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毕业论文-基于Photoshop图像处理的番茄叶面积测量.doc
原稿！！基于Photoshop图像处理的番茄叶面积测量【开题报告+外文翻译+毕业论文】
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毕业论文中文摘要 基于 像处理 的 番茄叶面积 测量 摘要 :以 件 处 理技术为基础，提出一种简化、高精度的作物叶面积测量方案， 从 数码相机 获得的含有参照边框和叶片影像的图像进行分析处理，不仅简化了业务流程，还大大提高了测量的精度，应用于作物叶面积的测量计算 ,获得十分满意的结果。 分析了现有植物叶面积测量方法的特点，提出了一种利用数码相机快速获得叶片图像，并利用图像处理技术的测量方法，该方法实现了对植物叶面积的非破坏性测量，并能保证测量精度。通过对实现数据的比较分析，验证此方法的可行性。 关键词 ： 图像处理 叶面积 叶片像素 毕业论文 外文 摘要 on on a It of of It to of of of a to of of of to of of 目录 1 引言 . 1 2 研究的基本原理与方法 . 1 . 2 . 3 . 3 3 一种新的基于数码相机和 件的叶面积测定方法 . 3 3.1 介 . 3 . 4 程 . 4 . 5 . 5 . 5 . 8 . 9 . 9 4番茄叶面积测量结果与分析 . 11 结论 . 13 参考文献 . 14 致谢 . 15 - 1 - 基于 像处理的番茄叶面积测量 1 引言 叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用的主要器官，其发育状况和叶面积大小对植物生长发育、抗逆性及产量形成的影响很大，是生理生化、遗传育种、栽培等方面研究经常考虑的重要内容。 叶面积指数是单位 土地面积 上的叶面积， 是作物种群结构的一种标志参数，也是表 现 作物对光能吸收的一个重要的生物学指标，叶片的发育状况和叶面积指数对作物生长发育、抗逆性及产量形成有很大的影响，如何方便、准确地获得作物叶面积，对研究农田小气候、作物生理生化、遗传育种、作物栽培以及调控作物群体结构，充分利用光、温、水资源具有重要的意义。 植物叶片 也 是植物学、农学、数学、计算机图形学等多学科交叉而形成的，是典型的多学科交叉的产物。利用 植物生理生态 可以精确反映现实植物的形态结构、生长状况及对周围环境的影响，这对植物产量预测、土地生产力评估、资源环境分析、植物 生长机理研究、调控植物生长发育及对其环境的反应研究都有着十分重要的意义。图像处理作为一门学科产生于 20 世纪 60 年代，初期主要应用于航空航天领域。随着计算机软硬件技术水平的提高，借助图像处理技术提取植物叶片的特征，测定植物叶面积的大小，成为越来越多的农业研究者工作的重点，而这些研究也为植物研究与智能农业生产提供参考数据。 生成的植物是可以反映现实植物的形态结构 ，并能获得植物生理生态过程和形态结构的并行过程的共同结果， 能够精确地反映现实植物的形态结构，极具真实感，它能帮助我们以一个全新的视角来研究植物，并且 有十分广泛的发展前景。叶片是植物最典型的器官之一，它可以看作一个近似的二维平面结构。在某种意义上，叶片包含 了重要的植物特征信息，是构建植物器官图像、图形库的重要原始信息 。 2 研究的基本原理与方法 准确快速测算叶面积的方法，对于 植物 生物学特性的研究和制定科学的栽培技术措施具有重要的意义。