基于微计算机断层扫描（Micro-CT）的小麦籽粒形态三维测量与SPHARM-PDM表征

《Journal of Food Measurement and Characterization》：Micro-CT-based three-dimensional measurement and SPHARM-PDM characterization of wheat kernel morphology

　　

摘要

小麦籽粒的三维形态是谷物食品材料的重要物理属性，但传统的卡尺测量和二维图像分析无法全面描述局部凹陷、表面曲率变化以及腹沟几何特征。本研究旨在利用X射线微计算机断层扫描（Micro-CT）、球谐函数点分布模型（SPHARM-PDM）和主成分分析（PCA），建立一种小麦籽粒形态的非破坏性三维测量与表征工作流程。本研究利用100粒小麦的Micro-CT体素数据重建籽粒表面，并系统评估了网格细分等级和球谐展开阶数对三维形态表征的影响。计算了全局轮廓描述符和局部腹沟特征，并与基于Micro-CT的参考表面模型进行比较。结果表明，宏观描述符（如长扁比和平坦度）对重建和表征参数相对不敏感，而球形度、凸度和腹沟深度则对网格密度和球谐阶数表现出更强的依赖性。在本研究条件下，基于误差收敛性和局部特征恢复情况，选择了网格细分等级为5和球谐展开阶数为20作为实用参数设置。主成分分析进一步显示，前30个主成分解释了小麦籽粒群体形态变异的96.0%以上。这些发现表明，基于Micro-CT和SPHARM-PDM所提出的工作流程能够高效地表征小麦籽粒的全局轮廓和局部腹沟几何特征，从而为谷物食品材料的三维测量与表征提供了一种有效方法。所获得的参数化表面模型和形状描述符为未来研究籽粒形态与品质性状及谷物加工行为之间的关系提供了定量的几何信息。