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20/03/2014. Imagem digital. Imagens digitais: vetorial e bitmap. Propriedades das cores. Resolução de imagem digital

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(1)

ANÁLISE DE IMAGENS EM

TECNOLOGIA DE SEMENTES

Produção de Sementes (LPV-5705) Pós-graduação - Fitotecnia Primeiro Semestre de 2014 C.C.

Francisco Guilhien Gomes Junior Tecnologia de Sementes Depto de Produção Vegetal

USP/ESALQ

11/05/2012 13h10 - Atualizado em 11/05/2012 14h14

Satélite russo registra maior foto já feita

da Terra, com 121 megapixels

Cada pixel da imagem corresponde a 1 km de distância

PIXEL, RESOLUÇÃO E TAMANHO DA IMAGEM

Tamanho

O tamanho de uma imagem digital está definido no número de linhas e colunas que a forma

Resolução

Capacidade que um sistema de

captura/reprodução de imagens tem para reproduzir detalhes

A resolução de uma imagem é o número de pixels impressos ou exibidos por unidade de medida Pixel:(“Pictures Elements”) É o menor ponto que forma uma imagem

x y Pixel = f(x,y)

Imagem digital

Imagem bitmap Imagem vetorial

CDR, AI e EPS TIFF, JPEG, PNG, GIF, BMP e PSD

Representação de uma imagem

bidimensional

usando

números binários

codificados de modo a

permitir seu armazenamento, transferência,

impressão ou reprodução, e seu processamento por

meios eletrônicos

Tipos de imagens digitais

Cada pixel tem um valor independente de cor

Imagem

Vetorial

Imagem

Bitmap

Imagens digitais: vetorial e bitmap

A imagem vetorial pode ser redimensionada sem perda de qualidade

A resolução de uma imagem bitmap deve ser definida antes da impressão e o seu redimensionamento pode causar perda de qualidade As imagens vetoriais

são geradas a partir de linhas (vetores) e pontos, e são definidas por coordenadas e

fórmulas matemáticas

As imagens bitmap são geradas a partir de uma malha quadriculada, onde a menor unidade é chamada pixel Esquerda: semente de milho captada em imagem de 100dpi, 256tons de cinza e 8bits. Direita: ampliada 7x em tela (700%)

Resolução de imagem digital

Teixeira (2004)

Propriedades das cores

RG

B

-

Modelo aditivo

C

M

Y

K

-

Modelo subtrativo

Escala de cinzas

(2)

28x 28x 28 16,7 milhões de cores

Modelo

R

G

B

8 bits

Escala de

cinzas

8 bits

Pixel = f(x,y) Pixel = f(x,y) 28 256 níveis x y x y

Bits nos modelos

R

G

B

e

escala de cinzas

Imagem digital

Níveis de cinza

256 8 bits 128 7 bits 64 6 bits 32 5 bits 16 4 bits 8 3 bits 4 2 bits 2 1 bit Marques Filho e Vieira Neto (1999)

IMAGEM BINÁRIA

 Procedimentos não destrutivos para avaliação da

qualidade de sementes

Raios X

Microtomografia computadorizada de raios X Tomografia por ressonância magnética Câmera multiespectral

Fluorescência de clorofila

 Avaliação de características físicas e morfológicas

de sementes e de plântulas

Descritores de cor, forma e tamanho das sementes Avaliação do vigor de sementes com base em imagens digitais de plântulas

Análise de imagens de sementes e de

plântulas

Procedimentos não destrutivos para avaliação

da qualidade de sementes

TESTE DE

RAIOS X

Procedimentos não destrutivos para avaliação

da qualidade de sementes

Raios X

Descoberta dos raios X

 Físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923)  8 de novembro de 1895: primeira chapa de raios X

(3)

Raios X

Características dos raios X

Fonte: google

Raios X

Como são gerados os raios X?

Elétrons acelerados emitidos pelo cátodo se chocam com um alvo metálico (ânodo de tungstênio) Ao atingir o alvo, os elétrons desaceleram e perdem a energia cinética, cedendo energia aos elétrons do ânodo, gerando energia térmica e radiação

Raios X: geração

O comprimento de onda gerado depende do nível de energia

 Alto nível de energia

: ondas curtas  Mais apropriados para objetos grandes e, ou

densos

 Possuem alta absorção e resolução e causam baixo dano aos tecidos

 Baixo nível de energia

: ondas longas  São apropriados para objetos pequenos

Exemplo: sementes

 Possuem baixa absorção e resolução e causam alto dano aos tecidos

Fatores que afetam o nível de absorção

dos raios X pela

semente

Espessura e densidade dos tecidos

Composição da semente

Proteínas, carboidratos e lipídios: diferentes graus de hidrofobicidade

O teor de águada semente influencia a densidade óptica

Comprimento de onda da radiação ionizante

Raios X de menorcomprimento de onda => maiorpoder de penetração

35% de água 15% de água

Imagens radiográficas de sementes de

Tucumã (Astrocaryum aculeatum)

apresentando diferentes graus de umidade

Viabilidade da utilização de raios X em

sementes

CAUSA EFEITO

Radiografia de semente de milho doce

A pequena dose de radiação usada durante o teste não exerce influência negativa sobre a germinação (não provoca

mutação)

Não inviabiliza a semente (método não

destrutivo): relações

de causas e efeitos

(4)

ISTA - desde a década de 1980 (detecção de sementes cheias, vazias, danificadas mecanicamente ou por insetos).

