黃華盛，劉富昌，鐘曉樂，鄧?yán)^忠，黎偉燒

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)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(rèn)識植病發(fā)生的規(guī)律、進(jìn)而進(jìn)行植物檢疫、植病防治及預(yù)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(diǎn)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(yán)重度。這種調(diào)查方法抽樣量非常大，對植病嚴(yán)重度的分級常采用鉛絲框、級片框或者人工估計，由此則導(dǎo)致植病的分級程度不準(zhǔn)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(yīng)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(yán)重度進(jìn)行精確測量且便于攜帶的儀器。圖像分析技術(shù)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(jī)+PC機(jī)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(yīng)用于田間調(diào)查的現(xiàn)場分析。由于移動通訊技術(shù)的發(fā)展，目前的智能手機(jī)功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度不斷提升、價格不斷降低，而且手機(jī)搭載開放性的操作平臺，允許非預(yù)設(shè)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(jìn)行現(xiàn)場處理與分析。

以智能手機(jī)作為開發(fā)平臺，利用其開放性與便攜性，開發(fā)一個能進(jìn)行植物圖像采集并進(jìn)行病害嚴(yán)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(zhǔn)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(jī)的實(shí)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(yīng)用程序和硬件平臺之間，可以有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源。智能手機(jī)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(yīng)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(shè)備提供的一個開放、標(biāo)準(zhǔn)的多任務(wù)操作系統(tǒng)，它將用戶熟悉的Windows體驗擴(kuò)展到了移動環(huán)境中，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、個人數(shù)字助理、隨身音樂播放器等移動終端設(shè)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(shí)時性能好，通信能力強(qiáng)大，提供了與無線通信相關(guān)的系統(tǒng)特性和UI界面風(fēng)格，針對智能手機(jī)和個人數(shù)字助理的特點(diǎn)，提供了系統(tǒng)定制、應(yīng)用開發(fā)、平臺仿真等一系列工具?？紤]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(jī)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(jī)上的應(yīng)用程序不能直接在PC機(jī)上運(yùn)行，而必須依靠Visual Studio附帶的智能設(shè)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(shè)備程序的設(shè)計。同時，市場上的Windows Mobile智能手機(jī)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(yùn)行于PC機(jī)上的Visual C++極為相似的工具，就其特點(diǎn)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(shè)計和調(diào)試，選擇使用Visual Studio 2008完成軟件的設(shè)計。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于智能手機(jī)的田間植物病害圖像分析儀的核心任務(wù)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(jī)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(qiáng)弱、葉片與病斑顏色及田間背景等復(fù)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(jī)交互方式，依據(jù)采集的圖像，以手寫筆或手指分別在手機(jī)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(zhǔn)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(jī)GPS定位信息起來，通過后續(xù)的計算機(jī)分析工作，可繪制出病害程度分布的地理信息圖。設(shè)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(jìn)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(yīng)田間光強(qiáng)、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(jī)的GPS功能獲取采集地點(diǎn)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(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

1.4 系統(tǒng)功能實(shí)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(shè)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(shí)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(diǎn)的顏色，再對其進(jìn)行處理，核心語句為:

Color curColor;

curColor=img1.GetPixel(i，j);//獲取某像素點(diǎn)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(guān)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?？紤]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(dāng)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(biāo)事件進(jìn)行處理。

(1)事件1鼠標(biāo)按下，即手寫筆點(diǎn)擊屏幕。核心語句為:

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

(2)事件2鼠標(biāo)移動。核心語句:

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

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

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

(3)事件3鼠標(biāo)釋放。核心語句:

pictureBox1_MouseUp(object sender，MouseEventArgs e)//鼠標(biāo)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(diǎn)的坐標(biāo)，將兩點(diǎn)橫坐標(biāo)相減，則得到該行中黑線所圍的像素點(diǎn)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(diǎn)數(shù)S1及葉面總像素點(diǎn)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(jī)即可應(yīng)用。該軟件已在多臺智能手機(jī)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(shí)現(xiàn)了在田間現(xiàn)場對植物病害進(jìn)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(qiáng)與準(zhǔn)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(hù)、便于攜帶及成本低廉等特點(diǎn)。該儀器的采用將會大大減輕農(nóng)業(yè)技術(shù)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(jī)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(yīng)的地理信息融合，形成直觀的田間病害分布圖。

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