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2024-11-17 更新

CropCraft: Inverse Procedural Modeling for 3D Reconstruction of Crop Plants

Authors:Albert J. Zhai, Xinlei Wang, Kaiyuan Li, Zhao Jiang, Junxiong Zhou, Sheng Wang, Zhenong Jin, Kaiyu Guan, Shenlong Wang

The ability to automatically build 3D digital twins of plants from images has countless applications in agriculture, environmental science, robotics, and other fields. However, current 3D reconstruction methods fail to recover complete shapes of plants due to heavy occlusion and complex geometries. In this work, we present a novel method for 3D reconstruction of agricultural crops based on optimizing a parametric model of plant morphology via inverse procedural modeling. Our method first estimates depth maps by fitting a neural radiance field and then employs Bayesian optimization to estimate plant morphological parameters that result in consistent depth renderings. The resulting 3D model is complete and biologically plausible. We validate our method on a dataset of real images of agricultural fields, and demonstrate that the reconstructions can be used for a variety of monitoring and simulation applications.

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Summary
基于图像自动构建植物3D数字孪生的方法，通过优化植物形态学参数进行逆过程建模，实现农作物三维重建。

Key Takeaways

  1. 植物三维重建在农业、环境科学等领域有广泛应用。
  2. 现有方法因遮挡和复杂几何形状难以恢复完整植物形状。
  3. 提出基于参数化模型优化的新方法进行农作物三维重建。
  4. 方法首先通过拟合神经辐射场估计深度图。
  5. 使用贝叶斯优化估计植物形态学参数。
  6. 结果三维模型完整且生物学上合理。
  7. 在实际农业图像数据集上验证，可用于监测和模拟应用。

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  1. 标题：农作物三维形态逆过程建模方法的研究

  2. 作者：XXX（由于未提供具体信息，此处用XXX代替）

  3. 所属机构：XXX研究所（由于未提供具体信息，此处用XXX研究所代替）

  4. 关键词：农作物建模、逆过程建模、NeRF重建、程序生成网格、RANSAC行拟合、形态参数优化、深度映射等。

  5. 链接：由于未提供论文链接和GitHub代码链接，此处留空。

  6. 摘要：

    • (1)研究背景：本文研究了基于图像的三维农作物建模方法，旨在从拍摄的农作物图像中估计出农作物的三维形态参数，为植物表型分析、可视化及生物物理过程模拟提供支持。

    • (2)前人方法及其问题：过去的方法大多集中在单视图或多视图的农作物图像重建上，但面临着复杂的农作物形态难以准确建模、计算量大、实时性不足等问题。因此，本文提出了一种基于逆过程建模的方法来解决这一问题。

    • (3)研究方法：本文提出一种基于NeRF和程序生成网格的逆过程建模方法。首先，利用结构光场和NeRF技术重建场景的可视几何结构；然后，通过RANSAC算法获取与农作物种植行对齐的相机姿态；接着，利用该姿态从NeRF和程序模型中渲染深度图；最后，基于深度图的直方图统计定义损失函数，并利用贝叶斯优化对形态参数进行优化。

    • (4)任务与性能：本文方法在农作物图像的三维重建任务上取得了良好效果，通过优化形态参数，生成的3D网格模型能更好地匹配输入图像中的农作物形态。此外，该方法还具有较好的通用性，可应用于不同种类农作物的建模。

希望以上总结符合您的要求！如有其他问题，请随时告知。

  1. 结论：

(1)意义：本研究提出了一种基于图像的三维农作物建模方法，能够从拍摄的农作物图像中估计农作物的三维形态参数，为植物表型分析、可视化及生物物理过程模拟提供了有力支持。这一研究在农业领域具有重要的应用价值和科学意义。

(2)创新点、性能、工作量总结：

创新点：文章提出了一种基于逆过程建模的农作物三维形态建模方法，结合了NeRF技术和程序生成网格的优势，能够较好地处理农作物图像的三维重建任务。

性能：该方法在农作物图像的三维重建任务上取得了良好效果，生成的3D网格模型能够较好地匹配输入图像中的农作物形态，并且具有较好的通用性，可应用于不同种类农作物的建模。

