利用灰度转换和阈值技术增强基于图像的植物叶片病害检测与分割


发布时间:

2025-04-12

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植物表型分析已成为现代农业的一个重要方面,是一种能监测植物健康和提高作物产量的工具。本研究介绍了一种高效、经济的图像处理方法,用于检测和分割健康和病害的植物叶片。该方法主要分为3个阶段:预处理、分割和后处理。在预处理阶段,通过灰度转换增强获取的叶片图像,以消除噪声并简化图像分析。在分割阶段,应用阈值技术将叶片从背景中分离出来,从而能够更准确地识别病害。后处理阶段包括细化分割后的叶片图像、边缘检测和轮廓分析,以更好地了解叶片的形状和结构。为了评估所提出的方法,使用了由100张叶片图像组成的数据集。实验结果表明,该算法成功检测出68 %的染病叶片和75 %的健康叶片,总体准确率达到66.66 %。这些发现突出了灰度转换和阈值技术在自动化疾病检测中的潜力,特别是在资源有限的农业环境中。虽然实验结果证明了该方法的有效性,但也存在局限性,诸如数据集多样性和对灰度处理的依赖。未来的研究将包括融入颜色信息,应用先进的机器学习算法,以及使用更大、更多样化的数据集来提高准确性和鲁棒性。总体而言,本研究为开发自动化系统以高效监测和管理植物病害提供了基础,有助于提高农业生产力和可持续性。

 

在本研究中,用于测试的实验数据集是一个在京东大学校园附近收集的建议数据集。该数据集包括健康和不健康的叶片图像,研究使用了100张数码相机拍摄的图像进行测试,这些图像包括正常和感染病害的叶片。所提出方法的流程图如图1所示。
 

图1  植物叶部病害检测流程图

  

图2 不同分割阶段叶片的可视化结果(样品1-6)

(a)原始叶片图像,(b)预处理图像,(c)阈值图像,(d)叶片开闭结构的形态学图像,(e)边缘检测图像。

 

表1 使用100张图像测试的性能指标结果

  

图3 接收者操作特征(ROC)曲线

 
为了补充性能指标的评估,接收者操作特征(ROC)曲线被用于提供对系统分类性能更全面的评估。ROC曲线图形化地表示了在不同分类阈值下真正例率(TPR,也称为敏感性)和假正例率(FPR)之间的权衡,从而能够详细地可视化系统区分患病(不健康)和健康叶片的能力。
 
图3所示的ROC曲线是真正例率(TPR,y轴)与假正例率(FPR,x轴)在一系列决策阈值下的绘图。曲线上的每个点对应一个特定的阈值,反映了系统敏感性(真正例检测)和特异性(真负例检测)之间的权衡。
 
理想性能:在理想情况下,ROC曲线会急剧上升至绘图的左上角,表示高敏感性(TPR = 1)且假正例极少(FPR ≈ 0)。这表明分类性能接近完美。
 

系统性能:图3中的ROC曲线表明所提出的系统在敏感性和特异性之间取得了合理的平衡。该曲线明显高于对角线(随机分类器基线),这证实了系统在随机机会之外区分患病和健康叶片的能力。

 

 
来 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;

 

编辑

郑静文

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