并且随着计算机、数码相机等电子产品的普及，研究人员将数字图 - 2 - 像处理技术应用于叶面积的测定并取得了很好的效果 ，在测定黄瓜叶面积时，尽管有很多方法可供选择，但是测定的准确性、操作的难易程度、仪器设备、工作条件等因素将影响研究者 对测定方法的选择。本试验通过采用 数码相机拍照法测定 叶面积来综合评价研究各种测定方法的优劣 。 叶面积测定技术的沿革，可以分为传统方法和基于计算机图像处理技术的图像法，近年来，后者依托计算机技术得以迅猛发展，通过使用通用的计算机、扫描仪设备以及找一种简便、快速、准确测算作物叶面积的方法。 统的测量方法 当前测定叶面积的方法主要有 坐标法、 方格法、纸 称重法、光电面积仪法、激光面积仪法、求积仪法、鲜重法、系数法等。 坐标纸法 ,这是一种最为原始、也是最为准确的叶面积测量方法，但因其操 作繁琐、工作量大而不能应用于日常业务，多用于特殊测量，或作为其他叶面积测定方法定标的依据，比如系数法求取叶面积校正系数时就使用该法。 系数法 ,采用直尺测量叶片的最大长度和宽度，乘以校正系数后得到叶面积。作物的校正系数受作物的品种（叶片的遗传形状）、叶龄和生长状况等诸多因素的影响较大，有的作物叶片形状复杂，甚至取自同一植株的不同叶片校正系数也不同（如油菜），此法可操作性强，但比较繁琐，精度不高，存在系统误差。 称重复印法 ,将叶片用复印机复印，将纸张沿叶片图像边缘剪下，准确称量纸张质量，通过称量标准面积纸张的质 量 , 算出单位面积的纸张质量，计算得出叶面积。该方法也因操作繁琐，工作量大以及纸张质量对测量精度影响较大，应用不广。 器测法 ， 目前国 内外叶面积测量仪定型产品较多，型号比较多，基本原理是利用透光比例，通过完全遮光板 ， 完全透光板 标定测量的上下区间，再放入待测样本，经过比较，自动计算出样本面积；器测法具有快速、准确的特点，缺点是叶面积测量仪设备价格昂贵，不能广泛投入使用，另外如果测量时间太长，常发生数值漂移，测量结果会产生较大的波动性，重复性差，在测量过程中还须时刻保持透光板干净，否则会影响测量精度，目前叶面积测 量仪发展比较快，正向便携化、活体化、功能集成化、智能化、精确化、价格低廉化等方向发展。 - 3 - 上述方法各有利弊，在业务使用上都有一定的局限性。 通过对以上传统测量方法的研究和分析，传统方法存在着成本高、操作繁琐、测量精度低的特点。所以本文提出一种新的 方法， 基于数码相机和 件的叶面积测量方法。 图像处理技术的基本原理 图像处理是对图像进行分析、加工、处理，以满足视觉、统计以及其他要求的技术，所有的图像都以数字形式存储或可以转换为以数字形式存储，数字图像分为矢量图和位图两大类，矢量图是用直线 和曲线通过数学公式计算来描述图形的，因此图像文件比较小，其突出的优点是无论放大、缩小或旋转等都不失真，但图像色彩层次差，缺乏丰富的逼真效果，而且矢量图的显示也要花费一些时间。位图是由不同亮度和颜色的像素所组成，适合表现大量的图像细节，能表现逼真的图像效果，但是文件比较大，并且放大时清晰度会降低并出现锯齿。计算机图像处理常用格式为位图图像，常用的位图图像存储格式有 。 于图像处理技术的叶面积测定方法 利用 数码相机获取叶片图像 ,形成指定存储格式 （ 的图像文件，采用 像处理软件调入图像文件 ,用套索工具选取叶片轮廓，在图像菜单直方图中查取叶片的 像 素个数，依据分辨率计算单个 像 素的面积， 像 素数乘以单个 像 素的面积得出叶片的面积。图像处理技术适用于除针叶以外的各种形状、大小的叶片面积的测量。 3 一种新的基于 数码相机 和 件的叶面积测定方法 3.1 介 司旗下最为出名的图像处理软件之一。多数人对于 作界面 了解仅限于“一个很好的图像编辑软 件” ,并不知道它的诸多应用方面， 实际上， 应用领域很广泛的，在图像、图形、文字、视频、出版各方面都有涉及。 