一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法及系统，方法包括采用摄像机采集白色标定板上待测量叶片的初始图像，并根据所述初始图像提取测量区域图像；对所述测量区域图像进行色彩标定，得到所述测量区域图像与所述待测量叶片的理想图像的差分矩阵，并根据所述差分矩阵得到所述理想图像；对所述理想图像进行图像处理，获取所述理想图像中叶片图像的像素点；根据所述叶片图像的像素点和所述测量区域图像在所述白色标定板上的实际面积，计算所述待测量叶片的面积。本发明专利技术的方法继承了图像测量法的优势，排除了环境光照因素的干扰，快捷、环境适应性高、稳定性高、精度高。

A Method and System for Measuring Plant Leaf Area Based on Color Calibration

The invention relates to a method and system for measuring plant leaf area based on color calibration. The method includes capturing the initial image of the leaf to be measured on a white calibration board by a camera, extracting the image of the measuring area from the initial image, color calibrating the image of the measuring area, and obtaining the difference moment between the image of the measuring area and the ideal image of the leaf to be measured. The ideal image is obtained from the difference matrix; the ideal image is processed by image processing to obtain the pixel points of the leaf image in the ideal image; and the area of the leaf to be measured is calculated according to the pixel points of the leaf image and the actual area of the measuring area image on the white calibration plate. The method of the invention inherits the advantages of the image measurement method, eliminates the interference of environmental illumination factors, is fast, highly adaptable to the environment, has high stability and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法及系统
本专利技术涉及植物叶面积测量领域，尤其涉及一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法及系统。
技术介绍
叶片是植物体进行光合作用的主要器官，叶片面积则是衡量植物光合作用等一些植物机理的重要因素，精确测量叶片面积对研究植物生长，以及植物与生长环境之间的相互影响有着重要意义。植物叶面积测量由最初的传统手段到利用计算机图像处理技术检测叶面积，测量精度和可靠性有了较大的提高。利用计算机技术测量叶面积方法大体可分为图像测量法、光电扫描法、三维点云法。通过摄像机采集图像，对图像数据进行数字化处理的图像测量法是较为便捷的方法；但该种方法精度不高，易受光照等环境因素的干扰，且自身算法复杂，适应性较差，一般作为叶面积的粗略测量。使用光电器件，如扫描仪对叶片进行扫描成像，获取的图像数据质量较高，特别是图像背景为纯白色，运用较为简单的算法也能获得高精度的测量结果；但此类设备形态类似扫描仪，体积较大，难以用于室外农田实地测量叶面积，一般用于实验室室内使用；而且叶片采摘运输回实验室的途中保存较为困难，失水造成叶片缩小、卷边，导致测量误差。三维点云法运用kinect或激光雷达设备采集植物的三维点云形态信息，该类设备能获取丰富的植物表型数据；但该种方式噪声干扰较多，对于叶面积高精度测量影响较大，且算法复杂，操作困难，成本较高，难以普及。综合来看，为了能在农田环境下实时实地测量植物叶面积，图像测量法是一种便捷有效的方法。运用手机进行叶面积测量方便快捷，但整个系统没有进行高精度标定，受限于手机摄像头的成本限制，畸变较大，对测量的影响较大。