一种基于智能手机的便携式菌落自动计数方法

摘要

本发明公开了一种基于智能手机的便携式菌落自动计数装置及方法。照明及控制电路板置于高度调整板上方，光源漫射板位于照明及控制电路板上方，培养皿限位板置于光源漫射板上方，培养皿限位板上设有支架外壳；培养皿限位板设有贯穿通孔，细菌培养皿置在贯穿通孔中并且置于光源漫射板上，支架外壳设有智能手机放置位并放置智能手机，智能手机放置位设有手机相机放置孔，摄像头置于手机相机放置孔；通过照明及控制电路板为细菌培养皿提供背光照明使得细菌培养液稳定，摄像头拍照采集图像，以特定算法图像处理获得计数结果。本发明实现了生化样品检测中常用的菌落计数操作，以较低的成本实现较高准确率和完全的自动化，方便实验室内以及野外现场使用。

权利要求

1.一种基于智能手机的便携式菌落自动计数方法，其特征在于：方法采用以下装置，装置包括高度调整板(1)、照明及控制电路板(2)、光源漫射板(4)和培养皿限位板(5)，照明及控制电路板(2)置于高度调整板(1)上方，光源漫射板(4)位于照明及控制电路板(2)上方并通过连接铜柱(3)与照明及控制电路板(2)的四角固定连接，培养皿限位板(5)置于光源漫射板(4)上方，培养皿限位板(5)上设有支架外壳；培养皿限位板(5)设有作为细菌培养皿放置位(51)的贯穿通孔，贯穿通孔的圆心和培养皿限位板(5)几何中心重合，细菌培养皿(6)放置在细菌培养皿放置位(51)中并且底部置于光源漫射板(4)上，支架外壳顶面设有智能手机放置位(8)，智能手机放置位(8)中放置带有摄像头的智能手机，智能手机放置位(8)设有手机相机放置孔(7)，智能手机带有的摄像头对应置于手机相机放置孔(7)，手机相机放置孔(7)位于细菌培养皿放置位(51)的贯穿通孔圆心的正上方；

方法包括以下过程：

(1)所述智能手机上安装有自动计数装置的操控app，所述操控app通过无线通讯方式，向所述照明及控制电路板(2)中的通讯模块(24)发送照明控制信号，通讯模块(24)将接收到的照明控制信号传送至主控模块(23)，主控模块(23)按照照明控制信号控制照明模块(22)开启不同的照明模式，为放置就位的所述细菌培养皿(6)提供背光照明；

(2)照明后使得细菌培养皿(6)内的细菌培养液稳定，主控模块(23)再通过所述通讯模块向所述操控app发送采集控制信号，所述操控app在接收到所述采集控制信号后，控制所述智能手机的摄像头拍照，采集到所述细菌培养皿(6)的图像；

(3)然后所述操控app中通过特定算法对采集到的所述细菌培养皿(6)的图像进行滤噪、分割、计数，计算获得计数结果；

所述步骤(3)具体过程为：

(3.1)感兴趣区域获取

先将原始图片转化为灰度图，接着进行中值和高斯滤波处理，再使用霍夫圆变换检测出细菌培养皿外壁所在的区域范围；

最后利用检测出的区域范围分割原始图片，获得仅具有完整细菌培养液和细菌培养皿壁厚的图片；

(3.2)阈值分割

在步骤(3.1)所得的图片中遍历像素点，将与背光颜色相同的像素点全部转换为白色，然后将图片灰度化，使用最大类间方差法进行阈值分割得到二值图，将完整细菌培养液的区域分为有菌落生长和没有菌落生长的区域，以没有菌落生长的区域作为背景置为白色，以有菌落生长的区域作为目标置为黑色；

(3.3)菌落数目校正

使用霍夫圆变换检测出细菌培养皿壁厚所在的区域范围并删除；

(3.4)菌落初步计数

对步骤(3.3)所得图片进行开运算，再使用漫水填充法填充孔洞，然后在填充后的图片中使用种子填充法遍历像素点，获取所有连通域，记录连通域的总数目；

(3.5)利用菌落的预设面积值删除面积小于预设面积值的连通域；

(3.6)接着计算每一个连通域的外接最小凸包，并计算连通域占自身对应外接最小凸包的面积比例，当面积比例大于预设比例阈值时，认为该连通域只有一个菌落，否则认为该连通域是有多个菌落粘连；

