CN106996757A - 一种基于数码相机图像的叶面积测量方法 - Google Patents

一种基于数码相机图像的叶面积测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及植物叶面积测量技术领域，具体为一种基于数码相机图像的叶面积测量方法，包括以下步骤：(1)制作颜色为黑色的比对标尺；(2)将需要测量的叶片及比对标尺平铺在白色背景上，叶片不能遮挡比对标尺，使用数码相机获取叶片和比对标尺的彩色图像；(3)根据所获取彩色图像每个像素中的G与B，判断识别出叶片和标尺的区域；(4)分别统计叶片和标尺的像素个数，计算出叶片面积。本发明方法省时省力而且成本较低，达到较高的准确率。

Description

一种基于数码相机图像的叶面积测量方法
【技术领域】
本发明涉及植物叶面积测量技术领域，具体为一种基于数码相机图像的叶面积测量方法。
【背景技术】
叶面积测量，就是指测量出单张叶片的面积。因为叶片是植物进行光合作用、蒸腾作用的重要器官，因此叶片的发育状况是评价植物生长状况的重要指标，而叶片面积是评价叶片状况的指标之一。叶面积经常被用于遗传育种、作物栽培等方面的研究。
目前有多种叶面积测量的方法，较常用的方法有叶面积仪法、方格坐标纸法、剪纸称重法、图像像素法等。叶面积仪法即是采用叶面积仪进行测量，但由于叶面积仪较为昂贵，成本较高，目前仍难以推广。方格坐标纸法和剪纸称重法都需要人工画出或剪出叶片边缘，较为费工、费时，如果叶片边缘复杂则误差较大。图像像素法，指的是通过数码相机拍摄叶片和已知面积的参照物，通过图像中的叶片与参照物的像素比例，进而计算出叶片的面积。目前该方法多是通过Photoshop软件的魔棒工具选取图像中的叶片和参照物，用直方图工具读取像素值，操作上仍较费工、费时，且人为误差不确定。
【发明内容】
针对以上，本发明通过一种基于数码相机图像的叶面积测量方法，利用数码相机拍摄平放在白色背景上和黑色标尺旁的绿色叶片，制作用于测算绿色叶片面积的数码图片。利用图片中的绿、蓝两通道的色值G与B，根据绿色叶片、黑色标尺、白色背景的光谱反射特征，设置分类条件，采用决策树的分类方式，识别出图片中的绿色叶片部分和黑色标尺部分。根据实际测量的黑色标尺的面积，以及图片中绿色叶片与黑色标尺的像素个数的比例，测算出绿色叶片的面积。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于数码相机图像的叶面积测量方法，包括以下步骤：
(1)制作颜色为黑色的比对标尺；
(2)将需要测量的叶片及比对标尺平铺在白色背景上，叶片不能遮挡比对标尺，使用数码相机获取叶片和比对标尺的彩色图像；
(3)根据所获取彩色图像每个像素中的G与B，判断识别出叶片和标尺的区域；
(4)分别统计叶片和标尺的像素个数，计算出叶片面积。
进一步的，所述比对标尺为黑色方块，通过测量长宽计算出比对标尺面积。
进一步的，所述判断识别出叶片和标尺的区域方法为：分别判断每个像素中G是否大于50，G/B是否大于1.1-1.2，G/B是否大于1.45-1.6；当G大于50且G/B大于1.1-1.2时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.1-1.2时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.45-1.6时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.45-1.6时判断该处为黑色标尺。
进一步的，所述获取叶片和比对标尺的彩色图像方法为：垂直向下拍摄叶片和比对标尺，叶片不能遮挡比对标尺，图片范围内只允许出现叶片、比对标尺和白色背景；拍摄时设置数码相机闪光灯关闭状态，使用自动拍照模式，白平衡、曝光值均采用自动调节模式，且保证光线充足，避免图片中出现阴影。
进一步的，所述计算叶片面积方法为：叶片面积＝叶片像素数/标尺像素数×标尺面积。
进一步的，使用图像处理软件获取所述彩色图像中的G与B，所述图像处理软件为ENVI或ERDAS IMAGINE。
本发明还提供一种基于数码相机图像的叶面积测量系统，包括比对标尺、白色背景、数码相机、图像处理模块、判断识别模块和计算模块，