运用Hough变换对图像进行几何校正，提高了测量精度，但没有进行环境光照干扰的剔除。在室外农田使用，特别是在复杂环境光照干扰下，叶片自身的色彩在图像采集过程中有偏差，致使RGB等色彩模型处理算法产生测量误差。因此本专利技术提出了一种新的同时适用于室内和室外的快速便捷、精度高和稳定性高的测量植物叶片面积的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法及系统。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，包括以下步骤：步骤1：采用摄像机采集白色标定板上待测量叶片的初始图像，并根据所述初始图像提取测量区域图像；步骤2：对所述测量区域图像进行色彩标定，得到所述测量区域图像与所述待测量叶片的理想图像的差分矩阵，并根据所述差分矩阵得到所述理想图像；步骤3：对所述理想图像进行图像处理，获取所述理想图像中叶片图像的像素点；步骤4：根据所述叶片图像的像素点和所述测量区域图像在所述白色标定板上的实际面积，计算所述待测量叶片的面积。本专利技术的有益效果是：由于摄像机采集图像，对图像数据进行数字化处理的图像测量法，易受光照等环境因素的干扰，而光电扫描法采集的图像背景为纯白色，得到的图像数据质量较高，测量的结果精度高，因此通过对采集的初始图像提取测量区域图像后，对测量区域图像进行色彩标定，得到测量区域图像与待测量叶片的理想图像的差分矩阵，并根据差分矩阵得到待测量叶片的理想图像，再对理想图像进行图像处理和测量，获得待测量叶片的面积，排除了光照等环境因素的干扰，得到了接近光电扫描法采集的高质量图像，获得了高精度的植物叶面积测量结果，适合于不同环境的植物叶面积测量，特别适合于室外环境，且方法简单、稳定性高、测量精度高。其中，理想图像包括测量区域图像中的理想背景图像和叶片图像；白色标定板用作待测量叶片的背景，可以是白色底板，例如白色A4纸，但不局限于白色底板，也可以是专门用作标定且已知刻度的白色标定板。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：进一步：所述步骤1之前还包括采用张正友标定校正法对所述摄像机进行畸变校正，获得所述摄像机的畸变参数，并在所述步骤1中根据所述畸变参数对所述初始图像进行畸变校正。上述进一步方案的有益效果是：由于采用摄像机进行图像采集，存在摄像机镜头的畸变等问题，需要进行高精度畸变校正，通过畸变校正确定物理尺寸和像素间的换算关系，对初始图像进行畸变校正，从而保证获得高精度的图像，进一步保证后续获得待测量叶片的理想图像，保证得到高精度的植物叶面积的测量结果，其中，张正友标定校正法为现有技术，具体不再赘述。进一步：所述步骤1中所述根据所述初始图像提取测量区域图像具体包括：步骤11：在所述白色标定板上随机选取一个大于所述待测量叶片的第一矩形，测量所述第一矩形的面积Sall，并将所述第一矩形的面积Sall确定为所述测量区域图像在所述白色标定板上的实际面积；步骤12：在所述初始图像中，以所述第一矩形的一个角为起始点，沿着所述第一矩形的对角线方向对所述初始图像进行截取，确定所述测量区域图像，并分别记录所述测量区域图像的长边和宽边对应的像素点的数量。上述进一步方案的有益效果是：通过在白色标定板上选取待测量叶片的第一矩形作为实际测量区域，并测量第一矩形的面积作为实际测量区域的面积，即为测量区域图像在所述白色标定板上的实际面积，为后续计算待测量叶片的面积做准备，而在初始图像上按照第一矩形进行提取初始图像的测量区域图像，与实际测量区域一一对应，保证测量的准确性和精度，同时通过选取实际测量区域和提取初始图像的测量区域图像，缩小后续色彩标定、图像处理和图像测量的范围，保证测量精度的同时减小工作量，速度快，提高测量效率。进一步：所述步骤2具体包括：步骤21：采用所述摄像机获取未放置所述待测量叶片的所述白色标定板的空白背景图像，对所述空白背景图像与理想全白背景图像进行差分，获取所述空白背景图像与所述理想全白背景图像之间的背景差分矩阵，并将所述背景差分矩阵确定为所述测量区域图像与所述待测量叶片的理想图像的差分矩阵；其中，所述空白背景图像与所述理想全白背景图像的像素矩阵关系为：BR＝BI-N为所述空白背景图像的像素矩阵，为所述理想全白背景图像的像素矩阵，N为当前光照环境下的所述背景差分矩阵；得到所述差分矩阵D为：步骤22：将所述差分矩阵与所述测量区域图像的初始像素矩阵进行融合，得到所述理想图像；其中，所述理想图像对应的融合矩阵具体公式为：MR为所述初始像素矩阵，B′R为所述初始像素矩阵中的初始背景像素矩阵，LR所述初始像素矩阵中的初始叶片像素矩阵，B′I为灰度值为255的所述理想背景像素矩阵。