HOME | ÍNDICE POR TÍTULO | NORMAS PUBLICACIÓN Espacios. Vol. 37 (Nº 04) Año 2016. Pág. 22
Marcio Hosoya NAME 1; Heder Luiz MARTINS Junior 2; Teruo Matos MARUYAMA 3; Rosane FALATE 4
Recibido: 29/09/15 • Aprobado: 02/11/2015
2. Sistemas com Processamento Digital de imagens (PDI) para a avaliação de raízes
RESUMO: Para obter a máxima capacidade de uma cultura, técnicas para avaliação da produtividade vêm sendo desenvolvidas, como o método de avaliação do sistema radicular. Este artigo apresenta um novo método computacional para a determinação do comprimento de raízes lavadas. Na avaliação do método foram usados fios de cobre, e os resultados foram comparados com aqueles medidos com um paquímetro, e com os derivados de dois softwares da área disponíveis na internet. O método proposto apresentou erros relativos entre -0,47 e 6,17%, enquanto que o software disponibilizado gratuitamente que apresentou melhores resultados teve os erros relativos variando entre 1,80 e 5,41%. |
ABSTRACT: For the maximum capacity of a culture, techniques for evaluating productivity have been developed, such as the evaluation method of the root system. This article presents a new computational method for determining the length of washed roots. In the evaluation of the method copper wires were used, and the results were compared with those measured with a caliper, and those derived from the two dedicated software available on the internet. The proposed method presented relative errors between -0.47 and 6.17%, while the software available for free that showed better results had the relative errors varying between 1.80 and 5.41%. |
A avaliação do sistema radicular é importante para melhor compreensão dos efeitos de manejo de nutrientes no solo e nutrição mineral de plantas, que visam à otimização e a maximização da produtividade agrícola (Name, 2013). A nutrição mineral de plantas é importante quando se busca uma agricultura rentável, onde o manejo adequado dos nutrientes contribui positivamente para um aumento da produção, conservando um equilíbrio sustentável com o meio ambiente (Eloi et. al. 2007). No entanto, as avaliações de sistemas radiculares têm sido uma atividade complexa, exaustiva e propícia a erros de amostragem e mensuração (Böhm, 1979).
Estudos abordando crescimento radicular podem ser realizados a partir da avaliação das características que determinam o crescimento e a distribuição de raízes no perfil do solo, podendo ser: número de raízes, volume, área superficial, diâmetro e, principalmente, o comprimento. O comprimento das raízes tem sido considerado um dos melhores atributos nos estudos relacionados à absorção de água e nutrientes (Böhm, 1979).
O modo tradicional para mensurar o comprimento radicular foi proposto por Newman (1966). Ele desenvolveu um procedimento baseado na relação matemática entre o comprimento de segmentos de raízes e o número de intersecções em linhas retas orientadas aleatoriamente, denominado método da linha de intersecção. Esse método foi adaptado por Tennant (1975) para quantificação visual de amostras de raízes usando-se uma grade. Todavia, esse método é demorado de implementar e pode gerar resultados subjetivos, de acordo com o avaliador.
Com o avanço da tecnologia, novas metodologias foram propostas, proporcionando menores custos, maior precisão e menor tempo de análise, dentre as quais se destacam os métodos por processamento digital de imagens (PDI). Em relação às metodologias de PDI, destaca-se o software WinRHIZO™ (Arsenault et. al. 1995), contudo, disponível comercialmente e o SIARCS® (Crestana et. al. 1994), utilizado no Brasil (Eloi et. al. 2007). Em 2008, Jorge e Rodrigues (2008) apresentaram o software SAFIRA (Sistema de Análise de Fibras e Raízes) – sistema sucessor ao SIARCS®. Desde então, esse sistema pode ser utilizado para mensurar o comprimento radicular, constituindo uma ferramenta livre desenvolvida na linguagem Java. Essa ferramenta possui equações específicas para cálculo do comprimento das raízes, através de análise de raízes lavadas.
Por conseguinte, outras técnicas computacionais que utilizam PDI, em software livre, foram desenvolvidas e utilizadas em trabalhos de pesquisa para estimar o comprimento de raízes, como o Image-J (Kimura et. al. 1999) e o IJ_Rhizo (Pierret et. al. 2013). O Image-J consiste em um algoritmo de linha que calcula o comprimento da raiz por meio da contagem do número de pares de pixels ortogonalmente e diagonalmente conectados. Os resultados do IJ_Rhizo foram comparados com o WinRHIZO™ por meio de correlação, e as estimativas de comprimento foram linearmente correlacionadas em imagens de amostras de raízes.
Paralelamente a elaboração dessas técnicas de medidas de comprimentos de raízes lavadas, pesquisadores buscaram modos de validar as mesmas com objetos similares às raízes, como fios de cabelo (Newman, 1966) e fios de algodão (Tennant, 1975), nos modos manuais; e fios de cobre (Kimura et. al. 1999) e imagens de linhas (Pierret et. al. 2013), nos métodos com PDI.
