[發明專利]一種葉片形態空間校正的方法及其應用

有效

• 申請號: 201810367724.8
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108765547B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 葉梅霞;王茜;姜立波;鄔榮領
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/13
• 代理公司: 北京智為時代知識產權代理事務所(普通合伙) 11498
• 代理人: 王加嶺;楊靜

本發明公開了一種葉片形態空間校正的方法，本發明還公開了該方法在校正葉片形態空間中的應用。采用本發明所述的方法可以對植物的葉片進行空間重建，通過三維重建技術對葉片開展空間校準，可以校正葉片形態空間，或者使不同發育時間點的同一張葉片在形態上進行標準化的比較，以研究其生長規律。

技術領域

本發明涉及一種葉片形態空間校正的方法及其應用。

背景技術

葉片是植物生長的重要器官，其形態呈現是植物“理想株型”的重要組成部分。植物隨年齡或發育進程產生的異速化葉片擴張將使連續性葉形變化特征出現，導致“異形葉(heteroblasty)”現象。此外，環境對葉片表型可塑性的調控也都通過葉形異質化改變的方式實現。

葉片類型豐富，披針形、卵形、倒卵形、橢圓形是經典的幾類葉形描述術語。長寬比、葉形指數等定性指標是典型的傳統葉形描述方法。該方法對葉形只可粗略，但是對發育過程累積得到的連續型形態變化無法準確捕獲。要想準確定量描述葉片形狀，葉片圖像必不可少。作為研究形態變異的最佳手段，圖像極大促進了葉片二維輪廓的精確勾勒。利用輪廓信息，葉片中心可被定位，葉片邊緣繞中心點在平面360度范圍的距離可被計算，葉形變異最終可通過該方式得到量化。

擺放姿態是形狀研究的重要影響因素，它包含位置、大小、角度等三方面細化因子。為克服姿態對形狀精準解析帶來的偏差效應，Gower與Dijksterhuis(2004)提出了正交化普魯克分析(orthogonal procrustes analysis)的形狀校準方法。在消除位置效應方面，該方法首先對不同圖片的輪廓分別計算中心坐標，利用輪廓坐標與中心坐標相減的方式獲得新輪廓坐標，新輪廓在幾何中心處重合。在大小效應方面，各輪廓點坐標的歐式模可作為分母，實際坐標與歐式模相除后即可消除大小效應。針對角度效應，旋轉角度θ與輪廓坐標(x,y)之間可通過(xcos(θ)+ysin(θ)，-xsin(θ)+ycos(θ))的算法去除。可以看出，三層次的校正都基于所有物體輪廓在相同平面內獲得的前提，即相機相對拍照平面必須保持不變,該方法因此對植物離體葉片的形狀研究較為適用。然而，離體后葉片無法自主發育，離體的葉片拍照方法將對“異形葉”的形態追蹤構成致命缺陷。

非離體葉片照相是不同發育進程中“異形葉”形態研究的重要手段，但是，各發育時間點的同一張葉片形態受相機內部參數和以相機空間姿態為代表的相機外部參數影響較大。正交化普魯克分析方法只可校準特定二維平面的位置、大小、角度效應，對待非離體葉片圖像，如何消除三維空間效應是本發明的重點解決問題。

發明內容

針對上述缺陷，本發明提供了一種葉片形態空間校正的方法，該方法包含以下步驟：

(1)獲取葉片在該形態空間中的輪廓；

(2)設定葉片在三維空間上的限位框，其中該限位框在X軸、Y軸、Z軸上的區域范圍分別為[-600,600]、[-900,900]、[1,1.2]，單位為毫米；在該限位框的區域范圍內，以0.1mm作為空間間隔產生體素點；

(3)將內參矩陣K與葉片的外參矩陣Ri,平移向量ti相乘，構建Mi矩陣，即Mi＝K*[Riti]，以Mi矩陣左乘體素點的實際三維坐標(x,y,z)^T，獲得包含計算結果(x1,y1,z1)，以(x1/z1,y1/z1)的結果作為體素點在平面上的二維坐標點；

判斷所述二維坐標點是否落入輪廓內，如果落入輪廓內，則設定體素點的投影得票數為1；

(4)篩選投影得票數為1的體素點，取其實際三維坐標中的前兩維實際坐標(x,y)，分別進行位置歸一化，從而構成葉片形態空間校正的輪廓。

本發明還提供了上述方法在校正葉片形態空間中的應用。

采用本發明所述的方法可以對植物的葉片進行空間重建，通過三維重建技術對葉片開展空間校準，可以校正葉片形態空間，或者使不同發育時間點的同一張葉片在形態上進行標準化的比較，以研究其生長規律。