叶片固定装置及图像采集系统的制作方法

本实用新型涉及一种叶片固定装置，尤其是一种叶片固定装置及图像采集系统，属于农业智能检测领域。

背景技术：

植物叶片是植物进行光合作用合成有机物的重要器官，也是植物进行蒸腾的主要途径。研究植物叶片的各种参数对植物的生长发育、作物产量以及栽培管理等都具有十分重要的意义。叶片面积的大小是衡量植物光合能力的指标之一，叶片面积的变化又是植物发育指标与环境变化指标之一。因此准确测量叶片面积及其变化对掌握植物发育状态、了解植物对环境的响应、确定合理的管理环境模式具有重要的意义。

当前叶片面积测量的方法多样，其中叶片面积仪法和图像测量法使用较多。目前国内外多使用手持式叶片面积仪测量叶片面积，此种叶片面积仪小巧便携，但是测量时需要准确控制叶片从扫描板下拉出的速度，操作麻烦且精度低。而图像处理法多采用平面扫描仪或者俯视照相法获取图像，图像经过计算机处理得到叶片的面积。但是，叶片面积的测量很多时候是在野外开展的，要求能迅速完成以防止叶片脱水收缩造成的误差，有时候甚至需要在活体植株上完成叶片面积的测量，这些条件对人们在野外使用大型、高耗电的测量仪器造成不便，难以完成叶片面积的测量。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种叶片固定装置，该装置通过将上夹板与下底板夹住固定，从而将被测叶片固定，使被测叶片平整，在拍摄叶片图像时不要求图像采集装置的摄像头必须与叶面保持平行，方便用户进行图像采集操作。

本实用新型的另一目的在于提供一种包含上述叶片固定装置的图像采集系统。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

叶片固定装置，包括上夹板、下底板和校正板，所述上夹板为透明板，所述下底板和校正板均为纯色板，校正板的第一表面用于放置被测叶片，校正板的第二表面固定在下底板的上表面，且校正板的颜色不同于被测叶片和下底板的颜色，上夹板可相对下底板打开或闭合。

进一步的，所述装置还包括第一手柄和第二手柄，所述第一手柄与上夹板固定连接，所述第二手柄与下底板固定连接，第一手柄与第二手柄铰接。

进一步的，还包括多个参考物，所述参考物固定在校正板的第一表面，参考物的颜色一致且不同于校正板和被测叶片的颜色。

进一步的，所述参考物的颜色为黑色。

进一步的，所述参考物固定在校正板第一表面的左侧，所述被测叶片放置在校正板第一表面的右侧。

进一步的，所述上夹板为透明的亚克力板。

进一步的，所述下底板为纯黑色板，所述校正板为纯白色板。

本实用新型的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

图像采集系统，包括图像采集装置以及上述的叶片固定装置；

当上夹板相对下夹板闭合后，所述图像采集装置的摄像头透过上夹板朝向下底板，用于采集下底板上表面的图像。

进一步的，所述图像采集装置为移动终端。

进一步的，所述图像采集装置包括相连的相机和计算机。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型的叶片固定装置将校正板固定在下底板的上表面，并使上夹板与下底板夹住固定，从而将被测叶片固定，使被测叶片平整，在拍摄叶片图像时不要求图像采集装置的摄像头必须与叶面保持平行，用户只需要徒手拍摄即可满足图像采集要求，方便用户进行图像采集操作，利用图像采集系统可以对采集后的图像进行处理，从而完成叶片的面积、周长等测量。

2、本实用新型的叶片固定装置还设置了两个手柄，将两个手柄分别与上夹板、下底板固定连接，并且相互之间铰接，通过合住两个手柄，能够方便将上夹板与下底板夹住固定。

3、本实用新型的叶片固定装置设置了多个参考物，可以根据实际情况自动选择与被测叶片像素总数最接近的参考物作为被测叶片的参考物，提高了测量精度。

4、本实用新型的图像采集系统中的图像采集装置可以采用移动终端，在移动终端完成叶片的面积、周长等测量，轻便小巧，操作简单易行，不受电力供应影响，特别适应于野外使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1的叶片固定装置其中一个角度的立体结构图。

