張善文等

摘要：植物葉片圖像分割是植物分類和植物病害檢測中的一個關(guān)鍵步驟，旨在把葉片圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣的部分。在分析自然場景下植物葉片圖像幾種分割方法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于Otsu算法，提出了1種葉片圖像分割方法，并進(jìn)行分割算法試驗(yàn)。結(jié)果表明，該葉片圖像分割方法對葉片中目標(biāo)（葉片或病斑）-背景類的圖像具有較好的分割效果。

關(guān)鍵詞：植物葉片圖像；圖像分割；閾值分割；Otsu算法

中圖分類號： TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0337-03

收稿日期：2013-08-19

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：61272333）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃（編號：122102210429）；西亞斯國際學(xué)院引進(jìn)人才項(xiàng)目（編號：2012YJRC01、2012YJRC02）。

作者簡介：張善文（1965—），男，陜西閻良人，博士，教授，從事模式識別及其應(yīng)用研究。Email：wjdw716@163.com。植物是人類生存與發(fā)展的重要資源，是人類生產(chǎn)和生活必需的資源，對人類的生存環(huán)境起著重要的作用。但由于人類對植物不合理利用和對其生長環(huán)境的不斷破壞，使得很多植物種類不斷消失，由此也給人類造成了難以估量的損失，也使人們逐漸意識到保護(hù)植物及其生長環(huán)境的重要性。要保護(hù)植物，首先要識別植物。利用植物葉片進(jìn)行植物分類和識別是最簡捷、經(jīng)濟(jì)和最有效的方法，也是很多學(xué)者研究的一個熱點(diǎn)。植物葉片圖像分割是基于植物葉片進(jìn)行植物分類的一個關(guān)鍵步驟。葉片圖像分割本質(zhì)是將像素進(jìn)行分類，由于植物葉片圖像的邊緣的像素灰度值大幅度劇烈變化，即邊緣是目標(biāo)與背景之間的臨界區(qū)，一般可以通過區(qū)域間的灰度不連續(xù)性來檢測邊緣以達(dá)到分割葉片圖像的目的。分類的依據(jù)是象素的灰度值、顏色、頻譜特性、空間特性或紋理特性等。很多常用的圖像分割技術(shù)，如閾值分割法、區(qū)域法、邊緣檢測法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法已被用于植物葉片圖像分割。目前，很多學(xué)者提出了一些比較有效的葉片圖像分割方法[1-8]。如Wang等[1-4]提出一些葉片圖像分割方法，并應(yīng)用于植物種類分類中，取得了較好的識別結(jié)果；Wang等[2]提出了基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的植物葉片圖像的預(yù)處理方法，運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的開運(yùn)算和閉運(yùn)算消除圖像中的孤立噪聲點(diǎn)并填補(bǔ)葉片內(nèi)部孔洞。鄭小東等[9]將采集到的圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像，然后估算葉柄的大致寬度，根據(jù)該寬度對圖像進(jìn)行粗分割，并根據(jù)葉柄在圖像中的位置確定葉柄，實(shí)現(xiàn)精確分割葉片圖像；Li等[10]利用基于細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Snake模型來分割和提取葉脈；虎曉紅等[11]為了提高作物病害的分割效果，提出了一種基于多示例圖的分割模型，將作物病害的分割問題轉(zhuǎn)化為在多示例圖框架下的分割問題；傅弘等[12]提出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的葉脈分割方法；Persson等[13]通過建立活動形狀模型（ASM）來分割示例圖的分割模型，將作物病害的分割問題轉(zhuǎn)化為在多示例圖框架下的分割問題；傅弘等[12]提出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的葉脈分割方法；Persson等[13]通過建立活動形狀模型（ASM）來分割農(nóng)作物和野草圖像，取得了83%的有效分割率；Camargo等[14]通過分析灰度直方圖的方法來分割病害葉片；Zheng等[15]使用基于均值位移的分割方法來提取圖像中的綠色葉片；魏蕾[16]利用加權(quán)平均法把彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，獲得其灰度直方圖多個通道的特性，再對灰度圖像均衡化，選用中值濾波方式去除多幅葉片圖像的噪聲，最后進(jìn)行圖像分割得到二值圖像，為后續(xù)葉片特征的參數(shù)選取做準(zhǔn)備。中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室也相繼開展了對植物葉片的分割和識別工作[1-4，17-19]。

基于圖論的葉片圖像分割方法能夠較好地把握圖像的幾何結(jié)構(gòu)和全局特征[20-23]，通常是把圖像中的像素視為特征點(diǎn)，將一幅圖像表示成一個帶權(quán)無向圖，圖中的頂點(diǎn)為被分割元素的集合，圖中的邊對應(yīng)于一對有相應(yīng)權(quán)重的鄰接頂點(diǎn)，邊上的權(quán)重表示相鄰頂點(diǎn)之間相異程度，然后應(yīng)用聚類或分組的方法對這些點(diǎn)進(jìn)行劃分，進(jìn)而完成對圖像的分割。該方法的一個不足是花費(fèi)時間較長。

雖然上述葉片圖像分割方法針對某類植物葉片圖像或在某種條件下能夠得到較好的分割效果。由于很多方法只利用了圖像灰度特征，并沒有利用圖像的其他有用信息，使得分割結(jié)果不理想，特別是對噪聲比較敏感。最大類間方差法（Otsu法）可以自動得到統(tǒng)計(jì)意義上的最佳分割閾值[24]，實(shí)際應(yīng)用中該方法對目標(biāo)與背景類的圖像具有很好的分割效果。本研究基于Otsu法，提出一種葉片圖像分割方法。

