專利名稱：基于圖像技術(shù)的人工濕地植物生長(zhǎng)信息提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的人工濕地植物生長(zhǎng)及形態(tài)變化信息提取方 法及程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工濕地植物的“無(wú)損傷式”監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
人工濕地是20世紀(jì)50年代產(chǎn)生，70 80年代發(fā)展起來(lái)的一種抗沖擊負(fù)荷能力 強(qiáng)、系統(tǒng)配置可塑性強(qiáng)、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、生態(tài)效益顯著的新型污水處理技術(shù)。濕地 植物是人工濕地床體重要組成部分之一；對(duì)于人工濕地植物生長(zhǎng)的研究，傳統(tǒng)方法僅停 留在污水處理前后將整株的植物挖出稱干重，或者將其截成根、莖和葉三段測(cè)污染物富 集量。這種方法不能監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)的過(guò)程。
本發(fā)明的目的在于提供這樣一種人工濕地植物生長(zhǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)的方法通過(guò)數(shù)碼 相機(jī)成像，定期對(duì)人工濕地植物進(jìn)行圖像采集；將圖像文件導(dǎo)入程序，顯示在計(jì)算機(jī)屏 幕上，用戶通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的軟件操作獲取圖像中植物輪廓(通過(guò)圖像邊緣識(shí)別實(shí)現(xiàn))及植 株大小(通過(guò)植株投影面積表征)；將同組圖像信息相對(duì)時(shí)間軸表示，可繪制出人工濕地 植物生長(zhǎng)曲線。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的目的通過(guò)以下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)1)圖像采集。采用數(shù)碼相機(jī)，針對(duì)所 研究的人工濕地植物進(jìn)行有背景并參照物式圖像采集，以避開(kāi)背景雜色對(duì)信息提取的影 響，并可盡量減免照相過(guò)程中由于拍攝遠(yuǎn)近、焦距調(diào)節(jié)等因素帶來(lái)的成像縮小比例不一 致問(wèn)題?；脠D像導(dǎo)入及輪廓提取。用操作DIB的Win32API函數(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示帶 有數(shù)據(jù)信息的圖像位圖文件；計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像邊緣檢測(cè)函數(shù)自主識(shí)別得到圖像輪廓圖， 用戶通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊植物輪廓線中的任意一點(diǎn)可將整個(gè)植物輪廓從錯(cuò)綜復(fù)雜的輪廓線中提 取出來(lái)，并將信息列表轉(zhuǎn)化成txt文件輸出。3)植株大小定量。利用照片中參照物對(duì)圖 像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到像素點(diǎn)間長(zhǎng)度換算因子及像素塊面積換算因子；植株大小通過(guò)植 株投影面積表征，植株投影面積通過(guò)圖像中綠色像素?cái)?shù)統(tǒng)計(jì)并結(jié)合像素塊面積換算因子 換算而得。
所述對(duì)人工濕地植物進(jìn)行有背景并參照物式圖像采集采用了這樣的方法 選取尺寸遠(yuǎn)大于植株大小的正紅純色矩形板作背景，矩形板左上角位置水平釘上 15.0cmX 2.0cm純白色參照矩形條，右下角位置垂直釘上lO.OcmX 2.0cm純白色參照矩形 條，圖像采集時(shí)將背景板盡量緊貼近植物，并保持背景板底邊平行于地面，豎邊與地面垂直。
所述植物輪廓提取采用了這樣的方法自主識(shí)別與人機(jī)互動(dòng)相結(jié)合。建立的 CDib位圖操作類庫(kù)中包含各種算法的圖像邊緣檢測(cè)函數(shù)，用戶可選取最合適的函數(shù)命令 計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像邊緣自主識(shí)別；所得圖像輪廓圖包含多條輪廓線及一些不相關(guān)信息，用 戶可以在線提取模式下，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊所需提取的輪廓線中任意一點(diǎn)，軟件從這一點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行迭代搜索將植物輪廓線一次提取出來(lái)。
