论文题目: 植物根系图像监测分析系统
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械设计及理论
作者: 刘九庆
导师: 李东升,汤晓华
关键词: 植物根系,形态参数,摄像机标定,图像畸变校正,图像拼接,分形理论
文献来源: 东北林业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 根系是植物的重要组成部分,是植物生长发育、新陈代谢的主要营养器官。根系形态参数是反映根系生长状况的主要因素,通过定期测量和分析植物根系形态参数对于了解、研究植物的生长发育状况以及防治病虫灾害均具有重要意义。但由于根系生长在地下,准确取样、测定、观察存在一定困难,而目前现有的挖掘法、整段标本法、剖面法等采样方法,都有采样破坏性和工作量大等缺点,因而阻碍了根系研究的深入开展。 本文是基于计算机视觉技术、机电一体化技术和计算机图像处理技术,研究开发了植物根系图像监测分析系统。系统以CCD摄像机、图像采集卡、计算机、三自由度根系图像采集运动系统以及根系形态参数分析软件为主体构建而成,适于植物根系形态监测及其采集分析。实现了对根系大视场观测和形态参数的快速准确测量与分析,为研究植物根系提供一种全新、直观、高效、可靠的研究手段。本文对CCD摄像机标定、图像几何畸变校正、图像拼接、图像边缘检测等方面进行了细致深入的研究,提出了一种基于分形理论H参数计算的改进方法——增容矩阵算法,用以弥补传统算法图像边缘缺损的缺陷进而提取植物根系轮廓,在后续的根系图像分析实验中取得了很好的效果。 本论文的主要研究工作包括: 1、植物根系图像监测分析系统的研究设计。硬件包括:CCD摄像机三自由度精确定位机构的研究设计,电气控制系统的设计,照明系统以及图像采集传输系统的设计等;软件包括根系图像采集,根系图像处理和根系形态参数分析三部分组成。 2、运用数字图像处理技术对所采集的根系数字图像进行了研究,包括根系图像几何畸变校正、根系图像拼接、根系图像边缘检测及根系图像形态参数计算等方面。 3、提出了运用分形理论提取植物根系轮廓的方法,并和传统的Sobel算子、Canny算子进行比较,实验结果表明分形算法在根系图像边缘提取和噪声抗干扰能力方面优于其它算子。在H参数值的计算上本文提出了一种改进的增容矩阵算法,给出了增容矩阵填补规则,实验证明该算法在根系图像边缘检测中的可行性。 基于计算机视觉技术全自动/手动双功能植物根系全景图像采集处理分析系统(NEFU-PRSAS-01)的研究突破了国内在植物根系无损在线监测多项瓶颈。在根系图像摄取范围、操作的灵活性、自动化程度等方面均取得了突破。特别是首次将分形理论应用于植物根系图像轮廓提取。在此基础上开发的软件系统(NEFU-PRSAS-S01)实现了植物根系形态参数自动分析计算。为我国农林业相关领域的科研提供了一种全新的研究手段,为推进我国植物根系研究进行了一次有益的尝试。 本文是在哈尔滨市青年研究基金“植物根系图像监测分析系统的研究”课题资助下研究完成的。
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 国内外根系研究现状及发展趋势
1.2.1 根系田间观测法
1.2.2 根系的模拟观测法
1.2.3 近代根系研究方法
1.3 数字图像处理技术在植物根系研究中的发展概况
1.3.1 图像边缘检测技术发展现状
1.3.2 分形理论发展现状
1.3.3 摄像机标定技术研究现状
1.4 本论文的主要内容
2 基于分形理论的植物根系图像边缘检测
2.1 引言
2.2 分形理论基本概念
2.2.1 分形理论的形成与发展
2.3 分形维
2.3.1 分形维基本概念
2.3.2 Hausdorff测度
2.3.3 Hausdorff维
2.3.4 盒维
2.4 随机分形
2.4.1 分形布朗运动的定义
2.4.2 分形布朗运动的分形参数H和维数D
2.4.3 一维布朗运动
2.4.4 多维情况下的分形布朗运动
