CN107110755A - 用于检测液体中颗粒的数量和质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测液体中颗粒的数量和/或质量的方法，其中，待检查的液体被布置在光学装置的在至少一个光源与图像检测传感器之间的光路中，该图像检测传感器具有感光单元矩阵，其中，检测所述单元的像素值并至少部分地确定所述像素值的分布，其中，最频繁地被确定的一个像素值或多个像素值被用作用于背景信号的值或平均值，其中，在达到用于所述背景信号的预定边界值时发出一信号或中断该方法。

Description

用于检测液体中颗粒的数量和质量的方法
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分中记载的特征的用于检测液体中颗粒的方法。
背景技术
用于光学地检测液体中颗粒的方法属于现有技术。在这点上，参考EP2469264A1、WO2010/063293A1和WO2014/094790A1，在这些文献中该检测借助图像检测传感器、例如CCD传感器来进行，该图像检测传感器具有感光单元矩阵，其中待检查液体被引入光学装置的光路，该光路在至少一个光源与图像检测传感器之间。这些装置虽然被规定用于确定处于稳定状态中的液体中的颗粒的数量和质量，但是也被用于近似稳定的连续检查，例如用于定期检验饮用水。这些装置为此通常具有试样载体，试样载体的液体可更换。为此设置相应的阀、可能的泵和排流控制器。
在评价图像检测传感器的信号时，属于现有技术的是检测各个单元的像素值并至少部分地确定这些像素值的统计学分布。在此最频繁地被确定的一个像素值或多个像素值被用作用于背景信号的值或平均值，该背景信号在稍后的信号处理时被从原始像素值减去，以便以该方式在计算上使背景或背景噪声隐没并简化和改进颗粒检测。在这点上，参考Kim,Seongjai和Lim,Hyeona的，，Method of Background Subtraction for MedicalImage Segmentation“(《自然》2013)。
尤其地，在检查饮用水时，但是还有在有利于增加沉积物或有机物生长、例如生物膜的其他液体的情况下，试样载体的、尤其是试样载体窗口的长时间稳定性是有问题的。沉积物不是突然增加，而是连续且不具有可预见的速度地增加，并导致结果随时间推移总是更不准确直至测量完全失效。因此需要定期更换试样载体，也就是说如下的构件，在该构件中，液体沿着窗口被引导，该窗口设置在光学装置的光路中。因为沉积物增长的速度是变化的，所以试样载体的更换必须预备性地在比较短的时间间隔内进行，这是成本过高和昂贵的。
发明内容
在该背景下，本发明的目的是提出一种方法，该方法检测这些沉积物并且该方法根据可能性以现有的设施来检测。
本发明的目的由如权利要求1中所述的方法来实现。用于实施该方法的相应设计的装置在权利要求12中给出。本发明的有利设计方案从从属权利要求、下面的说明和附图中得出。在此，在从属权利要求和说明书中给出的特征可分别单独但也可以以合适的组合来进一步设计根据权利要求1或权利要求12的按照本发明的解决方案。
在根据本发明的用于检测液体中颗粒的数量和/或质量的方法中，待检查液体被布置在光学装置的在至少一个光源与图像检测传感器之间的光路中，该图像检测传感器具有感光单元矩阵。在此，检测这些单元的像素值并至少部分地确定这些像素值的分布，其中，最频繁地被确定的一个像素值或多个像素值被用作用于背景信号的值或平均值，正如这原则上属于现有技术的那样。根据本发明，然而在达到用于背景信号的预定边界值时发出一信号或中断该检测方法。
根据本发明的方法的基本思想是，如下这样地评价用于背景信号的本身总归要确定的值，即，该值处于用于背景信号的预定边界值下方还是上方，其中，在达到该边界值时或在超过时发出一信号或中断该方法。因此，总归要确定的值被确定用于查明：是否存在检查窗口的不允许的高沉淀度或污染度，还有在光源与传感器之间是否存在多余光学装置，以便要么发出信号通知达到或超过该边界值的信号，要么中断该检测方法。在此，当给出了具有与可能的最大允许值的足够间隔的边界值时，信号发出可以是足够的，该信号发出使用户从中知悉现在尽快更换试样载体或至少清洁该试样载体或为此启动自动控制。
