本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于高光譜透射成像的雨生紅球藻色素含量可視化方法，包括步驟：1)采用高光譜透射成像系統(tǒng)，對雨生紅球藻藻液進(jìn)行透射高光譜圖像的采集；2)對透射高光譜圖像進(jìn)行白板校正，選取雨生紅球藻藻液的若干個像素點(diǎn)作為感興趣區(qū)域，并提取該感興趣區(qū)域內(nèi)的平均光譜曲線；3)在預(yù)處理后的平均光譜曲線中提取λ個特征波段，并利用各特征波段的平均光譜曲線與藻液色素的化學(xué)值，建立預(yù)測模型；4)在透射高光譜圖像中，選出特征波段下的感興趣區(qū)域光譜；5)選取各種藻液色素對應(yīng)的最優(yōu)預(yù)測模型，計算每個像素點(diǎn)對應(yīng)的藻液色素單位體積含量化學(xué)指標(biāo)；6)根據(jù)各種藻液色素的化學(xué)指標(biāo)范圍，調(diào)整顯示值的范圍，輸出可視化圖像。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及雨生紅球藻色素含量可視化領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高光譜透射成像的雨生紅球藻色素含量可視化方法。
技術(shù)介紹
色素作為一種著色劑，被廣泛應(yīng)用在食品、紡織和醫(yī)藥等領(lǐng)域。而微藻作為一種天然色素的來源，有必要在其培養(yǎng)過程中進(jìn)行色素檢測和監(jiān)控。從以往的研究中發(fā)現(xiàn)，從微藻中提取的色素主要有葉綠素、類胡蘿卜素、蝦青素和藻藍(lán)素等，其中葉綠素是微藻進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)，經(jīng)常作為大部分綠藻的生命特征指標(biāo)之一，而類胡蘿卜素則是工業(yè)界從微藻中提取的常見色素，可以被廣泛運(yùn)用到各個領(lǐng)域。在以往的研究中，大部分是改變微藻內(nèi)在和外在的因素來促進(jìn)相關(guān)色素的積累，過程中需要對色素進(jìn)行頻繁檢測。而傳統(tǒng)檢測色素需要通過復(fù)雜的化學(xué)手段對微藻色素進(jìn)行提取然后再檢測，通常而言比較費(fèi)時費(fèi)力，且對原有藻液造成了破壞性影響。另外，雨生紅球藻被公認(rèn)為自然界中生產(chǎn)天然蝦青素的最好生物，而蝦青素也是類胡羅素之一，同時，其積累對葉綠素也有一定的影響，是一種具有代表性的藻類。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利提供了一種基于高光譜透射成像的雨生紅球藻色素含量可視化方法，通過化學(xué)計量學(xué)方法建立預(yù)測模型，旨在探索穩(wěn)定的微藻色素含量的快速無損檢測方法，為今后光譜技術(shù)應(yīng)用于微藻色素檢測領(lǐng)域提供了有力的基礎(chǔ)研究和技術(shù)支持，解決了現(xiàn)有檢測方法操作相對繁瑣、耗時、耗力的問題。本專利技術(shù)的具體技術(shù)方案如下：一種基于高光譜透射成像的雨生紅球藻色素含量可視化方法，包括以下步驟：(1)搭建高光譜透射成像系統(tǒng)；整個樣品載物臺有木板釘制而成，最上方中間鏤一圓孔，將光源安置固定在圓孔下方，且燈泡中心和圓孔中心相互對準(zhǔn)，然后將樣品放置在圓孔上方即可掃描收集樣品的透射光譜。(2)取不同生長周期的雨生紅球藻藻液加入到培養(yǎng)皿中進(jìn)行透射高光譜圖像的采集。(3)采用ENVI4.7軟件選取雨生紅球藻藻液的8500個像素點(diǎn)作為感興趣區(qū)域(ROI)，然后取該感興趣區(qū)域內(nèi)的平均光譜曲線。(4)采用上述得到的平均光譜曲線與藻液色素的化學(xué)值建立基于化學(xué)量學(xué)方法的預(yù)測模型。(5)對白板校正后的透射高光譜法采集的各100個樣本圖像512個波段選取感興趣區(qū)域ROI；(6)計算ROI得到各樣本平均光譜曲線；(7)對平均光譜曲線使用不同的預(yù)處理方法建模預(yù)測，選出最優(yōu)預(yù)處理方法；(8)用特征提取算法選取λ個有效波長，根據(jù)上述結(jié)果分析，λ為4或者6。