图2为本实用新型实施例1的叶片固定装置另一个角度的立体结构图。

图3为本实用新型实施例1的叶片固定装置的主视图。

图4为本实用新型实施例1的叶片固定装置的左视图。

图5为本实用新型实施例1的叶片固定装置的右视图。

图6为本实用新型实施例1的叶片固定装置的俯视图。

图7为本实用新型实施例1的叶片固定装置的仰视图。

图8为本实用新型实施例1的叶片固定装置中校正板固定在下夹板上的结构图。

图9为本实用新型实施例1的图像采集系统结构原理图。

图10为本实用新型实施例1的叶片固定装置中三个参考物和被测叶片在校正板上的示意图。

图11为本实用新型实施例1的叶片面积测量的方法流程图。

其中，1-上夹板，2-下夹板，3-校正板，4-被测叶片，5-第一手柄，6-第二手柄，7-移动终端，8-第一参考物，9-第二参考物，10-第三参考物。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1～图8所示，本实施例提供了一种叶片固定装置，该装置包括上夹板1、下底板2和校正板3，上夹板1可相对下底板2打开或闭合，可见上夹板1和下底板2构成了一个夹具，校正板3的第一表面用于放置被测叶片4，校正板3的第二表面固定在下底板2的上表面。

进一步地，上夹板1为透明板，校正板3的颜色不同于被测叶片4和下底板2的颜色，具体地，上夹板1为透明的亚克力板，下底板2为纯黑色板，校正板3为一块规格为21cm×29.7cm的纯白色矩形薄片。

优选地，该装置还包括第一手柄5和第二手柄6，第一手柄5与上夹板1固定连接，第二手柄6与下底板2固定连接，第一手柄5与第二手柄6铰接，通过合住第一手柄5与第二手柄6，使上夹板1与下底板夹住固定，从而将被测叶片9固定，使被测叶片4平整。

如图9所示，本实施例还提供了一种图像采集系统，该系统包括图像采集装置和上述的叶片固定装置，本实施例的图像采集装置为移动终端7，当上夹板1相对下夹板2闭合后，移动终端7的摄像头透过上夹板1朝向下底板2，用于采集下底板上表面的图像，该图像为包含校正板3、校正板3上的被测叶片4在内的图像,在拍摄叶片图像时不要求移动终端7的摄像头必须与叶面保持平行，用户只需要徒手拍摄即可满足图像采集要求，方便用户进行图像采集操作，利用图像采集系统可以对采集后的图像进行处理，从而完成叶片的面积、周长等测量。

为了提高测量精度，本实施例的叶片固定装置还包括三个参考物，三个参考物分别为第一参考物8、第二参考物9和第三参考物10，如图10所示，三个参考物固定在校正板3的第一表面，本实施例将三个参考物固定在校正板3第一表面的左侧，三个参考物的形状、规则和面积确定，颜色一致且不同于被测叶片4的颜色，具体地，三个参考物均为矩形薄片，面积分别为12cm²、24cm²、42cm²，颜色为黑色，此时下底板上表面的图像为包含校正板3、校正板3上的被测叶片4和三个参考物在内的图像；此外，本实施例将被测叶片4放置在校正板1第一表面的右侧，被测叶片4和三个参考物之间不能重合，在对叶片的面积、周长等测量时，移动终端7可以根据实际情况自动选择与被测叶片4像素总数最接近的参考物作为被测叶片4的参考物。

