Mathematical modeling for 3D plant morphology as fundamental technologies of plant phenotyping

3D植物形态学数学建模作为植物表型分析的基础技术

• 批准号: 21K14947
• 负责人: 野下 浩司
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14947/
• 关键词: 形態測定学; 植物フェノタイピング; 機械学習; 画像解析; 数理モデル

本年度は，植物形態のフェノーム解析に向けて，特に，個別要素の形状や形態のフェノタイピング技術の高度化とそれらが組合わさった複雑な表現型を定量化するための解析手法の適用可能性の検証に取り組んだ. 具体的には，3次元空間中における葉の輪郭形状を2次元的-3次元の情報を統合することで推定する手法の開発，葉脈のネットワーク構造のグラフとしての表現とネットワークベース特徴量による定量化を用いた形態空間解析，に取り組んだ．植物多視点画像データセットとそのアノテーションデータを活用し，深層学習に基づくインスタンスセグメンテーションによる２次元画像中の小葉の認識，SfM及びMVSによるカラメラパラメータの推定と3次元再構築，3次元インスタンスセグメンテーションと２次元画像中のインスタンスの対応付け， 輪郭形状推定を実装し，仮想データによる提案手法の精度検証と実データへ適用する上でのガイドラインの提案をおこなった．これにより従来の2次元的な投影や計測に基づく定量化や，3次元であっても輪郭の認識が難しいケースでは得ることができない3次元輪郭形状を直接的に推定することが可能となった．また，複雑な繰り返し構造である葉脈をグラフとして表現するための画像解析手法を提案し，染色画像と非処理画像の両方で構造抽出をおこなった．さらに，得られたグラフからネットワーク特徴量による定量化をおこない，形態空間上でその分布パターンを検証することで，葉脈構造に特異的な制約をデータドリブンに見出した．

は this year, the plant morphological の フ ェ ノ ー ム parsing に to け て, に, shape of individual elements の や form の フ ェ ノ タ イ ピ ン グ technology の と empirically そ れ ら が combination わ さ っ た complex 雑 な phenotype を quantitative す る た め の parsing technique の applicable possibility の 検 card に group take り ん だ. Specific に は, 3 dimensional space に お け る round leaf の guo を 2 yuan to three dimensional shape の intelligence を integration す る こ と presumption で す る gimmick の 発, veins の ネ ッ ト ワ ー ク tectonic の グ ラ フ と し て の performance と ネ ッ ト ワ ー ク ベ ー ス, 徴 quantity に よ る quantitative を with い た configuration space analytic, に group take り ん だ. Plant multi-view portrait デ ー タ セ ッ ト と そ の ア ノ テ ー シ ョ ン デ ー タ し を, deep learning に base づ く イ ン ス タ ン ス セ グ メ ン テ ー シ ョ ン に よ る の lobules, in a two dimensional portrait の understanding, SfM and び MVS に よ る カ ラ メ ラ パ ラ メ ー タ の presumption と three yuan to build, Three dimensional イ ン ス タ ン ス セ グ メ ン テ ー シ ョ ン と 2 yuan the portrait の イ ン ス タ ン ス の 応 pay け seaborne, round shape of guo presumption を be し, 仮 think デ ー タ に よ る proposal gimmick の precision 検 card と be デ ー タ へ applicable す る on で の ガ イ ド ラ イ ン の proposal を お こ な っ た. こ れ に よ り 従 to の 2 dimensional projection や な measuring に base づ く quantitative や, 3 dimensional で あ っ て も wheel guo の know が difficult し い ケ ー ス で は have る こ と が で き な い 3rd round guo shape を direct presumption に す る こ と が may と な っ た. ま た, complex 雑 な Qiao り return し tectonic で あ る veins を グ ラ フ と し て performance す る た め の analytical technique proposed を し portraits, portraits dyeing と non 処 Richard portrait の struck party で structure extraction を お こ な っ た. さ ら に, ら れ た グ ラ フ か ら ネ ッ ト ワ ー ク, 徴 quantity に よ る quantitative を お こ な い, the space shape で そ の distribution パ タ ー ン を 検 card す る こ と で, veins structure に specific な restrict を デ ー タ ド リ ブ ン に shows し た.

项目成果

Leaf shape phenotyping method by instance segmentation and curve-based 3D reconstruction

通过实例分割和基于曲线的 3D 重建进行叶形表型分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Murata;H.;Noshita;K.
• 通讯作者: K.

草姿・草型のフェノタイピング：3次元計測と「かたち」の数理モデル化

草的外观和形状的表型：“形状”的 3D 测量和数学建模

• 发表时间: 2021
• 作者: Feldman;A.;Noshita;K.;Fukano;Y.;野下 浩司;野下浩司;野下浩司
• 通讯作者: 野下浩司

葉輪郭再構築への2次元-3次元協調的アプローチ

叶轮廓重建的 2D-3D 协作方法

• 发表时间: 2023
• 作者: Fukano Yuya;Guo Wei;Aoki Naohiro;Ootsuka Shinjiro;Noshita Koji;Uchida Kei;Kato Yoichiro;Sasaki Kazuhiro;Kamikawa Shotaka;Kubota Hirofumi;村田 英和，野下 浩司
• 通讯作者: 村田 英和，野下 浩司

3D reconstruction and shape analysis of tubers of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) using spherical harmonics

使用球谐函数对菊芋 (Helianthus tuberosus) 块茎进行 3D 重建和形状分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Feldman;A.;Noshita;K.;Fukano;Y.
• 通讯作者: Y.

A simple method for extracting leaf vein images and quantitative vein network features

一种简单的叶脉图像提取及定量静脉网络特征的方法

• 发表时间: 2022
• 作者: Iwamasa;K.;Noshita;K.
• 通讯作者: K.