植物生理信息计算机视觉检测系统研究

摘要

植物生理参数如植物茎秆直径，叶片面积，叶片倾角，叶片尖端位置的连续监测对于研究植物的生理生态学具有重要的意义。现有的植物生理生态测量仪器大多还基于机械和物理传感器。如果在生理参数测量方面方面引入视觉测量技术，将可以实现以前一些无法量化的生理量的测量(如叶片面积生长过程的连续监控，叶片尖端运动的跟踪)。视觉测量技术在植物生理生态学尤其是植物外形参数的测量中有着传统方法无可比拟的优势。本文的工作主要分为三部分：
　　 ⑴在植物茎秆直径测量方面：尝试了嵌入式智能相机在植物生理参数测量中的应用，基于Vision Components公司的VC-4472智能相机开发了植物茎秆直径测量系统，设计实现了图像测量系统的硬件(包括光学，机械部分)，在嵌入式实时操作系统VCRT5.0上开发了针对茎秆直径测量的嵌入式图像测量软件实现了图像获取，茎秆直径测量，数据定时记录与存储，网络通信等功能。并在温室环境中进行了试验，获取了有效的茎秆直径数据。
　　 ⑵在叶片面积测量方面：研究了在单摄像机条件下的植物单个平面叶片面积测量方法。提出差分光源实现了自然光照条件下的叶片前景提取，提出用图像的纹理信息来计算叶片的姿态，解决了单摄像机条件下叶片姿态位置测量的问题。
　　 ⑶在叶片倾角与叶片尖端位置测量方面：将camshift(Continuously AdaptiveMean-Shift)算法和harris角点算法应用于叶片倾角与叶片尖端位置的测量，利用PC机和USB摄像头组建了图像测量系统，使用VC++6.0和Opencv开发了基于计算机的植物叶片倾角跟踪与叶片尖端位置跟踪软件系统，实现了自动测量，跟踪，数据记录等功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景与研究意义

1.2国内外研究现状与发展趋势

1.2.1 国内外生理信息采集系统简介

1.2.2植物生理信息检测中的视觉测量技术概况

1.3研究内容与论文组织安排

第2章硬件设计相关背景和实验条件

2.1 相关背景

2.1.1视觉测量技术概述

2.1.2摄像机成像原理

2.1.3镜头与曝光时间的控制

2.1.4物体表面光照反射模型反射模型

2.2现有的实验条件

2.3本文的主要技术路线

2.3.1硬件方面

2.3.2 软件方面

2.3.3 算法方面

第3章茎秆测量系统的研究

3.1茎秆测量系统的机械方案设计论证

3.2茎秆测量中的边缘检测算法研究

3.2.1 图像中的边缘检测问题概述

3.2.2边缘检测算法的性能-信号的空间定位能力

3.2.3多尺度边缘检测方法

3.3智能相机的软件系统开发

3.3.1智能相机与硬件相关的资源

3.3.2智能相机的软件资源

3.3.3茎秆测量系统的软件实现

3.4茎秆测量系统的调试运行

3.5本章小结

第4章 叶片面积测量系统的研究

4.1 叶片面积测量系统的机械结构设计

4.2叶片面积测量中的算法研究

4.2.1叶片姿态定位

4.2.2差分光源和前景背景分离方法

4.2.3单个叶片的边界提取

4.2.4面积计算方法

4.3本章小结

第5章 叶片倾角与叶片尖端跟踪测量系统研究

5.1 叶片倾角与叶片尖端跟踪测量系统硬件平台与安放方式

5.2基于Camshift算法的叶片倾角跟踪测量算法

5.2.1 camshift简介

5.2.2 目标取样与颜色预处理

5.2.3 Mean Shift算法

5.2.4 Camshift运动目标跟踪

5.3 基于Harris角点特征与卡尔曼滤波的叶片角点跟踪算法

5.3.1角点探测器简介

5.3.2基于卡尔曼滤波器的角点跟踪算法

5.4基于opencv的叶片倾角测量系统软件开发

5.4.1 OpenCV简介

5.4.2 叶片倾角测量系统的OpenCV实现

5.4.3叶片尖端运动跟踪测量系统的OpenCV实现

5.5 叶片倾角测量系统的调试运行

5.6叶片尖端跟踪测量系统的调试运行

5.7本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2植物生理参数计算机视觉检测系统的展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果