綠色葉片面積測量方法與軟件開發(fā)

譚序光 譚黎光 楊紹鍔 張慶民

（1.廣西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008；2.中國移動通信集團廣西有限公司，廣西 南寧 530035；3.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，廣西 南寧 530007）

葉片面積作為葉片性狀的關(guān)鍵指標之一，經(jīng)常被用于遺傳育種［1，2］、作物栽培［3，4］、植物生態(tài)［5，6］等眾多領(lǐng)域的研究。葉面積測量常用的方法有葉面積儀測量法［7］、方格紙法［8］、稱重法［9］、回歸方程法［10］、圖像處理法［11］等。葉面積儀測量法精度高，對單張葉片測量速度快，但由于儀器價格昂貴，維護維修成本較高，限制了該方法的應(yīng)用推廣；方格紙法同樣具有較高的精度，但其操作耗時費工，測量速度慢；稱重法操作煩瑣，對葉片邊緣形狀有要求，測量誤差相對較大；回歸方程法適用于特定的植物品種類型，精度相對較低；圖像處理法適用范圍廣，使用方便，成本低，速度快，精度高，近年來備受關(guān)注，學(xué)者們已研究開發(fā)了多種基于數(shù)碼圖像的葉片面積測量方法及軟件系統(tǒng)［12］。但當前已有的測量軟件系統(tǒng)對圖像制作要求較高，需要操作人員具備一定的技術(shù)儲備，且對多張圖像處理需要重復(fù)操作，測量速度仍有較大提升空間。本文探討圖像處理法，利用日常的辦公設(shè)備和數(shù)碼相機制作葉片測量圖像，減輕圖像制作難度和工作量；同時利用自主設(shè)計開發(fā)的測量軟件單張或批量計算葉片面積，解決當前已有軟件只能單張測量的問題。

1 材料與方法

1.1 圖像背景板制作

制作一個圖片拍攝背景板，該背景板的主要顏色為白色，在背景板上有長方形紅色方塊，通過測量長寬計算得到紅色方塊的實際面積，該紅色方塊即可作為計算葉片面積的比對標尺。本次試驗中，采用以下方式制作背景板：在空白WORD文檔中輸入連續(xù)十個“田”字，設(shè)置為宋體五號字，字體顏色為紅色，并將字符背景設(shè)為紅色，采用A4白紙打印，在白紙上出現(xiàn)3.7 cm×0.5 cm=1.85 cm2的紅色方塊，此張印有紅色方塊的白紙即為此次試驗的圖片拍攝背景板。

1.2 葉片圖片拍攝

將需要測量面積的綠色葉片平鋪在拍攝背景板上，葉片不能遮擋標尺，采用數(shù)碼相機垂直向下拍攝彩色圖片，拍攝范圍內(nèi)只允許出現(xiàn)葉片、標尺和白色背景。拍攝時以葉片為相機鏡頭對焦點，且需確保拍攝環(huán)境光線充足，避免除白色光線外的其他顏色的光線進入圖片范圍，避免圖片中出現(xiàn)陰影；通常使用相機自動拍照模式，白平衡、曝光值均采用自動調(diào)節(jié)模式，并設(shè)置數(shù)碼相機閃光燈為關(guān)閉狀態(tài)，可拍攝到效果較好的圖片。

此次試驗中，為了檢驗該測量方法在不同性能相機上的可行性，分別采用了佳能數(shù)碼相機550D和華為手機V8進行葉片圖片拍攝。550D相機有效像素為1800萬，V8攝像頭有效像素是1200萬，圖片拍攝效果均較好，可滿足葉片圖片制作要求。制作效果圖如圖1所示。