然后使用PLS、MLR、LS-SVM三種不同建模方法建模預(yù)測，選出最優(yōu)模型算法；(9)將高光譜圖像輸入Matlab，選出特征波段下的感興趣區(qū)域光譜，ROI區(qū)域?yàn)閍*b大小的矩形，每個像素點(diǎn)都包含λ個波長信息；(10)將其展開成a*b*λ的矩陣，結(jié)合上述最優(yōu)的模型算法公式，計算預(yù)測每個像素點(diǎn)對應(yīng)的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素單位體積含量化學(xué)指標(biāo)；(11)根據(jù)對應(yīng)的化學(xué)指標(biāo)范圍，調(diào)整對應(yīng)顯示值的范圍，通過matlab輸出可視化圖像。步驟(1)中搭建的高光譜透射成像系統(tǒng)，其中光源為2900Lightsource，由美國Illumination Technology公司生產(chǎn)，配備150W石英鹵素?zé)簦饩€性
燈，色溫2800K，使用壽命200～8000h，可以提供380～2000nm波段連續(xù)平滑的光源。為了使得獲得的光源更加均勻，在圓孔上方安置一片磨砂毛玻璃。通過兩個分支光纖組成一對相互對稱的線光源，強(qiáng)度大小可以通過光源發(fā)射器可調(diào)。步驟(2)中使用可見/近紅外波段高光譜成像系統(tǒng)(ImSpector V10E)進(jìn)行掃描，掃描的光譜范圍為380～1030nm，共計512個波段，光譜分辨率為2.8nm，曝光時間為90ms，輸送帶速度為2.30mm/s。步驟(3)中去掉首部噪聲部分82個波長，保留480～1030nm(共430個波段)范圍內(nèi)的平均光譜。步驟(4)中藻液的色素主要包括葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素等；涉及的化學(xué)計量學(xué)方法主要有偏最小二乘法(PLS)，多元線性回歸(MLR)，最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)等。步驟(7)中涉及的預(yù)處理方法主要包括基線校正(Baseline offset，BO)、卷積平滑(Savitzky-Golay，SG)、多元散射校正(MSC)和變量標(biāo)準(zhǔn)化(SNV)等。步驟(8)中涉及的特征提取算法為連續(xù)投影算法(SPA)。步驟(8)中針對葉綠素a，葉綠素b，類胡蘿卜素選出的最優(yōu)模型分別為SPA-PLS，SPA-MLR，SPA-MLR。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果為：本專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雨生紅球藻色素含量的可視化研究，不需要配制任何溶液或采用顯微技術(shù)等，大大簡化了操作步驟，縮短了檢測時間，也避免了由于操作人員操作不熟練或者主觀因素帶來的測量結(jié)果不準(zhǔn)確等后果。附圖說明圖1為實(shí)施例中高光譜成像透射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例中透射高光譜圖像反演可視化過程示意圖。圖3為實(shí)施例中基于透射高光譜圖像的雨生紅球藻色素反演可視化圖像。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本專利技術(shù)。搭建如圖1所示的高光譜透射成像系統(tǒng)，包括暗箱1，暗箱1的底部為載物臺，載物臺上擺放有投射裝置3，鹵素?zé)艄庠?位于投射裝置3內(nèi)，且光源中心與其正上方的圓孔中心對準(zhǔn)，圓孔上方覆蓋一具有磨砂面的毛玻璃9，微藻樣本5放置于毛玻璃9上。暗箱1內(nèi)的頂部設(shè)有CCD相機(jī)7和高光譜儀2，其中高光譜儀2的鏡頭6位于微藻樣本5的正上方。載物臺由步進(jìn)電機(jī)8驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)8和CCD相機(jī)7均連接至計算機(jī)10，由計算機(jī)10通過步進(jìn)電機(jī)8控制載物臺，以及對CCD相機(jī)7所采集的高光譜圖像進(jìn)行處理。其中光源為2900Lightsource，由美國Illumination Technology公司生產(chǎn)，配備150W石英鹵素?zé)簦饩€性燈，色溫2800K，使用壽命200～8000h，可以提供380～2000nm波段連續(xù)平滑的光源。通過兩個分支光纖組成一對相互對稱的線光源，強(qiáng)度大小可以通過光源發(fā)射器可調(diào)。