CN101324427A - 绿叶面积自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及绿叶面积自动测量装置及方法，本装置包括流水线***、可见光CCD成像***、电动旋转台、旋转台控制器、计算机、图像采集卡，电动旋转台依次与旋转台控制器和计算机相连，可见光CCD成像***依次与图像采集卡和计算机相连，本发明由计算机控制，采用流水线***，将待提取参数的样品送上电动旋转台，由CCD成像***拍摄顶部、水平0°和90°三个固定角度下的植株图像，由计算机将所得图像进行图像分割，从分割后的图像中通过判断提取出绿叶部分，统计各个角度下植株绿叶的观测面积，计算出植株的绿叶面积。本发明利用CCD成像的方法，从图像中自动计算出绿叶面积，具有安全无损、测量结果准确可靠等优点。

Description

绿叶面积自动测量装置及方法

技术领域

本发明属于数字图像处理技术，具体涉及一种绿叶面积自动测量装置及方法，该装置能够自动识别植物的绿叶面积，适用于数字化农业领域。

背景技术

数字图像处理与模式识别技术在几十年内得到迅速发展并在工业自动化、智能交通、卫星遥感、军事侦察、生物医学等应用领域中得到广泛的应用。利用数字图像处理技术进行植物参数的自动提取是一种非常有前途的技术，尤其在数字化农业日益推广的今天。计算机视觉技术已经开始得到植物学等基础学科研究人员的关注，国外出现了一些成熟的产品，国内基本上还处在实验室阶段，而且从事的人员也很有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿叶面积自动测量装置及方法，该装置能够自动测量植物的绿叶面积。

本发明提供的植物绿叶面积自动测量装置，包括皮带1、调速电机2、气泵3、气动装置4、CCD相机5、背景幕布6、电动旋转台7、图像采集卡8、旋转台控制器9、计算机10、顶部CCD相机11，架设的皮带1与调速电机2相连，气泵3位于皮带外部并与皮带内侧边缘的气动装置4相连，在气动装置4旁的皮带中部装配一个电动旋转台7，电动旋转台7与旋转台控制器9相连，旋转台控制器9又通过串口与计算机10相连，CCD相机5利用三脚架支持并固定，其镜头正对电动旋转台7和背景幕布6，CCD相机5、电动旋转台7及背景幕布6的中心在同一条直线上，顶部CCD相机11安装在电动旋转台7的顶部，CCD相机5以及顶部CCD相机11通过数据接口与图像采集卡8相连，图像采集卡8则通过PCI插槽与计算机10连接。其中，包括皮带1、调速电机2、气泵3、气动装置4构成流水线***，CCD相机5、顶部CCD相机11和背景幕布6构成可见光CCD成像***，CCD相机5、顶部CCD相机11采用相同放大倍数的CCD相机。

绿叶面积自动测量方法，按以下步骤进行：(1)将盆装植物放入皮带上输送至电动旋转台时，由气泵带动气动装置将水稻推上电动旋转台，计算机控制旋转台旋转，由CCD相机拍摄每个角度下植株的，再由数字传输线通过图像采集卡传送入计算机；(2)计算机通过绿叶面积提取算法后得植株绿叶面积。

绿叶面积提取算法分为图像处理和计算两个部分，图像处理按照以下步骤进行：(1)、中值滤波：将植株图像进行中值滤波去除噪声；(2)、二值化：将中值滤波后的图像转化为二值化图，这一步骤将绿叶部分提取出来，主要的判断条件是RG两色分量的相对大小，因为R偏大为黄色，G偏大为绿色；(3)、去除小区域：设定面积阈值，去掉区域面积在阈值以下的小区域；(4)、面积统计：对经过上述处理后的图像，进行面积统计，得到植株一个角度下的观测面积，为像素值。

计算部分：在植株顶部、植株水平位置、与水平位置相隔90°角各拍摄一张图像，将这三张图像按上述图像的处理方法所得到的观测面积分别计为a、b、c，其中a、b、c为各角度下观测像素值，按照公式 $G=\sqrt{a\·b\·c}$ 计算得到植株绿叶面积也为像素值，将得到的植株绿叶面积的像素值除以CCD相机的放大倍数得植株的绿叶面积。

本发明由预设的电脑程序控制，采用流水线，将待提取参数的样品送上电动旋转台，由CCD成像拍摄植株图像，由计算机将所得图像进行图像处理，并计算获得植株绿叶面积。

附图说明

图1为本发明植物参数自动提取装置的结构示意图；

图2为绿叶图像处理程序流程框图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的装置包括皮带1、调速电机2、气泵3、气动装置4、CCD相机5、背景幕布6、电动旋转台7、图像采集卡8、旋转台控制器9、计算机10、顶部CCD相机11，架设的皮带1与调速电机2相连，气泵3位于皮带外部并与皮带内侧边缘的气动装置4相连，在气动装置4旁的皮带中部装配一个电动旋转台7，电动旋转台7与旋转台控制器9相连，旋转台控制器9又通过串口与计算机10相连，CCD相机5利用三脚架支持并固定，其镜头正对电动旋转台7和背景幕布6，CCD相机5、电动旋转台7及背景幕布6的中心在同一条直线上，顶部CCD相机11安装在电动旋转台7的顶部，CCD相机5、顶部CCD相机11通过数据接口与图像采集卡8相连，图像采集卡8则通过PCI插槽与计算机10连接。

其中，包括皮带1、调速电机2、气泵3、气动装置4构成流水线***，CCD相机5、顶部CCD相机11和背景幕布6构成成像***，CCD相机5、顶部CCD相机11采用相同放大倍数的CCD相机。

