扫描像素法测定植物叶片面积的研究
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L I Bao- guang, TAO X iu- hua, N I Guo- ping, HUANG Dong- hua, SONG X iao- m in
( Institute o f V egetable and F low er, Jiangx iA cademy of A gr icultural Sc iences, N anchang 330200, China )
200 356451 356451 356480
扫描分辨率 ( dpi)
300
400
800722
1426263
800722
1426263
800862
1426282
500 2231237 2231237 2231247
600 3207629 3207629 3207683
彩色
T IFF
89279
357984
BM P
89279
357984
JPEG
89340
358110
相对误差 ( % )
0. 60
0. 47
注: 相对误差 = ( 最大像素值 - 最小像素值 ) /最小像素值 100。
800549 800549 800688 0. 04
1434220 1434220 1433961 0. 56
2242376 2242376 2242462 0. 50
图 1 扫描分辨率与扫描叶片图像像素数量的关系
F igure 1 The relation ship betw een scann ing resolut ion and p ixels of the leaf im age
表 1中数据是以广玉兰叶片为 试材, 在不同扫描 分辨率下, 分别以 灰度和彩色模 式扫描, 又分 别以 jpeg、 bmp、t iff格式保存的叶片图像像素数量。从表 1 中可以看出, 在相同扫描分辨率下, 以两种扫描模式扫描、3 种 格式保存得到的 6种图像像素的相对误差均小于 0. 61%, 说明扫描模式、图像保存格式均不影响扫描叶片图像 的像素数量。但在较低分辨率下, 采用灰度模式扫描, 可缩短图像处理时间, 节约磁盘空间 (表 2)。因此, 使用 平台扫描仪获取植物叶片数字图像时, 最好采用较低的分辨率, 以灰度模式扫描, 并以 jpeg格式保存图像。
3207108 3207108 3207334 0. 02
表 2 扫描分辨率、扫描模式对图像扫描时间和所占磁盘空间的影响
T able 2 In fluence of scann ing resolution and mod e on scann ing tim e and d isk space of im age storage
表 1 不同扫描分辨率和图像格式对扫描叶片图像像素的影响
T able 1 In fluence of scann ing resolution and im age format on image p ixels of leaf
扫描模式 灰度
图像格式
T IFF BM P JPEG
100 88805 88805 88838
扫描分辨率 ( dp i)
100
扫描模式
灰度 彩色
扫描时间 ( s) 44 53
图像占磁盘 空间 ( kb)
80 96
扫描分辨率 ( dp i)
600
扫描模式
灰度 彩色
扫描时间 ( s) 127 175
图像占磁盘 空间 ( kb )
2682 3676
3 叶片图像选择分离精度
利用平台扫描仪可以获取清晰度较高的数字图像。图 2是在 100dp i的分辨率下, 以灰度模式扫描获取的 6 种不同植物叶片的图像。从图 2可以直观地看出, 扫描的叶片图像能较好地反映出植物叶片的大小、形状等外 部特征 (图中各叶片为便于排版按一定比例缩放 )。另外, 植物叶片的色泽和 表面纹理也能在扫描获得 的灰度 照片中得到细致的表现。
1 扫描像素法测定植物叶片面积的原理
采用平台扫描仪获得以整个扫描框为背景的叶片数字图像, 在 Photoshop 软件中打开图像, 利用魔棒将叶片 图像从背景区选择分离出来, 再利用图像菜单中直方图分别统计叶片图像像素和全部图像区域的像素。由于全 部图像区域即扫描框区域的面积和像素已知, 再知道扫描图像中叶片图像像素便可以通过比例计算出扫描叶片 面积。
1. 葡萄 ( 缩放比例 12% ), 2. 海棠 ( 22% ) , 3. 枫叶 ( 23% ) , 4. 菊花 ( 35% ), 5. 广玉兰 ( 14% ) , 6. 大叶黄杨 ( 52% ) 图 2 6种不同植物叶片数字图像缩图
Figure 2 Thumbnails of th e d igital images of six p lan ts leaves
扫描分辨率是决定平台扫描仪获取叶片数字图像像素数量最主要的因素。图 1是以 1 张广玉兰叶片为试
收稿日期: 2006- 03- 10 基金项目: 江西省农业科学院院长基金项目。 作者简介: 李宝光 ( 1967- ), 男, 山东临沐人, 硕士, 副教授, 主要从事花卉栽培和图像处理技术在农业中的利用研究。
K ey word s: Scanner; Photoshop software; P ixels; Leaf area
