一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法、系统、设备及介质

1.本发明属于偏振探测技术领域，具体涉及一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.偏振信息中携带了多维矢量信息，可以作为信息载体传递更丰富的信息。在光的传播过程中，光将会与环境中的散射粒子相互作用、发生散射，从而改变光的分布及携带的信息。目前基于偏振光成像技术在农业、林业方面的研究主要是针对如何提高偏振光成像的效果，无法实现利用偏振信息对植物水分含量早期变化进行检测。
3.目前植物水分含量检测方法主要分为两大类，一类如烘干法，电阻法等方法，但因测量过程中需摘取植物叶片或在植物茎干上打孔，会对植物造成损伤，因此在使用场景上会受到较大的限制。第二类是光谱法、图像法等非接触式测量，只需要采集植物的光谱曲线、光学图像等，就可以分析得到植物含水量。然而这些方法只有在植物出现较为明显的缺水状态下才能检测出含水量的变化，无法实现植物水含量变化的早期检测。
4.目前常用的基于光强偏振探测到的是被测目标的平均光强，而偏振光成像技术是在图像处理的基础上，由相机采集普通光学图像转变为采集偏振图像，振图像的获取方法可以将偏振成像探测精度体现在一个像素点上。通过后期计算可得到包含目标物体偏振信息的mueller矩阵图像，退偏指数图像。与传统的光学成像相比，偏振成像技术具有更全面表征目标微观结构信息变化的能力，有潜力实现植物健康状态的早期检测。
5.目前偏振光成像技术在农业、林业方面的研究主要集中在如何提高偏振光成像的效果以实现对植物种类进行区分，还无法实现植物含水量早期变化的无损检测。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法、系统、设备及介质，解决了植物含水早期无损检测中的问题。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，包括以下步骤：
9.s1、利用偏振成像系统，得到被测目标叶片的偏振图像；
10.s2、根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素点的mueller矩阵；
11.s3、计算每个像素点的mueller矩阵对应的协方差矩阵，并由协方差矩阵得到特征值；
12.s4、根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像；由退偏图像能够直观的显示出植物叶片含水量的早期变化。
13.进一步，s1中，偏振成像系统包括光源、准直系统、起偏器、样品台、检偏器、探测器；起偏器包括第一偏振片、第一1/4波片，检偏器包括第二1/4波片、第二偏振片；
14.光源发出光强稳定的非偏振光，经准直系统准直后，产生的平行光入射至起偏系统经过第一偏振片、第一1/4波片旋转对非偏振光调制为特定偏振态光后出射，偏振光照射到样品台5上的被测目标叶片表面后，与目标叶片相互作用后的漫反射光通过第二1/4波片，最后经过第二偏振片，由探测器接收；
15.测量过程中起偏器中的第一1/4波片每次旋转角度θ，同时检偏器中的第二1/4波片同方向旋转5θ，旋转n次则得到n幅图像。
16.进一步，s2具体包括以下步骤：
17.2.1、首先将采集到的n幅图中相同位置像素点的灰度值取出，组成一个n列一行的列向量i；
18.2.2、然后根据式f＝(d
t
d)-1dt
i计算得到25个傅里叶系数，再由25个傅里叶系数得到该像素点的mueller矩阵；则得到x
×
y个mueller矩阵，x
×
y为采集的偏振图像大小；
19.其中，d为波片旋转角度相关量矩阵，大小为n行25列；f为待求解的傅里叶系数矩阵。
20.进一步，s4中，退偏指数由p
δ
表示，
21.其中，p1、p2、p3分别为退偏指数有关的三个分量。
22.进一步，三个分量的表达式分别为：
[0023][0024]
其中，λ0、λ1、λ2、λ3为协方差矩阵h的四个特征值。
[0025]
进一步，s4中，退偏指数越高，叶片含水量越低。
[0026]
本发明还公开了实现所述方法的一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的系统，包括：
[0027]
偏振成像系统，用于得到被测目标叶片的偏振图像；
[0028]
mueller矩阵获取模块，用于根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素点的mueller矩阵；
[0029]
特征值计算模块，用于计算每个像素点的mueller矩阵对应的协方差矩阵，并由协方差矩阵得到特征值；
[0030]
输出模块，用于根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像；退偏图像能够显示植物叶片含水量的早期变化。
[0031]
本发明还公开了一种计算机设备，包括偏振成像系统、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法的步骤。
[0032]
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法的步骤。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0034]
