Komputerowe przetwarzanie i analiza obrazów w ocenie zjawisk zachodzących w komórkach i tkankach roślin

Katedra Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej współpracuje z biologami z dwóch jednostek Uniwersytetu Łódzkiego, które zajmują się badaniami procesów fizjologicznych i zakłóceniami rozwoju roślin powodowanymi różnorodnymi czynnikami zewnętrznymi. Celem współpracy jest opracowanie metod automatycznego pomiaru wybranych objawów reakcji roślin na stres przy zastosowaniu technik przetwarzania i analizy obrazu. Rozważano obrazy barwne przedstawiające wybrane reakcje zarówno na poziomie komórkowym, np. w postaci anomalii mitozy i uszkodzeń chromosomów, jak i na poziomie tkankowym jako przebarwienia oraz jako zmiany topologii i morfologii różnych części roślin. W pracy zaprezentowano przegląd metod segmentacji i rozpoznawania obrazów opracowanych przez autorów w celu automatyzacji pomiarów tych reakcji obserwowanych u roślin w skali mikro- i makroskopowej

Koncepcja i rozwój studiów podyplomowych w Katedrze Informatyki Stosowanej

Publikacja przedstawia ewolucję kierunków kształcenia podyplomowego w ofercie Katedry Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej w latach 1998-2010. Zakres tematyki studiów skutecznie nadążał za zmianami potrzeb rynku pracy i rozwojem narzędzi informatycznych. Do pierwszych studiów dotyczących efektywnego wykorzystania zasobów informatycznych dołączyły studia informatyczne kierowane do nauczycieli różnych specjalności, w związku z koniecznością uzyskiwania przez nich odpowiednich uprawnień. Kilka lat później, ze względu na rozwój technologii sieci komputerowych, otwarto studia w tej dziedzinie. W ostatnim czasie najbardziej efektywne i popularne okazują się jednak studia a zakresu grafiki komputerowej i animacji z uwagi na wszechstronność zastosowań narzędzi graficznych w różnych obszarach aktywności człowieka. Rozwinięciem idei studiów z grafiki komputerowej jest rozpoczynające się obecnie nauczanie programowania gier komputerowych i aplikacji mobilnych.In the article, the evolution of postgraduate education in offer of Computer Engineering Department, Technical University of Łódź, from 1998 to 2010, is presented. The studies content has effectively followed the labor market`s changes and informatics technologies evolution. The first course concerned on effective usage of informatics resources comes the computer science studies offered for teachers of different specialties due the needs of new skills training. A few years later, because of computer networks evolution, the networking course was organized. Lastly, the most effective and popular are computer graphics and animation courses due the versatility of graphics tools usage in different aspects of human being. Following the computer graphics course concept is currently starting course of computer games and mobile applications programming

Alleviation of nickel toxicity in wheat (Triticum aestivum L.) seedlings by selenium supplementation

Hydroponically grown wheat seedlings were treated with 50 μM N i and/or 15 μM Se. After a 7-day culture period, their growth parameters, N i, Se, F e, and M g contents, electrolyte leakage, photosynthetic pigment concentrations, and photochemical activity of photosystem II were determined. Exposure of wheat seedlings to N i alone resulted in reduction in the total shoot and root lengths, by 22% and 50%, respectively. Addition of Se to the N i-containing medium significantly improved the growth of these organs, compared to the seedlings subjected to N i alone. Application of Se decreased the accumulation of N i in shoots and roots and partially alleviated the N i-induced decrease in F e and M g concentations in shoots. Electrolyte leakage increased in response to N i stress, but in shoots it was diminished by Se supplementation. Exposure to N i led to a decrease in chlorophyll a and b contents and enhancement of chlorophyll a/b ratio, but did not influence the concentration of carotenoids. Enrichment of the N i-containing medium with Se significantly increased chlorophyll b content, compared to the seedlings treated with N i alone. Photochemical activity, estimated in terms of the maximum quantum yield of photosystem II, decreased in response to N i treatment but was significantly improved by simultaneous addition of Se. Results of our study suggest that alleviation of N i toxicity in wheat seedlings by Se supplementation may be related to limitation of N i uptake

Algorytm segmentacji mikroskopowych obrazów okrzemek w preparatach z zanieczyszczeniami osadowymi