RAS 2009 – capítulo específico (16) sobre o teste de raios X.

Raios X para análise de sementes

Histórico

Início da década de 1950 na Suécia: avaliação da

qualidade de sementes de Pinus sylvestris L.

(Simak e Gustafsson,1953)

Pinus sylvestris L.

Primeiro trabalho foi realizado por

Lundström

em

1903: sementes de coníferas

Raios X para análise de sementes

Histórico

Primeiro trabalho brasileiro foi realizado por

Silvio

M. Cicero

em 1998: avaliação de danos mecânicos

em sementes de milho

Setembro de 2001: inauguração do

Laboratório de

Análise de Imagens

do Departamento de

Produção Vegetal da USP/Esalq, financiado pela

FAPESP (primeiro laboratório para avaliação de

sementes utilizando raios X no Brasil)

Raios X

Como interpretar os resultados?

 Conhecer a morfologia interna  Conhecer o princípio do teste

Raios X

Como interpretar os resultados?

Trinca 3 Trinca 1 Trinca 2 Radícula Plúmula Raízes seminais

Raios X

Como interpretar os resultados?

1 mm

Crotalaria juncea L.

radícula hipocótilo plúmula cotilédones tegumento

Raios X

(5)

Raios X

Aplicações em Tecnologia de Sementes

 Detecção de anormalidades em embriões  Determinação do estádio de desenvolvimento das sementes

 Estudos de alterações fisiológicas durante os processos de maturação, secagem, germinação ou condicionamento fisiológico

 Identificação de injúrias mecânicas, injúrias causadas por insetos ou injúrias decorrentes de outros fatores adversos em pré e pós-colheita

 Seleção de sementes cheias

 Base para utilização de programas computadorizados na avaliação de alterações da morfologia interna

Embrião deformado PA Embrião com pequeno defeito PA PN Embrião sem defeito Socolowski e Cicero (2008) Tecoma stans

Raios X

Detecção de anormalidades em embriões

Raios X

Identificação de injúrias mecânicas

Gomes-Junior e Cicero (2012) Flor et al. (2004) milho doce soja Plântula anormal Plântula anormal

Raios X

Identificação de injúrias por “umidade”

Injúrias severas no eixo

embrionário

Injúrias severas na região dos cotilédones

Plântula anormal soja Forti et al. (2010) Menezes et al. (2012) Semente de arroz: secagem a 50o C

Raios X

Identificação de injúrias causadas por secagem

Caruncho em feijão-caupi

Melo et al. (2010)

Raios X

Identificação de injúrias causadas por insetos

Forti et al. (2008)

Percevejo em feijão

(6)

Raios X

Seleção de sementes cheias

Totalmente formada Parcialmente formada Não formada

(Carvalho et al., 2010)

Sementes de mamona

Área do embrião = 57%

Raios X

Base para utilização de programas computadorizados na avaliação de alterações da morfologia interna

Espaço livre interno total = 1,28 mm2 Semente de algodão Semente de Xylopia aromatica Sokolowski et al. (2011) Marcos-Filho et al. (2010) Neethirajan et al. (2007)

Detecção de grãos de

trigo “germinados” com

base na densidade de

pixels

Raios X

1 Moega de entrada de sementes 2 Tubo de raios X 3 Ampliação da imagem 4 Interface de usuário 5 Unidade de classificação Posicionamento da semente Obtenção da imagem radiográfica Análise e processamento

dos dados Classificação

Raios X no controle de qualidade de

sementes

Fonte: google (adaptado)

Tomografia computadorizada de

raios X (TC)

 É uma técnica que permite a visualização de

seções transversais

(cortes internos) de um

objeto de forma não destrutiva

 A captura é feita através de uma série de

pequenas rotações

 As informações de atenuação da radiação que

atravessa o objeto são gravadas para um plano

de interesse

 Um algoritmo processa os dados para formar

uma imagem 2D

 A combinação dessas imagens pode gerar a

visualização em 3D

Microtomografia de raios X

Tubo de raios X Intensificador de imagem Câmera CCD Projeções Imagem 3D Algoritmo de reconstrução Seções Análise das imagens

