專利名稱：一種作物單根可變形建模方法
技術領域：
本發(fā)明涉及作物根系三維重建與可視化領域，具體涉及一種作物單根可變形建模方法。
背景技術：
背景介紹:作物根系深藏于地下，很難對其進行直接觀測，在計算機上以三維可視化計算和視覺體驗方式來表征作物根系的長相和長勢，有助于研究者更全面直觀地了解根系的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，具有極其重要的意義。國內(nèi)外研究者在作物根系三維建模與可視化方面開展了廣泛的工作，這些方法主要可分為兩大類:一種是基于計算機算法模擬的作物根系三維建模，另外一類是基于實測數(shù)據(jù)的作物根系三維重建。由于人們難以直觀獲得作物根系的三維形態(tài)信息，使得作物根系的三維形態(tài)建模主要以計算機模擬方法為主，即通過分析作物根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，或基于對作物根系破壞性探測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的基礎上，采用計算機圖形學中一些模擬算法進行作物根系的三維建模與可視化，這種 方法所構(gòu)造的作物根系三維模型與實際根系具有形態(tài)上的相似性。張吳平等在棉花根系生長發(fā)育的虛擬研究(系統(tǒng)仿真學報，2006, 18(Z1):283-286)及小麥苗期根系三維生長動態(tài)模型的建立與應用(中國農(nóng)業(yè)科學，2006, 39 (11): 2261-2269)中采用GREENLAB植物功能一結(jié)構(gòu)模型的原理，在根系生長發(fā)育基本單元基礎上，模擬了根系的拓撲結(jié)構(gòu)，并以三維可視化的方式給出根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)空間分布，構(gòu)建了小麥與棉花的根系模型。鄧旭陽等在小麥苗期根系三維生長動態(tài)模型的建立與應用(中國農(nóng)業(yè)科學，2006，39(11):2261-2269.)中采用粒子系統(tǒng)的方法對玉米根系進行了三維可視化模擬。趙春江等在基于交互式骨架模型的玉米根系三維可視化研究(農(nóng)業(yè)工程學報，2007, 23 (9): 1-6)中提出一種植物根系逐部位交互式精確設計方法，并在玉米根系建模中應用。Han 等在 A functional-structural modeling approach to autoregulation ofnodulation (Annals Of Botany, 2011，107(5):855-863.)中利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，采用 RULD 方法對大豆根系及根瘤進行三維建模，并利用信號傳遞機制模擬大豆根系的生長。與基于計算機算法模擬的建模方法相比，基于原位探測的作物根系三維重建更能真實反映作物根系的實際形態(tài)。較完整地對作物根系進行原位測量需昂貴的儀器，且大多針對根系生長前期獲取，目前基于原位探測數(shù)據(jù)的作物根系三維重建以基于XCT或多視角圖像為主。在作物根系圖像分析方面，美國Clemson大學在基于二維圖像的根系識別方面進行了深入的研究，圖像中的根系與血管形態(tài)類似，因此，Zeng等將血管識別的匹配濾波方法應用于微根管圖像的根系識別中來，結(jié)合熵閾值方法實現(xiàn)了微根管圖像的根系識別與測量，并利用5種分類器優(yōu)化方法提高了識別率，其后又提出一種基于Gibbs點過程結(jié)合Candy模型的微根管圖像根系快速自動識別方法?；趯崪y數(shù)據(jù)的作物根系三維重建方法對設備要求比較高，成像設備昂貴，且基于實測數(shù)據(jù)構(gòu)建的作物根系僅能恢復主根的三維形態(tài)，無法準確刻畫根毛等細節(jié)；另一方面，基于算法生成的作物根系規(guī)律性強，真實感不高，且各算法都具有一定的局限性，無法對不同作物的根系進行三維建模。對于作物根系的圖像分析研究目前只是停留在根系圖像參數(shù)提取與測量方面，其尚未用于高真實感的作物根系三維模型構(gòu)建。

發(fā)明內(nèi)容
