基于圖像處理技術(shù)的植物葉片面積測(cè)量

基于圖像處理技術(shù)的植物葉片面積測(cè)量

非選擇性測(cè)量與其它測(cè)量的比較葉面積是植物氣機(jī)的一個(gè)重要因素，包括植物光合作用、水循環(huán)、能量交換、水果生長(zhǎng)等。它還應(yīng)被用于研究植物育種和遺傳育種的指標(biāo)[1.2]。準(zhǔn)確測(cè)量葉面積對(duì)研究植物生長(zhǎng)和了解作物與生長(zhǎng)環(huán)境之間的相互影響都有非常重要的意義。植物葉面積測(cè)量方法可分為破壞性測(cè)量和非破壞性測(cè)量[3~5]。破壞性測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量步驟簡(jiǎn)單,測(cè)量結(jié)果可靠,缺點(diǎn)是需要從植株上把葉片摘下來(lái),這使得同一葉片不能得到連續(xù)追蹤測(cè)量,同時(shí),植物冠層也會(huì)受到損害,這些損害還可能進(jìn)一步影響其他研究的結(jié)果[6~7],而且,這種實(shí)驗(yàn)需要足夠多的樣本。非破壞性測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約時(shí)間,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,其最大的優(yōu)勢(shì)是允許重復(fù)追蹤同一片葉子,缺點(diǎn)是測(cè)量?jī)x器設(shè)備昂貴,有些儀器設(shè)備還不利于攜帶。近幾年來(lái),很多學(xué)者投入到基于圖像處理的葉面積測(cè)量應(yīng)用方面的研究[9~16],基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的葉面積測(cè)量?jī)x能快速準(zhǔn)確測(cè)量出葉面積,但該技術(shù)的儀器一般都比較笨重,不利于攜帶,大多數(shù)情況下需要把葉片摘下來(lái)測(cè)量,是一種破壞性測(cè)量。便攜式掃描葉面積測(cè)量?jī)x雖然具備攜帶方便的優(yōu)勢(shì),但適合測(cè)量秧苗葉片的儀器則測(cè)量不了寬大葉片的面積,反之,適合測(cè)量寬大葉片面積的儀器則很難測(cè)量植物秧苗的葉片。而且,該儀器掃描頭的精度決定該儀器的價(jià)格,精度高的價(jià)格昂貴,精度低的不太適合大部分科學(xué)研究。基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)具備CPU主頻高、運(yùn)行速度快、屏幕寬和分辨率高、攝像頭像素高、內(nèi)存大等優(yōu)勢(shì),適用于葉面積測(cè)量的軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā),而且,手機(jī)還是大部分人隨時(shí)攜帶的通信工具,應(yīng)用者無(wú)需購(gòu)置處理平臺(tái)硬件設(shè)備。本文設(shè)計(jì)一種基于Android系統(tǒng)手機(jī)及其圖像處理功能來(lái)測(cè)量葉面積的方法。使用手機(jī)的觸摸屏幕作為工作平臺(tái),而不需要給手機(jī)增加額外的硬件。1材料和方法1.1u3000熱容量和色定位板、提取液深度計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括工字架,刻度參照板,厚度小于2mm且透光度大于92%的亞克力板,米尺,LI-3100型葉面積儀,三星I9300型智能手機(jī),手機(jī)內(nèi)置Android4.0操作系統(tǒng),其CPU為4核主頻1.4GHz,800萬(wàn)像素?cái)z像頭,1GB內(nèi)存,Android-SDK,集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Eclipse,ADT插件,計(jì)算機(jī),白紙和打印機(jī)。工字架上、下兩端及連接桿均可伸縮和拔插,一端有可以180°旋轉(zhuǎn)的固定夾,用來(lái)固定手機(jī)位置;另一端用來(lái)固定刻度板,能確保手機(jī)平面和刻度板平面平行,如圖1所示。刻度參照板是在平整的白紙上打印10mm×10mm的棋盤格,根據(jù)樹(shù)葉的大小,白紙的中間部分不打印正方形,將該打印有棋盤格的白紙固定在不易變形的硬塑料板上便形成了刻度參照板,葉面積計(jì)算時(shí),把棋盤格中的黑色正方形當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)刻度。