用于检测液体中颗粒的数量和/或质量的根据本发明的方法在原则上不取决于液体静止还是流动。但是优选地，根据本发明的方法用于近似稳定的液体，也就是说，待检查的液体可流入试样载体中，然后但是关闭入口和出口并等待一定的时间，直至处于液体中的颗粒不再运动，也就是说在颗粒悬浮的情况下达到近似稳定的状态并在比液体明显更重或更轻的颗粒的情况下，这些颗粒要么完全下沉要么浮起。
根据本发明的方法的优点在于，该方法使用了现有的资源并可以近似以软件方式执行，也就是说不引起附加的成本。
在此理想地，确定感光单元的整个矩阵的像素值分布。可理解的是，如果仅评价该矩阵的大部分，如果例如这些单元的一部分应被用于其他目的并且为此不可用，也可以是足够的。在此不必是最频繁地被确定的一个像素值，而也可以是多个像素值。通常，在分布曲线图中得出高点，该高点于是被用作用于背景信号的值或平均值，例如通过形成中间值。也被称为噪声信号的背景信号在稍后评价像素值时从每个单个的像素值减去，以便因此确保近似无噪声的评价。
在此，根据本发明的有利改进方案，可在达到用于背景信号的第一预定边界值时发出一信号并且在达到第二预定边界值时中断该检测方法。这种两级解决方案是有意义的，以便提早指出光学装置的、尤其是试样载体窗口的污染增多，并且在另一步骤中最晚当污染高到使得统计学上得到保障的评价不再可能时于是停止该检测方法。在此，边界值适宜地被预定为，使得第一边界值明显低于允许的边界，在该允许的边界之内确保了液体中颗粒的可靠的数量检测并优选还有质量检测，第二边界值正好处于该边界值下方或由该边界值自身构成，使得在达到该边界值时确保不再进行检测或中断所述评价。
在根据本发明的方法中，有利地拍摄不同图像平面中的多个图像，就像这点例如在WO2014/094790A1中描述的那样。为了在背景信号方面进行统计学上得到保障的评价，适宜的是，背景信号由多个相继拍摄的图像的值或平均值的中间值构成，优选是不同图像平面的500至1500个图像的中间值，但是是同一液体试样。
为了不仅确保当前检查的质量，而且为了尤其是检测和评价光学装置、尤其是试样载体窗口内部的沉积物或污染的增长，按照根据本发明的方法的有利改进方案设置为，由时间上相继进行的对液体中颗粒的检测来记录用于背景信号的值并根据所记录的值的时间上的变化来确定变化速度。根据该变化速度于是可容易地确定，检测过程还可继续多久，而不需要为清洁目的或更换构件而干预该***。在此，变化速度给出如下暗示，即，在何时要考虑沉积物和污物增长多少。当光学***内部发生了不期望的且突然的改变时，变化速度的确定也允许提早被识别到。
按照根据本发明的方法的有利改进方案，记录用于背景信号的值和确定所记录的值的时间上的变化可被有利地用于确定：预计何时达到用于背景信号的预定边界值。因此，相应地被设置的装置可在相应的显示器中给出：预计最晚何时进行清洁该装置或更换试样载体。
因此，背景信号适宜地被考虑作为针对光路中的污染的程度，并且在达到预定边界值时，将容纳待检查液体的液体载体或试样载体进行清洁或更换，也就是说由新的或清洁好的液体载体进行代替。
因为这种光学装置中的污物、尤其是试样载体窗口内部的在此所讨论的生物膜形成通常不是突如其来的，而是超过多天或多周地进行，所以原则上不需要不断检验该背景信号。但是根据本发明，有利地在每次检测颗粒之前或至少在预定时间间隔内进行背景信号的确定，以便确保足够的***安全。根据本发明的有利的改进方案，原则上也可设置为：在未填充状态中确定试样载体的污染度，也就是说当试样载体尚未被液体填充或在测量过程之前将该试样载体排空并且优选地也使该试样载体干燥时，确定所述背景信号。
在此，根据本发明的有利的改进方案，可在评价传感器单元矩阵的像素值时将该矩阵实现为多个优选相同大小的分矩阵，并可为每个分矩阵形成一背景信号。在此，将其背景信号超过预定的另一边界值的一个分矩阵或多个分矩阵从用以检测颗粒的进一步评价中除去。根据本发明的该有利改进方案的优点在于，试样载体窗口的各个严重被污染的部分被有针对性地在检测中除去，例如气泡或该数量级上的颗粒那样的较大颗粒也属于此类，如果例如涉及对例如细菌或浑浊物质那样的明显较小的颗粒进行检测的话。
像素值的分布可不仅被用于确定背景信号，有利地由此也将颗粒按大小进行分类。尤其地，如果重要的是检测特定颗粒，则这种按大小分类已经可以是第一选择，该选择可在方法上并且也在评价技术上相对容易地执行。