所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用了這樣的方法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式下，鼠標(biāo)分別點(diǎn)擊水平參照矩 形條/垂直參照矩形條的兩端點(diǎn)，在對(duì)話框中輸入實(shí)際長(zhǎng)度15cm/實(shí)際長(zhǎng)度10cm，得到 電腦屏幕上圖像顯示的水平標(biāo)度/垂直標(biāo)度，即得到像素點(diǎn)間距離的換算因子，像素塊 面積換算因子即為水平標(biāo)度與垂直標(biāo)度的乘積。
所述植株大小定量采用了這樣的方法通過(guò)軟件計(jì)算將圖像的RGB色彩屬性模 式轉(zhuǎn)化為HSV色彩屬性模式，測(cè)試若干像片后選取HSV顏色模式下H分量(色相)在 120°附近即區(qū)間[75°，165° ]中的點(diǎn)為綠色，二重循環(huán)掃描圖像獲得圖像中綠顏色像 素點(diǎn)集，即為植株投影面積像素集；結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換因子將像素塊面積換算為實(shí)際投影面 積。
與現(xiàn)有的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
本發(fā)明針對(duì)在科研及生產(chǎn)實(shí)踐中，人工濕地植物生長(zhǎng)的研究需要將植物連根拔 出或收割地上部分從而破壞人工濕地結(jié)構(gòu)這一實(shí)際情況，結(jié)合數(shù)碼相機(jī)成像，采用計(jì)算 機(jī)圖像技術(shù)，在Visual C++環(huán)境下設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件，使研究者從過(guò)去“要么破壞人工濕 地，要么只研究起點(diǎn)和終點(diǎn)的植物狀況”中解放出來(lái)，解決該問(wèn)題。


下面結(jié)合附圖和并非特定的實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明作更詳盡的說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明所述方法的流程圖。
圖2是HSV色彩屬性圖中本發(fā)明所取綠色區(qū)間所處的位置示意圖。
圖3是對(duì)五組用本發(fā)明所述方法采集的人工濕地植物圖像進(jìn)行信息提取所得的 植物生長(zhǎng)曲線圖。
具體實(shí)施方式
圖像采集與圖像處理是本發(fā)明的兩個(gè)要點(diǎn)，下面將以按上述有背景參照物式方 法采集的人工濕地植物圖像(轉(zhuǎn)化為BMP位圖文件)為例來(lái)對(duì)本發(fā)明做出更詳細(xì)的說(shuō) 明。
在圖像采集部分中，按上述發(fā)明內(nèi)容中所述做好背景及參照物，采用(普通)數(shù) 碼相機(jī)，選取一定的拍攝距離，正對(duì)植株拍攝即可。由于軟件的普適性，對(duì)圖像的尺寸 大小沒(méi)有嚴(yán)格要求，將JEPG格式的圖像文件正確導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中轉(zhuǎn)化為M位位圖格式便 可讀入軟件進(jìn)行處理。
Windows操作系統(tǒng)下有兩大類位圖格式——GDI (Graphics Device Interface,圖形 設(shè)備接口)位圖和DIB (Device-Independent Bitmaps,設(shè)備無(wú)關(guān)位圖)。由于DIB在程序設(shè)計(jì)方面提供許多超越GDI位圖的優(yōu)勢(shì)DIB本身攜帶有自己的顏色信息，使顏色調(diào)配 管理變得更加簡(jiǎn)單；任何運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)均可處理存儲(chǔ)于BMP文件或可 執(zhí)行文件內(nèi)部資源中的DIB;盡管TIFF、GIF或JPEG等格式的圖像文件在轉(zhuǎn)換后也可以 被使用，但卻只有采用DIB格式的文件被Win32API所直接支持；雖然在Win32中允許 在不同進(jìn)程之間通過(guò)傳遞GDI位圖句柄到剪貼板進(jìn)行位圖的傳遞，但在后臺(tái)所進(jìn)行的操 作卻是借助DIB來(lái)完成的——將設(shè)備相關(guān)的GDI位圖轉(zhuǎn)換成一個(gè)DIB，并將此DIB復(fù)制到一段共內(nèi)存，因此，本軟件圖像操作部分的程序?qū)崿F(xiàn)代碼均以DIB作為處理對(duì)象。