Tyt. z nagłówka.Bibliografia s.985-986.Dostępny również w formie drukowanej.ABSTRACT: In the paper a new, robust to artefacts, method of microscopic diatom image segmentation has been presented. Images are acquired in grey-levels using bright field microscopy from specimens with impurities such as dust specks, debris or sand crystals. The method assumes superposition of images from different focal planes including diatom surface ornamentation and boundaries. Diatom object contours are detected using Canny filtering and their background regions are extracted independently applying bottom hat filtering and morphological reconstruction. Contour gaps are filled by linking of all contour ends inside of individual diatom background regions. To distinguish regularly shaped objects of diatoms from artefacts, contour curvatures, symmetry axes and centres are verified for each segmented object. Directional ornamentation of diatom frastules (if present) is detected by histogram analysis of phase images inside of individual region masks. STRESZCZENIE: W artykule zaprezentowano nową, odporną na artefakty, metodę segmentacji obrazów mikroskopowych okrzemek. Obrazy te pobiera się w skali szarości, w jasnym polu widzenia mikroskopu, z preparatów zawierających zanieczyszczenia takie jak drobinki kurzu, okruchy skorupek lub kryształy piasku. Metoda ta zakłada składanie obrazów pochodzących z różnych płaszczyzn ostrości, zawierających odpowiednio ornamentację powierzchni i kontury okrzemek. Krawędzie obiektów okrzemek wykrywa się przy pomocy filtracji Canny'ego, a ich obszary są wydobywane niezależnie przy zastosowaniu transformaty "czarnego cylindra" i rekonstrukcji morfologicznych. Przerwania konturów podlegają uzupełnieniu poprzez połączenie ich końców wewnątrz poszczególnych obszarów okrzemek. Aby rozróżnić obiekty skorupek o regularnych kształtach od artefaktów sprawdza się krzywizny konturów, osie i środki symetrii. Kierunkowość ornamentacji skorupek okrzemek, jeśli występuje, jest rozpoznawana poprzez analizę histogramów obrazów fazowych wewnątrz masek poszczególnych obiektów. KEYWORDS: diatoms, segmentation, region boundaries, morphological reconstruction, boundary curvature, ornamentation. SŁOWA KLUCZOWE: okrzemki, segmentacja, krawędzie obszarów, rekonstrukcja morfologiczna, krzywizna konturów, ornamentacja

An image analysis method for the automatic measurement of selected morphological features of wheat shoots

Tyt. z nagłówka.Bibliogr. s. 257.W artykule przedstawiono algorytm przetwarzania i analizy obrazu, który umożliwia automatyczny pomiar wybranych cech morfologicznych młodych pędów pszenicy. Rośliny te były poddawane oddziaływaniu zarówno metali ciężkich, jak i korzystnemu działaniu selenu, tak że ich potencjalny wzrost może różnić się od grupy kontrolnej. Proponowany system pomiarowy wykorzystuje zeskanowane obrazy liści, które następnie są przetwarzane w środowisku MATLAB, aby wyznaczyć długości i pola powierzchni liści. Po wykonaniu segmentacji wyznaczane są binarne obrazy szkieletów pędów, następnie zamieniane w formę grafu i korygowane w celu wyznaczenia linii środkowych łodygi i liści. Linie te podlegają pomiarom długości po ich wygładzeniu za pomocą funkcji sklejanych 3. stopnia. Wybór punktów odgałęzienia liści i ich najbliżej położonych odpowiedników z drugiej strony liścia pozwala na odcięcie poszczególnych liści i pomiar ich pola powierzchni. Przedstawiono wykonane pomiary długości wybranej populacji pędów i porównano je z wynikami metody manualnej i uproszczonej. Dołączono także przykładowe pomiary pola powierzchni liści roślin wzrastających pod wpływem korzystnego działania selenu i bez niego.In the paper an image processing and analysis algorithm has been presented, which provides the automatic measurement of selected morphological features of young wheat shoots. The plants were subject of heavy metals treatment experiments as well as beneficial selenium influence, so they growth potential can differ from the control group. The proposed measurement system uses scanned leaf images, that are processed in MATLAB environment to get leaves lengths and areas. After the segmentation stage binary image skeletons are determined, then changed to the graph forms and corrected to obtain the medial axes of a stem and leaves. These axes are measured in length, after their smoothing with the cubic splines method. The selection of leaf branching pixels and their closest counterparts on the other edge of each leaf enables cutting single leaves and the measurement of their areas. The length measurements for the selected population of shoots have been presented and compared with the results of manual and simplified methods. The example measurements of leaf areas with and without selenium influence have been included as well.Dostępny również w formie drukowanej.SŁOWA KLUCZOWE: pędy pszenicy, segmentacja obrazu, szkielet obrazu, eliptyczne deskryptory fouriera, przycinanie szkieletu, funkcje sklejane 3. stopnia. KEYWORDS: wheat shoots, image segmentation, image skeleton, elliptical fourier descriptor, skeleton pruning, cubic splines

An automatic segmentation method for scanned images of wheat root systems with dark discolourations

