El programa VisioBioShapeR: identificar imatges biològiques amb la física del so
Caracteritzar imatges del radar de pluja, identificar malformacions en les closques de mol·luscs causades per contaminants o classificar una col·lecció dʼinsectes per la forma de les ales són algunes de les aplicacions de VisioBioShapeR, un innovador programa de processament dʼimatges biològiques per facilitar la descripció automàtica de formes i contorns, dissenyat pels experts Biel Stela i Antonio Monleón-Getino, de la Secció dʼEstadística del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística de la Universitat de Barcelona.
Caracteritzar imatges del radar de pluja, identificar malformacions en les closques de mol·luscs causades per contaminants o classificar una col·lecció dʼinsectes per la forma de les ales són algunes de les aplicacions de VisioBioShapeR, un innovador programa de processament dʼimatges biològiques per facilitar la descripció automàtica de formes i contorns, dissenyat pels experts Biel Stela i Antonio Monleón-Getino, de la Secció dʼEstadística del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística de la Universitat de Barcelona.
Un article publicat a la revista científica Open Access Library Journal (OALib) descriu les propietats del nou programa VisioBioShapeR, basat en la física de les ones sonores i aplicable a qualsevol camp dʼestudi que exigeixi la caracterització dels contorns en les imatges (ecologia, zoologia, meteorologia, etc.).
Identificar imatges amb el llenguatge de programació R
En general, els equips científics utilitzen un ampli ventall de programes durant lʼactivitat investigadora però no solen fer ús dels que se centren en el processament dʼimatges biològiques. Avui en dia, es coneixen programes dʼalt interès per a múltiples funcions —des de lʼadquisició de les imatges fins al tractament de dades per obtenir-ne resultats—, però requereixen uns coneixements específics i, a més, solen ser privatius i dʼalt cost econòmic.
«Lʼobjectiu del paquet VisioBioShapeR és afegir funcionalitats al llenguatge de programació R, que és un entorn de programari lliure per a computació i gràfics estadístics molt utilitzat per la comunitat científica i tècnica mundial», detalla el professor Antonio Monleón-Getino, que és membre del Grup de Recerca de Bioestadística i Bioinformàtica (GRBIO), equip integrant de la plataforma Bioinformatics Barcelona (BIB).
«R es compila i sʼexecuta en una àmplia varietat de plataformes (Unix, Windows i MacOS)», continua Monleón-Getino. «Així, els investigadors que usin aquest llenguatge R per al tractament de dades no sʼhauran de familiaritzar amb cap altre llenguatge o programa molt més complex pel que fa a aquest tipus dʼanàlisi dʼimatges».
VisioBioShapeR: descriure els contorns amb harmònics
La tècnica implementada pels experts es basa en el camp del tractament del so, un àmbit en què les ones acústiques són descrites com una sèrie dʼharmònics senzills. «Amb els contorns és el mateix: es descriu una ona que sʼadapta al contorn i sʼusen els harmònics dʼaquesta ona com a descriptors. Amb el descriptor obtingut, es poden fer nombroses anàlisis sobre la variació del contorn», explica Biel Stela, expert en programació i identificació automàtica dʼimatges i primer signant de lʼarticle. «Aplicant el programa VisioBioShapeR, els ordinadors identifiquen els contorns escoltant les formes», afegeix.
El concepte dʼescoltar les formes prové del fet de representar la informació de les imatges amb harmònics i els seus coeficients. Dʼaquesta manera, lʼordinador pot treballar sobre una representació numèrica del contorn, en què cada harmònic és una característica. Tal com apunten els autors, aquesta metodologia facilita la feina de classificació amb algoritmes dʼaprenentatge automàtic.
VisioBioShapeR es fonamenta en el mètode de descriptors de Fourier (MDF), una tècnica usada àmpliament en el camp de les telecomunicacions i la informàtica. Aquesta tecnologia, aplicada per primer cop en la dècada dels vuitanta en la descripció de contorns, es va fer servir inicialment per identificar caràcters escrits a mà. En lʼactualitat, el seu àmbit dʼaplicació sʼha ampliat a diferents camps de la visió per computador.
Per emprar el nou programa, només cal que els usuaris coneguin i estiguin familiaritzats amb el llenguatge de programació R. Les eines dʼanàlisi dʼimatge estan integrades en el flux de treball de manera fàcil i accessible.
El fet que avui en dia la gran majoria de formats es puguin llegir amb el llenguatge R facilita lʼaplicació de VisioBioShapeR. Aquest sistema també exigeix que el contingut de la imatge sigui binari, és a dir, ha de tenir només dos valors diferents de píxel (un per al fons i lʼaltre per a lʼobjecte que sʼha de descriure). Per passar dʼuna imatge en color a una imatge binària, cal aplicar un algoritme amb un valor preestablert (threshold). Segons les característiques de la imatge, aquest procés pot ser molt complex i requerir un programari especialitzat per tractar les imatges. Tal com detallen els autors, «VisioBioShapeR es pot emprar per estudiar qualsevol organisme o objecte que sigui caracteritzable pel seu contorn».
Actualment, els autors col·laboren amb el Grup dʼAnàlisi de Situacions Meteorològiques Adverses (GAMA) de la Universitat de Barcelona i el Servei Meteorològic de Catalunya per crear un model que identifiqui formes dʼimatges de radar de precipitació, a temps real, per millorar el coneixement del cicle de vida de tempestes.
Referència de lʼarticle:
Biel Stela i Antonio Monleón-Getino. «Facilitating the automatic characterisation, classification and description of biological images with the VisioBioShape package for R». Open Access Library Journal, octubre de 2016. Doi: 10.4236/oalib.1103108