（光学工程专业论文）基于灰度变化的牛奶菌群检测系统分析与设计.pdf

哈尔滨理1 二大学工学硕i ：学位论文 基于灰度变化的牛奶菌群检测系统分析与设计 摘要 我国现有的牛奶细菌总数检测技术存在检测周期长、操作复杂等缺点， 并且大都是在实验室环境下进行的，对检测环境和操作人员的素质都有很高 的要求。一些便携式检测仪器的出现虽然缩短了检测时间、简化了操作步 骤，但是随之而来的是高额的购买成本以及检测费用，我国只有十家左右大 型乳品企业有能力购买和使用。 针对这种状况，本文基于嵌入式应用技术及计算机应用技术，在色差法 的研究基础之上，探讨了一种基于灰度变化的检测方法，给出了基于灰度变 化的牛奶细菌总数检测系统的分析与设计。本文将色差法进一步拓展，利用 美兰作为指示剂，利用加入美兰后牛奶颜色所包含的灰度信息的变化量建立 了牛奶细菌总数与灰度值之间的关系模型，试验表明利用灰度值建立的关系 模型较之以前利用r g b 值建立的模型具有更小的误差和更好的线性度。该 系统在硬件平台的搭建中选用了目前比较先进的3 2 位a r m 处理器，较之 以前所使用的8 位单片机，处理速度有很大提高。软件设计中引入了嵌入式 操作系统，将i _ t c o s - i i 移植到本系统中，减小了系统软件开发的难度，无 论是中断处理的实时性还是系统的稳定性和可靠性都有很大的提高。 此检测系统的设计从价格和检测时间两方面考虑，所针对的销售群体是 广大的中小型乳制品企业，目的是为便于他们检测原料奶细菌总数，从而从 源头上保障牛奶制品的质量，减少牛奶中毒事件的发生。从潜在的客户群来 看，其有广阔的市场前景。 关键词细菌总数；菌群检测：色差；灰度 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 m i l km i c r o f l o r ad e t e c t i o ns y s t e ma n a l y s i sa n d d e s i g nb a s e d o ng r a yc h a n g e a b s t r a c t t h et o t a la m o u n to fm i l kb a c t e r i ad e t e c t i o nt e c h n o l o g i e st h a tw eu s ea t p r e s e n te x i s ts o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s d e t e c t i o np e r i o di st o ol o n ga n d o p e r a t i o ni st o oc o m p l e x a n dm a j o r i t yo fw h i c ha r eo p e r a t e di nl a b o r a t o r y ，a n d c a l lf o rv e r ys t r i c ta b o u to p e r a t i o nc o n d i t i o na n do p e r a t o r st e c h n i q u e i ta p p e a r s m a n yp o r t a b l ea d v a n c e dd e t e c t i o nm a c h i n e s ，w h i c ha r ef a s ta n de a s y - o p e r a t i n g ， b u tt h e ya r et o oe x p e n s i v ea n dd e t e c t i o ne x p e n s ei st o oh i g h t h e r ea r eo n l y a b o u tt e nl a r g ed a i r ye n t e r p r i s e si nc h i n au s i n gs u c hm a c h i n e si nt h e i rd e t e c t i o n s i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，b a s e do ne m b e d d e da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , o ns t u d yo ft h ep r i n c i p l eo fc o l o rd i f f e r e n c e ，i t d i s c u s sas o r to fd e t e c t i o nm e t h o da c c o r d i n gt og r a yd a t ac h a n g ea n dg i v e st h e t o t a la m o u n to fm i l kd e t e c t i o ns y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g ni nt h i st h e s i s t h i s p a p e