数学形态学在海洋浮游植物显微图像处理中的应用.pdf

第 47卷 增刊 2 2008年 12月 厦门大学学报 自然科学版 Journal ofXiamen University NaturalScience Vo l 47 Sup 2 Dec 2008 收稿日期 2008 10 19 基金项目 福建省科技重大专项前期研究项目 2005YZ1024 国家 自然科学基金科学仪器基础研究专项 40627001 资助 Ema i l gaoyh xmu edu cn 数学形态学在海洋浮游植物显微图像处理中的应用 高亚辉 1 罗金飞1 骆巧琦1 杨晨辉2 1 厦门大学生命科学学院 2 厦门大学信息科学与技术学院 福建 厦门 361005 摘要 数学形态学是分析几何形状和结构的数学方法 广泛应用于各类图像形状和结构的分析与处理 浮游植物是海洋 生态系统中的重要初级生产者 其个体微小 但形态特征各异 一般要在显微镜下才能进行准确的种类鉴定 本文以海洋 常见赤潮藻血红哈卡藻 Akashiwo sanguinea H irasaka Hansen 二值图像形态学 灰度图像形态学 海洋浮游植物 中图分类号 Q 949 2 文献标识码 A 文章编号 0438 0479 2008 S2 0242 04 海洋浮游植物是海洋生态系统中的最主要初级生 产者 也是海洋生物资源的重要组成部分 具有种类 多 数量大 繁殖快等特点 在海洋生态系统的物质循 环和能量流动中起着极其重要的作用 对海洋浮游植 物的研究 教学和开发利用 都离不开对其种类的分类 和鉴定 海洋浮游植物个体微小 一般要在显微镜下通 过观察拍照才能进行种类鉴定 但不同浮游植物种类 其细胞形态特征各异 通过对其显微图像进行适当的 处理分析 并建立相应的数据库 可以实现对其种类的 计算机自动识别和鉴定 1 数学形态学是分析几何形状和结构的数学方法 是建立在集合代数基础上 用集合论方法定量描述几 何形状的科学 数学形态学是有一组形态学的代数运 算子 最基本的形态学算子有 腐蚀 膨胀 开和闭运 算 用这些算子及其组合来进行图像形状和结构的分 析与处理 包括图像分割 特征提取 图像滤波 图像增 强和恢复等方面的工作 图 1 图 1 数学形态学的处理方法 F ig 1 The processing method ofmathematicalmorphology 应用数学形态学算法对海洋浮游植物显微图像进 行分析与处理 可望提供快速高效的优化算法 为浮游 植物显微自动识别提供了理论基础 本文以海洋常见 赤潮藻血红哈卡藻 Akashiwo sanguinea H irasaka Hansen 而闭变换恰恰相反 为先做膨胀再做 腐蚀的级联变换 利用结构元素 b对信号 f 的灰度开变换 10 和闭变 换 10 分别定义为 f b f b b f b f b b 另外 灰度开闭变换也满足对偶性和单调性 在此 就不一一列出 同样 灰度形态变换也有各种如开闭 闭开等级联变换 2 算法测试 2 1 基于二值图像形态学算法的数学形态 学处理平台 以血红哈卡藻 Akashi wo sanguinea 显微图像为例 首先采用二值图像形态学的基本算子来实现膨胀 腐 蚀 开闭运算 其模式分割模式采用 Binary Count 11 对 识别的目标进行标记 以便以后目标分割 图 2 其中 vc 代码如下实现 m M orpheus SetI m ageIn m M orpheus GetI m age O ut m M orpheus SetDistance Type 1 m M orpheus B inaryCount Property Count iCount m M orpheus GetCount m cvDispDs t SetI m age m M orpheus GetI mage Out long I m age m cvDispDs t Refresh Refresh the Display 图 2 基于二值图像形态学算法的数学形态学处理平台 以血红哈卡藻为例 Fig 2 M athematicalmorphology processing platfor m based on binary i mage morphologicalprocessing algorithm phytoplankton species of the i mage isAkashi wo sanguinea 244 厦门大学学报 自然科学版 2008年 图 3 基于灰度图像形态学算法的数学形态学处理平台 以血红哈卡藻为例 Fig 3 M athe maticalmorphology processing platfor m based on gray i mage morphological processing algorithm phytoplankton species of the i mage isAkashi wo sanguinea 2 2 基于灰度图像形态学算法的数学形态 学处理平台 以二值化后获得的血红哈卡藻 Akashiwo sanguin ea 显微图像为例 采用灰度图像形态学的基本算子来 实现膨胀 腐蚀 开闭运算 其模式分割模式采用 B ina ry Separa 11 对标记后的目标 采用基于形态学分水 岭的图像分割 以便使目标与背景分离 为该目标的面 积 质心 周长 尺寸 方位的 blob分析以及形状特参 数征的提取奠定了良好的基础 图 3 其中 vc 代码如下实现 m M orpheus SetI m ageIn m M orpheus GetI m age O ut m M orpheus SetDistanceType 1 m M orpheus B inarySepara Property Count iCount m M orpheus GetCount m cvDispDs t SetI m age m M orpheus