植物叶面积是研究植物生理生化、遗传育种、作物栽培技术等方面的重要指标。建立方便、快速、准确的叶 面积测定方法, 对于调整群体结构、充分利用光热资源, 从而指导作物栽培密度及合理施肥以获得作物高产有重 要的意义 [1] 。测定植物叶面积有多种方法, 且各有优缺点 [ 2] 。近年来, 随着计算机的普及应用, 有的学者开始用 平台扫描仪获得叶片数字图像, 用 Photoshop软件或自编软件统计像素的方法测定植物叶片面积。与其它方法 相比, 该法受人为因素影响较小, 具有严密的科学性, 叶片形状、大小、颜色、厚薄对测量结果均无显著影响, 具有 方法简单、快速、测量结果准确、适用范围广等优点 [ 2] 。本研究采用普通平台扫描仪获得数字图象, 以 Photoshop 软件统计图象象素, 并对叶片图象扫描、象素统计过程中的影响因素进行了系统研究, 旨在为植物叶面积测定建 立一种快速、准确、实用的数字图象处理方法。
江西农业学报 2006, 18( 3): 78~ 81 A cta A gr iculturae Jiangx i
扫描像素法测定植物叶面积的研究
李宝光, 陶秀花, 倪国平, 黄冬华, 宋小民
(江西省农业科学院 蔬菜花卉研究所, 江西 南昌 330200)
摘 要: 对叶片图像扫描、像素统计过程中的影响 因素进行了系统研究, 建立了利用平 台扫描仪和 Photo shop软件测定植物叶面积的方法, 并对利用数字图像处理技术进行植物叶面积测定提出了进一步研究的方向。
3期
李宝光等: 扫描像素法测定植物叶面积的研究
79
材, 不同扫描分辨率与扫描叶片图像像素的关系图。从图 1 中可以看出, 扫描叶片图像像素随扫描分辨率增大 呈几何级数增长, 拟合回归方程为 y= 8. 8737x2. , 0008 R2 = 1。即同一植物叶片, 不同扫描分辨率下得到的 叶片图 像像素与扫描分辨率之间有明确的数量关系。而在同一扫描分辨率下, 相同面积的不同植物, 其叶片扫描图像 像素差异极小 (表 3容差为 25~ 100时 )。这说明用平台扫描仪获取植物叶片数字图像具有良好的稳定性和可 靠性, 不受植物种类和外界环境及人为因素的影响。
理论上讲, 平台扫描仪采集图像的精度是由扫描分辨率决定的 [ 3] , 即扫描分辨率相同, 则面积相同的叶片扫
80
江西农业学报
18 卷
描得到的数字图像像素数量亦相同。但扫描获取的叶片数字图像是在一定背景下的图像, 要获得叶片图像像素 必须从背景中将叶片轮廓选择分离出来。另外扫描得到的灰度数字图像仍能较好地反映原植物叶片的外部特 征, 如颜色、叶缘形状等。在 Photoshop 软件中, 图像颜色用不同的 RGB值表示, 背景区和叶片图像区 RGB值相 差极大, 因此可以用魔棒点击取样的方法将叶片图像从背景中选择分离出来。受平台扫描仪扫描质量和扫描叶 片颜色深浅等因素的影响, 在扫描图像中背景区和叶片图像区及叶片图像和背景区域交界处的不同位置, RGB 值会有所不同。因此, 采用不同的容差和将叶片图像从背景中选择分离出来的方式对叶片图像像素数量会有一 定程度的影响。本研究结果 (表 3~ 4)也验证了这点。在表 3中, 当容 差为 0 时, 软件系统根 据魔棒取样 点的 RGB值在叶片图像和背景区域选择相同 RGB值的像素点, 因此, 选择分离出来的叶片图像像素数量会大大超过 其实际像素数量; 当容差较大 (大于 125)时, 小于此容差范围的像素点不被选择, 叶片图像的像素数量又可能远 少于其实际像素数量; 只有在适宜容差范围内 ( 25~ 100)选择出的叶片图像的像素数量才接近其实际像素数量, 而且不同植物之间变异极小, 可以适用于叶片大小、形状、颜色均有较大差异的植物。在容差一定的情况下, 反 选方式的背景颜色只受扫描质量的影响, 颜色相对一致, 选择分离出来的叶片图像像素数量更接近实际情况; 而 采用正选方式选择分离叶片图像, 由于叶片图像区域各像素点的 RGB值受扫描质量尤其是扫描植物叶片颜色 的影响, 其结果可能大于实际值, 也可能小于实际值 (表 4)。如果能采用其它软件先对获得的图象进行二值化 处理, 再用 Photoshop软件统计像素, 则不需考虑容差和叶片图像选取方式对其像素数量的影响。
关键词: 平台扫描仪; Photoshop软件; 像素; 叶片面积 中图分类号: S- 03 文献标识码: A 文章编号: 1001- 8581 ( 2006) 03- 0078- 04
Study on D eterm ining P lant Leaf A rea by Scanning Image P ixels M ethod
Abstract: Influential factors of scann ing im age and counting pixels o f leaf im age by using Photoshop soft w are w ere stud ied. A new m ethod for m easuring indiv idual leaf area of various plants w as developed by using scanner and Photoshop softw are. Furthermore, som e suggestions on subsequent research by using digital im age processing techniques were discussed.