(3.7)对有多个菌落粘连的连通域经处理获得多菌落的总数，记为Y；

统计只有一个菌落的连通域的数目作为单菌落的总数，记为X；

最终计算获得菌落总数目S＝X+Y；

所述步骤(3.7)中，对有多个菌落粘连的连通域经处理获得多菌落数目，具体为先分别使用以下三种方法处理获得Y1、Y2和Y3，a、将背景的连通域膨胀一次并记录膨胀后目标的连通域数目，重复步骤进行膨胀和记录直到目标的连通域面积变为0，整个过程中出现过目标的连通域数目的最大值记为Y1；

b、使用分水岭分割法针对每个目标的连通域进行分割，分割后每个目标的连通域内分割结果的数目记为Y2；

c、先计算并绘出目标的连通域的最小外接矩形，再针对最小外接矩形的每一列，列方向沿最小外接矩形的宽所在方向，计算目标连通域的每一像素点沿最小外接矩形的宽所在方向距离背景的欧氏距离并取最大值，然后沿着最小外接矩形的长所在方向、以一个像素为步进长度遍历最小外接矩形的各个列，绘出各列最大欧氏距离的变化曲线，记录变化曲线上的凹谷数目，凹谷数目加一记为Y3；

最后采用以下公式计算获得多菌落的总数：

Y＝aY1+bY2+cY3

其中，a,b,c分别为第一、第二、第三系数。

说明书

一种基于智能手机的便携式菌落自动计数方法

技术领域

[0001] 本发明涉及生化样品检测仪器领域，尤其是涉及了一种基于智能手机的便携式菌落自动计数方法。

背景技术

[0002] 菌落检测是农业、食品、医药卫生、检疫检验等行业进行质量检测的重要方法之一，其中，对菌落的数量确定则是其中的一项基本的日常工作。当前对于菌落数量的确定，国标检测法，也就是普通营养琼脂倾注平皿法对菌落进行接种并计数仍然是可信度最高的所谓金标法。在完成菌落培养后，需要对培养皿上的菌落进行计数。传统的计数都是通过人工实现，不仅对于实验员本人要求较高，即使是对于有经验的实验员，仍然不可避免的产生较大的人为误差，尤其是对于高密度的培养皿。其次，随着实验室的发展，计数的工作量也越来越大，会占用实验员过多的时间精力，影响实验进展。

[0003] 随着计算机图像处理技术的快速发展，结合工业相机与计算机，使用机器视觉的方法对菌落进行自动化的计数的研究越来越多，国内外相关企业也大力投入研发，不少成熟仪器也已经推向市场。比如美国Spiral Biotech公司，德国Schuett公司，国内的杭州迅数科技，上海勤翔，都相继推出了自己的产品，也在国内外不少实验室中有了应用。然而这些商业化的菌落自动计数仪都是针对实验室应用设计，体积庞大，价格也较高，不适用于现场以及资源匮乏地区使用。

[0004] 综上，现有菌落计数装置自动化程度低人工劳动强度大，而商业化产品虽然可以实现较高的自动化程度，然而往往价格昂贵且体积庞大，难以大范围的推广应用，另一方面也很难适应于野外现场检测使用。

发明内容

[0005] 本发明的目的，在于针对现有技术的不足，提供了一种基于智能手机的便携式菌落自动计数装置及方法，以机器视觉方法为基础，以智能手机作为检测平台进行菌落自动计数，以较低的成本实现高准确率的菌落自动计数，同时也减轻实验室的开销负担，方便现场检测使用。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案主要包含：

[0007] 一、一种基于智能手机的便携式菌落自动计数装置：

[0008] 装置包括高度调整板、照明及控制电路板、光源漫射板和培养皿限位板，照明及控制电路板置于高度调整板上方，光源漫射板位于照明及控制电路板上方并通过连接铜柱螺栓与照明及控制电路板的四角固定连接，培养皿限位板置于光源漫射板上方，培养皿限位板上设有支架外壳；

