一种基于MATLAB的植物叶片参数测量系统
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2ห้องสมุดไป่ตู้
图1 F igure 1
系统软件界面
Interface of the system softw are
3
实验结果与分析
本研究所进行的实验是在 2 GB 内存的 Pentium
Dual Core E5200 2. 50 GHz 计算机上, 用MAT LAB 6. 1 编程 实现 的. 实 验 中, 扫 描 仪采 用 的 是 hp psc 1218, 扫描图像时颜色模式选灰度图像, 分辨率设 为 300 dpi; 标定物为用 AutoCAD 绘制并按照 1 # 1 比例打印于白纸上的黑色实心圆, 其直径为 2 cm. 实验中所用的叶片如图 2, 分别为 ( a) 白桦叶片和 ( b) 胡桃楸叶片 . 图 3 给出了利用本系统对白桦叶片进行参数 测量的结果, 其中: 图像显示区域部分左图为含有 白桦叶片和圆形标定物的原图像、 中图和右图分 别为从左边原图像中提取出的标定物边界和白桦 叶片的边界; 下部左边显示的是图像中标定物和 白桦叶片的图像参数 , 包括图像中标定物直径及 图像中叶片面积、 图像中叶片周长、 图像中叶片长 度和图像中叶片宽度 , 它们的测量单位均为像素; 下部右边显示的是标定物和叶片的实际参数, 实际
[ 8]
.
, 分别获取图像中的标定物目标和植物叶
系统主要包括 3 部分 : 一个图像显示区 , 用于显示 原始图像、 处理后得到的标定物边界图像和叶片 边界图像 ; 一个图像中参数区 , 用于显示图像中标 定物直径与图像中叶片面积、 周长、 长度和宽度; 一个实际参数区, 用于输入标定物的实际直径和 输出叶片的实际面积、 周长、 长度和宽度 . 系统实现步骤如下: 1) 将控件用鼠标拖到用户区放好, 并修改相 关属性. 系统界面如图 1, 其中包括: 1 个下拉式菜 单( Drop Dow n M enu) , 用于打开图像 文件和退 出系统; 3 个坐标轴( Ax es) , 用于显示原图像和处 理后的图像 ; 19 个静态文本框 ( St at ic T ex t ) , 用 于显示参数名称及参数值 ; 1 个编辑文本框 ( Edit T ex t) , 用于 输入 标定 物 的实 际直 径 ; 1 个 按 钮 ( Push Butt on) , 用于确认输入参数并对原图像进行 二值化、 区域标记、 边界跟踪等图像处理 .
图 2 实 验用叶片 F ig ur e 2 L eaves used in experiments
标定物直径需要输入 , 在本实验中其值为 2. 00, 其它显示的叶片实际参数包括实际叶片面积、 实 际叶片周长、 实际叶片长度和实际叶片宽度 , 以上 参数除了实际叶片面积的测量单位为 cm 外 , 其 它参数测量单位均为 cm.
中图分类号
A system for plant leaf parameter measure based on MATLAB
CH EN Ai jun , LI Dong sheng , DON G Guang hui
1 1 2
( 1. C ol lege of M et rology and M eas urem ent Engineering, Chin a Jiliang U niversit y, H angzhou 310018, C hina; 2. C ol lege of M echan ical and Elect rical Engineering, N ort heast Forest ry U ni versit y, Harbin 150040, China)
N
PI =
i= 1
∀ [ (x
b
i
- x i+ 1 ) 2 + ( y i - y i+ 1 ) 2 ] 1/ 2 ( 7)
N
1 AI = 2
i= 1
∀ (x y
i
b
i+ 1
- x i+ 1 y i )
( 8)
其中 , ( x i , y i ) 为目标边界像素坐标 , N b 为目标边 界像素个数.
