周 穎 惠延波 馮蘭芳 閆 磊 馬曉曉

(河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001 )

小麥作為我國(guó)最重要的糧食作物之一。其基本物理特性有外觀形狀、外形尺寸、密度(比重和容重)、千粒重、孔隙率、體積、表面積等，這些物理參數(shù)的獲取對(duì)評(píng)判小麥的等級(jí)，分析籽粒的發(fā)育情況，判斷儲(chǔ)糧的安全性都有重大的作用。糧粒在與母體植株脫離收獲后，其生命活動(dòng)并未停止，即使處于休眠或干燥條件下，仍進(jìn)行各種生理生化變化。如糧食的呼吸作用，呼吸氧氣氧化有機(jī)物質(zhì)并同時(shí)釋放能量的一個(gè)生理過(guò)程。糧粒的表面是糧食籽粒內(nèi)部與外界發(fā)生反應(yīng)的屏障，表面積的大小可能會(huì)間接影響糧食發(fā)生生理生化反應(yīng)的強(qiáng)弱。糧堆的孔隙度越大，糧情越容易受環(huán)境條件的影響，糧堆的溫度、濕度也容易隨外界環(huán)境的變化發(fā)生改變；糧堆的孔隙率越小，外界環(huán)境的變化對(duì)糧情產(chǎn)生的影響越小。

小麥作為顆粒體的一種，在農(nóng)業(yè)工程機(jī)械領(lǐng)域，如流體機(jī)械、植保機(jī)械、收獲機(jī)械、耕作與種植機(jī)械等會(huì)經(jīng)常接觸到大量的散體顆粒。對(duì)顆粒體的運(yùn)動(dòng)研究往往涉及顆粒碰撞，流固耦合等具體細(xì)節(jié)，顆粒與農(nóng)業(yè)裝備的接觸關(guān)系和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)裝備的工作效率和作業(yè)性能，常常需要構(gòu)造模型進(jìn)行離散元仿真。但由于小麥籽粒顆粒小，曲面復(fù)雜不規(guī)則，設(shè)計(jì)計(jì)算比較困難，很難準(zhǔn)確有效的統(tǒng)計(jì)這些參數(shù)。目前體積測(cè)量常用的方法是將一定質(zhì)量的糧食放入到規(guī)定的液體中，液體增加的體積為糧食顆粒的凈體積，由于液體的密度和小麥的密度不同，得到的體積也會(huì)有差異。在構(gòu)造離散元仿真模型時(shí)，通常用游標(biāo)卡尺測(cè)量其長(zhǎng)﹑短軸，再利用三維軟件畫出近似的球形或橢球形進(jìn)行分析，仿真模型與實(shí)物相差較大，仿真效果也大打折扣，精準(zhǔn)模型的構(gòu)造意義重大。

圖像重構(gòu)常用的方法有激光掃描、輪廓儀、顯微成像技術(shù)。激光掃描和輪廓儀雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣件無(wú)損測(cè)量，但對(duì)于尺度小、形狀不規(guī)則的復(fù)雜樣件，往往需要多次掃描從而獲取多個(gè)點(diǎn)云，然后基于特征點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)拼接，但人工選擇特征點(diǎn)對(duì)精度影響很大。顯微成像技術(shù)如激光掃描共聚焦顯微鏡(CSLM)、聚離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)、原子粒顯微鏡(AFM)和核磁共振成像(MRI)等。這些成像技術(shù)對(duì)掃描的樣件尺寸小，通常是微米級(jí)，需要對(duì)樣件進(jìn)行切片和化學(xué)處理，危害健康和環(huán)境，對(duì)樣件有破壞且不能給出整個(gè)內(nèi)部的三維的內(nèi)核各向異性信息。

X射線斷層掃描成像技術(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、高穿透性、友好的成像環(huán)境和線性吸收等特點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、石油/地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、微電子產(chǎn)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等方面都已有廣泛的應(yīng)用。2003年，Nielsen等[1]利用X射線斷層掃描成像技術(shù)，研究了AL-W合金中W顆粒在壓縮載荷作用下的位移，并首次獲得了金屬材料塑性變形的位移梯度張量圖。2006年，Torrente等[2]利用X射線斷層掃描成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人體干細(xì)胞的三維可視化。2010年，Schneider等[3,4]人利用X射線成像對(duì)小鼠癌細(xì)胞進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，以35 nm分辨率識(shí)別出細(xì)胞中的細(xì)胞核、核孔、溶酶體等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。2014年，Helliwell等[5]人利用X射線成像技術(shù)對(duì)土壤多孔結(jié)構(gòu)的孔隙度、孔隙大小分布于連通性進(jìn)行三維表征，并研究了多孔結(jié)構(gòu)與微生物種群之間的關(guān)鍵關(guān)系。2016年，Sisodia等[6]人利用X射線層析成像技術(shù)評(píng)估在樹(shù)脂傳遞成型編織碳纖維復(fù)合材料的孔隙缺陷。2017年，王聲翔等[7-9]人利用X射線相位襯度成像，研究了35 μm花粉細(xì)胞的三維成像，并將花粉細(xì)胞的細(xì)胞壁、細(xì)胞核、線粒體等結(jié)構(gòu)區(qū)分出來(lái)。