上述进一步方案的有益效果是：由于环境光照的影响，测量区域图像会受到光照的干扰，为消除光照干扰，需要获取测量区域图像与未受到光照干扰的理想图像之间的差分矩阵；通过采集未放置待测量叶片的白色标定板的空白背景图像，再与未受到光照干扰的理想全白背景图像进行色彩标定，可获得空白背景图像与理想全白背景图像之间的背景差分矩阵，而未受到光照干扰的理想全白背景图像的灰度值已知，理想全白背景图像的像素矩阵为由于背景差分矩阵的影响，实际采集的空白背景图像的像素矩阵实际要低于理想全白背景图像的像素矩阵，因此通过减去空白背景图像的像素矩阵，即可得背景差分矩阵，此背景差分矩阵即可等效为当前光照环境下的测量区域图像与理想图像之间的差分矩阵；由于光照的影响，初始像素矩阵实际要低于理想图像的像素矩阵，因此初始像素矩阵加上差分矩阵可还原为理想图像的像素矩阵，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用摄像机采集白色标定板上待测量叶片的初始图像，并根据所述初始图像提取测量区域图像；步骤2：对所述测量区域图像进行色彩标定，得到所述测量区域图像与所述待测量叶片的理想图像的差分矩阵，并根据所述差分矩阵得到所述理想图像；步骤3：对所述理想图像进行图像处理，获取所述理想图像中叶片图像的像素点；步骤4：根据所述叶片图像的像素点和所述测量区域图像在所述白色标定板上的实际面积，计算所述待测量叶片的面积。

【技术特征摘要】
1.一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用摄像机采集白色标定板上待测量叶片的初始图像，并根据所述初始图像提取测量区域图像；步骤2：对所述测量区域图像进行色彩标定，得到所述测量区域图像与所述待测量叶片的理想图像的差分矩阵，并根据所述差分矩阵得到所述理想图像；步骤3：对所述理想图像进行图像处理，获取所述理想图像中叶片图像的像素点；步骤4：根据所述叶片图像的像素点和所述测量区域图像在所述白色标定板上的实际面积，计算所述待测量叶片的面积。2.根据权利要求1所述的一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括采用张正友标定校正法对所述摄像机进行畸变校正，获得所述摄像机的畸变参数，并在所述步骤1中根据所述畸变参数对所述初始图像进行畸变校正。3.根据权利要求1所述的一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，其特征在于，所述步骤1中所述根据所述初始图像提取测量区域图像具体包括：步骤11：在所述白色标定板上随机选取一个大于所述待测量叶片的第一矩形，测量所述第一矩形的面积Sall，并将所述第一矩形的面积Sall确定为所述测量区域图像在所述白色标定板上的实际面积；步骤12：在所述初始图像中，以所述第一矩形的一个角为起始点，沿着所述第一矩形的对角线方向对所述初始图像进行截取，确定所述测量区域图像，并分别记录所述测量区域图像的长边和宽边对应的像素点的数量。4.根据权利要求3所述的一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤21：采用所述摄像机获取未放置所述待测量叶片的所述白色标定板的空白背景图像，对所述空白背景图像与理想全白背景图像进行差分，获取所述空白背景图像与所述理想全白背景图像之间的背景差分矩阵，并将所述背景差分矩阵确定为所述测量区域图像与所述待测量叶片的理想图像的差分矩阵；其中，所述空白背景图像与所述理想全白背景图像的像素矩阵关系为：BR＝BI-N为所述空白背景图像的像素矩阵，为所述理想全白背景图像的像素矩阵，N为当前光照环境下的所述背景差分矩阵；得到所述差分矩阵D为：步骤22：将所述差分矩阵与所述测量区域图像的初始像素矩阵进行融合，得到所述理想图像；其中，所述理想图像对应的融合矩阵具体公式为：MR为所述初始像素矩阵，B′R为所述初始像素矩阵中的初始背景像素矩阵，LR所述初始像素矩阵中的初始叶片像素矩阵，B′I为灰度值为255的理想背景像素矩阵。5.根据权利要求4所述的一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：步骤31：将所述理想图像的颜色分量由RGB颜色空间模型转换为HSV颜色空间模型，并将所述HSV颜色空间模型中的饱和度分量作为颜色特征向量，采用饱和度分量滤波公式对所述理想图像进行初次滤波处理，得到所述理想图像中叶片图像的初次处理像素点；其中，所述叶片图像的初次处理像素点对应的像素值Mf的具体公式为：H(M)为所述叶片图像的初次处理像素值的函数，为所述叶片图像的初次处理像素值，S为所述饱和度分量，为所述饱和度分量范围为S∈[31,255]对应的像素值；步骤32：对所述叶片图像的所述初次处理像素点进行高斯滤波处理，得到所述叶片图像的像素点。6.根据权利要求5所述的一种基于色彩标定的植物叶面积测量方法，其特征在于，所述步骤4中所述待测量叶片的面积的具体公式为...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭祺，李春生，屠礼芬，周宗双博，刘瑞东，程瑞敏，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42