专利名称：一种花粉粒子影像数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及花粉粒子影像数据采集领域，尤其涉及一种花粉粒子影像数 据采集系统。
背景技术：
花粉是植物的雄性生殖细胞，以传播方式可以分为风媒、虫媒、水媒花 粉等，风媒花粉也被称为气传花粉。当花粉在空气中传播时，有些人在呼吸过程中吸入花粉后，便会产生过敏反应，即花粉症(Pollinosis)。专业人员 根据多年的经验，总结了判定致敏花粉的5条标准l)花粉量大，在空气 中含量较高；2)花粉体积小，易于吸入呼吸道；3)大多数为气传花粉；4) 产生此种花粉的植物生长广泛；5)花粉内含有能引起过敏的抗原，这是最 关键的一点。气传花粉是大气生物气溶胶的重要组成成份，易于在空气中传 播，当气传致敏花粉达到一定浓度时就能够引起花粉症的流行，从而影响易 感人群的正常生活，甚至危及患者生命，在一定程度上给社会经济造成无法 估计的损失。虫媒和水媒花粉很少在空气中传播，不会引起花粉症的流行， 因此，气传花粉浓度的监测工作非常重要。当前主要采用重力沉降法采集花粉，然后以人工镜检法进行花粉分类和 统计计数。所谓人工镜检法就是有经验的观测员逐行认真观察生物光学显微 镜下400倍放大后的花粉样片，人工分辨花粉粒子种类，人工统计不同花粉 的个数及花粉总数。人工镜检法主要存在以下几个缺点1) 观测员的劳动强度较大，易造成身体疲劳，从而降低监测准确率；2) 对监测员的观测技术要求较高，需经过长期不断的技术培训，才能 够准确地掌握不同花粉粒子的显微形态特征，正确识别花粉， 一有人员调动， 必须培训新的花粉监测员；3) 监测结果受到人为因素的影响，不同监测员得出的监测结果差别较大；4) 在花粉播散高峰期，因镜下读片时间较长，易造成监测员眼肌疲劳， 影响计数及工作效率。由于当前技术存在上述缺点，使得当前人工镜检法对花粉监测分析的效 率不高，而且难以保证花粉监测结果的准确率，因此当前亟需一种花粉粒子 影像数据采集系统的技术方案。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种花粉粒子影像数据采集系统，解 决当前人工对花粉监测分析的效率不高，而且难以保证花粉监测结果的准确 率的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种花粉粒子影像数据采集系统，包 括显微镜、电动工作台系统、摄像模块、图像传输模块，照明系统，中央控 制系统，其中，电动工作台系统，用于控制花粉粒子样本的移动，并将显微镜聚焦花粉 粒子样本；摄像模块，用于捕获显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像，并将其 转换为图像文件；图像传输模块，用于将摄像模块转换的图像文件传输给中央控制系统；照明系统，用于显微镜聚焦花粉粒子样本时的照明，包括照射方向向下 的前后左右的反射光源；显示模块，用于显示整个采集的过程；中央控制系统，用于对电动工作台系统进行运动控制、对照明系统进行 照明控制，并将显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像和转换后的图像文 件在显示模块上显示，同时存储转换后的图像文件，完成花粉粒子影像数据 的采集。进一步地，上述系统还可包括，所述电动工作台系统包括三轴电动工作
