微生物識(shí)別計(jì)數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)

趙 貞, 王昊燃, 唐江舟, 梁心怡, 何旭萌, 李相昆, 陳 明, 郭 亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院 城市水資源和水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150090)

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微生物識(shí)別計(jì)數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)

趙 貞, 王昊燃, 唐江舟, 梁心怡, 何旭萌, 李相昆, 陳 明, 郭 亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院 城市水資源和水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150090)

基于Matlab平臺(tái)開發(fā)了微生物識(shí)別計(jì)數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),將微生物學(xué)知識(shí)與圖像處理、模式識(shí)別理論相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)菌落計(jì)數(shù)和微生物識(shí)別兩個(gè)特定功能。當(dāng)學(xué)生在顯微鏡下觀察到不熟悉的微生物時(shí),捕捉該微生物的圖像并發(fā)送至該系統(tǒng),即可快速辨別該生物的種類。實(shí)驗(yàn)表明:該程序具有可操作性強(qiáng)、識(shí)別能力強(qiáng)、計(jì)數(shù)較為準(zhǔn)確、可應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn),并且明顯提高了實(shí)驗(yàn)效率。

微生物識(shí)別； 菌落計(jì)數(shù)； 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是專業(yè)知識(shí)體系與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸和有效補(bǔ)充,也是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容,在豐富教學(xué)內(nèi)容、拓展時(shí)間和空間、提高教學(xué)質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用[1-2]。

2014年1月,哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境實(shí)驗(yàn)中心成為首批100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一。本著“以虛為主,虛實(shí)結(jié)合,以虛補(bǔ)實(shí),以實(shí)驗(yàn)虛”的原則,中心建設(shè)了適合本校專業(yè)特色和學(xué)科發(fā)展的生物實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái),開設(shè)了生物類相關(guān)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

虛擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn)具有節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料、防止有毒試劑對(duì)學(xué)生傷害、減少對(duì)環(huán)境的污染等優(yōu)點(diǎn)[3-4],能夠給學(xué)生提供重復(fù)練習(xí)和自主操作的機(jī)會(huì)與條件。筆者為提高微生物識(shí)別計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,研發(fā)了微生物識(shí)別計(jì)數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 微生物識(shí)別計(jì)數(shù)虛擬仿真系統(tǒng)研發(fā)概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

在市政環(huán)境類專業(yè)的虛擬仿真生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研中,微生物的識(shí)別與菌落計(jì)數(shù)是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作[5-6]。研發(fā)微生物識(shí)別與計(jì)數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),就是要通過(guò)微生物學(xué)知識(shí)與圖像處理、模式識(shí)別理論的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)顯微鏡下微生物種類的自動(dòng)識(shí)別和菌落計(jì)數(shù)功能。

1.2 項(xiàng)目背景

使用圖像處理方法改進(jìn)傳統(tǒng)細(xì)菌計(jì)數(shù)與微生物識(shí)別方法是信息化時(shí)代的趨勢(shì)[7-8]。

(1) 細(xì)菌菌落計(jì)數(shù)。目前廣泛應(yīng)用的細(xì)菌菌落計(jì)數(shù)方法有平板菌落計(jì)數(shù)法、MPN法、血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法、MPN-PCR法、渾濁度計(jì)數(shù)法、電阻抗法等。這些方法采用人工計(jì)數(shù),不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且效率低下。近年來(lái)市場(chǎng)上出現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置,如犁刀計(jì)數(shù)器、流體細(xì)胞儀等,大大提高了菌落自動(dòng)計(jì)數(shù)的效率和可靠性,但購(gòu)置和維護(hù)這些設(shè)備也增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。

(2) 微生物識(shí)別。傳統(tǒng)的顯微鏡觀測(cè)和識(shí)別微生物,需要實(shí)驗(yàn)人員不斷調(diào)整顯微鏡的視野,很容易使眼睛疲勞,長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)還會(huì)影響觀測(cè)效果。目前,顯微鏡下的微生物圖像可以傳輸?shù)街鳈C(jī)并顯示出來(lái),但市面上難覓能夠自動(dòng)識(shí)別視野下微生物的應(yīng)用程序,而這個(gè)功能會(huì)給實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研帶來(lái)極大的便利。

隨著科技發(fā)展,圖像檢測(cè)分析技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中,尤其是在交通、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域,圖像處理與模式識(shí)別可以快速搭建仿真體系,實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步。在市政環(huán)境類專業(yè)的教學(xué)和科研中,也迫切需要運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作效率。用戶還可以將自己長(zhǎng)期積累的圖片分類錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中,提高識(shí)別的準(zhǔn)確性,一旦數(shù)據(jù)庫(kù)積累到一定程度,就可以更準(zhǔn)確識(shí)別水樣中的微生物種類及數(shù)量,通過(guò)微生物指標(biāo)判斷水體情況。

2 圖像處理功能

微生物識(shí)別計(jì)數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)提供了若干在圖像處理中常用的功能。

在圖像格式轉(zhuǎn)換方面,有RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖的公式法和通道抽取法；在邊緣提取方面,提供了基于Sobel、Prewitt、Robert、LOG、Canny等5種常見算子的提取功能；在圖像分割方面,提供了直方圖雙峰法、最大類間方差、迭代法、最小誤差法等4種分割手段[9-10]；在形態(tài)學(xué)處理方面,包括腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等4種處理方法。此外,該系統(tǒng)還支持尺寸調(diào)整、旋轉(zhuǎn)、鏡像等常見功能。

