基于结构光和叶绿素荧光的植株光合表型成像系统研究.pdf

摘要

在植物科学领域，了解植株表型和光合效率一直是重要课题。这些信息对于培育

抗逆、优良的作物品种以及提高作物的产量和资源利用效率至关重要。光合效率在此

过程中扮演着关键角色，直接影响植株的生长和产量。为了全面了解植株的光合效率，

传统的生长参数和叶绿素荧光等多个参数都需要考虑在内。然而，传统的人工检测方

法存在着耗时、费力、精度低等问题，而机器视觉等无损检测技术则具有更高的效率

和精度。近年来，基于多光谱、高光谱的新型植株表型探测技术与设备快速发展，如

Plant-Explorer-XS、Fluor-Cam等设备具有植株生长状态和光合效率监测等功能。然而，

现有方法和设备主要局限于二维图像，难以全面了解植株的光合情况。此外，目前市

场主流的植株光合效率检测设备价格昂贵，应用门槛高，大规模推广困难。因此，本

文旨在利用机器视觉技术开发植株三维光合效率信息获取和分析系统，将植株三维表

型与光合效率分析相结合，以深入研究光合作用的空间异质性。主要研究内容包括：

（1）搭建了三维叶绿素荧光成像系统：设计并建立了一个全面的三维叶绿素荧

光成像系统，该系统包括了激发光源、图像采集设备、编程环境、仪器控制以及Python

与MATLAB编程等多个组成部分。这一系统不仅具备高效的图像采集能力，更能够

支持后续的图像处理和分析，为研究提供了可靠的实验基础。

（2）运用了双频十二步相移条纹投影法进行三维重建：对结构光投影三维成像

技术进行了分类讨论，并着重介绍了双频十二步相移条纹投影三维重建原理，包括测

量系统光路、测量原理、相位解调、相位计算以及展开等关键步骤。这种创新性的方

法在试验中得到了应用，通过双频十二步相移条纹投影，成功实现了对植株样本的三

维成像重建，为植物三维光合表型分析提供了基本理论支持。

（3）探究了基于叶绿素荧光图像的三维植株光合效率检测方法：在实验阶段，

采集了植株样本，并运用叶绿素荧光图像和三维点云数据进行深入分析，成功计算了

叶绿素荧光参数。进一步研究了基于叶绿素荧光图像的三维植株光合效率检测方法，

包括可行性研究和伪色彩图模型应用。对系统进行了全面性能评估，特别是植株光合

效率参数的准确测量，并在水分和盐胁迫条件下进行验证试验。这项研究突出了整合

结构光三维重建技术与叶绿素荧光成像技术，在植物生理状态监测方面取得的创新成

果，为未来系统优化提供了重要指导。

关键词：结构光投影；叶绿素荧光；植株表型成像；三维重构；异质性分析

II

目录

第一章绪论1

1.1研究课题背景及意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1叶绿素荧光技术研究现状2

1.2.2三维重建技术研究现状3

1.3主要内容与技术路线规划5

1.3.1主要内容研究5

1.3.2技术路线7

1.4论文组织结构8

第二章系统基本原理9

2.1结构光三维成像技术分类9

2.2双频条纹投影三维重建原理10

2.3相位解调13

2.3.1傅里叶变换法相位解调13

2.3.2相移法相位解调14

2.4相位展开原理及算法16

2.4.1相位展开原理16

2.4.2相位展开算法17

2.5系统标定19

2.5.1相机标定原理19

2.5.2投影仪标定原理20

2.6叶绿素荧光成像技术21

2.6.1叶绿素荧光激发原理21

2.6.2叶绿素荧光参数22

2.7本章小结23

第三章三维叶绿素荧光成像系统的构建24

3.1三维叶绿素荧光成像系统的结构24

3.1.1成像系统设计24

3.