長葉柄軸對稱植物葉片中軸及其長度的圖像檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像的長葉柄軸對稱植物葉片中軸自動檢測和葉片長度自動測量方法，用掃描儀采集包含葉柄的葉片圖像；經(jīng)閾值分割和形態(tài)學(xué)處理得到葉片區(qū)域；根據(jù)葉柄形狀細(xì)長的特點(diǎn)檢測葉柄區(qū)域，將其去除后獲得葉面區(qū)域；提取葉片骨架，以與葉柄相鄰的骨架點(diǎn)為中軸起點(diǎn)；用葉面骨架重構(gòu)葉面區(qū)域，擴(kuò)展和標(biāo)記骨架，求取骨架單元間的鄰接矩陣；由該鄰接矩陣窮舉所有由中軸起點(diǎn)到骨架端點(diǎn)的骨架路徑；用等面積準(zhǔn)則和最大曲率準(zhǔn)則確定中軸；用折線擬合中軸，以擬合折線長度和掃描分辨率確定葉面長度。本發(fā)明能自動完成長葉柄軸對稱葉片中軸檢測并計(jì)算葉片長度，可提高測量準(zhǔn)確度，減輕勞動強(qiáng)度，便于實(shí)現(xiàn)相關(guān)植物信息的自動管理分析。
【專利說明】長葉柄軸對稱植物葉片中軸及其長度的圖像檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)與生態(tài)管理等領(lǐng)域，具體是一種基于圖像的長葉柄軸對稱植物葉片的中軸檢測及葉面長度測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]葉片是植物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的主要器官，也是光合作用進(jìn)行干物質(zhì)積累的主要器官，它受水分、溫度、光照等環(huán)境因子的影響顯著，因此，葉片的形狀參數(shù)如面積、形狀、厚度、葉長、葉寬及葉形指數(shù)等，提供了評價植物環(huán)境因子效應(yīng)的重要指標(biāo)。其中葉片長度作為重要的形狀參數(shù)，可以用于葉面積的估計(jì)與植物葉片的自動識別等任務(wù)之中。
[0003]目前可見的葉片長度圖像測量方法，基本都是計(jì)算葉片區(qū)域最小外接矩形的長邊長度，或是以葉柄/葉面交界點(diǎn)出發(fā)到其他葉面邊緣點(diǎn)之間距離中的最大者作為葉片長度的測量結(jié)果。不過當(dāng)葉片存在一定的扭曲時，這樣的結(jié)果與直觀感受的葉片長度將有所出入，而更合適地做法則是利用葉片的對稱軸或說中軸的長度來作為葉片長度的描述。此外，由葉片中軸本身還可導(dǎo)出更多的葉片形狀特征，如沿中軸的寬度分布特征、葉片不同部分的面積所占的比重等等。
[0004]因此，有必要找到一種基于圖像處理的方法，能夠自動地檢測出軸對稱葉片的中軸，計(jì)算出葉片長度，并能夠提高葉片長度及其他相關(guān)葉片形狀參數(shù)的測量準(zhǔn)確度，減輕工作者的勞動強(qiáng)度，便于實(shí)現(xiàn)相關(guān)的植物信息的自動化管理和分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在現(xiàn)有的中軸檢測方法(骨架化方法)的基礎(chǔ)上，針對具有長葉柄和軸對稱形狀的植物葉片，提供一種全自動的葉片中軸檢測和葉面長度測量的方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為:利用掃描儀采集包含葉柄的葉片圖像；經(jīng)閾值分割和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理得到葉片區(qū)域的二值圖像；根據(jù)葉柄具有細(xì)長形狀的特點(diǎn)，檢測葉柄區(qū)域，然后去除葉柄區(qū)域后獲得葉面區(qū)域的二值圖像，并對葉片進(jìn)行骨架提取后獲得與葉柄部分相鄰的葉面骨架點(diǎn)作為中軸的起點(diǎn)；利用葉面骨架進(jìn)行葉面區(qū)域重構(gòu)，并對骨架進(jìn)行擴(kuò)展和標(biāo)記，求取骨架單元之間的鄰接矩陣；利用該鄰接矩陣，窮舉出所有由中軸起點(diǎn)到骨架端點(diǎn)的骨架路徑；利用等面積準(zhǔn)則和最大曲率準(zhǔn)則確定中軸；最后用折線擬合中軸，并利用擬合折線的長度和掃描時的物理分辨率確定葉面長度。具體包括以下步驟:
[0007]1.利用掃描儀采集所摘取的長葉柄軸對稱葉片的圖像I ;
[0008]i1.對葉片圖像I進(jìn)行二值化，得到二值圖像B ;通過實(shí)驗(yàn)的方式，針對所使用的具體的掃描背景，確定一個灰度閾值t，然后將灰度圖像中灰度級不低于t的像素點(diǎn)置為1，即
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像的、針對具有較長葉柄的軸對稱植物葉片的中軸檢測及葉面長度測量的方法，包括以下步驟: 1.利用掃描儀采集所摘取的長葉柄軸對稱葉片的圖像I;記錄掃描時的物理分辨率S，以點(diǎn)/英寸(dpi)為單位； ?.對葉片圖像I，利用固定閾值進(jìn)行二值化，得到二值圖像B;閾值通過實(shí)驗(yàn)方式獲得;
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第i步中的葉片圖像采集方法，其特征在于如下步驟: a.對葉片進(jìn)行一定的平整和清潔，然后利用掃描儀掃描葉片圖像；b.掃描時采用黑色不反光材料(如表面粗糙的黑色紙)作為掃描背景，掃描時應(yīng)使用具有一定重量的物體壓住葉片以保持其平整； C.葉片如果存在明顯的分支(如楓葉等)，則掃描過程中不同分支的葉片部分不得發(fā)生重疊，以免人為造成葉片區(qū)域內(nèi)的孔洞，改變?nèi)~片的形狀； d.掃描得到的圖像保存為256灰度級的灰度圖像； e.記錄下掃描時所采用的分辨率S，以點(diǎn)/英寸(dpi)為單位,如300dpi等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第vi步中的葉柄區(qū)域和葉面區(qū)域提取方法，其特征在于如下步驟: a.利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)二值圖像輪廓提取方法提取葉片圖像L的反色圖像Lmv的8-連通輪廓； b.利用半徑為r的數(shù)字圓盤形結(jié)構(gòu)元素^。對Cumv進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹操作，得到Cuerode ;r可如下確定:求出Cuev中所有不同白色點(diǎn)對中兩點(diǎn)之間的距離，然后找到這些距離中最大的一個，設(shè)為d ;然后取
r= β d 式中，β是一個預(yù)設(shè)的常數(shù)，一般的取值可在0.01~0.05之間； c.求出
Cl，erode
和Lmv的或運(yùn)算圖像Lerode, rev，

