Algoritmo de mejora de detalles basado en la fusión de imágenes microscópicas de exposición múltiple

21 Mar, 2022 | Ciencias de la imagen

¿Sabes lo que son las diatomeas? ¿Sabes que capturan más CO2 que todas las selvas juntas?
Nuevo método de fusión de imágenes HDR para reconocer automáticamente en el agua diatomeas

Las diatomeas son vitales en el funcionamiento del ecosistema por los diversos servicios ecológicos que ofrecen, como el secuestro de CO2, la producción de O2 y el ciclo del sílice. Las diatomeas son microorganismos cruciales que actúan como centinelas que nos alertan de cambios en los ecosistemas debido a sus breves ciclos de vida, lo que les permite adaptarse rápidamente a su entorno.

Se estima que las diatomeas son responsables del 20% de la fijación total de carbono en la Tierra, siendo más productivas que todas las selvas tropicales del planeta. Por lo tanto, son esenciales para el equilibrio de todo el ecosistema del planeta. Además de estas características, la llamada tierra de diatomeas tiene valor comercial en varios campos, como nutracéuticos, farmacéuticos y biocombustibles de renovación. La investigación de diatomeas sigue atrayendo el interés de investigadores básicos y aplicados debido a su amplia gama de aplicaciones.

Las diatomeas pueden considerarse una obra de arte natural fascinante, pero su estudio implica un examen cuidadoso de varias microestructuras delicadas que apenas se distinguen con bajos aumentos en microscopía. La sensibilidad de las diatomeas a los parámetros ambientales significa que pueden utilizarse para la detección de cambios en la calidad del agua, así como para obtener información sobre el estado ecológico, en una escala infinitamente más sutil que la que se obtendría utilizando técnicas convencionales de química del agua. Otras áreas de aplicación de la investigación de diatomeas son la ciencia forense y la exploración petrolera. Todas estas aplicaciones requieren contar e identificar de forma más o menos automatizada las diversas especies presentes en la muestra recogida.

Una energía más baja conduce a una fase de TiO2 con una menor contribución de TiN, mientras que una fluencia más alta produce una mayor cantidad de TiN .
Secuencia multiexposición de la diatomea Triceratium favus
Una energía más baja conduce a una fase de TiO2 con una menor contribución de TiN, mientras que una fluencia más alta produce una mayor cantidad de TiN .
Resultado del método CS-EF aplicado a la secuencia de exposición múltiple anterior.

El trabajo

En este trabajo, un equipo científico formado por investigadores de India y España han descrito un nuevo método de fusión de imágenes de microscopía obtenidas usando técnicas de exposición múltiple (HDR) para preservar los detalles de las regiones subexpuestas y sobreexpuestas. El método denominado “fusión de exposición sensible a la región celular (CS-EF)”, utiliza una medida de entropía local para calcular la función de mapa de pesos con objeto de excluir la presencia de pixeles saturados. Después se calcula una pirámide Laplaciana modificada en función de esta función de mapa de pesos para construir una imagen fusionada a través de los datos de entrada. Además se ha utilizado una técnica de ecualización de histograma modificada para mejorar la uniformidad de la fusión de las distintas imágenes.

Una energía más baja conduce a una fase de TiO2 con una menor contribución de TiN, mientras que una fluencia más alta produce una mayor cantidad de TiN .
Comparación de los cinco algoritmos de fusión de imágenes existentes actualmente con nuestro algoritmo CS-EF usando las imágenes de P. laevis adquiridas mediante microscopía de campo claro.

¿Por qué es necesario utilizar HDR?

Las diatomeas son algas microscópicas y transparentes y las fotos que se obtienen de ellas tienen una gran variedad de contraste y brillo, en particular con observaciones realizadas utilizando iluminación de campo oscuro y campo claro. Debido a esto, es difícil lograr con una sola exposición poder capturar todos los detalles importantes dentro de las regiones claras y oscuras. El objetivo principal de la fusión de exposición es reconstruir una sola imagen fusionada que muestre muchos más detalles que cualquier imagen individual en la secuencia original. El método de fusión presentado en este estudio ayuda a mejorar la información obtenida de la muestra utilizando microscopía de campo oscuro o de campo claro.

La evaluación cuantitativa de los resultados de fusión obtenidos con este nuevo método revela un mejor rendimiento que otros algoritmos alternativos de última generación lo que corrobora la validez del método.

Diatomeas

Las diatomeas son algas unicelulares microscópicas presentes en la Tierra desde hace al menos 180 millones de años. Sobreviven en cualquier ecosistema acuático con suficiente luz – mar, lagos, ríos, incluso barro – donde viven en la masa de agua en forma de plancton o adheridas a plantas, rocas o pequeñas partículas de arena. Las diatomeas son los protistas más diversos del planeta (es decir, organismos unicelulares con un núcleo), con alrededor de 20.000 especies conocidas, de las cuales el 90% -según las estimaciones- aún no han sido descubiertas.

Debido al tamaño microscópico de las diatomeas -que van desde 2μm a 2 mm de longitud para la mayoría de las especies- son invisibles a simple vista. Las diatomeas son seres vivos únicos cuyas paredes celulares están hechas de sílice opalina inorgánica, bastante resistente a la descomposición, al calor y a los ácidos. Es como si la célula estuviera dentro de una placa de Petri, llamada frústulo. La cubierta consiste en dos mitades entrelazadas, la epiteca y la hipoteca -ligeramente más pequeña-.

Cada especie de diatomeas está adaptada a un ecosistema relativamente específico, por lo que la calidad de los ecosistemas acuáticos se puede inferir obteniendo índices de las especies de diatomeas presentes.

Este es un trabajo del Instituto de Óptica (CSIC) en colaboración con el Chandigarh Engineering College de Landran – India, el grupo VISILAB de la Univ. Castilla la Mancha, el Departamento de Biodiversidad y Gestión Ambiental de la Universidad de León, y el Departamento de Electrónica e Ingeniería de Comunicación de la Universidad Chandigarh de Punjab – India

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