基于計(jì)算機(jī)視覺的水稻病害診斷

韓尚君

（寶雞市渭濱中學(xué)，陜西寶雞，721000）

0 引言

當(dāng)今國內(nèi)農(nóng)民素質(zhì)普遍不高，所以對(duì)于田間病害的判斷力和解決能力并不是很好，加上我國對(duì)于基層農(nóng)建科研人員的投入不高，導(dǎo)致其人才年年流失，所以，我認(rèn)為及時(shí)的推廣計(jì)算機(jī)技術(shù)和將其與水稻病害的診斷和防治結(jié)合還是一個(gè)重要的研究話題。

當(dāng)前把數(shù)字圖像處理技術(shù)和農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)研究已經(jīng)結(jié)合研究的課題有：種子質(zhì)量的檢測、農(nóng)作物病蟲害判斷、農(nóng)作物生產(chǎn)品質(zhì)判斷，其中本課題研究的是關(guān)于農(nóng)作物病害判斷的課題，現(xiàn)在有許多作物以及被涉及過，如：玉米、小麥、甘蔗、黃瓜等，也出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的研究結(jié)果：例如楊紅珍等人在2008年對(duì)昆蟲圖像進(jìn)行基于顏色和形狀上的特征提取，然后通過特殊方法進(jìn)行分類，準(zhǔn)確率高達(dá)96%，朱登勝等人同在2008年提出一種基于多光譜算法的雜草新算法，準(zhǔn)確率達(dá)91%，為田間識(shí)別雜草提出了新的思路。但是水稻方面卻很少有人涉及課題。

所以依據(jù)上文，本研究順應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與圖像技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用要求，也使得現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)化有了新血液，發(fā)展精準(zhǔn)的檢測技術(shù)，既可以讓農(nóng)民更加精準(zhǔn)的施用農(nóng)藥，減少其成本的浪費(fèi)和對(duì)作物質(zhì)量的影響，也可以提高效率，減少人力的流失。同時(shí)也彌補(bǔ)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中農(nóng)民素質(zhì)上不足所帶來的不利部分，使得非專業(yè)人員可以在沒有專業(yè)人員輔導(dǎo)的情況下，可以快速處理田間的病害情況，降低生產(chǎn)中病害造成的損失。同時(shí)保護(hù)了環(huán)境，提高了土壤的優(yōu)質(zhì)性，從而增長了土地的利用率，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求。也間接的提高了蔬菜的生產(chǎn)質(zhì)量，符合我國的食品安全和綠色食品的要求。也為后續(xù)的研究提供的一些啟迪，其意義深刻。

1 正文

1.1 圖像濾波處理

因?yàn)樗械臋z測圖像都是從田間的自然環(huán)境下采集的，所以難免會(huì)受到雨水、殘?jiān)L(fēng)力的影響，有可能也會(huì)因?yàn)榕臄z的角度而影響，產(chǎn)生噪聲，圖像的穩(wěn)定性并不可以保障。所以，獲取拍攝后圖像的第一個(gè)流程就是進(jìn)行圖像的濾波處理，盡量去降低噪聲對(duì)圖像產(chǎn)生的影響，避免影響到后期識(shí)別。

圖像的噪聲可以像聲音噪聲那樣理解為“妨礙人們識(shí)別圖像接收和理解的因素”，在圖像處理時(shí)，圖像的采集和傳輸都會(huì)產(chǎn)生噪聲特征，但其實(shí)噪聲并不只是我們感官上的模糊和撕裂，而是在圖像處理過程之中才可以發(fā)現(xiàn)的。其中，我們在處理噪聲的時(shí)候，通常是以空間域和濾波器為基礎(chǔ)的，其中空間域的處理可以以以下公式定義：

