CN103644865B - 基于数字图像分析的平面面积测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像分析的平面面积测量方法，包括：建立摄像系统，并设置一摄像背景平面；将被测物体放置在摄像背景平面上，并使被测平面与摄像背景平面平行；利用摄像系统进行成像，获得被测数字图像；对所述被测数字图像进行处理，计算出所述参考图像的参考面积及其参考像素值；统计出被测平面的目标像素值；计算出所述被测平面的目标测量面积；计算出面积修正系数；根据面积修正系数对目标测量面积进行修正，获得被测平面的实际面积。本发明基于数字图像分析技术，使平面面积测量便捷易于实现，且具有准确度高和适用范围广的优点。

Description

基于数字图像分析的平面面积测量方法

技术领域

本发明涉及平面面积测量技术领域，尤其涉及一种基于数字图像分析的平面面积测量方法。

背景技术

在许多场合下都需要测量不规则形貌物体的表面积，例如监测和勘定活动中的地图面积计算、植物学研究中的植物叶片面积的计算、医学整形中病变面积的计算、仿真饰品镍释放量检测中接触面积的计算、食品接触材料有害物质迁移量检测中接触面积的计算等。

目前，测量平面面积的方法有许多种，大体可以分为手工测定法和电子技术测量法。手工测定法设备简单、操作容易，但是费时费力，测量准确度低；电子技术测量法自动化程度高、准确性和重复性好，应用范围越来越广泛。利用数码相机成像和相关软件测量平面面积是电子技术测量法的一种，该方法具有简便、准确、连续、非破坏性、成本低廉等优点，其基本原理是利用像素值与面积成正比的原理，通过用数码相机拍下处于参考背景环境中的目标物，并利用计算机对数字图像处理，以获得计算所用的参数。

但是，现有技术中的这些研究与应用均建立在被测物体与参考背景处于或近似处于同一平面的基础上，即其均未考虑当被测物体与参考背景处于不同平面时，不同的拍摄物距对测量结果的影响。例如，在仿真饰品镍释放量检测的接触面积计算中，由于目标被测物为三维立体结构，具有一定的厚度，被测物体的被测平面与参考平面通常不能近似为同一平面，由于距离摄像镜头越近平面的放大倍数越大，若套用上述面积测量方法，则会导致计算结果值比实际值偏大。因此，目前的技术方案影响了平面面积测量方法的准确度和适用范围。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提出一种基于数字图像分析的平面面积测量方法，避免摄像物距的变化对测量目标平面的面积测量的影响，提高平面面积测量的准确度以及扩大该方法适用范围。

本发明提供一种基于数字图像分析的平面面积测量方法，包括以下步骤：

S1：建立摄像系统，并设置一摄像背景平面；

S2：将被测物体放置在所述摄像背景平面上，并使所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面平行；

S3：利用所述摄像系统对所述被测平面及其四周的摄像背景平面进行成像，获得被测数字图像；

S4：对所述被测数字图像进行处理，在所述被测数字图像上选取一能囊括所述被测平面的参考图像，计算出所述参考图像的参考面积，并统计出所述参考面积的参考像素值；

S5：统计出所述被测平面在所述被测数字图像上的目标像素值；

S6：根据所述参考面积、所述参考像素值以及所述目标像素值，计算出所述被测平面的目标测量面积：计算出所述目标像素值与所述参考像素值的比值；将所述比值与所述参考面积之积作为所述目标测量面积；

