鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 董榮偉

基于MATLAB的細(xì)菌圖像處理方法研究

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 董榮偉

針對(duì)干擾細(xì)菌圖像成像的因素較多，導(dǎo)致無(wú)法直接獲取或定量分析細(xì)菌數(shù)量的問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究基于MATLAB的細(xì)菌圖像處理方法，包括：細(xì)菌圖像去除背景、彩色圖像灰度化、圖像分割、特征提取等，通過(guò)對(duì)比分析處理效果，選定合適的處理方法，從而為后續(xù)細(xì)菌定性或定量分析提供一定的技術(shù)支持。

細(xì)菌圖像；MATLAB；圖像處理

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)出現(xiàn)眾多新技術(shù)識(shí)別或檢測(cè)物件的缺陷，其中由于細(xì)菌（大腸桿菌）體積小、易培養(yǎng)的特點(diǎn)，頻繁被用來(lái)檢測(cè)物件缺陷，利用穿透物件的細(xì)菌量的多少來(lái)評(píng)判物件的損壞程度，故需要定量分析細(xì)菌；此外，由于MATLAB可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，用戶可通過(guò)使用函數(shù)工具箱自由設(shè)計(jì)、編寫(xiě)命令流，實(shí)現(xiàn)圖像處理的自由化和交互式操作[1]，本文利用MATLAB對(duì)細(xì)菌SEM圖像的處理方法進(jìn)行研究，旨在為后續(xù)細(xì)菌定量分析奠定基礎(chǔ)。

1 圖像預(yù)處理

1.1 圖像去背景處理

顯微鏡獲取的細(xì)菌圖像通常會(huì)存在細(xì)菌顏色與背景顏色相近、顯微鏡的污漬斑點(diǎn)、背景強(qiáng)度不平衡等問(wèn)題，需要借助代數(shù)運(yùn)算將目標(biāo)物體與背景區(qū)分開(kāi)來(lái)，并去除背景，本文經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選用減法運(yùn)算進(jìn)行處理，效果如圖1所示。

圖1 去除背景后的圖像

1.2 圖像灰度化與圖像反轉(zhuǎn)

CCD攝像頭拍攝的圖像為rgb圖像，參考本文顯微圖像的具體情況，本文選用加權(quán)平均法對(duì)rgb彩色圖像灰度化[2]；同時(shí)為了獲得較好的視覺(jué)效果，需要對(duì)目標(biāo)區(qū)域作進(jìn)一步增強(qiáng)處理，本文采用圖像反轉(zhuǎn)處理方法，處理后效果如圖2所示。

圖2 灰度化與圖像反轉(zhuǎn)后的圖像

1.3 圖像灰度增強(qiáng)

提取細(xì)菌特征前必須獲取具有二值化圖像。一般細(xì)菌圖像的目標(biāo)物體與背景灰度差別不大，不利于目標(biāo)物體的分割。常用的圖像灰度增強(qiáng)的方法有線性灰度變換、分段線性灰度變換、直方圖均衡化等，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，采用直方圖均衡化方法增強(qiáng)圖像中目標(biāo)物體與背景的灰度差別，效果如圖3所示。

圖3 經(jīng)灰度直方圖均衡后的圖像

2 圖像二值化

二值化處理過(guò)程中首先需要確定閾值T，通過(guò)閾值計(jì)算方法確定一個(gè)閾值，然后對(duì)圖像像素進(jìn)行掃描，當(dāng)像素值小于等于該閾值時(shí)，將該像素的灰度值設(shè)置為0，否則灰度值設(shè)置為1。在灰度圖像中黑色用0表示，白色用255表示，閾值T就是一個(gè)分界點(diǎn)，比它大就是白，比它小就是黑。本設(shè)計(jì)中以0表示背景，1表示目標(biāo)圖像。圖像的光線變化比較大，采用Ostu算法[3]計(jì)算圖像二值化閾值后效果如圖4所示。

圖4 二值化效果圖

3 圖像特征提取

本文采用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法進(jìn)行邊界提取，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算方法是膨脹與腐蝕，并結(jié)合區(qū)域填充算法對(duì)圖像做進(jìn)一步處理，效果如圖5所示。細(xì)菌的幾何特征參數(shù)包括目標(biāo)物體的周長(zhǎng)、形狀因子等，且都是以圖像邊界的提取為基礎(chǔ)，本文依據(jù)形態(tài)學(xué)算法中的邊界提取計(jì)算方法，完成邊界提取，效果如圖6所示。

圖5 區(qū)域填充效果圖

圖6 邊界提取效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了對(duì)細(xì)菌圖像的處理方法，首先對(duì)細(xì)菌顯微圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括細(xì)菌圖像去除背景、圖像灰度化和圖像反轉(zhuǎn)、圖像灰度增強(qiáng)，之后對(duì)細(xì)菌圖像進(jìn)行分割與特征提取，并取得了很好的效果，可以滿足后續(xù)細(xì)菌定量分析的需求。

[1]鄧巍,丁為民,張浩.MATLAB在圖像處理和分析中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(06):194～198.

[2]吳國(guó)瑞.基于圖像處理的雜草種類識(shí)別技術(shù)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2009.

[3]茍中魁,張少軍,李忠富等.一種Otsu閾值法的推廣—Otsu雙閾值法[J].機(jī)械,2004(07):12～14.

董榮偉，男，1989年出生，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)智能控制及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。