表 1中, 同一扫描分辨率下扫描的叶片图像的像素数量之所以有微小差别, 也是因为扫描图像在不同位置 的颜色深浅不一, 其 RGB值不同, 才造成了通过正选方式选择分离出来的叶片图像像素数量存在微小差异。
表 3 不同容差对不同植物叶片扫描图像像素数量的影响 Tab le 3 Influence of tolerance on image p ixe ls of d ifferen t p lபைடு நூலகம்nt leaves
容差 枫叶
广玉兰
葡萄
像素数量
海棠
菊花
大叶黄杨
平均
变异 系数
0
3369. 50
6768. 75
3187. 00
3892. 00
5151. 50
5326. 00
4615. 79 aA 27. 33
25
2702. 00
2723. 25
2616. 50
2685. 25
2 叶片图像扫描和保存精度
分辨率和扫描模式是平台扫描仪最重要的性能指标。分辨率是指单位长度内组成图像 的像素数量, 其单 位为 dp i( D ot Per In ch, 每英寸像素点数 )。目前普通平台扫描仪 (价格为 500元左右 ) 的分辨率一般为 600dp i 1200dp,i 高档平台扫描仪能够达到 1200dp i 2400dp i以上。扫描模式是指选择扫描图像的类型, 普通平台扫描 仪均包括灰度和彩色等模式。
( Institute o f V egetable and F low er, Jiangx iA cademy of A gr icultural Sc iences, N anchang 330200, China )
200 356451 356451 356480
扫描分辨率 ( dpi)
300
400
800722
1426263
800722
1426263
800862
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500 2231237 2231237 2231247
600 3207629 3207629 3207683
彩色
T IFF
89279
357984
BM P
89279
357984
JPEG
89340
358110
相对误差 ( % )
0. 60
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注: 相对误差 = ( 最大像素值 - 最小像素值 ) /最小像素值 100。
800549 800549 800688 0. 04
1434220 1434220 1433961 0. 56
2242376 2242376 2242462 0. 50
图 1 扫描分辨率与扫描叶片图像像素数量的关系
F igure 1 The relation ship betw een scann ing resolut ion and p ixels of the leaf im age
表 1中数据是以广玉兰叶片为 试材, 在不同扫描 分辨率下, 分别以 灰度和彩色模 式扫描, 又分 别以 jpeg、 bmp、t iff格式保存的叶片图像像素数量。从表 1 中可以看出, 在相同扫描分辨率下, 以两种扫描模式扫描、3 种 格式保存得到的 6种图像像素的相对误差均小于 0. 61%, 说明扫描模式、图像保存格式均不影响扫描叶片图像 的像素数量。但在较低分辨率下, 采用灰度模式扫描, 可缩短图像处理时间, 节约磁盘空间 (表 2)。因此, 使用 平台扫描仪获取植物叶片数字图像时, 最好采用较低的分辨率, 以灰度模式扫描, 并以 jpeg格式保存图像。
3207108 3207108 3207334 0. 02
表 2 扫描分辨率、扫描模式对图像扫描时间和所占磁盘空间的影响
T able 2 In fluence of scann ing resolution and mod e on scann ing tim e and d isk space of im age storage
表 1 不同扫描分辨率和图像格式对扫描叶片图像像素的影响
T able 1 In fluence of scann ing resolution and im age format on image p ixels of leaf
扫描模式 灰度
图像格式
T IFF BM P JPEG
100 88805 88805 88838
扫描分辨率 ( dp i)
100
扫描模式
灰度 彩色
扫描时间 ( s) 44 53
图像占磁盘 空间 ( kb)
80 96
