微生物識別計數虛擬仿真實驗教學系統的研發

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

(哈爾濱工業大學 市政環境工程學院 城市水資源和水環境國家重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150090)

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微生物識別計數虛擬仿真實驗教學系統的研發

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

(哈爾濱工業大學 市政環境工程學院 城市水資源和水環境國家重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150090)

基于Matlab平臺開發了微生物識別計數虛擬仿真實驗教學系統,將微生物學知識與圖像處理、模式識別理論相結合,實現了自動菌落計數和微生物識別兩個特定功能。當學生在顯微鏡下觀察到不熟悉的微生物時,捕捉該微生物的圖像并發送至該系統,即可快速辨別該生物的種類。實驗表明:該程序具有可操作性強、識別能力強、計數較為準確、可應用范圍廣的特點,并且明顯提高了實驗效率。

微生物識別； 菌落計數； 虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗教學是專業知識體系與信息技術深度融合的產物,是傳統實驗教學的延伸和有效補充,也是高等教育信息化建設的重要內容,在豐富教學內容、拓展時間和空間、提高教學質量方面發揮了重要作用[1-2]。

2014年1月,哈爾濱工業大學市政環境實驗中心成為首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心之一。本著“以虛為主,虛實結合,以虛補實,以實驗虛”的原則,中心建設了適合本校專業特色和學科發展的生物實驗虛擬仿真平臺,開設了生物類相關課程的虛擬仿真實驗項目,注重培養學生的實踐能力和創新能力。

虛擬生物學實驗具有節約實驗材料、防止有毒試劑對學生傷害、減少對環境的污染等優點[3-4],能夠給學生提供重復練習和自主操作的機會與條件。筆者為提高微生物識別計數實驗教學效果,研發了微生物識別計數虛擬仿真實驗教學系統。

1 微生物識別計數虛擬仿真系統研發概況

1.1 項目簡介

在市政環境類專業的虛擬仿真生物實驗教學與科研中,微生物的識別與菌落計數是一項費時費力的工作[5-6]。研發微生物識別與計數虛擬仿真實驗教學系統,就是要通過微生物學知識與圖像處理、模式識別理論的結合,實現顯微鏡下微生物種類的自動識別和菌落計數功能。

1.2 項目背景

使用圖像處理方法改進傳統細菌計數與微生物識別方法是信息化時代的趨勢[7-8]。

(1) 細菌菌落計數。目前廣泛應用的細菌菌落計數方法有平板菌落計數法、MPN法、血球計數板計數法、MPN-PCR法、渾濁度計數法、電阻抗法等。這些方法采用人工計數,不但費時費力,而且效率低下。近年來市場上出現了自動計數裝置,如犁刀計數器、流體細胞儀等,大大提高了菌落自動計數的效率和可靠性,但購置和維護這些設備也增加了實驗教學成本。

(2) 微生物識別。傳統的顯微鏡觀測和識別微生物,需要實驗人員不斷調整顯微鏡的視野,很容易使眼睛疲勞,長時間觀測還會影響觀測效果。目前,顯微鏡下的微生物圖像可以傳輸到主機并顯示出來,但市面上難覓能夠自動識別視野下微生物的應用程序,而這個功能會給實驗教學與科研帶來極大的便利。

隨著科技發展,圖像檢測分析技術已經廣泛地應用于人們的生產生活中,尤其是在交通、醫學、地質等領域,圖像處理與模式識別可以快速搭建仿真體系,實現技術進步。在市政環境類專業的教學和科研中,也迫切需要運用數字圖像處理技術來提高實驗教學和科研工作效率。用戶還可以將自己長期積累的圖片分類錄入數據庫中,提高識別的準確性,一旦數據庫積累到一定程度,就可以更準確識別水樣中的微生物種類及數量,通過微生物指標判斷水體情況。

2 圖像處理功能

微生物識別計數虛擬仿真實驗教學系統提供了若干在圖像處理中常用的功能。

在圖像格式轉換方面,有RGB圖轉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]；在形態學處理方面,包括腐蝕、膨脹、開運算、閉運算等4種處理方法。此外,該系統還支持尺寸調整、旋轉、鏡像等常見功能。

3 菌落計數

菌落計數功能分為一鍵計數和深度計數。一鍵計數是根據默認參數對圖像進行連通域計數；深度計數提供2種方法,用戶可自由選擇處理方法、調節參數,實現對圖像更有針對性的計數。