在圖像處理部分中，將注意力集中在圖像處理的算法實(shí)現(xiàn)上。封裝Windows系 統(tǒng)提供的一些重要的DIB訪問(wèn)函數(shù)，建立一個(gè)實(shí)現(xiàn)DIB主要操作功能的類CDib，在進(jìn) 行圖像處理編程時(shí)，只需通過(guò)CDib類提供的公有型(public)接口函數(shù)調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn) 與之相關(guān)的功能。由于圖像邊緣識(shí)別功能塊有多種算法，將這些函數(shù)獨(dú)立出來(lái)封裝成 CBianYuanJianCeDib 類。
CDib 類中主要的功能函數(shù)有五個(gè)LoadFileO、SaveFile0、SaveLine0、 HSVO、GetAreaO,分別用于讀取位圖、保存位圖、提取植物邊緣信息、RGB模式轉(zhuǎn)換 為HSV模式以及統(tǒng)計(jì)植物像素面積。CBianYuanJianCeDib類中包含的邊緣識(shí)別函數(shù)有 Gradient O、Laplacian O、Guasslaplacian、Krisch O、Sobel 0、Robert ()及 PreWitt (),分別對(duì)應(yīng)邊緣檢測(cè)的梯度算子、拉普拉斯算子、高斯拉普拉斯算子、克瑞斯算子、卷積 算子、羅伯特算子和普瑞維特算子。
到目前為止，Microsoft —直沒(méi)有將有關(guān)DIB的API函數(shù)封裝進(jìn)MFC，本 軟件封裝到CDib類中的位圖讀寫函數(shù)void LoadFile (const char*dibFileName)禾Π void SaveFile(const CString filename)以及封裝至 CBianYuanJianCeDib 類中的圖像邊緣檢測(cè)函數(shù)，主要參閱參考文獻(xiàn)《VC++圖像處理程序設(shè)計(jì)》(楊淑瑩編著，清華大學(xué)出版社， 2005年1月第2版，ISBN 978-7-81082-450-7)提供的相關(guān)程序代碼。
SaveLineO函數(shù)負(fù)責(zé)從已進(jìn)行邊緣識(shí)別的圖像中，將用戶指定的植物輪廓提取 出來(lái)，并將所提取的輪廓信息以列表形式寫入txt文件中。函數(shù)原型在DIB.H中聲明如 下
int SaveLine (CPoint point)；
軟件在輪廓提取模式(bool型變量bcurve為TRUE)下，用戶通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊所需 提取的輪廓，該鼠標(biāo)單擊事件驅(qū)動(dòng)CPINFOEView類中的OnLButtonDown (UINT nFlags， CPoint point)函數(shù)運(yùn)行，調(diào)用SaveLineO函數(shù)時(shí)OnLButtonDownO函數(shù)中實(shí)參point傳遞 給SaveLine ()函數(shù)的形參point，進(jìn)行定點(diǎn)指定的輪廓一次提取。函數(shù)返回值為int型， 為O表示保存曲線成功；大于O時(shí)表示取點(diǎn)失敗，用戶重新取點(diǎn)；小于O表示取點(diǎn)失敗， 用戶不重新取點(diǎn)。取點(diǎn)成功與否主要取決于用戶在鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)，是否正確點(diǎn)在了輪廓線 上，若偏離輪廓線在函數(shù)允許范圍內(nèi)(3像素偏移量)，程序會(huì)自動(dòng)糾正找到最近的輪廓 點(diǎn)并開(kāi)始一次提取，若偏離超出允許范圍，則程序提示需重新取點(diǎn)。定點(diǎn)輪廓一次提取 功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)程序及注釋如下
權(quán)利要求
1.一種基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的，對(duì)采集的人工濕地植物圖像進(jìn)行處理以提取植物生 長(zhǎng)過(guò)程及形態(tài)變化信息的方法，其特征在于采用數(shù)碼相機(jī)，定期對(duì)人工濕地植物進(jìn)行圖像采集，用戶通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的軟件操作，獲取圖像中植物輪廓及植株大小(植物投影面積表 征)，以及將同組圖像信息相對(duì)時(shí)間軸表示繪制出人工濕地植物生長(zhǎng)曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工濕地植物生長(zhǎng)信息提取方法，其特征在于，所述對(duì)人 工濕地植物進(jìn)行有背景并參照物式圖像采集采用了這樣的方法選取尺寸遠(yuǎn)大于植株大 小的正紅純色矩形板作背景，矩形板左上角位置水平釘上15.0cmX2.0cm(或根據(jù)需要) 純白色參照矩形條，右下角位置垂直釘上10.0cmX2.0cm(或根據(jù)需要)純白色參照矩形 條，圖像采集時(shí)將背景板盡量緊貼近植物，并保持背景板底邊平行于地面，豎邊與地面 垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工濕地植物生長(zhǎng)信息提取方法，其特征在于，所述植物輪 廓提取采用了這樣的方法自主識(shí)別與人機(jī)互動(dòng)相結(jié)合。