扫描分辨率 ( dp i)
600
扫描模式
灰度 彩色
扫描时间 ( s) 127 175
图像占磁盘 空间 ( kb )
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3 叶片图像选择分离精度
利用平台扫描仪可以获取清晰度较高的数字图像。图 2是在 100dp i的分辨率下, 以灰度模式扫描获取的 6 种不同植物叶片的图像。从图 2可以直观地看出, 扫描的叶片图像能较好地反映出植物叶片的大小、形状等外 部特征 (图中各叶片为便于排版按一定比例缩放 )。另外, 植物叶片的色泽和 表面纹理也能在扫描获得 的灰度 照片中得到细致的表现。
1 扫描像素法测定植物叶片面积的原理
采用平台扫描仪获得以整个扫描框为背景的叶片数字图像, 在 Photoshop 软件中打开图像, 利用魔棒将叶片 图像从背景区选择分离出来, 再利用图像菜单中直方图分别统计叶片图像像素和全部图像区域的像素。由于全 部图像区域即扫描框区域的面积和像素已知, 再知道扫描图像中叶片图像像素便可以通过比例计算出扫描叶片 面积。
1. 葡萄 ( 缩放比例 12% ), 2. 海棠 ( 22% ) , 3. 枫叶 ( 23% ) , 4. 菊花 ( 35% ), 5. 广玉兰 ( 14% ) , 6. 大叶黄杨 ( 52% ) 图 2 6种不同植物叶片数字图像缩图
Figure 2 Thumbnails of th e d igital images of six p lan ts leaves
扫描分辨率是决定平台扫描仪获取叶片数字图像像素数量最主要的因素。图 1是以 1 张广玉兰叶片为试
收稿日期: 2006- 03- 10 基金项目: 江西省农业科学院院长基金项目。 作者简介: 李宝光 ( 1967- ), 男, 山东临沐人, 硕士, 副教授, 主要从事花卉栽培和图像处理技术在农业中的利用研究。
K ey word s: Scanner; Photoshop software; P ixels; Leaf area
植物叶面积是研究植物生理生化、遗传育种、作物栽培技术等方面的重要指标。建立方便、快速、准确的叶 面积测定方法, 对于调整群体结构、充分利用光热资源, 从而指导作物栽培密度及合理施肥以获得作物高产有重 要的意义 [1] 。测定植物叶面积有多种方法, 且各有优缺点 [ 2] 。近年来, 随着计算机的普及应用, 有的学者开始用 平台扫描仪获得叶片数字图像, 用 Photoshop软件或自编软件统计像素的方法测定植物叶片面积。与其它方法 相比, 该法受人为因素影响较小, 具有严密的科学性, 叶片形状、大小、颜色、厚薄对测量结果均无显著影响, 具有 方法简单、快速、测量结果准确、适用范围广等优点 [ 2] 。本研究采用普通平台扫描仪获得数字图象, 以 Photoshop 软件统计图象象素, 并对叶片图象扫描、象素统计过程中的影响因素进行了系统研究, 旨在为植物叶面积测定建 立一种快速、准确、实用的数字图象处理方法。
江西农业学报 2006, 18( 3): 78~ 81 A cta A gr iculturae Jiangx i
扫描像素法测定植物叶面积的研究
李宝光, 陶秀花, 倪国平, 黄冬华, 宋小民
(江西省农业科学院 蔬菜花卉研究所, 江西 南昌 330200)
摘 要: 对叶片图像扫描、像素统计过程中的影响 因素进行了系统研究, 建立了利用平 台扫描仪和 Photo shop软件测定植物叶面积的方法, 并对利用数字图像处理技术进行植物叶面积测定提出了进一步研究的方向。
3期
李宝光等: 扫描像素法测定植物叶面积的研究
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材, 不同扫描分辨率与扫描叶片图像像素的关系图。从图 1 中可以看出, 扫描叶片图像像素随扫描分辨率增大 呈几何级数增长, 拟合回归方程为 y= 8. 8737x2. , 0008 R2 = 1。即同一植物叶片, 不同扫描分辨率下得到的 叶片图 像像素与扫描分辨率之间有明确的数量关系。而在同一扫描分辨率下, 相同面积的不同植物, 其叶片扫描图像 像素差异极小 (表 3容差为 25~ 100时 )。这说明用平台扫描仪获取植物叶片数字图像具有良好的稳定性和可 靠性, 不受植物种类和外界环境及人为因素的影响。
理论上讲, 平台扫描仪采集图像的精度是由扫描分辨率决定的 [ 3] , 即扫描分辨率相同, 则面积相同的叶片扫
80
江西农业学报
18 卷