[0009] 培养皿限位板设有作为细菌培养皿放置位的贯穿通孔，贯穿通孔的圆心和培养皿限位板几何中心重合，细菌培养皿贯穿地放置在细菌培养皿放置位中并且底部置于光源漫射板上，

[0010] 支架外壳顶面设有智能手机放置位，智能手机放置位中放置带有摄像头的智能手机，智能手机放置位设有手机相机放置孔，智能手机带有的摄像头对应置于手机相机放置孔，手机相机放置孔位于细菌培养皿放置位的贯穿通孔圆心的正上方。

[0011] 所述照明及控制电路板上设有电源模块、照明模块、主控模块和通讯模块；所述电源模块与所述照明模块、所述主控模块、所述通讯模块电气连接，所述主控模块与所述照明模块和所述通讯模块分别通过电气连接，所述通讯模块与所述智能手机通过无线方式连接；所述照明模块置于照明及控制电路板顶面中间。

[0012] 所述细菌培养皿内置有细菌培养液的待检对象。

[0013] 所述智能手机还包括蓝牙、Wi-Fi等无线通讯功能，所述智能手机通过无线通讯方式，向所述通讯模块发送控制信号，所述通讯模块将接收到的照明控制信号传送至所述主控模块，所述主控模块按照照明控制信号控制所述照明模块开启照明，为放置就位的所述细菌培养皿提供背光照明；照明后使得细菌培养皿内的细菌培养液稳定，所述主控模块再通过所述通讯模块向所述智能手机发送采集控制信号，所述智能手机在接收到所述采集控制信号后，控制所述智能手机上的摄像头拍照，采集所述细菌培养皿的图像。

[0014] 所述操控app之后采用灰度化、霍夫变换等一系列特定算法对所采集到的所述细菌培养皿的图像进行滤噪、分割、计数的步骤进行处理，计算获得计数结果，并显示在所述智能手机屏幕上。

[0015] 所述照明与控制电路的照明模块主要由若干颗均匀排布可变颜色的LED组成，工作时发出的光线透过所述光源漫射板形成均匀平行背光，为所述细菌培养皿提供照明；在所述主控模块的控制下，所述照明模块根据所述细菌培养皿中细菌不同的形状、颜色等变换不同发光强度和发光颜色，发光颜色在红、绿、蓝、白四种之间切换。

[0016] 所述照明模块中可变色的LED内部由红、蓝、绿三基色LED组成，所述主控模块通过输出不同占空比的PWM信号分别控制所述红、绿、蓝三基色LED的发光强度最后混合使所述照明模块产生不同的发光颜色；确定发光颜色后，所述主控模块输出等比例变化的PWM信号控制红、绿、蓝三基色LED的发光强度，改变所述照明模块输出的发光强度。

[0017] 所述高度调整板厚度固定，可根据所述细菌培养皿尺寸大小以及所述智能手机所带相机的焦距长短选择不同厚度，确保完整的所述细菌培养皿的图像可以被所述智能手机的相机采集，同时保证所采集的图像中所述细菌培养皿可以占据较大面积。

[0018] 所述培养皿限位板内的细菌培养皿放置位尺寸固定，可根据不同型号的培养皿选择不同尺寸，保证所述细菌培养皿可以在放置于细菌培养皿放置位后保持不动，且所放置的圆心位置基本与所述细菌培养皿放置位的圆心基本重合。

[0019] 所述支架外壳外有一层遮光材料覆盖，用于减少环境光照条件变化对所述智能手机所采集到的图像质量的影响。

[0020] 所述支架外壳一面可打开，用于取出、放入以及调整所述高度调整板、所述照明及控制电路板与所述光源漫射板、所述培养皿限位板、所述细菌培养皿的位置。

[0021] 所述支架外壳的顶部有一个内凹工位，作为所述的手机放置位，同时，所述手机放置位其中设有一个贯穿小孔，即为手机相机放置孔，用于放置所述智能手机的摄像头。

[0022] 二、一种基于智能手机的便携式菌落自动计数方法，包括以下过程：

[0023] (1)所述智能手机上安装有所述自动计数装置的操控app，所述操控app通过无线通讯方式，向所述照明及控制电路板中的通讯模块发送控制信号，通讯模块将接收到的照明控制信号传送至主控模块，主控模块按照照明控制信号控制照明模块开启不同的照明模式，为放置就位的所述细菌培养皿提供背光照明；

