绿色叶片面积测量方法与软件开发

谭序光 谭黎光 杨绍锷 张庆民

（1.广西工商职业技术学院，广西 南宁 530008；2.中国移动通信集团广西有限公司，广西 南宁 530035；3.广西壮族自治区农业科学院农业科技信息研究所，广西 南宁 530007）

叶片面积作为叶片性状的关键指标之一，经常被用于遗传育种［1，2］、作物栽培［3，4］、植物生态［5，6］等众多领域的研究。叶面积测量常用的方法有叶面积仪测量法［7］、方格纸法［8］、称重法［9］、回归方程法［10］、图像处理法［11］等。叶面积仪测量法精度高，对单张叶片测量速度快，但由于仪器价格昂贵，维护维修成本较高，限制了该方法的应用推广；方格纸法同样具有较高的精度，但其操作耗时费工，测量速度慢；称重法操作烦琐，对叶片边缘形状有要求，测量误差相对较大；回归方程法适用于特定的植物品种类型，精度相对较低；图像处理法适用范围广，使用方便，成本低，速度快，精度高，近年来备受关注，学者们已研究开发了多种基于数码图像的叶片面积测量方法及软件系统［12］。但当前已有的测量软件系统对图像制作要求较高，需要操作人员具备一定的技术储备，且对多张图像处理需要重复操作，测量速度仍有较大提升空间。本文探讨图像处理法，利用日常的办公设备和数码相机制作叶片测量图像，减轻图像制作难度和工作量；同时利用自主设计开发的测量软件单张或批量计算叶片面积，解决当前已有软件只能单张测量的问题。

1 材料与方法

1.1 图像背景板制作

制作一个图片拍摄背景板，该背景板的主要颜色为白色，在背景板上有长方形红色方块，通过测量长宽计算得到红色方块的实际面积，该红色方块即可作为计算叶片面积的比对标尺。本次试验中，采用以下方式制作背景板：在空白WORD文档中输入连续十个“田”字，设置为宋体五号字，字体颜色为红色，并将字符背景设为红色，采用A4白纸打印，在白纸上出现3.7 cm×0.5 cm=1.85 cm2的红色方块，此张印有红色方块的白纸即为此次试验的图片拍摄背景板。

1.2 叶片图片拍摄

将需要测量面积的绿色叶片平铺在拍摄背景板上，叶片不能遮挡标尺，采用数码相机垂直向下拍摄彩色图片，拍摄范围内只允许出现叶片、标尺和白色背景。拍摄时以叶片为相机镜头对焦点，且需确保拍摄环境光线充足，避免除白色光线外的其他颜色的光线进入图片范围，避免图片中出现阴影；通常使用相机自动拍照模式，白平衡、曝光值均采用自动调节模式，并设置数码相机闪光灯为关闭状态，可拍摄到效果较好的图片。

此次试验中，为了检验该测量方法在不同性能相机上的可行性，分别采用了佳能数码相机550D和华为手机V8进行叶片图片拍摄。550D相机有效像素为1800万，V8摄像头有效像素是1200万，图片拍摄效果均较好，可满足叶片图片制作要求。制作效果图如图1所示。

图1 叶片图片示例图

1.3 叶片面积计算方法

使用图像处理软件获取彩色图像中的红（R）、绿（G）、蓝（B）三个颜色通道色值，通过色值来判断图片中属于叶片和标尺的像素，统计叶片和标尺的像素个数，由于标尺的真实面积已测量获知，因此可根据两者的数量比例关系计算得到叶片的实际面积。在此次试验中，根据色值判断标尺的具体方法如下：R＞50且R/G＞2.0；判断叶片的具体方法如下：G/B＞1.05；叶片面积的计算方法如下：AL=AS×NL/NS。其中R是红通道色值，G是绿通道色值，B是蓝通道色值，AL是叶片面积，AS是标尺面积，NL是叶片像素个数，NS是标尺像素个数。

判断标尺时，根据红色区域中R色值较高，而R色值与G色值相差较大的特点，首先以R色值大于50为基础，增加R/G＞2.0条件设定，同时符合这两个条件的像素则判定为属于红色标尺的区域。判断叶片时，根据绿色区域中G色值高于B色值且较为接近的特点，设置判断条件G/B＞1.05，符合该条件的像素判定为绿色叶片区域。经过处理后图像的识别结果如图2所示，其中红色区域为标尺，绿色区域为叶片。

图2 叶片识别结果示例图

1.4 叶片面积测量软件设计开发

IDL是一种数据分析和图像化应用程序及编程语言，是美国Exelis Visual Information Solutions公司的旗舰产品，集开放性、高维分析能力、科学计算能力、实用性和可视化分析为一体，可以在多种硬件平台上运行，支持与C、C++连接以及数据库ODBC接口标准，具有较好的可移植性，内置的数学库函数大大减轻算法开发工作，被广泛应用于图像数据处理领域。本次试验采用IDL语言进行图片RGB色值读取，编写代码程序进行色值比较计算和像素个数统计，输出叶片面积计算结果，并编译成可执行应用软件。