其中的(x,y)是對(duì)領(lǐng)域中需處理一點(diǎn)f的定義，而T就是把f(x,y)變?yōu)間(x,y)的操作，用語言解釋就是這樣的：建立一個(gè)濾波器的模型，然后把需要處理的點(diǎn)f(x,y)放在其中點(diǎn)，然后讓濾波器進(jìn)行一個(gè)方向性的濾波處理。常用的濾波器有兩種分類：線性和非線性，其中有兩種較為適合本研究的方法：加權(quán)均值濾波器（線性）和中值濾波器（非線性），其中的加權(quán)均值濾波器就是把包含在濾波器鄰域內(nèi)的像素的平均值在乘以中間需要平滑的像素點(diǎn)的權(quán)重?cái)?shù)，其可以減小圖像灰度的“尖銳“變化，減小噪聲，但容易造成邊緣模糊的問題，而中值濾波器，就是用像素的鄰域內(nèi)排列后的中間值代替該像素，所以這種濾波器可以在去除噪聲的同時(shí)，較好的保留邊緣的銳度，這一點(diǎn)是優(yōu)于均值濾波器的，并且還可以的有效去除脈沖噪聲，可以更加清晰的保圖像的細(xì)節(jié)，方便之后的診斷，所以本研究優(yōu)先選擇中值濾波器。

1.2 圖像銳化

圖像銳化技術(shù)分為兩種：一是在空間域上的代數(shù)運(yùn)算和點(diǎn)運(yùn)算，高通濾波則是對(duì)于頻率域的一種圖像增強(qiáng)技術(shù)，而其中的高通濾波恰恰可以在中值處理之后處理其造成的葉片邊緣模糊問題，濾去低頻率的部分，突出圖像中的葉片邊緣。其原理就是把圖像由空間域轉(zhuǎn)化為頻率域，完成處理之后再把圖像由頻率域轉(zhuǎn)化回空間域，從而完成圖像的處理。對(duì)于圖像來說，其病害邊緣輪廓部分就是高頻部分，變化較快，因此我們可以采用高通濾波器來進(jìn)行圖像銳化，使邊緣更加突出，具體步驟如下：

(1)：輸入圖像f(x,y)（此時(shí)圖像為空間域）；

(2)：進(jìn)行傅里葉變換使其由空間域形式變?yōu)轭l率域形式；

(3)：用高通濾波器進(jìn)行處理；

(4)：反傅里葉變換使其由頻率域形式變回空間域形式；

(5)：得到新的增強(qiáng)后圖像g(x,y)。

對(duì)于新圖像而言，高通濾波解決掉是去噪造成的模糊問題，而且可以突出物體的邊緣，增加圖像的層次，突出需要檢測的東西，進(jìn)一步處理圖像，為下面的研究步驟做鋪墊。

1.3 圖像分割

圖像分割的基本概念就是把圖像中具有特殊涵義的不同區(qū)域分開來，這些區(qū)域是互不相交的，每個(gè)區(qū)域都滿足特定區(qū)域的一致性。后文的特征提取就是非常依賴圖像分割的處理的，本文中運(yùn)用的是圖像分割技術(shù)中的最優(yōu)閾值分割法。

最優(yōu)閾值分割法的基礎(chǔ)原理就是把在一個(gè)物體上的像素歸為統(tǒng)一，進(jìn)行標(biāo)記，以清晰的展示圖像的每一部分，在實(shí)驗(yàn)中。更加明確了需要研究的病害部分，為下面最后的研究提供一個(gè)深刻的基礎(chǔ)。

本文中取最優(yōu)閾值的方法是最大類間方差法，具體原理推導(dǎo)如下：首先把圖像分為兩個(gè)區(qū)域，需要研究的區(qū)域和背景區(qū)域，然后分別算出其兩個(gè)區(qū)域內(nèi)平均的灰度值，再算出所有像素點(diǎn)的灰度平均值，最后利用方差公式把三者進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的方差就是最優(yōu)閾值。

進(jìn)行完最優(yōu)閾值的選取之后，再使用二值法對(duì)圖像進(jìn)行處理，具體過程如下：把圖像中所有像素點(diǎn)中大于我們?nèi)〉玫淖铋撝档幕叶戎等孔優(yōu)?55(白)，小于其的全部變?yōu)?(黑)，這樣就完成了我們對(duì)圖像需要研究部分和背景的分割，使得圖像更加簡化且易分析。

1.4 特征提取

顏色特征提取：顏色特征是一種直觀而明顯的圖像特征，對(duì)圖像本身的拍攝角度要求不高，所以在各個(gè)圖像處理應(yīng)用較多。而顏色模型中有兩種在本研究中使用，一種為RGB顏色模型，一種為HSI顏色模型，H、S、I分別代表色度、飽和度和亮度。HSI模型和RGB模型相比，HSI模型更符合人眼對(duì)色彩的識(shí)別并且分辨圖像其中的信息，所以我們對(duì)于顏色特征提取的研究方法如下：