能特色 从功能上看， 分为图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作部分。图像编辑是图像处理的基础，可以对图像做各种变换如放大、缩小、旋转、倾斜、镜象、透视等。也可进行复制、去除斑点、修补、修饰图 - 4 - 像的残损等。这在婚纱摄影、人像处理制作中有非常大的用场，去除人像上不满意的部分，进行美化加工，得到让人非常满意的效果。 图像合成则是将几幅图像通过图层操作、工具 应用合成完整的、传达明确意义的图像，这是美术设计的必经之路。 为可能使图像的合成天衣无缝。校色调色是 深具威力的功能之一，可方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色编的调整和校正，也可在不同颜色进行切换以满足图像在不同领域如网页设计、印刷、多媒体等方面应用。特效制作在 主要由滤镜、通道及工具综合应用完成。包括图像的特效创意和特效字的制作，如油画、浮雕、石膏画、素描等常用的传统美术技巧都可藉由 效完成。 而各种特效字的制作更是很多美术设计师热衷于前最新版本 所有功能外，还增加了 3D 和视频流、动画、深度图像分析等。 以数字图像处理技术为基础，提出获取叶片的实际面积测量系统的一种独特实现方案，在图像上比一般方法增加了一个已知确定面积的标准框作为参照，省去了计算像素大小的繁琐过程，提高了测量的精度，对从 数码相机 获得的含有参照边框和叶片影像的图像进行分析处理，应用于叶面积的测量计算 ,获得十分满意的结 果。 量原理 由于数字图像由一个个像素点组成 ， 因此在已知每个像素点代表的真实面积下 ， 可以通过计算图像中叶片的像素数求出叶片的面积 。所以计算叶面积公式如下： 001 (1) 其中 表参照物的实际面积， 表叶片的像素个数， 表参照物的像素个数。 像处理过程 如图所示即为叶面积计算的工作流程图 。 在对原图像进行预处理以后 ， 通过用快速选取工具将叶片的边缘提取，然后 将图像由 像 通过调整阈值 转换为 二值 图像 ， - 5 - 再将转换后的 二值 图像进行图像 矢量化 ， 图像轮廓拟合最优曲线 ，最后通 过 公式 计算可得到叶片面积 。 图 1 叶面积计算处理过程图 of 算叶面积 面积的实现过程 取图像 在使用数码相机时拍摄时，由于人为因素的影响，必然引起图像的线性几何畸变，从而造成测量误差，而且很难利用非线性几何畸变校正法来消除其影响。一个切实可行的方法是，拍摄图像时让数码 相机离被测叶片尽量远，通过数码相机的变焦功能使被测叶片的像尽量大，相当于在尽量长的焦距下拍摄，误差就会有效地减少。测量时要求将被测叶片与标准测度参照物同时拍摄，从而按比例获得绝对尺寸，被测叶片和 参照 物体要求拍摄到同一幅图像上。 叶面积的测量系统硬件部分主要有成像设备、计算机、参照物以及测量所用夹具。成像设备选用普通的数码相机（ 300 万像素以上），借助于数码相机来获取图像，可以不破坏叶片的群体结构，真正地检测叶片的生长规律。计算机必须装有 件，并且可以稳定快速的运行 件。参 照物是测量中一个关键的设备，本研究中选用一个 1平方厘米的方形纸板作为参照，它必须要能与底板有很大的颜色差别，并且，参照物面积一定要准确，因为参照物的面积将直接影响测量的精度。测量所用夹具必须要具备以下特点：能够构建一个与叶片颜色有很大差别的背景，选择白色的纸板。并能使参照物固定在背景纸板上。 由于在测量叶片面积时，需要在严格的物距下进行叶片的采样，以保证每个像素点代表的真实面积不变，而且要求光学器件的线性度高，镜头的焦距不可变，可见 在获取图像时必须严格要求 。 