一种灵芝孢子粉破壁分级方法与流程

本发明涉及灵芝孢子粉加工质量检测与智能分级领域，尤其涉及一种灵芝孢子粉破壁分级方法。

背景技术：

1、灵芝孢子粉通常通过机械研磨、气流冲击、振动或超声处理破坏孢壁，以改善内容物释放及后续加工性能。破壁质量不仅与破壁率有关，还会受到粒径分布、团聚状态、孢壁残留形态以及含水状态的共同影响，并进一步影响制粒、压片、胶囊填充和提取过程的物料流动、成形或传质条件。

2、现有破壁质量评价多采用抽样显微观察、人工计数或离线粒径检测，能够覆盖的样本和视野有限，检测结果易受观察者判断、取样层位和检测周期影响，难以及时反映同一批次不同子样之间的差异。仅以静态形态或粒径阈值进行判定时，破壁孢子、未破壁孢子、过度破碎颗粒和团聚颗粒之间的相近轮廓还会造成类别混淆。

3、此外，传统图像规则通常缺少扰动前后对象对应关系和材料计量约束，团聚体解聚产生的多个对象容易与不可逆孢壁残片混淆，多个残片还可能被重复计数。对于接近等级边界的批次，现有方法通常不能给出与不确定性相匹配的补采动作，也难以将最终分级结果稳定映射为下游工艺参数。

4、因此，需要一种能够解决上述现有技术不足的灵芝孢子粉破壁分级方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种灵芝孢子粉破壁分级方法，针对现有技术中静态抽样评价主观性强、团聚体与不可逆残片难区分、残片重复计数以及临界批次不能闭环复核的问题，提出了建立完整孢子参考数据，在不新增超容差孢壁裂口的能量上限内取得同一视野扰动前后图像，利用实例分割和对象关系图获得对象概率，再通过孢子等价值守恒约束修正分裂合并子图中的对象概率与计数，并对批次质量指标进行分组保形校准和跨等级补充采集的技术方案，本发明具备提高不同破壁状态计量一致性、减少团聚误判和残片重复计数、输出带区间依据的单一质量等级或待复检标记并联动下游工艺参数的技术效果。

2、本发明提供了一种灵芝孢子粉破壁分级方法，包括：

3、s1、建立同批次灵芝孢子粉的完整孢子参考数据并取得待测子样；

4、s2、利用完整孢子对照确定孢壁裂口增量不超过预设容差的扰动能量上限，采集待测子样扰动前和以小于或等于所述扰动能量上限的能量扰动后的同一视野图像，形成扰动前后图像组；

5、s3、对扰动前后图像组进行实例分割，获得候选对象掩膜和孢壁状态结果，并根据候选对象的匹配、分裂及合并关系构建对象关系图；

6、s4、根据候选对象掩膜、孢壁状态结果和对象关系图，获得各候选对象的未破壁、正常破壁、过度破碎和可逆团聚类别概率，并相对于完整孢子参考数据确定孢子等价值；

7、s5、对对象关系图的分裂合并子图施加扰动前后的孢子等价值守恒约束，根据约束结果修正类别概率，并以修正后的类别概率和孢子等价值确定孢子计数，获得由破壁率、解团聚粒径分布、团聚指数、过碎指数和残壁指数构成的批次质量指标；

8、s6、对所述批次质量指标进行保形校准，获得质量指标区间；当所述区间跨越预设质量等级边界时，新增显微视野或在所述扰动能量上限内调整扰动档位，补充采集图像并更新所述区间，直至输出单一质量等级或待复检标记。

9、可选的，s1包括：沿同一批次物料的上层、中层和下层分别取得至少一个子样，并为各子样记录取样质量或检测体积、含水量或水活度、批次标识、取样层位和视野标识；

10、当记录取样质量时，根据同批次未破壁原料的完整孢子图像计数与原料质量确定单位质量完整孢子参考密度，并将所述单位质量完整孢子参考密度与取样质量的乘积作为参考孢子数；