台、运动控制模块；三轴电动工作台，用于移动花粉粒子样本使显微镜聚焦花粉粒子样本；运动控制模块，用于通过键盘或JOG控制盒来控制并驱动三轴电动工 作台在X、 Y、 Z轴三个方向上的位移。进一步地，上述系统还可包括，所述摄像模块包括摄像头、图像采集模 块，其中，摄像头，用于捕获显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像； 图像釆集模块，用于获取摄像头采集的影像，并将其转换为图像文件。进一步地，上述系统还可包括，所述才聂像头包括CCD 4聂像头或CMOS 摄像头。进一步地，上述系统还可包括，所述照明系统还包括透射光源，中央控 制系统控制光源的开启/关闭、并控制调节光源的照射方向和光源的强弱以 及使每个光源发射不同波长的光波。进一步地，上述系统还可包括，所述照射方向向下的前后左右的反射光 源安装在摄像头四周，向上投射的所述透射光源放置在三轴电动工作台内。进一步地，上述系统还可包括，还包括气压模块，用于在显微镜聚焦花 粉粒子样本时，通过中央控制系统的控制，在花粉粒子样本上形成一个正气 压，来滤除花粉粒子样本与显微镜的物镜之间的空气中颗粒。进一步地，上述系统还可包括，所述气压模块安装在显微镜物镜侧，气 压模块中含有排气管，排气管平行于显微镜物镜侧边，保证在花粉粒子样本 上形成一个垂直向下的正气压。进一步地，上述系统还可包括，所述中央控制系统控制气压模块的开启 和关闭以及控制所形成正气压压力的强弱。进一步地，上述系统还可包括，所述中央控制系统包括存储模块，存储 模块用于对整个采集过程中产生的文件进行存储。对于现有技术，应用本发明具有以下优点应用精密机械三轴电动工作台以手动或自动方式控制花粉样片位移，利 用实时图像显示和采集系统以手动或自动方式显示和采集花粉粒子显微影 像，能够在很大程度上减轻监测人员的劳动强度，提高了设备的自动化程度。
图1是本发明具体实施方式
中花粉粒子影像数据采集系统的结构图； 图2是本发明具体实施方式
中花粉粒子影像数据采集系统的外观示意图；图3是本发明具体实施方式
中三轴电动工作台的外观示意图；图4是本发明具体实施方式
中一种花粉粒子影像数据釆集方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。一种花粉粒子影像数据采集系统和分析系统，是集光、机、电、计算机 图像处理技术于一体的高精度、自动化显微图像采集系统。该系统主要利用 精密机械三轴电动工作台，由显微镜(光学显微镜)对采集有花粉粒子样本 (即气传花粉粒子的样片)进行高倍率光学放大成像，并经过CCD摄像系 统将放大后的花粉粒子影像存入计算机硬盘，然后应用图像分析系统对物体 影像数据进行分析。该系统可应用范围较广，它可以用于雨滴粒径谱的分析、 空气中污染物粒子谱的分析等，目前该系统主要用于实现花粉粒子影像数据 的采集和分析。根据功能划分，该系统主要由两大部分组成花粉粒子影像数据采集系 统和花粉粒子影像数据分析系统。图l描述了花粉粒子影像数据釆集系统的结构图，其外观如图2所示， 包括显微镜、电动工作台系统、摄像模块、图像传输模块，照明系统，气压 模块、显示模块、中央控制系统，其中，电动工作台系统，用于控制花粉粒子样本的移动，并将显微镜聚焦花粉 粒子样本；电动工作台系统包括三轴电动工作台、运动控制模块；