如图11所示，本实施例以基于移动终端的叶片面积测量方法为例进行说明，该方法包括以下步骤：

S1、获取包含校正板、校正板上的被测叶片和三个参考物在内的第一图像。

本实施例的移动终端以HUAWEI nova手机为硬件平台，以Android 7.0操作系统为软件平台，用户利用该手机徒手拍摄，获得在下底板区域内，包含校正板、校正板上的被测叶片和三个参考物在内的第一图像，拍摄角度任意，但要注意保证校正点、参考物、被测叶片的清晰，可以使用近拍和长焦方式，拍摄完毕后，可以将第一手柄和第二手柄分开，取出被测叶片，拍摄的第一图像可以直接获取，也可以先存储在手机的图库中，然后通过调用的方式获取。

S2、将第一图像分割为背景和校正板两个区域，将第一图像中的校正板进行投影转换，得到第二图像。

具体地，以校正板的四个顶点作为校正点，并根据校正点坐标位置与其在第一图像中的坐标位置间的对应关系为基础进行图像转换，得到第二图像，该第二图像即为校正板的正射图像，该过程为几何校正过程，包括以下步骤：

S201、在第一图像中的校正板上确定与校正点一一对应的变形校正点；其中，所述校正点为校正板上的四个顶点。

S202、建立虚拟校正板，在所述虚拟校正板上确定与变形校正点一一对应的虚拟校正点，并确定各虚拟校正点坐标。

具体地，虚拟校正板是第一图像中校正板的虚拟正投影图形，虚拟校正点与校正点成一一对应关系，各虚拟校正点的坐标已确定；其中，所述校正点与对应的变形校正点、虚拟校正点分别按相同起始位置和相同的方向编号，即校正点与对应的变形校正点、虚拟校正点构成一组校正点，则每一组校正点有相同的编号。

S203、将各变形校正点坐标与对应的虚拟校正点坐标匹配，得到图像变换矩阵。

将第一图像转换为第二图像时，其原理在于：从一个平面到另一个平面的投影转换可以用一个3×3的图像变换矩阵表示，如下方程(1)：

其中，(x,y)是第一图像上的变形校正点坐标，(u,v)是虚拟校正板上的虚拟校正点坐标，A-H是图像变换矩阵中的参数，λ是图像比例尺，其值在求解过程中默认为1。

S204、求解参数A-H的值，将第一图像与所述图像变换矩阵的逆矩阵进行乘积计算，得到第二图像。

假设λ＝1，则方程(1)至少需要四对第一图像与其在第二图像上的对应点的坐标来求解，得到八个线性方程组，从而解出矩阵中的八个未知矩阵参数(A-H)，方程组有解的条件是四个控制点中任意三个不在一条直线上，应用最小二乘法可以得到相应的解，见以下方程(2)：

其中，T是矩阵转置操作符。

求解参数A-H的值，将这些值代入方程(1)，将第一图像与所述图像变换矩阵的逆矩阵进行乘积计算，得到第二图像。

可以理解，本实施例利用校正点作为将第一图像进行正射变换的基础。方法中的校正点分为三部分，一是放置待测叶片的校正板上的校正点，二是校正点拍摄入第一图像后对应的变形校正点，其坐标位置相对于校正点发生了变形，三是位于虚拟校正板上的虚拟校正点，这里的虚拟校正板是指建立在Android程序中的由一组数值所表示的虚拟图形，是第一图像中校正板的虚拟正投影图形，其上的虚拟校正点是虚拟图形上相应的坐标数值，所表示的空间位置与变形校正点呈正射投影关系，每一个校正点对应一个变形校正点和一个虚拟校正点，成为一组校正点，并且有相对应的编号，具体处理步骤为：第一步，在校正板上确定至少四个校正点及其平面坐标，其任意三个校正点不在同一直线上，并将叶片放置在校正板上拍照得到第一图像，拍照时需要拍摄到至少四个不在同一直线上的校正点，由于第一图像中的校正板与实际的校正板相比会发生投影变形，因此校正点的实际坐标位置在第一图像中也会发生变形，成为变形校正点并有新的坐标值；第二步，建立虚拟校正板并确定与第一图像中变形校正点数量相同的虚拟校正点及其坐标；第三步，将第一图像上的变形校正点坐标与虚拟校正板上的虚拟校正点坐标匹配，求解方程(1)中参数A-H的值，代入图像变换矩阵；第四步，将第一图像与图像变换矩阵的逆矩阵进行乘积计算得到校正后的第二图像。