11、当记录检测体积时，根据同批次未破壁原料的完整孢子图像计数与对应检测体积确定单位检测体积完整孢子参考密度，并将所述单位检测体积完整孢子参考密度与待测子样检测体积的乘积作为参考孢子数；

12、或者，利用采用适用的国家标准或农业行业标准测得破壁率的标定样品，将参考方法获得的孢子等价计数与同一样品的图像孢子等价值总和的比值确定为图像计数系数；

13、将所述含水量或水活度划分至预先标定的含水区间，以含水区间标识作为所述样品状态信息，并以参考孢子数或图像计数系数作为所述计数归一化信息。

14、可选的，s2包括：从用于建立所述完整孢子参考数据的同批次未破壁原料中取得与待测子样的样品状态信息对应于同一含水区间的原料作为所述完整孢子对照；

15、建立包含零扰动档位和多个非零扰动档位、且各档位扰动能量均不超过设备经验证安全上限的递增档位序列，在相同显微成像条件下对所述完整孢子对照依次施加微振动或脉冲超声，分别统计各扰动档位前后的孢壁裂口数量；

16、根据零扰动档位的重复视野间裂口计数差异确定所述预设容差，当首个非零扰动档位的裂口增量超过所述预设容差时将零扰动档位确定为所述扰动能量上限，当其余非零扰动档位的裂口增量首次超过所述预设容差时将该档位的前一扰动档位确定为所述扰动能量上限，当所述递增档位序列中的非零扰动档位均未超过所述预设容差时将所述递增档位序列的末位档位确定为所述扰动能量上限；

17、当所述扰动能量上限为零时，将零扰动档位作为待测子样的初始扰动档位和当前扰动档位；

18、当所述扰动能量上限大于零时，选择所述递增档位序列中扰动能量大于零且小于或等于所述扰动能量上限的首位档位作为待测子样的初始扰动档位，并将所述初始扰动档位定义为当前扰动档位；

19、固定待测子样同一视野的载物位置和成像比例，在扰动前后分别采集覆盖共同轴向范围的至少三个焦面，形成具有共同空间坐标基准的所述扰动前后图像组。

20、可选的，s3包括：利用空白视野或背景估计面消除照明不均，并依据标尺图像确定像素尺寸；

21、分别对扰动前后的多个焦面计算局部清晰度权重并进行加权融合，采用载物位置的固定标记和候选对象轮廓进行刚性配准及局部配准；

22、利用训练得到的具有对象内部语义输出支路和边界裂口输出支路的实例分割模型处理配准后的图像，所述对象内部语义输出支路生成对象内部类别响应，所述边界裂口输出支路生成闭合孢壁边界响应和非闭合裂口响应，将两输出支路的响应联合解码为所述候选对象掩膜、孢壁缺口结果和内容物暴露结果，并以所述孢壁缺口结果和内容物暴露结果作为所述孢壁状态结果；

23、根据位置差、掩膜重叠度、面积差、轮廓相似度和纹理相似度确定所述匹配关系；

24、进一步的，所述实例分割模型的训练包括：将具有未破壁孢子、正常破壁孢子、过度破碎颗粒、团聚颗粒和异物标注的多焦显微图像作为训练样本，并为训练样本分别生成对象内部标注、孢壁边界标注、孢壁裂口标注及内容物暴露标注；

25、利用对象内部语义损失约束所述对象内部语义输出支路，利用边界连续性损失和裂口定位损失约束所述边界裂口输出支路，并利用同一对象在相邻焦面和扰动前后图像中的特征一致性损失进行联合训练，以获得所述训练得到的实例分割模型。

26、可选的，s4包括：在所述对象关系图中，对扰动前后的候选对象进行一对一匹配、一对多分裂匹配和多对一合并匹配；

27、根据候选对象的面积、等效粒径、圆度、长短轴比、孢壁闭合比例、孢壁缺口比例、对象内部与外部的纹理差和颜色差、相邻对象接触比例、扰动前后位移量以及分裂匹配或合并匹配的响应构成对象特征向量；