首先把RGB模型轉(zhuǎn)化為HSI模型，然后對(duì)其進(jìn)行向顏色直方圖的轉(zhuǎn)換（顏色直方圖可以表示顏色在圖像中的分布情況），然后再通過對(duì)顏色直方圖的識(shí)別進(jìn)行對(duì)圖像顏色上的區(qū)分。

形態(tài)特征提取：我們對(duì)于一個(gè)圖像的形態(tài)特征的定義就是對(duì)于一條封閉線形成的圖形形態(tài)特點(diǎn)，所以恰巧可以彌補(bǔ)顏色特征提取的不確定性，而對(duì)于水稻病害來說，不同的病害具有不同的形態(tài)，也就是存在一定的差異性，而二值化后的圖像一般占用空間小，形態(tài)特征清晰，極大的減少了數(shù)據(jù)量，從而減少了計(jì)算量也就是減少了計(jì)算機(jī)反應(yīng)時(shí)間，所以通常對(duì)于形態(tài)特征的數(shù)據(jù)處理都是基于二值化圖像進(jìn)行的，而在上一步的圖像分割中，我們已經(jīng)把普通圖像處理為二值化圖形，而二值化后圖像的形態(tài)特征在本研究中靠這幾個(gè)特點(diǎn)來進(jìn)行區(qū)別：

(1)矩形度：矩形度的定義為物體的面積與物體最小外接矩形的面積之比。在進(jìn)行圖像拍攝時(shí)，通常會(huì)因?yàn)榕臄z角度不同所以影響面積大小，從而不可與其他圖像進(jìn)行單純的面積比對(duì)，而矩形度就不會(huì)存在這個(gè)問題，它是一個(gè)不受此影響的比值，所以，其對(duì)圖像大小以及拍攝方向的要求并不嚴(yán)苛，可以較好的用來描述病害的斑點(diǎn)的形態(tài)特征。

(2)緊湊度：緊湊度是關(guān)于一個(gè)物體邊緣的平滑程度的量，其與面積也有一定相似，邊長并不可直接作為比較依據(jù)，而需用緊湊度來表示，緊湊度的定義式可以寫為：

緊湊度=1-4π×圖像面積÷圖像周長的平方此式可以由關(guān)于圓的公式推得，緊湊度越接近0，這個(gè)圖像越接近圓形，其邊緣越平滑，四周越均勻，并且緊湊度與旋轉(zhuǎn)或縮放基本無關(guān)，所以緊湊度也是一個(gè)很好的描述病害特征的值。

進(jìn)行完這兩個(gè)特征值的計(jì)算之后，再與幾種病害的大約值進(jìn)行比對(duì)，這樣就可以縮小病害的范圍，再把前面的顏色特征與各個(gè)病害的顏色特征值的大約范圍對(duì)比，也可以縮小范圍，最后，再把兩個(gè)范圍進(jìn)行重合取交集，就可以得到最后分析的病害種類。

2 創(chuàng)新點(diǎn)/裝置功能

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

(1)把圖像處理技術(shù)與水稻病害的檢測而鏈接，使農(nóng)業(yè)與科技緊密聯(lián)合，讓農(nóng)民們的生活更加貼近自動(dòng)化的現(xiàn)代社會(huì)，為農(nóng)民省心省力省錢。

(2)將數(shù)字圖像處理應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，順應(yīng)的當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和科學(xué)務(wù)農(nóng)的發(fā)展潮流，同時(shí)為以后智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

(3)在特征提取時(shí)使用了形狀和顏色分別考慮，比對(duì)結(jié)果的方法，使此研究所實(shí)現(xiàn)的裝置在實(shí)際運(yùn)用時(shí)測量更加的精準(zhǔn)。

(4)在研究實(shí)現(xiàn)的裝置中會(huì)把每一次的檢測數(shù)據(jù)上傳云端，并接受使用反饋，可以進(jìn)行一個(gè)大數(shù)據(jù)分析，以此來改進(jìn)檢測方案，增加裝置的用戶體驗(yàn)。