每個(gè)圖像的碎片總面積和每個(gè)圖像碎片的數(shù)量信息總面積和每個(gè)圖像碎片的數(shù)量信息。通過對(duì)這些污泥碎片信息與出水中。通過對(duì)這些污泥碎片信息與出水中懸浮固體含量之問進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析懸

15、浮固體含量之問進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析,發(fā)現(xiàn)兩者之間有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。發(fā)現(xiàn)兩者之間有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。Cenens等提出一新的分割過程等提出一新的分割過程,用相差顯微鏡用相差顯微鏡,配備配備3CCD攝像機(jī)攝像機(jī),并與電并與電腦連接腦連接,分析檢測(cè)來自某啤酒污水處理系統(tǒng)的活性污泥圖像。本分割方法分析檢測(cè)來自某啤酒污水處理系統(tǒng)的活性污泥圖像。本分割方法試圖在圖像背景中將絮體和菌絲加以區(qū)分。這一新的閾值化方法則是將試圖在圖像背景中將絮體和菌絲加以區(qū)分。這一新的閾值化方法則是將圖像的灰度分成圖像的灰度分成3類類:背景、較暗部分和較明部分背景、較暗部分和較明部分。通過與活性污泥圖像相對(duì)應(yīng)的直方圖的多重轉(zhuǎn)換通過與活性

16、污泥圖像相對(duì)應(yīng)的直方圖的多重轉(zhuǎn)換,經(jīng)過分析得出最佳的兩經(jīng)過分析得出最佳的兩個(gè)閾值。在此閾值化的圖像下個(gè)閾值。在此閾值化的圖像下,菌絲可以清楚地顯示菌絲可以清楚地顯示,而背景中的絮體也而背景中的絮體也很少受到干擾。菌絲周圍出現(xiàn)的光暈可以通過腐蝕一膨脹操作消除其影很少受到干擾。菌絲周圍出現(xiàn)的光暈可以通過腐蝕一膨脹操作消除其影響。響。雖然新的閾值化方法對(duì)于絮體和菌絲的區(qū)分結(jié)果令人滿意雖然新的閾值化方法對(duì)于絮體和菌絲的區(qū)分結(jié)果令人滿意,但仍有一但仍有一些像素被錯(cuò)誤分類些像素被錯(cuò)誤分類。為進(jìn)一步提高區(qū)分效果。為進(jìn)一步提高區(qū)分效果,需要進(jìn)行需要進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作形態(tài)學(xué)操作。通過。通過此操作此操作,使總目標(biāo)區(qū)域中使總目標(biāo)區(qū)域中0.1%的