JP3777661B2

JP3777661B2 - ろ過障害微生物監視装置

Info

Publication number: JP3777661B2
Application number: JP18025096A
Authority: JP
Inventors: 雅英市川; 寿和恩田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: JPH1024283A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄水処理プロセスで、ろ過閉塞原因微生物を画像処理を利用して認識し、出現個数を計数するろ過障害微生物監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
貯水池や湖沼で繁殖した珪藻が浄水場に取り込まれ、ろ過閉塞を起こす例が多く報告されている。流入水中の珪藻の数が増えると通常５０時間以上のろ過継続時間が深刻な場合は５〜６時間程度まで低下する。障害を生じる珪藻として報告例が最も多いものはＳｙｎｅｄｒａａｃｕｓ（シネドラアクス）である。この珪藻は長さが１００〜３００μｍ，幅が４．５〜６μｍで中心がわずかに膨らんだ針状の形状をしている。その他、中心が膨らんだ葉状のものや円筒状の珪藻が障害の原因生物として良く知られている。このため流入水中の珪藻の数を測定することが浄水プロセスの重要な管理作業となっている。
【０００３】
浄水場では１回／月以上の頻度で顕微鏡を使って水源水中の微生物の種類と数を調べている。そして障害微生物が増えてくると検鏡の頻度を上げるのが一般的である。しかしながら煩雑な上に専門的な知識も要求されるため、この作業の回数を増やすことにも限界がある。また微生物の増加が操作員の不在となる休日等に重なった場合は、その対応が遅れ被害もさらに深刻になる。このような状況からろ過障害微生物計測の自動化が望まれている。
【０００４】
顕微鏡の画像を基に自動的に微生物の計測をするには画像処理手法が利用されている（特願平７−１０２３８号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ろ過閉塞の原因となる珪藻は針状や円筒状や中心が膨らんだ形状のもの等が対象となることと、入力画像の明るさ等の計測条件の変化の影響を受けやすいことから、画像処理手法としては従来から一般に用いられている二値化手法の適用は困難である。また、パターンマッチング手法では背景の変化に影響されるのに加えて長さや形状の異なる場合の認識が困難である。
【０００６】
また、微生物検鏡画像データの収集は、検水の一定量を界線入スライドガラス上に採り、カバーグラスで覆った後１００〜２００倍で検鏡する。界線入スライドガラスは長さ７６〜８０ｍｍ，幅４０ｍｍ，厚さ３ｍｍのガラス板上に１ｍｍ又は０．５ｍｍ間隔に平行線あるいは基盤目を刻んだものである。この界線にそって視野を移動させながらカバーグラス内の生物名とその数を調べる。例えば０．０５ｍｌを分取して１８×１８ｍｍのカバーグラスをかけて１ｍｍ間隔で検鏡した場合は、全視野を調べるとその数は３２４個になる。ここで目的とする生物が１ｍｌ当たり１００個出現しているとすると（通常の場合この程度出現し、障害を起こす場合はこの１０倍程度以上となる）３２４個の視野で平均５個検出されることになる。従って一般には検水はプランクトンネットや遠心分離等を使って濃縮して出現頻度を上げて検鏡している。
【０００７】
一方、光源を備えたハンディタイプのマイクロスコープを用いると、透明のガラス水槽の外側から直接水槽内の微生物を観察することが可能である。しかしながら珪藻等の針状や円筒状や中心が膨らんだ形状のものに対しては、見る方向で円になったり楕円状になったりするため、同定することは困難である。水槽内で二枚のプレパラートで検水を挟み込んだり、一枚のプレパラートをガラス壁に挟み込む等の動作を行う必要がある。このようにして珪藻の画像を得ることはできるが、上記の例ではこのような動作を３２４回行って平均５個検出されるに過ぎない。そこで１回のプレパラート作成でプレパラートを動かして多くの視野の画像を得る方法が考えられる。この場合水槽内で決まった間隔で正確にプレパラートを移動させる装置を制作することは実用上困難である。
【０００８】
