基于X射线的小麦三维精准模型的构建

周 颖 惠延波 冯兰芳 闫 磊 马晓晓

(河南工业大学，郑州 450001 )

小麦作为我国最重要的粮食作物之一。其基本物理特性有外观形状、外形尺寸、密度(比重和容重)、千粒重、孔隙率、体积、表面积等，这些物理参数的获取对评判小麦的等级，分析籽粒的发育情况，判断储粮的安全性都有重大的作用。粮粒在与母体植株脱离收获后，其生命活动并未停止，即使处于休眠或干燥条件下，仍进行各种生理生化变化。如粮食的呼吸作用，呼吸氧气氧化有机物质并同时释放能量的一个生理过程。粮粒的表面是粮食籽粒内部与外界发生反应的屏障，表面积的大小可能会间接影响粮食发生生理生化反应的强弱。粮堆的孔隙度越大，粮情越容易受环境条件的影响，粮堆的温度、湿度也容易随外界环境的变化发生改变；粮堆的孔隙率越小，外界环境的变化对粮情产生的影响越小。

小麦作为颗粒体的一种，在农业工程机械领域，如流体机械、植保机械、收获机械、耕作与种植机械等会经常接触到大量的散体颗粒。对颗粒体的运动研究往往涉及颗粒碰撞，流固耦合等具体细节，颗粒与农业装备的接触关系和动态响应特性会直接关系到农业装备的工作效率和作业性能，常常需要构造模型进行离散元仿真。但由于小麦籽粒颗粒小，曲面复杂不规则，设计计算比较困难，很难准确有效的统计这些参数。目前体积测量常用的方法是将一定质量的粮食放入到规定的液体中，液体增加的体积为粮食颗粒的净体积，由于液体的密度和小麦的密度不同，得到的体积也会有差异。在构造离散元仿真模型时，通常用游标卡尺测量其长﹑短轴，再利用三维软件画出近似的球形或椭球形进行分析，仿真模型与实物相差较大，仿真效果也大打折扣，精准模型的构造意义重大。

图像重构常用的方法有激光扫描、轮廓仪、显微成像技术。激光扫描和轮廓仪虽然可以实现对样件无损测量，但对于尺度小、形状不规则的复杂样件，往往需要多次扫描从而获取多个点云，然后基于特征点进行手动拼接，但人工选择特征点对精度影响很大。显微成像技术如激光扫描共聚焦显微镜(CSLM)、聚离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)、原子粒显微镜(AFM)和核磁共振成像(MRI)等。这些成像技术对扫描的样件尺寸小，通常是微米级，需要对样件进行切片和化学处理，危害健康和环境，对样件有破坏且不能给出整个内部的三维的内核各向异性信息。

X射线断层扫描成像技术具有高的空间和时间分辨率、高穿透性、友好的成像环境和线性吸收等特点，在医学、材料科学、化学、石油/地质学、生物学、微电子产业、环境科学等方面都已有广泛的应用。2003年，Nielsen等[1]利用X射线断层扫描成像技术，研究了AL-W合金中W颗粒在压缩载荷作用下的位移，并首次获得了金属材料塑性变形的位移梯度张量图。2006年，Torrente等[2]利用X射线断层扫描成像技术，实现了人体干细胞的三维可视化。2010年，Schneider等[3,4]人利用X射线成像对小鼠癌细胞进行成像实验，以35 nm分辨率识别出细胞中的细胞核、核孔、溶酶体等亚细胞结构。2014年，Helliwell等[5]人利用X射线成像技术对土壤多孔结构的孔隙度、孔隙大小分布于连通性进行三维表征，并研究了多孔结构与微生物种群之间的关键关系。2016年，Sisodia等[6]人利用X射线层析成像技术评估在树脂传递成型编织碳纤维复合材料的孔隙缺陷。2017年，王声翔等[7-9]人利用X射线相位衬度成像，研究了35 μm花粉细胞的三维成像，并将花粉细胞的细胞壁、细胞核、线粒体等结构区分出来。