28、将所述对象特征向量与所述样品状态信息输入分类器，所述分类器还输出候选对象属于异物的概率，并对分类器输出进行归一化，得到未破壁孢子、正常破壁孢子、过度破碎颗粒、可逆团聚颗粒和异物各类别的对象概率。

29、可选的，s5包括：从所述完整孢子参考数据生成完整孢子的掩膜面积参考分布、孢壁边界长度参考分布和孢壁纹理积分参考分布，分别按照对应参考分布对候选对象的掩膜面积、孢壁边界长度和孢壁纹理积分进行归一化并加权，得到所述孢子等价值；

30、将在候选对象掩膜内把焦面融合图像重投影至各原始焦面所得灰度差的均值作为焦面融合残差，将候选对象掩膜与其他候选对象掩膜的重叠面积占该候选对象掩膜面积的比值作为对象遮挡比例，根据所述焦面融合残差、对象遮挡比例和样品状态信息确定等价值容差；

31、对每一分裂合并子图计算扰动前节点与扰动后节点的孢子等价值之和的偏差，仅在孢壁裂口未增加且所述偏差不超过所述等价值容差时将对应分裂对象组确认为可逆团聚颗粒，当孢壁裂口增加或所述偏差超过所述等价值容差时将对应对象组标记为扰动分割异常；

32、根据所述守恒约束的确认结果修正对象概率，对已确认类别的对象将该类别概率置为一并将其余类别概率置为零，对未确认单一类别且未被标记为扰动分割异常的对象去除可逆团聚颗粒和异物类别概率后，将未破壁孢子、正常破壁孢子和过度破碎颗粒的类别概率重新归一化，以所得概率作为修正后对象概率；

33、排除所述扰动分割异常以及异物类别概率在各类别对象概率降序排列中位于第一位的对象，以未破壁孢子、正常破壁孢子、过度破碎颗粒以及可逆团聚颗粒解聚后的单体对象构成有效对象集，并以各对象孢子等价值之和作为总孢子等价值；

34、将各类别修正后对象概率与对应对象孢子等价值的乘积在所述有效对象集内求和，得到各类别的原始孢子等价量，当所述计数归一化信息为参考孢子数时，将各类别原始孢子等价量占总孢子等价值的比例与所述参考孢子数相乘，得到各类别的参考对齐孢子等价计数，当所述计数归一化信息为图像计数系数时，将各类别原始孢子等价量与所述图像计数系数相乘，得到单位同为孢子等价个数的各类别参考对齐孢子等价计数；

35、以正常破壁孢子和过度破碎颗粒的参考对齐孢子等价计数之和占各有效类别参考对齐孢子等价计数总和的比例作为所述破壁率，以有效对象的等效粒径按照对应修正后对象概率加权形成所述解团聚粒径分布，并从累计校正孢子等价值占比分别达到10%、50%和90%的位置取得三项粒径分位值，作为所述解团聚粒径分布用于校准和分级的有限维表征，以可逆团聚颗粒解聚前的孢子等价值占总孢子等价值的比例作为所述团聚指数，以过度破碎颗粒的参考对齐孢子等价计数占各有效类别参考对齐孢子等价计数总和的比例作为所述过碎指数，将完整孢子的孢壁边界长度参考分布中位数与总孢子等价值的乘积作为完整孢壁边界参考总长度，并以正常破壁孢子和过度破碎颗粒的连续孢壁边界长度之和占所述完整孢壁边界参考总长度的比例作为所述残壁指数；