X射線三維顯微鏡是采用傳統(tǒng)CT技術(shù)與光學(xué)顯微技術(shù)結(jié)合，X射線斷層掃描是一種無(wú)創(chuàng)性和無(wú)損成像技術(shù)，可用于高分辨率的三維可視化和表征。當(dāng)照射到物體上的X射線光子能量大于物體組成元素中電子結(jié)合能時(shí)，物體組成元素會(huì)吸收X射線光子中的能量，不同物質(zhì)不同元素對(duì)X射線的吸收不同。用X射線三維顯微測(cè)試系統(tǒng)將樣本旋轉(zhuǎn)得到一系列不同灰度的二維X切片，這一系列切片，覆蓋整個(gè)樣本，可以被渲染成一個(gè)三維的圖像，可以在不同的深度和不同方向作為一個(gè)整體或虛擬切片。然而，這項(xiàng)技術(shù)至今還沒(méi)在糧食科學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用，本論文主要利用X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)小麥顆粒模型進(jìn)行精準(zhǔn)的構(gòu)建，對(duì)小麥胚乳、胚芽、及果皮部分進(jìn)行完整表征，準(zhǔn)確將小麥胚乳、胚芽及果皮部分區(qū)分出來(lái)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算了小麥各部分體積含量和相對(duì)表面積，并對(duì)一些重要的品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選用小麥為河南工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)田提供，品種為周麥26，含水率為12%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次掃描用的德國(guó)YXLON廠Y.CHEETAH型號(hào)微米X射線斷層CT，設(shè)置工作參數(shù)，電壓70 kV,電流40 μA,分辨率7 μm。測(cè)試時(shí)首先將小麥籽粒用泡沫塊固定，在用雙面膠將固定好小麥籽粒的泡沫塊粘接在旋轉(zhuǎn)柱上，粘接牢固后放置旋轉(zhuǎn)臺(tái)，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上保持射線源和探測(cè)器不動(dòng)；旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，探測(cè)器采集一組數(shù)據(jù)，直至旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)360°，完成一次圓周的掃描，掃描時(shí)不需要人工協(xié)助機(jī)器完全自動(dòng)化操作，掃描大概需要20 min，掃描完成獲得981張不同灰度的二維切片。

2 小麥籽粒的三維重建

從Y.CHEETAH X射線CT中采集從不同角度對(duì)小麥籽粒的投影成像圖，需要對(duì)其進(jìn)行重建才能得到小麥籽粒的三維結(jié)構(gòu)。本文對(duì)X射線斷層掃描產(chǎn)生的981張切片進(jìn)行重構(gòu)，部分切片如圖2所示,從切片圖中可以看出小麥籽粒不同的組織透射出來(lái)的灰度值不同，灰度值越大這一區(qū)域?qū)射線的吸收就越多，可以看出胚乳部分對(duì)X射線的吸收最多，灰度值大，而果皮的部分對(duì)X射線的吸收相對(duì)其他組織要少，灰度值小，亮度偏白些。圖2中直接獲取的切片噪聲也相對(duì)比較多。一般情況下斷層切片越多，圖像信息就會(huì)越多，工作量也會(huì)越大。三維重構(gòu)一般要經(jīng)過(guò)圖1的流程，具體的步驟依照重構(gòu)的樣件不同而考量適當(dāng)?shù)脑鰷p。

圖1 圖像重構(gòu)與可視化流程

圖2 小麥籽粒的二維切片圖

2.1 圖像濾波

圖像在獲取的過(guò)程中，由于人為、設(shè)備等各方面的原因，不可避免地帶有各種噪聲信號(hào)，而這些噪聲信號(hào)往往和輪廓邊界信息混在一起，故需要進(jìn)行濾波處理[10]。本論文中對(duì)圖像噪聲的去除采用的是非局部均值濾波算法[11-12]。

離散噪聲圖像v=v(i)i∈I對(duì)一個(gè)像素i的估計(jì)值NLv(i)，將被計(jì)算為圖像中所有像素的加權(quán)平均值。

該算法考慮了目標(biāo)圖像與鄰近圖像的相關(guān)性，還考慮了與整幅圖像的像素的相關(guān)性。當(dāng)前像素的估計(jì)值由圖像中與它具有相似鄰域結(jié)構(gòu)的像素加權(quán)平均得到。充分利用了圖像中的冗余信息，在去噪的同時(shí)能夠最大程度地保持圖像的細(xì)節(jié)特征。通過(guò)非局部均值濾波后的切片如圖3所示，在濾除了大部分的噪聲的同時(shí)，圖像的輪廓，紋理等細(xì)節(jié)特征得到了很好的保持。