本発明は、従来のこのような問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、浄水処理において、ろ過障害微生物である珪藻類の出現個数を自動計測できるろ過障害微生物監視装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のろ過障害微生物監視装置は、浄水場の検水の標本を観察するマイクロスコープと、マイクロスコープの像を撮るＩＴＶカメラと、ＩＴＶカメラからの画像信号を受けろ過障害微生物である珪藻類を同定し、計数を行う、モデルベーストマッチング方式を採用した画像認識装置と、前記マイクロスコープの視野画像を自動的に変える手段とを備えたろ過障害微生物監視装置であって、
前記画像認識装置は、前記ＩＴＶカメラからの画像信号から輝度が大きく変化する点の集合（エッジ）を抽出し、抽出したエッジ画像から直線成分と円弧成分を抽出し、これら成分の集合をエッジ画像の特徴データとし、この特徴データと予め登録された微生物種の特徴モデル（内部モデル）との照合を行って、入力画像中に撮影された微生物種の同定をし、その出現個数を計数するもので、浄水処理のろ過障害微生物である珪藻類の出現個数を自動計数できるようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１に一般マイクロスコープを用いた半自動のろ過障害微生物監視装置の構成を示す。
【００１１】
図１において、１（２〜７）は半自動微生物画像収集装置で、３はサンプリングした試料水から作成したプレパラート（顕微鏡標本）が載置されるＸ−Ｙステージ、２はステージ３の位置を予め定められた順序で自動的に移動させるシーケンサ、６はステージ３上のプレパラートを観察するマイクロスコープ（生物顕微鏡）、７はマイクロスコープの像を写すＩＴＶカメラである。８及び９はＩＴＶカメラ７に接続された画像記録装置及び画像認識装置である。
【００１２】
次に、この装置の動作について説明する。この例では、検水のサンプリングとサンプリングした検水からのプレパラートの作成、及びＸＹステージ３へのプレパラートのセットは手作業で行い、その後シーケンサ２によりステージ３を自動で移動させ、マイクロスコープ６を介してＩＴＶカメラ７で所定の視野数の画像を収集し、画像信号を画像記録装置８及び画像認識装置９に出力する。画像認識装置９は各視野画像毎に、注目の微生物の同定をし、その出現個数を出力する。
【００１３】
上記画像認識装置９の画像処理手法としてモデルベーストマッチング方式を使用する。この手法の処理フローを図２に示す。
【００１４】
画像入力処理（Ｓ１）ではＩＴＶカメラ６からのモノクロ濃淡画像を取り込む。エッジ検出処理（Ｓ２）では、入力画像から輝度が大きく変化する点の集合（エッジ）を抽出する。エッジ抽出法として、例えばガウス分布関数で重み付けした平滑化二次微分法を使用するとノイズに強く、入力画像の輝度の変化に影響されないエッジ検出が可能である。次に、エッジ画像の特徴抽出処理（Ｓ３）では、抽出したエッジ画像から直線成分と円弧成分を抽出し、これら成分の集合をエッジ画像の特徴データとする。
【００１５】
特徴マッチング処理（Ｓ４）では、予め登録された微生物種の特徴モデル（内部モデル）と特徴抽出処理（Ｓ３）で抽出した特徴データとの照合（マッチング）を行い、入力画像中に撮影された微生物種を特定し、その個数を認識する。
【００１６】
モデル作成処理（Ｓ５）は、既知の微生物種を対象として処理（Ｓ１〜Ｓ３）の処理を予め行い、当該微生物種を円弧の成分の集合になる内部モデルとしてそれぞれ作成・登録しておく。
【００１７】
以上の処理からなるモデルベーストマッチング方式による微生物種の同定は、直線と円弧の集合となる特徴データと内部モデルとの照合になり、微生物種の移動に際しての変形等がある場合等においても認識が可能となる。
【００１８】
図３と図４に珪藻の一種であるＳｙｎｅｄｒａａｃｕｓの原画像と認識例の写真を示す。
【００１９】
実施の形態２
図５に光源を備えたハンディタイプのマイクロスコープを用いた全自動のろ過障害微生物監視装置の構成を示す。
【００２０】
図５において、１は自動微生物画像収集装置、４は試料水を自動採水するサンプリングポンプ、５は採水から標本を作るサンプリング水槽、６は水槽内の標本を観察する光源を備えたハンディタイプのマイクロスコープ、７はマイクロスコープの像を写すＩＴＶカメラ、８及び９はＩＴＶカメラ７に接続された画像記録装置及び画像認識装置である。
【００２１】