圖1 葉片圖片示例圖

1.3 葉片面積計算方法

使用圖像處理軟件獲取彩色圖像中的紅（R）、綠（G）、藍（B）三個顏色通道色值，通過色值來判斷圖片中屬于葉片和標尺的像素，統(tǒng)計葉片和標尺的像素個數(shù)，由于標尺的真實面積已測量獲知，因此可根據(jù)兩者的數(shù)量比例關(guān)系計算得到葉片的實際面積。在此次試驗中，根據(jù)色值判斷標尺的具體方法如下：R＞50且R/G＞2.0；判斷葉片的具體方法如下：G/B＞1.05；葉片面積的計算方法如下：AL=AS×NL/NS。其中R是紅通道色值，G是綠通道色值，B是藍通道色值，AL是葉片面積，AS是標尺面積，NL是葉片像素個數(shù)，NS是標尺像素個數(shù)。

判斷標尺時，根據(jù)紅色區(qū)域中R色值較高，而R色值與G色值相差較大的特點，首先以R色值大于50為基礎(chǔ)，增加R/G＞2.0條件設(shè)定，同時符合這兩個條件的像素則判定為屬于紅色標尺的區(qū)域。判斷葉片時，根據(jù)綠色區(qū)域中G色值高于B色值且較為接近的特點，設(shè)置判斷條件G/B＞1.05，符合該條件的像素判定為綠色葉片區(qū)域。經(jīng)過處理后圖像的識別結(jié)果如圖2所示，其中紅色區(qū)域為標尺，綠色區(qū)域為葉片。

圖2 葉片識別結(jié)果示例圖

1.4 葉片面積測量軟件設(shè)計開發(fā)

IDL是一種數(shù)據(jù)分析和圖像化應(yīng)用程序及編程語言，是美國Exelis Visual Information Solutions公司的旗艦產(chǎn)品，集開放性、高維分析能力、科學(xué)計算能力、實用性和可視化分析為一體，可以在多種硬件平臺上運行，支持與C、C++連接以及數(shù)據(jù)庫ODBC接口標準，具有較好的可移植性，內(nèi)置的數(shù)學(xué)庫函數(shù)大大減輕算法開發(fā)工作，被廣泛應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。本次試驗采用IDL語言進行圖片RGB色值讀取，編寫代碼程序進行色值比較計算和像素個數(shù)統(tǒng)計，輸出葉片面積計算結(jié)果，并編譯成可執(zhí)行應(yīng)用軟件。

根據(jù)實際應(yīng)用需求，采用IDL語言開發(fā)了單張圖片計算和多張圖片批處理計算兩種模式軟件。單張圖片計算的軟件界面如圖3所示，點擊“圖片選擇”按鍵可打開文件選擇對話框選取需測量面積的圖片，或在“圖片路徑”框中手動輸入文件絕對路徑，文件要求為JPG格式；在“紅色標尺面積”框中輸入已知的標尺面積；選定“保存葉片識別結(jié)果圖”選項可激活“保存到：”按鍵，通過文件選擇對話框或手動輸入保存路徑，葉片識別結(jié)果示例圖（如圖2）將被保存為指定的文件，文件格式為JPG；點擊“計算”按鍵，右邊圖片顯示框中自動變成圖片識別結(jié)果圖，同時葉片面積計算結(jié)果將顯示在“葉片面積”文本框中，計算結(jié)果單位為平方厘米。

圖3 單張圖片計算軟件界面

研究工作中通常需要對多張葉片進行測量，對圖片批量處理的需求較高。因此，在單張葉片處理的算法基礎(chǔ)上，研發(fā)了多張圖片批處理軟件，軟件界面如圖4所示。批處理軟件要求圖片中紅色標尺的面積一致，圖片為JPG格式，且保存在同一個文件夾中。點擊“選擇文件夾”按鍵選定圖片存放目錄；在“紅色標尺面積”框中輸入已知的標尺面積；通過點擊“保存到：”按鍵或手動輸入選取計算結(jié)果輸出的文件，輸出文件格式為TXT文本；點擊“計算”按鍵，指定文件夾中所有JPG圖片的文件名及相應(yīng)葉片面積計算結(jié)果都將輸出在指定的TXT文件中。

圖4 多張圖片批處理計算軟件界面

2 結(jié)果與分析

為了驗證該方法的可靠性和精度，分別對20張不同面積的綠色葉片進行拍攝測量，同時采用方格坐標紙手繪葉片輪廓的方法，統(tǒng)計輪廓內(nèi)的方格個數(shù)，得到葉片的真實面積，與數(shù)碼圖片測量的面積進行比對分析。測試葉片中最大面積為103.66 cm2，最小面積為15.74 cm2。