(一)解決的技術問題針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種作物單根可變形建模方法。本發(fā)明基于根系平板掃描圖像構(gòu)建作物根系的單根幾何模型，建模模型上的主根與根毛在長度約束的前提下可根據(jù)實際需求發(fā)生幾何形變，進一步為基于參數(shù)化的作物根系幾何建模提供具有高真實感的作物根系幾何模板。(二)技術方案為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn):一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，包括以下步驟:S1、將單根平板掃描圖像進行圖像預處理，得到單根骨架圖像；S2、將所述單根骨架圖像進行圖像分割；S3、將分割完成的圖像進行單根參數(shù)提取；

S4、依據(jù)提取的單根參數(shù)進行單根可變形建模。其中，步驟SI中單根平板掃描圖像為彩色圖像，所述預處理包括以下步驟:分離所述彩色圖像中的藍色通道，將藍色通道的圖像作為目標圖像，將所述目標圖像進行二值化處理，對二值化處理后的圖像進行孤島刪除，將孤島刪除后的圖像進行細化，得到單根骨架圖像。其中，步驟S2中包含步驟:指定所述單根骨架圖像中主根的起點與終點，根據(jù)所述起點到終點的最短路徑法進行單根骨架圖像中主根的分割，所述分割的圖像的像素區(qū)域包含主根區(qū)域、多個分枝根區(qū)域和無根區(qū)域。其中，單根骨架圖像上除無根區(qū)以外的像素點分為末端點、分枝點和一般點；末端點包括起點和終點，分支點為生長出分枝根的點，一般點為分枝點與末端點之外的所有點；單根骨架圖像中沿分枝點拓展的像素區(qū)域即為主根上的分枝根，所述分枝根以主根上的分枝點作為其起點，距離其像素連通距離最遠的末端點為終點。其中，步驟S3中提取的單根參數(shù)包括主根長、各分枝根在主根上的分枝點、各分枝根與主根分枝點的夾角及各根的初始粗度。其中，主根長由單根骨架圖像分割的主根像素長度確定；各分枝根在主根上的分枝點由該分枝點到主根起點的像素距尚和主根長的比值確定；各分枝根與主根分枝點的夾角直接在單根骨架圖像中提??；各根的初始粗度由細化前的單根平板掃描圖像中提取。其中，步驟S4中單根可變形建模包含以下步驟:S41、將主根與各分枝根按位置信息與實際比例，通過保持二維像素空間的二維坐標不變，增加具有連續(xù)性的一維度坐標的方式，轉(zhuǎn)化為具有三維坐標的幾何模型；S42、根據(jù)所述三維坐標的幾何模型，分枝根和次級分枝根按隨機生成的相對于主根的方位角，在其對應生長點按照對應的夾角在主根模型上建模，生成單根的三維模型。其中，步驟S4中單根可變形建?？僧a(chǎn)生幾何形變，產(chǎn)生的幾何形變包括:保持主根的長度和直徑不變的情況下形態(tài)發(fā)生的形變；保持各分枝根在主根上的生長點的不變的情況下分枝根與主根夾角發(fā)生的形變，以及分枝根相對主根方位角發(fā)生的形變；保持分枝根自身長度與直徑不變的情況下形態(tài)發(fā)生的形變。(三)有益效果本發(fā)明通過提供一種作物單根可變形建模方法，基于平板掃描圖像構(gòu)建作物單根的幾何模型，所構(gòu)造的單根幾何模型具有較高的真實感，且能真實反映作物根系的實際生長結(jié)構(gòu)；發(fā)明所構(gòu)造的單根三維模型可在保持主要形態(tài)參數(shù)不變的前提下進行幾何形變，從而可根據(jù)該建模姿態(tài)多樣的單根幾何模型；基于本發(fā)明所構(gòu)造的單根建模結(jié)合作物根系拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)即可生成單株的作物根系幾何模型。


圖1為作物單根可變形建模方法的流程圖；圖2為單根示意圖；圖3為單根平板掃描圖像示意圖。
具體實施例方式下面對于本發(fā)明所提出的一種作物單根可變形建模方法，結(jié)合附圖和實施例詳細說明。實施例:如圖1所示，一種作物單根可變形建模方法，其實施例包括以下步驟:首先進行作物單根的平板掃描，得到單根平板掃描圖像。如圖2所示，以玉米根系為例，將玉米根系連同土壤取出，水洗，保持根系的連續(xù)性，將水洗后的根系浸泡于甲基紫溶液中染色2小時。對染色后的根系按拓撲結(jié)構(gòu)進行單根分割，對每一分割后的單根采用根系平板掃描儀進行掃描成像，圖像帶有該單根的層級
