ikerketak arrantza Analizador visual para el procesado extensivo de muestras de plancton El análisis de las muestras de plancton con fines científicos consume gran cantidad de tiempo y dinero, por lo que un alto porcentaje de las muestras obtenidas se queda sin procesar. Para tratar de resolver éste y otros problemas, AZTI ha desarrollado el Analizador Visual de Plancton, un programa de ordenador dedicado al procesado extensivo de grandes muestras. TEXTO: GUILLERMO BOYRA EIZAGUIRRE (AZTI INVESTIGACIÓN MARINA-PASAIA) E l plancton es el conjunto de organismos animales y vegetales, generalmente diminutos, que flotan y son desplazados pasivamente en el medio acuático. El estudio del plancton es imprescindible 52 sustrai.69 para la comprensión del ecosistema marino. La base de la cadena trófica marina la constituye el fitoplancton, esto es, el plancton vegetal. Un paso más arriba en dicha cadena se encuentra el zooplancton, que ocupa una posición clave al transferir la energía orgánica producida por el fitoplancton a niveles tróficos más altos, como pueden ser los stocs de peces pelágicos explotables por el hombre. En este contexto, por ejemplo, la disponibilidad o ausencia de zooplancton del tamaño adecuado (para poder ser ingerido) condiciona completamente la supervivencia de los primeros estadios de desarrollo de los peces y, a la postre, su reclu- tamiento, es decir, el porcentaje de la puesta que llegará a adulto. De hecho, en estos primeros estadios de desarrollo, desde el momento de la puesta en forma de huevos y hasta el momento de la eclosión de las larvas, los propios peces constituyen un tipo de plancton particular, el llamado ictioplancton. El estudio de la concentración de ictioplancton durante la época de puesta es la base de uno de los principales métodos de estimación de abundancia de especies pelágicas que soportan pesquerías tan importantes como la anchoa en el Golfo de Bizkaia. El análisis de las muestras de plancton con fines científicos consume gran cantidad de tiempo de laboratorio. Por lo tanto, un alto porcentaje de las muestras obtenidas año tras año se quedan sin procesar por falta de tiempo y dinero y se van almacenando y apilando a la espera de una solución. Otro problema relacionado lo constituye la imposibilidad de realizar el análisis de un número de muestras suficiente para realizar estimas válidas de reclutamiento de especies pelágicas por los métodos manuales empleados tradicionalmente. MATERIAL Y MÉTODOS ANALIZADOR VISUAL DE PLANCTON (AVP) Para tratar de resolver estos problemas se está llevando a cabo un proceso de automatización del tratamiento de las muestras. Con este objetivo se ha desarrollado en la Unidad de Investigación Marina de AZTI el Analizador Visual de Plancton, o AVP, un programa de ordenador dedicado al procesado (es decir, conteo, medición y clasificación) extensivo de grandes muestras de plancton. El AVP se aplica sobre las imágenes de las muestras, previamente fotografiadas mediante cámara digital o simplemente mediante un escáner, y realiza sobre éstas el análisis de los organismos planctónicos que contienen. El AVP trabaja combinando técnicas de visión artificial y redes neuronales artificiales. En su diseño se ha tratado de priorizar la facilidad de uso, pero se ha tratado también de crear una herramienta modular y flexible: la incorporación de un sistema de aprendizaje a partir de los datos basado en la tecnología de redes neuronales permite que cada usuario pueda configurarla y entrenarla para la identificación y clasificación de las especies objetivo que le interesen. El AVP realiza tres tareas distintas con las muestras de plancton: conteo, medición de características y clasificación. Conteo En el conteo, el AVP aplica unos umbrales de nivel de gris o de color para realizar la "binarización" de la imagen original, es decir, la conversión de cada punto de la imagen original a unos o ceros, dependiendo de si el punto forma parte de algún organismo o no. De esta forma distingue los individuos contenidos en cada imagen, los separa del fondo y los cuenta. El correcto funcionamiento del programa en esta fase depende fuertemente de la calidad y contraste de las imágenes obtenidas, de ahí la importancia de contar con una buena metodología de captación de imágenes (en la que es altamente recomendable incluir la tinción de las muestras para mejorar el contraste). Medición de características Una vez numerados los organismos de la muestra, el AVP realiza una medición de una serie fija de características de cada uno de ellos. Las CONFIGURACIÓN TÍPICA DE TRABAJO CON EL AVP. La muestra de plancton se tiñe (a) para obtener un mejor contraste; se vierte en una bandeja o placa Petri (b) sobre la cual se realiza el registro de la imagen, en este caso mediante un escáner (c); la imagen se guarda en el disco duro del ordenador (d) y se abrirá posteriormente desde el AVP (e) para realizar el procesado de la