适宜地，数字式进行像素值评价。与此无关，适宜地已证实的是，用于背景信号的边界值和/或用于分矩阵背景信号的另一边界值被预定为最大像素值的10％至20％。该百分比数据不取决于像素值的分辨率。在相应于256亮级分辨率的、8比特分辨率的像素值的情况下，已证实为有利的是，将用于背景信号的边界值固定在30和50之间、优选预定在35和40之间。因此，这意味着，在预先给定分辨率时在扣除背景信号之后还在任何情况下都留下多于200个不同的亮级。在此，该边界值不取决于：是否涉及如下的光学装置，在该光学装置中，光源直接照透试样载体窗口(明视场技术)；或者是否涉及仅间接的光到达试样载体的光学装置(暗视场技术)。重要的是，在这两种情况下分别留下多于200级的测量范围。
作为用于分矩阵背景信号的另一边界值，已证实在8比特分辨率下35和45之间的值是有利的。因此，在根据本发明的方法中，于是仅将如下的分矩阵从进一步的检测过程除去，这些分矩阵具有所述分矩阵的超过35和45之间的值的背景信号，视在此哪个值被预定而定。
用于光学检测液体中颗粒的根据本发明的装置具有：光源；带有感光单元矩阵的图像检测传感器；设置在光源和图像检测传感器之间的光路中的液体载体；以及具有控制和评价电子设备，该控制和评价电子设备检测所述单元的像素值并且至少部分地确定像素值的分布，并且该控制和评价电子设备将最频繁地被确定的一个或多个像素值用作用于背景信号的值或平均值。根据本发明，控制和评价电子设备被设计为，使得在达到用于背景信号的预定边界值时发出一信号或中断检测过程。以类似的方式，根据本发明可构造控制和评价电子设备，以实施前述其他的方法特征。
附图说明
下面参照附图阐释本发明的部件，其中示出：
图1为曲线图，该曲线图一方面示出背景信号在多于一年的时间段上的走向，另一方面示出像素值针对该时间段的频率分布。
图2a为借助于CCD传感器检测的试样图像，
图2b为根据图2a的图像的像素值的频率分布，
图3a为在沉积物形成提高了的情况下相应于图2a的另一图像，
图3b为根据图3a的图像的像素值的频率分布，
图4a为具有大颗粒和小颗粒的图像的大大简化的视图，
图4b示出图像4a的大颗粒在评价时如何被隐没，
图5a为相应于图4a的另一图像，以及
图5b为在评价时相应的隐没。
具体实施方式
在检测液体中颗粒的数量和质量时使用了本身已知的装置，在该装置中，将具有窗口的试样载体设置在光源与CCD传感器之间。在此，可要么直接进行窗口的照明(明视场技术)要么间接进行窗口的照明(暗视场技术)，然而这对于在此所讨论的方法是不重要的。根据图2a至图5a的视图正如其用于检查饮用水适宜的那样在暗视场技术中被拍摄，但是以被转化的方式示出，尤其是以便确保复制和光学可识别性。实际上，在暗视场技术中所检测到的颗粒在黑色或灰色的背景下看起来是白色。不仅在应用明视场技术的情况下，而且在应用暗视场技术的情况下，首先在传感器的真正的信号评价之前确定用于背景信号的值。这点根据多个单个图像来进行，下面然而为清楚起见仅根据一个图像来分别示出。
因此，例如相对根据图2a的图像确定像素值的频率分布。利用其来生成根据图2a的图像的CCD传感器具有感光单元矩阵，其中，每个单元相应于所输入的光量来产生电载荷，这些电载荷作为电信号被输出，其中，为每个单元确定一像素值，该像素值相应于该单元的载荷值。由此，在在这里所选择的8比特分辨率的情况下，每个单元可确定256个亮度值，从最亮的白色直至最深的黑色。
在此，首先为根据图2a的图像确定，哪些亮度值、也就是说哪些像素值以何种数量出现在矩阵中。结果被再现在根据图2b的曲线图中。在根据图2a的图像中最频繁出现的像素值1在频率为3.5x 105的情况下具有25的亮度，如图2b能够识别的那样。直接毗邻的是具有类似高的频率的其他亮度值，更确切地说是在20和30之间。在该区域中布置有图2b的高点2，该高点代表根据图2a的图像的淡灰色区域。由该高点2构成中间值，该中间值构成背景信号并代表图2a中的淡灰色面。
该背景信号在图像评价中是不利的，因为该背景信号比整个图像更亮。因此，在稍后的图像评价中，将该背景信号从每个单个像素值扣除，使得为该评价提供在理想情况下没有灰色背景而是具有白色(实际上是黑色)背景的图像。在暗视场技术中，这点以反转的方式进行，使得构成在理想情况下深黑色的背景，其中，颗粒不像图2a中那样为深颜色，而是以浅颜色在该黑色背景前显露。