像预处理 图像预处理部分，由于叶片 面积像素在获取过程中会有各种因素的影响，所拍摄的叶片效果不可能尽如人意，有可能出现毛刺，噪音，孤立点等影响图像质量的问题，所原图像 预处理 图像二值化 边缘提取 计算面积 图像矢量化 - 6 - 以需要首先对植物叶片图像进行各种处理。 比如 4号叶片在拍摄时出现了很明显的阴影，如果不进行处理，将会影响计算精度。 预 处理过程为： 1)通过快速选取工具将叶片圈住，然后按住 +将图片放大至一定比例，可以很清楚的看到图片阴影。如图 2所示： 图 2 图片放大后 to ） 通过 用快速 选取工具把叶片选取后 ，由于认 为拍摄造成会出现阴影，如图 3： 图 3 用快速选取工具将叶片圈住 - 7 - 3） 按住 叶片周边有阴影部分进行处理，把有阴影部分的叶片周边通过快速魔棒，污点修复工具，移动工具，修补工具将其处理后保存，这样我们就得到了处理后的 图像如图 4： 图 4 处理后的叶片 样我们就可以把处理前 (a)和处理后 (b)的图像进行对比如下图所示： a)处理前 b）处理后 a） b） 理前计算面积为 S=535处理后计算面积为 S=582过预处理后的叶片 我们可以清楚的看到因为拍照时留下的阴影消失了，这样我们可以更加准备的计算出番茄叶片面积，从而达到了预处理的效果。 - 8 - 值化图像 调整阈值色阶使图像变成二次图像如图 5 如图 5 二值化图像 6 调整阈值色阶 值 色阶 ：可以根据给定阈值转换彩色图像或灰度图像成为具有高度反差的黑白图像。可在阈值程度输入阈值，当像素的层次低于或等于阈值设为黑色，高于阈值时设为白色。阈值”命令将灰度或彩色图像转换为高对比度的黑白图像。可以指定某个色阶作为阈值。所有比阈值亮的像素转换为白色；而所有比阈值暗的像素转换为黑色。“阈值”命令对确定图像的最亮和最暗区域很有用。决定多大反差的相邻 像素边界可以被锐化处理，而低于此反差值就不作锐化。阀值的设置是避免因锐化处理而导致的斑点和麻点等 - 9 - 问题的关键参数，正确设置后就可以使图像既保持平滑的自然色调的完美，又可以对变化细节的反差作出强调。 缘提取 把处理后的叶片通过用快速选取工具，选取叶片，使它与周围分离。如图： 图 7 用快速选取工具把二值化后叶片圈住 a 速选择工具功能非常强大，给 我们 提供了优质 选区创建解决方案。这一工具被添加在工具箱的上方区域，与魔棒工具归为一组。快速选择工具的使用方法是基于画笔模式的。也就是说，你可以画出所需的选区。如果是选取离边缘比较远的较大区域，就要使用大一些的画笔大小；如果是要选取边缘则换成小尺寸的画笔大小，这样才能尽量避免选取背景像素。快速选择工具是智能的，它比魔棒工具更加直观和准确。不需要在要选取的整个区域中涂画，快速选择工具会自动调整涂画的选区大小，并寻找到边缘使其与选区分离。 算叶面积 - 10 - 得到二次图像以后我们就可以通过直方图得到叶片的像素个数。如图 7， 可以很清楚的得到像素为 340970,即 40970。 如图 8 直方图 方图也叫柱状图，是一种统计报告图，由一系列高度不等的纵向条纹表示数据分布的情况。 通过直方图可以很清晰的得到像素个数， 标准偏差 ， 中间值 ， 平均值 ， 百分位 ， 数量 ， 色阶 。 平均值 就是 图像的平均亮度值，高于 128 偏亮，低于 128偏暗。平均值的算法是：图像的亮度总值 图像像素总数。 标准偏差指图像所有像素的亮度值与平均值之间的偏离幅度。标准偏差越小， 图像的亮度变化就越小，反之亮度变化就越大。 中间值是把图像所有像素的亮度值通过从从小到大排列后，位置处在中间的数。 色阶 是指 鼠标指针所在位置的亮度值，亮度值范围是 0 255。 