三轴电动工作台，其外观如图3所示，用于移动花粉粒子样本使显微镜 聚焦花粉粒子样本；运动控制模块，用于通过键盘或JOG控制盒来控制并驱动三轴电动工 作台在X、 Y、 Z轴三个方向上的位移；摄像模块，用于捕获显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像，并将其 转换为图像文件；摄像模块包括摄像头、图像采集模块；摄像头，用于捕获显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像；摄像头包括CCD摄像头或CMOS摄像头。图像采集模块，用于获取摄像头采集的影像，并将其转换为图像文件。图像传输模块，用于将摄像模块转换的图像文件传输给中央控制系统；照明系统，用于显微镜聚焦花粉粒子样本时的照明，包括照射方向向下 的前后左右多个反射光源、及向上^:射的透射光源，中央控制系统可以控制 光源的开启/关闭，并控制调节光源的照射方向和光源的强弱以及使每个光 源发射不同波长的光波；其中照射方向向下的前后左右多个反射光源可以安 装在摄像头四周，向上投射的透射光源可以放置在花粉粒子样本的三轴电动 工作台内；提供照明系统可以达到良好的照明效果和清晰的采样样本，提高采样分辨率。细微物体在放大成像时，其最高分辨率取决于所反射的光波的波长，波 长越短，分辨率就越高，这里本发明照明系统的光源可以发射短波长的光波。气压模块，用于在显微镜聚焦花粉粒子样本时，通过中央控制系统的控 制，在花粉粒子样本上形成一个正气压；气压模块安装在显微镜物镜侧，气压模块中含有排气管，排气管平行于 显微镜物镜侧边，保证在花粉粒子样本上形成一个垂直向下的正气压。通过气压模块可以滤除花粉粒子样本与显微镜的物镜之间的空气中颗 粒，提高采样精确度和分辨率。中央控制系统可以控制气压模块的开启和关闭以及控制所形成正气压
压力的强弱。显示模块，用于显示整个采集的过程；中央控制系统，用于对整个花粉粒子影像数据采集过程的控制，包括对 电动工作台系统进行运动控制、对照明系统进行照明控制、和控制气压模块 的开启/关闭以及产生正气压压力的强弱，并将显微镜所显示的花粉粒子样 本的放大影像和转换后的图像文件在显示模块上显示，同时存储转换后的图 像文件，完成花粉粒子影像数据的采集；中央控制系统包括存储模块；存储模块用于对整个采集过程中产生的文件进行存储。下面结合具体实例对本发明作进一步说明。本实例中，花粉粒子影像数据采集系统包括连续可调焦显微镜，非接触 式显微影像三轴电动测量仪，CCD摄像头，图像采集卡，照明系统，正压 空气泵，计算机，其中，电动工作台系统为非接触式显微影像三轴电动测量仪、运动控制模块为 三轴电动工作台驱动系统(包括步进驱动电机和运动控制卡)、中央控制系 统为计算机、图像采集模块为图像采集卡(简称采集卡)、气压模块为正压 空气泵。连续可调焦显微镜可以是一部电动自动连续变倍显微镜；放大倍率可以 为75-750x ( 1.5画15x),能够实现75-750x连续变焦；其中非接触式显微影像三轴电动测量仪包括，包含三轴电动工作台、三 轴电动工作台驱动系统(包括步进驱动电机和运动控制卡)、电动测量仪控 制软件(简称控制软件)；三轴电动工作台驱动系统用于与计算机交换命令和参数，并驱动三轴电 动工作台移动；三轴电动工作台的移动控制分为手动和电动两种；通过Z轴调焦手^^可 以实现Z轴手动粗调和微调。电动测量仪控制软件正常启动运行之后，通过 键盘或JOG控制盒可以实现工作台在X、 Y、 Z轴三个方向上的电动位移。三轴电动工作台的电动定位精度较高，具体参数如下.X、 Y、 Z轴定位精度 <=l~3um.X、 Y轴重复定位精度0.5~lum .
Z轴测量重复定位精度<=1 ~ 3 um
.工作台行程(即观测和移动范围)X<=100mm, Y<=100mm .