S7：计算出面积修正系数；

S8：根据所述面积修正系数对所述目标测量面积进行修正，获得所述被测物体的被测平面的实际面积。

在一种可实现方式中，所述步骤S7具体为：

S101：测量出所述摄像背景平面与所述摄像系统的摄像镜头的距离L_参；

S102：测量出所述被测平面与所述摄像背景平面的距离x₀；

S103：根据以下公式计算出所述面积修正系数：

其中，p₁为面积修正系数，参数L_目为所述被测物体的被测平面与所述摄像系统的摄像镜头的距离，且其大小值为参数L_参与参数x₀之差。

在另一种可实现方式中，所述步骤S7具体为：

S201：建立距离x与所述面积修正系数的关联关系；所述距离x为任一被测平面与所述所述摄像背景平面的距离，且所述被测平面与所述摄像背景平面平行；

S202：测量出当前所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面的距离x₁；

S203：根据所述距离x与所述面积修正系数的关联关系，以及所述距离x₁，计算出所述面积修正系数p₂。

进一步地，所述步骤S201包括：

S301：利用所述摄像系统对一已知实际面积的基准平面进行摄像；

S302：通过多次调整所述基准平面与所述摄像背景平面的距离x，利用所述摄像系统分别对所述基准平面进行成像，对应摄取多幅基准数字图像；

S303：对每一幅所述基准数字图像执行所述步骤S4～S6，获得所述基准平面的多个基准测量面积；

S304：将每一个所述基准测量面积与所述基准平面的实际面积进行商运算，计算获得多个面积修正系数的测量值p（x）；

S305：对所述距离x与所述测量值p（x）进行二次曲线拟合，获得所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式。

更进一步地，所述步骤S203具体为：

根据所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式，将所述距离x₁代入所述二次函数关系式，计算出所述面积修正系数p₂。

实施本发明的技术方案，具有如下有益效果：利用摄像系统获得被测平面的数字图像，对摄像系统没有严格要求，容易实现和操作；并对该数字图像进行图像分析处理，获得参考图像的参考面积及其参考像素值和被测平面在所述数字图像上对应图像的目标像素值，根据以上三个参量计算获得被测平面的测量面积，并构建面积修正系数对该测量面积进行修正，根据以上原理可获得精确的测量面积。因此，本发明提供的基于数字图像分析的平面面积测量方法，具有简便、非破坏性、自动化程度与准确度高、适用范围广的优点。

附图说明

图1是本发明提供的基于数字图像分析的平面面积测量方法的第一实施例的方法流程图；

图2是本发明第一实施例提供的摄像系统的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的被测数字图像的示意图；

图4是本发明第一实施例提供的在被测数字图像选定参考图像和被测平面图像的示意图；

图5是本发明第一实施例提供的测量面积修正系数的一种可实现方式的方法流程图；

图6是本发明第二实施例提供的测量面积修正系数的又一种可实现方式的方法流程图；

图7是本发明第二实施例提供的建立距离x与面积修正系数关联关系的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。

参见图1，是本发明提供的基于数字图像分析的平面面积测量方法的第一实施例的方法流程图。

在本实施例中，所述的基于数字图像分析的平面面积测量方法包括以下步骤：

步骤S1：建立摄像系统，并设置一摄像背景平面。

参看图2，是本发明第一实施例提供的摄像系统的结构示意图。具体地，摄像系统包括摄像机10和摄像背景平面20，被测物体放置在摄像背景平面20上。进一步地，摄像系统可包括用于承载摄像机10的支架30，具体实施时，可在支架30上设置一孔洞，并将摄像机10固定在所述孔洞上。需要说明的是，本发明实施例提供的支架30可为任意可将摄像机10进行固定的形状结构，因此并未对支架30的形状结构进行限制。

具体实施时，摄像背景平面20可采用印有排列整齐的方格的白色纸张进行实现，且白色纸张上印有M行N列的1cm*1cm（厘米）的方格，M和N均大于零，以便于后期对摄像机10所拍摄的数字图像进行处理，获取参考图像。需要说明的是，本发明实施例并未对方格的大小进行限制。

在本实施例中，为了获得更好的拍摄效果，清晰地获得被测物体的图像，所述拍摄系统可进一步包括照明系统等装置。

步骤S2：将被测物体放置在所述摄像背景平面20上，并使所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面20平行。具体地，被测物体为三维立体形状，具有多个外表面，因此需要控制被测平面的水平面与所述摄像背景平面20的水平面平行。

步骤S3：利用所述摄像系统对所述被测平面及其四周的摄像背景平面20进行成像，获得被测数字图像。

参看图3，是本发明第一实施例提供的被测数字图像的示意图。

具体实施时，利用摄像系统中的摄像机10对被测平面进行拍摄时，如图3所示，被测数字图像的拍摄范围应至少完全覆盖所述被测平面。

在实际的拍摄过程中，摄像背景平面与被测物体的被测平面处于不同的水平面上，摄像机10将会以被测平面为目标调整焦距和像距，使被测平面形成清晰图像。由于聚焦面在感光元件之前，因此被测数字图像变得模糊且放大。