数量 是指 鼠标指针所在位置的像素数量。 百分位 是 从最左边到鼠标指针位置的所有像素数量 图像像素总数。 高速缓存级别 就是 我们在处理一些超大的图片时，会因为像素数量过多而导致每一步操作都很慢 ， 为了提高图片的显示与刷新速度， 用图片的缩小版本来进行计算并显示。 - 11 - 用上述的方法和步骤可以很清楚的得到 图片中参照物的像素个数了 ，如图 10 参照物的像素为 58613，即 8613。 图 9 用快速选取工具圈住参照物 图 10 直方图 a 过测量原理公式 2001 8 1 6 1 313 4 0 9 7 0 4 番茄叶面积测量结果与分析 为了验证数字图像处理叶面积结果的可行性，本文应用 像处理的方法 对同一组 番茄 叶片 再次进行测量。目前对于叶面积的测量 虽然很多，但是未 有十分精确的测量 方法， 可是对于叶片平展且 不规则的叶片 ，通过 使用 像处理法测量， 还是 有很高的精确度。 由 测量 结果可以看出，用 像处理求得的叶面积与 像处理法 求得的结果很相近，通过 对 8片番茄叶片用 像处理和 像处理 两种测量面积方法进行 分析 与比较 ，数据 与相对误差 如表 1所示。 - 12 - 表 1 像法叶面积测量及 像法 叶面积测量结果对比 of 茄叶编号 番茄叶像素个数 参照物像素个数 番茄叶面积 （ 像 法 番茄叶面积 (相对误差 (%) 1 585572 121337 283379 67476 328987 77284 340970 58613 297224 61671 271017 84295 504770 84092 771228 106259 - 13 - 结论 本文从 番茄 叶片入手，对如何利用图像处理技术获取 番茄 叶片的几何形态数据及 叶面积的测定方法进行了探讨，其具体实现是以数字图像处理技术为基础，从 番茄 叶片图像的采集开始，到图像的 二次处理 、 阈值调整、 边缘提取、矢量化以及利用 参照物的 方法 ， 测定出 番茄 叶片的面积等整个过程进行了探讨 ， 达到了 基本的 设计要求。 本课题完成的主要工作如下： 1. 利用数码相机采集 番茄 叶片，对 番茄 叶片 进行预处理 ，去掉 番茄 叶片图像的 阴影 等无关信息，恢复 番茄 叶片图像的真实信息，为图像处理的后续工作做准备。 2. 利用边缘检测、 快速选取工具，二值化图像 等 将番茄 叶片的轮廓图像提取出来，使 番茄 叶片图像转换为矢量化图形。 3. 对于其他测定植物叶面积的方法，采用基于图像处理并利用定积分求面积的方法测定植物叶面积，能够更精确地测定植物的叶面积值。 - 14 - 参考文献 1柏军华，王克如，初振东 . 叶面积测定方法的比较研究 J 2005. 2162左欣 ，韩斌，程嘉林 . 基于数字图像处理的植物叶面积测量方法 J. 计算机工程与应用 . 3苑克俊，刘庆忠，李圣龙 ， 等利用数码相机测定果树叶面积的新方法 J园艺学报， 2006，33(4)： 829 832 4张恒敢， 杨四军应用数字图像处理测定作物叶面积的简便方法 J江苏农业科学， 2002(3)：20 25 5肖强，叶文景，朱珠 ， 等 件非破坏性测定叶面积的简便方法 J2005. 6李宝光，陶秀花 ,倪国平 ， 等 J江西农业学报， 2007(3)：787自由路，杨丽萍基于图像处理的植物叶面积测定方法农监嘲络信息， 2004(1)： 36 38 8刘贯 面积不同测定方法的比较研究 J安徽农业科学， 2006,24(2)： 139 141. 9杨劲峰，陈清数字图像处理技术在蔬菜叶面积测量中的应用 J农业工程学报， 2
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