CN105157575B - 一种阔叶植物叶脉测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阔叶植物叶脉测量方法，该测量方法的具体步骤如下：将阔叶植物叶片固定于可移动平台上；拍摄一帧叶片图像，通过边界坐标计算出叶片的长度、宽度、面积；向可移动平台台面成45°夹角投射一束带状光，可移动平台沿水平方向匀速运动，计算出主叶脉位置，长度和平均宽度；向可移动平台台面成25°夹角投射一束带状光，可移动平台沿水平方向匀速运动，得到各个二级叶脉的分断带状光图像，结合主叶脉和叶片边界，统计二级叶脉数量和平均长度。本发明对阔叶植物具有普遍的适用性，可较快捷、便捷的获得清晰的叶脉结构图像，准确地识别叶脉的位置以及估计叶脉的长度和宽度，有效应用于叶脉相关的科学研究。

Description

一种阔叶植物叶脉测量方法
技术领域
本发明涉及植物的叶脉结构测量技术领域，具体涉及一种阔叶植物叶脉测量方法。
背景技术
植物叶子的叶脉是叶子的重要器官，对于判断植物的发育和生长状态具有重要的作用。叶子与叶茎相连的叶脉，称为主脉，它的宽度在0.5-2mm之间，是叶子从根部获得营养和水份的唯一通道；主脉的另一端到达叶子的顶端，从正面看，主脉是一条浅绿的细线(叶子的其它部分颜色较之更深)，稍稍呈弧线(近似于直线)；从叶子背面看，主叶脉突起约0.1mm-1mm，颜色与叶子的其它部分颜色反差不大。现有的方法是通过摄像机直接获取叶子图像并通过计算机程序分析色差识别叶脉。但由于叶脉和叶面的颜色相近,并且叶脉与叶子的色差并不一定是均匀不变的，往往难以准确识别，使其实际应用的效果受到很大的局限。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有的不足，而提供一种阔叶植物叶脉测量方法，从而获得清晰的叶脉结构图像，准确地识别叶脉的位置以及估计叶脉的长度和宽度，有效应用于叶脉相关的科学研究。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：一种阔叶植物叶脉测量方法，该测量方法的具体步骤如下：
a.将阔叶植物叶片固定于可移动平台上；
b.采用垂直光源照射叶片，并通过摄像机拍摄一帧图像，通过图像中的像素点(x,y)确定叶片边界，通过边界坐标计算出叶片的长度、宽度、面积；
c.向可移动平台台面成45°夹角投射一束带状光，通过步进电机驱动丝杆顺时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动，叶尖方向与运动方向一致；
d.丝杆每转动若干度数后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至端点，依次获得n幅图像，记为T1、T2、……、Tn。
e.向可移动平台台面成45°夹角投射一束与步骤c中带状光方向相反的带状光，通过步进电机驱动丝杆逆时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动；
f.丝杆每转动与步骤d中相同度数后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至始点，依次获得n幅图像，记为FTn,FTn-1,…,FT1；
g.对每一个满足n>＝k>＝1的k,对任意M>＝x>＝1,通过从图像Tk获得的光照区前边界集合上的前边沿点为(x,y),通过从图像FTk获得的光照区前边界集合上的后边沿点的坐标(x,z),设原光照区横坐标为x的前后边沿点为y0，则如果|y-z|>0.2mm则将(x,(y+z)/2)标记为叶脉部位对应的点，得到点集合YM，计算出主叶脉位置，长度和平均宽度；
h.向可移动平台台面成25°夹角投射一束带状光，通过步进电机驱动丝杆顺时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动，叶尖方向与运动方向一致；
i.丝杆每转动与步骤d中相同度数后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至端点，依次获得n幅图像，记为ET1,ET2,…,ETn；
j.通过图像ET1,ET2,…,ETn的处理得到各个二级叶脉的分断带状光图像，并识别各个二级叶脉起始点位置和其与主叶脉夹角，结合主叶脉和叶子边界，统计二级叶脉数量和平均长度。
进一步，测量过程中，通过遮光盒遮挡外部光线干扰。
进一步，优选丝杆的转动度数设置为5度。
本发明的有益效果是：本发明利用了叶脉在叶子背面的凸起形状在该光照环境下照射区边沿发生位移的特性,通过摄像机获取带状光照射叶子后形成的图像，经过计算机程序识别带状光边沿的位移部位，计算出照射区边沿位移量，通过位移量大于临界值来识别叶脉的位置，通过呈直角对射双带状光照射叶子后扩大带状光在凸起部位形成的位移量等于单束带状光产生的位移的2倍，提高识别的准确性，通过步进电机控制双带状光扫描路径，获得位移部位的连续性、延伸方向等特征。本发明对阔叶植物具有普遍的适用性，可较快捷、便捷的获得清晰的叶脉结构图像，准确地识别叶脉的位置以及估计叶脉的长度和宽度，有效应用于叶脉相关的科学研究。
附图说明
图1为单束带状光照射叶脉在可移动平台俯视效果图；
图2为双束带状光照射叶脉在可移动平台俯视效果图；
图3为主叶脉在45度方向光带照射的图像；
图4为主叶脉在45度方向光带照射的图像经过对比度锐化后效果图；
图5为二级叶脉在25度方向光带照射的图像；
图6二级叶脉在25度方向光带照射的图像经过对比度锐化后效果图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1、图2所示，一种阔叶植物叶脉测量方法，该测量方法的具体步骤如下：
a.将阔叶植物叶片固定于可移动平台上；
b.采用垂直光源照射叶片，并通过摄像机拍摄一帧图像，通过图像中的像素点(x,y)确定叶片边界，通过边界坐标计算出叶片的长度、宽度、面积；
c.向可移动平台台面成45°夹角投射一束带状光，通过步进电机驱动丝杆顺时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动，叶尖方向与运动方向一致；主叶脉在45度方向光带照射下的图像如图3所示，经过对比度锐化后的效果图如图4所示；
d.丝杆每转动5°后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至端点，依次获得n幅图像，记为T1、T2、……、Tn。
e.向可移动平台台面成45°夹角投射一束与步骤c中带状光方向相反的带状光，通过步进电机驱动丝杆逆时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动；
f.丝杆每转动5度后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至始点，依次获得n幅图像，记为FTn,FTn-1,…,FT1；
g.对每一个满足n>＝k>＝1的k,对任意M>＝x>＝1,通过从图像Tk获得的光照区前边界集合上的前边沿点为(x,y),通过从图像FTk获得的光照区前边界集合上的后边沿点的坐标(x,z),设原光照区横坐标为x的前后边沿点为y0，则如果|y-z|>0.2mm则将(x,(y+z)/2)标记为叶脉部位对应的点，得到点集合YM，计算出主叶脉位置，长度和平均宽度；
h.向可移动平台台面成25°夹角投射一束带状光，通过步进电机驱动丝杆顺时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动，叶尖方向与运动方向一致；二级叶脉在25度方向光带照射下的图像如5所示，经过对比度锐化后的效果图如图6所示；
i.丝杆每转动与步骤d中相同度数后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至端点，依次获得n幅图像，记为ET1,ET2,…,ETn；
j.通过图像ET1,ET2,…,ETn的处理得到各个二级叶脉的分断带状光图像，并识别各个二级叶脉起始点位置和其与主叶脉夹角，结合主叶脉和叶子边界，统计二级叶脉数量和平均长度。
测量过程中，通过遮光盒遮挡外部光线干扰。
本发明的工作原理如下，本发明针对性地设计了一种呈直角对射双带状光照场景，利用了叶脉在叶子背面的凸起形状在该光照环境下照射区边沿发生位移的特性,通过特定位置的摄像机获取带状光照射叶子后形成的图像，经过计算机程序识别带状光边沿的位移部位，计算出照射区边沿位移量，通过位移量大于临界值来识别叶脉的位置，通过呈直角对射双带状光照射叶子后扩大带状光在凸起部位形成的位移量等于单束带状光产生的位移的2倍，提高识别的准确性。此外，通过步进电机控制双带状光扫描路径，获得位移部位的连续性、延伸方向等特征。通过这些特征准确地识别叶脉的位置以及估计叶脉的长度和宽度。由于有效地利用叶脉的三维特征，本发明能够克服现有叶脉识别方法中因为色差不明显造成的叶脉位置识别不准确，叶脉宽度估计不准确等难题。
本发明在使用过程中，当从前后以45度角度各投射一束带状的光时，在叶子的有叶脉的地方光照区会形成凹进/凸出的波浪形状边缘，而在无叶脉的部位，则光照区基本上是直线形的。通过摄像机从垂直俯视角度获取视频图像，并将获取的视频图像传送给计算机，再通过识别程序识别出光照区边缘上凹进/凸出的波浪形状边缘并记录其时间和位置；通过步进电机驱动平台沿Y方向移动，则该凸出点会沿着该叶脉的中心线向Y方向移动，因此，可以跟踪并通过计算机程序估算主叶脉长度和平均宽度,二级叶脉数量、平均分布间隔、平均长度、平均宽度等特征。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进。

