CN103630091A

CN103630091A - 一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法

Info

Publication number: CN103630091A
Application number: CN201310540628.6A
Authority: CN
Inventors: 李辉; 刘汉玉
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: CN103630091B

Abstract

本发明公开了一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法，包括如下步骤:安装激光源与摄像头，调整激光源位置使得激光中心轴与摄像头中心平行，使用平行测试装置检验二者平行，调节平行后测得两者中心间的距离；将安装好的设备接入便携式计算机，将需测量的叶片夹入叶片夹，摄像头拍摄范围包括叶片夹内叶片和激光照射光斑；在计算机上通过数字图像处理方法对采集的叶片图像进行分析处理，得到每个像素代表的实际面积以及叶片区域所占的总像素个数，计算出叶片的实际面积。本方法根据光学成像的原理和数字图像处理技术，提高了叶片面积的检测精度以及检测速度，降低了测量设备复杂度和成本，具有精度高、速度快、操作简便、非破坏性、设备成本低等特点，可有效应用于叶面积测量。

Description

一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法

技术领域

本发明属于测量技术，尤其涉及一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法。

背景技术

叶面积作为标定植物生长发育、长势、遗传特性等生理生化反应过程的主要参数，广泛应用于农业科研服务和生产中。

叶面积测定技术可以分为传统测量法和基于计算机图像处理技术的测量法。传统叶面积测量主要有网格法、称重法、系数法、叶面仪测量法等。其中网格法测量的精度较高，但是速度很慢；称重法比较烦琐，不能精确测定单片叶子的面积，误差较大，并且需要从植物上采集大量的叶片，进行破坏性测量，这将对植物造成一定程度的伤害，进而会影响到农学试验的连续性；系数法利用平均原理，可以进行非破坏性测定，但必须用其它方法确定系数之后才能用，且系数会随品种的不同而不同，结果误差也较大；叶面仪测量法的精度很高，速度快，但其价格昂贵，维修不方便，它破坏作物群体结构且对测量的叶子大小也有一定的限制。近年来，随着计算机技术的迅速发展，数字图像处理技术不断成熟和完善，图像处理技术辅助以计算机图像获取设备和计算机编程实现对植物叶片进行分析、测量的研究应用也正在不断发展进步。

申请号为201210565286.9、发明名称为“一种基于激光和图像的叶面积测量方法”中国发明专利申请使用激光测距仪和标准板，采用光学成像的原理和图像处理方法测量叶面积。但是，该专利申请需要利用激光进行距离测量，使得其计算精度要求高，因此设备复杂度高、成本高，同时标准板要求固定，普适性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种精度高、速度快、操作简便、非破坏性、设备成本低的叶面积测量方法。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种叶面积测量方法，基于激光与图像处理技术，所述测量方法包括如下步骤：

步骤1，安装摄像头和激光源于手持设备上，并调整激光源位置使得激光中心轴与摄像头中心平行，测得摄像头和激光源两者中心间的距离；

步骤2，将安装好的手持设备接入便携式计算机，将要测量的叶片夹入叶片夹，拍摄范围覆盖叶片夹内的叶片和激光光斑；

步骤3，通过数字图像处理方法对采得叶片图像进行处理、计算，得到实际叶面积。

综上所述，本发明所述叶面积测量方法通过安装激光源和摄像头，调整激光源位置使得激光中心轴与摄像头中心平行；摄像头采集图像区域包括叶片夹内叶片和激光照射光斑，得到测量叶面积所需图像；之后，在计算机上编程实现对采集的图像进行分析处理：计算图像中心坐标、提取激光光斑区域、图像去噪、计算激光光斑中心坐标、计算叶片面积。本发明根据光学成像原理，以数字图像处理技术和计算机编程为基础，同时利用激光源方向性好、亮度高、单色性好等优点，简化了叶面积测量的分析处理流程，降低了测量设备复杂度和成本，具有精度高、速度快、操作简便、非破坏性、设备成本低等特点，可广泛应用于叶面积的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明所述叶面积测量操作示意图；

图2为本发明设计的手持图像采集装置示意图；

图3为本发明设计的叶片夹装置示意图；

图4为本发明中手持装置平行测试装置图；

图5为本发明中手持装置平行校正过程示意图；

图6为本发明提取激光光斑效果图；

图7为本发明处理叶面区域识别效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法，它包括如下具体步骤：

步骤1、图像采集设备组装时在将摄像头与激光源安装于一个手持装置上，如图2所示。激光源上侧和右侧分别安装调节螺丝用以调整激光源位置使得激光中心与摄像头中心平行，二者是否平行可用平行测试装置，如图4所示，进行检验来，具体检验过程如下：

将安装好的手持设备与测试装置（安装于固定架上的画有固定长度标记的白纸）平行的放置于一条直线上，如图5所示，在两个不同距离处拍摄两张测试图像，执行平行检验程序，若在两处计算得到的标记（测试装置上的）长度结果相同，说明此时激光源与摄像头而这是平行的；若计算结果不同，则应根据计算结果调节激光源位置，直至二者平行即可。调节平行后可用卡尺测得激光源与摄像头的实际距离D，已知激光源的直径R _r和摄像头的半径Rc，由下列公式进而求得摄像头中心与激光源中心的实际距离d；