根据摄像机成像原理，被测平面的图像尺寸放大倍率与摄像背景平面的尺寸放大倍率的比值等于摄像背景平面的物距与被测平面的物距的比值，与其它因素无关。在摄像背景平面和被测平面的物距固定时，被测平面的目标图像的尺寸放大倍率与摄像背景平面的参考图像的尺寸放大倍率的比值为定值，即摄像背景平面的物距除以被测平面的物距。

在本实施例中，由于被测平面所在的水平面与摄像背景平面所在的水平面平行，即两者与摄像机镜头的夹角相同，摄像背景平面的物距和被测平面的物距分别为摄像背景平面和被测平面在摄像机镜头主轴上的投影点到镜头中心的距离，因此，被测平面的目标图像的尺寸放大倍率与摄像背景平面的参考图像的尺寸放大倍率的比值与被测平面在镜头主轴上的投影与镜心的距离成反比、与摄像背景平面在镜头主轴上的投影与镜心的距离成正比，与其它因素无关。

步骤S4：对所述被测数字图像进行处理，在所述被测数字图像上选取一能囊括所述被测平面的参考图像，计算出所述参考图像的参考面积，并统计出所述参考面积的参考像素值。如图4所示，在被测数字图像上选取一参考图像A，并利用计算机或其它仪器计算出参考图像A的参考面积S_A，并调用相关软件工具统计出所述参考图像A的参考像素值P_A。

步骤S5：统计出所述被测平面B在所述被测数字图像上的目标像素值P_B。

优选地，本实施例采用Adobe Photoshop软件对参考图像A进行面积计算以及参考图像A与被测平面B的像素值统计。具体实施时，利用Adobe Photoshop软件的“直方图”功能，勾勒选定参考图像A和被测平面B的具体边界轮廓，即可获得参考图像A与被测平面B的像素值。需要说明的是，本发明采用对被测数字图像进行处理的软件工具包括但不限于Adobe Photoshop软件。

步骤S6：根据所述参考面积S_A、所述参考像素值P_A以及所述目标像素值P_B，计算出所述被测平面B的目标测量面积S_B：计算出所述目标像素值P_B与所述参考像素值P_A的比值；将所述比值与所述参考面积S_A之积作为所述目标测量面积S_B。具体地，目标测量面积S_B可采用以下公式进行计算：

S_B=S_A*（P_B/P_A） （1）

在本实施例中，利用公式（1）计算得到的被测平面的面积大小实际上存在面积偏差，因为其并未将被测平面B和摄像背景平面分别与摄像机的物距（距离）差异进行考虑，实际上，摄像背景平面分别与摄像机的物距L₁，和被测平面B与摄像机的物距L₂的大小并不相同，其将会影响到测量得到被测平面B的测量面积的准确度。

根据基于数字图像分析进行面积测量的基本原理：

被测数字图像是以像素点阵的方式存储图像信息，像素是图片大小的基本单位，单位面积上的像素值称为分辨率。对于同一数字图像上的不同部分，由于分辨率相同，因此其面积与像素的比值为定值。

对于目标物和参照物在同一个平面时所成的像，其成像物距相同，面积放大倍率相等，则有关系公式：S_目=（P_目/P_参）*S_参，即目标与背景的面积之比等于其成像像素之比；其中，S_目是目标物的图像面积，P_目是目标物像素值；S_参是参考物的图像面积，P_参是参考物像素值。

对于目标物和参照物不在同一平面时所成的像，还必须考虑其放大倍率的差异。而在摄像系统中，放大倍率的差异可反映在物距的差异，此时具有关系公式：

因此，依据公式（1）计算出的目标测量面积实际上是未考虑到摄像背景平面与被测平面并非处于同一水平面的条件，因此，还需要按照公式（2），利用目标物（即被测平面）和参照物（即摄像背景平面）的物距、像素，以及参照物的实际面积，对测量得到的平面面积进行修正，获得目标物的实际面积。

