一种植物根系分叉特征的骨架提取方法技术

本发明专利技术公开了一种植物根系分叉特征的骨架提取方法，包括下述步骤：(1)获取图像：获取植物根系的横截面断层序列CT序列图；(2)分叉根段CT序列图定位：利用剩余凸包面积检测技术，将根系的CT轮廓分为含分枝和不含分枝的轮廓；(3)区域分离：对凹点检测分割方法对含有分枝的轮廓进行分离操作；(4)主根分叉CT序列图定位：选择合适的开运算和圆度阈值，定位出主根分叉CT序列图；(5)骨架提取：利用主根分叉起始处的CT轮廓质心点，和不含分枝的子根段CT序列图的质点，进行三维曲线插值拟合，得到较好效果的根系骨架。本发明专利技术可以自动识别根据根系CT序列图的分叉特征，并做区域分离和主根分叉特征区段的定位后的插值拟合，大大简化操作。

A skeleton extraction method for plant root system bifurcation characteristics

The present invention discloses a skeleton extraction method of plant root bifurcation characteristics, including the following steps: (1) obtaining the image: obtaining the CT sequence diagram of the cross sectional fault sequence of the plant roots; (2) the location of the bifurcated root segment CT sequence map: using the residual convex area detection technique, the CT outline of the root system is divided into branching and non branching wheels (3) region separation: the segmentation method for the concave point detection and segmentation method for the separation of the contours containing branching; (4) the main root bifurcation CT sequence map location: select the appropriate open operation and the roundness threshold, locate the main root bifurcation CT sequence diagram; (5) skeleton extraction: Using the CT contour center point at the starting point of the main root, and the non branching sub The particle of CT sequence diagram of root segment was interpolated and fitted by three dimensional curve. The invention can automatically identify the bifurcation characteristics according to the CT sequence diagram of the root system, and make the interpolation fitting after regional separation and the location of the characteristic section of the main root bifurcation, and greatly simplify the operation.