描得到的数字图像像素数量亦相同。但扫描获取的叶片数字图像是在一定背景下的图像, 要获得叶片图像像素 必须从背景中将叶片轮廓选择分离出来。另外扫描得到的灰度数字图像仍能较好地反映原植物叶片的外部特 征, 如颜色、叶缘形状等。在 Photoshop 软件中, 图像颜色用不同的 RGB值表示, 背景区和叶片图像区 RGB值相 差极大, 因此可以用魔棒点击取样的方法将叶片图像从背景中选择分离出来。受平台扫描仪扫描质量和扫描叶 片颜色深浅等因素的影响, 在扫描图像中背景区和叶片图像区及叶片图像和背景区域交界处的不同位置, RGB 值会有所不同。因此, 采用不同的容差和将叶片图像从背景中选择分离出来的方式对叶片图像像素数量会有一 定程度的影响。本研究结果 (表 3~ 4)也验证了这点。在表 3中, 当容 差为 0 时, 软件系统根 据魔棒取样 点的 RGB值在叶片图像和背景区域选择相同 RGB值的像素点, 因此, 选择分离出来的叶片图像像素数量会大大超过 其实际像素数量; 当容差较大 (大于 125)时, 小于此容差范围的像素点不被选择, 叶片图像的像素数量又可能远 少于其实际像素数量; 只有在适宜容差范围内 ( 25~ 100)选择出的叶片图像的像素数量才接近其实际像素数量, 而且不同植物之间变异极小, 可以适用于叶片大小、形状、颜色均有较大差异的植物。在容差一定的情况下, 反 选方式的背景颜色只受扫描质量的影响, 颜色相对一致, 选择分离出来的叶片图像像素数量更接近实际情况; 而 采用正选方式选择分离叶片图像, 由于叶片图像区域各像素点的 RGB值受扫描质量尤其是扫描植物叶片颜色 的影响, 其结果可能大于实际值, 也可能小于实际值 (表 4)。如果能采用其它软件先对获得的图象进行二值化 处理, 再用 Photoshop软件统计像素, 则不需考虑容差和叶片图像选取方式对其像素数量的影响。
关键词: 平台扫描仪; Photoshop软件; 像素; 叶片面积 中图分类号: S- 03 文献标识码: A 文章编号: 1001- 8581 ( 2006) 03- 0078- 04
Study on D eterm ining P lant Leaf A rea by Scanning Image P ixels M ethod
Abstract: Influential factors of scann ing im age and counting pixels o f leaf im age by using Photoshop soft w are w ere stud ied. A new m ethod for m easuring indiv idual leaf area of various plants w as developed by using scanner and Photoshop softw are. Furthermore, som e suggestions on subsequent research by using digital im age processing techniques were discussed.
表 1中, 同一扫描分辨率下扫描的叶片图像的像素数量之所以有微小差别, 也是因为扫描图像在不同位置 的颜色深浅不一, 其 RGB值不同, 才造成了通过正选方式选择分离出来的叶片图像像素数量存在微小差异。
表 3 不同容差对不同植物叶片扫描图像像素数量的影响 Tab le 3 Influence of tolerance on image p ixe ls of d ifferen t p lபைடு நூலகம்nt leaves
容差 枫叶
广玉兰
葡萄
像素数量
海棠
菊花
大叶黄杨
平均
变异 系数
0
3369. 50
6768. 75
3187. 00
3892. 00
5151. 50
5326. 00
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25
2702. 00
2723. 25
2616. 50
2685. 25
2 叶片图像扫描和保存精度
分辨率和扫描模式是平台扫描仪最重要的性能指标。分辨率是指单位长度内组成图像 的像素数量, 其单 位为 dp i( D ot Per In ch, 每英寸像素点数 )。目前普通平台扫描仪 (价格为 500元左右 ) 的分辨率一般为 600dp i 1200dp,i 高档平台扫描仪能够达到 1200dp i 2400dp i以上。扫描模式是指选择扫描图像的类型, 普通平台扫描 仪均包括灰度和彩色等模式。