36、进一步的，将未被确认为可逆团聚颗粒、未被标记为扰动分割异常且包含至少两个候选对象的分裂合并子图作为待判残片子图；

37、当所述待判残片子图中各候选对象的过度破碎颗粒对象概率在该候选对象各类别对象概率的降序排列中位于第一位，且该子图不存在能够把扰动后各候选对象恢复为扰动前同一候选对象的一对多逆匹配关系时，将对应候选对象确定为不可逆残片；

38、当多个不可逆残片的边界间距下确界小于或等于所述完整孢子参考数据中完整孢子等效直径的中位数，且连接取得所述边界间距下确界的边界点的线段不穿过第三个候选对象时，确定所述多个不可逆残片满足空间邻接条件；

39、将所述完整孢子参考数据中各完整孢子的掩膜面积、孢壁边界长度和孢壁纹理积分按照对应参考分布归一化并采用步骤s5的相同权重进行加权，形成完整孢子等价值参考分布，并以所述完整孢子等价值参考分布的中位数作为单个完整孢子参考等价值；

40、计算满足空间邻接条件的多个不可逆残片的联合孢子等价值，当所述联合孢子等价值与所述单个完整孢子参考等价值之差的绝对值不超过所述等价值容差时，将所述多个不可逆残片合并为一个过度破碎孢子等价单元，并以所述过度破碎孢子等价单元替换对应不可逆残片后更新所述有效对象集、过碎指数和孢子计数；

41、对于扰动分割异常，当候选对象当前清晰焦面位于焦面序列的非端点位置时，利用轴向前侧和后侧各一个相邻原始焦面的候选对象响应重建候选对象掩膜，当所述当前清晰焦面位于焦面序列端点位置时，利用同一轴向侧按焦面距离递增排序中位于前两位的原始焦面的候选对象响应重建候选对象掩膜；

42、当图像缺失导致可用于重建的原始焦面少于两个时保持排除标记；

43、当重建后的候选对象掩膜满足所述孢子等价值守恒约束时，解除对应对象组的扰动分割异常标记和排除标记，以重建后的候选对象掩膜替换原候选对象掩膜并重建对应对象关系，重新计算所述修正后对象概率、有效对象集、孢子计数和批次质量指标；

44、当重建后的候选对象掩膜仍不满足所述孢子等价值守恒约束时，保持排除标记。

45、可选的，s6包括：按照所述样品状态信息以及由显微设备型号和成像参数组合限定的显微设备域将标定样本划分为多个校准组，由至少两名标注人员根据完整焦面序列和扰动前后图像独立标注候选对象类别并对不一致标注进行复核，以复核结果作为候选对象的实测类别，由适用标准测定方法或经验证参考测定方法确定标定样本的实测批次指标，并通过批次标识和子样标识使所述实测类别、实测批次指标与对应显微图像一一关联；

46、针对每一校准组，根据实测类别与所述修正后对象概率构造对象非一致性分数，在预设覆盖概率下取得所述对象非一致性分数的分位数，以该分位数作为对象校准边界形成各候选对象的校准类别集合，将所述校准类别集合外类别的概率置为零并对集合内的类别概率重新归一化，得到校准后对象概率，并以所述校准后对象概率重新计算所述批次质量指标；

47、根据实测批次指标与重新计算的批次质量指标构造指标非一致性分数，在所述预设覆盖概率下取得所述指标非一致性分数的分位数，以该分位数作为指标校准边界形成所述质量指标区间；

48、针对重新计算的批次质量指标中的每一标量指标以及所述三项粒径分位值中的每一项，将对应校准组实测值的四分位距作为指标参考尺度，当所述四分位距为零时将对应参考测定方法的分辨率作为指标参考尺度，将该指标的质量指标区间上边界与下边界之差除以对应指标参考尺度得到归一化指标宽度，并将各归一化指标宽度的算术平均值作为综合区间宽度；

49、将校准样本重复补采所得综合区间宽度缩减量的预设下分位数作为收窄量判定阈值，当连续两次补采的综合区间宽度缩减量均不超过所述收窄量判定阈值时确定所述质量指标区间达到稳定状态，并以校准样本达到稳定状态所需视野数量的预设上分位数作为视野补采预算；

