基于核磁共振成像和VTK的玉米根系三维重建可视化研究

根,是植物的重要营养器官之一,主要功能是吸收土壤中的水分及溶解在其中的离子,并且可以贮存植物光合作用产生的有机物质,对植株也有一定的支持作用。根系汲取水分、养分的空间范围以及与其他根系争夺资源的能力都取决于根系形态构型特征,如长度、表面积、空间分布等,因此对根系形态的研究意义重大。 根系结构非常复杂,根与根之间相互遮挡,并且土壤介质是不透明,这些因素导致我们很难去研究根系的动态生长情况以及与周围的土壤环境的相互作用。研究作物根系的传统方法主要有钉板法、容器法、气培法、管栽法、网袋法等。这些传统方法的采样方式都会对根系造成一定程度的破坏。通过人为手段使根系与土壤分离开来,之后再测量根系的各类形态参数。通过这些途径进行取样和测量都需要花费较多的时间和人力、所得结果与真实值误差也较大,很难实现根系的原位取样和准确测量。 核磁共振成像技术(MRI)能够在不破坏物质内部结构的前提下迅速、准确地分析物质结构,因而在科研和生产生活中得到了广泛的应用。MRI技术最广为人知的应用是医学临床,另外在物理学、化学、生物学、地质学等各学科内也有非常广泛的应用。 本论文以玉米根系为研究对象,将MRI技术可作为一种无损检测的方法,研究了利用MRI图像结合VTK技术对玉米根系形态进行三维重建及可视化的方法。对几种可能影响根系MRI成像质量的外界环境因素进行了分析。为了进一步提高成像的质量、精度和速度,分析探讨了三维体绘制算法对于玉米根系的三维重建效果,利用Visual C++编程设计结合可视化工具包VTK自主开发了一个基于Windows系统平台的植物根系三维可视化系统。 本文的主要研究内容及结论如下： 1)探讨了外部环境因素(如成像参数设置、土壤介质种类、土壤体积含水率等)对玉米根系MRI成像效果的影响。根据根系样本的MRI图像分析比较,选择了适合玉米根系的MRI成像参数设置为：层厚/层距(Thk/sp):2mm/1mm:重复时间(TR):1800ms回波时间(TE)：10.2ms。不同类型土壤生长介质的试验结果表明,文中所选取的三种土壤介质的类型对于根系MRI图像的成像效果并无显著影响。不同梯度土壤体积含水率的试验结果表明,当土壤体积含水率为5%～20%时,土壤体积含水率的变化并未对玉米根系MRI图像品质产生明显的影响。 2)优化了玉米根系MRI图像的预处理(包括图像滤波、图像插值、图像分割等)方式。研究不同的图像预处理方法对原始玉米根系MRI断层图像的处理效果。分析后选取了最优的预处理方法组合,为接下来的三维可视化过程提供优化的数据源,以提高三维重建的效果。选择了邻域平均滤波、中值滤波、轮廓波滤波3种图像滤波处理方法进行比较,结果表明Contourlet滤波处理信噪比远高于另外2种滤波方式,可见Contourlet算法更适用于根系MRI图像的平滑处理过程。选用阈值分割和区域生长法对平滑处理后的玉米根系MRI图像进行分割效果研究,结果表明基于阈值的图像分割方法的分割效果明显优于区域生长法,能够更加准确地从MRI图像中将植物根系对象于背景区分开来。 3)研究了根系三维可视化的实现算法及其改良。结合VTK工具包中封装的图像三维重建算法,采用经典的光线投射体绘制方法对玉米根系MRI图像进行三维模型重构,并且进一步研究了光线投射体绘制的改良算法。通过快速三线性插值、投射光线离散化及光线提前截止3个方面进行改进,在不损失图像质量的基础上实现了三维重建的加速。经改良后绘制速度提高了31.9%。 4)基于上述算法开发了一个基于根系MRI图像的三维可视化软件。利用VTK结合VC++编程在Windows平台下实现了玉米根系的三维模型重构。并针对玉米根系样本MRI图像数据进行了系统测试,重构模型与真实根系的各形态参数的值相比,误差均低于3%,模型可信度高。结果表明此系统可以在普通PC机上实现植物根系形态的虚拟重现,且可视化效果良好。