The analysis of plant root system images plays an important role in the diagnosis of plant health state, the detection of possible diseases and growth distortions. This paper describes an initial stage of automatic analysis—the segmentation method for scanned images of Ni-treated wheat roots from hydroponic culture. The main roots of a wheat fibrous system are placed separately in the scanner view area on a high chroma background (blue or red). The first stage of the method includes the transformation of a scanned RGB image into the HCI (Hue-Chroma-Intensity) colour space and then local thresholding of the chroma component to extract a binary root image. Possible chromatic discolourations, different from background colour, are added to the roots from blue or red chroma subcomponent images after thresholding. At the second stage, dark discolourations are extracted by local fuzzy c-means clustering of an HCI intensity image within the binary root mask. Fuzzy clustering is applied in local windows around the series of sample points on roots medial axes (skeleton). The performance of the proposed method is compared with hand-labelled segmentation for a series of several root systems

Spatial referencing of chlorophyll fluorescence images for quantitative assessment of infection propagation in leaves demonstrated on the ice plant: Botrytis cinerea pathosystem

Abstract Background Chlorophyll fluorescence analysis is one of the non-invasive techniques widely used to detect and quantify the stress-induced changes in the photosynthetic apparatus. Quantitative information is obtained as a series of images and the specific fluorescence parameters are evaluated inside the regions of interest outlined separately on each leaf image. As the performance of photosynthesis is highly heterogeneous over a leaf surface, the areas of interest selected for generating numeric data are crucial for a reliable analysis. The differences in intact leaf physio-morphological characters and in the structural effects of stress between leaves increase the risk of artefacts. Results The authors propose a new enhanced method for precise assessment of stress-induced spatiotemporal changes in chlorophyll a fluorescence exemplified in the leaves of common ice plants infected with a fungal pathogen. The chl a fluorescence leaf image series obtained with Imaging-PAM fluorometer are aligned both by affine and nonlinear spline transforms based on the set of control points defined interactively. The successive readings were taken on the same leaf and this image sequence registration allows to capture quantitative changes of fluorescence parameters in time and along selected directions on the leaf surface. The time series fluorescence images of attached leaf, aligned according to the proposed method, provide a specific disease signature for an individual leaf. The results for C3 and Crassulacean Acid Metabolism (CAM) plants have been compared with respect to the type of photosynthetic metabolism and the image alignment accuracy has also been discussed. Conclusions The image alignment applied to the series of fluorescence images allows to evaluate the dynamics of biotic stress propagation in individual plant leaves with better accuracy than previous methods. An important use of this method is the ability to map the fluorescence signal horizontally in one leaf during disease development and to accurately compare the results between leaves which differ in morphology or in the structural effects of stress. This approach in analysing chlorophyll fluorescence changes can be used to receive spatial and temporal information over a sample area in leaves infected by different pathogenic fungi and bacteria

Method of Biomass Discrimination for Fast Assessment of Calorific Value

Crop byproducts are alternatives to nonrenewable energy resources. Burning biomass results in lower emission of undesirable nitrogen and sulfur oxides and contributes no significant greenhouse effect. There is a diverse range of energy-useful biomass, including in terms of calorific value. This article presents a new method of discriminating biomass, and of determining its calorific value. The method involves extracting the selected texture features on the surface of a briquette from a microscopic image and then classifying them using supervised classification methods. The fractal dimension, local binary pattern (LBP), and Haralick features are computed and then classified by linear discrimination analysis (LDA). The discrimination results are compared with the results obtained by random forest (RF) and deep neural network (DNN) type classifiers. This approach is superior in terms of complexity and operating time to other methods such as, for instance, the calorimetric method or analysis of the chemical composition of elements in a sample. In the normal operation mode, our method identifies the calorific value in the time of about 100 s, i.e., 90 times faster than traditional combustion of material samples. In predicting from a single sample image, the overall average accuracy of 95% was achieved for all tested classifiers. The authors’ idea to use ten input images of the same material and then majority voting after classification increases the discrimination system accuracy above 99%

Extraction of the Polyurethane Layer in Textile Composites for Textronics Applications Using Optical Coherence Tomography

This article presents a new method for the extraction and measurement of the polyurethane layer of Cordura textile composites using optical coherence tomography. The knowledge of coating layer properties in these composites is very important, as it affects mechanical parameters such as stiffness and bending rigidity. Unlike microscopic measurements, which require cross-section samples of the material, the proposed approach is non-invasive. The method is based on detecting the top and bottom boundaries of the polyurethane layer in Optical Coherence Tomography (OCT) images using image processing methods, namely edge enhancement filtering, thresholding and spline smoothing. The cover layer measurement results obtained from a three-dimensional OCT image of the composite fabric are presented as the thickness maps. The average values of the layer thicknesses measured with the OCT method for four types of Cordura showed a high correlation with the results obtained from microscopic measurements (Pearson correlation coefficient r = 0.9844 ), which confirms the accuracy of the OCT method