2.5 基于DFBR场模型的图像边缘检测
2.5.1 分形参数的算法实现
2.5.2 H参数计算的改进方法——增容矩阵算法
2.6 植物根系图像处理实验结果分析
2.7 小结
3 植物根系形态分析及其参数计算
3.1 植物根系空间构型
3.2 植物根系形态模型原理
3.2.1 植物根系生长模型
3.2.2 根系的分枝模型
3.3 植物根系形态参数计算及分析
3.3.1 根系长度测量及长度增长率计算
3.3.2 根系表面积及面积增长率计算
3.3.3 主根平均直径和直径增长率计算
3.3.4 主根体积及其体积增长率计算
3.3.5 根长密度和根表面积密度计算
3.3.6 植物根系定性观察分析
3.4 植物根系形态的动态参数
3.5 小结
4 基于傅立叶变换的植物根系图像拼接技术
4.1 引言
4.2 图像拼接基本思想
4.2.1 图像拼接技术概述
4.2.2 再投影技术
4.3 根系图像拼接的具体分析
4.3.1 植物根系图像几何学对准
4.3.2 平面对应变换的估计
4.3.3 基于频域的仿射方程求解
4.4 植物根系图像的拼接结果
4.5 再投影流形(Re-projection)
4.5.1 平面流形(Planar Manifold)
4.5.2 圆柱流形(Cylindrical Manifold)
4.6 小结
5 摄像机标定原理及方法
5.1 引言
5.2 成像几何模型和多视点几何
5.2.1 成像几何模型
5.2.2 空间点与像点的非线性关系分析
5.2.3 立体视觉中的极线几何约束
5.3 传统摄像机标定技术原理和方法
5.3.1 线性求解方法
5.3.2 非线性优化方法
5.3.3 两步法
5.4 自标定技术原理和方法
5.4.1 基于主动视觉的摄像机自标定技术
5.4.2 利用本质矩阵和基本矩阵的自标定技术
5.4.3 利用绝对二次曲线和极线变换性质的摄像机标定方法
5.4.4 基于圆曲线的摄像机自标定
5.4.5 摄像机标定线性内参数实验结果
5.4.6 CCD长度及面积脉冲当量的标定
5.5 根系图像几何畸变校正原理及方法
5.5.1 根系图像几何畸变的校正
5.5.2 实验结果与讨论
5.6 小结
6 植物根系图像监测分析系统原理及组成
6.1 引言
6.2 植物根系图像监测分析系统设计原理
6.3 植物根系图像监测分析系统组成
6.4 摄像机三自由度运动机械系统设计
6.4.1 摄像机需要实现的机械运动
6.4.2 传动系统动力源的选用
6.4.3 摄像机三自由度运动的设计实现
6.4.4 传动系统运动误差分析
6.5 电气控制系统分析设计
6.5.1 电路原理
6.5.2 照明系统光源的分析
6.5.3 电机控制系统通讯协议
6.6 数字PID控制器的设计及算法实现
6.7 小结
7 结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
在读博士期间科研工作情况
致谢
发布时间: 2005-10-21
相关论文
- [1].微根窗根系的图像处理方法研究[D]. 张瑜.东北林业大学2012
- [2].基于植被根系分布形态的生态边坡稳定性研究[D]. 嵇晓雷.南京林业大学2013
- [3].土壤-根系统养分迁移机制及其数值模拟[D]. 张富仓.西北农林科技大学2001
- [4].水、氮供应对作物根系生理特性及吸收养分的影响[D]. 宋海星.西北农林科技大学2002
- [5].土壤中的相变传热传质研究及植物根系生长的仿真模拟[D]. 刘炳成.华中科技大学2004
- [6].根系形态在玉米高效获取氮素中的作用及其生理调节机制[D]. 田秋英.中国农业大学2005
- [7].几种谷类作物根土系统的研究[D]. 张永清.山西农业大学2005
- [8].水稻栽后根系发生和生长机制研究[D]. 任万军.四川农业大学2005
- [9].杨树冠型、根系的分形特征及杨树改良策略[D]. 李火根.南京林业大学2003
- [10].林木根系与均质土间相互物理作用机理研究[D]. 宋维峰.北京林业大学2006