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為茄子、西紅柿和楓樹(shù)葉片。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1葉莖和刻板的高度設(shè)計(jì)對(duì)于正常生長(zhǎng)的植株上的葉片,根據(jù)植物葉片表面情況,葉片的圖像采集有兩種方式:(1)針對(duì)沒(méi)有完全展開(kāi)但表面光滑可以直接接觸的葉片,如柑橘葉、油菜葉等,圖像采集時(shí),在刻度參照板的X軸上對(duì)稱挖寬約3mm的凹槽,供葉莖通穿,該凹槽的長(zhǎng)度根據(jù)葉莖和刻度板長(zhǎng)短而定,葉莖通過(guò)凹槽能達(dá)到合適測(cè)量位置即可,必須保證葉莖通過(guò)凹槽時(shí)無(wú)刮傷。拍照時(shí),將葉片貼放在白紙中間的空白部分,刻度參照板放在葉片下面作為背景底板,葉柄通過(guò)刻度板中間的槽,把葉片移放到刻度參照板合適的位置,并使待測(cè)葉片平展于底板上,再用亞克力板壓平,確保葉片完全舒展,如圖2a所示。(2)對(duì)于在自然狀態(tài)下能完全舒展開(kāi)的葉片,由于有些其表面絨毛比較多,直接接觸可能會(huì)破壞其正常生長(zhǎng)機(jī)理,如黃瓜、西紅柿葉片等,則在刻度板的中間挖出合適大小的凹槽,使葉片能擺放在其中間,拍照時(shí),將刻度板與葉片盡量保持在同一水平面,如圖2b所示。不管采用哪種圖像采集方式,圖像中被研究的葉片與其他葉片不能存在交叉覆蓋現(xiàn)象,因?yàn)檫@不僅增加圖像分割的難度和影響圖像處理的速度,而且影響葉面積測(cè)量結(jié)果的精度。1.2.2葉片的測(cè)量和判別圖像分割的目的是要從研究對(duì)象的圖像中精確地把研究對(duì)象分離出來(lái),然后對(duì)分離的結(jié)果進(jìn)行濾波去噪,以提高測(cè)量的精度。最簡(jiǎn)單的方式是尋找一個(gè)合適的灰度閾值能夠把研究對(duì)象直接分離出來(lái)。嚴(yán)格地說(shuō),本研究的圖片中只有3種顏色,它們分別是白色背景、刻度參照正方形的黑色和研究對(duì)象葉片的顏色?？紤]到這些因素,為了把要測(cè)量的葉片和參照刻度從有背景的圖片中分離出來(lái),本方法要求測(cè)量者在觸摸屏顯示的拍攝圖片平面上,用觸摸筆在要測(cè)量的葉片周圍任意畫一個(gè)封閉圈,該封閉圈不能和被測(cè)葉片或與該葉片相鄰的葉片交叉。在觸摸筆所劃的圈內(nèi),軟件獲取并統(tǒng)計(jì)被選中區(qū)域像素點(diǎn)的R、G、B分量的值,黑色和白色部分像素點(diǎn)R、G、B分量的值接近1∶1∶1。把R∶G∶B比值接近1∶1∶1的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)為255(白色),其它比值的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)為0(黑色)。葉片中如果存在蟲(chóng)孔或黑色病斑,也當(dāng)成是背景而被填充成白色。然后軟件根據(jù)葉片像素所在橫縱坐標(biāo),搜尋葉片周邊的正方形,并依據(jù)正方形像素點(diǎn)R、G、B分量的值,把正方形所包含的像素點(diǎn)的值設(shè)為0。圖像重構(gòu)后,便把參照正方形和被測(cè)葉片從有背景的圖片中分割出來(lái)了。1.2.3葉片面積sahsct記圖像分割后的二值圖像中,參照正方形的總像素為NST,被測(cè)葉片的總像素為NTT,由于單個(gè)正方形的面積已知(為100mm2),累加二值圖像中所有正方形個(gè)數(shù)得到參照正方形的總面積SAT,圖像中單個(gè)像素所代表的實(shí)際面積SPA可以利用SAT除以NST求得,NTTSPA便是被測(cè)量葉片的面積。本研究設(shè)置圖像為2560像素×1920像素,表1給出了不同距離下圖像中每個(gè)像素代表的實(shí)際面積,從表1可以看出,本方法測(cè)量精度能達(dá)到0.001cm2。2葉片面積的測(cè)量Android是基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源移動(dòng)操作系統(tǒng)的名稱,該平臺(tái)由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成。它采用軟件堆層(Softwarestack,又稱軟件疊層)的架構(gòu),主要分為3部分。