基于圖像處理技術的植物葉片面積測量

基于圖像處理技術的植物葉片面積測量

非選擇性測量與其它測量的比較葉面積是植物氣機的一個重要因素，包括植物光合作用、水循環(huán)、能量交換、水果生長等。它還應被用于研究植物育種和遺傳育種的指標[1.2]。準確測量葉面積對研究植物生長和了解作物與生長環(huán)境之間的相互影響都有非常重要的意義。植物葉面積測量方法可分為破壞性測量和非破壞性測量[3~5]。破壞性測量的優(yōu)點是測量步驟簡單,測量結果可靠,缺點是需要從植株上把葉片摘下來,這使得同一葉片不能得到連續(xù)追蹤測量,同時,植物冠層也會受到損害,這些損害還可能進一步影響其他研究的結果[6~7],而且,這種實驗需要足夠多的樣本。非破壞性測量的優(yōu)點是節(jié)約時間,測量結果準確,其最大的優(yōu)勢是允許重復追蹤同一片葉子,缺點是測量儀器設備昂貴,有些儀器設備還不利于攜帶。近幾年來,很多學者投入到基于圖像處理的葉面積測量應用方面的研究[9~16],基于計算機系統(tǒng)的葉面積測量儀能快速準確測量出葉面積,但該技術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測量,是一種破壞性測量。便攜式掃描葉面積測量儀雖然具備攜帶方便的優(yōu)勢,但適合測量秧苗葉片的儀器則測量不了寬大葉片的面積,反之,適合測量寬大葉片面積的儀器則很難測量植物秧苗的葉片。而且,該儀器掃描頭的精度決定該儀器的價格,精度高的價格昂貴,精度低的不太適合大部分科學研究?；贏ndroid系統(tǒng)的智能手機具備CPU主頻高、運行速度快、屏幕寬和分辨率高、攝像頭像素高、內存大等優(yōu)勢,適用于葉面積測量的軟件應用開發(fā),而且,手機還是大部分人隨時攜帶的通信工具,應用者無需購置處理平臺硬件設備。本文設計一種基于Android系統(tǒng)手機及其圖像處理功能來測量葉面積的方法。使用手機的觸摸屏幕作為工作平臺,而不需要給手機增加額外的硬件。1材料和方法1.1u3000熱容量和色定位板、提取液深度計算實驗設備包括工字架,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,手機內置Android4.0操作系統(tǒng),其CPU為4核主頻1.4GHz,800萬像素攝像頭,1GB內存,Android-SDK,集成開發(fā)環(huán)境Eclipse,ADT插件,計算機,白紙和打印機。工字架上、下兩端及連接桿均可伸縮和拔插,一端有可以180°旋轉的固定夾,用來固定手機位置;另一端用來固定刻度板,能確保手機平面和刻度板平面平行,如圖1所示?？潭葏⒄瞻迨窃谄秸陌准埳洗蛴?0mm×10mm的棋盤格,根據(jù)樹葉的大小,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,葉面積計算時,把棋盤格中的黑色正方形當作標準刻度。實驗對象為茄子、西紅柿和楓樹葉片。1.2實驗方法1.2.1葉莖和刻板的高度設計對于正常生長的植株上的葉片,根據(jù)植物葉片表面情況,葉片的圖像采集有兩種方式:(1)針對沒有完全展開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,在刻度參照板的X軸上對稱挖寬約3mm的凹槽,供葉莖通穿,該凹槽的長度根據(jù)葉莖和刻度板長短而定,葉莖通過凹槽能達到合適測量位置即可,必須保證葉莖通過凹槽時無刮傷。拍照時,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)對于在自然狀態(tài)下能完全舒展開的葉片,由于有些其表面絨毛比較多,直接接觸可能會破壞其正常生長機理,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,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,因為這不僅增加圖像分割的難度和影響圖像處理的速度,而且影響葉面積測量結果的精度。1.2.2葉片的測量和判別圖像分割的目的是要從研究對象的圖像中精確地把研究對象分離出來,然后對分離的結果進行濾波去噪,以提高測量的精度。最簡單的方式是尋找一個合適的灰度閾值能夠把研究對象直接分離出來。嚴格地說,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象葉片的顏色?？紤]到這些因素,為了把要測量的葉片和參照刻度從有背景的圖片中分離出來,本方法要求測量者在觸摸屏顯示的拍攝圖片平面上,用觸摸筆在要測量的葉片周圍任意畫一個封閉圈,該封閉圈不能和被測葉片或與該葉片相鄰的葉片交叉。在觸摸筆所劃的圈內,軟件獲取并統(tǒng)計被選中區(qū)域像素點的R、G、B分量的值,黑色和白色部分像素點R、G、B分量的值接近1∶1∶1。把R∶G∶B比值接近1∶1∶1的像素點的灰度值設為255(白色),其它比值的像素點的灰度值設為0(黑色)。葉片中如果存在蟲孔或黑色病斑,也當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,搜尋葉片周邊的正方形,并依據(jù)正方形像素點R、G、B分量的值,把正方形所包含的像素點的值設為0。圖像重構后,便把參照正方形和被測葉片從有背景的圖片中分割出來了。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,被測葉片的總像素為NTT,由于單個正方形的面積已知(為100mm2),累加二值圖像中所有正方形個數(shù)得到參照正方形的總面積SAT,圖像中單個像素所代表的實際面積SPA可以利用SAT除以NST求得,NTTSPA便是被測量葉片的面積。本研究設置圖像為2560像素×1920像素,表1給出了不同距離下圖像中每個像素代表的實際面積,從表1可以看出,本方法測量精度能達到0.001cm2。2葉片面積的測量Android是基于Linux平臺的開源移動操作系統(tǒng)的名稱,該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應用軟件組成。