本科毕业设计论文基于photoshop图像处理的番茄叶面积测量Word格式.docx

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3.2测量原理4

3.3图像处理过程4

3.4计算叶面积面积的实现过程5

3.4.1获取图像5

3.4.2图像预处理5

3.4.3二值化图像8

3.4.4边缘提取9

3.4.5计算叶面积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Photoshop软件，寻找一种简便、快速、准确测算作物叶面积的方法。

2.1传统的测量方法

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。

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Photoshop软件的叶面积测量方法。

2.2 

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JPG、BMP、TIFF、GIF等。

2.3基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（JPG）的图像文件，采用AdobePhotoshop图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Photoshop软件的叶面积测定方法

3.1photoshop简介

photoshop是Adobe公司旗下最为出名的图像处理软件之一。

多数人对于Photoshop的PhotoshopCS3操作界面了解仅限于“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，Photoshop的应用领域很广泛的，在图像、图形、文字、视频、出版各方面都有涉及。

Photoshop功能特色从功能上看，Photoshop可分为图像编辑、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。

photoshop提供的绘图工具让外来图像与创意很好地融合，成为可能使图像的合成天衣无缝。

校色调色是photoshop中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photoshop中主要由滤镜、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photoshop特效完成。

而各种特效字的制作更是很多美术设计师热衷于photoshop的研究的原因。

目前最新版本AdobePhotoshopCS4除了包含AdobePhotoshopCS3的所有功能外，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。

3.2测量原理

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：

（1）

其中S代表叶片的面积，S0代表参照物的实际面积，n1代表叶片的像素个数，n0代表参照物的像素个数。

3.3图像处理过程

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RGB图像通过调整阈值转换为二值图像，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

Fig.1FigLeafareaof​​process

3.4计算叶面积面积的实现过程

3.4.1获取图像

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photoshop软件，并且可以稳定快速的运行photoshop软件。

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。

3.4.2图像预处理

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Ctrl和+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

Fig.2Afterthepicturetoenlarge

2）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

Fig.3QuickSelectiontoolwiththebladetrapping

3）按住Alt对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

Fig.4Leavesaftertreatment

这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）Beforetreatmentb）Treatment

处理前计算面积为S=535mm2；

处理后计算面积为S=582mm2

通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。

3.4.3二值化图像

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

Fig.5Binaryimage

图6调整阈值色阶

Fig.6ThresholdLevelAdjustment

阈值色阶：

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。

3.4.4边缘提取

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

Fig.7Quickselectiontoolaftertheleavessurroundingabinary

快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。

3.4.5计算叶面积

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n

=340970。

如图8直方图

Fig.8Histogram

直方图也叫柱状图，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÷

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，Photoshop利用图片的缩小版本来进行计算并显示。

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n

=58613。

图9用快速选取工具圈住参照物图10直方图

Fig.9Surroundingareferencewithquickselectiontoolfig.10Histogram

通过测量原理公式

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Matlab图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Matlab图像处理法测量，还是有很高的精确度。

由测量结果可以看出，用Photoshop图像处理求得的叶面积与Matlab图像处理法求得的结果很相近，通过对8片番茄叶片用Photoshop图像处理和Matlab图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。

表1Photoshop图像法叶面积测量及Matlab图像法叶面积测量结果对比

Tab.1PhotoshopimagesLafayetteareameasurementmethodandMatlabimage

contrastmeasurementsofleafarea

番茄叶编号番茄叶像素个数参照物像素个数番茄叶面积（cm2）

Matlab图像法

番茄叶面积（cm2）

相对误差（%）

15855721213374.8264.8090.35

2283379674764.1954.1291.59

3328987772844.2734.1622.66

4340970586135.8175.849-0.55

5297224616714.8214.880-1.20

6271017842953.2183.2090.28

7504770840925.9965.9331.06

87712281062597.2587.289-0.42

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。

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20-25．

致谢

弹指一挥间，四年的大学生涯已至尾声，掩卷深思，感慨万千。

春华秋实，寒暑两易，仿佛不经意间，我的大学生涯就结束了。

四年来，给我帮助的人太多太多，令我感动的时刻数不胜数，岁月的脚步依然匆匆，我会把每一份关怀，每一份勉励都铭记、珍藏，把它们存贮在我记忆宝库中最重要的位置。

首先，感谢我的导师老师。

感谢韩老师在我的学习生活中给予的关怀和帮助。

韩