rm a k e sf u r t h e rd e v e l o p m e n t a b o u t t h e o r yo fc o l o rd i f f e r e n c e u s i n g m e t h y l e n eb l u e a si n d i c a t o r , i tu t i l i z e st h eg r a yi n f o r m a t i o nc h a n g ed a t at h a t c o n t a i n e di nm i l k sc o l o rt ob u i l dm o d e lo ft o t a la m o u n to fm i l kb a c t e r i aa n d g r a yd a t a e x p e r i e n c ei n d i c a t e st h a tt h em o d e lb a s e so ng r a yd a t ah a sl e s s e r r o r a n db e t t e rl i n e a r i t yt h a nt h em o d e lb a s e so nr o bd a t a t h es y s t e mu s e s3 2b i t a r m p r o c e s s o r , w h i c hi s f a s t e rt h a n8b i ts i n g l e c h i pu s e db e f o r e i n t r o d u c i n g e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mw h e ni tt a k e ss o f t w a r ed e s i g n i n g a f t e rt h el a c o s - i i o p e r a t i o ns y s t e mi st r a n s p l a n t e d i n t od e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hd e c r e a s e st h e d i f f i c u l t i e so fs y s t e mss o f t w a r ed e s i g n i n g ，w h e t h e rt h er e a l - t i m eo fi n t e r r u p t h a n d l i n go rt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e mh a v eb e e ni m p r o v e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec o s ta n dd e t e c t i o np e r i o d sw h e nt h i ss y s t e m i s d e s i g n e d ，i tt a k e st h em i d d l i n ga n ds m a l ld a i r ye n t e r p r i s e sa si tsc u s t o m e r s t h e g o a li st oc o n v e n i e n tf o rt h e i rd e t e c t i n gt h et o t a la m o u n to fr a wm i l kb a c t e r i a ， p u ta l le n dt ot h ed i s q u a l i f i c a t i o nr a wm i l kf r o mh e a d s t r e a m ，a n dd e c r e a s et h e t i m e so fm i l kp o i s o n i n gh a p p e n i n g i nv i e wo ft h ep o t e n t i a lc u s t o m e r so ft h e i i - 哈尔滨理丁大学工学硕十学位论文 d e t e c t i o ns y s t e m ，i th a sb r o a dm a r k e tp r o s p e c t s k e y w o r d s t o t a la m o u n to f b a c t e r i a ，m i c r o f l o r ad e t e c t i o n ，c o l o rd i f f e r e n c e ，g r a y i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于灰度变化的牛奶菌群 检测系统分析与设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：太j 雾 日期：澎年多月，f 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于灰度变化的牛奶菌群检测系统分析与设计系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 j ， 不保卿。