基于WM系統(tǒng)的田間植物病害圖像分析儀的開發(fā)

黃華盛，劉富昌，鐘曉樂，鄧繼忠，黎偉燒

(華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東廣州 510642)

植物病害的田間調(diào)查是了解植物病害發(fā)生的重要工作，能夠為研究并認識植病發(fā)生的規(guī)律、進而進行植物檢疫、植病防治及預測提供重要的第一手資料。傳統(tǒng)的植物病害田間專題調(diào)查的方式是在田間選取多個代表性的地塊，選點和取樣，通過分析植株或器官的受害程度，如葉片上病斑面積的百分比來估計植病的嚴重度。這種調(diào)查方法抽樣量非常大，對植病嚴重度的分級常采用鉛絲框、級片框或者人工估計，由此則導致植病的分級程度不準確、調(diào)查人員的工作量大，而且為保證數(shù)據(jù)誤差不至于太大，在人工估計中，應盡可能由同一個調(diào)查員評估數(shù)據(jù)，否則會造成不同人員判定尺度不一的問題。因此，在田間調(diào)查中迫切需要一種能對植病嚴重度進行精確測量且便于攜帶的儀器。圖像分析技術非常適于對田間葉片病斑程度的精確分析，但是基于傳統(tǒng)的CCD攝像機+PC機的圖像采集與分析模式，由于其價格、非便攜性等因素，無法應用于田間調(diào)查的現(xiàn)場分析。由于移動通訊技術的發(fā)展，目前的智能手機功能強大、運算速度不斷提升、價格不斷降低，而且手機搭載開放性的操作平臺，允許非預設軟件的安裝與使用，用戶完全可以自行開發(fā)第三方軟件，利用其拍照功能，對采集的圖像進行現(xiàn)場處理與分析。

以智能手機作為開發(fā)平臺，利用其開放性與便攜性，開發(fā)一個能進行植物圖像采集并進行病害嚴重度識別的分析儀器，不僅有助于解決植物病害田間調(diào)查的準確性問題，提高其分析效率與精度，而且攜帶方便，拓展了智能手機的實用功能。

1 圖像分析儀的軟件開發(fā)

1.1 操作系統(tǒng)選擇

操作系統(tǒng)位于應用程序和硬件平臺之間，可以有效管理復雜的系統(tǒng)資源。智能手機的操作系統(tǒng)較為流行的有Android、Windows Mobile、Symbian等。操作平臺的選擇需要考慮系統(tǒng)的開放性、穩(wěn)定性、應用支持及開發(fā)語言的支持等多個方面。Windows Mobile是微軟為移動終端設備提供的一個開放、標準的多任務操作系統(tǒng)，它將用戶熟悉的Windows體驗擴展到了移動環(huán)境中，廣泛應用于智能手機、個人數(shù)字助理、隨身音樂播放器等移動終端設備，它的內(nèi)核是通用嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE，其模塊化及可伸縮性、實時性能好，通信能力強大，提供了與無線通信相關的系統(tǒng)特性和UI界面風格，針對智能手機和個人數(shù)字助理的特點，提供了系統(tǒng)定制、應用開發(fā)、平臺仿真等一系列工具。考慮系統(tǒng)的開放性及語言支持等因素，選擇操作系統(tǒng)為Windows Mobile 6.1 Professional或以上版本的智能手機作為開發(fā)平臺。

1.2 開發(fā)環(huán)境

該田間植物病害圖像分析儀的軟件采用Visual Studio2008開發(fā)。由于智能手機上的應用程序不能直接在PC機上運行，而必須依靠Visual Studio附帶的智能設備模擬器來完成，因此早期版本的編程軟件如Visual C++6.0并不能完成智能設備程序的設計。同時，市場上的Windows Mobile智能手機一般已普遍使用6.1及以上版本的操作系統(tǒng)，這是一個與運行于PC機上的Visual C++極為相似的工具，就其特點而言，程序執(zhí)行效率高、對系統(tǒng)資源的消耗小。為支持該操作系統(tǒng)，同時方便程序的設計和調(diào)試，選擇使用Visual Studio 2008完成軟件的設計。

1.3 系統(tǒng)功能設計

基于智能手機的田間植物病害圖像分析儀的核心任務是完成葉片圖像采集與病斑面積百分比的分析。圖像分析儀可利用智能手機自帶攝像頭完成圖像的采集。由于在田間采集圖像時，光照的強弱、葉片與病斑顏色及田間背景等復雜多變，會造成圖像葉片區(qū)域與病斑區(qū)域自動分割較為困難。儀器擬采用人機交互方式，依據(jù)采集的圖像，以手寫筆或手指分別在手機屏幕圖像上描繪出葉片區(qū)域與植病病斑區(qū)域的輪廓，通過軟件分析即可獲得葉片區(qū)域與病斑區(qū)域的面積，系統(tǒng)再自動計算出病斑面積占葉片面積的百分比，由此得出植病的程度。交互方式提高了區(qū)域分割的準確性與可靠性，圖像分割將不受光照、葉片與病斑顏色的影響。圖像在保存時，還可將每幅圖像與手機GPS定位信息起來，通過后續(xù)的計算機分析工作，可繪制出病害程度分布的地理信息圖。設計的圖像分析儀工作流程如圖1所示。