GetI mage Out long I m age m cvDispDs t Refresh Refresh the Display 3 结 语 数字图像处理是当今计算机科学中最具有前景的 领域之一 图像技术有非常广泛的应用 而数学形态学 是图像处理中的重要方法之一 数学形态学的基本理 论和方法用于海洋浮游植物显微图像的处理 可为海 洋浮游植物显微自动识别系统的研究和开发奠定理论 基础 本文利用二值图像的形态学处理的基本算子和灰 度形态学 对藻类细胞图像进行了分析 给出了图像处 理的结果 对其算子的实现和改进的快速算法做了研 究和比较 在此基础上提出了自己的改进算法 结果证 明了利用数学形态学方法可以对浮游植物显微图像实 现快速高效的处理 结合海洋浮游植物的特点可以进 一步开发显微图像处理软件 具有广泛的应用前景 参考文献 1 高亚辉 杨军霞 骆巧琦 等 海洋浮游植物自动分析和 识别技术 J 厦 门大学 学报 自然科 学版 2006 45 Sup 2 40 45 2 Hans D B Bayer M M Auto matic diato midentification M Europe W orld Scientific 2002 3 GonzalezR C W oodsR E Steven L 数字图像处理 MAT LAB版 M 北京 电子工业出版社 2007 4 Ambauen R Fischer S Bunke H Graph edit distance w ith node splitting andmerging and its application to diato m iden tification C Hancock E Vento M Eds I APR W orkshop GbRPR 2003 LNCS 2726 Berlin Heidelderg Springer Ver lag 2003 95 106 5 Joynt E H An i mage database for diato m identification and nomenclature J Journal of Paleoli mnology 1999 22 109 114 6 H icksY A A modelofdiatom shape and texture for analysis synthesis and identification J M achine V ision and Applica tions 2006 17 297 307 7 F ischer S BunkeH Automatic identification of diatoms using decision forests C Perner P Ed MLDM2001 LNA I 2123 Berlin Herdelberg Springer Verlag 2001 173 183 8 SchettiniR Brambilla C Cusano C et a l Automatic classifi cation ofdigitalphotographsbased on decision forests J In 增刊 2高亚辉等 数学形态学在海洋浮游植物显微图像处理中的应用 245 ternational Journal ofPatternRecognition andA rtificial Intelli gence IJPRAI 2004 18 5 819 845 9 W ang X Auto matic feature queried bird identification sys tem based on entropy and fuzzy si m ilarity J ExpertSyste ms withApplications 2008 34 2879 2884 10 Pulkkinen P Fuzzy classifier identification using decision tree andMultiobjective evolutionary algorithms J Interna tional JournalofApproxi mate Reasoning 2008 48 526 543 11 Jalba A C Automatic segmentation of diatom i mages for classification J M icroscopy Research And Technique 2004 65 72 85 Application ofMathematicalMorphology toM icroscope I mage Processing ofM arine Phytoplankton GAO Y a hui 1 LUO Jin fei 1 LUO Q iao qi1 YANG Chen hui2 1 School of Life Sciences Xiam enU niversity 2 School ofComputer and Infor m ation Engineering X ia m en University X iam en 361005 China Abstract M athe m aticalmorphology is one of am athe matical methods for analysis of geometric shape and structure and has been com monly used in m i age analysis and treat m en t Phytoplankton is m i portantprm i ary producer inm arine ecosyste m whose cell isusually sm all and c