基于黑白掃描圖像的葉面積測量方法

譚序光 譚黎光 楊紹鍔

（1.廣西工商職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530008；2.中國移動通信集團廣西有限公司，廣西 南寧 530035；3.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)科技信息研究所，廣西 南寧 530007）

葉片是植物光合作用和物質生產(chǎn)的主要器官，也是植物蒸騰作用并與大氣環(huán)境水氣交換的重要器官，直接影響植物的基本行為和功能［1，2］，葉片的性狀特征是評價植物生長狀況的重要因素［3，4］，經(jīng)常被用于遺傳育種［5-7］、作物栽培［8，9］、植物生態(tài)［10，11］等眾多領域的研究，而葉片面積作為葉片性狀特征的關鍵指標之一，準確測量葉片面積是開展相關領域研究的基本要求。鑒于葉片形狀不規(guī)則的特點，學者們設計了多種葉片面積測量方法。葉面積儀測量法［12，13］是較常用的方法，其測量簡單直觀，精度高，速度快，既可進行田間無損傷測量，也可采樣后在室內(nèi)測量，但由于儀器價格昂貴，維護維修成本較高，限制了該方法的推廣應用。方格紙法［14，15］和稱重法［16］是傳統(tǒng)的葉片面積測量方法，其中方格紙法需要人工手動將葉片輪廓描繪在標準方格紙上，然后統(tǒng)計輪廓內(nèi)的方格數(shù)量即可獲得葉片面積；稱重法也稱為剪紙稱重法，是對方格紙法的一種改進方法，在標準方格紙描繪葉片輪廓的基礎上，沿著輪廓線剪下，得到葉片紙模，使用電子分析天平稱紙模的重量以及標準方格紙的單位面積重量，通過兩者重量比例關系換算得到葉片面積。這兩種方法操作簡單，精度較高，但要求測量者進行精細操作，耗時較長，葉片邊緣形狀復雜時易出現(xiàn)較大誤差，受人為因素干擾較大，難以開展大批量測定?；貧w系數(shù)法［17，18］又稱直尺法，首先需要根據(jù)已知的葉片長寬和葉片面積建立經(jīng)驗公式或長寬積乘系數(shù)，進而通過測量葉片的長寬計算得到葉片面積。該方法簡單易行，成本低，可在田間不損傷植物的情況下測量，但由于不同作物品種或植株不同部位之間差異較大，造成其通用性較差，精度相對較低，不適用于普遍的植物葉片面積測量。圖像處理法是當前備受關注的葉面積測量方法［19，20］，通過制作葉片數(shù)碼圖像，利用圖像處理軟件計算圖像中葉片的像素個數(shù)，并根據(jù)單個像素的真實面積計算得到葉片面積。早期學者們采用軟件（Photoshop、AutoCAD等）繪圖工具手動描繪圖像中的葉片輪廓，利用軟件內(nèi)設的統(tǒng)計查詢功能得到葉片面積［21-23］，雖然測量精度較高，但是操作過程仍較繁瑣，難以應用于大量樣本的葉片測量。近年來學者們利用編程軟件（Matlab、Android等）開發(fā)葉片面積測量系統(tǒng)［24-26］，自動執(zhí)行圖像讀取、葉片識別、面積計算等步驟，簡化了面積測量流程，大大提高了測量效率。當前此類基于數(shù)碼圖像的葉片面積測量方法大多需要進行圖像幾何校正，因而需要預先制作帶有標記點的圖像采集模板，且每次測量均需手動確定標記點，尚未能實現(xiàn)完全的自動測量，測量速率仍有較大提升空間。本文探討一種利用日常辦公使用的掃描儀制作葉片圖像的葉面積測量方法，免去采集模板制作和圖像幾何校正的步驟，簡化圖像計算過程，減輕測量工作量；同時采用IDL語言設計開發(fā)單張和批量計算葉片面積軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)測量過程無人工干預的自動計算，解決大量樣本快速準確測量的問題。

1 方法與原理

葉片測量的總體思路是利用平板掃描儀的掃描成像大小與掃描稿臺尺寸成等比的關系，已知的掃描稿臺尺寸，根據(jù)掃描成像中葉片像素個數(shù)與圖像總像素數(shù)的比例關系，計算獲取葉片面積。具體計算公式為：葉片面積=稿臺長度×稿臺寬度×葉片像素個數(shù)/圖像總像素數(shù)。為了完成葉片面積的計算，首先需要通過平板掃描儀制作葉片黑白圖像，然后利用圖像處理軟件讀取圖像并統(tǒng)計圖像總像素以及葉片像素，并最終計算得到葉片面積。

