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泽 泉 科 技 有 限 公 司

Zealquest Laboratory

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LemnaTec 图像分析—颜色分类

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介绍 除了形状和大小等形态指标以外,颜色对于任何研究对象来说也是一个非常重要的表型指标,尤其 是对于植物更是如此。不同的环境、物种、时期和发育状态,颜色分析都能够反映出大量的信息,对于 研究植物表型极为重要。本文主要介绍了 LemnaTec 图像分析工具中的颜色分类功能,并指出该功能是 如何快速、清晰的从图像中获取数字信息的。

颜色和人眼视力 颜色蕴含了丰富的信息,人的眼睛能够在复杂光照环境条件下准确分辨颜色,即使是在多个光源、 日光并且有阴影的情况下(见下图)。人眼的这种功能对我们的日常生活非常重要,但有时却很难获得 重复性良好的实验结果,尤其是测定大量植物的时候。

图 1 魔方中三个褐色方块的颜色是一样的,而我们的眼睛却认为中间阴影区的颜色更亮一些。

此外,人眼非常适合分辨颜色并给出自己的看法,出于这个原因,LemnaTec 的颜色分类功能综合了 两者的优点:人的视觉和自动化分类。首先,人们通过观察自己定义一组颜色等级,例如定义三种不同 程度的绿色来反映绿色加某种特定颜色的改变程度,再比如植物变色病,叶片褐色、锈斑红色、紫色花 青素等等;第二步(也是决定性的一步),实验者为每一个颜色等级选择代表性的颜色,并尽量与其他 人定义的颜色一致,比如深绿和浅绿;最后进行颜色分配,之后便会被保存成一个方法。在此过程中, 图像中的所有颜色会经过数学运算与之前选出的代表性颜色进行比对,找出最相似的组合,分析过程结 束后,你会看到图像上所有的颜色都被分配到相应的颜色级别中去。这就是如何将主观的人眼颜色分类 转化为客观、可重复的系统颜色分类的过程。

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图 2 通过某一颜色(SC)定义颜色级别,为每一个颜色级别选择代表性颜色(AC),任何原始图像上的颜色(OC)都 会采用相同的分类标准,最终显示为经过分类处理的颜色(CC),对于某一特定的颜色级别,代表性颜色定义整个范围。

重复成像 重复分析一个比较重要的因素是要获取可靠的、标准化的图像,这对于所有 LemnaTec 成像系统来 说都是可以实现的,因为成像暗室是完全封闭并且保持了持续光照,这就意味着自然环境中大量不确定 因素、大田研究中的复杂运算法则以及卫星图像,在 Scanalyzer 系统中都是不需要的,这也使得颜色成 为一个非常有效的信息来源。

图 3 包含顶部和侧面摄像头的 3 个成像单元,内置光源通过启动推拉门与外界隔开。这种情况下,每一个隔间被用于进 行红外成像、可见光成像以及根系近红外成像(测定土壤含水量)。

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颜色的相关含义 绿色区域的减少和黄色区域的增加可能会产生截然不同的意义,这主要取决于植物的生长期及实验 类型: 

变色病;

氮素缺乏;

干旱胁迫引起的叶片凋萎;

植物衰老;

果实发黄可能是成熟的信号,也可能是特异的遗传背景造成的;

与植物类型有关,干旱胁迫可能导致红色花青素的形成。

这些例子都指出一个观点,那就是任何测得的参数都可能有不同的含义,主要取决于实验本身和生物演 化关系。因此,图像分析是第一步(也是客观的一步),获得数据;第二步是对获得结果给予科学的解 释。

图 4 玉米颜色分类图,两种不同程度的绿色及一个褐色级别(红色代表非健康植物部分)。

颜色分布 每一个研究对象始终显示某一颜色分布,这种颜色分布可能是研究对象的固有属性,还可能是由于 不同的叶片朝向、光朝向或者叶片间遮挡造成的。因此,颜色分布成为表型研究的必要部分。不同颜色 级别间的颜色分类和定量评价能够反应颜色变化,这在研究颜色不均匀的植物或者水果时效果更加明 显。

图 5 不同香蕉的颜色分析图像,表示果实不同成熟度。

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结论 LemnaTec 颜色选择工具栏中的颜色分类是一个非常强大的功能,它可以从植物或者水果图像中提取 重要的信息,再配以完全可控的光源和相机采集参数,使得颜色分析成为研究植物表型的一个定量化工 具。

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