在图2a中，在图像的左上角可看到大的暗斑点3，该暗斑点不涉及背景信号，因为该暗斑点是比较清晰地划界的。在此情况下涉及就像其典型地由液体中的气泡产生的那样的斑点3。该暗斑点3在图2b中由高点2旁的扁平高点4代表。正如不仅根据图2a而且根据图2b的曲线图可看到那样，比较清晰地划界的该暗斑点3在实践中对背景信号没有影响。无论如何，该区域正如下面还参照图4和图5继续阐释那样在信号评价中被排除掉。
针对利用多个图像来分析的液体试样的每个图像可确定所述背景信号，所述背景信号由同一试样的多个这种图像构成、例如被构成作为500个图像的平均值并被存储。在此，该背景信号不仅被考虑用于图像评价，而且也在时间上被记录，如这点根据图1所示的那样。用5表示背景信号的时间上的走向，其中，横轴表示时间上的走向(在图1中经过大约一年)，竖(右)轴表示像素值，该像素值是背景信号的基础。
根据图1的曲线图示出了用于监视饮用水的装置的背景信号，在该装置中设置可更换的试样载体，该试样载体在例如一小时的预先给定的时间间隔内被待检验的饮用水冲洗，并当关闭试样载体的入口和出口时，然后在近似稳定的状态中被检查。在此，至少在试样载体窗口的区域中随时间推移典型地形成生物膜，该生物膜使光学分析变得困难或从一定程度开始不再允许以所要求的可靠性和准确性检测颗粒。于是必须更换或至少清洁试样载体。
在根据图4的曲线图中，用于背景信号的最大允许像素值为40。当达到作为背景信号的该值时，必须更换或清洁试样载体。在图1中明显可看到，在四个部位上达到该预定最大值40，然后于是更换试样载体并且背景信号又降到值20以下。大约在01-01(表示一月一日)、01-04(表示四月一日)、01-06(表示六月一日)和01-08(表示八月一日)达到这四个时间点。像素值40在此是用于背景信号的预定边界值，在该边界值处中断所述方法，至少中断所述评价。
此外，可根据曲线5在上升区域中的陡度来确定污染的速度，进而可以相当可靠地预计，等待何时需要下一次更换试样载体。最后，可选择该上边界值之下的预定边界值，该预定边界值用信号通知给用户，窗口的污染已达到需要在可以预见的时间内更换试样载体的值，并将该更换由此及时通告。
但是，在图1中不仅描绘了背景信号5的时间走向，而且描绘了检测到的颗粒的频率分布，更确切地说在包括被分类为细菌的颗粒的曲线6中和包括被分类为非细菌的颗粒的曲线7中描绘了检测到的颗粒的频率分布。如何进行这种分类，不是本申请的主题，并因此在这里不继续言及。在此，在这些曲线6和7中，虽然配属了就像曲线5那样的相同水平时间轴，但是竖轴在曲线图的左刻度尺上给出了频率分布。尤其地如在曲线6中部内出现最大的频率20x 104所明示的那样，液体试样内部的细菌量的该陡的提升跟随背景信号的、也就是说在窗口中于是形成的污垢膜的同样陡的提升一起。但是此外，该曲线图示出这些波动通常对窗口内部的覆膜形成没有影响。
图3a示出了其中试样载体窗口的污染度明显上升的图像，因此黑色区域8和纹影形区域9由沉积物形成，这些沉积物使测量过程、也就是说检测位于窗口中的颗粒的数量和质量变得困难。如根据图3b的频率分布所示那样，在该图像中形成的高点10明显比在根据图2a的图像中所形成的高点2更扁平且更宽。用于背景信号的由此得出的平均值相应地明显更高，由此代表了较高的污染度。
为了更好地评价传感器信号，不仅减去背景信号，而且在评价信号时此外在单个图像中排除掉单元矩阵的单元的单个组。为此，将传感器的可具有例如2560乘1920个单元的单元矩阵分成400个相同大小的子矩阵，其中，对于每个子矩阵以相同方式构成一背景信号，就像这点以前述方式针对整个单元矩阵用于构成背景信号那样。为这些子矩阵又设置预定边界值、即另一边界值，该边界值在8比特分辨率下处于0与255之间，并在这里例如同样选择为40。如果于是由于就像例如气泡11、颗粒集聚12或边缘上的反射现象13那样的大颗粒而得出其背景信号超过40的子矩阵，则将这些子矩阵从进一步的图像评价中除去，就像这点根据图4b或5b所示那样。因此，在图4a中可看到气泡11的地方，在场区4b中可看到黑色的、清晰地被划界的场区14，这些场区由一些这种被排除的单元子矩阵形成。相应地，在图5b中在中间留出场区15，该处在图5a中布置的是颗粒集聚12，以及留出场区16，该处在图5a中可看到边缘上的反射现象13。通过该评价，可同时进行较大颗粒在大小方面的粗特性化。也可此外确定，在被隐没的场区14、15、16的最大数目的情况下不进行进一步的图像评价，以便始终足够地在统计学上确保这些评价。
附图标记列表
1 像素值
2 图2b中的高点
3 图2a中的暗斑点
4 图2b中的扁平高点