1.1 葉片數(shù)碼圖像制作

利用日常辦公中使用的文件掃描儀進行葉片數(shù)碼圖像的制作，將需要測量面積的葉片平鋪放置在掃描儀玻璃稿臺上，合上掃描儀機蓋；在掃描程序中設置掃描顏色格式為黑白，文件類型為TIF文件，為了獲得最優(yōu)的圖像效果和最高的測量精度，分辨率選取掃描儀的最大分辨率；進行掃描保存文件即可制作完成一張葉片的數(shù)碼圖像。葉片掃描圖像示例圖如圖1所示。掃描時需盡量將機蓋壓緊，以防止掃描光線泄露或受外部光源干擾，造成圖像中出現(xiàn)多余黑斑。

圖1 葉片掃描圖像示例圖

經(jīng)過上述步驟制作得到的TIF文件是一張只有黑白兩種顏色的二值圖像，其中被葉片遮擋的區(qū)域被掃描成黑色，其余未被遮擋的區(qū)域被掃描成白色，黑色區(qū)域像素值為0，白色區(qū)域像素值為1。葉片與掃描稿臺完全貼合，葉片圖像不存在幾何變形，因此無需進行幾何校正，只需要統(tǒng)計圖像中的像素值為0和1的個數(shù)，通過上述計算公式即可得到葉片面積。

為了分析驗證該掃描儀測量方法的適用性，在此次試驗中采用惠普M227 sdn和奔圖M7109 DW兩個不同品牌型號的掃描儀進行葉片數(shù)碼圖像的掃描制作。兩個設備同為打印/復印/掃描多功能一體機，黑白掃描光學最大分辨率為1200 dpi，掃描稿臺尺寸為216 mm×297 mm。

1.2 葉片面積計算軟件設計

本次試驗中采用IDL語言進行葉片面積計算程序設計開發(fā)。IDL是一種數(shù)據(jù)分析和圖像化應用程序及編程語言，是美國Exelis Visual Information Solutions公司的旗艦產(chǎn)品，集開放性、高維分析能力、科學計算能力、實用性和可視化分析為一體，可以在多種硬件平臺上運行，支持與C、C++連接以及數(shù)據(jù)庫ODBC接口標準，具有較好的可移植性，內(nèi)置的數(shù)學庫函數(shù)大大減輕算法開發(fā)工作，被廣泛應用于圖像數(shù)據(jù)處理領域。根據(jù)實際應用需求，開發(fā)了單張圖片計算和多張圖片批處理計算兩種軟件模式。兩種模式采用相同的圖像讀取方式和葉面積計算公式，面積測量結果一致。涉及的程序主要包括各個按鈕的事件響應、文本框對應數(shù)值的獲取、輸入圖像的讀取、計算結果的顯示及輸出等模塊。

1.2.1 單張葉片面積計算

單圖計算軟件界面如圖2所示，主要包括輸入文件選擇區(qū)域、邊框去除設置區(qū)域、掃描框長寬設置區(qū)域、圖像顯示區(qū)域和計算結果顯示區(qū)域。

圖2 單圖計算軟件界面

點擊“圖片選擇”選取需要計算葉片面積的一張TIF圖片，若圖片選擇成功，則在右邊的圖片框中將顯示所選圖片的等比例縮略圖；或在“圖片路徑”中輸入圖片的路徑，文件名后須有“．tif”后綴；選取的圖片文件必須為TIF格式，否則在點擊“計算”時將出現(xiàn)錯誤提示。

由于葉片通常具有一定的厚度，導致夾板邊緣經(jīng)常出現(xiàn)漏光現(xiàn)象，從而導致掃描圖像四周出現(xiàn)黑色圖斑，若不去除這些黑色區(qū)域將被計算成葉片面積，造成較大的計算誤差，因此軟件中設置了“邊框去除”功能。在“邊框去除”文本框中輸入像素值，程序將在計算時忽略圖像邊緣相應像素值的范圍，相當于把圖像邊緣相應范圍涂成白色。此處程序預設值為100個像素，在使用過程中可根據(jù)圖片實際情況人為調整。

勾選“設置掃描框長寬”選項，可修改“長”、“寬”值。長、寬分別是指用于掃描葉片的掃描儀稿臺的長、寬；不同型號的掃描儀會有所區(qū)別，需根據(jù)實際情況填寫。日常辦公中常用的掃描儀稿臺多為A4幅面，即216 mm×297 mm，因此軟件中預設此數(shù)值為默認值。