X射线三维显微镜是采用传统CT技术与光学显微技术结合，X射线断层扫描是一种无创性和无损成像技术，可用于高分辨率的三维可视化和表征。当照射到物体上的X射线光子能量大于物体组成元素中电子结合能时，物体组成元素会吸收X射线光子中的能量，不同物质不同元素对X射线的吸收不同。用X射线三维显微测试系统将样本旋转得到一系列不同灰度的二维X切片，这一系列切片，覆盖整个样本，可以被渲染成一个三维的图像，可以在不同的深度和不同方向作为一个整体或虚拟切片。然而，这项技术至今还没在粮食科学中得到广泛的应用，本论文主要利用X射线断层扫描技术对小麦颗粒模型进行精准的构建，对小麦胚乳、胚芽、及果皮部分进行完整表征，准确将小麦胚乳、胚芽及果皮部分区分出来，统计并计算了小麦各部分体积含量和相对表面积，并对一些重要的品质参数进行了测量。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料选用小麦为河南工业大学实验田提供，品种为周麦26，含水率为12%。

1.2 实验方法

本次扫描用的德国YXLON厂Y.CHEETAH型号微米X射线断层CT，设置工作参数，电压70 kV,电流40 μA,分辨率7 μm。测试时首先将小麦籽粒用泡沫块固定，在用双面胶将固定好小麦籽粒的泡沫块粘接在旋转柱上，粘接牢固后放置旋转台，在旋转台上保持射线源和探测器不动；旋转台旋转一个小角度，探测器采集一组数据，直至旋转台转360°，完成一次圆周的扫描，扫描时不需要人工协助机器完全自动化操作，扫描大概需要20 min，扫描完成获得981张不同灰度的二维切片。

2 小麦籽粒的三维重建

从Y.CHEETAH X射线CT中采集从不同角度对小麦籽粒的投影成像图，需要对其进行重建才能得到小麦籽粒的三维结构。本文对X射线断层扫描产生的981张切片进行重构，部分切片如图2所示,从切片图中可以看出小麦籽粒不同的组织透射出来的灰度值不同，灰度值越大这一区域对X射线的吸收就越多，可以看出胚乳部分对X射线的吸收最多，灰度值大，而果皮的部分对X射线的吸收相对其他组织要少，灰度值小，亮度偏白些。图2中直接获取的切片噪声也相对比较多。一般情况下断层切片越多，图像信息就会越多，工作量也会越大。三维重构一般要经过图1的流程，具体的步骤依照重构的样件不同而考量适当的增减。

图1 图像重构与可视化流程

图2 小麦籽粒的二维切片图

2.1 图像滤波

图像在获取的过程中，由于人为、设备等各方面的原因，不可避免地带有各种噪声信号，而这些噪声信号往往和轮廓边界信息混在一起，故需要进行滤波处理[10]。本论文中对图像噪声的去除采用的是非局部均值滤波算法[11-12]。

离散噪声图像v=v(i)i∈I对一个像素i的估计值NLv(i)，将被计算为图像中所有像素的加权平均值。

该算法考虑了目标图像与邻近图像的相关性，还考虑了与整幅图像的像素的相关性。当前像素的估计值由图像中与它具有相似邻域结构的像素加权平均得到。充分利用了图像中的冗余信息，在去噪的同时能够最大程度地保持图像的细节特征。通过非局部均值滤波后的切片如图3所示，在滤除了大部分的噪声的同时，图像的轮廓，纹理等细节特征得到了很好的保持。