工作量：文章介绍了方法的详细流程，包括利用结构光场和NeRF技术重建场景的可视几何结构、通过RANSAC算法获取相机姿态、利用姿态从NeRF和程序模型中渲染深度图、基于深度图的直方图统计定义损失函数、利用贝叶斯优化对形态参数进行优化等步骤。但是，文章没有提供详细的实验数据和对比实验，无法准确评估其性能和工作量。

此外，文章还指出了未来可能的工作方向和改进点，如结合植物生长先验实现时间一致性或优化模型以实现更精细的形状重建等。同时，文章获得了多项资助和认可，表明了其研究的重要性和价值。

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GAN-Based Architecture for Low-dose Computed Tomography Imaging Denoising

Authors:Yunuo Wang, Ningning Yang, Jialin Li

Generative Adversarial Networks (GANs) have surfaced as a revolutionary element within the domain of low-dose computed tomography (LDCT) imaging, providing an advanced resolution to the enduring issue of reconciling radiation exposure with image quality. This comprehensive review synthesizes the rapid advancements in GAN-based LDCT denoising techniques, examining the evolution from foundational architectures to state-of-the-art models incorporating advanced features such as anatomical priors, perceptual loss functions, and innovative regularization strategies. We critically analyze various GAN architectures, including conditional GANs (cGANs), CycleGANs, and Super-Resolution GANs (SRGANs), elucidating their unique strengths and limitations in the context of LDCT denoising. The evaluation provides both qualitative and quantitative results related to the improvements in performance in benchmark and clinical datasets with metrics such as PSNR, SSIM, and LPIPS. After highlighting the positive results, we discuss some of the challenges preventing a wider clinical use, including the interpretability of the images generated by GANs, synthetic artifacts, and the need for clinically relevant metrics. The review concludes by highlighting the essential significance of GAN-based methodologies in the progression of precision medicine via tailored LDCT denoising models, underlining the transformative possibilities presented by artificial intelligence within contemporary radiological practice.

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Summary
低剂量CT成像中GAN技术的快速进展及其在提高图像质量与降低辐射暴露中的关键作用。

Key Takeaways

  • GAN在低剂量CT成像领域成为革命性元素。
  • GAN技术解决辐射暴露与图像质量平衡问题。
  • GAN架构从基础到高级模型发展迅速。
  • 评估GAN架构在低剂量CT去噪中的应用。
  • 分析GAN在去噪中的性能指标（PSNR、SSIM、LPIPS）。
  • 讨论GAN在临床应用中的挑战，如可解释性和合成伪影。
  • 强调GAN在精准医学和放射学中的重要性。

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  1. Title: 基于生成对抗网络（GAN）的低剂量计算云诺王研究

  2. Authors: Yunuo Wang 等

  3. Affiliation: 作者未提供其隶属机构信息。

  4. Keywords: Generative Adversarial Networks (GAN), Low-dose Computed Tomography (CT), Denoising, Image Quality Improvement, Medical Imaging

  5. Urls: 论文链接未提供, Github代码链接未提供

  6. Summary:

    • (1)研究背景：本文的研究背景是低剂量计算云诺（Low-dose Computed Tomography, LDCT）成像技术。由于辐射剂量降低，LDCT成像会引入噪声，影响图像质量。因此，研究如何有效地去除噪声并改善图像质量具有重要意义。

      -(2)过去的方法及问题：过去的研究主要采用了深度学习技术，特别是基于GAN的模型进行低剂量CT去噪。然而，这些方法仍存在一些问题，如平衡噪声抑制和细节保护之间的挑战，以及在不同临床场景下的性能不稳定等。

      -(3)研究方法：本文提出了基于生成对抗网络（GAN）的架构进行低剂量CT去噪。采用交替更新生成器和判别器网络的方式，引入特征匹配、小批次判别器和单边标签平滑等技术，以提高模型的性能。同时，还介绍了U-Net生成器、循环一致性损失等具体技术细节。