S3、对第二图像进行处理，通过遍历处理后的图像数据，得到校正板的像素总数、每个参考物的像素总数以及被测叶片的像素总数。

对第二图像进行处理，具体为：对第二图像依次进行灰度化、滤波、二值化、形态学处理。

对第二图像进行灰度化，具体为：通过加权平均法将第二图像(该图像为彩色图像)变成灰度图；其中，加权平均法是根据重要性及其它指标，将三个分量以不同的权值进行加权平均，本实施例按下式(3)对RGB三分量进行加权平均能得到较合理的灰度图像：

f(i,j)＝0.30R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j) (3)

对灰度化后的第二图像进行滤波，采用的是高斯滤波，具体为：对第二图像进行加权平均，每个像素点的值，都由该像素点本身和该像素点邻域内的其他像素值经过加权平均后得到。

对滤波后的第二图像进行二值化，采用大津阈值分割法，具体算法包括以下步骤：

A、计算0～255各灰阶对应的像素个数，保存至一个数组中，该数组下标是灰度值，保存内容是当前灰度值对应像素数。

B、计算背景图像的平均灰度、背景图像像素数所占比例。

C、计算前景图像的平均灰度、前景图像像素数所占比例。

D、遍历0～255各灰阶，计算并寻找类间方差极大值。

E、当类间方差取得极大值时，对应的阈值为大津法(OTSU算法)所求的阈值。

处理后的图像分为校正板、第一参考物、第二参考物、第三参考物和被测叶片五个区域，通过遍历五个区域的图像数据，得到校正板的像素总数、每个参考物的像素总数以及被测叶片的像素总数。

S5、选取一个与被测叶片像素总数最接近的参考物作为被测叶片的参考物，根据该参考物的给定面积、该参考物的像素总数以及被测叶片的像素总数，得到被测叶片的面积。

设置三个参考物是为了提高测量精度，在测量过程中，如果设置的参考物较小，单个像素代表的实际尺寸权重就会高，而且参考物的像素点少，参考物换算的误差也就越大，如果设置的参考物较大，单个像素代表的实际尺寸权重就会低，这样换算的误差也大，只有当参考物的像素点和测量叶片的像素点数越接近，误差也就越小；第一参考物、第二参考物、第三参考物分别标记为1、2、3，根据得到的每个参考物的像素总数和被测叶片的像素总数，选取一个与被测叶片像素总数最接近的参考物作为被测叶片的参考物，并根据该参考物的给定面积、该参考物的像素总数以及被测叶片的像素总数，利用下式(4)计算得到被测叶片的面积：

叶片面积＝参考物面积×叶片像素总数/参考物像素总数 (4)

可以理解，本实施例中所述的移动终端还可以为基于iOS平台的手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备。

实施例2：

本实施例的主要特点是：所述图像采集装置还可以为相连的相机和计算机，相机的摄像头采集下底板上表面的图像，将图像传输给计算机进行处理，完成叶片的面积、周长等测量。其余同实施例1。

综上所述，本实用新型的叶片固定装置将校正板固定在下底板的上表面，并使上夹板与下底板夹住固定，从而将被测叶片固定，使被测叶片平整，在拍摄叶片图像时不要求图像采集装置的摄像头必须与叶面保持平行，用户只需要徒手拍摄即可满足图像采集要求，方便用户进行图像采集操作，利用图像采集系统可以对采集后的图像进行处理，从而完成叶片的面积、周长等测量。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。