底層以Linux內(nèi)核工作為基礎(chǔ),由C語(yǔ)言開(kāi)發(fā),只提供基本功能;中間層包括函數(shù)庫(kù)Library和虛擬機(jī)VirtualMachine,由C++開(kāi)發(fā);最上層是各種應(yīng)用軟件,由各公司自行開(kāi)發(fā),以Java作為編寫程序。本研究開(kāi)發(fā)的軟件屬于上層應(yīng)用軟件。利用Android布局管理器進(jìn)行操作界面的控件布局方法簡(jiǎn)單,控件背后的事件觸發(fā)也非常容易實(shí)現(xiàn)。I9300智能手機(jī)內(nèi)置的攝像頭可獲得最大為3264像素×2448像素的圖片,通過(guò)SurfaceHolder.setFixedSize(intx,inty)可以設(shè)置所獲圖像的大小,該設(shè)置會(huì)影響到葉面積的測(cè)量精度,但可以提高軟件處理圖像的速度。本研究設(shè)置圖像大小為2560像素×1920像素,圖片格式為JPEG。觸摸筆軌跡采用View類中的Point((int)event.getX(),(int)event.getY())方法追蹤,該方法能夠把觸摸筆所移動(dòng)的坐標(biāo)及時(shí)返回,圖像分割事件處理過(guò)程中,所觸摸到的屏幕點(diǎn)采用List進(jìn)行記錄,而后覆蓋View類中的onDraw()方法,在onDraw()方法中將這些記錄的坐標(biāo)點(diǎn)使用Cavas類中的drawLine()方法把觸摸筆的軌跡再現(xiàn)到觸摸屏上。研究葉片確定以后,軟件自動(dòng)尋找觸摸筆所畫線圈內(nèi)像素的R、G、B值(0~255),并對(duì)R、G、B值分別做平均。圖像中,背景顏色像素點(diǎn)的R、G、B分量的比值接近1∶1∶1。為了消除光照的影響,當(dāng)像素點(diǎn)的R、G、B分量的值都大于200,且顏色分量的比值在1∶0.8∶0.8到1∶1.2∶1.2范圍內(nèi),都認(rèn)為該像素點(diǎn)是白色,把該像素點(diǎn)的值設(shè)為255。然后軟件根據(jù)葉片像素點(diǎn)所在橫縱坐標(biāo),搜尋葉片周邊的正方形,黑色正方形像素R、G、B分量的比值接近1∶1∶1,當(dāng)像素點(diǎn)的R、G、B分量的值都小于50,且顏色分量的比值在1∶0.8∶0.8到1∶1.2∶1.2范圍內(nèi),都認(rèn)為該像素點(diǎn)是黑色,把該像素點(diǎn)的值設(shè)為0。葉片像素點(diǎn)所在橫縱坐標(biāo)包含的鄰近正方形均納入計(jì)算。經(jīng)過(guò)圖像分割步驟后重構(gòu)的二值圖像還存在噪聲,對(duì)二值圖像采用3×3的中值濾波后,利用1.2.3節(jié)提供的原理計(jì)算被測(cè)葉片面積。圖3給出了算法的圖像處理流程。3結(jié)果與討論為了驗(yàn)證該方法的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和不同場(chǎng)合下的可應(yīng)用性,做如下實(shí)驗(yàn)。3.1離段測(cè)量結(jié)果用AutoCAD精確繪制的三角形、圓、正方形和五角星代表不同形狀的被測(cè)物體分別放在參考板的中間。為了研究距離對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,測(cè)試了手機(jī)平面和刻度參考板平面之間的距離分別為150mm和200~800mm間隔100mm的8個(gè)距離段的數(shù)據(jù),圖4a給出了中間正方形是參照物體,周邊8個(gè)正方形為被測(cè)量對(duì)象,坐標(biāo)軸中的測(cè)量結(jié)果直線部分是中間正方形的實(shí)際值,從圖中可以看出,除500mm點(diǎn)外,其他點(diǎn)的測(cè)量誤差在-0.27%~0.24%之間。圖4b給出了周邊8個(gè)正方形為參照刻度,中間圓為測(cè)量對(duì)象,研究中對(duì)該圓進(jìn)行了5次測(cè)量,坐標(biāo)軸中測(cè)量結(jié)果的直線部分是圓的實(shí)際值。從圖中可以看出,每次測(cè)量的結(jié)果和實(shí)際值相比,其誤差范圍在-0.62%~0.79%之間,三角形和正五角星的測(cè)量結(jié)果和圖4b類似,誤差變化并沒(méi)有明顯的規(guī)律。