Claims (3)

1.一种阔叶植物叶脉测量方法，其特征在于：该测量方法的具体步骤如下：
a.将阔叶植物叶片固定于可移动平台上；
b.采用垂直光源照射叶片，并通过摄像机拍摄一帧图像，通过图像中的像素点(x,y)确定叶片边界，通过边界坐标计算出叶片的长度、宽度、面积；
c.向可移动平台台面成45°夹角投射一束带状光，通过步进电机驱动丝杆顺时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动，叶尖方向与运动方向一致；
d.丝杆每转动若干度数后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到可移动平台移动至端点，依次获得n幅图像，记为T1、T2、……、Tn；
e.向可移动平台台面成45°夹角投射一束与步骤c中带状光方向相反的带状光，通过步进电机驱动丝杆逆时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动；
f.丝杆每转动与步骤d中相同度数后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至始点，依次获得n幅图像，记为FTn,FTn-1,…,FT1；
g.对每一个满足n>＝k>＝1的k,对任意M>＝x>＝1,通过从图像Tk获得的光照区前边界集合上的前边沿点为(x,y),通过从图像FTk获得的光照区前边界集合上的后边沿点的坐标(x,z),设原光照区横坐标为x的前后边沿点分别为y和z，则如果|y-z|>0.2mm则将(x,(y+z)/2)标记为叶脉部位对应的点，得到点集合YM，计算出主叶脉位置，长度和平均宽度；
h.向可移动平台台面成25°夹角投射一束带状光，通过步进电机驱动丝杆顺时针转动带动可移动平台沿水平方向匀速运动，叶尖方向与运动方向一致；
i.丝杆每转动与步骤d中相同度数后，通过摄像机在带状光照区垂直上方捕捉一帧图像，并标记好平台纵向位移量，直到运动平台移动至端点，依次获得n幅图像，记为ET1,ET2,…,ETn；
j.通过图像ET1,ET2,…,ETn的处理得到各个二级叶脉的分断带状光图像，并识别各个二级叶脉起始点位置和其与主叶脉夹角，结合主叶脉和叶子边界，统计二级叶脉数量和平均长度。
2.根据权利要求1所述的阔叶植物叶脉测量方法，其特征在于：测量过程中，通过遮光盒遮挡外部光线干扰。
3.根据权利要求1所述的阔叶植物叶脉测量方法，其特征在于：丝杆的转动度数设置为5度。
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