[0024] (2)照明后使得细菌培养皿内的细菌培养液稳定，主控模块再通过所述通讯模块向所述操控app发送采集控制信号，所述操控app在接收到所述采集控制信号后，控制所述智能手机的摄像头拍照，采集到所述细菌培养皿的图像；

[0025] (3)然后所述操控app中通过特定算法对采集到的所述细菌培养皿的图像进行滤噪、分割、计数的步骤进行处理，计算获得计数结果。

[0026] 所述步骤(3)具体过程为：

[0027] (3.1)感兴趣区域获取

[0028] 先将原始图片转化为灰度图，接着进行中值和高斯滤波处理以滤除干扰噪声，再使用霍夫圆变换检测出细菌培养皿外壁所在的区域范围，具体是以所用细菌培养皿的外壁尺寸作为限定在原始图片中通过拟合同样大小的圆作为细菌培养皿外壁所在圆；

[0029] 最后利用检测出的区域范围分割原始图片，获得仅具有完整细菌培养液和细菌培养皿壁厚的图片；

[0030] (3.2)阈值分割

[0031] 在步骤(3.1)所得的图片中遍历像素点，将与背光颜色相同的像素点全部转换为白色，然后将图片灰度化，使用最大类间方差法进行阈值分割得到二值图，将完整细菌培养液的区域分为有菌落生长和没有菌落生长的区域，以没有菌落生长的区域作为背景置为白色，以有菌落生长的区域作为目标置为黑色；

[0032] (3.3)菌落数目校正

[0033] 对于与细菌培养皿壁相连被判断为与细菌培养皿壁属于同一个连通域的菌落，单独对该连通域进行处理。使用霍夫圆变换检测出细菌培养皿壁厚所在的区域范围并删除，具体是以所用细菌培养皿的内壁尺寸作为限定在图片中通过拟合同样大小的圆作为细菌培养皿内壁所在圆；

[0034] (3.4)菌落初步计数

[0035] 对步骤(3.3)所得图片进行多次开运算，再使用漫水填充法填充孔洞，然后在填充后的图片中使用种子填充法遍历像素点，获取所有连通域，记录各个连通域包含的所有像素点的坐标，同时记录连通域的总数目；

[0036] 孔洞是指所得各连通域内部的非连通域部分，也就是有菌落生长的目标黑色区域内部的被包围的白色背景部分。

[0037] (3.5)计算每一个连通域的像素面积，利用菌落的预设面积值删除面积小于预设面积值的连通域；

[0038] (3.6)接着计算每一个连通域的外接最小凸包，并计算连通域占自身对应外接最小凸包的面积比例，当面积比例大于预预设比例阈值时，认为该连通域只有一个菌落，否则认为该连通域是有多个菌落粘连；

[0039] (3.7)对有多个菌落粘连的连通域经特殊处理获得多菌落的总数，记为Y；统计只有一个菌落的连通域的数目作为单菌落的总数，记为X；最终计算获得菌落总数目S＝X+Y。

[0040] 所述步骤(3.7)中，对有多个菌落粘连的连通域经特殊处理获得多菌落数目，具体为先分别使用以下三种方法处理获得Y1、Y2和Y3：

[0041] a、采用膨胀寻最大值法，将背景的连通域膨胀一次并记录膨胀后目标的连通域数目，重复步骤进行膨胀和记录直到目标的连通域面积变为0，记录整个过程中出现过目标的连通域数目的最大值记为Y1；

[0042] b、使用分水岭分割法针对每个目标的连通域进行，记录分割后每个目标的连通域内分割结果的数目记为Y2；

[0043] c、采用距离转换法，先计算并绘出目标的连通域的最小外接矩形，再针对最小外接矩形的每一列，列方向沿最小外接矩形的宽所在方向，计算目标连通域的每一像素点沿最小外接矩形的宽所在方向距离背景的欧氏距离并取最大值，然后沿着最小外接矩形的长所在方向、以一个像素为步进长度遍历最小外接矩形的各个列，绘出各列最大欧氏距离的变化曲线，记录变化曲线上的凹谷数目，凹谷数目加一记为Y3；