Determinação de parâmetros físicos Modelo 3D Sistema de circulação Amostra

(7)

Microtomografia computadorizada de

raios X (microTC)

Diferença em relação à TC consiste no grau de resolução da imagem e no tamanho do objeto a ser analisado

Apresenta resoluções mínimas de 50 microns, favorecendo a visualização e caracterização da estrutura interna de objetos pequenos, como sementes

Microtomógrafo SkyScan 1172: Embrapa Instrumentação

Microtomografia de raios X

Posicionamento da amostra:

Seção 572

Seção 690

Semente de milho

Microtomografia computadorizada de raios X

2000 seções transversais

Microtomografia computadorizada de raios X

Imagem radiográfica Faxitron X-ray MX 20 DC 12 digital SkyScan 1172 Passo de rotação: 0,2° Rotação total: 180° Tamanho do pixel: 6,6µm Seção coronal

Seção transversal Seção sagital

Imagem detalhada do embrião

Tomografia por ressonância

magnética

 A tomografia por ressonância magnética utiliza

fortíssimos campos magnéticos e ondas de

rádio para formar imagens de uma amostra

 São utilizados os pulsos de radiofrequência

direcionados somente ao

hidrogênio

contido na

amostra

 O excesso de energia liberado pelos prótons de

hidrogênio quando o pulso de radiofrequência é

desligado emite um sinal de uma bobina para o

computador

 Por meio de cálculos matemáticos os sinais são

transformados em uma imagem

(8)

Monitoramento da secagem de sementes de cevada

Seefeldt et al. (2007)

Imagem por ressonância magnética

5 min 2 h 5 min 5 h 5 min 6 h 5 min

8 h 5 min 11 h 5 min 12 h 5 min 17 h 5 min

Koizumi et al. (2008)

Monitoramento da hidratação de sementes de soja

Imagem por ressonância magnética

Câmera multiespectral

Imagem multiespectral: imagens de um

mesmo objeto

, tomadas com

diferentes

comprimentos de ondas

eletromagnéticas

(luz visível, infravermelha, ultravioleta,

raios X ou qualquer outra faixa do

espectro)

Imagem colorida tradicional

Utiliza três filtros

para as bandas

R

ed,

G

reen e

B

lue

Imagem RGB

Limite do Infravermelho Comprimento de onda (nm) R e sp o st a re la ti va

Imagem multiespectral

ultravioleta infravermelho Clorofila b Clorofila a Comprimento de onda (nm) Ab s o rb â n c ia

Imagem colorida tradicional

Clorofilas a e b

apresentam

quase o mesmo

(9)

Clorofila b Clorofila a Comprimento de onda (nm) Ab s o rb â n c ia

Imagem multiespectral

Em comprimentos

de onda específicos

as clorofilas a e b

apresentam

diferentes sinais e

podem sem

identificadas

Identificação de fungos em sementes de

espinafre

Olesen et al. (2011)

Olesen et al. (2011)

Identificação de fungos em sementes de

espinafre

Alternaria Cladosporium Fusarium Stemphylium Sem infecção Verticilium Int ens idade m édia Comprimento de onda (nm)

Identificação de fungos em sementes de

espinafre

N ú m e ro d e p ix e ls N ú m e ro d e p ixe ls Intensidade do pixel Alternaria spp. Cladosporium spp. Fusarium spp. Verticillium spp. Stemphylium spp. Sem infecção Olesen et al. (2011)

Câmera multiespectral no controle de

qualidade de sementes

Entrada das sementes Esteira móvel

Espectômetro e unidade de iluminação Classificação:

Sementes maduras e sadias Sementes imaturas Sementes infectadas por fungos

Fonte: google (adaptado)

Fluorescência de clorofila

Jalink et al. (1998)

A clorofila fluorescequando excitada em um determinado comprimento de onda 1. Um laser ou uma luz de LED excita a clorofila

2. Um filtro de largura de banda estreita filtra a fluorescência 3. A clorofila da semente é determinada

(10)

Fluorescência de clorofila em semente de

pimenta durante a germinação

M é d ia d e F C/p ix e l x1 0 0 0 ( va lo r e s c a la d e c in z a ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 40 30 20 10 0 Tempo (h) 68h 20min 50 http://www.phenovation.com

Lote de baixo vigor

Ocorrência de sementes esverdeadas

Lote de alto vigor

Sinal de fluorescência, baixo para alto: pretovermelholaranjaamareloverde

Fluorescência de clorofila em sementes

de soja

http://www.phenovation.com

Avaliação de características físicas e

morfológicas de sementes e de plântulas

 Sementes  Plântulas

Câmera CCD

Escâner de mesa

Computador e programa para análise de imagens

Imagens em Time-lapse

Descritores de cor, forma e tamanho das sementes

Classificação do vigor de lotes de sementes

 Construção da imagem da semente  Curva de embebição (monitoramento)  Taxa de crescimento da raiz  Índices médios RGB

