从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法技术

本发明专利技术涉及一种从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法，先对采集的电泳条带图像进行灰度转换，依据采用荧光染料，适当提高灰度图中与荧光染料发射波长接近的三基色分量(R,G,B)中某一分量的加权系数，然后通过迭代法计算出灰度图像的最佳阈值，利用阈值进行一次滤波后，对滤波后的图像作对比度增强处理，之后于平行于凝胶条带的方向上提取灰度图像的梯度信息，将其作为特征点并对图像进行二次滤波，将二次滤波后的图像灰度值进行累加得到“凝胶电泳DNA色谱图”。本发明专利技术为凝胶电泳成像系统的简化提供了算法支持，自动化的图像处理也节约了实验人员的时间，从而提高了工作效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种色谱分析技术，特别涉及一种从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法。
技术介绍
平板凝胶电泳由于其在DNA片段的分离上有着较好效果，因此一直是色谱分析领域的一个重要手段。目前大多数的平板凝胶电泳均要人为地进行定性分析，当DNA片段数量较多时，这种识别方法的效率会降低。对于传统的平板凝胶电泳，由于其采集图像时是处于暗室中，且使用的相机成像质量也较高，所以采集到的图像噪声小，清晰度高，但是这样的装置成本较高，不利于其推广使用；对于新型的平板凝胶电泳来说，利用手机来取代相机拍摄已经成为一种趋势，然而手机相机像素低，焦距短，成像电路较为简单，导致图片成像质量不高且存在较大噪声。常规的图像处理算法在处理噪声时，会人为地添加一个阈值来进行滤波，这种方法在成像装置固定的情况下较为实用，然而在用手机拍照时，由于有较多的随机性因素，其图像的噪声分布往往会有较大差别，此时若仍然使用人工设定法来确定阈值，其滤波效果往往并不理想。
技术实现思路
本专利技术是针对凝胶电泳定性分析存在的问题，提出了一种从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法，该方法利用数字图像处理算法，可自行计算灰度图像的最佳阈值，实现凝胶条带的自动检测。能取代人工对实验结果的定性分析，并且能适应高噪声图像（手机图像），以实现较快较好的色谱分析。本专利技术的技术方案为：一种从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法，具体包括如下步骤：1）用手机或相机采集凝胶电泳图像，采集的数字图像送入图像处理算法中；2）利用加权法将采集的真彩图转换为灰度图像；3）使用迭代法求灰度图像的最佳阈值TN；4）利用步骤3）所得最佳阈值TN对步骤2）的灰度图像进行一次滤波，增强图像对比度；5）平行于凝胶条带的方向上提取步骤4）处理后灰度图像的梯度信息，作为特征；6）利用步骤5）所得灰度图像的梯度信息对步骤4）一次滤波后的灰度图像进行图像分割，即对图像进行二次滤波；7）显示结果：对步骤6）二次滤波后图像，于平行凝胶电泳条带方向上，分别将各像素点的灰度级进行累加，并将累加后的数据进行平滑滤波处理，最终以曲线图形式作出“凝胶电泳DNA色谱图”；在“凝胶电泳DNA色谱图”上利用角点检测算法获取各个峰值点的位置，用最小二乘法拟合出“DNA片段大小—迁移位置”关系图。所述步骤3）迭代法具体步骤：设置一个初始阈值T0，T0为灰度图像的最大灰度级与最小灰度级的平均值，然后遍历整幅灰度图像，利用T0将图像的灰度级划分为大于T0和小于T0的两组数据，记作数据集A0和B0，再求出数据集A0和B0的平均值，记为MA0，MB0，将MA0，MB0的平均值(MA0+MB0)/2作为阈值T1；同理，利用T1将图像的灰度级划分为大于T1和小于T1的两组数据，记作数据集A1和B1，再求出数据集A1和B1的平均值，记为MA1，MB1，将MA1，MB1的平均值(MA1+MB1)/2作为阈值T2，以此类推，计算出T3，T4，……，TN，当满足条件|TN-T(N-1)|<0.1时，即可求出最佳阈值TN。所述步骤4）利用步骤3）所得最佳阈值TN对步骤2）的灰度图像进行一次滤波，即设步骤2）的灰度图像数据为G，其最大灰度级为M，则增强后的灰度图像数据为nG=255*(G-TN)/(M-TN)，使其灰度分布从[TN,M]重新分布到[0,255]区间。所述步骤5）平行于凝胶条带的方向上提取步骤4）处理后灰度图像的梯度信息，具体步骤：将平行于凝胶电泳条带方向上的数据进行提取，并对数据进行一次求导，即后一个像素点的灰度级减去前一个像素点的灰度级，依次类推，最终获得平行于条带方向上的像素梯度信息，取绝对值后记录至数据集D中，设步骤2）所得的灰度图像的分辨率为m*n，则数据集D的分辨率为m*(n-1)。所述步骤6）图像分割具体步骤为：先找出数据集D中的最大值记为Dmax，利用公式：D1=D/Dmax将数据集D作归一化处理；从步骤2）所得的灰度图像中取m*(n-1)个像素点的数据，记为G1，然后依次遍历数据集G1与数据集D中的数据，并将二者作点乘算，得到分割后的图像数据Ge。本专利技术的有益效果在于：本专利技术从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法，整个图像处理过程自动完成，用计算机来代替人工操作，并大大缩短了分析时间与工作量，使其最终结果更为直观，准确。