[0044] 最后采用以下公式计算获得多菌落的总数：

[0045] Y＝aY1+bY2+cY3

[0046] 其中，a,b,c分别为第一、第二、第三系数，a,b,c均为预设常数。

[0047] 本发明具有的有益效果是：

[0048] 1、本发明实现了生化检疫中菌落计数的自动化。使用常见的智能手机作为检测平台用于与使用者进行交互，操作简单直观，在降低了人工劳动强度的同时提高了计数的准确率。

[0049] 2、本发明使用智能手机自带的相机作为图像采集装置，使用智能手机上自主开发的app作为控制程序处理采集到的图像，实现了在手机端直接完成从图像采集到图像处理到得出结果的整个过程，整个检测过程迅速快捷，同时大大降低了仪器成本。

[0050] 3、本发明使用可变色的LED作为照明光源，功耗较低且寿命较长。同时光源强度和光源颜色可变，可以根据待检细菌的形状、颜色调整改变，提高了计数结果的准确率。

[0051] 4、本发明外壳由遮光材料覆盖，保证了细菌培养皿图像采集条件的可控性，大大减少了自然光的干扰，减少了算法的复杂度，提高了准确率。

[0052] 5、本发明结构简单，体积较小，有很高的便携性，适用于野外现场使用。

附图说明

[0053] 图1是本发明的侧视示意图。

[0054] 图2是本发明的俯视示意图。

[0055] 图3是本发明中的照明及控制电路板原理图。

[0056] 图4是本发明中的培养皿限位板俯视图。

[0057] 图5是本发明的手机相机视野调整方法示意图。

[0058] 图6是本发明的检测流程图。

[0059] 图中：高度调整板1，照明及控制电路板2，连接铜柱3，光源漫射板4，培养皿限位板5，细菌培养皿6，手机相机放置孔7，智能手机放置位8，电源模块21，照明模块22，主控模块
23，通讯模块24，细菌培养皿放置位51。

具体实施方式

[0060] 下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

[0061] 如图1和图2所示，本发明包括高度调整板1、照明及控制电路板2、连接铜柱3、光源漫射板4和培养皿限位板5，在顶部带有内凹区块的手机相机放置孔7与手机放置位8的外壳。表面水平的高度调整板1平放于整台装置的底座上，与底座没有固定连接。照明及控制电路板2通过连接铜柱3与光源漫射板4固定连接，整体平放于高度调整板1上方且光源漫射板4在照明及控制电路板2的上方。培养皿限位板5放置于光源漫射板4上方，细菌培养皿6放入培养皿限位板5中央的贯穿圆孔内。整个装置的外壳顶部有一个内凹的手机放置位8用于放置检测时需要用到的检测平台智能手机，而手机放置位8内的贯穿圆孔手机相机放置孔7则是放置手机所带的摄像头的位置。培养皿限位板5的贯穿圆孔、细菌培养皿6的摆放位置都尽量与手机相机放置孔7保证竖直方向上同心。

[0062] 如图3所示，照明及控制电路板2由电源模块21、照明模块22、主控模块23和通讯模块24组成。电源模块21与照明模块22、主控模块23和通讯模块24电气连接，主控模块23与照明模块22和通讯模块24连接，通讯模块24与所使用的智能手机通过无线通讯的方式连接。照明模块22由若干颗均匀排列的可变色LED组成，每颗LED内部有红、绿、蓝三基色LED组成。
根据PWM控制信号的不同，红、绿、蓝三基色LED分别发出不同光强度的光，经过混合，最终发出不同颜色不同强度的光。主控模块23作为照明及控制电路板2的控制核心，驱动通讯模块
24与智能手机通过无线方式通讯，接收手机控制端控制信号，驱动照明模块22点亮或关闭以及发出所需颜色及光强的照明光；同时通过通讯模块24向手机控制端发送反馈信息。实际使用中，通讯模块24可采用蓝牙、Wi-Fi模块，主控模块23可使用STM32系列单片机，但不限于此。