本发明公开了一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，本发明根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素点的mueller矩阵；计算每个像素点的mueller矩阵对应的协方差矩阵h，并由协方差矩阵h得到特征值；再根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像；退偏图像能够显示植物叶片含水量的早期变化。利用偏振图像对植物水分含量早期变化识别，与现有的植物水分含量测定方法，如烘干法，电阻法等相比，首先可以实现对植物含水量的无损检测，不需要摘取被测植物叶片或者在植物茎干上打孔，只需要将偏振成像系统进行固定，采集图像进行分析即可；其次在含水量测定结果方面进行对比发现，在叶片含水量早期变化阶段，叶片含水量变化不大，但是退偏图像上可以明显看到特征变化。
[0035]
偏振图像的获取方法可以将偏振成像探测精度体现在一个像素点上，目前常用的基于光强偏振探测到的是被测目标的平均光强，基于光谱偏振探测的方法得到的是被测目标的总得光谱特征曲线，这些方法虽然能够在一定程度上展现被测目标的总体趋势变化，但是无法探测到被测目标的微观组织结构变化规律。本发明最终得到的退偏图像可以将被测目标微观组织结构变化的区域以及范围变化清晰的展现出来，能够获取更多有关被测目标的信息。
附图说明
[0036]
图1为偏振成像系统的结构示意图；
[0037]
其中，1、光源；2、准直系统；3、第一偏振片；4、第一1/4波片；5、样品台；6、第二1/4波片；7、第二偏振片；8、探测器；
[0038]
图2为目标叶片的mueller矩阵图像获取的过程示意图；
[0039]
图3为普通光学仪器获取到的9幅普通光学图像；
[0040]
图4为植物水分含量检测仪获取到的mueller矩阵图像，与图3中一一对应；
[0041]
图5为图4中9幅图对应的退偏图像。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
[0043]
本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
[0044]
需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0045]
以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。
[0046]
本发明公开了一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，包括以下步骤：
[0047]
s1、利用偏振成像系统，得到被测目标叶片的偏振图像：
[0048]
如图1所示，本发明采用的偏振成像系统，包括光源1、准直系统2、起偏器、检偏器、探测器8，起偏器和检偏器均由四分之一波片和偏振片构成，起偏器包括第一偏振片3和第一1/4波片4，检偏器包括第二1/4波片6和第二偏振片7；
[0049]
其中，光先经过起偏器中的第一偏振片3后经过第一1/4波片4，到达检偏器时先经过第二1/4波片6再经过第二偏振片7。测量过程中起偏器中的第一1/4波片4每次旋转θ＝6
°
，同时检偏器中的第二1/4波片6同方向旋转5θ＝30
°
，旋转30次得到30幅图像。
[0050]
s2、根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素点的mueller矩阵；
[0051]
mueller矩阵的求解过程如下：
[0052]
由于光在经过不同光学元件后偏振态的改变可视为与所经过的所有光学元件mueller矩阵的乘积，本系统中起偏器和检偏器中的偏振片固定不动，它们的mueller矩阵已知，第一偏振片3的mueller矩阵记为p1，第二偏振片7的mueller矩阵记为p2；波片的mueller矩阵由技术方案一中的旋转角度决定，第一1/4波片4的mueller矩阵记为r1，第二1/4波片6的mueller矩阵记为r2；
[0053]
入射光与出射光的stokes矢量也是已知的，入射光的stokes矢量记为s
in
，待测样品的mueller矩阵记为m，出射光stokes矩阵记为s
out
。
[0054]sout
＝p2r2mr1p1s
in
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0055]
由于探测器8接收到的信号为光强值，因此入射光和出射光的stokes矩阵为：
[0056][0057][0058]
起偏器和检偏器中偏振片的mueller矩阵分别为：
[0059][0060]
波片的mueller矩阵为
[0061][0062]
式中θ为波片快轴相对水平方向旋转的角度，为1/4波
片的相位延迟，因此起偏器中第一1/4波片4的mueller矩阵r1(θ)和检偏器中第二1/4波片6的mueller矩阵r2(5θ)分别为：
[0063][0064][0065]
联立式(1)-式(7)可得：
[0066][0067]
式(8)可改写为：
[0068][0069]
式(9)中m
ij
为被测目标mueller矩阵阵元，u
ij
为与角度相关量的矩阵u中的阵元，u可写成下式:
[0070][0071]
由式(10)可将式(9)改写为傅里叶级数形式：
[0072][0073]
波片的旋转角度已知，s1为探测器8接收的出射光stokes矢量中光强值，因次，通过式(11)的到傅里叶系数就可以反演得到被测目标的mueller，而傅里叶系数与mueller矩阵阵元关系如下式：
[0074][0075]
