English Title: Extraction of physiological coordinatesystems of plant roots and -leaves from image sequences

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Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Verfahrens zur Wuchsanalyse von Pflanzenblättern und -wurzeln in natürlich gegebenen Objektkoordinaten mit Bildverarbeitungsmethoden. Als Basis dient die bereits zur Wachstumskartierung verwendete Strukturtensormethode mit der örtlich aufgelöste Wachstumskarten in Bildkoordinaten gewonnen werden. DieWachstumsmessung in physiologischen Koordinaten hat den wesentlichen Vorteil, daß durch sie erstmals die Ergebnisse verschiedener Messungen vergleichbar gemacht werden und die Ergebnisse direkt interpretierbar sind. Sowohl für Blätter als auch für Wurzeln wird eine Methode zur Extraktion der Koordinatenachsen entwickelt. Die Mittellinie der Wurzel wird als physiologische Koordinatenachse mit einem auf aktiven Konturen basierenden Verfahren extrahiert. Bei Blättern stellen die Adern die Hauptachsen des physiologischen Koordinatensystems dar. Zu ihrer Suche wird ein Trackingalgorithmus verwendet, der auf Matchingmethoden basiert. Die Darstellung aller physiologischen Koordinatenachsen erfolgt in Form von B-Splines, an deren Positionen die mit der Strukturtensormethode berechneten Wachstumskarten abgetastet werden. Damit findet die Koordinatentransformation in das jeweilige physiologische Koordinatensystem statt. Der örtliche Fehler der Transformation liegt im Subpixelbereich und ist somit deutlich kleiner als die räumliche Auflösung der Wachstumskarten. Mit der entwickelten Methodik steht ein leistungsfähiges Werkzeug zur Wuchsanalyse von Pflanzenblättern und Wurzeln zur Verfügung.

Translation of abstract (English)

The present work develops a method for analyzing the growth of plant leaves and roots in natural object coordinates using image processing techniques. The method is based on the structure tensor method that has already been used for the acquisition of growth charts in image coordinates. The main advantages of growth measurements in physiological coordinates is the possibility to compare the results of different measurements and the direct interpretation of the results. A method for extracting the coordinate axes is developed both for leaves and for roots. The center line of a root is identified as the physiological coordinate axis by means of a method based on active contours. In the case of leaves, the physiological coordinate axes are represented by their veins. The latter are searched for by use of a tracking algorithm which relies on matching methods. All physiological coordinate axes are represented in the form of B-splines. The growth charts are sampled from the B-spline positions, thus providing a coordinate transformation into the corresponding physiological coordinate system. The transformation has subpixel accuracy. Thus, it significantly stays behind the spatial resolution of the growth charts. The accomplishment of the present method provides a powerful tool for growth analysis of plant leaves and roots.