己 OS1、將單根平板掃描圖像進行圖像預處理，得到單根骨架圖像；單根平板掃描圖像為彩色圖像，所述預處理包括以下步驟:分離所述彩色圖像中的藍色通道，將包含藍色通道的圖像作為目標圖像，將所述目標圖像進行二值化處理，對二值化處理后的圖像進行孤島刪除，將孤島刪除后的圖像進行細化，從細化后的圖像中提取單根骨架圖像。如圖3所示，原32位的彩色圖像包含RGBA4個通道，新建一個8位圖像，將彩色圖像中的B通道值即藍色通道存儲在新建的8位圖像中，記為BlueImageJf BlueImage進行二值化，結(jié)果圖像記為BinaryImage,對BinaryImage進行孤島刪除操作，即根據(jù)二值圖像的連通性將其分為若干區(qū)域，計算每個區(qū)域的面積，將面積小于預先設定的閾值的區(qū)域刪除，孤島刪除后的圖像記為IslandRemovallmage，再對該圖像進行細化操作，即對臨近像素進行骨架收縮得到根系骨架，細化后的圖像記為thinlmage。S2、將所述單根骨架圖像進行圖像分割；所述分割的圖像的像素區(qū)域包含主根區(qū)域、多個分枝根區(qū)域和無根區(qū)域。單根骨架圖像分割僅對圖3中的黑色像素點進行操作，即不考慮無根區(qū)域(白色區(qū)域)。指定所述單根骨架圖像的起點與終點，根據(jù)起點到終點的最短路徑法進行單根骨架圖像分割。單根骨架圖像上的像素點分為末端點、分枝點和一般點；末端點包括起點和終點，分支點為生長出分枝根的點，一般點為分枝點與末端點之外的所有點；最短路徑法分割主根的方法為:在圖像上像素值為O的區(qū)域，檢索出由指定起點到終點的所有路徑，并計算出各路徑的像素長度，選擇其中最短的路徑作為主根區(qū)域，將該路徑上的所有像素點標記為已標記(Flag)。在主根分割已完成的基礎上，開始對分枝根進行分割。遍歷單根骨架的所有點，找出其中的所有分枝點，每個分枝點沿分枝方向進行像素遍歷直到末端點為止，遍歷過的像素標記為已標記(Flag)。所有像素遍歷完成后即完成了圖像分割。S3、將分割完成的圖像進行單根參數(shù)提?。徊襟ES3中提取的單根參數(shù)包括主根長、各分枝根在主根上的分枝點、各分枝根與主根分枝點的夾角及各根的初始粗度。主根長由單根骨架圖像分割的主根像素長度確定；各分枝根在主根上的分枝點由該分枝點距尚主根起點的 像素距尚與主根長的比值確定；各分枝根與主根分枝點的夾角直接在單根骨架圖像中提取(具體方法見a);各根的初始粗度由細化前的單根平板掃描圖像中提取(具體方法見b)。a、各分枝根與主根分枝點的夾角提取方法具體為:在分枝點做主根方向與分枝根方向的切線，兩切線夾角即為對于那個的分枝點夾角。b、各根的初始粗度提取方法:對于圖3圖像上的各主根及分枝根，每個根上選取N個點，在這N個點做該點沿該根的切線的垂線，垂線在原圖像上(圖1)與該根邊緣的兩交點之間的距離記為該根在該點的粗度。S4、依據(jù)提取的單根參數(shù)進行單根可變形建模；包含步驟:S41、將主根與各分枝根按位置信息與實際比例，通過保持二維像素空間的二維坐標不變，增加具有連續(xù)性的一維度坐標的方式，轉(zhuǎn)化為具有三維坐標的幾何模型；具體方法為:在原圖像中，根系各點的二維坐標為(Xi, yi)，轉(zhuǎn)化成(Xi^i, z)，此時各像素點的z坐標相同。S42、根據(jù)所述三維坐標的幾何模型，分枝根和次級分枝根按隨機生成的相對于主根的方位角，在其對應生長點按照對應的夾角在主根模型上建模，生成單根的三維模型。按照夾角與方位角建模，將分枝根平移到對應主根的生長點，將該分枝根旋轉(zhuǎn)至與主根切線夾角，并在主根垂直平面的方向上將分枝根旋轉(zhuǎn)對應的方位角。步驟S4中單根可變形建?？僧a(chǎn)生幾何形變，產(chǎn)生的幾何形變包括:保持主根的長度和直徑不變的情況下形態(tài)發(fā)生的形變；保持各分枝根在主根上的生長點的不變的情況下分枝根與主根夾角發(fā)生的形變，以及分枝根相對主根方位角發(fā)生的形變；保持分枝根自身長度與直徑不變的情況下形態(tài)發(fā)生的形變。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、將單根平板掃描圖像進行圖像預處理，得到單根骨架圖像； 52、將所述單根骨架圖像進行圖像分割； 53、將分割完成的圖像進行單根參數(shù)提?。? 54、依據(jù)提取的單根參數(shù)進行單根可變形建模。