muestra. características se han limitado por el momento a atributos morfológicos asociados al contorno de las imágenes binarias, y se ha dejado para futuras versiones el uso de características de color o de otro tipo. Algunas de las características son primarias, es decir, directamente medidas sobre la imagen: área, perímetro, diámetro mayor, diámetro menor, etc... A partir de éstas se generan otras secundarias, que se obtienen mediante operaciones con las primarias (circularidad, elongación, dimensión fractal, etc...). Clasificación Por último, el AVP realiza la clasificación de los organismos. La clasificación se realiza mediante una red neuronal y consta de dos fases bien diferenciadas: el aprendizaje y la clasificación en sí. En estas fases, el AVP ya no trabaja con las imágenes sino que lee directamente las características. El aprendizaje consiste en el entrenamiento de la red neuronal para la identificación de las clases con supervisión humana a partir de una clasificación previa. Mediante el sistema de aprendizaje por redes neuronales, el AVP va aprendiendo las pautas comunes de las características de cada clase. Una vez entrenada la red, el AVP clasifica las imágenes que se le muestran en función de las clases disponibles, consiguiendo un porcentaje de aciertos variable, en función de la selección de las sustrai 53 El AVP se ha presentado con notable éxito de acogida en distintos foros científicos internacionales y algunos organismos internacionales han adquirido copias del programa. de muestras de plancton, ofreciendo un método sencillo y rápido para procesar un gran volumen de muestras que, de otra manera, no podrían ser analizadas. El AVP se aplica sobre imágenes en formato digital obtenidas en cada laboratorio, bien con cámara digital o con un escáner. El AVP además, al distribuirse gratuitamente, hace de la conversión a formato digital un proceso económicamente accesible a numerosos laboratorios y empresas dedicadas a este trabajo. El desarrollo del AVP ha sido financiado por el Departamento de Industria Comercio y Turismo Dirección de Tecnología e Innovación del Gobierno Vasco (en las convocatorias SAIOTEK 2002 y 2003) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología - Dirección General de Política Tecnológica (convocatoria PROFIT AHORACT 2003). El programa puede descargarse desde la página web de AZTI (www.azti.es). ASPECTO QUE OFRECE LA INTERFAZ GRÁFICA DEL ANALIZADOR, mostrando los módulos de análisis y clasificación (a la izquierda), las características de los candidatos (abajo-derecha) y la imagen de una muestra de zooplancton. características empleadas para la clasificación. Este parámetro constituye la capacidad clasificadora del AVP. Aplicaciones y primeros resultados En una primera prueba realizada sobre un número de alrededor de 500 ejemplares de plancton de distintas especies (huevos de anchoa y sardina mezclados con varios otros tipos de zooplancton del mismo rango de tamaños) el analizador mostró una capacidad clasificadora de alrededor de un 94%. En este momento se está estudiando la adición de nuevas características al clasificador para mejorar aún más su efectividad y ampliar el rango de especies clasificables. El AVP se ha presentado con notable éxito de acogida en distintos foros científicos internacionales (como los grupos de trabajo de "Procesos de Reclutamiento" 54 sustrai.69 y "Ecología de Zooplancton" del ICES en el 2004). Como resultado, científicos de distintos organismos internacionales han adquirido copias del programa (entre ellos científicos del Laboratorio Marino de Aberdeen, y del Museo Británico de Historia Natural ) y algunos institutos punteros en estudios medioambientales marinos (como el Laboratorio Marino de Plymouth) están empezando a emplearlo en sus protocolos de procesado de plancton. El éxito de los primeros chequeos realizados ha llevado a AZTI a emplear el AVP en diferentes tareas. En concreto, se está utilizando para el análisis de muestras históricas de plancton que, en algunos casos, llevaban años almacenadas debido la imposibilidad de dedicar el esfuerzo necesario para su procesado por métodos tradicionales. En suma, el AVP es un programa que permite la automatización del análisis Aquí se pueden ver las SUCESIVAS TRANSFORMACIONES que va sufriendo la imagen de una pequeña muestra de huevos de anchoa, tal como se observa en el monitor del AVP, mientras va siendo sometida a las sucesivas rutinas de análisis de imagen. a. Imagen original. b. Imagen binaria, los unos en granate y los ceros en azul. c. Imagen después del conteo, donde tan sólo aparecen los mejores candidatos y cada uno aparece ya de un color distinto. d. Éste es el aspecto del visor del AVP en el momento en el que el área de características de la interfaz el AVP muestra los valores medidos sobre uno de los organismos. El individuo aparece resaltado para que el usuario sepa a cuál de ellos corresponden las características mostradas.