图3 滤波处理后的二维切片图像

2.2 图像分割

图像分割是三维重构过程中非常重要的一步，直接对X射线断层扫描产生的切片重构，基于不同切片的灰度相差不大，不容易分辨其内部结构。为了能够进一步的对样件的三维结构进行定量分析，需要对x射线图像数据进行分割，将样品信息和背景信息或样品内部的不同特征区域划分出来。本实验主要是将小麦可探测的组织胚乳、胚芽、果皮分割出来，展示小麦籽粒中三维组织结构的分布情况。主要是采用交互式阈值分割的方法，手动分割和灰度自动识别分割相结合的方式。

2.3 图形渲染、三维重构与可视化

渲染主要是对不同的组织结构赋予不同的颜色，把不同的组织结构从整体中剥离出来，得到籽粒的三维可视化信息及样品的局部细节信息，可以很直观形象的对籽粒的三维形貌进行观察研究。图4为小麦籽粒分割渲染重建的图，从图中可以清晰的看到小麦籽粒的果毛。图5将果皮部分透明化，可以看见蓝色的组织为胚乳，绿色的组织结构为胚芽。

图4 小麦籽粒的三维渲染图

注：黄色果皮，蓝色为胚乳，绿色为胚芽。
图5 小麦籽粒不同组织的分割渲染图

3 定量参数测量、计算

3.1 种皮、腹沟、果毛尺寸

小麦籽粒的981张切片经过分割重建渲染完成后，对涉及的部位进行剖切测量可以获取一些重要的品质参数，如种皮厚度、腹沟深度以及果毛距表皮的直线距离等。本文在测量小麦籽粒的种皮厚度和腹沟深度时，在小麦籽粒的水平方向取6个剖面,详见图6c。在每个面上选定一个部位进行测量，每个部位测量6次并取平均值计入表1。从表1测得的数据可以看出粮粒种皮厚度普遍在0.05～0.06 mm之间，厚度相对比较均匀；腹沟的深度多数在0.54～1.36 mm的范围,测量的部位不同，深度变化相对较大。在测量小麦的果毛长度时，在竖直方向取6个截面,详见图7c，从左往右依次为切面240、260、280、300、320、340。测量方法同上，测得的数据记入表2。从表2测得数据可以发现几个部位果毛距种皮的直线距离在0.38～0.56 mm之间。

注：c图从下往上依次为切片190、290、390、490、590和690。
图6 小麦籽粒水平方向X射线视图

图7 小麦籽粒竖直方向X射线视图

表1 小麦颗粒表皮、腹沟尺寸

表2 小麦果毛距表皮距离

3.2 体积与表面积

通过X射线断层扫描成像技术对小麦籽粒的981张切片经过分割重建渲染完成后，可以对其中的一些重要的结构参数进行定量的分析计算。重构切片的每个像素代表了体积图像中的一个立方体体素，经过阈值分割后的三维数据每个组织结构所占的体素数量都是已知的，目标体积可以通过公式获取。

V=S×N

式中：S为每个体素体积；N为体素的数量。

计算结果如表3所示，从表3可以得知胚乳的体积为18.3 mm3，占小麦籽粒体积百分比最高达到85.15%；胚芽部分的体积为0.364 mm3，占总体积的1.69%；果皮部分的体积为2.83 mm3，占总体积的13.16%。

表面积的计算：首先求出样品的表面体素，每个立方体体素有6个相邻的体素，如果某个体素的相邻体素有背景体素，这个体素与背景体素的交界面就是样品的表面，通过对所有的交界面数据进行统计计算，就可以得到样品的表面积。从表3 可以看出果皮部分的表面积最大，达到171 mm2，而胚芽部分的表面积最小为6.39 mm2。

表3 小麦颗粒三维结构参数

4 结论

粮食颗粒属于散粒体，且形状属于多维的不规则体，通过X射线断层扫描技术对小麦籽粒成像实验的研究，虽取得了一定的成果，完成了小麦籽粒模型的三维重构和定量参数的获取。但这些参数与粮情的关系，有待后面实验在进行验证。同时也证实了X射线断层扫描成像技术在粮食科学发展中的潜在应用价值，这将势必会对粮食科学的发展起到巨大的推动作用。