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 日期：棚罗年歹月心日 日期：矽巧年罗月f i f 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第1 章绪论 牛奶是一种营养价值很高的饮品，它几乎含有人体所需的所有营养成分。 自1 9 9 9 年开始，在经过中国经济过热和亚洲金融危机之后，我国乳业开始步 入快速发展的道路，近年来年均市场容量增长率超过4 0 。随着我国人民生 活水平的提高，人们对食品营养越来越注重，牛奶的消费量也以前所未有的速 度增长，而且消费增长要快于国内供给的增长。 然而，与这良好的发展势头相对，出现了一些不和谐的事件，发生了一些 由于乳品质量问题引起的中毒事件。如2 0 0 3 年3 月2 2 日，西安市临潼区有4 4 人因饮用了一农户家自产散装鲜牛奶中毒；2 0 0 4 年9 月3 0 日，福建省顺昌县 发生一起小学生喝牛奶中毒事件等等。中国奶业面临前所未有的诚信危机。造 成牛奶中毒事件的原因是牛奶中细菌总数严重超标，而原料奶的质量高低是影 响乳制品质量的关键乜1 。如果原料奶微生物数过高，将导致微生物数量成几何 级数增加，严重影响乳制品的品质和保质期口1 。从这个意义上讲，从源头上紧 抓原料奶的质量控制，将直接关系到整个乳业的质量安全n 。 造成原料奶不合格的原因主要有两点。首先我国缺乏与国际接轨的原料奶 质量检测标准懵1 ，目前生鲜奶收购执行的还是1 9 8 6 年颁布的生鲜牛乳收购标 准( g b 6 9 1 4 1 9 8 6 ) ，其中有关于收购牛乳时细菌总数指标的规定：一级奶应 小于5 1 0 5 个m l ；二级奶不超过1 0 6 个m l ：三级奶不超过2 1 0 6 个m l ；四级 奶则达到4 1 0 6 个m l 。而在发达国家，牛奶中微生物超过5 1 0 4 个m l 就要受 到严厉惩罚。如今生鲜牛乳收购标准( g b 6 9 1 4 1 9 8 6 ) 的修订版已经通过审 查，有望在近期出台，修订后的收购标准在微生物指标方面有所提高。其次， 我国牛奶生产状况落后，大部分企业由于资本的限制都没有能力很好的保证奶 源的质量。我国目前模式多为“公司+ 农户”型，9 0 以上的奶牛由农民饲 养，规模小、生产水平低。卫生设备不足，大多数牛奶达不到一级标准，细菌 总数普遍过高。在澳大利亚，虽然奶源模式也是“公司+ 农户”，但是对奶源的 控制非常严格。他们对收取的每一批牛奶都要采取快速的细菌总数测定方法进 行抽样。 由于我国奶业的落后导致奶制品安全事故频发，进而出现了国内对进口奶 哈尔滨理t 大学工学硕_ j j 学位论文 粉的需求大增，带动今年来我国奶粉进口的快速增长，对国内奶业带来很大的 冲击。据海关统计，2 0 0 7 年l 8 月我国进口乳制品1 9 9 万吨，价值4 4 亿美 元，比去年同期增长1 2 7 。为了提高我国乳品行业的国际竞争力，就必须保 证奶源的可靠性，这就对企业的牛奶细菌检测能力提出了更高要求。 目前我国用于牛奶检测的方法存在检测周期长( 一般2 4 - 4 8 h ) 、操作复杂等 缺点，对操作环境和操作者技术水平要求很高。而当今国内使用的一些先进的 检测仪器，基本都是国外的厂家研制出的，它们虽然操作简单，检测速度快， 精度高，但价格昂贵，检测费用也高，普通中小型企业根本无力负担，目前我 国只有十数家大型乳品企业才拥有这些先进仪器1 。因此，对送入乳品加工厂 的所有牛奶进行检测根本不可能。一些小工厂把未经检测的不合格牛奶投入了 生产，从而造成中毒事件的发生。 鉴于以上分析，研制出一种操作简单、价格适中、检测迅速的牛奶细菌总 数检测仪器，从而从源头上来保障牛奶的质量，提高民族奶业的国际竞争力， 是关系到我国奶业发展的大事。为此，与企业合作进行了此项目的研发。 1 2 国内外牛奶细菌总数测量技术及仪器现状 有关牛奶细菌总数测定的方法很多，各种方法应用各有所长。从总体上可 以归纳成如下几个大的方面：需要将样品放入培养基进行培养的；直接对样品 进行计数的；通过微生物生长代谢产物进行检测。现有的牛奶细菌总数检测方 法如表1 1 所示。 表1 - 1 现有的牛奶细菌总数检测方法 t a b l e1 - lt h em e t h o d sa reu s e da tp r e s e n tf o rt o t a la m o u n to fb a c t e r i ad e t e c t i n g 名称描述 标准平板计数法需要培养基进行培养。它最初是由r o b e r tk o c h 于1 8 8 1 年首次 ( s t a n d a r dp l a t ec o u n t , 引入n 1 。操作时，首先将样品在培养基中在3 7 0 c 下培养 s p c )2 4 - 4 8 h ，然后在显微镜下计数。该方法的缺点是检测周期长、 费用高，检测的数据不能代表牛乳中存在的全部活细菌数，而 仅仅代表在特殊物理环境中能存活的活细菌数阳1 。 