基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法及裝置。該裝置放置于光照箱內(nèi)，藍(lán)色LED燈作為激發(fā)光源，呈等邊三角形結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻的光照，用于激發(fā)植物葉片的葉綠素?zé)晒?，彩色高速相機(jī)和可調(diào)鏡頭前置紅色濾光片，用于過濾干擾光，采集葉綠素?zé)晒鈭D像。通過圖像預(yù)處理、圖像分割和特征提取等步驟，可以將葉片與背景分離，獲得以主葉脈為中心位置的像素區(qū)域的子圖像，并計(jì)算葉片的紋理特征和葉脈特征參數(shù)，最后通過分類器計(jì)算，可以將植物分類為健康和病害兩類。本發(fā)明可用來激發(fā)植物葉片葉綠素?zé)晒猓@取植物葉片的葉綠素?zé)晒鈭D像，計(jì)算紋理特征和葉脈特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)植物病害的檢測(cè)。
【專利說明】基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及植物病害的檢測(cè)方法及裝置，特別是涉及一種基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]植物體內(nèi)能激發(fā)熒光的物質(zhì)主要有多酚類以及光合色素，包括類胡蘿卜素和葉綠素。在一個(gè)或多個(gè)波段的激發(fā)光激發(fā)下，可以得到不同波段下的熒光光譜。
[0003]激發(fā)光源的發(fā)展由氙氣燈、鹵素?zé)舻阶贤鉄?、激光。近年來，LED以其耗能小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，成為一種新型光源。并且，LED不會(huì)對(duì)植物造成灼燒傷害，目前，已有基于LED光源的防除植物病害生長箱(專利申請(qǐng)公布號(hào):CN102014608A)。
[0004]植物對(duì)藍(lán)光的吸收最強(qiáng)，因此藍(lán)光的激發(fā)效率與其他顏色光相比較高。藍(lán)光同時(shí)可以激發(fā)類胡蘿卜素和葉綠素?zé)晒?，分布在綠光、紅光以及近紅外波段。植物受病害脅迫后，葉片的熒光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，其顏色、紋理等特征會(huì)發(fā)生變化。此外，從染病部位分析，葉脈的部位會(huì)首先出現(xiàn)變化。以常見的黃瓜病害為例說明:由綠斑花葉病毒引起的黃瓜病毒病，其葉脈出現(xiàn)黃化，并在葉脈周圍出現(xiàn)黃色星形病斑；由病菌引起的黃瓜霜霉病，其表現(xiàn)為沿著主葉脈到支脈、小葉脈，均出現(xiàn)如同鐵銹色一樣的癥狀。葉片受病害脅迫后色素失去活性，熒光信息會(huì)減少，嚴(yán)重時(shí)幾乎沒有熒光信息。因此，通過圖像處理技術(shù)，結(jié)合葉片葉綠素?zé)晒夂腿~片紋理、葉脈特征，能實(shí)現(xiàn)健康葉片和病害葉片二者的區(qū)分。
[0005]目前的針對(duì)植物健康狀況的檢測(cè)裝置，在光源的布置方面，實(shí)現(xiàn)均勻光照的方法是，采取左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)或在封閉環(huán)境中加入反光物質(zhì)；在檢測(cè)對(duì)象方面，大多對(duì)植物內(nèi)自發(fā)熒光物質(zhì)如綠色熒光蛋白進(jìn)行檢測(cè)；在分析方法方面，大多是基于葉綠素?zé)晒夤庾V信息，鮮有基于葉綠素?zé)晒鈭D像信息。目前的針對(duì)植物健康狀況的檢測(cè)裝置的發(fā)明，主要目的在于分析植物營養(yǎng)元素的含量，從而判斷植物是否健康，缺少用于區(qū)分健康植物和受病毒、病菌脅迫的病害植物的檢測(cè)裝置。并且現(xiàn)有的用于病害檢測(cè)的裝置，大多采用可見光成像或多光譜成像技術(shù)，鮮有將葉綠素?zé)晒夂统上窦夹g(shù)相結(jié)合的檢測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法及裝置。通過等邊三角形光源結(jié)構(gòu)，提供均勻光照，激發(fā)植物葉綠素?zé)晒?，同時(shí)采集葉綠素?zé)晒鈭D像，通過植物熒光圖像的紋理和葉脈信息，區(qū)分健康植物和病害植物。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]一、基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法，該方法的步驟如下:
[0009]步驟I)利用藍(lán)光激發(fā)活體植物葉片的葉綠素?zé)晒?，通過相機(jī)和濾光片采集得到葉綠素?zé)晒鈭D像；
[0010]步驟2)對(duì)葉綠素?zé)晒鈭D像進(jìn)行圖像預(yù)處理，得到活體植物葉片部位的灰度圖；