      -(4)任务与性能：本文的方法应用于低剂量CT去噪任务。通过对比实验和评价指标（如结构相似性指数（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）、学习感知图像块相似性（LPIPS）等），验证了该方法在图像去噪方面的性能。但是，文章没有详细报告在特定数据集上的具体性能指标。尽管如此，该方法仍被期望为低剂量CT去噪领域提供一种有效的解决方案。

  7. 方法论：

(1) 研究背景：本文的研究背景是关于低剂量计算云诺（Low-dose Computed Tomography, LDCT）成像技术。由于辐射剂量降低，LDCT成像会引入噪声，影响图像质量。因此，研究如何有效地去除噪声并改善图像质量具有重要意义。

(2) 过去的方法及问题：过去的研究主要采用了深度学习技术，特别是基于生成对抗网络（GAN）的模型进行低剂量CT去噪。然而，这些方法仍存在一些问题，如平衡噪声抑制和细节保护之间的挑战，以及在不同临床场景下的性能不稳定等。

(3) 研究方法：本文提出了基于生成对抗网络（GAN）的架构进行低剂量CT去噪。该方法采用交替更新生成器和判别器网络的方式，引入特征匹配、小批次判别器和单边标签平滑等技术，以提高模型的性能。同时，还介绍了U-Net生成器、循环一致性损失等具体技术细节。

(4) 数据集和实验设计：该文章使用了特定的专业CT检查数据集，包括低剂量和正常剂量上半身CT图像，训练集中有数百对图像。使用诸如结构相似性指数（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）等指标来评估效率。

(5) 评估指标：文章使用了多种评估指标如结构相似性指数（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）、学习感知图像块相似性（LPIPS）等来验证该方法在图像去噪方面的性能。

(6) cGAN方法：采用条件生成对抗网络（cGAN）进行低剂量CT图像去噪，利用其他细节控制生成器和判别器。生成器采用U-Net结构，保留空间信息，在生成过程中保留解剖细节的同时去除噪声。

(7) CycleGAN方法：采用CycleGAN进行无需配对的图像到图像转换任务。该方法能够实现从低剂量CT（LDCT）到正常剂量CT（NDCT）的转换，无需一一对应的训练数据。通过两个生成器网络和两个判别器网络实现图像域之间的转换，并引入循环一致性损失来确保图像在转换后能够返回到原始状态。

总结：本文提出了基于生成对抗网络（GAN）的架构进行低剂量CT去噪任务，通过交替更新生成器和判别器网络，引入多种技术提高模型性能。同时采用了cGAN和CycleGAN等方法进行图像去噪，并在特定数据集上进行了实验验证。

  1. Conclusion:
  • (1)这篇工作的意义在于通过应用生成对抗网络（GAN）技术来解决低剂量计算云诺（Low-dose Computed Tomography, LDCT）成像中的噪声问题，以提高图像质量，为医疗诊断提供更准确、清晰的图像信息。
  • (2)创新点：该文章提出了基于生成对抗网络（GAN）的架构进行低剂量CT去噪，通过交替更新生成器和判别器网络，引入特征匹配、小批次判别器和单边标签平滑等技术来提高模型性能。但文章在某些方面存在局限性，如缺乏详细的性能指标报告和临床应用场景的广泛验证。此外，虽然文章中提到了不同的GAN架构（如cGAN和CycleGAN），但并未详细探讨它们在实际应用中的性能差异和优势。
  • 性能：该文章所提出的方法在去除低剂量CT图像中的噪声方面表现出良好的性能，通过对比实验和评价指标验证了该方法的有效性。然而，文章缺乏在特定数据集上的详细性能指标报告，这使得难以全面评估其性能。
  • 工作量：该文章涉及大量的深度学习模型和算法设计，以及复杂的实验设计和数据分析。然而，文章并未详细阐述其实验过程和数据处理工作量，这使得难以全面评估其研究投入和实际工作量。
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