【技术实现步骤摘要】
一种植物根系分叉特征的骨架提取方法
本专利技术涉及无损检测和科学计算可视化相结合的交叉学科
，更具体地说，涉及基于植物根系分叉CT序列图特征的三维体模型骨架快速提取技术。
技术介绍
根系是植物生长在土壤中的重要器官，为了能实现对土壤介质中的根进行原位无损检测，可以采用基于X射线的层析成像技术，并通过计算机的三维重建技术得到三维根系表面或体模型，做进一步的三维骨架提取工作。骨架模型：称为继声音、图像和视频之后的第4种多媒体数据类型。用于三维对象的描述、检索、匹配、标记、跟踪、识别、压缩、表型参数测量等，有助于对其属性的评估，例如：规模大小、定位、拓扑关系等。构建基于CT序列图的根系骨架模型，是计算根长、根个数等根系表型参数重要方法，对理解植物根系生长习性研究和基因育种有重要应用价值。《植物根系三维矢量模型的构建与分析》文献公开了在主根分枝过渡根段分叉点的确定办法，通过分枝根段中的第一个骨架点与向主根段中的点进行连线，计算线段与分枝根段法向量的夹角，当夹角为最小接近0时，判定为该根段的分叉点。该方法对分枝根中第一个骨架点确定要求较高，对于主根枝过渡根段较长且有螺旋结构时，其定位的分叉点出现容易出现错误。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种植物根系分叉特征的骨架提取方法，本专利技术能够自动识别根据根系CT序列图的分叉特征，并做区域分离和主根分叉特征区段的定位后的插值拟合，可以在根系的三维体数据中显示更好的骨架模型。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术一种植物根系分叉特征的骨架提取方法，包括下述步骤：(1)获取图像：获取植物根系的横截面断层序列CT序列图；(2)分叉根段CT序列图定位：利用剩余凸包面积检测技术，将根系的CT轮廓分为含分枝和不含分枝的轮廓图；(3)区域分离：对凹点检测分割方法对含有分枝的轮廓进行分离操作；(4)主根分叉CT序列图定位：选择合适的开运算和圆度阈值，定位出主根分叉CT序列图；(5)骨架提取：利用主根分叉起始处的CT轮廓质心点，和不含分枝的子根段CT序列图的质点，进行三维曲线插值拟合，得到较好效果的根系骨架。作为优选的技术方案，步骤(1)中，采用工业CT的X射线层析成像技术获取植物根系的横截面断层序列图像。作为优选的技术方案，步骤(1)中，获取CT序列图后，进行预处理，具体为：根据像素阈值分割获得CT序列图中的根系轮廓，再利用图像处理中的中值滤波或者尺寸大小为(3,3)的矩形核开运算，对CT序列图进行除杂平滑操作，去除CT序列图中的噪点。作为优选的技术方案，步骤(2)中，所述的剩余凸包面积检测技术是指：先用凸包检测方法对根系的CT轮廓进行初步检测，然后用凸包的轮廓减去原图的轮廓，计算所剩余的凸包轮廓面积。作为优选的技术方案，将根系的CT轮廓分为含分枝和不含分枝的轮廓，具体方法为：根据根系横截面的轮廓特征，如果没有出现分枝则轮廓图会比较圆满，如果是带有分枝的轮廓图，其主根轮廓与分枝轮廓之间形成一个或一个以上的凹陷区域；首先计算CT序列图中根轮廓的凸包，并再次计算凸包减去原图剩余的区域的面积；通过对植物根系轮廓的剩余凸包面积计算和统计，符合如下规律：在含有分枝根段的CT轮廓，其计算出的剩余凸包面积大于0时；而不含分枝根段的CT轮廓，其计算出的面积等于0；因此，当计算出根系轮廓的剩余凸包面积大于0时，可以初步判定为含分枝的轮廓，剩余凸包面积等于0时，则为不含分枝的轮廓。作为优选的技术方案，步骤(3)中，植物根系结构分为主根和侧根，因为侧根的生长布局不规则排布，导致得到的CT切片上的根系横截面所呈现的根系轮廓具有以下几个特征：(一)不含分枝的根系CT轮廓，边缘光滑，接近椭圆或圆；(二)主根上生长出细小侧枝，在CT轮廓上图像呈“蝌蚪”形状；(三)主根出现分叉特征的根段，先由椭圆逐渐变化呈“草帽”侧视图或“葫芦”的剖面图，最后分离呈两个或两个以上的椭圆或圆形图；对于第(一)种根枝CT轮廓，是单个独立根枝上的轮廓，其提取出来的质心点具有中心性；对于第(二)种出现分叉特征的CT序列图，采用凹点检测的方法来进行区域分离，把原来一个根系轮廓分成两个，变成两个不含分枝的根系轮廓；对于第(三)种轮廓出现的“葫芦”形状的可被部分分离，变成两个或两个以上的轮廓。作为优选的技术方案，步骤(4)中，经过步骤(3)的区域分离后，对于主根上出现分叉特征的CT轮廓，由于检测不出凹点，而不能被进行准确分离，经过分离后CT轮廓，再经过开运算处理后，用根截面的圆率公式：其中，A表示根截面面积，l表示根截面周长；计算圆度，高于设定的阈值时，那么该轮廓可以被当作不含分枝的CT轮廓，小于阈值范围的即为主根上含分枝的CT轮廓，因此通过该方法定位出主根中分叉特征过渡根段的CT轮廓区域，并选取这类骨架点集中的合适点作为分叉的起始点，所述合适点是指轮廓圆度值较大的点。作为优选的技术方案，步骤(5)中，骨架提取的具体方法为：(5-1)把根系的CT序列图分成三部分：(A)不含分枝的根系CT序列图；(B)含分枝特征经过图像处理后，圆度在阈值范围之外的CT序列图；(C)含分枝特征经过图像处理后，圆度小于阈值范围之内的CT序列图；(5-2)根枝上骨架点分组，把属于同一分枝上的骨架点保存在一个类中；设图像的高和宽分别位M和L，g(i,j)位图像在坐标(i,j)处的灰度值，i和j分别为图像的行和列，则可以得到根系截面轮廓的质点公式：求上一步中每张CT序列图轮廓的质心点；如果该分叉根处的分枝的个数为N，根据点的空间连通关系，将该根段CT序列图上具有N个骨架点分别保留在相应的根干上，即将同一根枝上的CT轮廓保存在同一枝干上；(5-3)选择合适的下采样，对属于同一根枝上的骨架点进行采集，对于CT切片得到的图像，因为层与层间隔较小，影响骨架线的光滑性，所以需要对骨架点进行下采样，选择没有分枝根段轮廓和分枝过渡根段分离后圆度大于阈值轮廓中的骨架点作为控制点；(5-4)三维插值拟合，根据三维曲线参数方程，选择上述经过下采样的控制点进行曲线拟合，选择含分枝CT轮廓的质点作为分叉起始点，与含分枝特征经过分离后具有分枝个数的CT序列图中轮廓的质心点和不含分枝轮廓具有分枝个数的质心点，用B样条曲线参数方程，进行空间三维插值拟合，得到平滑的一维曲线骨架模型。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术针对植物根系横截面的CT序列图提取骨架模型方法中，自动识别根据根系CT序列图的分叉特征，并做区域分离和主根分叉特征区段的定位后的插值拟合，可以在根系的三维体数据中显示更好的骨架模型。本专利技术的定位算法不仅适用与主根下两个分枝的情况，也适用于主根下三个分枝的情况。2、本专利技术有效地结合三维体图形数据与对应二维图像特征，根据轮廓质点计算公式获得根系截面的骨架点云，然后根据这些点云连线拟合出更符合根系生长特征的骨架模型，对植物根系的生长和基因育种研究更有参考价值。3、本专利技术适用的数据不限于XCT切片得来的数据，对其他激光扫描得到的三维网格数据或其他方式得到的体数据也适用。4、本专利技术的横切面质心提取保证了骨架的中心性，消除了相邻分枝对骨架的影响；本专利技术的结构化骨架有效地保留了原始真实根系的拓扑结构和几何特性；同样，本专利技术对于带有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植物根系分叉特征的骨架提取方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)获取图像：获取植物根系的横截面断层序列CT序列图；(2)分叉根段CT序列图定位：利用剩余凸包面积检测技术，将根系的CT轮廓分为含分枝和不含分枝的轮廓图；(3)区域分离：对凹点检测分割方法对含有分枝的轮廓进行分离操作；(4)主根分叉CT序列图定位：选择合适的开运算和圆度阈值，定位出主根分叉CT序列图；(5)骨架提取：利用主根分叉起始处的CT轮廓质心点，和不含分枝的子根段CT序列图的质点，进行三维曲线插值拟合，得到较好效果的根系骨架。