玻璃台尺寸180mm* 180mm
三轴电动工作台Z轴电动移动范围比手动移动范围小，在定位焦面时应 该先用调焦手轮调准粗焦面，然后再用电动方式进行精密焦面调节。
键盘控制方式键盘控制按钮—、—、t、 i四个键可以控制三轴电动 工作台在X-Y平面上移动；PageUp、 PageDn两个键用于控制电动工作台在 Z轴方向上的移动。
JOG控制盒控制方式旋转JOG控制盒面板上的控制旋钮，使其指向 PC标识时，JOG控制盒不能控制三轴工作台的运动，由计算机控制三轴工 作台运动，这时计算机主界面右上角的控制盒指示JOG前为"V";旋转 面板上的控制旋钮，使其指向JOG标识时，只有JOG控制盒能够控制三轴 工作台的运动，计算机不在能控制三轴工作台运动，这时计算机主界面右上 角的控制盒指示JOG前为"x，，。当JOG控制有效时，点击控制盒面板上 的X+，X-，Y+,Y-,Z+，Z-按钮，可分别控制三轴工作台的运动。
调准焦距并选好影像位置后，就可以用电动测量仪控制软件进行花4分粒 子影像观察和图像采集。
三轴电动工作台用于以自动或手动方式聚焦和移动目标物。
照明系统中透射光源安装在三轴电动工作台内，反射光源安装在CCD 摄像头四周；
反射光源可以是软光纤冷光，参数可以是12V100W，在连续可调焦显 微镜镜头四周，用于不透明物体观察。
透射光源，参数可以是6V20W,在工作台底座内，用于透明物体观察。
正压空气泵安装在显微镜物镜侧，排气管平行于显微镜物镜侧边，保证 在花粉粒子样本上形成一个垂直向下的正气压；
CCD摄像头通过C型接口与显微镜相连，通过CS-232接口与图像采集
卡相连，用于捕获显微镜的放大影像；图像采集卡、运动控制卡分别插在计算机(即PC机)主机的PCI插槽内，控制软件安装在计算机上。计算机在采样过程中可以控制照明系统和正压空气泵，CCD摄像头获取的影像经由图像采集卡传到计算机并存为图像 文件；控制软件和三轴电动工作台之间经由三轴电动工作台驱动系统交换命 令和参数，实现了对非接触式三维影像电动测量仪的控制。通过计算机可以实时显示CCD所捕获影像；可以设定X、 Y、 X三个方 向的电动移动步进距离；可以调整三轴电动工作台的位置，使三轴机械全部 回到坐标原点；还能够以手动或自动方式存储图像文件等。图4描述了一种花粉粒子影像数据采集方法的流程，包括以下步骤，步骤IIO、开启系统，设置非接触式显微影像三轴电动测量仪的参数， 启动计算机对非接触式显微影像三轴电动测量仪进行控制；系统所有硬件设备正常开启和运行之后，启动计算机对非接触式显微影 像三轴电动测量仪进行控制。计算机可以通过快速移动步长设定三轴电动工作台键盘快速移动时的 步长。键盘快速移动就是按住Ctrl的同时，按住三轴电动工作台的键盘控制 键、—、T、 i 、 PageUp或PageDn，，三轴电动工作台就会以'快速 移动步长'快速移动。步骤120、对花粉粒子样片进行聚焦；计算机可以设定电动调焦的行程范围。将花粉粒子样片置于三轴电动工作台的玻璃板上，并置于显微镜镜头的 正下方，显微镜放大倍数手柄置于5处，用调焦手轮调节Z轴到花粉粒子所 在的层上，再使用键盘进行精密调焦，并且调节透射光源和反射光源，使显 示器上的花粉粒子呈现出清晰的影像；步骤130、采集花粉粒子影像文件并存储到计算机；步骤140、连续采集多幅花粉粒子影像文件并存储到计算机；设定采样帧数、选择存储路径、输入基本文件名、设定起始顺序号、设 定采样间隔，按'开始，按钮，启动多幅花粉粒子影像的自动连续采集功能。
当前花粉粒子影像是连续采集的起点，从起点开始以固定步进共采集 〔X向总帧数x Y向总帧数〕个文件，文件名以文件基本名和文件序号组成。 采样间隔时间设定了三轴电动工作台连续两次位移之间的时间间隔。三轴电动工作台固定步进距离可以通过软件主界面右上角红点之下的 下拉^姿^fi来选定。多幅花粉粒子影像自动连续采集过程中可以看到三轴电动工作台的移 动，当连续花粉粒子影像采集完成时，三轴电动工作台移回连续采集之前的 起点位置并停止移动，完成多幅花粉粒子影像自动连续采集。下面是通过本发明得到的试验数据结果。表l.试验数据统计结果样片序号图片数(幅)真实花粉数目读准数目读错数目漏读数目1150幅19251783761412100幅18911703951903119幅9378615总计369幅39093564177346表2.总数读数准确率分析样片序号读准率读错率漏读率统计准确率193%4%7%97%290%5%10%95%384%6%16%90%平均89%5%11%94%从上述试验数据可以看出，应用本发明进行花粉鉴别和统计，实现了自动统计花粉总数的功能，总数计数准确率达到70%以上，减小了人为因素 的误差。