50、当所述质量指标区间跨越预设质量等级边界时，将移除不同子样数据前后的综合区间宽度之差作为对应子样对区间宽度的贡献，在所述视野补采预算内对贡献数值降序排列中位于第一位的子样新增显微视野，使新增视野图像依次执行步骤s3至s5、并以更新后的候选对象掩膜、对象关系图、对象概率、孢子计数和有效对象集重新计算所述批次质量指标及质量指标区间；

51、当视野补采预算用尽后所述质量指标区间仍跨越所述预设质量等级边界时，按照能量递增顺序采用所述递增档位序列中位于当前扰动档位之后且扰动能量小于或等于所述扰动能量上限的下一非零扰动档位补采扰动前后图像，并将所述下一非零扰动档位更新为当前扰动档位，使所述补采扰动前后图像依次执行步骤s3至步骤s5后重新计算所述批次质量指标及质量指标区间；

52、当更新后的质量指标区间仍跨越所述预设质量等级边界，且满足所述递增档位序列中不存在下一非零扰动档位或在视野补采预算用尽后的扰动档位补采分支中连续两次补采的综合区间宽度缩减量均不超过所述收窄量判定阈值中的任一条件时，输出所述待复检标记；

53、进一步的，预先建立下游工艺约束，所述下游工艺约束包括破壁率下限、所述三项粒径分位值各自的目标粒径区间、团聚指数上限、过碎指数上限、残壁指数上限及所述样品状态信息对应的含水区间的可加工条件；

54、当所述质量指标区间完全位于同一质量等级对应的约束区域内时输出该质量等级，对具有下边界和上边界的指标，分别计算质量指标区间下边界到质量等级下边界的距离以及质量等级上边界到质量指标区间上边界的距离，并将两个距离的下确界除以该指标的指标参考尺度得到该指标的归一化边界裕量，对仅具有下限的指标，将质量指标区间下边界到该下限的距离除以对应指标参考尺度得到该指标的归一化边界裕量，对仅具有上限的指标，将该上限到质量指标区间上边界的距离除以对应指标参考尺度得到该指标的归一化边界裕量，将各指标归一化边界裕量的下确界限制在零至一的范围内并作为综合边界裕量，以所述预设覆盖概率与综合边界裕量的乘积作为所输出质量等级的置信度；

55、根据所述质量等级、所述样品状态信息对应的含水区间和下游工艺类型索引经工艺验证样本建立的参数表，获得制粒、压片、胶囊填充或提取对应的工艺参数向量；

56、当输出所述待复检标记时，不输出任何与质量等级关联的工艺参数向量，将批次分级记录中的质量等级和置信度记为未确定、将工艺参数向量记为空集合并将等级参数有效性标志设为无效；

57、将批次标识、取样层位、样品状态信息、显微设备域、补采视野、扰动档位、质量指标区间、质量等级、置信度、工艺参数向量、等级参数有效性标志、参数表版本和待复检标记写入所述批次分级记录。

58、本发明的有益效果是：

59、1、通过完整孢子对照限定扰动能量上限，并比较同一视野扰动前后的对象位移、分裂和合并关系，使可逆团聚响应能够与不可逆孢壁残片相区分，同时避免检测扰动对原有裂口状态造成超容差改变。

60、2、通过候选对象实例分割、孢壁缺口和内容物暴露识别以及分裂合并子图上的孢子等价值守恒约束，对对象概率、孢子计数和过度破碎孢子等价单元进行统一修正，可降低团聚误判、异常分割和多个残片重复计数对批次指标的影响。

61、3、通过按样品状态和显微成像条件实施分组保形校准，并在质量指标区间跨越等级边界时依次进行新增视野和安全扰动档位补采，可在区间不能有效收窄时输出待复检标记，在形成单一等级时再输出置信度和下游工艺参数向量。