圖1 圖像分析儀工作流程

儀器在采集圖像時，可根據(jù)需要進行圖像縮放，保證完整獲取葉片區(qū)域。圖像分析儀開發(fā)了圖像的反相、灰度化、亮度、飽和度及幾何校正等處理功能，以適應田間光強、葉片與病斑顏色的變化，便于用戶更易用人眼分辨圖像的病斑區(qū)域并描繪輪廓。植物葉片面積計算及病害區(qū)域分析方法是:在內(nèi)存中創(chuàng)建一張同原圖像分辨率完全相同的空白圖像，在該空白圖像上勾勒出葉片圖像區(qū)域，再通過像素逐列掃描，計算出葉片的面積;利用相同的原理，在已勾勒葉片圖像上，利用畫筆勾勒出葉片的病害區(qū)域，便可得出葉片病害區(qū)域的面積以及病害程度。如果需要，可利用手機的GPS功能獲取采集地點的位置信息，通過圖片尾部附加法，將GPS定位信息寫入圖像，并附有讀取功能，便于以后進行相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

1.4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

1.4.1 圖像采集

圖像采集包括圖像拍攝與打開兩個環(huán)節(jié)。利用CameraCaptureDialog控件可完成圖像拍攝，使用前可事先設置好拍照的模式和儲存圖像的路徑，然后使用DLGCamera.ShowDialog()==DialogResult.OK判斷是否已經(jīng)拍照。一旦拍照，就返回原界面，并執(zhí)行打開圖像操作。通過OpenFileDialog輔助控件實現(xiàn)打開圖像。通過該語句可以獲取要打開圖像文件的名稱并傳遞給程序，然后以此文件名建立一個bitmap副本，并保存所打開圖像的尺寸等信息。完成上述操作的兩個核心語句為:

showgp=pictureBox1.CreateGraphics();//采用pictureBox顯示showgp里面的圖像。

srcrec = new Rectangle(0，0，img1.Width，img1.Height);//記錄了圖像的高和寬，利用它調(diào)整顯示圖像的位置和大小。

1.4.2 圖像處理

程序提供了圖像二值化、灰度化、亮度、飽和度及反相等幾個可供選擇的處理功能。其方法是讀取圖像中各個像素點的顏色，再對其進行處理，核心語句為:

Color curColor;

curColor=img1.GetPixel(i，j);//獲取某像素點的顏色信息

1.4.3 病斑面積百分比計算

病斑面積百分比是指病斑區(qū)域總面積占整個葉面積的百分比。計算該參數(shù)的關鍵是獲取病斑區(qū)域與葉面區(qū)域的面積。區(qū)域面積的獲取方法是先用手寫筆在屏幕圖像上描繪出區(qū)域的輪廓線，然后計算輪廓線所圍區(qū)域面積。考慮到一般田間葉面圖像中純黑色極少，因此輪廓線選擇黑線表示，便于從圖像中識別其所圍面積。為完全消除圖像背景中純黑色對輪廓線的影響，也可以在描繪輪廓前先適當調(diào)整整幅圖像的亮度，去掉背景的純黑色。

輪廓描繪需要對3個鼠標事件進行處理。

(1)事件1鼠標按下，即手寫筆點擊屏幕。核心語句為:

pictureBox1_MouseDown(object sender，MouseEventArgs e)//鼠標按下事件的處理，激活其他兩個鼠標事件，同時記錄起始坐標。

(2)事件2鼠標移動。核心語句:

private void pictureBox1_MouseMove(object sender，MouseEventArgs e)//鼠標移動事件的處理。

Thread.Sleep();//設置遲延，減少系統(tǒng)占用率，同時獲得一個新的坐標。

newgraphics.DrawLine (p， startPoint.X， start-Point.Y，currentPoint.X，currentPoint.Y);//將新坐標與前一個坐標用黑線連起來。其中，p為線條的顏色，startPoint.X，startPoint.Y為起始坐標，currentPoint.X currentPoint.Y為當前坐標。

(3)事件3鼠標釋放。核心語句:

pictureBox1_MouseUp(object sender，MouseEventArgs e)//鼠標釋放事件的處理。

［微軟中國1］百分比計算采用的是行列掃描的方法。在每一次行掃描中，分別記錄兩次純黑色像素點的坐標，將兩點橫坐標相減，則得到該行中黑線所圍的像素點數(shù)，自上而下逐行掃描則可求出用黑線圍成區(qū)域的面積。用此方法分別求出受害面積總像素點數(shù)S1及葉面總像素點數(shù)S2，則可算出葉面受害情況。

2 系統(tǒng)仿真

田間植物病害圖像分析儀是基于Windows Mobile 6.1 Professional系統(tǒng)開發(fā)的，開發(fā)工具采用 Visual Studio 2008，開發(fā)語言采用C#，仿真平臺為Pocket PC 2003 SE。圖2為圖像分析儀的仿真效果。將開發(fā)的仿真程序下載到智能手機即可應用。該軟件已在多臺智能手機上通過了測試。

圖2 系統(tǒng)仿真效果圖

3 結(jié)束語

基于Windows Mobile系統(tǒng)的田間植物病害圖像分析儀實現(xiàn)了在田間現(xiàn)場對植物病害進行測量的功能，解決了植物病害田間調(diào)查中人工估算的主觀性強與準確性差等問題，系統(tǒng)具有界面友好、操作簡便、測量精度高、便于維護、便于攜帶及成本低廉等特點。該儀器的采用將會大大減輕農(nóng)業(yè)技術人員的工作量，減少人為判斷誤差，提高工作效率，同時也拓展了智能手機的儀器功能。通過后續(xù)工作，還可以將田間病害程度與對應的地理信息融合，形成直觀的田間病害分布圖。

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