适用于传统的凝胶电泳成像系统，可将其实验结果自动进行数据化处理；另外，对于新型的凝胶电泳成像装置（如手机拍照）的缺点，如其像素低，焦距短，成像质量不高等，本专利技术方法也表现出较好的处理能力。附图说明图1为本专利技术凝胶电泳条带中获取DNA色谱的方法流程图；图2为本专利技术方法处理实例的各阶段效果图；图3为本专利技术方法处理具体实例“凝胶电泳DNA色谱图”；图4为本专利技术方法处理具体实例“DNA片段大小—迁移位置关系图”。具体实施方式本专利技术方法的能够自动计算灰度图像的最佳阈值并且能够准确提取图像增强后的像素梯度信息。通过不断地迭代计算使得相邻阈值之差收敛并趋向于0，通过提取灰度图像的像素梯度作为特征信息，最后通过识别信息作“凝胶电泳DNA色谱图”以及“DNA片段大小—迁移位置关系图”。如图1所示凝胶电泳条带中获取DNA色谱的方法流程图，本方法的流程分为7个步骤。其中，步骤2,3,4,5,6构成了本专利技术关键的图像特征自动识别的过程。下面对7个步骤分别加以简要说明：1、凝胶电泳图像的采集：实验人员主要利用手机进行拍照，并将采集到的数字图像送入图像处理算法中。2、真彩图转灰度图：加权法转换，分别为真彩图的红色分量R，绿色分量G，以及蓝色分量B设置加权系数分别为a，b，c，利用加权法将真彩图转换为灰度图像，其中a，b，c的取值范围为[0,1]且满足a+b+c=1，然后进行图像处理。3、迭代法求阈值：迭代法是基于逼近的思想，不断地调整阈值的大小直至相邻两个阈值近乎相等，自动计算图像的最佳阈值。设置一个初始阈值T0，T0为灰度图像的最大灰度级与最小灰度级的平均值，然后遍历整幅灰度图像，利用T0将图像的灰度级划分为大于T0和小于T0的两组数据，记作数据集A0和B0，再求出数据集A0和B0的平均值，记为MA0，MB0，将MA0，MB0的平均值(MA0+MB0)/2作为阈值T1；同理，利用T1将图像的灰度级划分为大于T1和小于T1的两组数据，记作数据集A1和B1，再求出数据集A1和B1的平均值，记为MA1，MB1，将MA1，MB1的平均值(MA1+MB1)/2作为阈值T2，以此类推，计算出T3，T4，……，TN，当满足条件|TN-T(N-1)|<0.1时，即可求出最佳阈值TN。4、滤波后对比度增强：自动对图像灰度值进行调整，增强图像对比度。确定阈值后，利用阈值TN对图像进行一次滤波，对滤波后图像的对比度进行增强，设原灰度图像数据为G，其最大灰度级为M，则增强后的灰度图像数据为nG=255*(G-TN)/(M-TN)，使其灰度分布从[TN,M]重新分布到[0,255]区间。5、特征提取：作为凝胶电泳图像条带识别的关键，提取其像素梯度，作为特征点，找出灰度变化显著的区域。将平行于凝胶电泳条带方向上的数据进行提取，并对数据进行一次求导，即后一个像素点的灰度级减去前一个像素点的灰度级，依次类推，最终获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1）用手机或相机采集凝胶电泳图像，采集的数字图像送入图像处理算法中；2）利用加权法将采集的真彩图转换为灰度图像；3）使用迭代法求灰度图像的最佳阈值TN；4）利用步骤3）所得最佳阈值TN对步骤2）的灰度图像进行一次滤波，增强图像对比度；5）平行于凝胶条带的方向上提取步骤4）处理后灰度图像的梯度信息，作为特征；6）利用步骤5）所得灰度图像的梯度信息对步骤4）一次滤波后的灰度图像进行图像分割，即对图像进行二次滤波；7）显示结果：对步骤6）二次滤波后图像，于平行凝胶电泳条带方向上，分别将各像素点的灰度级进行累加，并将累加后的数据进行平滑滤波处理，最终以曲线图形式作出“凝胶电泳DNA色谱图”；在“凝胶电泳DNA色谱图”上利用角点检测算法获取各个峰值点的位置，用最小二乘法拟合出“DNA片段大小—迁移位置”关系图。

【技术特征摘要】
1.一种从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1）用手机或相机采集凝胶电泳图像，采集的数字图像送入图像处理算法中；2）利用加权法将采集的真彩图转换为灰度图像；3）使用迭代法求灰度图像的最佳阈值TN；4）利用步骤3）所得最佳阈值TN对步骤2）的灰度图像进行一次滤波，增强图像对比度；5）平行于凝胶条带的方向上提取步骤4）处理后灰度图像的梯度信息，作为特征；6）利用步骤5）所得灰度图像的梯度信息对步骤4）一次滤波后的灰度图像进行图像分割，即对图像进行二次滤波；7）显示结果：对步骤6）二次滤波后图像，于平行凝胶电泳条带方向上，分别将各像素点的灰度级进行累加，并将累加后的数据进行平滑滤波处理，最终以曲线图形式作出“凝胶电泳DNA色谱图”；在“凝胶电泳DNA色谱图”上利用角点检测算法获取各个峰值点的位置，用最小二乘法拟合出“DNA片段大小—迁移位置”关系图。2.根据权利要求1所述从凝胶电泳条带图像中获取DNA色谱的方法，其特征在于，所述步骤3）迭代法具体步骤如下：设置一个初始阈值T0，T0为灰度图像的最大灰度级与最小灰度级的平均值，然后遍历整幅灰度图像，利用T0将图像的灰度级划分为大于T0和小于T0的两组数据，记作数据集A0和B0，再求出数据集A0和B0的平均值，记为MA0，MB0，将MA0，MB0的平均值(MA0+MB0)/2作为阈值T1；同理，利用T1将图像的灰度级划分为大于T1和小于T1的两组数据，记作数据集A1和B1，再求出数据集A1和B1的平均值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振庆，赵阳，王林燕，杨波，黄嘉欣，张大伟，山口佳则，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31