它采用軟件堆層(Softwarestack,又稱軟件疊層)的架構,主要分為3部分。底層以Linux內核工作為基礎,由C語言開發(fā),只提供基本功能;中間層包括函數(shù)庫Library和虛擬機VirtualMachine,由C++開發(fā);最上層是各種應用軟件,由各公司自行開發(fā),以Java作為編寫程序。本研究開發(fā)的軟件屬于上層應用軟件。利用Android布局管理器進行操作界面的控件布局方法簡單,控件背后的事件觸發(fā)也非常容易實現(xiàn)。I9300智能手機內置的攝像頭可獲得最大為3264像素×2448像素的圖片,通過SurfaceHolder.setFixedSize(intx,inty)可以設置所獲圖像的大小,該設置會影響到葉面積的測量精度,但可以提高軟件處理圖像的速度。本研究設置圖像大小為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的坐標及時返回,圖像分割事件處理過程中,所觸摸到的屏幕點采用List進行記錄,而后覆蓋View類中的onDraw()方法,在onDraw()方法中將這些記錄的坐標點使用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,軟件自動尋找觸摸筆所畫線圈內像素的R、G、B值(0~255),并對R、G、B值分別做平均。圖像中,背景顏色像素點的R、G、B分量的比值接近1∶1∶1。為了消除光照的影響,當像素點的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,都認為該像素點是白色,把該像素點的值設為255。然后軟件根據(jù)葉片像素點所在橫縱坐標,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,當像素點的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,都認為該像素點是黑色,把該像素點的值設為0。葉片像素點所在橫縱坐標包含的鄰近正方形均納入計算。經(jīng)過圖像分割步驟后重構的二值圖像還存在噪聲,對二值圖像采用3×3的中值濾波后,利用1.2.3節(jié)提供的原理計算被測葉片面積。圖3給出了算法的圖像處理流程。3結果與討論為了驗證該方法的可重復性、準確性和不同場合下的可應用性,做如下實驗。3.1離段測量結果用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物體分別放在參考板的中間。為了研究距離對測試結果的影響,測試了手機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個正方形為被測量對象,坐標軸中的測量結果直線部分是中間正方形的實際值,從圖中可以看出,除500mm點外,其他點的測量誤差在-0.27%~0.24%之間。圖4b給出了周邊8個正方形為參照刻度,中間圓為測量對象,研究中對該圓進行了5次測量,坐標軸中測量結果的直線部分是圓的實際值。從圖中可以看出,每次測量的結果和實際值相比,其誤差范圍在-0.62%~0.79%之間,三角形和正五角星的測量結果和圖4b類似,誤差變化并沒有明顯的規(guī)律。為了研究偏轉角度變化對結果的影響,在圖4a的500mm點處,人為地使相機平面和被測物體平面發(fā)生30°水平夾角的變化,分析發(fā)現(xiàn)這8個正方形的面積測量值幾乎與實際值線對稱,其平均值很接近真實值。3.2實驗結果的誤差手機測量過的葉片,再利用LI-3100型葉面積儀進行測量。實驗中發(fā)現(xiàn),當手機和葉片的距離在150mm與300mm時,使用手機測得的葉片面積大于真實值,與LI-3100型葉面積儀測量的結果比較,誤差大于3%;在300~600mm范圍內時,使用手機測量的葉面積結果與LI-3100型葉面積儀測量的結果誤差在±1%以內;當超過600mm時,測量結果誤差逐漸非線性加大,到700mm時,誤差超過15%,其測試結果如圖5所示,圖中直線表示葉面積儀的測量結果。研究發(fā)現(xiàn),造成上述現(xiàn)象的原因有:(1)與手機和葉片平面的夾角大小有關,在3.1節(jié)的實驗中已得知當手機和葉片平面的夾角發(fā)生比較大的變化時,測量結果會發(fā)生額外的偏差,I9300內置傾角傳感器,如果手機供應商能公開其硬件資料或在手機軟件的底層驅動提供傾角接口函數(shù)的話,此原因引起的偏差可以得到解決。(2)和相機成像有關,距離越近時,葉片邊緣越來越模糊,葉片邊緣顏色越來越接近背景,圖像處理過程中,會將實際葉片內部像素點去除,帶來總像素計算誤差;距離越遠時,圖像處理過程中,取參考正方形的像素時,會將實際正方形內部像素點去除,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距離段分別對同一葉片進行了10次重復實驗,實驗結果表明實際值和測量值存在某一比例的關系,即y=kx,式中y為實際值,k為比例系數(shù),x為測量值。在700mm距離段時,比例系數(shù)設為1.262,得出的測量結果與LI-3100型葉面積儀測量結果的誤差在8%以內。(3)由于光照的影響,在室外太陽光比較強烈的情況下進行葉面積測量時,測量結果會存在偏差,尤其當手機和葉片間的距離超過600mm時,影響效果比較明顯。(4)由于本方法是針對現(xiàn)有手機CPU對數(shù)據(jù)處理的能力提出的,圖像分割采用的算法比較簡單。此外,目前Android系統(tǒng)支持的數(shù)學函數(shù)也不是很豐富,一些復雜圖像處理的函數(shù)需要自己編寫,這也是手機平面和被測葉片平面超過700mm時誤差比較大的一個原因。實驗中同時發(fā)現(xiàn),提高圖片的分辨率,測量結果的誤差范圍有所縮小,但增加了處理圖片的時間。隨著科技的發(fā)展,由手機軟件引起的問題在未來的幾年將得到全面解決,因而基于本文所述的葉面積測量方法也可以進一步得到完善。4提高了軟件運行速度利用基于Android系統(tǒng)的智能手機為工作平臺,采用圖像處理技術,提出了一種快速、便攜、無