5 图1中的背景信号的时间上的走向
6 表示细菌的频率分布的曲线
7 表示非细菌的频率分布的曲线
8 图3a中的黑色区域
9 图3a中的纹影形区域
10 图3b中的高点
11 图4a中的气泡
12 图5a中的颗粒集聚
13 图5a中的反射现象
14 图4b中的被隐没的场区
15 图5b中的被隐没的场区
16 图5b中的被隐没的场区

Claims (14)

1.一种用于检测液体中颗粒的数量和/或质量的方法，其中，待检查液体被布置在光学装置的在至少一个光源与图像检测传感器之间的光路中，所述图像检测传感器具有感光单元矩阵，其中，检测所述单元的像素值并至少部分地确定所述像素值的分布，并且其中，最频繁地被确定的一个像素值或多个像素值被用作用于背景信号的值或平均值，其特征在于，在达到用于所述背景信号的预定边界值时发出一信号或中断该方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在达到用于所述背景信号的第一预定边界值时发出一信号并且在达到第二预定边界值时中断该方法。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述背景信号由多个相继拍摄的图像的、优选不同图像平面的500至1500个图像的值或平均值的中间值构成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于所述背景信号的值由时间上相继进行的对液体中颗粒的检测来记录并根据所记录的值的时间上的变化来确定变化速度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于所述背景信号的值由时间上相继进行的对液体中颗粒的检测来记录，并根据所记录的值的时间上的变化来确定，预计何时达到用于所述背景信号的预定边界值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述背景信号被考虑作为针对所述光路中的污染的程度，并且在达到预定边界值时清洁或更换容纳待检查液体的液体载体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在每次检测颗粒之前或在预定时间间隔内进行所述背景信号的确定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在评价所述像素值时，将所述传感器的单元矩阵分成多个优选相同大小的分矩阵，并且为每个分矩阵形成一背景信号，并且从用以检测所述颗粒的进一步评价中除去分矩阵背景信号超过预定的另一边界值的分矩阵。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述像素值的分布被用于将所述颗粒按大小分类。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于单元矩阵背景信号的边界值和/或用于分矩阵背景信号的边界值被预定为最大像素值的10％至20％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在8比特分辨率像素值的情况下，将用于单元矩阵背景信号的边界值预定在30和50之间、优选预定在35和40之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于分矩阵背景信号的所述另一边界值在8比特分辨率的情况下被预定在35和45之间。
13.一种用于光学检测液体中颗粒的装置，所述装置具有：光源；带有感光单元矩阵的图像检测传感器；设置在所述光源与所述图像检测传感器之间的光路中的液体载体；以及具有控制和评价电子设备，所述控制和评价电子设备检测所述单元的像素值并至少部分地确定所述像素值的分布，并且所述控制和评价电子设备将最频繁地被确定的一个或多个像素值用作用于背景信号的值或平均值，其特征在于，所述控制和评价电子设备在达到用于所述背景信号的预定边界值时被构造用于发出一信号或中断检测过程。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述控制和评价电子设备也被构造用以实施根据权利要求2至11中任一项所述的方法。
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