[0011]步驟3)將灰度圖進(jìn)行圖像分割得到子圖像，并提取子圖像的紋理特征和葉脈特征參數(shù)，將兩個(gè)特征參數(shù)輸入分類器進(jìn)行判斷
[0012]步驟4)根據(jù)活體植物葉片的紋理特征和葉脈特征參數(shù)，判別出健康和病害兩類植物。
[0013]步驟2)所述的圖像預(yù)處理包括自動(dòng)閾值分割、空洞填充和與操作。
[0014]二、基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)裝置
[0015]本發(fā)明包括光照箱、光源、計(jì)算機(jī)、彩色高速相機(jī)、放置活體植物葉片的采集平臺(tái)；在光照箱內(nèi)的底面向上，依次同軸裝有采集平臺(tái)，光源和彩色高速相機(jī)，彩色高速相機(jī)上的可調(diào)鏡頭朝下，可調(diào)鏡頭上裝有濾光片，彩色高速相機(jī)通過Camera Link線與計(jì)算機(jī)相連。
[0016]所述的光源包括等邊三角形支架和三個(gè)型號(hào)相同的藍(lán)色LED燈；等邊三角形支架的每個(gè)邊中部分別裝有一個(gè)藍(lán)色LED燈，形成一個(gè)等邊三角形光源，等邊三角形光源與等邊三角形支架具有相同的中心0，每個(gè)藍(lán)色LED燈的光照平面與采集平臺(tái)夾角均為45度。
[0017]所述每個(gè)藍(lán)色LED燈均為LED燈陣列。
[0018]所述濾光片為紅色濾光片，其中心波長為690nm。
[0019]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0020](I)本發(fā)明利用藍(lán)色LED光源和紅色濾光片，實(shí)現(xiàn)了植物葉綠素?zé)晒獾募ぐl(fā)和采集。
[0021](2)本發(fā)明改進(jìn)了光源的結(jié)構(gòu)，用三角形光源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光源的均勻光照。
[0022](3)本發(fā)明提供葉綠素?zé)晒鈭D像，基于紋理特征和葉脈特征參數(shù)將植物分為健康和病害兩類。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2是等邊三角形光源結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3是成像原理示意圖。
[0026]圖4是本發(fā)明方法流程圖。
[0027]圖中:1.光照箱，2.光源，3.計(jì)算機(jī)，4.彩色相機(jī)，5.可調(diào)鏡頭，6.濾光片，7.采集平臺(tái)，8.等邊三角形支架，9.藍(lán)色LED燈。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明包括光照箱1、光源2、計(jì)算機(jī)3、彩色高速相機(jī)4、放置活體植物葉片的采集平臺(tái)7，檢測(cè)活體植物葉片置于采集平臺(tái)7中心位置附近；在光照箱I內(nèi)的底面向上，依次同軸裝有采集平臺(tái)7，光源2和彩色高速相機(jī)4，彩色高速相機(jī)4上的可調(diào)鏡頭5朝下，可調(diào)鏡頭5上裝有濾光片6，彩色高速相機(jī)4通過Camera Link線與計(jì)算機(jī)3相連，彩色高速相機(jī)5的幀率是30fps，計(jì)算機(jī)3安裝有圖像采集卡和采集軟件，對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行圖像采集、處理、分析和顯示，光照箱I可以截?cái)嗤饨绻庠矗苊庥绊懰{(lán)色LED燈提供的光。
[0030]如圖2、圖3所示，所述的光源2包括等邊三角形支架8和三個(gè)型號(hào)相同的藍(lán)色LED燈9 ;等邊三角形支架8的每個(gè)邊中部分別裝有一個(gè)藍(lán)色LED燈9，形成一個(gè)等邊三角形光源，等邊三角形光源與等邊三角形支架8具有相同的中心0，每個(gè)藍(lán)色LED燈9的光照平面與采集平臺(tái)7夾角均為45度，能提供均勻的光照。
[0031]所述每個(gè)藍(lán)色LED燈9均為LED燈陣列，每個(gè)LED燈的工作電壓為36V，功率為30W。
[0032]所述濾光片6為紅色濾光片，其中心波長為690nm，與葉綠素?zé)晒獠ǘ蜗嗤?，可用于過濾其他光干擾。鏡頭物距可調(diào)，相應(yīng)活體植物的不同高度而調(diào)整。
