[发明专利]一种植物根系分叉特征的骨架提取方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及无损检测和科学计算可视化相结合的交叉学科技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明采用以下技术方案：

本发明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：