基于优化Delaunay三角剖分的植物微观组织重建方法技术

本发明专利技术属于建立多孔结构仿真模型领域，涉及基于优化的Delaunay三角剖分的植物微观组织重建方法。该方法包括：获取对植物微观组织切片显微图片，对显微图片进行预处理，获取其二值图片；提取二值图片中细胞单元的质心点和组织最外轮廓点，将它们加入Delaunay三角剖分的点集中；对二值图片进行Delaunay三角剖分，并利用虚拟分割技术对Delaunay三角剖分进行优化；使用距离权重镶嵌算法对二值图片进行重建，得到植物微观组织的精确重建结构。本发明专利技术能在植物组织结构相当复杂的情况下完成对组织结构边界的精确重建，并且重建耗时少，重建结构简单，利于之后的有限元仿真模型的建立，提高了仿真的准确性和高效性。

Reconstruction of Plant Microstructure Based on Optimized Delaunay Triangulation

The invention belongs to the field of establishing a porous structure simulation model, and relates to a plant micro-tissue reconstruction method based on optimized Delaunay triangulation. The method includes: obtaining micro-images of plant micro-tissue slices, preprocessing micro-images and obtaining their binary images; extracting the centroid points of cell units and the outline points of tissue in the binary images, and adding them to the point set of Delaunay triangulation; triangulating binary images by Delaunay triangulation, and using virtual segmentation technology to optimize Delaunay triangulation. The distance weight mosaic algorithm is used to reconstruct the binary image, and the precise reconstruction structure of plant micro-structure is obtained. The invention can reconstruct the boundary of the plant tissue structure accurately under the condition that the plant tissue structure is quite complex, and the reconstruction takes less time, and the reconstruction structure is simple, which is advantageous to the establishment of the finite element simulation model after that, and improves the accuracy and efficiency of the simulation.

