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應(yīng)用案例

利用灰度轉(zhuǎn)換和閾值技術(shù)增強(qiáng)基于圖像的植物葉片病害檢測(cè)與分割


發(fā)布時(shí)間:

2025-04-12

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植物表型分析已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要方面,是一種能監(jiān)測(cè)植物健康和提高作物產(chǎn)量的工具。本研究介紹了一種高效、經(jīng)濟(jì)的圖像處理方法,用于檢測(cè)和分割健康和病害的植物葉片。該方法主要分為3個(gè)階段:預(yù)處理、分割和后處理。在預(yù)處理階段,通過(guò)灰度轉(zhuǎn)換增強(qiáng)獲取的葉片圖像,以消除噪聲并簡(jiǎn)化圖像分析。在分割階段,應(yīng)用閾值技術(shù)將葉片從背景中分離出來(lái),從而能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別病害。后處理階段包括細(xì)化分割后的葉片圖像、邊緣檢測(cè)和輪廓分析,以更好地了解葉片的形狀和結(jié)構(gòu)。為了評(píng)估所提出的方法,使用了由100張葉片圖像組成的數(shù)據(jù)集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法成功檢測(cè)出68 %的染病葉片和75 %的健康葉片,總體準(zhǔn)確率達(dá)到66.66 %。這些發(fā)現(xiàn)突出了灰度轉(zhuǎn)換和閾值技術(shù)在自動(dòng)化疾病檢測(cè)中的潛力,特別是在資源有限的農(nóng)業(yè)環(huán)境中。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性,但也存在局限性,諸如數(shù)據(jù)集多樣性和對(duì)灰度處理的依賴。未來(lái)的研究將包括融入顏色信息,應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,以及使用更大、更多樣化的數(shù)據(jù)集來(lái)提高準(zhǔn)確性和魯棒性。總體而言,本研究為開(kāi)發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)以高效監(jiān)測(cè)和管理植物病害提供了基礎(chǔ),有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和可持續(xù)性。

 

在本研究中,用于測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集是一個(gè)在京東大學(xué)校園附近收集的建議數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包括健康和不健康的葉片圖像,研究使用了100張數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行測(cè)試,這些圖像包括正常和感染病害的葉片。所提出方法的流程圖如圖1所示。
 

圖1  植物葉部病害檢測(cè)流程圖

  

圖2 不同分割階段葉片的可視化結(jié)果(樣品1-6)

(a)原始葉片圖像,(b)預(yù)處理圖像,(c)閾值圖像,(d)葉片開(kāi)閉結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)圖像,(e)邊緣檢測(cè)圖像。

 

表1 使用100張圖像測(cè)試的性能指標(biāo)結(jié)果

  

圖3 接收者操作特征(ROC)曲線

 
為了補(bǔ)充性能指標(biāo)的評(píng)估,接收者操作特征(ROC)曲線被用于提供對(duì)系統(tǒng)分類性能更全面的評(píng)估。ROC曲線圖形化地表示了在不同分類閾值下真正例率(TPR,也稱為敏感性)和假正例率(FPR)之間的權(quán)衡,從而能夠詳細(xì)地可視化系統(tǒng)區(qū)分患?。ú唤】担┖徒】等~片的能力。
 
圖3所示的ROC曲線是真正例率(TPR,y軸)與假正例率(FPR,x軸)在一系列決策閾值下的繪圖。曲線上的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的閾值,反映了系統(tǒng)敏感性(真正例檢測(cè))和特異性(真負(fù)例檢測(cè))之間的權(quán)衡。
 
理想性能:在理想情況下,ROC曲線會(huì)急劇上升至繪圖的左上角,表示高敏感性(TPR = 1)且假正例極少(FPR ≈ 0)。這表明分類性能接近完美。
 

系統(tǒng)性能:圖3中的ROC曲線表明所提出的系統(tǒng)在敏感性和特異性之間取得了合理的平衡。該曲線明顯高于對(duì)角線(隨機(jī)分類器基線),這證實(shí)了系統(tǒng)在隨機(jī)機(jī)會(huì)之外區(qū)分患病和健康葉片的能力。

 

 
來(lái) 源

Mrefu, S. A., Mannan, Z. I. and Nur Alam MD. 2024. Enhanced Image–Based Detection and Segmentation of Plant Leaf Diseases Using Grayscale Conversion and Thresholding Techniques. CompSci & AI Advances 1(3), pp. 132-139;

 

編輯

鄭靜文

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