申请日2016.08.29
公开(公告)日2017.02.22
IPC分类号G01N21/84; G01B11/02; G01B11/24; G06T7/13; G06T7/136; G06T7/181; G06T7/90
摘要
一种基于MATLAB的活性污泥絮体分析方法，包括以下步骤：(一)采集图像：(二)图像处理：(1)读入采集图像;(2)将RGB图像转化为灰度图像;(3)去除噪声处理;(4)图像二值化;(5)开运算和闭运算，光滑边缘处理;(6)确定目标菌胶团并进行标记;(7)填充;(8)目标区域灰度图;(9)计算目标区域灰度图的灰度值之和;(10)计算目标区域面积;(11)计算目标区域密实度;(12)获取目标区域的边界;(三)提取特征信息：(1)计算菌胶团尺寸指标;(2)计算菌胶团形态指标;(3)计算丝状菌指标。该方法以于MATLAB分析软件为平台，应用图像分析技术进行活性污泥絮体的定量分析，保证了分析结果的客观性、可靠性与高效性。
摘要附图
权利要求书
1.一种基于MATLAB的活性污泥絮体分析方法，其特征是，包括以下步骤：
(一)采集图像：
取新鲜活性污泥制成观测玻片，在显微镜下观察，以获取完整活性污泥菌胶团为标准，拍照并采集图像;
(二)图像处理：
(1)读入采集图像;
(2)将RGB图像转化为灰度图像;
(3)去除噪声处理;
(4)图像二值化;为了确定目标菌胶团，对图像进行二值化;
(5)开运算和闭运算，光滑边缘处理;
(6)确定目标菌胶团并进行标记;
选取最大联通区域作为最大的菌胶团，利用八邻域标记算法标记目标菌胶团;
(7)填充;
填充二值图像前景区域内出现的黑色孔洞，以降低对计算结果准确性的影响;
(8)目标区域灰度图;
以“密实度”来表示污泥采集图像中菌胶团密实程度，“密实度”为目标区域内灰度值之和与目标区域面积的比值，图像灰度值的范围为0～255，对应图像中的颜色为从黑到白，越密实的菌胶团图像颜色越深，灰度越小;越松散的菌胶团图像颜色越浅，灰度越大;
(9)计算目标区域灰度图的灰度值之和;
灰度值之和表征了密实度，将目标区域灰度图的灰度值相加，黑色为0，白色为255，灰度值之和越大表明密实度越小，灰度值之和越小表明密实度越大;
(10)计算目标区域面积;
(11)计算目标区域密实度;
在获得目标区域的面积和灰度值总和的前提下，根据公式：密实度=灰度值之和/菌胶团面积，计算目标区域密实度;
(12)获取目标区域的边界;
为了计算目标区域的周长，进行圆度计算，通过边缘检测以获取目标区域的轮廓边界;
(三)提取特征信息：
(1)计算菌胶团尺寸指标：
①菌胶团面积Area;
②菌胶团周长Perimeter
③等效圆直径
④菌胶团长度length;
⑤菌胶团宽度width;
(2)计算菌胶团形态指标：
①圆度Ro：
②三维纵横比AR：
③密实度Avergray：
④分形维数FD;
(3)计算丝状菌指标：菌丝长度FL。
2.根据权利要求1所述的基于MATLAB的活性污泥絮体分析方法，其特征是，所述分形维数采用盒子维数分形方法，取边长为ε的小盒子对分形曲线进行覆盖，计数整个覆盖范围内非空实体盒子数量，其数量记为N(ε)，然后缩小盒子的尺寸ε，所计数非空实体盒子的数量N(ε)随之增大，当ε趋于0时，得到分形维数FD。
说明书
一种基于MATLAB的活性污泥絮体分析方法
技术领域
本发明涉及一种利用图像对活性污泥絮体的密实程度及絮体边缘规则度进行分析的方法，属于污水生物处理过程中活性污泥絮体的分析技术领域。
背景技术
传统针对活性污泥絮体的分析，主要通过在显微镜下人工观测计数的方法研究表征絮体形态特征的絮体面积、圆度、菌丝长度等直观指标，但是无法分析表征絮体内细菌的生长状态、絮体密实度以及絮体边界不规则度，且整个分析过程枯燥、耗时，分析结果受主观影响较大。
