基于叶绿素相对值的植物叶片颜色模拟方法-农业机械学报.PDFVIP

２０１４年 ８月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 第 ８期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０８．０４５ 基于叶绿素相对值的植物叶片颜色模拟方法 苗　腾　赵春江　郭新宇　陆声链　温维亮 （北京农业信息技术研究中心，北京 １０００９７） 摘要：提出了一种基于叶绿素相对值（ＳＰＡＤ）的植物叶色模拟方法。首先利用自制的叶色数据采集装置，在外部环 境恒定的条件下采集叶色数据，跟踪监测叶片不同生理时期的叶色变化。再基于数据对叶色进行分析，构建 ＳＰＡＤ 值与特定光环境下叶片颜色值的关系函数，并利用该函数推导出叶片的漫反射计算公式；最后采用基于ＳＰＡＤ纹理 的方法对叶片表面的颜色差异以及随着时间发生的老化现象进行模拟。结果显示在确定的恒定外部环境下， ＳＰＡＤ值与叶片漫反射红绿蓝三通道关系函数呈指数关系，决定系数分别为０９７２、０９６８、０５０９，表明 ＳＰＡＤ与叶 片漫反射颜色之间存在相关性，因此可利用 ＳＰＡＤ作为驱动因子进行叶色仿真。同时，从视觉角度加以分析，基于 ＳＰＡＤ的叶色模拟结果与真实图像对比，叶色的变化趋势一致，结果较真实。 关键词：植物叶片　颜色模拟　ＳＰＡＤ值　数字植物 中图分类号：ＴＰ３９１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）０８０２８２０６ 　　引言 １　叶色数据采集装置 叶片颜色受外部光环境、相机拍摄角度影响非 随着农业信息化技术的不断发展，三维动画逐 常大，所以想要在活体情况下连续拍摄同环境下的 渐成为农业知识科普和技术培训的一项重要手段。 叶片颜色具有较大难度，为此本文设计了一套颜色 面向农业的三维动画，不仅需要具有逼真的视觉效 采集装置，可以在不破坏叶片、恒定光环境的条件下 果，同时还需正确地展现农业知识，因此如何将三维 获取叶片局部位置的颜色值，为叶色变化的研究提 视觉效果与农业知识进行缜密的结合成为亟待解决 供了一套方便易用的数据采集工具。 的问题。经过多年的发展，植物的三维形态建模技 ［１－８］ 图１为装置结构图。该装置可以对叶片局部位 术 已经逐渐成熟，而对叶片等器官的颜色模拟 研究则相对较少。叶片的颜色是反映植物内在生理 功能和生长状态的重要特征，定量描述叶片颜色动 态变化过程对于植物生长的数字化和可视化具有重 要意义。目前，对于叶片颜色表观的研究多以基于 物理的材质模型为基础，如基于双向反射分布函数 （ＢＲＤＦ）结合双 向透射分布 函数 （ＢＴＤＦ）的方 法［９－１２］以及基于双向表面散射分布函数（ＢＳＳＲＤＦ） 的方法［１３－１７］。但这些方法由于缺少农学意义的输 入参数，因此很难与农业研究进行结合。 叶片的叶绿素相对值（ＳＰＡＤ）与表观颜色具有 较高的关联性，同时水肥条件对叶片 ＳＰＡＤ也有影 图１　叶色数据采集装置结构图 响，所以ＳＰＡＤ可以将叶色与水肥等环境条件进行 Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌｅａｆｃｏｌｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ 一定的关联，本文提出一种基于 ＳＰＡＤ的叶色渲染 １．植物叶片　２．软磁条　３．光源　４．塑料盒　５．柔光布　６．相 方法，通过调控 ＳＰＡＤ，对叶片颜色进行真实感模