所述比对标尺为黑色方块用于与叶片作比对；
所述白色背景为比对标尺和叶片拍照的背景；
所述数码相机用于获取比对标尺和叶片的彩色图像；
所述图像处理模块用于获取彩色图像中每个像素的G与B；
所述判断识别模块用于根据所述彩色图像中每个像素的G与B判断出叶片及比对标尺的区域。
进一步的，所述判断识别模块识别出叶片和标尺的区域方法为：分别判断每个像素中G是否大于50，G/B是否大于1.1-1.2，G/B是否大于1.45-1.6；当G大于50且G/B大于1.1-1.2时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.1-1.2时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.45-1.6时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.45-1.6时判断该处为黑色标尺。
上述，G代表绿通道色值，B代表蓝通道色值。
本发明的有益效果是：本发明基于数码相机图像的叶面积测量方法利用图片中的绿、蓝两通道的G和B，根据绿色叶片、黑色标尺、白色背景的光谱反射特征差异，设置分类条件，识别出图片中的叶片部分、黑色标尺和白色背景部分。通过判断彩色图片中G是否大于50，把图片中的较暗的区域与其他区域区分开。在G不大于50的区域，该区域中主要是黑色标尺，以及绿叶中的黑斑，或者是由于光线不足造成拍摄的叶片较暗的部分；根据绿色叶片和黑色标尺的光谱反射特性，在光线不足的情况下，绿色叶片的蓝通道色值较小，绿通道与蓝通道的色值相差较大，而黑色标尺的绿通道与蓝通道的色值相差较小，可利用G/B是否大于1.45-1.6条件来筛选区分出黑色标尺和绿色叶片。经发明人研究发现，G/B的判断阀值为1.5时，绿色叶片及黑色标尺识别效果最佳。在G大于50的区域，该区域中主要是绿色叶片和白色背景，根据绿色叶片和白色背景的光谱反射特性，在光线充足的情况下，绿色叶片的绿通道和蓝通道的色值都较大，但绿光值仍明显大于蓝光值；而白色背景的绿通道与蓝通道的色值都较大，但两者相差不大；可利用G/B是否大于1.1-1.2条件来筛选区分出白色背景及绿色叶片。经发明人研究发现，G/B的判断阀值为1.15时，绿色叶片及白色背景识别效果最佳。根据实际测量的黑色标尺的面积，以及图片中绿色叶片与黑色标尺的像素个数的比例，测算出绿色叶片的面积。该方法测量省时省力而且成本较低，可以有效排除人为因素的干扰，达到较高的准确率。
附图说明
图1是本发明基于数码相机图像的叶面积测量方法的流程图；
图2是本发明基于数码相机图像的叶面积测量系统的系统原理图；
图3是本发明对比试验坐标纸手绘方法测量叶片示意图；
图4是本发明对比试验叶片a拍摄图像；
图5是本发明对比试验叶片a识别结果；
图6是本发明对比试验叶片b拍摄图像；
图7是本发明对比试验叶片b识别结果；
图8是本发明对比试验叶片c拍摄图像；
图9是本发明对比试验叶片c识别结果；
【具体实施方式】
实施例1
如图1所示，一种基于数码相机图像的叶面积测量方法，包括以下步骤：
(1)制作颜色为黑色的比对标尺，通过测量长宽计算出比对标尺面积；
(2)将需要测量的绿叶平铺在白色背景上，绿叶不能遮挡比对标尺，使用数码相机垂直向下拍摄绿叶和比对标尺的彩色图片，图片范围内只允许出现叶片、比对标尺和白色背景；拍摄时设置数码相机闪光灯关闭状态，使用自动拍照模式，白平衡、曝光值均采用自动调节模式，且保证光线充足，避免图片中出现阴影；
(3)使用图像处理软件获取所述彩色图像中的G与B，所述图像处理软件为ENVI或ERDAS IMAGINE，分别判断每个像素色中G是否大于50，G/B是否大于1.1，G/B是否大于1.45；当G大于50且G/B大于1.1时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.1时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.45时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.45时判断该处为黑色比对标尺；