兩種相機數(shù)碼圖片的面積測量結(jié)果及誤差分析結(jié)果如表1所示。V8手機測量的絕對誤差最大值為-3.15 cm2，最小值為0.08 cm2，平均值為-1.08 cm2；相對誤差最大值為-4.45%，最小值為0.17%，平均值為-2.22%。550D相機測量的絕對誤差最大值為2.79 cm2，最小值為-0.17 cm2，平均值為0.94 cm2；相對誤差最大值為3.42%，最小值為0.69%，平均值為1.77%?？傮w來看，兩個相機的測量結(jié)果誤差均較小，相對誤差最大值和平均值均在5%以內(nèi)，取得較好的測量結(jié)果。進一步對兩個相機的測量結(jié)果與實測面積進行T檢驗分析，檢驗結(jié)果值分別為0.88和0.90，P值遠大于0.05，說明估測面積與實測面積不存在顯著差異。誤差分析結(jié)果和T檢驗結(jié)果均顯示兩個相機的測量結(jié)果都具備較高的測量精度，說明采用該方法進行葉片面積測量切實可行且精度較高。

表1 數(shù)碼圖片測量葉片面積結(jié)果精度分析

同時還注意到，550D相機的絕對誤差和相對誤差平均值均小于V8手機，表現(xiàn)出了更好的測量精度。出現(xiàn)此情況的原因可能是550D相機是單反數(shù)碼相機，相比于V8手機攝像頭性能更優(yōu)，像素更高，圖片拍攝效果更好，識別葉片和標尺時更準確，從而能達到更高的測量精度。由此可見制作數(shù)碼圖片的相機性能對面積估測的精度有一定的影響，應(yīng)盡量選擇性能優(yōu)越的單反相機進行拍攝。

3 討論與結(jié)論

本文探討了一種利用日常辦公設(shè)備進行綠色葉片面積快速測量的方法，方便快捷且成本低。為了減少圖像變形造成的測量誤差，學(xué)者們采用線性映射對圖像進行幾何校正［13］，而在本次試驗中并未進行圖像幾何校正，得到的相對誤差與之相似，測量精度仍較高，可見幾何校正對測量精度影響有限，在盡量保持垂直角度拍攝圖片的前提下，可滿足葉片面積測量精度要求。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是拍攝距離較近，圖像變形范圍較?。煌瑫r數(shù)碼相機成像技術(shù)進步也減少了圖像的幾何畸變，誤差分析結(jié)果也顯示性能更優(yōu)的單反相機測量精度更高于手機鏡頭。葉片和標尺的識別是基于各自的顏色特征，根據(jù)圖像中RGB色值進行判斷，因此該方法僅限應(yīng)用于綠色葉片的面積測量；識別方法中設(shè)置的判斷閾值，是對多幅不同光線條件下的圖像進行試驗后確定的經(jīng)驗值，閾值設(shè)置如何能更合理，還需要進行更多的研究總結(jié)；由于識別條件簡單，計算速度快，在多圖像批處理中更具優(yōu)勢；為了避免外部光線的影響，在拍攝制作圖像時，應(yīng)避免綠色或紅色的光線進入圖像范圍內(nèi)，日常使用的白熾燈或太陽光照下不影響本方法的實施。

根據(jù)華為V8手機和佳能550D相機對20張葉片的測量結(jié)果分析，本文采用的葉片面積測量方法相對誤差平均低于3%，T檢驗結(jié)果顯示與坐標紙手繪輪廓獲取的真實葉片面積不存在顯著差異，表明該方法測量面積精度較高。基于該方法開發(fā)的圖像處理軟件可進行單張計算或多張批處理，操作簡單，運行速度快?？傮w來看，本文探討的方法切實可行，且方便、快捷、成本低，在葉片面積測量上具有較大的應(yīng)用潛力。