步骤S7：计算出面积修正系数p。

步骤S8：根据所述面积修正系数p对所述目标测量面积S_B进行修正，获得所述被测物体的被测平面B的实际面积S：将所述目标测量面积S_B除以所述面积修正系数p，即为所述被测平面B的实际面积S。

参看图5，是本发明第一实施例提供的测量面积修正系数的一种可实现方式的方法流程图。

具体的，根据以上公式（2），在理想测量环境下，当面积修正系数p为：p=（L_参/L_目）²时，可推导得到关系公式：

因此，在本实施例中，可采用公式（3）计算获得所述被测物体的被测平面B的实际面积S，以及确定所述步骤S7具体为：

步骤S101：测量出所述摄像背景平面与所述摄像系统的摄像镜头的距离L_参；

步骤S102：测量出所述被测平面与所述摄像背景平面的距离x₀；具体地，可采用游标卡尺对所述距离x₀进行测量。

步骤S103：根据以下公式计算出所述面积修正系数：

其中，p₁为面积修正系数，参数L_目为所述被测物体的被测平面与所述摄像系统的摄像镜头的距离，且其大小值为参数L_参与参数x₀之差。

本发明实施例提供的基于数字图像分析的平面面积测量方法，对摄像系统的要求简单，实现容易，操作轻便；并对被测平面的数字图像进行分析处理，利用数字图像在分辨率相同时，图像的各个部分的面积与像素值的比值为定值的原理计算获得被测平面的测量面积，并对该测量面积进行修正以获得准确的实际面积，其具有简便、准确度高和适用范围广等优点。

参看图6，是本发明第二实施例提供的测量面积修正系数的又一种可实现方式的方法流程图。

在本发明第二实施例中，所述的基于数字图像分析的平面面积测量方法与第一实施例的基本原理相同，其与第一实施例的区别点在于：本实施例在计算面积修正系数时，提出了另一种可实现方式。

具体地，本实施例采用的计算面积修正系数的实现步骤包括：

步骤S201：建立距离x与所述面积修正系数的关联关系；所述距离x为任一被测平面与所述所述摄像背景平面的距离，且所述被测平面与所述摄像背景平面平行；

步骤S202：测量出当前所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面的距离x₁；

步骤S203：根据所述距离x与所述面积修正系数的关联关系，以及所述距离x₁，计算出所述面积修正系数p₂。

参看图7，是本发明第二实施例提供的建立距离x与面积修正系数关联关系的方法流程图。

优选地，所述步骤S201可采用数学统计的方法进行实现，包括：

步骤S301：利用所述摄像系统对一已知实际面积的基准平面进行摄像；

步骤S302：通过多次调整所述基准平面与所述摄像背景平面的距离x，利用所述摄像系统分别对所述基准平面进行成像，对应摄取多幅基准数字图像；

步骤S303：对每一幅所述基准数字图像执行所述步骤S4～S6，获得所述基准平面的多个基准测量面积；

步骤S304：将每一个所述基准测量面积与所述基准平面的实际面积进行商运算，计算获得多个面积修正系数的测量值p（x）；

步骤S305：对所述距离x与所述测量值p（x）进行二次曲线拟合，获得所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式。

具体实施时，可采用图2所示的摄像系统，对一已知面积的物体进行面积测量，得出测量面积随距离x的变化情况。譬如，采用一实际面积为S_实=56.25cm²的方块上表面作为基准平面进行测量，将此时面积修正系数设为1；将方块上表面距摄像背景平面的距离记为x，以一定间隔多次调整x的大小，并分别拍摄其图像，利用Adobe Photoshop CS3Extended软件对图像进行处理，利用像素值与图像面积的对应关系测量得到方块上表面的多个测量面积，数据统计如表1所示。

表1面积修正系数p（x）与距离x的关系

其中，参数x为基准平面与摄像背景平面的距离，单位为cm；L_参是摄像系统中的摄像机镜头与摄像背景平面的距离；参数S_实为基准平面的实际面积，单位为cm²；S（x）为通过软件计算得到的基准平面的测量面积，单位为cm²；p（x）为面积修正系数，且p（x）=S（x）/S_实。

