基于双目视觉的叶片形态无损测量方法

作者:崔世钢;杨莉莉;吴兴利;梁帆 刊名:湖北农业科学 上传者:张付荣

【摘要】利用数码相机实现对植物叶片形态的无损测量,是掌握植物生长规律、科学指导生产以及实现植物生长柜智能化控制的关键技术之一。针对叶片弯曲以及拍照过程中容易出现的几何失真等问题,提出了利用两个相互垂直的数码相机来采集图像,从侧面图像分析叶片的弯曲角度,对正面图像进行失真校正;然后根据投影原理统计出叶片的像素数目,从而得到对应的形态数据。结果表明,该方法能够有效地解决图像的二维图像失真问题,降低叶片数据计算的误差,对于促进农业科技进步、加快现代化发展具有十分重要的意义。

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植物生长柜是一种技术高度密集、资源高效利用的新型农业生产方式,因其具有环保、高效、智能等优点而受到了前所未有的关注。如何掌握植物的生长规律,保证植物健康快速生长,是植物生长柜管理者最关心的问题之一。叶片是绿色植物进行光合作用和蒸腾作用的主要器官,叶片的大小直接关系到植物有机物合成速率和水资源利用率,因此叶片面积常常被用来作为在植物生理生化、作物栽培等方面的研究指标[1,2]。然而计算和研究叶片形态数据的前提是采用准确有效的测量方式,传统的方格法、称重法等测量方式虽然在农业研究中得到广泛应用,但是存在精度不够并且费时费料的缺点;利用扫描仪虽然可以高精度的测量植物叶面积,但往往需要采集离体叶片,会对植物的正常生长造成一定的伤害。利用数码相机通过图像处理技术计算叶片面积则具有灵活方便、效率高、误差小等优点,而且能够实现植物的非破坏性测量[3-6]。在植物生长柜的实际应用中,柜内的温度、湿度和光照度等环境因素可以根据植物的生长状态而调整,营养液成分及其温度等参数也可根据植物的长势而调节,然而植株叶片的位姿以及生长的方向却是管理者无法控制的。在单目视觉下,植物叶片位姿的不确定性,将会导致拍摄的二维图像仅为该方向的投影图像,造成叶片信息的丢失,因此,本研究采用两个数码相机从相互垂直的角度拍摄,得到能反映叶片形态和弯曲程度两张图像,从而换算出叶片的真实形态数据。1材料与方法1.1图像采集首先制作一套白色纸板,在上面用黑色水笔画上点方阵作为参照物,用做适合不同大小叶片的背景;其次采用型号为DSC-W330的SONY数码相机,图像像素大小选择36482736,关闭相机闪光灯并在白色LED灯光下分别从叶片的正面和侧面拍摄;最后将图像文件输入到计算机,格式保存为jpg格式。1.2图像预处理为了突出目标对象,更加有效地提取图像信息,对采集的图像进行适当剪裁,以减少后期的计算量。由于图像在拍摄和传输过程中不免会添加噪声,降低图像质量,因此需对叶片图像滤波去噪。为避免均值滤波在消除图像噪声的同时导致边缘弱化,本文采用中值滤波的方法,选取窗口Sxy中被干扰图像g(x,y)的中值,作为坐标点(x,y)的输出,公式(1)如下:f(x,y)=Median[g(s,t)],(s,t)Sxy(1)其中,x、y分别代表图像中的横、纵坐标。1.3图像校正在实际的图像采集处理过程中,图像像素之间空间关系会发生变化,也就是原始场景中各部分之间的空间关系与图像中各对应像素的空间关系不一致,需要通过几何变换来校正失真图像中的各像素位置以重新得到像素间原有的空间关系。设原图像为f(x,y),受到几何失真的影响后变成g(x’,y’)。校正几何失真既要根据(x,y)和(x’,y’)的关系由(x’,y’)确定(x,y),也要根据f(x,y)和g(x’,y’)的关系由g(x’,y’)确定f(x,y)[7,8]。1.4数据统计边界长度是边界所包围的区域轮廓的周长。对于8连通边界,其长度为对角码个数乘上姨2,再加上水平和垂直像素点的个数的和。边界上任意两点间的距离最大值即为目标长度,边界上两点间与长垂直的最大距离即为目标宽度。面积则是二值图像中像素值为1的像素个数,因此可以利用像素数目计算得到叶片的各个形态数据。2结果与分析2.1图像预处理对于不同方向的叶片,选取不同的角度放置数码相机如图1所示。使相机1垂直于叶片阳面,得到叶片的正视图;使相机2位于叶片侧面,光轴与相机1的光轴相互垂直,得到叶片的侧视图。将拍摄到的图像传入电脑后,为避免其他枝叶的干扰,以背景点阵坐标为基准裁剪照片,并对其滤波去噪后得到的图像如图

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