疏水网格滤膜法需要培养基进行培养。检测时将样品首先通过一个0 5 p m 的滤 ( h y d r o p h o b i c g r i d 膜，然后再在疏水网格滤膜上过滤，这时样品中靶细菌被网格 m e n b r a n c ef i l t r a t i o n ， 捕获旧m 1 ，将捕获细菌后的h g m f 放于盒式琼脂上培养2 4 h h g m f ) 后人工或自动菌落计数1 。i s o g p i o 系统( q al i f ts c i e n c e 公 司) 就是基于这种原理的产品。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 续表( 1 1 ) 皿膜系统 需要培养基进行培养。它是1 9 5 5 年德国学者f i f o r g 发明的。 利用无毒的高分子材料做培养基载体的定性和定量检测试纸或 胶片n 引。3 m 公司生产的细菌总数测试片( p e t r i f i l ma e r o b i c c o u n tp l a t e s ，p a c ) 就属于此类产品。 r e d i g e l 系统 需要培养基进行培养。它是r c rs c i e n c e 公司的产品，由已灭 菌的多种营养成分与果胶混合装入试管制成。操作者取l m l 样 品加入制备好的试管中，混匀后倒入覆盖有一层钙质的培养皿 中。培养后，进行菌落计数3 。 自动旋转平板系统需要培养基进行培养。涂布系统八已知体积的液体样品以阿基 米德螺旋线方式，连续涂布在均匀琼脂营养基表面，从中心到 边缘涂布量依次减少。培养后，菌落沿螺旋线轨迹出现，可使 用网格计数等方法计数n4 1 。用此技术研制的仪器有 c a s b a r m ( s p i r a lb i o t e c h 公司) 、s c a n 5 0 0 ( c e l s i s 公司) 。 直接涂片计数法直接计数。将一定量样品均匀涂布于标记面积的玻片上，涂膜 干燥后染色。在显微镜下直接计数。该方法优点是可迅速得到 结果，操作时间1 0 1 5 m i n ，所需仪器设备少，除计数外还可鉴 别细菌形态类型1 。 血球计数器直接计数。将样品放在血球计数板载玻片与盖玻片之间的计数 室内，通过显微镜观察计数n 引。 直接荧光过滤膜技术直接计数。该方法是乳品工业上活细胞计数的一种快速方法将 ( d i r e c t e p i f l u o r e s c e n t经过酶、表面活性剂( t r i t o n 1 0 0 ) 处理过的样品，经过多聚碳酯盐 f i l t e rt e c h n i q u e ，d e f t ) 滤膜过滤，然后应用荧光染料进行染色，接着用落射荧光显微 镜在有限的视野内计数，其结果乘以放大系数就得到实际细菌 数。 1 1 8 。 流式细胞计数( f l o w直接计数。操作时，让样品流经一个小孔时检测细菌细胞与周 c y t o m e t r y ，f c m ) 围介质的电传导率的差异，或用激光照射，分析光的散射情 况，从而得知细胞大小、形状、密度等“9 。 固相细胞计数法直接计数。结合了f c m 和落射荧光显微镜计数。不需要进行前 增菌，可快速计数滤膜上( i 嗣相) 的单个细胞( 细胞计数) 2 0 1 。 还原试验法 通过微生物生长代谢产物检测。利用微生物生命活动过程中分 泌的一种还原酶，引起乳氧化还原电势的改变，还原酶数量与 细菌数量成正比，从而还原酶数量可通过电流击得电势变化测 古【z l 】t z z ) 匕 。 电发光法通过微生物生长代谢产物检测。操作时，在盛有被检测样品的 容器内加一对电极，并且在加电压的同时利用单光子探测仪测 量被检测样品和标准样品的电发光强度随时问的变化情况，根 据发光强度的差别得出被检样品是否被微生物污染及污染的程 o l r 【2 3 】【2 4 】_ - 1 2 5 1 ，x o 3 续表( 1 1 ) a t p 生物发光技术 通过微生物生长代谢产物检测。操作时，首先将1 卜微生物的 a t p 水解处理后。再将微生物体内的a t p 释放出来。在活细胞 中a t p 含量几乎是恒定不变的，利用特殊的酶试剂水解摔细菌 的细胞膜，使a t p 释放，a t p 与荧光素、荧光素酶制剂反麻变 成a m p 和光，通过测定光强度可确定细菌浓度【2 引。它的应用主 要有生乳活菌数检测、a t p 乳活茵数检测啦、u f t 乳活细菌检 测心引、设备清洁度的评估幢引及成品售期的推算基于此原理的检 测仪器有m i l l p o r e 公司的m i c r o s t a r ，h u g h e dw h i t e l o c k 公司的 b i o p r o d e ，p r o m e g a 公司的e n l i t e n 总a t p 快速微生物污染监 测盒等。 比浊法 通过微生物生长代谢产物检测。其原理是利用微生物对光的散 射来测定微生物浓度。m a t t i a 等利用b i o s c r e e n 浊度计检测生乳 中的细菌，将入稀释1 0 0 0 倍，以出去背景干扰m 1 3 h 。 电导分析与阻抗分析通过微生物生长代谢产物检测。