粉尘体显微成像与粒度测试系统.docx
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粉尘体显微成像与粒度测试系统
2010年“丁颖杯”大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品
作品名称:
粉尘体显微成像与粒度测试系统
参赛学生:
张浥鹏陈倩敏康倩雯何庚裕
华南农业大学理学院
摘要
粉尘体的颗粒度在材料、环保、医药、食品等领域是一个重要的物质参数,粉尘体的粒度与粉尘体的物理、化学性质密切相关。
因此对粉尘体的颗粒度进行测量受到人们的关注。
目前有多种方法可以进行粉尘体颗粒度测量。
图像分析是测量粉尘体颗粒度分布的有效方法,该方法直观、准确性好和精确度高。
计算颗粒粒度的方法是先计算颗粒的面积,然后转换为等面积的等效圆半径。
由于高倍的光学显微镜价格比较高,本作品根据光学显微镜原理,自行组装光学显微系统,对粉尘体物质的微小颗粒进行放大成像;采用CCD传感器进行图像采集,通过基于MATLAB平台设计的程序进行图像处理、识别、统计分析得出测试样品中各个粒度的数目和百分比。
本系统可以测量的粒度是4~1000μm。
本作品的分析软件具有通用性,可以独立出来,用于对从高倍光学显微镜或电子显微镜采集的颗粒图像进行分析。
关键词:
光学测量显微系统颗粒分布图象分析
1.测量物理原理
普通的光学显微镜是根据凸透镜的成像原理,要经过凸透镜的两次成像。
第一次先经过物镜(本实验用焦距为50mm的凸透镜)成像,这时候的物体应该在物镜的一倍焦距和两倍焦距之间,根据物理学的原理,成的应该是放大的倒立的实像。
而后以第一次成的物像作为“物体”,经过目镜(本实验用焦距为29mm的凸透镜)的第二次成像。
由于我们观察的时候是在目镜的另外一侧,根据光学原理,第二次成像应该是一个虚像,这样像和物才在同一侧。
因此第一次成的像应该在目镜的一倍焦距以内,这样经过第二次成像,第二次成的像是一个放大的正立的虚像。
如果相对实物说的话,应该是倒立的放大的虚像。
光路图如图1所示:
图1
2系统构成
测试系统如图2所示:
图2
系统构成分为两个部分:
硬件系统和软件系统。
2.1硬件系统
硬件系统包括:
焦距为50mm的物镜,焦距为29mm的目镜,溴钨灯,CCD摄像机,两个偏振片和分析用的电脑。
如图3所示:
图5
图6
图4
图3
图8
图7
(1)光学显微镜:
由物镜和目镜构成,用来实现物象两级放大功能,使微小物体放大到人眼足以观察的尺寸(如图4)。
(2)溴钨灯:
作为光源(如图5)。
(3)光强调节器:
由两个偏振片组成,用来控制透光强度(如图6)。
(4)CCD摄像机:
对放大后的图像进行拍摄,并储存在电
脑当中。
(如图7)。
(5)空气颗粒样品:
用于测试的面粉样本(如图8)。
2.2软件系统
软件系统是基于Matlab平台编制的程序,程序界面如图9所示:
图9
该系统具有打开图片,显示原图,更改目标区域,转化为灰度图,显示灰度分布图,更改灰度阈值,二值化,填充,伪彩色显示,显示中心和像素,显示半径数据,显示半径分布,累加数值的功能,具体将在实验过程部分进行展示说明。
3.实验
3.1测量过程概述
本实验先准备好测试样品,用简易的光学显微系统来放大显示载玻片上的局部分布情况,利用CCD相机采集颗粒图象,再用matlab编制的软件对样品图象分析、颗粒识别和统计,最后获得不同粒度的颗粒数目和百分比。
该系统可分析的颗粒半径范围从4~1000μm。
3.2光路调节