根据实际应用需求，采用IDL语言开发了单张图片计算和多张图片批处理计算两种模式软件。单张图片计算的软件界面如图3所示，点击“图片选择”按键可打开文件选择对话框选取需测量面积的图片，或在“图片路径”框中手动输入文件绝对路径，文件要求为JPG格式；在“红色标尺面积”框中输入已知的标尺面积；选定“保存叶片识别结果图”选项可激活“保存到：”按键，通过文件选择对话框或手动输入保存路径，叶片识别结果示例图（如图2）将被保存为指定的文件，文件格式为JPG；点击“计算”按键，右边图片显示框中自动变成图片识别结果图，同时叶片面积计算结果将显示在“叶片面积”文本框中，计算结果单位为平方厘米。

图3 单张图片计算软件界面

研究工作中通常需要对多张叶片进行测量，对图片批量处理的需求较高。因此，在单张叶片处理的算法基础上，研发了多张图片批处理软件，软件界面如图4所示。批处理软件要求图片中红色标尺的面积一致，图片为JPG格式，且保存在同一个文件夹中。点击“选择文件夹”按键选定图片存放目录；在“红色标尺面积”框中输入已知的标尺面积；通过点击“保存到：”按键或手动输入选取计算结果输出的文件，输出文件格式为TXT文本；点击“计算”按键，指定文件夹中所有JPG图片的文件名及相应叶片面积计算结果都将输出在指定的TXT文件中。

图4 多张图片批处理计算软件界面

2 结果与分析

为了验证该方法的可靠性和精度，分别对20张不同面积的绿色叶片进行拍摄测量，同时采用方格坐标纸手绘叶片轮廓的方法，统计轮廓内的方格个数，得到叶片的真实面积，与数码图片测量的面积进行比对分析。测试叶片中最大面积为103.66 cm2，最小面积为15.74 cm2。

两种相机数码图片的面积测量结果及误差分析结果如表1所示。V8手机测量的绝对误差最大值为-3.15 cm2，最小值为0.08 cm2，平均值为-1.08 cm2；相对误差最大值为-4.45%，最小值为0.17%，平均值为-2.22%。550D相机测量的绝对误差最大值为2.79 cm2，最小值为-0.17 cm2，平均值为0.94 cm2；相对误差最大值为3.42%，最小值为0.69%，平均值为1.77%。总体来看，两个相机的测量结果误差均较小，相对误差最大值和平均值均在5%以内，取得较好的测量结果。进一步对两个相机的测量结果与实测面积进行T检验分析，检验结果值分别为0.88和0.90，P值远大于0.05，说明估测面积与实测面积不存在显著差异。误差分析结果和T检验结果均显示两个相机的测量结果都具备较高的测量精度，说明采用该方法进行叶片面积测量切实可行且精度较高。

表1 数码图片测量叶片面积结果精度分析

同时还注意到，550D相机的绝对误差和相对误差平均值均小于V8手机，表现出了更好的测量精度。出现此情况的原因可能是550D相机是单反数码相机，相比于V8手机摄像头性能更优，像素更高，图片拍摄效果更好，识别叶片和标尺时更准确，从而能达到更高的测量精度。由此可见制作数码图片的相机性能对面积估测的精度有一定的影响，应尽量选择性能优越的单反相机进行拍摄。

3 讨论与结论

本文探讨了一种利用日常办公设备进行绿色叶片面积快速测量的方法，方便快捷且成本低。为了减少图像变形造成的测量误差，学者们采用线性映射对图像进行几何校正［13］，而在本次试验中并未进行图像几何校正，得到的相对误差与之相似，测量精度仍较高，可见几何校正对测量精度影响有限，在尽量保持垂直角度拍摄图片的前提下，可满足叶片面积测量精度要求。出现此现象的原因可能是拍摄距离较近，图像变形范围较小；同时数码相机成像技术进步也减少了图像的几何畸变，误差分析结果也显示性能更优的单反相机测量精度更高于手机镜头。叶片和标尺的识别是基于各自的颜色特征，根据图像中RGB色值进行判断，因此该方法仅限应用于绿色叶片的面积测量；识别方法中设置的判断阈值，是对多幅不同光线条件下的图像进行试验后确定的经验值，阈值设置如何能更合理，还需要进行更多的研究总结；由于识别条件简单，计算速度快，在多图像批处理中更具优势；为了避免外部光线的影响，在拍摄制作图像时，应避免绿色或红色的光线进入图像范围内，日常使用的白炽灯或太阳光照下不影响本方法的实施。

根据华为V8手机和佳能550D相机对20张叶片的测量结果分析，本文采用的叶片面积测量方法相对误差平均低于3%，T检验结果显示与坐标纸手绘轮廓获取的真实叶片面积不存在显著差异，表明该方法测量面积精度较高。基于该方法开发的图像处理软件可进行单张计算或多张批处理，操作简单，运行速度快。总体来看，本文探讨的方法切实可行，且方便、快捷、成本低，在叶片面积测量上具有较大的应用潜力。