1 9 7 9 年o c o n n o r 用该方法成功 测定了原乳中的细菌数量引。其原理是由于微生物在培养过程 中的新陈代谢，培养基的祖康( m ) 和电极周嗣的双电层电极阻抗 ( e ) 发生变化，且这种变化与微生物数量成某种比例关系。通过 测定m 与e 值得变化即可得到微生物的数量。英国r a d i o m e t e r 公司的m a l t h u sm i c r o b i o la n a l y s e r 系统，美国b i o m e t r i e u xv i t e k 公司的b a c t o m e t e r 监控系统就是基于此原理1 3 引。 微热量计技术通过微生物生长代谢产物检测。通过测定细菌生长时热量的变 ( m i c r o c a l o r i m e t r y )化进行细菌的检出和鉴别旧1 。 电化学测量方法通过微生物生长代谢产物检测。生物电池盒内基质因细菌资化 而生成代谢物质，细菌使基质养分氧化最终生成h 2 0 和c 0 2 。 在氧化还原过程中，电子传递链中的辅酶( 1 ) n a d 和辅酶( 2 ) f a d 起着传递氢的作用，基质中的氢因n a d 的催化作用而迁移形成 n a d h ( 其可被还原) ，在辅酶f a d 作用下被氧化，f a d 被还原 形成f a d h ，阳极( a 9 2 0 2 ) 的表面，f a d h 被氧化成为f a d ，其 氢原子和a 9 2 0 2 中的氧原子结合生成h 2 0 ，并生成银产物旧引。 此过程存在着电子转移，电化学法就是利用这些转移电子数目 来实现活性微生物的测量的。 上文表格中列出了一些近年来乳品工业中测定细菌总数常用的方法，并对 它们所采用的原理以及根据这些原理而开发的测试仪器也做了一些介绍。下面 对这些方法和仪器做一些分析：首先，对于需要培养基的检测方法，其检测速 度慢，一般是2 4 - - 4 8 h 才能给出结果，而且操作复杂，不适合现场检测的需 求：其次，直接计数和通过微生物生长代谢产物检测的方法，虽然不需要在培 养皿中进行样品培养，检测时间大大缩短( 2 0 m i n - l h ) ，但其操作还是过于复 杂，需要经过专门培训的人员才能操作，不利于推广；最后，从上文中列出的 一些检测仪器，可以看出全部是国外的公司设计生产的，虽然检测速度快，精 度高，但其价格昂贵，并且检测费用高，一般中小型企业的难以接受。现在国 内也出现了几个研究牛奶细菌检测的单位，一个是河南科技大学，以刘建学博 士为主，主要研究利用红外光谱数据快速测定牛奶中细菌总数。二是哈尔滨理 工大学和东北农业大学，以周真教授为主，提出以色差法检测牛奶中细菌总 数。如今这两个方向都还处于理论研究、完善阶段，并没有投入正式的使用。 针对目前所使用方法的不足，本课题在前人研究的基础上，不断完善色差 法检测技术，提出了灰度值检测牛奶细菌总数方法。色差法原理在文献 3 6 1 中 已有了详细论述。此方法与原来的色差法主要有以下两方面不同：1 以前的 色差法是建立在图像的r g b 三原色基础之上的，本文提出以牛奶颜色灰度变 化为基础来检测细菌总数；2 本文试验过程中，所采用的试剂是美兰，而非 刃天青，刃天青变色太快，不宜掌握实验过程中图像采集时间间隔，要是间隔 过长，不能纪录颜色变化的整个过程：3 本文在硬件设计上采用了目前比较 先进的3 2 位a r m 微处理器，增强了系统的图像数据处理能力，加快了数据 的处理速度，并且在软件上使用了嵌入式系统i t c o s i i ，所开发的应用软件实 时性、可靠性更高。本课题采用基于灰度变化的方法来检测细菌总数，整个检 测过程可缩短到2 0 m i n 之内，大大的提高了检测效率。同时本方法操作简单， 一般奶农都能很容易掌握，再加上设计时考虑了成本因素，在保证检测效果的 前提下，努力把成本降到最低，很符合我国一般奶农和中小型乳品企业的购买 能力。简单、实时、高效以及价格适中，这正迎合了我国广大中小型乳品企业 的需求，其广阔的市场前景是可想丽知的。 1 3 本课题主要研究内容 根据前面分析，本课题的主要研究内容包括： 1 分析影响系统设计的主要因素并提出解决方案； 2 在继承前人所做色差法的研究基础之上，对利用灰度值建立与牛奶中 细菌总数的关系模型进行理论分析，并进行了关系模型的建立以及最佳模型的 选择等； 3 牛奶菌群检测系统的硬件设计方案，包括照明模块、牛奶图像采集模 块及接口模块设计等部分； 4 系统软件设计方案，包括g c o s i i 的移植、固件程序编写、驱动程序 以及上位机应用软件的编写。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 第2 章细菌总数与灰度值变化之间的建模分析 2 1 影响系统的因素及解决方案 本章节重点分析都有哪些因素影响到牛奶细菌浓度测量系统的测量精度， 并给出相应的解决方案。 1 光照误差 由于本系统测量的结果直接受图像传感器获得的样品牛奶溶液的图像信息 的影响，因此系统对光源要求比较苛刻。故系统设计中把样品乳液，恒流照明 源和样品取像镜头封闭在一个暗箱里，即便如此，但由于各种原因造成的光照 误差仍然不能忽略。为了补偿光照误差，在暗箱内放置牛奶区域附近设置了标 准白板和标准蓝板，它们本身的颜色能保持恒定不变。