先参照光学显微镜的光路图摆放各器件,利用激光器调等高同轴,将物镜和目镜的距离定为34cm,把微尺放置在物镜的一倍焦距和两倍焦距之间,慢慢移动微尺,使得在目镜处能看到清晰的像,并拍下微尺的像为图片定标时使用。
把微尺换成样品,稍微挪动一下样品位置,使其在显微镜中呈现清晰的像,并进行拍摄,更换不同的样品再重复拍照,得到样品图像,贮存在电脑中,留到下一步作为分析处理软件的原材料,再利用matlab制作的分析处理软件把样品图像中粒子的面积转换成等效圆面积,由此算出粒子的等效半径,并统计粒子按半径大小的分布。
3.3微尺定标
图10
因为经过CCD摄像机拍摄的图像与面粉颗粒实际大小不相同,要通过样品图像测得样品颗粒实际大小,就要通过微尺定标来实现。
计算像素代表的面积标尺如图10,图11所示:
图11
右图所示微尺中,一大格为一毫米,
经过摄像机的拍摄得到定标图(如图12):
图12
由此得到大约163个像素点的长度相当图中一大格,即一毫米的长度。
经过转换可以得到图像定标值D=1000/163≈6.135μm/pixel,即一个像素点的宽度约等于6.135微米,因此一个像素点所占
图13
的正方形面积等于6.135微米×6.135微米。
图像文件在matlab中是以矩阵形式来表示,因此面粉样品图经过程序转换成二值图后得到由0和1组成的矩阵,再利用bwlabel函数标注相连接的矩阵元素,由此分离出每个单独的
面粉粒子(数值相同的元素为一颗面粉粒子),如图13所示:
再统计相同数值的元素个数,得到的个数就为该面粉粒子所占的像素数目,再求出像素所占面积,求出等效圆半径,乘上定标值D≈6.135μm/pixel就能得到该面粉粒子的等效圆半径。
3.4面粉测试
由上述步骤得到定标值,样品图像和已经编好的程序。
为了进行初步的测试,本小组决定采用细面粉
图16
图15
图14
进行实验。
是把面粉轻轻的吹散到载玻片上,这样可以使面粉在载玻片上分布更加均匀。
面粉样品如(图14),拍照后效果图(如图15),截取256*256面积的有效图(如图16),
根据上面用到的方法得到面粉图象样品,利用分析软件进行处理,具体步骤如下:
程序人机界面图(如图17)
图17
程序主要由三部分组成:
打开图像部分、图像处理部分和数据处理部分。
打开图像部分:
主要分为打开图片,显示原图,更改目标区域。
:
打开需要处理的图片。
如图18打开了选中的图片
图18
:
把要处理的图像在新窗口显示出来,并得到鼠标所在的位置和图像在该位置
的RGB值。
如图19所示
图19
:
通过输入所要图像的x,y值(如图20,图21),程序会自动截取以刚输入的x,y值为几何中心的像素未256*256的图像。
例如以图19为原图像,x轴输入250,y轴输入190,得到图像如图22所示:
图21
图20
图像处理部分:
主要分为转化为灰度图,显示灰度分布图,更改灰度阈值,二值化,填充,伪彩色显示。
图22
图23
图24
:
把选中的图装换为灰度图
如图23把选中图转换为灰度图
:
显示粒子灰度分布曲线图,
如图24所示:
图25
:
输入灰度阈值,程序就会以该值为默认灰度阈值来作为转换灰度图的阈值标准,如图25所示:
:
把选中的图根据输入的灰度值转换为二值图,例如输入阈值192得到效果图如图26所示:
图26
:
因为部分粒子比较光滑,进行拍照的
时候图片中粒子部分灰度值会与粒子边缘有差别,
使得进行二值化的时候会出现空洞,因此需要进行填充。
例如图27右下方图:
:
为了区分每颗的粒子,进行伪彩色处理效果如图28所示:
数据处理部分:
主要分为显示中心和像素,列出半径数据,
图28
图27
列出半径分布,清除数据
图29
:
显示每个粒子的中心位置和该点像素,如图29所示:
