[发明专利]一种叶片形态空间校正的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种叶片形态空间校正的方法，本发明还公开了该方法在校正叶片形态空间中的应用。采用本发明所述的方法可以对植物的叶片进行空间重建，通过三维重建技术对叶片开展空间校准，可以校正叶片形态空间，或者使不同发育时间点的同一张叶片在形态上进行标准化的比较，以研究其生长规律。

技术领域

本发明涉及一种叶片形态空间校正的方法及其应用。

背景技术

叶片是植物生长的重要器官，其形态呈现是植物“理想株型”的重要组成部分。植物随年龄或发育进程产生的异速化叶片扩张将使连续性叶形变化特征出现，导致“异形叶(heteroblasty)”现象。此外，环境对叶片表型可塑性的调控也都通过叶形异质化改变的方式实现。

叶片类型丰富，披针形、卵形、倒卵形、椭圆形是经典的几类叶形描述术语。长宽比、叶形指数等定性指标是典型的传统叶形描述方法。该方法对叶形只可粗略，但是对发育过程累积得到的连续型形态变化无法准确捕获。要想准确定量描述叶片形状，叶片图像必不可少。作为研究形态变异的最佳手段，图像极大促进了叶片二维轮廓的精确勾勒。利用轮廓信息，叶片中心可被定位，叶片边缘绕中心点在平面360度范围的距离可被计算，叶形变异最终可通过该方式得到量化。

摆放姿态是形状研究的重要影响因素，它包含位置、大小、角度等三方面细化因子。为克服姿态对形状精准解析带来的偏差效应，Gower与Dijksterhuis(2004)提出了正交化普鲁克分析(orthogonal procrustes analysis)的形状校准方法。在消除位置效应方面，该方法首先对不同图片的轮廓分别计算中心坐标，利用轮廓坐标与中心坐标相减的方式获得新轮廓坐标，新轮廓在几何中心处重合。在大小效应方面，各轮廓点坐标的欧式模可作为分母，实际坐标与欧式模相除后即可消除大小效应。针对角度效应，旋转角度θ与轮廓坐标(x,y)之间可通过(xcos(θ)+ysin(θ)，-xsin(θ)+ycos(θ))的算法去除。可以看出，三层次的校正都基于所有物体轮廓在相同平面内获得的前提，即相机相对拍照平面必须保持不变,该方法因此对植物离体叶片的形状研究较为适用。然而，离体后叶片无法自主发育，离体的叶片拍照方法将对“异形叶”的形态追踪构成致命缺陷。

非离体叶片照相是不同发育进程中“异形叶”形态研究的重要手段，但是，各发育时间点的同一张叶片形态受相机内部参数和以相机空间姿态为代表的相机外部参数影响较大。正交化普鲁克分析方法只可校准特定二维平面的位置、大小、角度效应，对待非离体叶片图像，如何消除三维空间效应是本发明的重点解决问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种叶片形态空间校正的方法，该方法包含以下步骤：

(1)获取叶片在该形态空间中的轮廓；

(2)设定叶片在三维空间上的限位框，其中该限位框在X轴、Y轴、Z轴上的区域范围分别为[-600,600]、[-900,900]、[1,1.2]，单位为毫米；在该限位框的区域范围内，以0.1mm作为空间间隔产生体素点；

(3)将内参矩阵K与叶片的外参矩阵Ri,平移向量ti相乘，构建Mi矩阵，即Mi＝K*[Riti]，以Mi矩阵左乘体素点的实际三维坐标(x,y,z)^T，获得包含计算结果(x1,y1,z1)，以(x1/z1,y1/z1)的结果作为体素点在平面上的二维坐标点；

判断所述二维坐标点是否落入轮廓内，如果落入轮廓内，则设定体素点的投影得票数为1；

(4)筛选投影得票数为1的体素点，取其实际三维坐标中的前两维实际坐标(x,y)，分别进行位置归一化，从而构成叶片形态空间校正的轮廓。

本发明还提供了上述方法在校正叶片形态空间中的应用。

采用本发明所述的方法可以对植物的叶片进行空间重建，通过三维重建技术对叶片开展空间校准，可以校正叶片形态空间，或者使不同发育时间点的同一张叶片在形态上进行标准化的比较，以研究其生长规律。