Введение 3
1 Обзор предметной области 5
1.1 Измерение клеточной структуры годичных колец 6
1.1.1 Функциональные возможности программы «Линейка» 9
1.1.2 Функциональные возможности программы AxioVision 11
1.2 Цифровая обработка изображений 13
1.2.1 Формирование изображений 14
1.2.2 Типы изображений 17
1.2.3 Методы сегментации изображений 18
1.3 Выводы по главе 1 30
2 Разработка программного продукта 31
2.1 Выявление требований 31
2.2 Алгоритм работы программы 32
2.3 Средства разработки 39
2.4 Апробация программы 39
2.5 Выводы по главе 2 42
Заключение 43
Список использованных источников 44
Приложение А Плакаты презентации 47
Одним из приоритетных направлений деятельности Российского научного фонда является «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с представлением результатов в рамках международной конференции». По данному направлению в 2015 году научным коллективом Сибирского федерального университета «Цифровая микроанатомия годичных колец в физиологии, экологии, климатологии и археологии» выигран грант под руководством доктора исторических наук С. В. Мыглана.
Фундаментальная научная проблема, частью которой является предлагаемый проект, — установление и количественная оценка закономерностей и природно-социальных последствий текущих климатических изменений. Один из наиболее востребованных косвенных источников об изменчивости климата - годичные кольца деревьев. Однако, потенциал годичных колец как косвенного источника климатической и экологической информации еще не исчерпан [1].
Методы дендрохронологии широко используются для изучения пространственно-временной динамики лесных экосистем и реконструкции факторов внешней среды за длительные интервалы времени. Они позволяют оценивать относительный вклад различных факторов, как естественных, так и антропогенных, которые оказывают влияние на трансформацию лесных экосистем и изменение условий окружающей среды.
Долгое время основным параметром годичных колец являлась их ширина. Однако с развитием современных информационных технологий появилась возможность проводить измерения параметров структуры годичных колец. В первую очередь это относится к измерению геометрических размеров структурных элементов клеток, таких как ширина стенки или ширина внутренней части клетки — люмена.
Основной проблемой при проведении исследований является подсчет линейных параметров клеток на снимках. В лаборатории дендрохронологии при СФУ используется программа AxioVision, позволяющая производить измерения только в ручном режиме, что накладывает субъективный характер оценки параметров клеток. В связи с этим целью работы является разработка программного продукта для вычисления линейных параметров клеток хвойных пород деревьев. Данный программный продукт послужит средством для автоматического измерения параметров и позволит избавиться от субъективной оценки клеточных параметров. В рамках выпускной квалификационной работы для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
- обзор предметной области;
- построение алгоритма программы;
- разработка и апробация программного продукта
В ходе проведения обзора предметной области рассмотрена существующая методика измерения параметров клеток хвойных пород деревьев. Для проведения подобного типа вычислений в данной области существует несколько программных продуктов. Рассмотренные программные аналоги имеют свои недостатки с точки зрения заказчика. В настоящее время в лаборатории используется базовая версия программы AxioVision. Программа позволяет решить большой спектр задач при работе с изображениями в области биологии, криминалистики и материаловедении, однако данная программа не специализирована на работе со снимками клеточных структур деревьев. Поэтому для проведения измерений требуются большие временные ресурсы и участие оператора, который производит все вычисления в ручном режиме. Именно из-за отсутствия должного программного обеспечения в лаборатории потребовалась разработка новых программных средств, позволяющих автоматизировать процесс измерений.
Так как все вычисления проводятся при работе с изображениями, то были рассмотрены такие аспекты цифровой обработки изображений, как формирование, типы и методы сегментации. Исходя из анализа гистограмм исходных снимков, в качестве метода сегментации выбран метод двойной пороговой сегментации с вычислением порога по методу Оцу, так как гистограммы яркостей изображений близки к бимодальному распределению.
На основании выявленных требований был разработан и реализован алгоритм вычисления линейных параметров клеток хвойных пород деревьев. Границы клеток определяются автоматически, что позволило снизить субъективную оценку оператора. Программный продукт реализован на языке программирования C# при помощи интегрированной среды разработки Visual Studio при поддержке платформы .NetFramework. Была проведена апробация программного продукта, в ходе которой была подтверждена корректность результатов его работы.