上記サンプリング水槽５の構成を図６に示す。図６において、５１は水槽（本体）、６１はマイクロスコープ６のホルダで、先端部（下部）が水の中に入っており、先端面は透面ガラスでできている。３は標本を乗せるステージで、ホルダ６の先端面と対向するように水槽５の底部に設けられ、その上面にリング状又は額縁状のスペーサ３２を有し、水槽５１の外底部に設けられたステージ駆動装置３１により上下方向に移動できるようになっている。５２は水槽５１内の検水を撹拌する撹拌装置、５３はステージ３、ホルダ６１等を洗浄するための超音波洗浄装置である。
【００２２】
この微生物監視装置の動作について説明する。サンプリングポンプ４は検水を水槽５１内にサンプリングする。撹拌装置５２は常時水槽内の水を撹拌する。
【００２３】
まず、標本作成のため、ステージ駆動装置３１が動作してステージ３を上昇させてスペーサ３２をホルダ６１の下面に当接させる。これによりステージ３とスペーサ３２及びホルダ６１により囲まれる空間に検水が捕捉され標本が得られる。
【００２４】
この標本はステージ３の上にセットされた状態となっているので、マイクロスコープ６により標本の画像が得られる。この画像はＩＴＶカメラで撮像され、その画像信号が画像記録装置８及び画像認識装置９に出力される。画像認識装置９は上記図２のフローにより注目の微生物の同定をし、その出現個数を出力する。
【００２５】
標本の観察が終わると、ステージ駆動装置３１が前記と逆に動作してステージ３を元の位置まで下げる。ステージ３が下がると上記観察の終わった標本が撹拌されている検水により流されると共にホルダ６１，ステージ３などが超音波洗浄される。
【００２６】
再びステージ駆動装置３１が動作してステージ３を上昇させてステージ３，スペーサ３２及びホルダ６１の間に検水を捕捉し、新たな標本として上記同様に画像認識を行う。このように、標本を自動的に変えて所定数の視野像の画像認識を自動的に行う。
【００２７】
この実施の形態によれば、ステージ３を上下させることにより必要とする数のデータをステージ上にセット状態で得ることができる。また超音波洗浄装置が設けられているため、ホルダ６１のガラス部分の汚れが自動で洗浄され、このことにより自動による連続使用が可能となる。
【００２８】
実施の形態３
上記図６のサンプリング水槽を用いた場合、ステージ３の１移動がマイクロスコープ６から１視野像しか得られない。そこで、図７に示すように、マイクロスコープ６をＸ軸方向に動かすことのできるマイクロスコープ駆動装置６２を設けて、マイクロスコープ６を決まった間隔でＸ軸方向に移動させることで１度に多くの視野像を得ることができるようにした。この場合マイクロスコープは１軸移動なので装置が簡単にできる。
【００２９】
実施の形態４
上記図７のサンプリング水槽を用いた場合、マイクロスコープ６による視野の数を増やそうとすると、マイクロスコープの移動距離が大きくなり、マイクロスコープ６とステージ３間の距離に微妙な違いが生じマイクロスコープのピントがずれる可能性がある。
【００３０】
そこで、図８に示すように、マイクロスコープ６にＸ軸方向に駆動できる駆動装置６２に加えてＹ軸方向に駆動できるマイクロスコープ駆動装置６３を設けてマイクロスコープを２軸の方向に移動させることにより移動距離を少なくして多くの視野の画像を得ることができるようにした。
【００３１】
実施の形態５
上記図６〜８のものでは、マイクロスコープ６の先端部分がホルダ６１を介して水中に浸るため、防水対策が必要であるが、更にホルダ６１内の湿気対策も必要となる。
【００３２】
そこで、図９に示すように、マイクロスコープ６を透明ガラス製の水槽５１の外壁に水槽内に向けて設置し、水槽内のステージ３をマイクロスコープ６に向けて横向きに設け、ステージ駆動装置３１を水槽の水面より上に設置した。
【００３３】
しかして、駆動装置３１によりステージ３をマイクロスコープ６の方向に移動させて水槽の内側面にスペーサ３２を当接させてステージ，スペーサ，水槽の内側面の間にできる空間に検水を捕捉して標本とし、マイクロスコープ６は水槽５１のガラス越しに標本を観察するようにした。
【００３４】
この場合も、実施の形態３又は４のようにマイクロスコープ駆動装置６２又は６２，６３を設けて多くの視野像が得られるようにすることができる。
【００３５】
実施の形態６