1葉片圖像分割方法

2結(jié)果與分析

試驗(yàn)在主頻3.0 GHz，內(nèi)存2 GB，WinXP操作系統(tǒng)的Matlab試驗(yàn)平臺下對植物病害葉片圖像進(jìn)行測試，預(yù)分割圖像的格式為400×600的JPG圖像。采摘的時候要從葉柄根部將葉片連同葉柄一起采摘。將采下的樣本葉片置于厚重的書本之中并加以重物，壓1 d左右。根據(jù)植物葉片的形狀，在葉柄處向下凸出，為了保證最終取得的樣本葉片完整，要把部分葉柄夾進(jìn)書中，使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。在MATLAB 7.0中，一幅大小為M×N的RGB彩色葉片圖像可以用一個M×N×3的矩陣T來描述，圖像中的每一個像素點(diǎn)對應(yīng)于紅、綠、藍(lán)（R、G、B）3個分量組成的三元組。利用MATLAB 7.0中函數(shù)rgb2gray將彩色葉片圖像T轉(zhuǎn)換為灰度圖像H。由于色調(diào)H反映了葉片圖像的分類特征，因此由葉片圖像H可以有效地分割葉片圖像，以便于后續(xù)基于葉片的植物種類識別和植物病害識別。這時，對葉片圖像分割就是對圖像H進(jìn)行Otsu法的多閾值分割，其分割流程歸納為：（1）將葉片圖像RGB模式轉(zhuǎn)化到HIS模式，得到H直方圖；（2）利用Otsu法的多閾值分割方法對H直方圖進(jìn)行處理，得到局部最佳閾值；（3）利用局部最佳閾值來分割H直方圖，得到葉片圖像的分類、識別特征。

由圖1-D可以看出，利用Otsu算法可以將葉片圖像中的目標(biāo)和背景分離。由圖2-D可以看出，利用Otsu多閾值分割方法能夠得到病害葉片圖像的不同分類特征，將此作為后續(xù)病害類型識別的依據(jù)。所以利用Otsu多閾值分割方法可以自動得到統(tǒng)計(jì)意義上的最佳分割閾值。說明本研究提出的葉片圖像分割方法對葉片圖像中目標(biāo)（即葉片或病斑）-背景類的圖像具有較好的分割效果。

3結(jié)論

Otsu多閾值分割方法是一種統(tǒng)計(jì)判決法，具有非參數(shù)、非監(jiān)督和計(jì)算簡單的特點(diǎn)。而且在一定條件下不受圖像對比度和亮度變化的影響，因而在一些實(shí)時圖像處理系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究的Otsu多閾值分割算法是建立在對葉片圖像進(jìn)行識別的基礎(chǔ)上，所以被分割的葉片圖像轉(zhuǎn)換成了直方圖，再進(jìn)行分割的。為了進(jìn)一步提高分割速度、準(zhǔn)確度和對復(fù)雜圖像的處理能力，需要處理二維直方圖空間或三維顏色空間。

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由圖1-D可以看出，利用Otsu算法可以將葉片圖像中的目標(biāo)和背景分離。由圖2-D可以看出，利用Otsu多閾值分割方法能夠得到病害葉片圖像的不同分類特征，將此作為后續(xù)病害類型識別的依據(jù)。所以利用Otsu多閾值分割方法可以自動得到統(tǒng)計(jì)意義上的最佳分割閾值。說明本研究提出的葉片圖像分割方法對葉片圖像中目標(biāo)（即葉片或病斑）-背景類的圖像具有較好的分割效果。

3結(jié)論

Otsu多閾值分割方法是一種統(tǒng)計(jì)判決法，具有非參數(shù)、非監(jiān)督和計(jì)算簡單的特點(diǎn)。而且在一定條件下不受圖像對比度和亮度變化的影響，因而在一些實(shí)時圖像處理系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究的Otsu多閾值分割算法是建立在對葉片圖像進(jìn)行識別的基礎(chǔ)上，所以被分割的葉片圖像轉(zhuǎn)換成了直方圖，再進(jìn)行分割的。為了進(jìn)一步提高分割速度、準(zhǔn)確度和對復(fù)雜圖像的處理能力，需要處理二維直方圖空間或三維顏色空間。

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由圖1-D可以看出，利用Otsu算法可以將葉片圖像中的目標(biāo)和背景分離。由圖2-D可以看出，利用Otsu多閾值分割方法能夠得到病害葉片圖像的不同分類特征，將此作為后續(xù)病害類型識別的依據(jù)。所以利用Otsu多閾值分割方法可以自動得到統(tǒng)計(jì)意義上的最佳分割閾值。說明本研究提出的葉片圖像分割方法對葉片圖像中目標(biāo)（即葉片或病斑）-背景類的圖像具有較好的分割效果。

3結(jié)論

Otsu多閾值分割方法是一種統(tǒng)計(jì)判決法，具有非參數(shù)、非監(jiān)督和計(jì)算簡單的特點(diǎn)。而且在一定條件下不受圖像對比度和亮度變化的影響，因而在一些實(shí)時圖像處理系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究的Otsu多閾值分割算法是建立在對葉片圖像進(jìn)行識別的基礎(chǔ)上，所以被分割的葉片圖像轉(zhuǎn)換成了直方圖，再進(jìn)行分割的。為了進(jìn)一步提高分割速度、準(zhǔn)確度和對復(fù)雜圖像的處理能力，需要處理二維直方圖空間或三維顏色空間。

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