建立的CDib位圖操作類庫(kù)中 包含各種算法的圖像邊緣檢測(cè)函數(shù)，用戶可選取最合適的函數(shù)命令計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像邊緣 自主識(shí)別；所得圖像輪廓圖包含多條輪廓線及一些不相關(guān)信息，用戶在線提取模式下， 通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊所需提取的輪廓線中任意一點(diǎn)，軟件從這一點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行迭代搜索將植物輪 廓線一次提取出來(lái)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工濕地植物生長(zhǎng)信息提取方法，其特征在于，所述植株 大小定量采用了這樣的方法通過(guò)軟件計(jì)算將圖像的RGB色彩屬性模式轉(zhuǎn)化為HSV色 彩屬性模式，測(cè)試若干像片后選取HSV顏色模式下H分量(色相)在120°附近即區(qū)間 [75°，165° ]中的點(diǎn)為綠色，二重循環(huán)掃描圖像獲得圖像中綠顏色像素點(diǎn)集，即為植株 投影面積像素集；結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換因子將像素塊面積換算為實(shí)際投影面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的人工濕地植物生長(zhǎng)信息提取方法，其特征在于，所述坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換采用了這樣的方法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式下，鼠標(biāo)分別點(diǎn)擊水平參照矩形條/垂直參照矩 形條的兩端點(diǎn)，在對(duì)話框中輸入實(shí)際長(zhǎng)度15cm/實(shí)際長(zhǎng)度10cm，得到電腦屏幕上圖像顯 示的水平標(biāo)度/垂直標(biāo)度，即得到像素點(diǎn)間距離的換算因子，像素塊面積換算因子即為 水平標(biāo)度與垂直標(biāo)度的乘積。
6.根據(jù)從2到5中任一權(quán)利要求所述的人工濕地植物生長(zhǎng)信息提取方法，其特征在于 基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，所述圖形圖像文件為BMP位圖文件。
全文摘要
一種基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的人工濕地植物生長(zhǎng)及形態(tài)變化的信息提取方法。將定期采集的人工濕地植物圖像文件(數(shù)碼照片)導(dǎo)入程序，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，程序?qū)⑵聊蛔鴺?biāo)轉(zhuǎn)換成實(shí)際坐標(biāo)；用戶通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的軟件操作獲取圖像中植物輪廓(通過(guò)圖像邊緣識(shí)別實(shí)現(xiàn))及植株大小(通過(guò)植株投影面積表征)；將同組圖像信息相對(duì)時(shí)間軸表示，可繪制出人工濕地植物生長(zhǎng)曲線。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)合數(shù)碼成像原理，采用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，在Visual C++環(huán)境下設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件，對(duì)人工濕地植物生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)人工濕地植物不造成任何破壞。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102022984SQ20091007043
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者唐婷芳子, 黃歲樑 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)