陈爱军 , 李东升 , 董光辉
1 1 2
( 1. 中国计量学院 计量测试工程学院 , 浙江 杭州 310018; 2. 东北林业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040)
摘 要 提出了一种基于 M A T L A B 的植物叶 片参数自动测量系统方案 . 该系统利用扫描仪 获取包含 标定
物的叶片图像 , 对其二值化后进行边缘跟踪 , 获得标定物和叶片的边界 , 最后借助标定物的实际直径和面积得 到叶片的面积、 周长、 长、 宽等参数 . 经对两种叶片进行的实验 . 结果 表明 , 此系统能够快速、 准确地进行叶片参 数的自动测量 , 具有较高的效率和实用性 . 关键词 植物叶片 ; 参数测量 ; 测量系统 ; M AT LA B 语言 T P391 文献标识码 A
1
测量原理
用扫描仪扫描得到含有标定物和被测植物叶
[ 6]
2
, 之后采
[ 7]
系统软件实现
系统软件部分主要对扫描仪获得的数字图像
片的数字图像, 对图像进行二值化处理
进行后续处理 , 最终获得所需的叶片参数. 研究采 用 MAT L AB 的 GUI 对系统界面进行设计
[ 9 12]
用基于递归技术对二值图像进行区域标记 , 同 时采用 4 邻接 优先的八方向跟踪方 法进行边缘 跟踪
设 A R r 为实际 标定物的面积, 用 此面积除以 图像中标定物的 面积 A Ir , 得到另一 个标定系数 k2 , 即 k 2 = A Rr / A Ir ( 5) 根据图像中叶片目标面积 A Il 和标定系数 k 2 , 可得到实际植物叶片面积 A Rl , 即 A Rl = k 2 ! A Il ( 6) 图像中目标的周长和面积分别由式 ( 7 ) 和式 ( 8) 计算得到:
[ 5] [ 4]
的长 L Il 和宽 W Il , 以及标定系数 k 1 , 可得到实际植 物叶片周长 P Rl 、 叶长 L Rl 和叶宽 W Rl , 它们分别由 式( 2 ) ~ ( 4) 计算得到 : P Rl = k 1 ! P Il L Rl = k 1 ! L Il W Rl = k 1 ! W Il ( 2) ( 3) ( 4)
312
中
国
计
量
学 院
学
报
第 21 卷
2) 编写相关控件的回调函数 . 为了实现对不 同的叶片进行自动参数测量, 在给定标定物实际 周长参数的情况下 , 通过 M AT L AB 对相关控件 的回调函数进行编程 , 对由扫描仪获取的包含标 定物和叶片的图像进行处理, 得到叶片在图像中 的长、 宽、 周长和面积 , 以及标定物在图像中的直 径和面积 , 从而求得两个标定系数 , 最后根据式 ( 2) 、 ( 3) 、 ( 4) 和 ( 6) 计算得到实际的叶片参数 .
第 21 卷第 4 期 2010 年 12 月
中 国 计 量 学 院 学 报
Jo ur nal of China U niver sity o f M etro lo gy
V ol. 21 No. 4 Dec. 2010
文章编号
1004 1540( 2010) 04 0310 04
一种基于 MA TLAB 的植物叶片参数测量系统
) , 男 , 江苏南通人 , 博士 . 主要研究方向为精密测量、 图像处理 .
第4期
[ 1 3]
陈爱军 , 等 : 一种基于 M AT LAB 的植物叶片参数测量系统
311
多 , 而对其它参数测量方法的研究相对较少. 测定叶面积的方法有传统的手工测量方法 , 如方 格法、 称重法、 系数法、 回归方程法等, 虽然方法简 单, 但测量耗时且精度低 ; 采用专业性的叶面积仪 进行叶面积的测量, 如求积仪法、 叶面积仪法等, 虽然准确、 简单、 快速 , 但设备价格昂贵 . 为了克服 以上方法的缺点, 部分研究人员提出了一些新的 叶片参数测量方法, 如白由路等 提出了一种利 用数 码相机和图像处 理软件 Phot oshop 测定面 积、 叶长和叶宽的方法, 但该方法对软件的操作过 于繁琐, 人工干预较多, 以致影响了工作效率和测 量精度 . 程鸿等 提出了一种利用数码相机、 参照 直尺和 Aut oCAD 机械制图软件测量叶片面积和 周长的方法, 但该方法在测量过程中需要在软件 中手动绘制叶片的边缘, 不但费时费力 , 而且测量 精度受到人为因素影响较大. 为了减少测量过程 中的人工干预以及提高测量精度和测量效率, 本 研究提出了一种采用扫描仪和标定物并结合图像 处理技术, 对植物叶片面积、 周长、 长度和宽度等 参数进行自动测量的方法, 并利用 MAT L AB 语 言建立自动测量系统 .