:
列出样品图中所有粒子的半径数,并对粒子半径范围进行统计,得到不同粒子半径范围在数据显示部分显示出来。
(半径的计算方法是把样品图像中粒子的面积转换成等效圆面积,由此算出粒子的等效半径)
如图30所示
:
把样品图中不同粒度粒子的统计图用柱形图表示(如图31所示):
图30
图31
3.5其他样本测试
图32
1)本程序也能对经过高倍显微镜放大后采集的其他样品,进行统计分析,例如对细胞,细菌和病毒等进行测量,某种常见细菌样本经过本程序测量后得到图32结果
2)以红细胞作为样本,将经显微镜高倍放大得到样品图33,经过测量后得到结果如图34所示:
图33
图34
可见程序统计得到的粒子数集中在>30,可见粒子半径已经超过程序测量的精确范围。
图36
3)如果经显微镜低倍放大时得到样品图35,经过测量后得到结果如图36所示:
图35
3.6累加统计
通过上述的步骤就能把我们选中的样品图片中的粒子数和粒子半径统计出来,如果
需要进行批量处理,可以按该
按钮,此按钮会自动累加同一文件中的样品图片中的粒子数,
从而实现多幅样品图累加的作用,在显示。
4.误差分析
(1)由于取样是由载玻片采集,把立体变为平面,因此会有团聚在一起的多个颗粒难以单独识别出来,未经分散的颗粒会造成总测试颗粒数的减少。
这需要从源头上解决,在制作样品的时候使样品粒子尽量分散均匀。
(2)为了获得颗粒的真实形貌必须在照片上可以清晰的分辨它的边缘,这就要求所获得的照片具有非常高的对比度和清晰度,例如通过调节偏振片来控制照射样品的光强强度,使得得到的样品图像尽可能清晰,或者更换像素更高的CCD摄像机。
(3)由于灰度图片转换成二值化图片时灰度阈值的选择会导致误差的出现。
通过不断改变图片的灰度阈值来选择最清晰,颗粒保留最完整的二值图。
5.实验总结
粉尘体的颗粒度在材料、环保、医药、食品等领域是一个重要的物质参数,粉尘体的粒度与粉尘体的物理、化学性质密切相关。
因此对粉尘体的颗粒度进行测量受到人们的关注。
目前有多种方法可以进行粉尘体颗粒度测量。
图像分析是测量粉尘体颗粒度分布的有效方法,该方法直观、准确性好和精确度高。
计算颗粒粒度的方法是先计算颗粒的面积,然后转换为等面积的等效圆半径。
目前用于颗粒显微成像的高倍显微镜虽然放大倍数高,可以分辨到0.5μm,加上配套的图像分析软件,价格比较昂贵。
为了满足教学和科研需要,本作品开发一个粉尘体成像和粒度分析系统。
通过自行组装光学显微系统,对粉尘体物质的微小颗粒进行放大成像,采用CCD传感器进行图像采集,通过基于MATLAB平台设计的程序进行图像处理、识别、统计分析得出测试样品中各个粒度的数目和百分比。
该软件系统还可以对红细胞、细菌等生物样品的显微图像进行统计分析。
本系统可以测量的粒度是4~1000μm。
虽然本作品放大倍数只有50倍,但价格低廉,还有本系统配套的在Matlab上开发的软件可以替代商用的分析软件,可以适用任意颗粒样品图像的分析、识别和统计。
6.参考文献
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[3]毛益平,何桂春,倪文.物料粒度分析中的现代测试技术[J].金属矿山,2003(11):
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[4]陈锋,NagamineT,张艳,等.中国冬播小麦面粉颗粒度分布及近红外透射光谱测试技术研究[J].作物学报,2005,31(3):
302-307
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