盆装水稻通过流水线***运输。当水稻被运输到达皮带中部的电动旋转台7时，由气泵3带动气动装置4将水稻推上电动旋转台7。随后计算机控制旋转台旋转，可见光CCD成像***进行拍摄。拍摄完毕后，气泵带动气动装置将水稻由旋转台重新放回皮带运走。由CCD拍摄到的图片由数字传输线通过图像采集卡8传送入计算机10，计算机通过绿叶面积提取算法得到植株的绿叶面积。

经过CCD拍摄出来的植株图像，需要用图像处理的方法来获取绿叶部分进行统计，绿叶面积计算的主要图像处理方法的路线为：中值滤波、提取绿叶部分二值化、去除小区域、面积统计等操作；将在植株顶部、植株水平位置、与水平位置相隔90°角拍摄三张图像，将这三张图像按上述图像的处理方法所得到的该角度下的观测面积分别计为a、b、c，其中a、b、c为各角度下观测像素值，按照公式 $G=\sqrt{a\·b\·c}$ 计算得到植株绿叶面积也为像素值，将得到的植株绿叶面积的像素值除以CCD相机的放大倍数得植株的绿叶面积。

绿叶面积计算的图像处理方法具体按以下步骤进行：

(1)、中值滤波：在拍摄过程中，因为各种原因，图像往往含有噪声，所以先经过将植株图像进行中值滤波去除噪声；

(2)、二值化：该操作用于图像分割，提取出绿叶部分，将灰度图转化为二值化图，这里二值化的阈值不是定值，而是比较在各个点上，绿色分量与红色分量的相对大小来决定的，将植株图像的RGB按RG两色分量提取，对植株图像的每个像素进行判断，如果该像素的绿色分量大于红色分量，则将该像素判定为绿色，反之如果红色分量大于绿色分量，则将像素定为黄色，以此来对植株的绿叶部分进行提取；

(3)、去除小区域：经过上述一系列操作后，可能还是有一些小点没有去除，直接计数会造成结果错误，由于这些小区域的面积一般远远小于植株面积，设定面积阈值，去掉区域面积在阈值以下的小区域，以保证计数的都是植株部分；

(4)、面积统计：对经过上述处理后的图像，进行像素的面积统计，最终得到植株一个角度下的观测面积，观测面积为像素值。

实例：

实验生物材料：本实例中的CCD相机的放大倍数为115。

试验为处于拔节期的籼稻，株高92.1±0.3cm，试验时将水稻从田中移栽至盆中，从植株的顶部、植株水平位置、与水平位置相隔90°角各拍摄一张图像，通过计算机的图像处理方法的分别得到顶部的观测面积a为2498像素，水平方向0°的观测面积b为1452像素，与水平方向90°的观测面积c为1673像素，将a、b、c，代入公式 $G=\sqrt{a\·b\·c}$ 计算得到植株绿叶面积为77898像素，将得到的植株绿叶面积的像素值77898除以CCD相机的放大倍数115得植株的绿叶面积为677.4cm²。

Claims (3)

1、绿叶面积自动测量装置，包括皮带(1)、调速电机(2)、气泵(3)、气动装置(4)、CCD相机(5)、背景幕布(6)、电动旋转台(7)、图像采集卡(8)、旋转台控制器(9)、计算机(10)、顶部CCD相机(11)，其特征在于：架设的皮带(1)与调速电机(2)相连，气泵(3)位于皮带外部并与皮带内侧边缘的气动装置(4)相连，在气动装置(4)旁的皮带中部装配一个电动旋转台(7)，电动旋转台(7)与旋转台控制器(9)相连，旋转台控制器(9)又通过串口与计算机(10)相连，CCD相机(5)利用三脚架支持并固定，其镜头正对电动旋转台(7)和背景幕布(6)，CCD相机(5)、电动旋转台(7)及背景幕布(6)的中心在同一条直线上，顶部CCD相机(11)安装在电动旋转台(7)的顶部，CCD相机(5)、顶部CCD相机(11)通过数据接口与图像采集卡(8)相连，图像采集卡(8)则通过PCI插槽与计算机(10)连接。

2、绿叶面积自动测量方法，按以下步骤进行：(1)将盆装植物放入皮带上输送至电动旋转台时，由气泵带动气动装置将水稻推上电动旋转台，计算机控制旋转台旋转，由CCD相机拍摄植株的RGB彩色图片，再由数字传输线通过图像采集卡传送入计算机；(2)计算机通过绿叶面积提取算法后得植株的绿叶面积。

3、根据权利要求2所述的绿叶面积自动测量方法，其特征在于：绿叶面积提取算法按以下步骤进行：(1)、中值滤波：将植株RGB图像进行中值滤波去除噪声；(2)、二值化：将中值滤波后的图像转化为二值化图，对植株图像的每个像素进行判断，如果该像素的绿色分量大于红色分量，则将该像素判定为绿色，反之如果红色分量大于绿色分量，则将像素定为黄色；(3)、去除小区域：设定面积阈值，去掉区域面积在阈值以下的小区域；(4)、面积统计：对经过上述处理后的图像，进行面积统计，得到植株一个角度下的观测面积；(5)植株的绿叶面积计算：从植株的顶部、植株水平位置、与水平位置相隔90°角各拍摄一张图像，对三张图像分别按(1)、(2)、(3)、(4)步骤进行处理，分别得到顶部观测面积a、水平方向0°的观测面积b、与水平方向90°的观测面积c，其中a、b、c为各角度下观测像素值，按照公式 $G=\sqrt{a\·b\·c}$ 计算得到植株绿叶面积也为像素值，将得到的植株绿叶面积的像素值除以CCD相机的放大倍数得植株的绿叶面积。

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