然后取





Lerode, rev

的反色圖像Lerode， 并用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)二值圖像輪廓提取方法提取Lmxte的8-連通輪廓Cmxte ； d.再次利用Bip對Cmxte進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹操作，然后求取結(jié)果圖像和的Lmxte或運(yùn)算圖像Ltjpm ； e.將L_n和L進(jìn)行異或運(yùn)算，得到R1，然后利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的連通域標(biāo)記算法找出R1中的各個連通區(qū)域，保留其中面積最大者作為葉柄區(qū)域P ; f.將P和L進(jìn)行異或運(yùn)算，得到R2，然后利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的連通域標(biāo)記算法找出R2中的各個連通區(qū)域，保留其中面積最大者作為葉面區(qū)域F。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第ix步中的骨架標(biāo)記和骨架單元鄰接矩陣的獲取方法，其特征在于: a.利用m-鄰接性來定義骨架K中不同骨架點(diǎn)之間的連通性，然后根據(jù)m-鄰居映射圖Nm將骨架點(diǎn)分為不同類型的連通單元或骨架單元:由Nm元素值等于I或2的骨架點(diǎn)組成的m-連通骨架部分稱為骨架的分支，由Nm元素值不小于3的骨架點(diǎn)組成的m-連通骨架部分稱為骨架的分叉塊；利用圖搜索的方法將K中的各個骨架單元進(jìn)行標(biāo)號，標(biāo)號為由I開始的連續(xù)正整數(shù)； b.考察各個骨架單元之間的m-鄰接性來構(gòu)造骨架單元的鄰接矩陣Ak;骨架單元之間的m-鄰接性定義如下:如果對于兩個骨架單元A和B，至少存在一個A中的點(diǎn)P和一個B中的點(diǎn)q，使得P和q為m-鄰接,那么A和B這兩個骨架單元便是m_鄰接的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第X步中的葉面區(qū)域重構(gòu)和骨架擴(kuò)展方法，其特征在于: a.利用距離變換找出未落在葉面區(qū)域邊緣、需要進(jìn)行擴(kuò)展的骨架端點(diǎn)； b.對每個需要進(jìn)行擴(kuò)展的骨架端點(diǎn)，找到它所對應(yīng)的葉面區(qū)域邊緣圓弧；如果有多條這樣的圓弧，則取其中最長者； c.找到圓弧和位于圓心處的骨架端點(diǎn)構(gòu)成的角的角平分線與圓弧的交點(diǎn)，用直線段將骨架端點(diǎn)與該交點(diǎn)連接起來，即完成了骨架擴(kuò)展；擴(kuò)展的骨架部分與對應(yīng)的骨架端點(diǎn)同屬一個骨架單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第xii步中的中軸檢測方法，其特征在于: a.對每條骨架路徑a，利用a將葉面分裂為至少兩個區(qū)域部分；找到這些區(qū)域中面積最大的兩個，然后求出較小面積與較大面積的比值；該比值不低于某個用戶給定的等面積閾值ta的話，則對應(yīng)的路徑a將作為中軸的候選者保留，否則直接排除；這一判斷中軸的準(zhǔn)則稱為等面積準(zhǔn)則； b.對于候選中軸路徑a，找到它的落在葉面區(qū)域邊緣的終點(diǎn)，并計(jì)算該終點(diǎn)處的葉面區(qū)域邊緣的曲率；在所有候選中軸路徑中找到該曲率為最大者，即為所得到的葉面中軸affled ;這一判斷中軸的準(zhǔn)則稱為最大曲率準(zhǔn)則。
【文檔編號】G06F17/50GK103632148SQ201310683599
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】郭斯羽, 周樂前, 王耀南, 溫和, 滕召勝, 黎福海, 張翌, 孟志強(qiáng), 劉波峰, 唐求, 唐璐 申請人:湖南大學(xué)