南宫28登录入口基于Matlab的植物叶面积数字摄影图像处文章编号:167卜8151(2006)01-0080—03基于Matlab的植物叶面积数字摄影图像处理(山西农业大学工程技术学院.山西太谷030801)摘要:为了研究植物的生长规律,应用数字摄影图像处理法对山楂叶面积进行无损测量,该方法采用数码相机在田间获取山楂叶子的数字图像,对所拍图像进行背景去除,二值化趸中值滤波处理,然后利用Matlab软件编程.快速计算出叶子的面积.把这一面积同常用的叶纸称重法所测面积进行比较.结果基本相同,由此可见,数字摄影图像法测量叶面积,具有简单,准确,方便快捷的特点.这对数字农业的植物信息快速采集和利用具有重要的意义.关键词:叶面积;数字摄影;Matlab;图像处理中图分类号:TB861文献识别码:AProcessingofLeafAreaMeasurementUsingDigitalPhotographicImageBasedonMatlabJlAAi.1ian,ZHANGShu.juan.(CollegeofEngineeringandTechnology,ShanlqAgritulturalUniversity,TaiguShan~i03080I,China)Abstract:Inordertostudythegrowinglawofplant,wemeasuredtheleafareaofhawthornusingthemethodofdigitalphotographicimageprocessingwithoutdestructionandcalculateditbyMatlabthroughthedigitalimageofhawthornleafobtained.Itwascomparedwithanotherleafareaobtainedbythemethodofweighingtheleaffigurepaper,theresultswerealmostthesameandshowedthatthemethodofdigitalphotographicimageprocessingisaccurate,simpleandconven—lentinmeasuringleafarea,whichisveryimportanttothecollecinganduseofplantinformationofdigitalagriculture,Keywords:Leafarea;Digitalphotography;Matlah;Imageprocessing目前,精细农业已成为囝内外农业方面的前沿性研究领域之一,开展精细农业实践,可以合理利用资源,提高作物产量,降低生产成本,保护环境和提高农产品竞争力等.而精细农业的研究要基于农作物的基础数据,其中有关农作物生长情况的许多信息的获取都与叶面积的计算有关.目前叶面积测量方法较多-1-sl,有称重法,回归方程法,叶面积仪法等,但这些方法都各有利弊,称重法必须进行离{奉测量,参数.1g-t~ttlh而叶面积仪法虽快捷,读数直接,但目前生产量少,价格昂贵.所以传统的方法不适合实时,无损测量,而数字摄影图像处理法测量农作物的叶面积就可以较好的达到这个要求,目前有关这方面的研究正处于探讨之中,Trooien利用图像处理的方法来测量马玲薯的叶面积,并建立叶片模型,他对测量叶面积的影响因素进行了初步研究[5;徐贵力也探讨了无损测量叶面积的方法提出了参考物法,但也只能将长茎作物的叶片伸入光照箱中才能测量,缺乏灵活操作性嘲.本文就山楂叶面积.利用数字摄影图像处理法进行了初步的测量研究.山楂叶图像的获取1.1山楂叶图像获取的器材实验材料包括:一台300万像素的数码相机,一台计算机(P500以上CPU,256M内存,硬盘2G以上剩余空间,Windows操作系统),手持标准台,山楂叶子;Matlab软件;坐标纸,铅笔,剪刀,分析天平(1/1000或1/]o000),镊子,搪瓷盘.1.2图像获取将于持标准面积板打开并在背景板上放～直尺,用数码相机拍摄背景图像;然后将叶片放在贴有直尺的背景板上,使背景板贴近叶子背面,盖好标准面积板,同时用粘贴于标准面积板内侧的无色保鲜膜将叶片压紧,用手扶稳后,用数码相机拍摄照片即原始图像.拍摄效果见图1—1背景图像Fig.1—1Backgroundimage收稿日期:2005～0826修回日期:2005—1005作者简介:贾爱莲(1974一),女(汉),山西代县人,硕士生,主要从事精细农业的研究.mail:基金项目:山西省科技攻关项目(021028)2006贾爱莲等:基于Matlab的植物叶面积数字摄影图像处理81原始图像Fig.1—2Originalimage基于Matlab对山楂叶图像的处理及程序设计山楂叶图像的处理是数字摄影图像处理法测量其叶面积的关键,所以,本文在获取叶子图像后.应用Matlab软件对图像进行背景去除,二值化及中值滤波处理和分析2.1Matlab简介Matlab(MatrixLaboratory)是MathWorks公司开发的,目前国际上最流行,应用最广泛的科学与工程计算软件,它广泛应用于自动控制,数学运算,信号分析,图像信号处理等各行各业.也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具.由于它具有强大的计算和绘图功能,大量稳定可靠的算法库和简洁高效的编程语言,已成为数学计算工具方面事实上的标准.而且Matlab语法规则简单易学,更适应于专业科技人员的思维方式和书写习惯:.2.2去除背景本文采用差分法去除图像的背景.