點擊“計算”，程序會檢查輸入的文件是否正確；若正確，則圖片中的葉片面積將顯示在“葉片面積”框中，單位為平方厘米；右邊的圖片框中顯示識別結果圖的等比例縮略圖。

1.2.2 多張葉片面積批處理計算

多圖批處理軟件界面如圖3所示。與單圖計算軟件的主要區(qū)別在于輸入?yún)?shù)和輸出結果類型不同，單圖計算時輸入為單個圖像文件，輸出為葉片面積數(shù)值；多圖批處理輸入為圖像存放的文件夾，輸出為TXT文本文件。

圖3 多圖批處理軟件界面

點擊“選擇文件夾”選擇需計算葉片面積圖像所在的文件夾，選擇的路徑將自動填入“圖片路徑”文本框中；程序將識別文件夾中所有的TIF圖片，若所選文件夾中沒有TIF圖片，則程序將出現(xiàn)錯誤提示；若所選文件夾中有多張TIF圖片，則右邊圖片框中將顯示第一張圖片的等比例縮略圖。若在“圖片路徑”文本框中手動輸入圖片文件夾的路徑，則不會檢查輸入路徑下是否有TIF圖片，檢查工作將在點擊“計算”時進行。

“邊框去除”和“設置掃描框長寬”功能與單圖計算程序相同，設置的數(shù)值將應用到批處理過程中對每張圖像的計算。

點擊“保存到：”選擇葉片面積計算結果擬保存的TXT文件，或在文本框中手動輸入。保存的文件只能是TXT格式，若輸入的文件無“．txt”后綴，則程序將自動添加。

點擊“計算”，程序將檢查“圖片路徑”文本框中的路徑下是否有TIF圖片，若無TIF圖片，則程序將終止；檢查“保存到：”文本框中的文件名是否重名，若重名，則提示是否要覆蓋原文件。通過這些檢查后，所選文件夾中的各個TIF圖片的葉片面積計算結果將保存在所選定的TXT文件中。計算過程中，右邊圖片框依次顯示各個圖片的葉片識別結果圖。計算完成后出現(xiàn)“計算完成”提示。

1.3 葉片面積測量及誤差分析

為了驗證該掃描儀測量方法的可靠性和精度，采用多圖批處理方法對20張不同面積的葉片進行測量，同時與葉面積儀測量法和方格紙法的測量結果進行比對驗證。葉面積儀測量法采用的是美國LICOR公司生產(chǎn)的LI-3000 C便攜式葉面積儀，廠商公布的儀器技術指標中，準確度為＜±2%（面積＞50 cm2）；方格紙法是指在最小格子面積為1 mm2的方格紙上描繪葉片輪廓，并統(tǒng)計輪廓內(nèi)的方格個數(shù)，從而得到葉片的面積。以方格紙法測量的葉片面積為真值依據(jù)，分別計算惠普M227 sdn掃描儀、奔圖M7109 DW掃描儀和葉面積儀LI-3000 C測量結果的絕對誤差、相對誤差、平均相對誤差和均方根誤差，同時在EXCEL軟件中進行不同儀器測量面積的單因素方差分析。

2 實驗驗證與結果分析

為了直觀展現(xiàn)不同測量方法的測量結果差異，將方格紙法、惠普M227 sdn掃描儀、奔圖M7109 DW掃描儀和葉面積儀LI-3000 C的測量結果以柱形圖顯示（圖4），其中方格紙法測量的20張葉片中最大面積為86．95 cm2，最小面積為11．41 cm2。從圖上看，不同葉片的各個方法測量結果均較相近，未見有某個方法測量結果明顯偏高或偏低的現(xiàn)象。以方格紙法測量結果為真值依據(jù)，分析其余3種方法的測量誤差，葉片面積測量誤差分析結果見表1。

表1 葉片面積測量誤差分析

圖4 各方法測量的葉片面積

2.1 不同掃描儀測量結果比較分析

在20張葉片面積測量結果中，惠普M227 sdn、奔圖M7109 DW兩個掃描儀測量的最大絕對誤差分別為1．99 cm2、1．94 cm2，均方根誤差（RMSE）分別為0．90 cm2、0．95 cm2；最大相對誤差分別為2．65%、3．41%，平均相對誤差分別為1．06%、1．64%，奔圖M7109 DW掃描儀的測量誤差總體上略高于惠普M227 sdn掃描儀，但兩個掃描儀都表現(xiàn)出了較高的測量精度，RMSE均低于1 cm2，平均相對誤差在2%以內(nèi)，最大相對誤差均不超過4%，滿足傳統(tǒng)測量誤差小于5%的要求。可見不同品牌型號掃描儀雖然測量精度有所區(qū)別，但是能滿足葉面積測量精度要求，說明利用掃描儀進行葉片面積測量的方法可行且精度較高。