标准自板用于测量未加 美兰试剂的牛奶颜色，标准蓝板用于测量加入美兰试剂后的牛奶颜色。测量牛 奶细菌浓度前，先获取标准白板和标准蓝板的颜色值，检验它们的误差是否在 最大误差范围之内。在该测量系统中，规定标准白板和标准蓝板的三原色值最 大误差均为0 0 1 。若超出最大误差范围，则不能用于测量牛奶细菌浓度，而要 对测量仪进行检查。只有它们的误差在允许范围之内时，才可以用测量仪来测 量牛奶中的细菌浓度。并且，。在获取牛奶颜色信息之前还要获取标准白板和标 准蓝板的颜色信息，以便对光照波动引起的误差进行补偿。 2 光谱 测量系统中由于样品的颜色是个逐步变化的过程，所以采用的是可见光范 围内连续的发光光源，为了能保证测得每一个样品在可见光范围内的真实的图 像信息。系统中采用了白光l e d 白光光源。其光谱如图2 1 所示。 3 牛奶分层 因为牛奶是流体并且体系复杂，久置后会发生分层现象，从而导致上下颜 色不一致。为此，美兰和牛奶混合均匀后，在混合后的样品溶液中加入乳化剂 甘油酯( g l y c e r i nm o n o s t r e a r a t e ) 及其衍生物，这样就可以保证了所获得颜色的一 致性，避免了牛奶溶液的分层所带来的影响。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t a m 图2 1 白光l e d 的发光光谱 f i g 2 1s p e c t r u mo f w h i t el e d 4 温度影响 图2 2 表现了牛奶中细菌增长与温度的关系。从3 0 0 0 0 0 c f u m l 开始，从 图中可以看到高温下细菌的生长速度以及冷却到4 0 c 时抑制细菌生长的效果。 经研究发现，牛奶中细菌总体最适生长温度为3 7 0 c 。为了保证每次牛奶细菌 浓度测量时温度条件一致，在测量前首先对牛奶进行恒温水育，使其温度保持 在细菌最适生长温度3 7 0 c 。同时，加快细菌增长速度还有利于缩短测量时间 和提高测量结果的准确性。 e a ， 包 a 】 仍 口 c o 苫 04812162 02 42 8 h o u r s 图2 - 2 细菌增长与温度的关系 f i g 2 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r o w t ho fb a c t e r i aa n dt e m p e r a t u r e 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 本系统采用厦门宇电自动化科技有限公司生产的宇电a i 7 0 8 型人工智能 调节器r ( v 7 o ) 控制加热温度，其准确度可达士o 1 。c 。考虑到水量( 大约5 0 0 m 1 ) ) 及 温度控制的稳定性，本系统使用3 0 瓦的加热器进行加热，牛奶( 大约3 m 1 ) 从 i o o c 升高到3 7 0 c 大约需要1 0 m i n 。 2 2 用灰度值建立牛奶细菌总数关系模型 本文中之所以选择用灰度值建模是基于以下几方面考虑： 1 使用r g b 值建模的方法建立的关系模型经过试验证明，效果不是很 好，特别是线性度不理想，因此我们在色差法的基础上提出一种新的研究方 法，那就是利用灰度值建立与细菌总数之间关系模型。 2 使用r g b 值建立关系模型时，变量太多。总共有r 、g 、b 三个变 量，这给建模带来了很大的难度。而使用灰度值建立关系模型时，变量只有一 个，那就是图象的亮度。亮度是影响灰度图的唯一因素，亮度越高，灰度越 浅，越接近于白色；亮度越低，灰度越深，越接近于黑色。 基于以上考虑，本文提出根据灰度变化来测量细菌总数，试验证明是可行 的，并且在线性度和误差控制等方面取得了比用r g b 值建模更好的效果。 2 2 1 利用灰度值建模的理论分析 利用灰度值建立模型与用r g b 值建模的原理一样，不同的是在用灰度值 建立模型时，我们运用m a t l a b 软件对图像的灰度信息进行处理，而不是对 r 、g 、b 值进行处理。 2 2 1 1 利用灰度值建模的可行性灰度图( g r a y s c a l e ) 是指只含有亮度信息， 不含色彩信息的图像。灰度化处理是指把含有亮度和色彩的彩色图像变成灰度 图像的过程。灰度化处理在许多图像处理中是很重要的一步，他的结果是后续 处理的基础口 。y i q 色彩系统属于n t s c 系统，y 是亮度，即图像灰度值，i 和q 指色调。它与r g b 的关系为： r r lf o 2 9 9 o 5 8 7o 11 4i f r l i ，l = l0 5 9 6 - 0 0 2 7 4 - 0 。3 2 20gi ( 2 一1 ) 【_ q jl o 2 1 1 一o 5 2 3 0 31 2j 【- b j 由上式可得出，灰度值计算公式为： y = 0 2 9 9 木r + 0 5 8 7 丰g + 0 11 4 木b ( 2 - 2 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 为了说明利用灰度信息建立数学建模的可行性，图2 3 以试验中所采集的 图像的灰度信息来说明。 