本课题是在国家自然科学基金项目“作物根系三维形态原位测量方法的研究”的资助下完成的，目的是在计算机上实现植物根系XCT断层图像的根系组织分割和三维体视化重建的精确显示及快速绘制。三维可视图像的精确性、可靠性和实时性是对根构型测量与分析的有力保障，是采用计算机对根系进行辅助研究的重要基础。 植物根系研究是目前国内外的一个研究热点，是一个多学科交叉的研究领域。它涉及数字图像处理、计算机图形学以及生物领域的相关知识。基于XCT技术的植物根系三维重建模型在根系形态研究、根构型测量与分析、根系生物功能模拟与仿真、虚拟根系辅助教学等方面都具有重要应用前景。 基于XCT技术的根系研究方法的主要研究内容包括根系断层图像的获取、断层图像的预处理、根系组织的分割与提取、根系组织体数据的三维重建与可视化、根系模型的构建、根系形态和构型的测量与分析等。本文对根系断层图像的分割和体视化的关键技术进行了研究，论文的主要工作及创新性成果如下： 确定了植物根系断层图像采集方案。对于如何获取高质量的植物根系断层图像，国内外文献并没有太多的涉及，是一个探索性的问题。本文根据实际情况和现有条件，对2种不同成像设备、4种不同土壤介质、5种不同植物根系，通过试验探讨了使用医用XCT扫描仪采集清晰植物根系断层图像的方法。试验结果表明：XCT成像设备、土壤介质、植物根系种类对根系的XCT成像效果均有明显的影响，其中XCT成像设备是高质量植物根系XCT图像数据采集的关键因素；土壤介质则是高质量XCT断层图像采集的一个重要影响因素。试验确定了将培养土和蛭石土作为获取高质量植物根系断层图像的土壤介质。 根据后续分割与重建的需要，本文提出了一套适合于根系XCT断层图像的预处理方案。首先采用Window-Level算法将DICOM影像数据转换为便于计算机处理的BMP图像格式，然后采用一种自适应中值滤波，结合同态滤波，实现断层图像去噪和亮度校正，最后将根系断层序列图像封装成规则的结构化体数据并以三维矩阵形式进行记录和保存，并实现了体数据的多平面显示。结果表明：通过预处理，图像中的大部分土壤介质、噪声和杂质得到抑制和滤除，根系组织得到保护和增强，大大降低了后续分割处理的难度。 针对植物根系XCT断层图像的特点，本文采用了基于Canny算子的边缘检测组合分割算法、基于分水岭的边缘检测改进分割算法、基于小波变换的多尺度边缘检测改进分割算法等实现了对根系组织的分割提取，并对这三种算法的分割效果进行对比和分析。结果表明：基于小波变换的多尺度边缘检测改进分割算法对根系断层图像的边缘检测效果最好；采用Canny算子具有良好的边缘提取效果，特别对于噪声干扰比较小、灰度均匀的根系组织区域，但在一些灰度不均匀的根系组织区域，检测得到的闭合区域内残留着较多的细节边缘；基于分水岭算法的边缘检测具有明显的去噪效果，对边缘分割精度也有所提高，但容易受根系组织内部灰度不均匀影响，检测得到的根系闭合区域里会出现一些小气泡。 根系组织的快速重建和交互绘制能力是根系定性分析和定量测量的基础。本文采用移动立方体算法和剖分立方体算法实现了对植物根系组织的三维重建和体视化显示。针对移动立方体算法和剖分立方体算法存在重建速度慢和数据存储冗余的缺点，设计了基于规则体数据的网格简化算法和网格平滑优化算法，采用MATLAB实现了根系体数据的三维表面重建和体视化显示。结果表明：简化后的根系模型能较好地保持原有的特征，基本不影响视觉效果，而绘制时间得到大大缩短，重建速度得到明显加快，提高了交互时的绘制能力。 本文还探讨了逆向工程中实体几何模型的构建方法及应用，提出了基于曲面重建构建植物根系实体几何模型的方法和实现步骤，并采用了一种基于Delaunay三角剖分思想的曲面重建方法实现了植物根系实体几何模型的构建。构建后的根系实体模型采用STL格式保存，可为通用CAD造型系统所读取，成为根系模型的一种造型方式，为植物根系研究提供了一个实用、有效的辅助手段。 最后，本文对整个论文的工作和研究成果进行了总结，并提出了进一步的研究设想和目标。