[0063] 如图4所示，培养皿限位板5是一块中央有一个贯穿圆孔即细菌培养皿放置位51的矩形板，且表面使用黑色遮光材料覆盖。针对常见的60mm直径、90mm直径和150mm直径的圆形细菌培养皿6，可使用细菌培养皿放置位51直径为65mm、95mm和155mm的培养皿限位板5，保证整个细菌培养皿6可以放入细菌培养皿放置位51内，使细菌培养皿6都可以被照明模块22照亮，同时剩余的活动空间不大，避免细菌培养皿6因为摆放位置不佳无法被手机相机采集到完整图像。

[0064] 如图5所示，具体实施中，高度调整板1用于针对不同尺寸的细菌培养皿6以及不同焦距的手机相机，通过调整细菌培养皿6与手机相机之间的距离，保证完整的细菌培养皿6的图像可以被手机相机采集，同时保证所采集的图像中细菌培养皿6可以占据较大面积。

[0065] 以手机相机中广泛使用的焦距为28mm，即视角为76°的镜头，采集所得照片长宽比为常见的4:3为例，并约定细菌培养皿6主体图像距离照片边缘10mm。对于150mm直径的细菌培养皿，如图5(a)俯视图所示，矩形ABCD为手机相机最终采集到的长宽比为4:3的图像范围，而矩形ABCD外部同时经过ABCD四点的圆为手机相机镜头理论上可以采集到的图像范围，矩形ABCD内部的圆则为150mm直径的细菌培养皿俯视图。根据约定的细菌培养皿6主体图像距离照片边缘10mm以及矩形ABCD长宽比为4:3，易得OC长为(150/2+10)/3*4，也就是141.67mm。图5(b)为正视图，COA为细菌培养皿所在平面，P点为手机相机所在位置。

[0066] 根据几何关系，易得PO的长度也就是手机相机与150mm细菌培养皿的距离应当为141.67mm/tan 38°，也就是181.32mm。因此当使用150mm直径的细菌培养皿做检测时，需要使用高度调整板1将细菌培养皿6与手机相机之间的距离调整为181.32mm。使用类似方法，可计算得到当换用其他尺寸细菌培养皿6时所需使用的高度调整板1的厚度。

[0067] 图5(c)～(d)为使用90mm直径细菌培养皿时采用的细菌培养皿6与手机相机之间的距离，为117.33mm。

[0068] 图5(e)～(f)为使用直径60mm细菌培养皿时采用的细菌培养皿6与手机相机之间的距离，为85.33mm。

[0069] 如图6所示，本发明的具体实施工作过程如下：

[0070] 1、根据所使用的细菌培养皿的规格和所用手机相机的焦距，选择合适厚度的高度调整板1，以及合适尺寸的培养皿限位板5。

[0071] 2、打开计数装置侧门，从下到上依次放入高度调整板1、已经使用连接铜柱3固定连接的照明与控制电路2和光源漫射板4、培养皿限位板5，把待计数的细菌培养皿6放入培养皿限位板5中的细菌培养皿放置位51，并尽量保证细菌培养皿6与细菌培养皿放置位51的圆心重合放置，关上侧门。将智能手机放到手机放置位8并将手机所带的摄像头放入手机相机放置孔7中，打开手机上已安装好的操控app，同时打开该自动计数装置的电源。

[0072] 3、实验员操作手机上的操控app，通过蓝牙等无线通讯方式向照明及控制电路板2发送控制信号，主控模块23根据接收到的控制信号，控制照明模块22发出相应颜色和强度的照明光，稳定1分钟后，主控模块23通过通讯模块24向手机发送检测就绪信号；

[0073] 4、智能手机接收到就绪信号后，操控app打开手机相机，实验员调整光圈、快门时间、感光度和对焦距离等相关照相参数，操控app驱动手机相机拍照，采集细菌培养皿6的图像，存入手机内存以待后续处理。

[0074] 5、得到细菌培养皿6的图像后，操控app依次执行感兴趣区域获取、阈值分割、菌落初步计数和菌落数目校正等步骤，自动计算目标区域中的菌落数量，记录显示保存最后的计数结果。

[0075] 6、打开计数装置侧门，换用下个培养皿，或者结束检测。

[0076] 上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改版，都落入本发明的保护范围。