图2 3 加入美兰后牛奶的灰度值变化 f i g 2 - 3c o l o rc h a n g e so f m i l ka f t e ra d d i n gm e t h y l e n eb l u e 从上图中我们用肉眼观察时，只能看出图像的颜色浓度逐渐变淡。这是因 为样品中细菌总数依次增多的结果。由于图片在视觉上差异不是很大，为了更 明显直观的说明原理，下面会提供图像的灰度直方图来进一步说明。 数字图像在计算机中是以矩形点阵形式存在的一个位图，像素作为数字图 像的基本元素，一幅m x n 大小的图像中，每个像素由具有的不同明暗程度的 灰度值所标识。若将白色的灰度值定义为m 戕，黑色灰度值定义m i n ，由黑到 白之间的灰度均匀地划分为三m 积m i 。个等级。本实验中我们定义灰度值范围 为：0 - 2 5 5 。下面我们将列出图像的灰度直方图。 从图2 4 中，我们可以很容易地看出：每幅图的灰度值都集中在一个很小 区域的某些值内，并且，每幅图像所集中的区域不同，呈现出逐渐增大的趋 势。 1 ：i 至! 。： ：查“。：臣? j 5 。；臣5 。鼍 ：至；：；匿! ； 5 。； ：! ：了5 。! ：! ：翌5 。i 日 图2 4 美兰与牛奶样品混合的初始时刻灰度直方图 f i g 2 4t h ec h a r to fs t r a i g h td i r e c t i o nt h a ti u s ta f t e ra d d i n gm e t h y l e n eb l u e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 因此，我们可以得出要建立模型的函数关系式： a y = j ( n )( 2 3 ) 2 2 1 2 利用灰度值建立数学模型在试验中，我们向牛奶中加入美兰试剂， 均匀混合后每隔o 5 h 采集一次牛奶样品的颜色信息。根据这些数据，我们利用 m a t l a b 软件进行细菌总数与颜色变化量之间关系的曲线拟合。在进行数据 拟合过程中要注意拟合阶数的问题：拟合多项式的阶数取得太低，拟合会过于 粗糙，阶数取得太高，会拟合“过头 ，使数据噪声也被纳入模型。在建立关 系模型过程中，我们对曲线进行插值( 样条型( s p l i n e ) 插值和三次( c u b i c ) 插值) 处 理，以得到更好的曲线拟合效果。下面分别给出间隔0 5 h 以及7 5 h 的建模分 析。 1 数学模型一( 间隔0 5 h ) 间隔0 5 h 时的色差如表2 1 所示： 表2 1 间隔o 5 h 时刻的灰度值与菌数关系表 注：牛乳菌数n 取值l 、2 、9 ，分别表示试管l - 9 中牛奶的细菌数。 根据表2 1 中的数据，我们可以方便地建立间隔o 5 h 时刻的牛奶菌群与灰 图2 5 间隔o 5 h 时刻建模中多项式阶次的适当度 f i g 2 5r a n ks u i t a b i l i t yo fm u l t i n o m i a lw h o s ei n t e r v a li sh a l t h o u r 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 其拟合曲线与进行插值( 样条型( s p l i n e ) 插值和三次( c u b i c ) 插值) 曲线如图 2 - 6 、图2 7 所示： 图2 - 6 间隔0 5 h 时刻建模的拟合曲线 f i g 2 - 6f i t t e dc u r v eo fh a i f h o u rsi n t e r v a l 图2 7 插值后的曲线 f i g 2 - 7f i t t e dc u r v ea f t e ri n t e r p o l a t i o n 建模中得出的间隔0 5 h 时刻的拟合多项式的系数和离差结果为： ha 2 】一 - 1 6 0 8 87 7 0 8 3 】 胁，d a 2 】- o 2 5 8 21 4 5 3 0 】 由此，我们可以得出关系模型一( 间隔0 5 h 时刻) 的模型关系式为： a y = ( ) = a i n + a 2 = 一1 6 0 8 8 n + 7 7 0 8 3( 2 4 ) 2 数学模型- ( 1 4 隔7 5 h ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 间隔7 5 h 时的色差如表2 2 所示： 表2 2 间隔7 5 h 时刻的灰度值与菌数关系表 t a b l e2 - 2t h er e l a t i o no fg r a y v a l u ew h o s ei n t e r v a li s7 5h o u r s nl234 5 y4 0 7 3 88 3 8 9 31 4 7 4 2 58 8 8 1 415 3 6 1 3 续表2 2 n 6789 y6 8 8 0 06 5 3 1 0 1 5 0 4 7 9- 1 0 3 3 1 根据表2 2 中数据，我们可以方便地建立间隔7 5 h 时刻的牛奶菌群与灰度值 差之间的关系模型。