[发明专利]一种植物根系分叉特征的骨架提取方法

权利要求书

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；

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，圆度在阈值范围之内的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为M和L，g(i,j)为图像在坐标(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序列图上具有的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，选择没有分枝根段的轮廓和分枝过渡根段中分离后圆度大于阈值的轮廓计算骨架点，将所述骨架点作为控制点；

(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。

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；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，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。