Reliable and automated 3D plant shoot segmentation is a core prerequisite for the extraction of plant phenotypic traits at the organ level. Combining deep learning and point clouds can provide effective ways to address the challenge. However, fully supervised deep learning methods require datasets to be point-wise annotated, which is extremely expensive and time-consuming. In our work, we proposed a novel weakly supervised framework, Eff-3DPSeg, for 3D plant shoot segmentation. First, high-resolution point clouds of soybean were reconstructed using a low-cost photogrammetry system, and the Meshlab-based Plant Annotator was developed for plant point cloud annotation. Second, a weakly-supervised deep learning method was proposed for plant organ segmentation. The method contained: (1) Pretraining a self-supervised network using Viewpoint Bottleneck loss to learn meaningful intrinsic structure representation from the raw point clouds; (2) Fine-tuning the pre-trained model with about only 0.5% points being annotated to implement plant organ segmentation. After, three phenotypic traits (stem diameter, leaf width, and leaf length) were extracted. To test the generality of the proposed method, the public dataset Pheno4D was included in this study. Experimental results showed that the weakly-supervised network obtained similar segmentation performance compared with the fully-supervised setting. Our method achieved 95.1%, 96.6%, 95.8% and 92.2% in the Precision, Recall, F1-score, and mIoU for stem leaf segmentation and 53%, 62.8% and 70.3% in the AP, AP@25, and AP@50 for leaf instance segmentation. This study provides an effective way for characterizing 3D plant architecture, which will become useful for plant breeders to enhance selection processes.
翻译:可靠且自动化的 3D 植物片断是提取器官级植物口腔特征的核心先决条件。 将深层学习和点云结合起来可以提供有效的方法来应对挑战。 但是, 完全监督下的深层学习方法要求数据集具有点性, 附加注释, 这个方法非常昂贵且耗时。 在我们的工作中, 我们为 3D 植物片断提议了一个新颖的薄弱监管框架, Eff-3DPSeg 。 首先, 使用低成本的摄影测量系统来重建高分辨率点大豆云。 以 Meshlab 为基础的植物50.3 说明器可以提供有效解决挑战的有效方法。 其次, 为植物器官部分的分解建议了一个薄弱的受监督的深度学习方法。 方法包括:(1) 预先训练一个使用Viewpoint Bottlneck 损失的自我监督网络, 从原始点云中学习有意义的内在结构代表; (2) 微调模式, 大约为0.5 % 叶部, 以注释的方式实施植物器官部分。 之后, 三次胸部选择了 95 值 值 值 值 值 值 值 值 值 值 值 值 值 值 方向 方向 方向 方向 方向 方向 值 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向 方向