[0033]如圖4所示，確定彩色高速相機(jī)4的曝光時(shí)間，調(diào)整焦距增益，并進(jìn)行黑白場(chǎng)的標(biāo)定，消除彩色高速相機(jī)4的暗電流噪聲。將葉片放置于采集平臺(tái)7中心位置，打開藍(lán)色LED9，激發(fā)番茄葉片的葉綠素?zé)晒猓糜?jì)算機(jī)3控制彩色高速相機(jī)4，采集葉片的葉綠素?zé)晒鈭D像。采用圖像處理軟件Matlab對(duì)葉綠素?zé)晒鈭D像進(jìn)行預(yù)處理，其過程包括:自動(dòng)迭代閾值分割、空洞填充和與操作后，最后得到去除背景的葉片部位的灰度圖。對(duì)葉片部位的灰度圖進(jìn)行圖像分割，再選取以主葉脈為中心位置像素區(qū)域的子圖像，對(duì)其進(jìn)行特征提取，提取步驟包括:采用灰度共生矩陣計(jì)算子圖像的紋理特征參數(shù)，采用擊中或擊不中變換提取子圖像的葉脈圖像，對(duì)葉脈圖像再使用灰度共生矩陣計(jì)算得到葉脈特征參數(shù)，將兩類特征參數(shù)輸入到支持向量機(jī)分類器中進(jìn)行計(jì)算。預(yù)先設(shè)定數(shù)值I代表有病害的葉片，數(shù)值O代表健康葉片，特征參數(shù)經(jīng)過分類器的計(jì)算后，被劃分為I和0，其中結(jié)果為1，則判斷為該參數(shù)對(duì)應(yīng)的葉片有病害，所在植物染病，結(jié)果為O則判斷該參數(shù)對(duì)應(yīng)的葉片為健康，所在植物健康。
[0034]以檢測(cè)番茄葉片黃花曲葉病為例，打開彩色高速相機(jī)4，觀察圖像畫面并不斷調(diào)節(jié)鏡頭5，至圖像畫面清晰可見時(shí)鏡頭焦距為6mm，再調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，至圖像畫面中的飽和光斑恰好消失為止，曝光時(shí)間為60ms，按下相機(jī)上的黑白平衡按鈕，完成黑白標(biāo)定。分別從健康的番茄植株和染病的番茄植株的相同部位摘取葉片，共同放置在采集平臺(tái)7上，打開藍(lán)色LED燈9，通過計(jì)算機(jī)3采集葉綠素?zé)晒鈭D像，保存為tiff格式，每幅圖像均為灰度圖，大小為320X240像素，占80KB內(nèi)存。圖像采集后，關(guān)閉藍(lán)色LED燈9。圖像預(yù)處理后，可以得到葉綠素?zé)晒鈭D像中的葉片像素區(qū)域。圖像分割后，每幅葉綠素?zé)晒鈭D像被分割為48幅子圖像，選取主葉脈為中心位置像素區(qū)域40X40像素大小的子圖像，通過灰度共生矩陣計(jì)算能量、熵、慣性矩和相關(guān)四個(gè)紋理參數(shù)，計(jì)算如公式1-4所示:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法，其特征在于，該方法的步驟如下: 步驟I)利用藍(lán)光激發(fā)活體植物葉片的葉綠素?zé)晒?，通過相機(jī)和濾光片采集得到葉綠素?zé)晒鈭D像； 步驟2)對(duì)葉綠素?zé)晒鈭D像進(jìn)行圖像預(yù)處理，得到活體植物葉片部位的灰度圖； 步驟3)將灰度圖進(jìn)行圖像分割得到子圖像，并提取子圖像的紋理特征和葉脈特征參數(shù)，將兩個(gè)特征參數(shù)輸入分類器進(jìn)行判斷 步驟4)根據(jù)活體植物葉片的紋理特征和葉脈特征參數(shù)，判別出健康和病害兩類植物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)方法，其特征在于，步驟2 )所述的圖像預(yù)處理包括自動(dòng)閾值分割、空洞填充和與操作。
3.實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)裝置，其特征在于:包括光照箱(I)、光源(2)、計(jì)算機(jī)(3)、彩色高速相機(jī)(4)、放置活體植物葉片的采集平臺(tái)(7);在光照箱(I)內(nèi)的底面向上，依次同軸裝有采集平臺(tái)(7)，光源(2)和彩色高速相機(jī)(4)，彩色高速相機(jī)(4)上的可調(diào)鏡頭(5)朝下，可調(diào)鏡頭(5)上裝有濾光片(6)，彩色高速相機(jī)(4)通過Camera Link線與計(jì)算機(jī)(3)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的光源(2)包括等邊三角形支架(8)和三個(gè)型號(hào)相同的藍(lán)色LED燈(9);等邊三角形支架(8)的每個(gè)邊中部分別裝有一個(gè)藍(lán)色LED燈(9)，形成一個(gè)等邊三角形光源，等邊三角形光源與等邊三角形支架(8 )具有相同的中心O，每個(gè)藍(lán)色LED燈(9 )的光照平面與采集平臺(tái)(7)夾角均為45度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)裝置，其特征在于:所述每個(gè)藍(lán)色LED燈(9)均為LED燈陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于葉綠素?zé)晒饧俺上窦夹g(shù)的植物病害檢測(cè)裝置，其特征在于:所述濾光片(6)為紅色濾光片,其中心波長為690 nm。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK104034710SQ201410290704
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】蔣煥煜, 盧勁竹, 崔笛, 周鳴川, 胡楊 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)