求解25个傅里叶系数，至少需要采集25次数据，包括探测器8接收的光强值以及每次旋转的角度值。起偏器中波片共旋转180
°
，探测器8采集25次数据，则每组数据中的波片
角度变化为7.2
°
。通常，为了提高探测精度，会增加测量次数以减少实验误差，当采用30次探测光强求解傅里叶系数时，波片r1的最大角度增量为6
°
，而r2的增量为30
°
。为了提高测量准确性，减小误差，也可以可以提高测量次数，增加数据量。
[0076]
本发明中共采集了30次探测器8接收的光强，其中起偏器中波片角度变化为6
°
，检偏器中波片角度变化为30
°
。30个光强值可以得到30个方程，联立这些方程写成下式：
[0077][0078]
将式(13)简化写为下式：
[0079]
i＝df
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0080]
式中为i为探测器8接收的光强矩阵，大小为30行的列矩阵；d为波片旋转角度相关量矩阵，大小为30行25列；f为待求解的傅里叶系数矩阵，为25行的列矩阵。
[0081]
式(13)中方程个数为30个，未知数个数为25个，所以方程(13)为超定方程组，一般有有限解或无解，本发明利用伪逆矩阵对傅里叶系数求解，将式(14)改写为下式：
[0082]
f＝(d
t
d)-1dtiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0083]
求解得到的傅里叶系数与mueller矩阵阵元之间的关系如下表所示。
[0084]a0-a
12
，b
1-b
12
与穆勒矩阵元素的关系
[0085][0086]
在偏振光成像系统中，探测器8一般为ccd，获取到的是被测目标的偏振图像，由于光强与图像的灰度值总是成正比的，可以将图像中的灰度值直接代入方程进行求解。
[0087]
将30幅图像中同一位置像素点上的灰度值组成列向量i，就可以求解每个像素点的mueller矩阵，同一阵元的像素点组合便可以得到mueller矩阵图像。如图2所示，具体为：
[0088]
2.1、首先将采集到的30幅图中相同位置像素点的灰度值取出，组成一个30列一行的列向量i；相机采集的图像大小为4096
×
3000；
[0089]
2.2、然后根据式f＝(d
t
d)-1dt
i计算得到25个傅里叶系数，再由25个傅里叶系数得到该像素点的mueller矩阵；则一共可以得到4096
×
3000个mueller矩阵；
[0090]
其中，t为矩阵的转置符号；d为波片旋转角度相关量矩阵，大小为30行25列；f为待求解的傅里叶系数矩阵。
[0091]
将所有mueller矩阵中同一阵元的值按照其对应像素点组合，得到16个阵元的图像，就可以得到目标叶片的mueller矩阵图像。
[0092]
如图2所示，每个像素点都可以得到一个mueller矩阵，i由1开始直到4096，j由1开始直到3000，顺序将(i,j)位置像素点mueller矩阵的m(1,1)阵元取出，并将取出的值放入新的图像中相应(i,j)位置，直到将4096
×
3000个点取完，此时新的图像中所有像素点的值都为m(1,1)阵元的值，将这些值作为灰度值就可以得到mueller矩阵m(1,1)阵元的图像。其他阵元用同样的方法得到。
[0093]
s3、计算mueller矩阵的协方差矩阵h，并由协方差矩阵h得到特征值；协方差矩阵h有四个特征值，分别为λ0、λ1、λ2、λ3。
[0094]
s4、根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像；本发明最终得到的退偏图像可以将被测目标微观组织结构变化的区域以及范围变化清晰的展现出来，能够获取更多有关被测目标的信息。
[0095]
退偏指数由p
δ
表示，有关退偏指数的三个分量p1、p2、p3，这三个分量可以由mueller矩阵图像的协方差矩阵的特征值得到。然后由这三个分量计算得到能够表征叶片含水量早期变化的参数p
δ
。
[0096][0097][0098]
退偏指数越高，叶片含水量越低。
[0099]
本发明还公开了一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的系统，包括：
[0100]
偏振成像系统，用于得到被测目标叶片的偏振图像；
[0101]
mueller矩阵获取模块，用于根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素点的mueller矩阵；
[0102]
特征值计算模块，用于计算每个像素点的mueller矩阵对应的协方差矩阵h，并由协方差矩阵h得到特征值；
[0103]
输出模块，用于根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像；退偏图像能够显示植物叶片含水量的早期变化。
[0104]
如图3所示，图像中无偏振信息时即普通光学图像，对不同含水量的植物叶片无法区分。
[0105]
如图4所示，当采集的图像中携带有偏振信息，根据这些偏振信息得到的mueller图像对植物叶片的含水量有一定的区分能力，但是识别能力不强。
[0106]
如图5所示，由mueller图像处理得到的退偏图像能够明显区分不同含水量的植物叶片：随着叶片含水量的逐渐降低，叶肉组织上红色区域的面积逐渐增大。即图像的退偏指数值越大，对应植物叶片的含水量越低。
[0107]
本发明基于利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0108]