(4)分别统计叶片和标尺的像素个数，计算出绿叶面积，计算叶片面积方法为：叶片面积＝叶片像素数/标尺像素数×标尺面积。
上述，G代表绿通道色值，B代表蓝通道色值。
实施例2
如图1所示，一种基于数码相机图像的叶面积测量方法，包括以下步骤：
(1)制作颜色为黑色的比对标尺，通过测量长宽计算出比对标尺面积；
(2)将需要测量的叶片平铺在白色背景上，叶片不能遮挡比对标尺，使用数码相机垂直向下拍摄叶片和比对标尺的彩色图片，图片范围内只允许出现叶片、比对标尺和白色背景；拍摄时设置数码相机闪光灯关闭状态，使用自动拍照模式，白平衡、曝光值均采用自动调节模式，且保证光线充足，避免图片中出现阴影；
(3)使用图像处理软件获取所述彩色图像中的G与B，所述图像处理软件为ENVI或ERDAS IMAGINE，分别判断每个像素中G是否大于50，G/B是否大于1.2，G/B是否大于1.6；当G大于50且G/B大于1.2时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.2时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.6时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.6时判断该处为黑色比对标尺；
(4)分别统计叶片和标尺的像素个数，计算出叶片面积，计算叶片面积方法为：叶片面积＝叶片像素数/标尺像素数×标尺面积。
上述，G代表绿通道色值，B代表蓝通道色值。
实施例3
如图1所示，一种基于数码相机图像的叶面积测量方法，包括以下步骤：
(1)制作颜色为黑色的比对标尺，通过测量长宽计算出比对标尺面积；
(2)将需要测量的叶片平铺在白色背景上，叶片不能遮挡比对标尺，使用数码相机垂直向下拍摄叶片和比对标尺的彩色图片，图片范围内只允许出现叶片、比对标尺和白色背景；拍摄时设置数码相机闪光灯关闭状态，使用自动拍照模式，白平衡、曝光值均采用自动调节模式，且保证光线充足，避免图片中出现阴影；
(3)使用图像处理软件获取所述彩色图像中的G与B，所述图像处理软件为ENVI或ERDAS IMAGINE，分别判断每个像素中G是否大于50，G/B是否大于1.15，G/B是否大于1.5；当G大于50且G/B大于1.15时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.15时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.5时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.5时判断该处为黑色比对标尺；
(4)分别统计叶片和标尺的像素个数，计算出叶片面积，计算叶片面积方法为：叶片面积＝叶片像素数/标尺像素数×标尺面积。
上述，G代表绿通道色值，B代表蓝通道色值。
实施例4
如图2所述一种基于数码相机图像的叶面积测量系统，包括比对标尺、白色背景、数码相机、图像处理模块、判断识别模块和计算模块，
所述比对标尺为黑色方块用于与叶片作比对；
所述白色背景为比对标尺和叶片拍照的背景；
所述数码相机用于获取比对标尺和叶片的彩色图像；
所述图像处理模块用于获取彩色图像中每个像素的G与B；
所述判断识别模块用于根据所述彩色图像中每个像素的G与B判断出叶片及比对标尺的区域。
进一步的，所述判断识别模块识别出叶片和标尺的区域方法为：分别判断每个像素中G是否大于50，G/B是否大于1.1-1.2，G/B是否大于1.45-1.6；当G大于50且G/B大于1.1-1.2时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.1-1.2时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.45-1.6时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.45-1.6时判断该处为黑色标尺。
上述，G代表绿通道色值，B代表蓝通道色值。
实施例5
为了验证效果，对三片绿叶分别标号为绿叶a、绿叶b及绿叶c进行了测量，并与方格坐标纸手绘的结果进行了验证。在坐标纸上沿着叶片边缘画出叶片的轮廓，统计出轮廓内的方格个数，即为叶片的面积。