3.1 一鍵計數

根據默認參數,運用連通域法自動完成菌落計數,適用于菌落相對獨立且分散的圖像,可見每一個細菌都得到標記(見圖1)。

圖1 一鍵計數效果圖

3.2 深度計數

(1) 區域極值法。假定存在邊長為幾像素的小正方形窗口,令該窗口范圍內最多只能存在一個極值點,(局部顏色最深的點)，移動正方形窗口，使其遍布整個原始圖像，程序即可反饋整個圖像中極值點的總數，以此作為菌落計數的依據。通過改變檢測參數(Harris角點檢測系數)，可以得到在一定范圍內波動的檢測結果。用戶將顯示結果與目測預期值進行比對，調整檢測參數，使極值點近似與菌落一一對應，即可獲取近似的菌落計數結果。

(2) 連通域計數法。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為二值圖,對二值圖中連通域進行計數。用戶可根據實際情況對原始圖像進行初步處理,使連接處打斷,菌落更清晰,再用一鍵計數法進行計數(見圖2)。

圖2 深度計數效果圖

4 微生物識別

微生物識別模塊主要有兩個功能:一是數據庫管理,二是通過分析數據庫對現有微生物圖像進行識別,確認其種類[11-12]。

4.1 數據庫管理

數據庫管理功能可以實現對數據庫內微生物種類的增加和刪除,也可以對已有樣本進行刪除操作,還可以通過一鍵處理或深度處理功能將新獲取的微生物圖片進行處理,使之成為所需格式與樣式,添加到樣本庫中。

4.2 微生物識別

微生物識別功能分為一鍵識別和深度識別。

一鍵識別是通過系統默認參數及過程對新獲取的微生物圖片進行處理,與數據庫中數據進行對比后得到結果。

若一鍵識別效果不理想,可使用深度識別功能。深度識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、自定義處理圖片,使之達到想要的效果后再與數據庫內圖片進行比對,得出結果(見圖3)。

圖3 微生物識別界面

5 結語

微生物識別計數虛擬仿真實驗教學系統可應用于市政環境類生物虛擬仿真實驗教學中,可為本科生科技創新等實踐活動設立專門的虛擬實驗平臺,還可以

為科研工作提供資源共享平臺和完善的軟件支持與技術服務。

該系統解決了實驗教學與科研工作中微生物識別與計數費時、費力的問題。它將模式識別與污染控制微生物學有機地結合起來,在提升教學質量,提高學生學習能力、實踐能力和創新能力方面發揮了重要作用。

References)

[1] 黃瑋.利用數字化實驗技術進行中學生物實驗教學[J].中國教育技術裝備,2015,11(11):25-28.

[2] 焦玲.基于J2EE的網上化學教學實驗仿真系統的研究與應用[D].青島:中國海洋大學,2008.

[3] 劉陽.下頜運動虛擬還原以及相關生物力學研究[D].廣州:南方醫科大學,2008.

[4] 趙娟.江蘇省普通高中生物實驗教學現狀調查及成因分析[D].南京:南京師范大學,2012.

[5] Gonzalez R C,Woods R E.數字圖像處理[M].阮秋琦,阮宇智,譯.3版.北京:電子工業出版社,2011.

[6] 蘭鮮紅.顯微微生物圖像處理與分析系統研究[J].河北省科學院學報,2006,23(2):87-90.

[7] 楊淑瑩,張樺.模式識別與智能計算:MATLAB技術實現[M].北京:電子工業出版社,2015.

[8] 張永清.基于多線程的水中微生物圖像預處理系統[D].昆明:云南大學,2011.

[9] 毛佳文,劉曉梅,李抄,等.痕量微生物圖像的閾值分割方法研究[J].光學技術,2016(3):229-233.

[10] 趙小川.MATLAB圖像處理:能力提高與應用案例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2014.

[11] 趙小川.MATLAB圖像處理:程序實現與模塊化仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社,2014.

[12] 劉俊.BP神經網絡在水中微生物識別系統的應用[D].昆明:云南大學,2012.

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改革項目(JG2014010699)；哈爾濱工業大學研究生教育教學成果獎培育項目(CGPY-201423)

趙貞(1982—),女,黑龍江哈爾濱,碩士,工程師,主要研究方向為大型儀器的管理與應用、生物質資源化利用

E-mail：zhaozhen820912@126.com

李相昆(1975—),男,吉林省吉林市,博士,教授,主要研究方向為污水處理及資源化.

Q93-33；TP391.4

A

1002-4956(2016)11-0147-03