建立过程中的适当选择与结果如图2 8 、图2 9 、图2 1 0 ： 图2 8 间隔7 5 h 时刻建模中多项式阶次的适当度 f i g 2 - 8r a n ks u i t a b i l i t yo f m u l t i n o m i a lw h o s ei n t e r v a li s7 5h o u r s 图2 - 9 间隔7 5 h 时刻建模的拟合曲线 f i g 2 - 9f i t t e dc h i l eo f7 5h o u r si n t e r v a l 1 2 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 图2 1 0 插值后的曲线 f i g 2 10f i t t e dc u r v ea f t e ri n t e r p o l a t i o n 建模中得出的间隔7 5 h 时刻的拟合多项式的系数和离差结果为： k 。a 2 】- 【o 2 2 8 66 7 1 5 7 】 i 砌l出2 | - t o 9 0 3 9 5 0 8 5 4i 由此，我们可以得出关系模型二( 间隔7 5 h 时刻) 的模型关系式为： a y = 厂( ) = 口l n + 口2 = 0 2 2 8 6 n + 6 7 1 5 7( 2 5 ) 为了便于比较，下文中也给出根据r g b 值建立模型的情况，在处理时规 定r 、g 、b 三原色取值范围为【0 ，1 】。 3 关系模型- - ( 1 茸q 隔o 5 h 时刻) 间隔0 5 h 时刻的色差如表2 3 所示： 表2 3 间隔0 5 h 时刻的色差与菌数关系表 1 a b l e2 3t h er e l a t i o no fc o l o rd i f f e r e n c ew h o s ei n t e r v a l i sh a l f h o u r n j 12345 续表2 3 n6 l 78 9 1 a s3 3 11 2 6 i 3 2 7 8 6 93 5 8 4 2 32 1 3 6 7 5 根据以上数据，我们利用m a t l a b 建立牛奶细菌数与色差的关系模型。 建立过程中的适当选择与结果如图2 1 1 ，、图2 1 2 、图2 1 3 ： 哈尔滨理r t 大学工学硕士学位论文 图2 - 1 1 间隔0 5 h 时刻建模中多项式阶次的适当度 f i g 2 1 lr a n ks u i t a b i l i t yo fm u l t i n o m i a lw h o s ei n t e r v a li sh a l f h o u r 图2 1 2 间隔0 5 h 时刻建模的拟合曲线 f i g 2 12f i t t e dc u r v eo fh a l f h o u rsi n t e r v a l 图2 1 3 插值后的曲线 f i g 2 13f i t t e dc u i w ea f t e ri n t e r p o l a t i o n 1 4 n 髯日 ；，藐l，一臻箩f，。滚 哈尔滨理工大学工学硕j ：学位论文 建模中得出的间隔o 5 h 时刻的拟合多项式的系数和离差结果为： k l ，口2 ，口3 ，口4 ，口5 n o 2 9 2 1 5 4 8 5 23 0 8 7 8 6 4 7 8 2 4 7 3 8 4 0 8 1 胁l ，d a 2 ，d a 3 ，d a 4 ，d a 5 】_ 【o 4 5 6 3 9 1 7 3 06 2 5 4 6 71 6 5 2 7 7 6 1 3 5 0 5 1 4 由此，我们可以得出关系模型三( 间隔o 5 h 时刻) 的模型关系式为： 扯八) 2 丽万毋 ( 2 - 6 ) l 、 0 2 9 21 n 4 5 4 8 5 2 n 3 - i - 3 0 8 7 8 6 n 2 4 7 8 2 4 7 n + 3 8 4 0 81 4 关系模型四( 间隔7 5 h 时刻) 间隔7 5 h 时刻的色差如表2 4 所示： 表2 - 4 间隔7 5 h 时刻的色差与菌数关系表 t a b l e2 - 4t h er e l a t i o no fc o l o rd i f f e r e n c ew h o s ei n t e r v a li s7 5h o u r s n l23 45 l s1 5 8 9 8 31 0 7 6 4 37 7 2 2 0 8 3 0 5 67 4 2 9 4 续表2 4 n6 789 1 s 1 0 3 9 5 09 4 5 1 8 i 8 3 6 1 2 i1 1 4 8 1 1 根据以上数据，我们利用m a t l a b 建立牛奶细菌数与色差的关系模型。 拟合曲线及插值后结果和差结果图如图2 1 4 和图2 1 5 所示： 图2 1 4 间隔7 5 h 时刻建模的拟合曲线 f i g 2 - 14f i t t e dc h iv eo f7 5h o u r s i n t e r v a l - 1 5 哈尔滨理r 丁大学工学硕士学位论文 图2 1 5 插值后的曲线 f i g 2 - 15f i t t e dc u r v ea f t e ri n t e r