Neste trabalho foi desenvolvido um método computacional, por meio dos softwares livre Java e OpenCV, destinado futuramente a avaliar eficientemente amostras de imagens de raízes, comparando o comprimento estimado de amostras de fios de cobre com os obtidos com o sistema computacional nacional disponibilizado pela Embrapa, o SAFIRA, e o IJ_Rhizo.
O software Safira é sucessor do software SIARCS®, cujo enfoque está na análise de imagens raízes lavadas, e que fornece ao usuário os dados sobre o volume, área superficial e o comprimento, ordenado por diâmetros (Jorge, Rodrigues, 2008). Sua interface foi desenvolvida para utilização de cientistas e estudiosos da área de morfologia de raízes, não necessariamente, detentores de um conhecimento específico da tecnologia envolvida no processo de desenvolvimento. Os resultados são apresentados por meio de diferentes opções de tabelas de distribuição, por diâmetro ou por histogramas (Jorge, Rodrigues, 2008). A Figura 1 demonstra a interface do software Safira.
Figura 1 – Interface gráfica do software Safira.
(Fonte: O Autor, 2015)
O IJ_Rhizo é um software de código aberto, com plataforma independente, e que oferece uma interface gráfica de usuário (GUI) para o público principal de cientistas não programadores (Pierret et. al. 2013). Trata-se de um macro da aplicação Image-J, com o propósito de adicionar funções para a realização da medição de amostras de raízes lavadas. O sistema fornece ao usuário, diversos modos de operação de avaliação para as raízes (modo Tennant, modo Kimura, etc). A Figura 2 apresenta a interface resultante no Image-J após a instalação da macro IJ_Rhizo.
Figura 2 - Instalação damacro IJ_Rhizo na aplicação Image-J.
(Fonte: O Autor, 2015)
O desenvolvimento do software foi com a Linguagem Java, a mesma utilizada por autores como Name (2013), Vaz et. al. (2014), Rodrigues, Kleinschmidt (2014), Ishikawa et. al. (2015), e a biblioteca para processamento digital de imagens OpenCV, desenvolvida pela Intel® (Bradski, Kaehler, 2008). No entanto, foi necessária a utilização de um plugin, para que suas funções fossem acessadas por códigos em Linguagem Java: o JavaCV (Audet, 2015).
Para a produção do software proposto utilizou-se as plataformas livres Netbeans 6.9.1 e JDK 1.6.0_20 da Oracle, OpenCV Versão 2.4.0, e, ainda, JavaCV 0.1 (plugin Java para OpenCV). O sistema foi elaborado utilizando um Processador Intel® Core™ i5-3470 3.20 GHz, 4,0 GB de memória RAM e Sistema Operacional Windows 7 (64 bits).
Para a aquisição das imagens foi utilizada uma multifuncional Epson Stylus® TX115, em modo profissional, com resolução de 300 dpi (0,085mm pixel-1), imagens em formato RGB (Red, Green, Blue, - Vermelho, Verde e Azul). As dimensões das imagens foram 733 x 700 pixels. O armazenamento dos arquivos foi em formato JPEG (Joint Photographic Experts Group).
Fios de cobre de 0,12 e 0,16 mm de diâmetro foram cortados em segmentos de 10, 20 e 50 mm. Os diâmetros dos fios foram mensurados com um micrômetro Starrett série 436M, com resolução de 0,01 mm, e os comprimentos dos fios foram medidos com um paquímetro de resolução de 0,05 mm. Os fios de cobre foram usados para a avaliação da ferramenta por serem similares às raízes, que possuem formato cilíndrico. Fios de cobre foram amplamente utilizados por Kimura et. al. (1999) e Kimura e Yamasaki (2001). A escolha por diferentes diâmetros foi abordada para analisar se, porventura, havia alguma alteração no comprimento em relação à largura. A Tabela 1 apresenta os seis fios de cobre utilizados com seus respectivos comprimentos e diâmetros.
Tabela 1: Amostras de fios de cobre utilizadas.
Amostra |
Comprimento (mm) |
Diâmetro (mm) |
1 |
10,00 |
0,12 |
2 |
20,00 |
0,12 |
3 |
50,00 |
0,12 |
4 |
10,00 |
0,16 |
5 |
20,00 |
0,16 |
6 |
50,00 |
0,16 |
Para avaliar o método proposto, todos os fios de cobre apresentados na Tabela 1 foram usados. Para cada fio de cobre foi adquirida uma imagem, a qual foi reorientadas entre 15o e 345o com intervalos de 15o, sendo o grau 0, a imagem digitalizada. Dessa forma, obtiveram-se 144 imagens (06 digitalizadas e 138 reorientadas), sendo 24 por comprimento/diâmetro.
Por fim, para cada imagem com intervalo entre 0-345o foram extraídos os resultados com método proposto, o Safira e o IJ_Rhizo, e estes foram comparados com as medidas realizadas com o paquímetro, e com os resultados estimados do método proposto, do Safira e do IJ_Rhizo. A estratégia adotada para a comparação foi o erro relativo entre os valores de comprimentos obtidos pelos métodos computacionais indicados e os valores medidos com o paquímetro. Para a avaliação dos métodos adotou-se ainda, para a limiarização, um valor fixo de limiar, que produzia resultados visualmente similares aos demais programas computacionais utilizados.