Figure 2013105406286100002DEST_PATH_IMAGE001

步骤2、本发明设计的手持设备为USB接口装置，可直接接入计算机，且无需驱动程序。叶片夹为一上板为透明有机玻璃，下板为白色有机玻璃的夹式装置，如图3所示，且两板之间保留一定距离，可有效地将叶片展开的同时不至于破坏活体叶片；后板为白色，与叶片颜色（多为绿色、青色）以及激光点颜色（红色，波长650nm）对比较为明显；叶片夹尺寸选择由需测量的叶片决定；

步骤3、本发明设备采得的图像格式为jpg图像。计算叶片面积时采用RGB色彩模式，R代表红色，首先得到采集的图像R（红色）分量、G（绿色）分量、B（蓝色）分量，然后按照如下步骤分别计算得到图像中心坐标、激光光斑中心、叶片像素统计，最后计算叶片面积：

步骤31、图像中心坐标计算：摄像头的参数是设定好的，采集图像后图像的分辨率是固定已知的，即图像的水平方向（x轴）和垂直方向（y轴）的像素个数是已知的，假设分别为L _x和L _y，那么图像中心坐标(x _c ,y _c)的计算公式为：

Figure 2013105406286100002DEST_PATH_IMAGE002

步骤32、激光光斑中心坐标计算：该计算过程按照先提取激光光斑区域，然后进行图像滤噪，最后计算激光光斑中心坐标的顺序进行：

步骤321、激光光斑区域提取：在白色背景板下采集的叶片图像中，激光点是规则、红色的光斑，而叶片为绿色的，所以在图像R（红色）分量中激光光斑区域对应值较高，叶片区域对应值较低；相反地，在G（绿色）分量中激光光斑区域对应值较低，叶片区域对应值较高，本发明采用差分法用图像的R分量减去G分量将两区域的差异放大，同时背景被消掉，然后经阈值分割算法、二值化提取出激光光斑区域；

步骤322、图像噪声滤除：激光的强度是比较高的，当照射在叶片夹时会产生一圈红色的光晕形成图像噪声，会影响光斑中心坐标的计算，本发明利用空间域中值滤波算法有效地去除光晕，得到激光光斑边缘细节，校正了激光光斑图像的畸变；

步骤323、激光光斑中心坐标计算：经上述步骤后可得到二值化的规则的激光光斑图像，如图6所示，该图像的形心即为激光光斑的中心。规则平面图形的形心(x _r ,y _r)计算公式为：

式中：A为平面图形的面积。将一个像素看成一个dA，且为1个单位，则图像的面积即为像素点的个数；分子上的积分则变为像素坐标的和，即激光光斑图像中心计算公式为：

至此已得到叶片图像的中心坐标和激光光斑的中心坐标，由此可计算两者在图像中的距离（图像上像素差别个数）(Δx,Δy)，同时两者的实际距离d是已知的，则可计算得每个像素的边长l:

进而计算得每个像素的实际面积s：

步骤33、叶片面积计算：类似激光光斑的提取，将图像的G分量减去R分量后再经阈值分割、二值化、填充白点等处理将叶片区域与背景分开，如图7所示，统计叶片所占的总像素个数N，由公式：

可得叶片的实际面积S。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法，其特征在于，所描述测量方法包括如下步骤：

步骤11，安装摄像头和激光源于手持设备上，并调整激光源位置使得激光中心轴与摄像头中心平行，测得摄像头和激光源两者中心间的距离；

步骤12，将安装好的手持设备接入便携式计算机，将要测量的叶片夹入叶片夹，拍摄范围覆盖叶片夹内的叶片和激光光斑；

步骤13，通过数字图像处理方法对采得叶片图像进行处理、计算，得到实际叶面积。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法，其特征在于：在步骤11中，激光源采用波长为650nm红色圆点状半导体激光器，亮度高，可在阳光照下采集；功率小，不伤活体叶片。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法，其特征在于：在步骤11中，图像采集设备组装时将摄像头与激光源安装于一个手持装置上，该装置采用USB接口设计，可直接接入计算机，且无需驱动程序；激光源上侧和右侧分别安装调准螺旋用以调整激光源位置使得激光中心与摄像头中心平行，二者是否平行用平行测试装置进行检验。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法，其特征在于：在步骤12中，叶片夹为上板和下板组成的夹式装置，上板为透明有机玻璃，下板为白色有机玻璃，且两板之间保留一定距离，可有效地将叶片展开的同时不至于破坏活体叶片；下板为白色，和叶片颜色以及激光点颜色对比较为明显；叶片夹尺寸选择由测量的叶片决定。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光与图像处理技术的叶面积测量方法，其特征在于：在步骤13中，本发明设备采得的图像格式为jpg，图像计算叶片面积时采用RGB色彩模式，首先得到采集的图像R分量、G分量、B分量，然后进行下列步骤：

步骤51、计算图像中心坐标：利用采集的图像分辨率参数计算图像中心坐标；

步骤52、计算激光光斑中心坐标：首先采用差分法对图像R分量、G分量进行减运算，突显出光斑部分，再将其进行阈值分割、二值化、空间域中值滤波处理，得到规则的激光光斑图像，再利用规则平面图形心计算法得到激光光斑中心坐标；

步骤53、计算每个像素代表的实际面积：根据求得的图像中心坐标和激光光斑中心坐标计算出两点的像素距离，再由已知的二者间实际距离可计算得到每个像素的边长，由正方形面积计算公式可得每个像素代表的实际面积；

步骤54、叶片总像素统计，计算叶片面积：对叶片图像G分量进行阈值分割、二值化、填充等处理将叶片区域与背景分开，统计叶片区域所占的像素总数，根据计算得到的每个像素的实际面积，利用叶面积计算公式计算叶片的实际面积。