圖3 濾波處理后的二維切片圖像

2.2 圖像分割

圖像分割是三維重構(gòu)過(guò)程中非常重要的一步，直接對(duì)X射線斷層掃描產(chǎn)生的切片重構(gòu)，基于不同切片的灰度相差不大，不容易分辨其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了能夠進(jìn)一步的對(duì)樣件的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，需要對(duì)x射線圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，將樣品信息和背景信息或樣品內(nèi)部的不同特征區(qū)域劃分出來(lái)。本實(shí)驗(yàn)主要是將小麥可探測(cè)的組織胚乳、胚芽、果皮分割出來(lái)，展示小麥籽粒中三維組織結(jié)構(gòu)的分布情況。主要是采用交互式閾值分割的方法，手動(dòng)分割和灰度自動(dòng)識(shí)別分割相結(jié)合的方式。

2.3 圖形渲染、三維重構(gòu)與可視化

渲染主要是對(duì)不同的組織結(jié)構(gòu)賦予不同的顏色，把不同的組織結(jié)構(gòu)從整體中剝離出來(lái)，得到籽粒的三維可視化信息及樣品的局部細(xì)節(jié)信息，可以很直觀形象的對(duì)籽粒的三維形貌進(jìn)行觀察研究。圖4為小麥籽粒分割渲染重建的圖，從圖中可以清晰的看到小麥籽粒的果毛。圖5將果皮部分透明化，可以看見(jiàn)藍(lán)色的組織為胚乳，綠色的組織結(jié)構(gòu)為胚芽。

圖4 小麥籽粒的三維渲染圖

注：黃色果皮，藍(lán)色為胚乳，綠色為胚芽。
圖5 小麥籽粒不同組織的分割渲染圖

3 定量參數(shù)測(cè)量、計(jì)算

3.1 種皮、腹溝、果毛尺寸

小麥籽粒的981張切片經(jīng)過(guò)分割重建渲染完成后，對(duì)涉及的部位進(jìn)行剖切測(cè)量可以獲取一些重要的品質(zhì)參數(shù)，如種皮厚度、腹溝深度以及果毛距表皮的直線距離等。本文在測(cè)量小麥籽粒的種皮厚度和腹溝深度時(shí)，在小麥籽粒的水平方向取6個(gè)剖面,詳見(jiàn)圖6c。在每個(gè)面上選定一個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)部位測(cè)量6次并取平均值計(jì)入表1。從表1測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出糧粒種皮厚度普遍在0.05～0.06 mm之間，厚度相對(duì)比較均勻；腹溝的深度多數(shù)在0.54～1.36 mm的范圍,測(cè)量的部位不同，深度變化相對(duì)較大。在測(cè)量小麥的果毛長(zhǎng)度時(shí)，在豎直方向取6個(gè)截面,詳見(jiàn)圖7c，從左往右依次為切面240、260、280、300、320、340。測(cè)量方法同上，測(cè)得的數(shù)據(jù)記入表2。從表2測(cè)得數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)幾個(gè)部位果毛距種皮的直線距離在0.38～0.56 mm之間。

注：c圖從下往上依次為切片190、290、390、490、590和690。
圖6 小麥籽粒水平方向X射線視圖

圖7 小麥籽粒豎直方向X射線視圖

表1 小麥顆粒表皮、腹溝尺寸

表2 小麥果毛距表皮距離

3.2 體積與表面積

通過(guò)X射線斷層掃描成像技術(shù)對(duì)小麥籽粒的981張切片經(jīng)過(guò)分割重建渲染完成后，可以對(duì)其中的一些重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量的分析計(jì)算。重構(gòu)切片的每個(gè)像素代表了體積圖像中的一個(gè)立方體體素，經(jīng)過(guò)閾值分割后的三維數(shù)據(jù)每個(gè)組織結(jié)構(gòu)所占的體素?cái)?shù)量都是已知的，目標(biāo)體積可以通過(guò)公式獲取。

V=S×N

式中：S為每個(gè)體素體積；N為體素的數(shù)量。

計(jì)算結(jié)果如表3所示，從表3可以得知胚乳的體積為18.3 mm3，占小麥籽粒體積百分比最高達(dá)到85.15%；胚芽部分的體積為0.364 mm3，占總體積的1.69%；果皮部分的體積為2.83 mm3，占總體積的13.16%。

表面積的計(jì)算：首先求出樣品的表面體素，每個(gè)立方體體素有6個(gè)相鄰的體素，如果某個(gè)體素的相鄰體素有背景體素，這個(gè)體素與背景體素的交界面就是樣品的表面，通過(guò)對(duì)所有的交界面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，就可以得到樣品的表面積。從表3 可以看出果皮部分的表面積最大，達(dá)到171 mm2，而胚芽部分的表面積最小為6.39 mm2。

表3 小麥顆粒三維結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié)論

糧食顆粒屬于散粒體，且形狀屬于多維的不規(guī)則體，通過(guò)X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)小麥籽粒成像實(shí)驗(yàn)的研究，雖取得了一定的成果，完成了小麥籽粒模型的三維重構(gòu)和定量參數(shù)的獲取。但這些參數(shù)與糧情的關(guān)系，有待后面實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)也證實(shí)了X射線斷層掃描成像技術(shù)在糧食科學(xué)發(fā)展中的潛在應(yīng)用價(jià)值，這將勢(shì)必會(huì)對(duì)糧食科學(xué)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。