应用精密机械三轴电动工作台以手动或自动方式控制花粉样片位移，利 用实时图像显示和采集系统以手动或自动方式显示和采集花粉粒子显微影 像，能够在很大程度上减轻监测人员的劳动强度，提高了设备的自动化程度。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的 变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围 应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种花粉粒子影像数据采集系统，其特征在于，包括显微镜、电动工作台系统、摄像模块、图像传输模块，照明系统，中央控制系统，其中，电动工作台系统，用于控制花粉粒子样本的移动，并将显微镜聚焦花粉粒子样本；摄像模块，用于捕获显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像，并将其转换为图像文件；图像传输模块，用于将摄像模块转换的图像文件传输给中央控制系统；照明系统，用于显微镜聚焦花粉粒子样本时的照明，包括照射方向向下的前后左右的反射光源；显示模块，用于显示整个采集的过程；中央控制系统，用于对电动工作台系统进行运动控制、对照明系统进行照明控制，并将显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像和转换后的图像文件在显示模块上显示，同时存储转换后的图像文件，完成花粉粒子影像数据的采集。
2、 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述电动工作台系统包括 三轴电动工作台、运动控制模块；三轴电动工作台，用于移动花粉粒子样本使显微镜聚焦花粉粒子样本；运动控制模块，用于通过键盘或JOG控制盒来控制并驱动三轴电动工 作台在X、 Y、 Z轴三个方向上的位移。
3、 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述摄像模块包括摄像头、 图像采集模块，其中，摄像头，用于捕获显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像；图像采集模块，用于获取摄像头采集的影像，并将其转换为图像文件。
4、 如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述摄像头包括CCD摄像 头或CMOS摄像头。
5、 如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述照明系统还包括透射光源，中央控制系统控制光源的开启/关闭、并控制调节光源的照射方向和 光源的强弱以及使每个光源发射不同波长的光波。
6、 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述照射方向向下的前后 左右的反射光源安装在摄像头四周，向上投射的所述透射光源放置在三轴电 动工作台内。
7、 如权利要求l所述的系统，其特征在于，还包括气压模块，用于在 显微镜聚焦花粉粒子样本时，通过中央控制系统的控制，在花粉粒子样本上 形成一个正气压，来滤除花粉粒子样本与显微镜的物镜之间的空气中颗粒。
8、 如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述气压模块安装在显微 镜物镜侧，气压模块中含有排气管，排气管平行于显微镜物镜侧边，保证在 花粉粒子样本上形成一个垂直向下的正气压。
9、 如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述中央控制系统控制气 压模块的开启和关闭以及控制所形成正气压压力的强弱。
10、 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央控制系统包括存 储模块，存储模块用于对整个采集过程中产生的文件进行存储。
全文摘要
一种花粉粒子影像数据采集系统，包括，电动工作台系统用于控制花粉粒子样本的移动并将显微镜聚焦花粉粒子样本；摄像模块用于捕获显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像并转换为图像文件；图像传输模块用于将摄像模块转换的图像文件传输给中央控制系统；照明系统用于显微镜聚焦花粉粒子样本时的照明；显示模块用于显示整个采集的过程；中央控制系统用于对电动工作台系统进行运动控制、对照明系统进行照明控制，并将显微镜所显示的花粉粒子样本的放大影像和转换后的图像文件在显示模块上显示，同时存储转换后的图像文件，完成花粉粒子影像数据的采集。应用本发明，解决当前人工对花粉监测分析的效率不高，且难以保证花粉监测结果的准确率的问题。
文档编号G01N21/84GK101126699SQ20071017521
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月27日 优先权日2007年9月27日
发明者孟燕军, 张京江, 戴丽萍, 楚艳丽, 王京丽, 王迎春, 谭晓光, 峰 高 申请人:中国气象局北京城市气象研究所