Figura 3 – Imagens do fio de cobre de comprimento 20mm e diâmetro 0,12mm, para os ângulos de 15º, 30º, 45º e 60º, respectivamente.
(Fonte: O Autor, 2015)
A Figura 4 apresenta a interface do sistema elaborado.
Figura 4 – Interface (a) do sistema elaborado e (b) para limiarização da imagem.
(Fonte: O Autor, 2015)
A Tabela 2 apresenta os comprimentos obtidos para o método proposto, o Safira e o IJ_Rhizo. Conforme relatado anteriormente, esses valores são o resultado da média aritmética dos comprimentos obtidos para cada uma das 24 imagens do fio.
Tabela 2: Resultados de comprimento obtidos para o método proposto, o Safira e o IJ_Rhizo.
Amostra |
Comprimento (mm) |
Proposto (mm) |
Safira (mm) |
IJ_Rhizo (mm) |
01 |
10,00 |
9,871 |
10,541 |
11,902 |
02 |
20,00 |
21,234 |
20,592 |
21,802 |
03 |
50,00 |
51,007 |
52,193 |
54,840 |
04 |
10,00 |
10,207 |
10,409 |
12,013 |
05 |
20,00 |
19,905 |
20,359 |
21,482 |
06 |
50,00 |
51,861 |
51,984 |
54,614 |
Conforme pode ser verificado na Tabela 2, as medidas de comprimento obtidas pelo sistema proposto, em sua maioria, são as que apresentam menores erros relativos, adotando as medidas de comprimento obtidas manualmente, com o paquímetro, como referência. O maior erro relativo obtido com o sistema foi de 6,17%, para a amostra 02, enquanto que o menor erro relativo (-0,47%) foi para a amostra 05. Com relação aos outros métodos avaliados, o Safira apresentou erros relativos entre 1,80% e 5,41%; enquanto que o IJ_Rhizo teve os erros relativos variando entre 7,41 % e 20,13%.
Assim como em (KIMURA et. al., 1999) e (KIMURA, YAMASAKI, 2001), Figura 5 apresenta a dependência do sistema ou do método proposto com a rotação.
Figura 5 – Dependência do sistema para a medida do comprimento com a rotação da imagem.
(Fonte: O Autor, 2015)
Pode-se verificar que a variação das estimativas de comprimento é periódica, com o ciclo de variação sendo completado a cada 90o. Os valores máximos e mínimos obtidos são respectivamente de 7,393 mm e 12,535 mm. Entretanto, o valor médio de comprimento para este fio foi de 10,208 mm, o que resulta em um erro relativo de 2,08%. Portanto, considerando a aplicação a que se destina a ferramenta, onde as raízes estarão dispostas aleatoriamente na imagem, o sistema apresenta um resultado satisfatório.
Para o usuário que utiliza o sistema Safira pela primeira vez, sem realizar a leitura do manual do usuário (JORGE, 2010), é difícil o reconhecimento do botão principal, que habilita a evolução da análise da imagem e os respectivos resultados. Esse botão, mais especificamente, não é intuitivo, impossibilitando uma interação ágil. Outro aspecto do sistema é a obrigatoriedade imposta ao usuário de acompanhar todo o processo técnico (manipulação da imagem) antes de serem expostos os resultados. Com relação à apresentação dos resultados, a metodologia adotada pelo Safira pode comprometer a agilidade do processo, pois traz ao usuário informações fragmentadas, baseadas no número de diâmetros encontrados nos objetos, obrigando o mesmo a realizar a exportação do arquivo para planilha eletrônica e realização de operações manuais.
O sistema IJ_Rhizo apresenta uma interface simples com detalhes comuns a outros tipos de sistemas. Entretanto, caso se deseja avaliar mais de uma imagem ao mesmo tempo, todas elas devem estar em um mesmo diretório selecionado pelo usuário. Outro aspecto que merece destaque é a necessidade de seleção da macro específica para a medida. Outro detalhe do IJ_Rhizo é a necessidade de ter conhecimento técnico da área de processamento digital de imagens para a definição dos parâmetros utilizados (resolução, tamanho do filtro de ruído, tipo de limiarização automática etc.). Com relação ao acesso dos resultados, verificou-se que o separador decimal é o ponto. Portanto, ao utilizar a planilha eletrônica sem a devida configuração para esse separador, os resultados são apresentados em formato de milhar ou de milhões, em vez do valor decimal esperado.
O sistema proposto, ao contrário dos anteriores, possui uma interface intuitiva e simples. Devido a isso, o usuário não necessita ter conhecimento técnico da área de processamento digital de imagens para poder utilizar o sistema, tornando o processo mais ágil e eficiente. Ainda, o sistema proposto apresentou erros relativos inferiores aos demais sistemas em cinco das seis amostras utilizadas. Portanto, o sistema proposto obteve as medidas de comprimento mais próximas das medidas reais em 83,33% das amostras utilizadas, tornando-o o mais indicado para a medição de comprimento de raízes.
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