 Descritores biomorfológicos Adaptado de Dell´Aquila (2006) Dell’Aquila (2009)

Índices

R

G

B

como indicadores da viabilidade

de sementes

Inicial Após envelhecimento

Escurecimento do tegumento de

sementes de lentilhaapós o envelhecimento (51 dias a 40 °C e teor de água de 14,4%)

Dell’Aquila (2006)

Índices médios

R

G

B

como indicadores da

viabilidade de sementes

Onobrychis viciifolia

Behtari et al. (2014)

Índices médios

R

G

B

como indicadores da

(11)

Índices médios

R

G

B

no monitoramento da

taxa de crescimento da raiz

Dell’Aquila (2009) Semente de rabanete

 Método direto para a identificação de sementes com alto potencial de desempenho

 Armazenamento das imagens de plântulas

 Resultados rápidos, objetivos e precisos

Biossíntese incompleta Membranas incompletas MATURIDADE FISIOLÓGICA Degeneração das membranas Redução das atividades respiratórias e biossintéticas

Germinação lenta Redução do potencial de conservação Menor taxa de crescimento e de desenvolvimento

Menor uniformidade de desempenho Maior sensibilidade a adversidades Redução da emergência de plântulas em campo

Aberrações morfológicas (plântulas anormais) Perda do poder germinativo

MORTE Adaptado de Delouche e Baskin (1973)

Avaliação automatizada do vigor de sementes

baseada em imagens digitais de plântulas

Processamento de uma imagem digital de

plântula de milho

256 tons de cinza (8 bits) 300 dpi

Imagem binária Esqueleto em imagem binária

Algoritmo

contador de pixels Teixeira et al. (2006) Cn = média aritmética do comprimento (cm) n = número de plântulas medidas em "pixels" sob resolução (r) dada em dpi. Hipocótilo Raiz Baalbaki et al. (2009) Marcos-Filho et al. (2009) Programas

 Seed Vigor Imaging System (SVIS)  Sistema de Análise de Sementes (SAS)  Análise Automatizada do Vigor de

Sementes (Vigor-S)

Determinação de índices (escala de 0 a 1000)

 Crescimento

 Uniformidade de desenvolvimento  Vigor

Determinação do comprimento médio das plântulas

Avaliação automatizada do vigor de sementes

alface

soja

Comp. plântula em azul: 7,8 cm Índice de Crescimento: 837 Índice de Uniformidade: 947 Índice de Vigor: 870 Comp. plântula em azul: 4,5 cm

Índice de Crescimento: 435 Índice de Uniformidade: 925 Índice de Vigor: 582

Baixo vigor Alto vigor

Gomes-Junior et al. (2014)

Avaliação automatizada do vigor de sementes

de feijão (programa SVIS)

SVIS: índices de vigor para soja

(plântulas com três dias de idade)

Proposta da Ohio Seed Improvement Association

Alto vigor: > 500

Vigor médio: 200 - 500

Baixo vigor: < 200

Proposta da Ohio State University

Vigor excepcional: 800 - 1000

Alto vigor: 600 - 799

Bom vigor: 400 - 599

Baixo vigor: 200 - 399

Grãos: < 200

(12)

Cultivar Nitro

Lote Germ.(%) PCG (%) EASS (%) EP (%) IV IU

6 99 a* 96 a 97 a 99 a 902 ab 922 ab 7 88 b 80 b 77 b 92 b 752 c 882 c 8 99 a 97 a 97 a 100 a 918 a 907 bc 9 99 a 96 a 98 a 100 a 883 ab 934 a 10 99 a 93 a 95 a 95 a 861 b 921 ab C.V. (%) 5,5 5,5 6,0 5,3 3,6 2,9

Marcos Filho et al. (2006)

* Comparação na coluna (teste de Tukey: p≤ 0,05)

Avaliação automatizada do vigor de sementes

de melão: comparação com métodos tradicionais

Índice de Vigor UniformidadeÍndice de

Cuidados e limitações

 Temperatura no germinador Parâmetros SVIS Temperatura °C Milho Soja 24 °C 25 °C 26 °C 24 °C 25 °C 26 °C Crescimento 531 B 459 B 734 A 612 B 573 B 731 A Uniformidade 832 B 861 A 859 A 867 A 872 A 870 A Vigor 621 B 579 B 765 A 739 B 722 B 800 A

 Uniformidade de umedecimento do substrato

 Horário de instalação do teste de germinação e aquisição das imagens

 Comparação entre cultivares com diferentes taxas de crescimento

 Sementes dormentes

Referências

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