取不同生長周期的雨生紅球藻藻液2ml、4ml、6ml、8ml、10ml分別加入8ml、6ml、4ml、2ml、0ml蒸餾水稀釋藻液，共計5個不同濃度梯度的藻液，分別取4ml加入到培養(yǎng)皿中，重復(fù)20次，共計100個樣本。本實(shí)施例中使用可見/近紅外波段高光譜成像系統(tǒng)(ImSpector V10E)進(jìn)行掃描，掃描的光譜范圍為380～1030nm，共計512個波段，光譜分辨率為2.8nm，曝光時間為90ms，輸送帶速度為2.30mm/s。因?yàn)楦吖庾V攝像頭中存在一定的暗電流和噪聲，同時，光源的強(qiáng)度在各波段下的分布也不均勻，會容易造成高光譜圖像在光源強(qiáng)度分布較弱的波段下含有較大的噪聲，所以有必要對高光譜圖像進(jìn)行黑白校正。在相同的采集環(huán)境下，反射光譜掃描標(biāo)準(zhǔn)白色板，透射光譜由于沒有標(biāo)準(zhǔn)透射白板，固使用培養(yǎng)皿中放蒸餾水作為全透射白板，掃描兩者后得到標(biāo)定圖像Wλ，關(guān)閉相機(jī)鏡頭進(jìn)行圖像采集得到全黑的標(biāo)定圖像Bλ，然后按照式(1)對原始光譜進(jìn)行校正。Rλ=Iλ-BλWλ-Bλ---(1)]]>其中，Rλ為校正后的高光譜圖像，Iλ為直接采集到的高光譜圖像。所有高光譜圖像數(shù)據(jù)的采集都是基于Spectral Cube軟件平臺完成的，需要使用ENVI4.7(Research System I本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于高光譜透射成像的雨生紅球藻色素含量可視化方法，其特征在于，包括以下步驟：1)采用高光譜透射成像系統(tǒng)，對處于不同生長周期的雨生紅球藻藻液進(jìn)行透射高光譜圖像的采集；2)對所述的透射高光譜圖像進(jìn)行白板校正，選取雨生紅球藻藻液的若干個像素點(diǎn)作為感興趣區(qū)域，并提取該感興趣區(qū)域內(nèi)的平均光譜曲線；3)在預(yù)處理后的平均光譜曲線中提取λ個特征波段，并利用各特征波段的平均光譜曲線與藻液色素的化學(xué)值，使用PLS、MLR、LS?SVM三種不同方法建立預(yù)測模型；4)在所述的透射高光譜圖像中，選出特征波段下的感興趣區(qū)域光譜，感興趣區(qū)域?yàn)閍*b大小的矩形，每個像素點(diǎn)均包含λ個波長信息；5)選取各種藻液色素對應(yīng)的最優(yōu)預(yù)測模型，并利用展開得到的a*b*λ的矩陣，計算每個像素點(diǎn)對應(yīng)的葉綠素a、葉綠素b或類胡蘿卜素單位體積含量化學(xué)指標(biāo)；6)根據(jù)各種藻液色素的化學(xué)指標(biāo)范圍，調(diào)整顯示值的范圍，通過matlab輸出可視化圖像。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于高光譜透射成像的雨生紅球藻色素含量可視化方法，其特征在于，包括以下步驟：1)采用高光譜透射成像系統(tǒng)，對處于不同生長周期的雨生紅球藻藻液進(jìn)行透射高光譜圖像的采集；2)對所述的透射高光譜圖像進(jìn)行白板校正，選取雨生紅球藻藻液的若干個像素點(diǎn)作為感興趣區(qū)域，并提取該感興趣區(qū)域內(nèi)的平均光譜曲線；3)在預(yù)處理后的平均光譜曲線中提取λ個特征波段，并利用各特征波段的平均光譜曲線與藻液色素的化學(xué)值，使用PLS、MLR、LS-SVM三種不同方法建立預(yù)測模型；4)在所述的透射高光譜圖像中，選出特征波段下的感興趣區(qū)域光譜，感興趣區(qū)域?yàn)閍*b大小的矩形，每個像素點(diǎn)均包含λ個波長信息；5)選取各種藻液色素對應(yīng)的最優(yōu)預(yù)測模型，并利用展開得到的a*b*λ的矩陣，計算每個像素點(diǎn)對應(yīng)的葉綠素a、葉綠素b或類胡蘿卜素單位體積含量化學(xué)指標(biāo)；6)根據(jù)各種藻液色素的化學(xué)指標(biāo)范圍，調(diào)整顯示值的范圍，通過matlab輸出可視化圖像。2.如權(quán)利要求1所述的雨生紅球藻色素含量可視化方法，其特征在于，所述的高光譜透射成像系統(tǒng)包括中部設(shè)有圓孔的載物臺，光源位于圓孔下方，且圓孔...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邵詠妮，周宏，潘健，何勇，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33
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