在本次试验中，在WORD文档中输入连续十个“田”字，设置为宋体五号字，字体颜色为黑色，并将字符背景设为黑色，用A4白纸打印，即可在白纸上出现3.7cm×0.5cm＝1.85cm2的黑色方块。用该白纸和黑色方块作为背景和标尺，分别将绿叶a、绿叶b及绿叶c平铺在白色背景上进行拍摄，叶片不能遮挡比对标尺，分别拍摄3张叶片的数码图片。采用ENVI软件读取图片绿、蓝通道的色值G与B，利用本发明实施例3方法计算出绿色叶片的面积。
表1.本实施例5方法验证结果
由比较结果来看，相对误差均在5％以内，估测面积与实测面积没有显著差异，该方法可以替代方格坐标纸手绘方法。
以上所描述的实施例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。

Claims (8)

1.一种基于数码相机图像的叶面积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制作颜色为黑色的比对标尺；
(2)将需要测量的叶片及比对标尺平铺在白色背景上，叶片不能遮挡比对标尺，使用数码相机获取叶片和比对标尺的彩色图像；
(3)根据所获取彩色图像每个像素中的G与B，判断识别出叶片和标尺的区域；
(4)分别统计叶片和标尺的像素个数，计算出叶片面积。
2.根据权利要求1所述基于数码相机图像的叶面积测量方法，其特征在于，所述比对标尺为黑色方块，通过测量长宽计算出比对标尺面积。
3.根据权利要求1所述基于数码相机图像的叶面积测量方法，其特征在于，所述判断识别出叶片和标尺的区域方法为：分别判断每个像素中G是否大于50，G/B是否大于1.1-1.2，G/B是否大于1.45-1.6；当G大于50且G/B大于1.1-1.2时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.1-1.2时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.45-1.6时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.45-1.6时判断该处为黑色标尺。
4.根据权利要求1所述基于数码相机图像的叶面积测量方法，其特征在于，所述获取叶片和比对标尺的彩色图像方法为：垂直向下拍摄叶片和比对标尺，叶片不能遮挡比对标尺，图片范围内只允许出现叶片、比对标尺和白色背景；拍摄时设置数码相机闪光灯关闭状态，使用自动拍照模式，白平衡、曝光值均采用自动调节模式，且保证光线充足，避免图片中出现阴影。
5.根据权利要求1所述基于数码相机图像的叶面积测量方法，其特征在于，所述计算叶片面积方法为：叶片面积＝叶片像素数/标尺像素数×标尺面积。
6.根据权利要求1所述基于数码相机图像的叶面积测量方法，其特征在于，使用图像处理软件获取所述彩色图像中的G与B，所述图像处理软件为ENVI或ERDAS IMAGINE。
7.一种基于数码相机图像的叶面积测量系统，其特征在于，包括比对标尺、白色背景、数码相机、图像处理模块、判断识别模块和计算模块，
所述比对标尺为黑色方块用于与叶片作比对；
所述白色背景为比对标尺和叶片拍照的背景；
所述数码相机用于获取比对标尺和叶片的彩色图像；
所述图像处理模块用于获取彩色图像中每个像素的G与B；
所述判断识别模块用于根据所述彩色图像中每个像素的G与B判断出叶片及比对标尺的区域；
所述计算模块用于统计叶片及比对标尺的像素个数，计算出叶片面积。
8.根据权利要求7所述基于数码相机图像的叶面积测量系统，其特征在于，所述判断识别模块识别出叶片和标尺的区域方法为：分别判断每个像素中G是否大于50，G/B是否大于1.1-1.2，G/B是否大于1.45-1.6；当G大于50且G/B大于1.1-1.2时判断该处为叶片，当G大于50且G/B不大于1.1-1.2时判断该处为白色背景；当G不大于50且G/B大于1.45-1.6时判断该处为叶片，当G不大于50且G/B不大于1.45-1.6时判断该处为黑色标尺。
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