【技术实现步骤摘要】
基于优化Delaunay三角剖分的植物微观组织重建方法
本专利技术涉及建立多孔结构仿真模型领域，尤其涉及一种针对植物多孔组织结构的植物微观组织重建方法。
技术介绍
植物仿真力学模型的建立对于仿真研究植物的多尺度结构的力学性能来说具有至关重要的作用。仿真力学模型的精确性和高效性对于结构力学仿真的结果准确与否起着直接决定作用。现有的常用植物仿真力学模型的建立方法有：通过CT扫描可以精确重建其三维结构，但该方法建立的三维模型过于复杂不利于仿真。基于Delaunay三角化的Voronoi法是重建植物非规则多孔结构的经典方法，该方法先对植物组织二值图片进行Delaunay三角剖分，再建立与该Delaunay三角剖分图成对偶图的Voronoi图。该方法建立模型的过程简单，但所重建的力学模型的准确性较低，尤其是当相邻细胞单元面积相差很大或长条及凹边细胞较多时，该方法几乎不能重建出和原植物组织结构几何特征相似的重建模型。而且Voronoi法不能重建出模型的最外边界，因而不能重建具有明显边界的植物结构。
技术实现思路
针对上述现有方法的缺点和不足，本专利技术的目的在于：提供一种针对相邻细胞单元面积相差很大或长条及凹边细胞较多的植物组织模型的精确重建方法，并且针对具有明显边界的植物结构提供高精度的边界重建，从而得到一种适用范围更广的高精度重建方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于优化Delaunay三角剖分的植物微观组织重建方法，包括如下步骤：(1)获取对植物微观组织切片显微图像，对显微图片进行预处理，获取其二值图片；(2)提取二值图片中细胞单元的质心点和组织最外轮廓点，将它们加入Delaunay三角剖分的点集中；(3)对二值图片进行Delaunay三角剖分，并利用虚拟分割技术对Delaunay三角剖分进行优化；(4)使用距离权重镶嵌算法对二值图片进行重建，得到植物微观组织的精确重建结构。本专利技术的原理是：首先获得植物组织切片的二值化图片，其次利用虚拟分割技术对Delaunay三角剖分进行优化，在MATLAB中利用优化的Delaunay三角剖分对图片进行三角分割；基于Delaunay三角剖分的点集使用添加了精准轮廓的距离权重镶嵌算法对二值图片进行重建，最终得到植物微观组织的精确重建结构。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术方法能在植物组织结构相当复杂的情况下完成对组织结构的精确重建，针对传统算法难以重建的相邻细胞单元面积相差很大或长条及凹边细胞较多的植物组织模型，以及具有有限最外边界的组织图片，可以得到相当高精度的重建结构，具有更大的适用范围。(2)本方法重建耗时少，重建的结构也足够简单，利于之后的有限元仿真模型的建立，提高了仿真的准确性和高效性。附图说明图1为本专利技术植物微观组织重建方法流程图；图2为一种植物组织切片的显微图片及其预处理后的二值图，其中：(a)为显微图片，(b)为预处理后的二值图；图3为获取组织最外轮廓像素点的示意图，其中：(a)为二值图，(b)为截面大连通区域图，(c)为提取的最外轮廓；图4为虚拟分割法优化Delaunay三角剖分及基于优化后三角剖分的重建结果图，其中：(a)为植物细胞结构示意图，(b)为将细胞质心点用长轴方向的四个虚拟质心点取代的示意图，(c)为优化后的Delaunay三角剖分图，(d)为采用优化后的三角剖分图对细胞结构的重建结果图；图5为传统的Delaunay三角剖分及基于此三角剖分的重建结果图，其中：(a)为植物细胞结构示意图，(b)为传统的三角剖分图，(c)为采用传统三角剖分图对细胞结构的重建结果图；图6为距离权重镶嵌算法的原理图；图7为采用基于虚拟分割法优化Delaunay三角剖分的距离权重镶嵌算法重建组织切片显微图后的重建结果。具体实施方式下面结合具体实例对本专利技术作进一步具体详细描述，但本专利技术的实施方式并不限定于此。本实施例中，基于优化的Delaunay三角剖分的植物微观组织重建方法，如图1所示，包括如下步骤：(1)获取对植物微观组织切片显微图片，对显微图片进行预处理，获取其二值图片，具体为：对植物微观组织进行切片处理，并通过SEM获取其显微图像；对显微图片进行预处理：对显微图片进行阈值分割处理，得到二值图片，并在图像处理软件中对二值图片进行适当手动修复，获取可进行组织重建的二值图片。图2为一种植物组织切片的显微图片及其预处理后的二值图。植物显微图片无法直接用于重建算法，先对显微图片进行阈值分割处理，如图2中的(a)所示，再在图像处理软件中对处理后的图片进行适当手动修复，获取可用于重建算法的二值图片，如图2中的(b)所示。(2)提取二值图片中细胞单元的质心点和组织最外轮廓点，将它们加入Delaunay三角剖分的点集中，具体为：读入二值图片，提取图片中代表细胞的各连通区域的质心点坐标；对二值图片进行闭运算处理，并通过腐蚀运算和填补空洞运算，将整个组织截面变为一个大连通区域，获取这个大连通区域的轮廓点；对轮廓点根据组织最外圈细胞数量选取其中的保留轮廓特征的一些重要轮廓点，将质心点和轮廓点都放入Delaunay三角剖分的点集当中。(3)对二值图片进行Delaunay三角剖分，并利用虚拟分割技术对Delaunay三角剖分进行优化，具体为：选取Delaunay三角剖分的点集中其所属细胞形状长宽比过大或内凹特征明显的质心点；对所选取的质心点进行虚拟分割操作，即将其用沿与其所在细胞区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴方向的四个新质心点取代，由于新的质心点与长轴两端细胞质心之间距离缩到很短，根据Delaunay三角剖分以最接近的三点形成三角形的生成条件，新质心点会与长轴两端细胞质心位于同一剖分三角形，用这四个新质心点替换原始质心点，加入到Delaunay三角剖分的点集中，则实际的Delaunay三角剖分图就变为图4中的(c)。基于生成的Delaunay三角剖分的点集对二值图片进行Delaunay三角剖分，获取优化的三角剖分图。图3为获取组织最外轮廓像素点的示意图。步骤(2)中二值图中代表各细胞区域的连通区域的质心点可在MATLAB中使用‘regionprops’函数获取，而其组织的最外轮廓点不能直接获得，在MATLAB中运用闭运算处理如图3中的(a)所示的二值图片，并通过适当腐蚀运算和填补空洞运算，将整个组织截面变为一个大连通区域，如图3中的(b)所示，再使用“bwboundaries”函数提取得到组织最外轮廓点的坐标，如图3中的(c)所示。为简化算法运算量，可在轮廓点中选取部分点作为特征点，将这些点与细胞单元的质心点一起加入Delaunay三角剖分的点集中。图4为虚拟分割法优化Delaunay三角剖分及基于优化后三角剖分的重建结果图，并与图5未经优化的重建结果作对比。如图4所示，为了本专利技术方法能准确重建传统方法难以良好重建的长条形和内凹形细胞结构，将细胞质心点用长轴方向的四个虚拟质心点取代，如图4的(b)所示，用这些虚拟质心代替原始质心加入Delaunay三角剖分点集中，并在Delaunay三角剖分后，将虚拟质心点替换回原始细胞质心点，则可得到利于之后重建算法的优化的Delaunay三角剖分图，如图4中的(c)所示。图4中的(d)、图5中的(c)分别为采用优化后的三角剖分图和未本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于优化Delaunay三角剖分的植物微观组织重建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取对植物微观组织切片显微图片，对显微图片进行预处理，获取其二值图片；步骤2：提取二值图片中细胞单元的质心点和组织最外轮廓点，将它们加入Delaunay三角剖分的点集中；步骤3：对二值图片进行Delaunay三角剖分，并利用虚拟分割技术对Delaunay三角剖分进行优化；步骤4：使用距离权重镶嵌算法对二值图片进行重建，得到植物微观组织的精确重建结构。

【技术特征摘要】
1.基于优化Delaunay三角剖分的植物微观组织重建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取对植物微观组织切片显微图片，对显微图片进行预处理，获取其二值图片；步骤2：提取二值图片中细胞单元的质心点和组织最外轮廓点，将它们加入Delaunay三角剖分的点集中；步骤3：对二值图片进行Delaunay三角剖分，并利用虚拟分割技术对Delaunay三角剖分进行优化；步骤4：使用距离权重镶嵌算法对二值图片进行重建，得到植物微观组织的精确重建结构。2.根据权利要求1所述的植物微观组织重建方法，其特征在于，步骤1包括：对植物微观组织进行切片处理，并通过SEM获取其显微图片；对显微图片进行预处理：对显微图片进行阈值分割处理，得到二值图片，并对二值图片进行手动修复，获取可进行组织重建的二值图片。3.根据权利要求1所述的植物微观组织重建方法，其特征在于，步骤2包括：读入二值图片，提取二值图片中代表细胞的各连通区域的质心点坐标；对二值图片进行闭运算处理，并通过腐蚀运算和填补空洞运算，将整个组织截面变为一个大连通区域，获取这个大连通区域的轮廓点；对轮廓点根据组织最外圈细...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旺玉，张凌，黄家乐，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44