片目标以及它们的边缘 ; 然后求取图像中标定物 的直径, 根据实际标定物的直径与图像中标定物 的直径之比获得一个标定系数; 用这个系数去与 图像中植物叶片目标 的周长及最小 外接矩形的 长、 宽进行计算, 从而得到实际植物叶片的周长、 叶长和叶宽等参数 ; 同时, 根据实际标定物的面积 与图像中标定物的面积之比获得另一个标定系数, 最后利用这个系数与图像中植物叶片目标的面积 进行相关计算得到实际植物叶片的面积参数. 参数计算过程如下: 设 D Rr 为实际标定物直径, 用此直径除以图 像中标定物的直径 D Ir , 得到一个标定系数 k 1 , 即 k 1 = D Rr / D Ir ( 1) 根据图像中叶片目标周长 P Il 、 最小外接矩形
Abstract: A sy st em design fo r auto matically measur ing plant leaf par ameters based on M AT L AB w as pr esented. In the system, a scanner was used to obtain a plant leaf image in w hich there w as a refer ence object. Edges o f the leaf and the r efer ence object were obtained by binarizatio n and edg e tr acking in the image. T he par amet ers ( including area, per imeter, leng th and width) w ere detected by virtue o f the r eal diameter and area of the r efer ence object. Ex per imental results fr om real leaves demonstrat e that the pr oposed system can auto matically measure plant leaf parameter s with hig h speed and accuracy , and it is efficient and practical. Key words: plant leaf; parameter measure; measur e sy stem; M A T L A B
叶片是植物进行光合作用、 蒸腾作用和合成 有机物质的主要器官 , 其发育状况和叶片参数大 小对植物生长发育、 抗逆性等生理功能影响很大, 尤其对树木生物量的积累影响深远. 植物受到病 虫害侵染后, 往往会出现不连续的枯黄和斑点 , 给
收稿日期 作者简介 2010 10 15 陈爱军 ( 1976
叶片参数测量带来困难. 因此 , 建立简便、 快速、 准 确的叶片参数测定系统, 在植物生理生化、 遗传育 种、 作物栽培、 虫害损失等研究和应用方面具有重 要的意义 . 目前对于 叶片的面积测 量方法的研 究比较
F ig ur e 3 图3 白桦叶片参数测量结果
P arameter measure results o f a Betula p laty p hy lla leaf
为了验证本系统测量叶片参数的有效性和准 确性 , 还利用方格法测量了叶片的实际的面积、 叶 长和叶宽 , 利用细线和刻度尺测量了叶片的实际 周长 , 取 5 次测量值的平均值作为实际值. 利用本 系统检测叶片参数的结果和利用方格法与细线测 量的结果列于表 1. 实验结果 ( 表 1) 表明 : 本研究中叶片自动测 量方法和手动测量方法测定的叶片参数无显著性
图1 F igure 1
系统软件界面
Interface of the system softw are
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实验结果与分析
本研究所进行的实验是在 2 GB 内存的 Pentium
Dual Core E5200 2. 50 GHz 计算机上, 用MAT LAB 6. 1 编程 实现 的. 实 验 中, 扫 描 仪采 用 的 是 hp psc 1218, 扫描图像时颜色模式选灰度图像, 分辨率设 为 300 dpi; 标定物为用 AutoCAD 绘制并按照 1 # 1 比例打印于白纸上的黑色实心圆, 其直径为 2 cm. 实验中所用的叶片如图 2, 分别为 ( a) 白桦叶片和 ( b) 胡桃楸叶片 . 图 3 给出了利用本系统对白桦叶片进行参数 测量的结果, 其中: 图像显示区域部分左图为含有 白桦叶片和圆形标定物的原图像、 中图和右图分 别为从左边原图像中提取出的标定物边界和白桦 叶片的边界; 下部左边显示的是图像中标定物和 白桦叶片的图像参数 , 包括图像中标定物直径及 图像中叶片面积、 图像中叶片周长、 图像中叶片长 度和图像中叶片宽度 , 它们的测量单位均为像素; 下部右边显示的是标定物和叶片的实际参数, 实际
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, 分别获取图像中的标定物目标和植物叶
系统主要包括 3 部分 : 一个图像显示区 , 用于显示 原始图像、 处理后得到的标定物边界图像和叶片 边界图像 ; 一个图像中参数区 , 用于显示图像中标 定物直径与图像中叶片面积、 周长、 长度和宽度; 一个实际参数区, 用于输入标定物的实际直径和 输出叶片的实际面积、 周长、 长度和宽度 . 系统实现步骤如下: 1) 将控件用鼠标拖到用户区放好, 并修改相 关属性. 系统界面如图 1, 其中包括: 1 个下拉式菜 单( Drop Dow n M enu) , 用于打开图像 文件和退 出系统; 3 个坐标轴( Ax es) , 用于显示原图像和处 理后的图像 ; 19 个静态文本框 ( St at ic T ex t ) , 用 于显示参数名称及参数值 ; 1 个编辑文本框 ( Edit T ex t) , 用于 输入 标定 物 的实 际直 径 ; 1 个 按 钮 ( Push Butt on) , 用于确认输入参数并对原图像进行 二值化、 区域标记、 边界跟踪等图像处理 .