為了研究偏轉(zhuǎn)角度變化對(duì)結(jié)果的影響,在圖4a的500mm點(diǎn)處,人為地使相機(jī)平面和被測(cè)物體平面發(fā)生30°水平夾角的變化,分析發(fā)現(xiàn)這8個(gè)正方形的面積測(cè)量值幾乎與實(shí)際值線對(duì)稱,其平均值很接近真實(shí)值。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差手機(jī)測(cè)量過(guò)的葉片,再利用LI-3100型葉面積儀進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)手機(jī)和葉片的距離在150mm與300mm時(shí),使用手機(jī)測(cè)得的葉片面積大于真實(shí)值,與LI-3100型葉面積儀測(cè)量的結(jié)果比較,誤差大于3%;在300~600mm范圍內(nèi)時(shí),使用手機(jī)測(cè)量的葉面積結(jié)果與LI-3100型葉面積儀測(cè)量的結(jié)果誤差在±1%以內(nèi);當(dāng)超過(guò)600mm時(shí),測(cè)量結(jié)果誤差逐漸非線性加大,到700mm時(shí),誤差超過(guò)15%,其測(cè)試結(jié)果如圖5所示,圖中直線表示葉面積儀的測(cè)量結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),造成上述現(xiàn)象的原因有:(1)與手機(jī)和葉片平面的夾角大小有關(guān),在3.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)中已得知當(dāng)手機(jī)和葉片平面的夾角發(fā)生比較大的變化時(shí),測(cè)量結(jié)果會(huì)發(fā)生額外的偏差,I9300內(nèi)置傾角傳感器,如果手機(jī)供應(yīng)商能公開(kāi)其硬件資料或在手機(jī)軟件的底層驅(qū)動(dòng)提供傾角接口函數(shù)的話,此原因引起的偏差可以得到解決。(2)和相機(jī)成像有關(guān),距離越近時(shí),葉片邊緣越來(lái)越模糊,葉片邊緣顏色越來(lái)越接近背景,圖像處理過(guò)程中,會(huì)將實(shí)際葉片內(nèi)部像素點(diǎn)去除,帶來(lái)總像素計(jì)算誤差;距離越遠(yuǎn)時(shí),圖像處理過(guò)程中,取參考正方形的像素時(shí),會(huì)將實(shí)際正方形內(nèi)部像素點(diǎn)去除,造成參照尺度引起的誤差;鑒于小孔成像原理,同一平面的物體在同一相機(jī)所拍攝的圖片中的放大倍數(shù)一致的原則,在700mm和800mm距離段分別對(duì)同一葉片進(jìn)行了10次重復(fù)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)際值和測(cè)量值存在某一比例的關(guān)系,即y=kx,式中y為實(shí)際值,k為比例系數(shù),x為測(cè)量值。在700mm距離段時(shí),比例系數(shù)設(shè)為1.262,得出的測(cè)量結(jié)果與LI-3100型葉面積儀測(cè)量結(jié)果的誤差在8%以內(nèi)。(3)由于光照的影響,在室外太陽(yáng)光比較強(qiáng)烈的情況下進(jìn)行葉面積測(cè)量時(shí),測(cè)量結(jié)果會(huì)存在偏差,尤其當(dāng)手機(jī)和葉片間的距離超過(guò)600mm時(shí),影響效果比較明顯。(4)由于本方法是針對(duì)現(xiàn)有手機(jī)CPU對(duì)數(shù)據(jù)處理的能力提出的,圖像分割采用的算法比較簡(jiǎn)單。此外,目前Android系統(tǒng)支持的數(shù)學(xué)函數(shù)也不是很豐富,一些復(fù)雜圖像處理的函數(shù)需要自己編寫,這也是手機(jī)平面和被測(cè)葉片平面超過(guò)700mm時(shí)誤差比較大的一個(gè)原因。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn),提高圖片的分辨率,測(cè)量結(jié)果的誤差范圍有所縮小,但增加了處理圖片的時(shí)間。隨著科技的發(fā)展,由手機(jī)軟件引起的問(wèn)題在未來(lái)的幾年將得到全面解決,因而基于本文所述的葉面積測(cè)量方法也可以進(jìn)一步得到完善。4提高了軟件運(yùn)行速度利用基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)為工作平臺(tái),采用圖像處理技術(shù),提出了一種快速、便攜、無(wú)