【技术特征摘要】
1.一种植物根系分叉特征的骨架提取方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)获取图像：获取植物根系的横截面断层序列CT序列图；(2)分叉根段CT序列图定位：利用剩余凸包面积检测技术，将根系的CT轮廓分为含分枝和不含分枝的轮廓图；(3)区域分离：对凹点检测分割方法对含有分枝的轮廓进行分离操作；(4)主根分叉CT序列图定位：选择合适的开运算和圆度阈值，定位出主根分叉CT序列图；(5)骨架提取：利用主根分叉起始处的CT轮廓质心点，和不含分枝的子根段CT序列图的质点，进行三维曲线插值拟合，得到较好效果的根系骨架。2.根据权利要求1所述植物根系分叉特征的骨架提取方法，其特征在于，步骤(1)中，采用工业CT的X射线层析成像技术获取植物根系的横截面断层序列图像。3.根据权利要求1所述植物根系分叉特征的骨架提取方法，其特征在于，步骤(1)中，获取CT序列图后，进行预处理，具体为：根据像素阈值分割获得CT序列图中的根系轮廓，再利用图像处理中的中值滤波或者尺寸大小为(3,3)的矩形核开运算，对CT序列图进行除杂平滑操作，去除CT序列图中的噪点。4.根据权利要求1所述植物根系分叉特征的骨架提取方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的剩余凸包面积检测技术是指：先用凸包检测方法对根系的CT轮廓进行初步检测，然后用凸包的轮廓减去原图的轮廓，计算所剩余的凸包轮廓面积。5.根据权利要求4所述植物根系分叉特征的骨架提取方法，其特征在于，将根系的CT轮廓分为含分枝和不含分枝的轮廓，具体方法为：根据根系横截面的轮廓特征，如果没有出现分枝则轮廓图会比较圆满，如果是带有分枝的轮廓图，其主根轮廓与分枝轮廓之间形成一个或一个以上的凹陷区域；首先计算CT序列图中根轮廓的凸包，并再次计算凸包减去原图剩余的区域的面积；通过对植物根系轮廓的剩余凸包面积计算和统计，符合如下规律：在含有分枝根段的CT轮廓，其计算出的剩余凸包面积大于0时；而不含分枝根段的CT轮廓，其计算出的面积等于0；因此，当计算出根系轮廓的剩余凸包面积大于0时，可以初步判定为含分枝的轮廓，剩余凸包面积等于0时，则为不含分枝的轮廓。6.根据权利要求1所述植物根系分叉特征的骨架提取方法，其特征在于，步骤(3)中，植物根系结构分为主根和侧根，因为侧根的生长布局不规则排布，导致得到的CT切片上的根系横截面所呈现的根系轮廓具有以下几个特征：(一)不含分枝的根系CT轮廓，边缘光滑，接近椭圆或圆；(二)主根上生长出细小侧枝，在CT轮廓上图像呈“蝌蚪”形状；(三)主根出现分叉特征的根段，先由椭圆逐渐...

【专利技术属性】
技术研发人员：周学成，王高峰，陈富强，杨自尚，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44