本发明基于利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些
中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(mo)等)、光学存储器(例如cd、dvd、bd、hvd等)、以及半导体存储器(例如rom、eprom、eeprom、非易失性存储器(nandflash)、固态硬盘(ssd))等。
[0109]
在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0110]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、利用偏振成像系统，得到被测目标叶片的偏振图像；s2、根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素点的mueller矩阵；s3、计算每个像素点的mueller矩阵对应的协方差矩阵，并由协方差矩阵得到特征值；s4、根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像；由退偏图像能够直观的显示出植物叶片含水量的早期变化。2.根据权利要求1所述的一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，其特征在于，s1中，偏振成像系统包括光源(1)、准直系统(2)、起偏器、样品台(5)、检偏器、探测器(8)；起偏器包括第一偏振片(3)、第一1/4波片(4)，检偏器包括第二1/4波片(6)、第二偏振片(7)；光源(1)发出光强稳定的非偏振光，经准直系统(2)准直后，产生的平行光入射至起偏系统经过第一偏振片(3)、第一1/4波片(4)旋转对非偏振光调制为特定偏振态光后出射，偏振光照射到样品台(5)5上的被测目标叶片表面后，与目标叶片相互作用后的漫反射光通过第二1/4波片(6)，最后经过第二偏振片(7)，由探测器(8)接收；测量过程中起偏器中的第一1/4波片(4)每次旋转角度θ，同时检偏器中的第二1/4波片(6)同方向旋转5θ，旋转n次则得到n幅图像。3.根据权利要求1所述的一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，其特征在于，s2具体包括以下步骤：2.1、首先将采集到的n幅图中相同位置像素点的灰度值取出，组成一个n列一行的列向量i；2.2、然后根据式f＝(d
t
d)-1
d
t
i计算得到25个傅里叶系数，再由25个傅里叶系数得到该像素点的mueller矩阵；则得到x
×
y个mueller矩阵，x
×
y为采集的偏振图像大小；其中，d为波片旋转角度相关量矩阵，大小为n行25列；f为待求解的傅里叶系数矩阵。4.根据权利要求1所述的一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，其特征在于，s4中，退偏指数由p
δ
表示，其中，p1、p2、p3分别为退偏指数有关的三个分量。5.根据权利要求4所述的一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，其特征在于，三个分量的表达式分别为：其中，λ0、λ1、λ2、λ3为协方差矩阵h的四个特征值。6.根据权利要求1所述的一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，其特征在于，s4中，退偏指数越高，叶片含水量越低。7.实现权利要求1-6任意一项所述方法的一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的系统，其特征在于，包括：偏振成像系统，用于得到被测目标叶片的偏振图像；mueller矩阵获取模块，用于根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素
点的mueller矩阵；特征值计算模块，用于计算每个像素点的mueller矩阵对应的协方差矩阵，并由协方差矩阵得到特征值；输出模块，用于根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像；退偏图像能够显示植物叶片含水量的早期变化。8.一种计算机设备，包括偏振成像系统、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任意一项所述一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任意一项所述一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法的步骤。

技术总结
本发明属于偏振探测技术领域，具体涉及一种利用偏振信息表征植物叶片含水量的方法，包括以下步骤：S1、利用偏振成像系统，得到被测目标叶片的偏振图像；S2、根据被测目标叶片的偏振图像获取目标叶片的每个像素点的Mueller矩阵；S3、计算每个像素点的Mueller矩阵对应的协方差矩阵，并由协方差矩阵得到特征值；S4、根据特征值计算目标叶片的退偏指数，将退偏指数值作为灰度值对图像进行显示，得到退偏图像。退偏图像可以将被测目标微观组织结构变化的区域以及范围变化清晰的展现出来，能够获取更多有关被测目标的信息。有关被测目标的信息。有关被测目标的信息。


技术研发人员：徐翔 刘增辉 陈志坚 姬业钦 石雨萍
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/9