2.如權利要求1所述的一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，步驟SI中單根平板掃描圖像為彩色圖像，所述預處理包括以下步驟:分離所述彩色圖像中的藍色通道，將藍色通道的圖像作為目標圖像，將所述目標圖像進行二值化處理，對二值化處理后的圖像進行孤島刪除，將孤島刪除后的圖像進行細化，得到單根骨架圖像。
3.如權利要求1所述的一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，步驟S2中包含步驟:指定所述單根骨架圖像中主根的起點與終點，根據(jù)所述起點到終點的最短路徑法進行單根骨架圖像中主根的分割，所述分割的圖像的像素區(qū)域包含主根區(qū)域、多個分枝根區(qū)域和無根區(qū)域。
4.如權利要求3所述的一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，單根骨架圖像上除無根區(qū)以外的像素點分為末端點、分枝點和一般點；末端點包括起點和終點，分支點為生長出分枝根的點，一般點為分枝點與末端點之外的所有點；單根骨架圖像中沿分枝點拓展的像素區(qū)域即為主根上的分枝根，所述分枝根以主根上的分枝點作為其起點，距離其像素連通距離最遠的末端點為終點。
5.如權利要求1所述的一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，步驟S3中提取的單根參數(shù)包括主根長、各分枝根在主根上的分枝點、各分枝根與主根分枝點的夾角及各根的初始粗度。
6.如權利要求5所述的一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，主根長由單根骨架圖像分割的主根像素長度確定；各分枝根在主根上的分枝點由該分枝點到主根起點的像素距離和主根長的比值確定；各分枝根與主根分枝點的夾角直接在單根骨架圖像中提取；各根的初始粗度由細化前的單根平板掃描圖像中提取。
7.如權利要求5所述的一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，步驟S4中單根可變形建模包含以下步驟: 541、將主根與各分枝根按位置信息與實際比例，通過保持二維像素空間的二維坐標不變，增加具有連續(xù)性的一維度坐標的方式，轉(zhuǎn)化為具有三維坐標的幾何模型； 542、根據(jù)所述三維坐標的幾何模型，分枝根和次級分枝根按隨機生成的相對于主根的方位角，在其對應生長點按照對應的夾角在主根模型上建模，生成單根的三維模型。
8.如權利要求7所述的一種作物單根可變形建模方法，其特征在于，步驟S4中單根可變形建?？僧a(chǎn)生幾何形變，產(chǎn)生的幾何形變包括:保持主根的長度和直徑不變的情況下形態(tài)發(fā)生的形變；保持各分枝根在主根上的生長點的不變的情況下分枝根與主根夾角發(fā)生的形變，以及分枝根相對主根方位角發(fā)生的形變；保持分枝根自身長度與直徑不變的情況下形態(tài)發(fā)生的形變。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種作物單根可變形建模方法，涉及作物根系三維重建與可視化領域。包括以下步驟S1、將單根平板掃描圖像進行圖像預處理，得到單根骨架圖像；S2、將所述單根骨架圖像進行圖像分割；S3、將分割完成的圖像進行單根參數(shù)提??；S4、依據(jù)提取的單根參數(shù)進行單根可變形幾何建模。本發(fā)明基于平板掃描圖像構(gòu)建作物單根的幾何模型，所構(gòu)造的單根幾何模型具有較高的真實感，且能真實反映作物根系的實際生長結(jié)構(gòu)；發(fā)明所構(gòu)造的單根三維模型可在保持主要形態(tài)參數(shù)不變的前提下進行幾何形變，從而可根據(jù)該建模姿態(tài)多樣的單根幾何模型。
文檔編號G06T17/00GK103218853SQ20131015440
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權日2013年4月28日
發(fā)明者趙春江, 溫維亮, 郭新宇, 王傳宇, 杜建軍 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心