图 2 实 验用叶片 F ig ur e 2 L eaves used in experiments
标定物直径需要输入 , 在本实验中其值为 2. 00, 其它显示的叶片实际参数包括实际叶片面积、 实 际叶片周长、 实际叶片长度和实际叶片宽度 , 以上 参数除了实际叶片面积的测量单位为 cm 外 , 其 它参数测量单位均为 cm.
中图分类号
A system for plant leaf parameter measure based on MATLAB
CH EN Ai jun , LI Dong sheng , DON G Guang hui
1 1 2
( 1. C ol lege of M et rology and M eas urem ent Engineering, Chin a Jiliang U niversit y, H angzhou 310018, C hina; 2. C ol lege of M echan ical and Elect rical Engineering, N ort heast Forest ry U ni versit y, Harbin 150040, China)
N
PI =
i= 1
∀ [ (x
b
i
- x i+ 1 ) 2 + ( y i - y i+ 1 ) 2 ] 1/ 2 ( 7)
N
1 AI = 2
i= 1
∀ (x y
i
b
i+ 1
- x i+ 1 y i )
( 8)
其中 , ( x i , y i ) 为目标边界像素坐标 , N b 为目标边 界像素个数.
陈爱军 , 李东升 , 董光辉
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( 1. 中国计量学院 计量测试工程学院 , 浙江 杭州 310018; 2. 东北林业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040)
摘 要 提出了一种基于 M A T L A B 的植物叶 片参数自动测量系统方案 . 该系统利用扫描仪 获取包含 标定
物的叶片图像 , 对其二值化后进行边缘跟踪 , 获得标定物和叶片的边界 , 最后借助标定物的实际直径和面积得 到叶片的面积、 周长、 长、 宽等参数 . 经对两种叶片进行的实验 . 结果 表明 , 此系统能够快速、 准确地进行叶片参 数的自动测量 , 具有较高的效率和实用性 . 关键词 植物叶片 ; 参数测量 ; 测量系统 ; M AT LA B 语言 T P391 文献标识码 A
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测量原理
用扫描仪扫描得到含有标定物和被测植物叶
[ 6]
2
, 之后采
[ 7]
系统软件实现
系统软件部分主要对扫描仪获得的数字图像
片的数字图像, 对图像进行二值化处理
进行后续处理 , 最终获得所需的叶片参数. 研究采 用 MAT L AB 的 GUI 对系统界面进行设计
[ 9 12]
用基于递归技术对二值图像进行区域标记 , 同 时采用 4 邻接 优先的八方向跟踪方 法进行边缘 跟踪
设 A R r 为实际 标定物的面积, 用 此面积除以 图像中标定物的 面积 A Ir , 得到另一 个标定系数 k2 , 即 k 2 = A Rr / A Ir ( 5) 根据图像中叶片目标面积 A Il 和标定系数 k 2 , 可得到实际植物叶片面积 A Rl , 即 A Rl = k 2 ! A Il ( 6) 图像中目标的周长和面积分别由式 ( 7 ) 和式 ( 8) 计算得到:
[ 5] [ 4]
的长 L Il 和宽 W Il , 以及标定系数 k 1 , 可得到实际植 物叶片周长 P Rl 、 叶长 L Rl 和叶宽 W Rl , 它们分别由 式( 2 ) ~ ( 4) 计算得到 : P Rl = k 1 ! P Il L Rl = k 1 ! L Il W Rl = k 1 ! W Il ( 2) ( 3) ( 4)
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学 院
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第 21 卷
2) 编写相关控件的回调函数 . 为了实现对不 同的叶片进行自动参数测量, 在给定标定物实际 周长参数的情况下 , 通过 M AT L AB 对相关控件 的回调函数进行编程 , 对由扫描仪获取的包含标 定物和叶片的图像进行处理, 得到叶片在图像中 的长、 宽、 周长和面积 , 以及标定物在图像中的直 径和面积 , 从而求得两个标定系数 , 最后根据式 ( 2) 、 ( 3) 、 ( 4) 和 ( 6) 计算得到实际的叶片参数 .