図９のようにステージを横向きにして検水の標本を作ると比重の大きく沈降性がある微生物等を観察することができない。そこで、図１０に示すように、マイクロスコープ６を透明ガラス製の水槽５１の外底壁に水槽に向けて設置し、水槽内のステージ３をマイクロスコープ６に向けて逆さに設け、ステージ駆動装置３１を水槽の水面より上に設置した。
【００３６】
しかして、駆動装置３１によりステージ３をマイクロスコープ６の方向に下方に移動させて水槽５１の内底面にスペーサ３２を当接させてステージ，スペーサ，水槽の内底面の間にできる空間で検水を捕捉して標本とし、マイクロスコープ６で水槽５１のガラス越しに標本を観察するようにした。
【００３７】
この場合も、実施の形態３又は４のようにマイクロスコープ駆動装置を設けることで多くの視野像を得ることができる。
【００３８】
なお、実施の形態３〜６においても、実施の形態１の場合と同様に、マイクロスコープ６の画像をＩＴＶカメラ７で画像信号に変えて、画像認識装置９で微生物種を特定し、その個数を認識する。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、上述のとおり構成されているので、次に記載する効果を奏する。
【００４０】
（１）浄水処理においてろ過障害微生物である珪藻類の出現個数を自動計数できる。
【００４１】
（２）自動により計測回数を増やすことができるため、ろ過障害の前兆をタイムリーに検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかるろ過障害微生物監視装置の構成説明図。
【図２】モデルベーストマッチング方式の処理フロー図。
【図３】生物シネドラアクスの形態を示す顕微鏡写真。
【図４】生物シネドラアクスの形態を示す顕微鏡写真を画像処理してディスプレー上に表示した中間調画像。
【図５】実施の形態２にかかるろ過障害微生物監視装置の構成説明図。
【図６】実施の形態２にかかるサンプリング水槽の構成説明図。
【図７】実施の形態３にかかるサンプル水槽の構成説明図。
【図８】実施の形態４にかかるサンプル水槽の構成説明図。
【図９】実施の形態５にかかるサンプル水槽の構成説明図。
【図１０】実施の形態６にかかるサンプル水槽の構成説明図。
【符号の説明】
１…微生物画像収集装置
２…ステージの位置を順次自動調整するシーケンサ
３…標本がセットされるステージ
４…サンプリングポンプ
５…標本の作成とセットを同時に行うサンプリング水槽
６…マイクロスコープ
７…ＩＴＶカメラ
８…画像記録装置
９…画像認識装置
３１…ステージ駆動装置
３２…スペーサ
５１…水槽（本体）
５２…撹拌装置
５３…超音波洗浄装置
６１…マイクロスコープのホルダ
６２，６３…マイクロスコープ駆動装置

Claims

浄水場の検水の標本を観察するマイクロスコープと、
マイクロスコープの像を撮るＩＴＶカメラと、
ＩＴＶカメラからの画像信号を受けろ過障害微生物である珪藻類を同定し、計数を行う、モデルベーストマッチング方式を採用した画像認識装置と、
前記マイクロスコープの視野画像を自動的に変える手段とを備えたろ過障害微生物監視装置であって、
前記画像認識装置は、前記ＩＴＶカメラからの画像信号から輝度が大きく変化する点の集合（エッジ）を抽出し、抽出したエッジ画像から直線成分と円弧成分を抽出し、これら成分の集合をエッジ画像の特徴データとし、この特徴データと予め登録された微生物種の特徴モデル（内部モデル）との照合を行って、入力画像中に撮影された微生物種の同定をし、その出現個数を計数することを特徴とするろ過障害微生物監視装置。
請求項１において、
検水が導入される水槽を設け、
マイクロスコープの先端部を先端部が透明なホルダを介して水槽の水中に設け、
ステージをホルダの先端部と対向しホルダ方向に移動可能に水槽内に設け、
ホルダの先端面とステージの上面との間に検水を捕捉して標本とすることを特徴とするろ過障害微生物監視装置。
請求項１において、
検水が導入され撹拌される透明な水槽を設け、
マイクロスコープを水槽の外壁に水槽内に向けて設置し、
ステージを水槽内にマイクロスコープと対向しマイクロスコープ方向に移動可能に設け、
ステージをマイクロスコープ方向に移動させて水槽の内壁面とステージの上面との間に検水を捕捉して、標本とすることを特徴とするろ過障害微生物監視装置。
請求項１ないし３のいずれか１つにおいて、マイクロスコープをステージ面と平行に移動させるマイクロスコープ駆動装置を設けたことを特徴とするろ過障害微生物監視装置。