3 菌落計(jì)數(shù)

菌落計(jì)數(shù)功能分為一鍵計(jì)數(shù)和深度計(jì)數(shù)。一鍵計(jì)數(shù)是根據(jù)默認(rèn)參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行連通域計(jì)數(shù)；深度計(jì)數(shù)提供2種方法,用戶可自由選擇處理方法、調(diào)節(jié)參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像更有針對(duì)性的計(jì)數(shù)。

3.1 一鍵計(jì)數(shù)

根據(jù)默認(rèn)參數(shù),運(yùn)用連通域法自動(dòng)完成菌落計(jì)數(shù),適用于菌落相對(duì)獨(dú)立且分散的圖像,可見每一個(gè)細(xì)菌都得到標(biāo)記(見圖1)。

圖1 一鍵計(jì)數(shù)效果圖

3.2 深度計(jì)數(shù)

(1) 區(qū)域極值法。假定存在邊長(zhǎng)為幾像素的小正方形窗口,令該窗口范圍內(nèi)最多只能存在一個(gè)極值點(diǎn),(局部顏色最深的點(diǎn))，移動(dòng)正方形窗口，使其遍布整個(gè)原始圖像，程序即可反饋整個(gè)圖像中極值點(diǎn)的總數(shù)，以此作為菌落計(jì)數(shù)的依據(jù)。通過(guò)改變檢測(cè)參數(shù)(Harris角點(diǎn)檢測(cè)系數(shù))，可以得到在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的檢測(cè)結(jié)果。用戶將顯示結(jié)果與目測(cè)預(yù)期值進(jìn)行比對(duì)，調(diào)整檢測(cè)參數(shù)，使極值點(diǎn)近似與菌落一一對(duì)應(yīng)，即可獲取近似的菌落計(jì)數(shù)結(jié)果。

(2) 連通域計(jì)數(shù)法。利用直方圖雙峰法、最大類間方差、最小誤差法、迭代法將彩圖或灰度圖變?yōu)槎祱D,對(duì)二值圖中連通域進(jìn)行計(jì)數(shù)。用戶可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)原始圖像進(jìn)行初步處理,使連接處打斷,菌落更清晰,再用一鍵計(jì)數(shù)法進(jìn)行計(jì)數(shù)(見圖2)。

圖2 深度計(jì)數(shù)效果圖

4 微生物識(shí)別

微生物識(shí)別模塊主要有兩個(gè)功能:一是數(shù)據(jù)庫(kù)管理,二是通過(guò)分析數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)現(xiàn)有微生物圖像進(jìn)行識(shí)別,確認(rèn)其種類[11-12]。

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)微生物種類的增加和刪除,也可以對(duì)已有樣本進(jìn)行刪除操作,還可以通過(guò)一鍵處理或深度處理功能將新獲取的微生物圖片進(jìn)行處理,使之成為所需格式與樣式,添加到樣本庫(kù)中。

4.2 微生物識(shí)別

微生物識(shí)別功能分為一鍵識(shí)別和深度識(shí)別。

一鍵識(shí)別是通過(guò)系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)及過(guò)程對(duì)新獲取的微生物圖片進(jìn)行處理,與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后得到結(jié)果。

若一鍵識(shí)別效果不理想,可使用深度識(shí)別功能。深度識(shí)別功能是操作者使用軟件所提供的圖片處理功能,自選參數(shù)、自定義處理圖片,使之達(dá)到想要的效果后再與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)圖片進(jìn)行比對(duì),得出結(jié)果(見圖3)。

圖3 微生物識(shí)別界面

5 結(jié)語(yǔ)

微生物識(shí)別計(jì)數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用于市政環(huán)境類生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可為本科生科技創(chuàng)新等實(shí)踐活動(dòng)設(shè)立專門的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),還可以

為科研工作提供資源共享平臺(tái)和完善的軟件支持與技術(shù)服務(wù)。

該系統(tǒng)解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作中微生物識(shí)別與計(jì)數(shù)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的問(wèn)題。它將模式識(shí)別與污染控制微生物學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),在提升教學(xué)質(zhì)量,提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮了重要作用。

References)

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Development of virtual simulation experimental teaching system for microbial identification counting

Zhao Zhen, Wang Haoran, Tang Jiangzhou, Liang Xinyi, He Xumeng, Li Xiangkun , Chen Ming，Guo Liang

(School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Based on the Matlab platform, the virtual simulation experimental teaching system for microbial identification counting is developed. Combining the knowledge of microbiology with the theories of the image processing and pattern recognition, two specific functions of automatic colony counting and microbial identification are realized. When a student observes an unknown microorganism under the microscopes, he can take a picture and send it to this system and very quickly the species of the microorganism can be identified. The experiments prove that the system has the characteristics of high operability, strong identification ability, accurate counting and wide application range, which obviously improves the efficiency of the experiments.

microbial identification; colony counting; virtual simulation experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.036

2016-05-24 修改日期：2016-09-18

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2014010699)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究生教育教學(xué)成果獎(jiǎng)培育項(xiàng)目(CGPY-201423)

趙貞(1982—),女,黑龍江哈爾濱,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)榇笮蛢x器的管理與應(yīng)用、生物質(zhì)資源化利用

E-mail：zhaozhen820912@126.com

李相昆(1975—),男,吉林省吉林市,博士,教授,主要研究方向?yàn)槲鬯幚砑百Y源化.

Q93-33；TP391.4

A

1002-4956(2016)11-0147-03