2.2 掃描儀與葉面積儀測量結果比較分析

與葉面積儀LI-3000 C測量結果比較，其最大絕對誤差為1．35 cm2，均方根誤差為0．62 cm2；最大相對誤差為-2．11%，平均相對誤差為0．92%，各個誤差指標值均低于兩個掃描儀，表現(xiàn)出更高的測量精度。雖然采用日常辦公使用的掃描儀進行葉面積測量可取得較高精度的測量結果，但是與專業(yè)的葉面積測量儀器相比，測量精度仍有上升空間，在條件允許下，應盡量采用專業(yè)的葉面積儀進行測量，以取得更高準確的測量結果。

2.3 各方法測量結果差異分析

為進一步分析各個測量方法的差異程度，將方格紙法、惠普M227 sdn掃描儀、奔圖M7109 DW掃描儀和葉面積儀LI-3000 C的測量結果分別進行組間單因素方差分析，單因素方差分析結果見表2。總體上看，各個方法測量結果相互之間P-value都遠大于0．05，且F值遠小于F臨界值，說明各個方法的測量結果間不存在顯著差異，掃描儀測量方法可達到方格紙法和葉面積儀測量法的測量效果，各方法可進行替代使用。在各個組間分析中，惠普M227 sdn與奔圖M7109 DW的檢驗統(tǒng)計量F值僅為0．00008，是各個組間比較的最小值，表現(xiàn)出這兩組數(shù)據(jù)最為接近，說明這兩個不同品牌型號的掃描儀對葉片面積測量的結果最為一致，不同掃描儀間不存在顯著差異。雖然上述誤差分析顯示LI-3000 C葉面積儀測量精度略高于惠普M227 sdn掃描儀和奔圖M7109 DW掃描儀，但是方差分析結果顯示兩者測量結果不存在顯著差異，因此在不具備葉面積儀測量的情況下，可使用掃描儀法進行替代測量。

表2 單因素方差分析結果

3 討論與結論

本文探討了一種基于黑白掃描圖像的葉片面積測量方法，由于需要利用掃描儀稿臺的尺寸大小進行面積計算，因此該方法只適用于配備有稿臺的平板式掃描儀，且必須具備黑白掃描功能，同時也限定了本方法只能在室內(nèi)測量。掃描儀稿臺的尺寸限制了其能夠制作的葉片圖像大小，當葉片長寬超出稿臺時，可將葉片裁剪后再進行掃描，或更換更大尺寸的掃描儀進行葉片掃描。理論上掃描儀的成像性能以及稿臺尺寸是否標準都會影響測量結果的精度，從本次研究結果來看，兩個不同品牌型號掃描儀的測量結果差異不明顯，目前的工藝制造水平下國產(chǎn)品牌（奔圖M7109 DW）與國外品牌（惠普M227 sdn）成像性能相近，都能滿足葉面積測量精度要求。

本方法只需使用日常辦公的文件掃描儀進行葉片掃描，同時也利用了掃描稿臺的平面特性，避免了葉片圖像出現(xiàn)幾何變形，無須對圖像進行幾何校正，開發(fā)的測量軟件具備多圖像批處理功能，將圖像輸入設定好的軟件進行計算即可批量獲取葉片面積，大大提升了葉面積測量效率，測量結果與專業(yè)的葉面積儀無顯著差異，無須額外增加儀器設備和經(jīng)費支出，節(jié)約了研究成本。相比傳統(tǒng)的方格紙法、稱重法也明顯省時省力。

在使用葉面積儀測量輕薄、柔軟或細小葉片時，在牽拉葉片進行測量時容易出現(xiàn)折斷或卷縮，操作上有一定困難，面積過小時甚至沒法測量；而采用本方法只需將葉片平鋪到稿臺上，不會引起葉片折斷或卷縮的現(xiàn)象，能很好的解決上述問題，針對此類型的葉片測量具有一定的操作優(yōu)勢；但在測量長條形葉片（比如甘蔗葉）時，葉面積儀只需一次測量即可完成，本方法則需要將葉片裁剪后才能進行掃描測量，操作上葉面積儀更簡便。

根據(jù)對20張葉片面積測量結果分析表明，采用掃描儀進行葉片黑白圖像掃描，然后統(tǒng)計圖像葉片像素并計算葉片面積的方法能取得較高的測量精度，測量結果與葉面積儀法和方格紙法無顯著差異，說明該方法切實可行?；谠摲椒ㄩ_發(fā)的圖像處理軟件具備多葉片批處理功能，操作簡單，計算過程無需人為干預，運行速度快，可實現(xiàn)大量葉片樣本的快速測量，相比傳統(tǒng)的方格紙法更省時省力，本方法具有方便快捷、成本低、精度高的應用潛力。