第 21 卷第 4 期 2010 年 12 月
中 国 计 量 学 院 学 报
Jo ur nal of China U niver sity o f M etro lo gy
V ol. 21 No. 4 Dec. 2010
文章编号
1004 1540( 2010) 04 0310 04
一种基于 MA TLAB 的植物叶片参数测量系统
) , 男 , 江苏南通人 , 博士 . 主要研究方向为精密测量、 图像处理 .
第4期
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陈爱军 , 等 : 一种基于 M AT LAB 的植物叶片参数测量系统
311
多 , 而对其它参数测量方法的研究相对较少. 测定叶面积的方法有传统的手工测量方法 , 如方 格法、 称重法、 系数法、 回归方程法等, 虽然方法简 单, 但测量耗时且精度低 ; 采用专业性的叶面积仪 进行叶面积的测量, 如求积仪法、 叶面积仪法等, 虽然准确、 简单、 快速 , 但设备价格昂贵 . 为了克服 以上方法的缺点, 部分研究人员提出了一些新的 叶片参数测量方法, 如白由路等 提出了一种利 用数 码相机和图像处 理软件 Phot oshop 测定面 积、 叶长和叶宽的方法, 但该方法对软件的操作过 于繁琐, 人工干预较多, 以致影响了工作效率和测 量精度 . 程鸿等 提出了一种利用数码相机、 参照 直尺和 Aut oCAD 机械制图软件测量叶片面积和 周长的方法, 但该方法在测量过程中需要在软件 中手动绘制叶片的边缘, 不但费时费力 , 而且测量 精度受到人为因素影响较大. 为了减少测量过程 中的人工干预以及提高测量精度和测量效率, 本 研究提出了一种采用扫描仪和标定物并结合图像 处理技术, 对植物叶片面积、 周长、 长度和宽度等 参数进行自动测量的方法, 并利用 MAT L AB 语 言建立自动测量系统 .
片目标以及它们的边缘 ; 然后求取图像中标定物 的直径, 根据实际标定物的直径与图像中标定物 的直径之比获得一个标定系数; 用这个系数去与 图像中植物叶片目标 的周长及最小 外接矩形的 长、 宽进行计算, 从而得到实际植物叶片的周长、 叶长和叶宽等参数 ; 同时, 根据实际标定物的面积 与图像中标定物的面积之比获得另一个标定系数, 最后利用这个系数与图像中植物叶片目标的面积 进行相关计算得到实际植物叶片的面积参数. 参数计算过程如下: 设 D Rr 为实际标定物直径, 用此直径除以图 像中标定物的直径 D Ir , 得到一个标定系数 k 1 , 即 k 1 = D Rr / D Ir ( 1) 根据图像中叶片目标周长 P Il 、 最小外接矩形
Abstract: A sy st em design fo r auto matically measur ing plant leaf par ameters based on M AT L AB w as pr esented. In the system, a scanner was used to obtain a plant leaf image in w hich there w as a refer ence object. Edges o f the leaf and the r efer ence object were obtained by binarizatio n and edg e tr acking in the image. T he par amet ers ( including area, per imeter, leng th and width) w ere detected by virtue o f the r eal diameter and area of the r efer ence object. Ex per imental results fr om real leaves demonstrat e that the pr oposed system can auto matically measure plant leaf parameter s with hig h speed and accuracy , and it is efficient and practical. Key words: plant leaf; parameter measure; measur e sy stem; M A T L A B
叶片是植物进行光合作用、 蒸腾作用和合成 有机物质的主要器官 , 其发育状况和叶片参数大 小对植物生长发育、 抗逆性等生理功能影响很大, 尤其对树木生物量的积累影响深远. 植物受到病 虫害侵染后, 往往会出现不连续的枯黄和斑点 , 给
收稿日期 作者简介 2010 10 15 陈爱军 ( 1976
叶片参数测量带来困难. 因此 , 建立简便、 快速、 准 确的叶片参数测定系统, 在植物生理生化、 遗传育 种、 作物栽培、 虫害损失等研究和应用方面具有重 要的意义 . 目前对于 叶片的面积测 量方法的研 究比较
F ig ur e 3 图3 白桦叶片参数测量结果
P arameter measure results o f a Betula p laty p hy lla leaf
为了验证本系统测量叶片参数的有效性和准 确性 , 还利用方格法测量了叶片的实际的面积、 叶 长和叶宽 , 利用细线和刻度尺测量了叶片的实际 周长 , 取 5 次测量值的平均值作为实际值. 利用本 系统检测叶片参数的结果和利用方格法与细线测 量的结果列于表 1. 实验结果 ( 表 1) 表明 : 本研究中叶片自动测 量方法和手动测量方法测定的叶片参数无显著性