差分处理代数运算的数学表达式如下:其中,A(,j,)和B(,j,)为输入图像,A(,j,)为原始图像,B(,j,)为背景图像,而C(,j,)为输出图像即差分图像.在Matlab中,图像可以用矩阵来表达.A(,j,),B(,j,),C(,j,)分别为原始图像,背景图像和差分图像的矩阵表示.差分处理效果见图2;在这里,为了消除图像中的边缘对象,还需要使用imclearborder命令.其格式为:BWnohord—imclearhorder(图像,C()NN);上式中,C()NN表示连通性.其定义为:在一个连通集中的任意两个像素之间,都存在一条完全由这个集合的元素构成的连通路径.连通路径是一条可在相邻像素问移动的路径.而去除图像背景正是根据像素间连通性概念判断哪些像素与边缘像素相连通,从而将这部分背景物体去除.判断两个像素是否连通需要在某种意义上确定它们是否接触,以及它们的灰度值是否满足某个特定的相似准则.根据连通性概念,调用imclearborder(X,C()NN)函数,去除掉图像边缘部分.用Matlab命令表述为:BWnobord—xO—imclearborder(x00,8);去除背景图像中的边缘对象BWnobord—xl—imclearborder(xll,8);去除原始 差分图像Fig.2Differenceimage 图像中的边缘对象 xx—mat2gray(BWnobord— xl—BWnobord— x0); 将差分后的图像转换为灰度矩阵 2.3 图像二值化处理 图像经差分处理后,除叶子以外点的绘制应该全为0, 但是实际处理后有些点的灰度值不理想,为了不影响以后的 计算,差分图像还必须进行二值化处理,使处理后的图像中 除山楂叶子以外点的灰度值全为0. 对图像二值化是通过设定某一阈值.使具浓度级的图 像变成两个灰度值的黑白图像,使像素全为白或黑. 常用的阈值选取方法有自动寻找最佳阈值法和固定阈值 法.自动寻找阈值法能够自动分析图像的灰度直方图,根据 直方图确定最佳阈值,然后用寻找到的最佳阈值进行二值化 处理.而固定阈值法首先分析每一帧图像的灰度直方图,然 后得出每帧图像的阈值.可以看出固定阈值法的工作量大大 高于自动阈值法,并且不能做到自动化,完全依靠手工去获 取图像的阈值,其精度也较自动阈值法低.所以,在程序设 计中决定采用自动阈值法对图像进行处理.二值化后的图像 见图3. 二值化图像Fig.3ImageaftertWOvalues 图像二值化处理的Matlab 程序如下: level—graythresh(xx);计算图像的最佳阈值 binary— image—im2bw(xx,leve1);将图像转化为 二值化图像 figure,imshow(binary— image);显示二值化图像 通过上面的语句,就可以将图像转换为二值图像,即图 像中只包含0 的图像.但是噪声和杂质并没有去除.下面采用中值滤波的方法来去掉图像中的杂质和噪声. 2.4 中值滤波 中值滤波的目的是消除图像中的各种干扰噪声.这些噪 82 山西农业大学26(1) 声可能是在图像采集,量化等过程中所产生的,也可能是在 各种图像处理过程中产生的.其表现是图像信息扰噪 音所污损,导致图像质量下降.消除这种噪音的方法即为中 值滤波.中值滤波也是一种较简单但又很常用的滤波平滑方 法,它采用邻域内的像素灰度值的中值来作为处理后像素点 的灰度值,对脉冲式的灰度跳跃平滑效果好.二值化图像经 中值滤波处理后的效果见图4. 中值滤波图Fig.4Imageaftermedianvaluefiltering 中值滤波命令在Matlab 中表述如下: filter— image—medfih2(binary—image,[55]);中 值滤波 利用这条命令可以将图像中的干扰噪声和杂质消除. 2.5 图像面积的计算 由于数字图像由一个个像素点组成,所以在已知每个像 素点代表的真实面积下,可以通过计算图像中对象物体区域 的像素数,求出叶子的面积.二值化图像经中值滤波处理后 的白域灰度值为255 代表背景,黑域灰度值为0, 代表叶子区域.叶子面积的计算即灰度值为0 的黑域的 像素个数.根据下式计算: 叶面积=标准面积板面积x 叶面积计算的Matlab程序如下: s—bwarea(filter— image)计算图像的面积 面积s 一3.487210(像素) 又根据图像上直尺的长度和图像的像素可得山楂叶面积 测量结果检验为了验证数字图像处理叶面积结果的可行性,本文应用 叶形纸称重法对同一片山楂叶子再次进行测量.叶形纸称重 法对于叶片平展但不规则的叶片可用叶形纸称重法测量.该 法是首先求出质地均匀的优质纸的面积重量比(cm?g..), 然后再根据叶形纸的重量求出叶面积.用剪刀剪取1dm的 坐标纸,用分析天平准确称重,并计算出纸重面积系数a (cm.?g).将叶片(单叶或全株叶片)平铺在坐标纸上,用细铅笔沿叶片边缘仔细准确地画出叶形,剪取叶形纸并准 确称重得叶形纸重W(g). 叶面积(S)计算公式为: S—aW一96.73670.5839—56.484cm 由结果可以看出,数字图像处理的叶面积与叶形纸称重 法的结果很相近,本文共对3O 片山楂叶子进行以上两种测 量面积方法的分析(数据略),平均精度为0.964,由此可 见,数字图像处理叶面积的方法是可行的. 结论本文利用数字图像处理技术计算出山楂叶的面积,又用 叶形纸称重法进行测量结果的对比,结果表明数字图像处理 法与叶形纸称重法具有相近的测定结果.数字摄影图像处理

　　[pdf] LA-S系列植物图像分析仪【叶面积智能简易版】 - 万深检测