以参数x和参数p（x）进行二次拟合，得p（x）和x的关系式为：p（x）=0.0231x²+0.0912x+0.966，拟合精度R²=0.9993。由此关系公式可计算出在用该摄像系统按上述方式拍摄被测物体图像时的任意距离x值对应的面积修正系数p（x）值。

进一步地，通过步骤S304计算出距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式后，所述步骤S203具体为：

根据所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式，将所述距离x₁代入所述二次函数关系式，计算出所述面积修正系数p₂。

本实施例采用数学统计的方法计算出面积修正系数的意义在于：不同的摄像系统具有不同的性能参数，相机镜头的复杂性导致L_参等参数的准确值不可得，以及拍摄得到的数字图像的变形和扭曲等原因，导致面积修正系数的理论值与实际值之间存在一定偏差，影响了结果的准确性。通过该方法对面积修正系数的拟合计算，避免了第一实施例中采用理想环境下的固定值的误差，而是根据距离x的不同适应调整面积修正系数的值，极大限度地减少了系统偏差，进一步提高了测量面积的准确性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于数字图像分析的平面面积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立摄像系统，并设置一摄像背景平面；

S2：将被测物体放置在所述摄像背景平面上，并使所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面平行；

S3：利用所述摄像系统对所述被测平面及其四周的摄像背景平面进行成像，获得被测数字图像；

S4：对所述被测数字图像进行处理，在所述被测数字图像上选取一能囊括所述被测平面的参考图像，计算出所述参考图像的参考面积，并统计出所述参考面积的参考像素值；

S5：统计出所述被测平面在所述被测数字图像上的目标像素值；

S6：根据所述参考面积、所述参考像素值以及所述目标像素值，计算出所述被测平面的目标测量面积：计算出所述目标像素值与所述参考像素值的比值；将所述比值与所述参考面积之积作为所述目标测量面积；

S7：计算出面积修正系数；

所述步骤S7具体为：

S201：建立距离x与所述面积修正系数的关联关系；所述距离x为任一被测平面与所述摄像背景平面的距离，且所述被测平面与所述摄像背景平面平行；

S202：测量出当前所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面的距离x₁；

S203：根据所述距离x与所述面积修正系数的关联关系，以及所述距离x₁，计算出所述面积修正系数p₂；

所述步骤S201包括：

S301：利用所述摄像系统对一已知实际面积的基准平面进行摄像；

S302：通过多次调整所述基准平面与所述摄像背景平面的距离x，利用所述摄像系统分别对所述基准平面进行成像，对应摄取多幅基准数字图像；

S303：对每一幅所述基准数字图像执行所述步骤S4～S6，获得所述基准平面的多个基准测量面积；

S304：将每一个所述基准测量面积与所述基准平面的实际面积进行商运算，计算获得多个面积修正系数的测量值p(x)；

S305：对所述距离x与所述测量值p(x)进行二次曲线拟合，获得所述距离x与所述测量值p(x)的二次函数关系式；

S8：根据所述面积修正系数对所述目标测量面积进行修正，获得所述被测物体的被测平面的实际面积：

其中，S_目是目标物的图像面积，P_目是目标物像素值；S_参是参考物的图像面积，P_参是参考物像素值，p 是面积修正系数。

2.如权利要求1所述的基于数字图像分析的平面面积测量方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：

S101：测量出所述摄像背景平面与所述摄像系统的摄像镜头的距离L_参；

S102：测量出所述被测平面与所述摄像背景平面的距离x₀；

S103：根据以下公式计算出所述面积修正系数：

其中，p₁为面积修正系数，参数L_目为所述被测物体的被测平面与所述摄像系统的摄像镜头的距离，且其大小值为参数L_参与参数x₀之差。

3.如权利要求1所述的基于数字图像分析的平面面积测量方法，其特征在于，所述步骤S203具体为：

根据所述距离x与所述测量值p(x)的二次函数关系式，将所述距离x₁代入所述二次函数关系式，计算出所述面积修正系数p₂。