发明内容
本发明针对传统活性污泥絮体分析技术存在的不足，提供一种效率高，保证分析结果客观、可靠的基于MATLAB的活性污泥絮体图像分析方法。
本发明的对活性污泥絮体图像分析方法，包括以下步骤：
(一)采集图像：
取新鲜活性污泥制成观测玻片，在显微镜下观察，以获取完整活性污泥菌胶团为标准，拍照并采集图像;
(二)图像处理：
(1)读入采集图像;
(2)将RGB图像转化为灰度图像;
(3)去除噪声处理;
采用中值滤波法进行去除噪声干扰，其不仅可以去除孤点噪声，而且可以保持图像的边缘特性，可避免图像产生显著的模糊以及对后期周长计算的影响。
(4)图像二值化;为了确定目标菌胶团，对图像进行二值化;
(5)开运算和闭运算，光滑边缘处理;
污水生物处理系统活性污泥菌胶团内往往存在一定量的丝状菌，尤其是冬季大量丝状菌伸出菌胶团，影响对菌胶团周长的计算。开运算和闭运算取一定范围的圆盘结构元素，通过调用imopen()和imclose()函数消除不能完全包含在该圆盘内的目标对象，起到了去除碎丝，光滑边缘的作用。
(6)确定目标菌胶团并进行标记;
选取最大联通区域作为最大的菌胶团，利用八邻域标记算法标记目标菌胶团;
(7)填充;
填充二值图像前景区域内出现的黑色孔洞，以降低对计算结果准确性的影响;
(8)目标区域灰度图;
以“密实度”来表示污泥采集图像中菌胶团密实程度，“密实度”为目标区域内灰度值 之和与目标区域面积的比值，图像灰度值的范围为0～255，对应图像中的颜色为从黑到白，越密实的菌胶团图像颜色越深，灰度越小;越松散的菌胶团图像颜色越浅，灰度越大。
(9)计算目标区域灰度图的灰度值之和;
灰度值之和(Sum gray)表征了密实度，将目标区域灰度图的灰度值相加，黑色为0，白色为255，灰度值之和越大表明密实度越小，灰度值之和越小表明密实度越大;
(10)计算目标区域面积;
(11)计算目标区域密实度;
在获得目标区域的面积和灰度值总和的前提下，根据公式：密实度=灰度值之和/菌胶团面积，计算目标区域密实度;
(12)获取目标区域的边界;
为了计算目标区域的周长，进行圆度计算，通过边缘检测以获取目标区域的轮廓边界;
(三)提取特征信息：
(1)计算菌胶团尺寸指标：
①菌胶团面积(Area);
②菌胶团周长(Perimeter)
③等效圆直径
④菌胶团长度(length);
⑤菌胶团宽度(width);
(2)计算菌胶团形态指标：
①圆度Ro(表征图形与圆之间的偏差，有效描述不规则边界，圆的Ro为1)：
②三维纵横比AR(表征图像的延伸，延伸越大，AR越大，圆的AR为1)：
③密实度Avergray(表征菌胶团的密室程度)：
④分形维数FD(fractal dimension，表征菌胶团边界的粗糙程度)。
分形维数采用盒子维数(即容量维数(f))分形方法，取边长为ε的小盒子对分形曲线进行覆盖，计数整个覆盖范围内非空实体盒子数量，其数量记为N(ε)，然后缩小盒子的尺寸ε，所计数非空实体盒子的数量N(ε)随之增大，当ε趋于0时，得到分形维数(FD)。
(3)计算丝状菌指标：菌丝长度FL(fialment length)。
本发明以于MATLAB分析软件为平台，应用图像分析技术进行活性污泥絮体的定量分析， 分别采用密实度Avergray以及分形维数FD来描述活性污泥絮体形态特征，其中活性污泥絮体的密实度表征了活性污泥絮体内细菌的生长状况与絮体结构松散密实状态;絮体边界分形维数则综合表征了絮体边界的不规则度。在提高工作效率的同时克服了人工分析的主观性，从图像中提取定量数据，保证了分析结果的客观性、可靠性与高效性。
