ImScope para Android

Aplicación experimental para Android para evaluación de salud vegetal por medio de procesamiento de imágenes según índices de uso habitual: NDVI y otros.

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Las plantas obtienen su energía del sol mediante el proceso de fotosíntesis. Lo pueden hacer porque sus células contienen unas bio-moléculas llamadas cloroplastos , que integran una familia de pigmentos conocidos como clorofilas .

La luz blanca del sol es una mezcla de todos los colores del espectro lumínico, pero las clorofilas que participan en el proceso de transformar energía solar en energía química lo hacen absorbiendo luz de determinadas longitudes de onda , o sea de determinados colores que se encuentran en los rangos que corresponden a los azules y a los rojos. Las plantas no utilizan la luz verde del espectro y la reflejan. Ésta es la razón por la que vemos las hojas de color verde, es la luz no utilizada para la fotosíntesis , la que es reflejada por las hojas.

En estado saludable, las plantas no sólo reflejan la luz verde del espectro solar: también reflejan el llamado "infrarrojo cercano" , o sea las longitudes de onda de la luz solar que se ubican justo por debajo del color rojo, el cual sí es absorbido por la clorofila en el proceso de fotosíntesis.

Todos estas características de absorción y reflexión de diferentes longitudes de onda son útiles entonces y de hecho son ampliamente utilizadas para evaluar el estado de salud de una planta: Una hoja saludable absorbe luz azul y roja durante el proceso de fotosíntesis, al mismo tiempo que refleja la luz verde y la correspondiente al infrarrojo cercano.

Una de las formas en que son tradicionalmente aprovechadas estas características es mediante imágenes multiespectrales obtenidas mediante satélites . Más recientemente se comenzó a tomar imágenes mediante UAV's ( drones ) , que llevan a bordo cámaras multiespectrales, es decir cámaras capaces de registrar no sólo la luz visible sino tambien otras bandas del espectro de la luz solar, como la luz ultravioleta y la infrarroja.

ImScope es una aplicación para Android y un instrumento EXPERIMENTAL orientado a la visualización y registro de indicadores de salud vegetal mediante el procesamiento de imagen y video tomado mediante celulares y tablets, aplicando una variedad de filtros e índices que son uso habitual , algunos simplemente sobre la luz visible capturada por la cámara , y otros intentando aprovechar una pequeña fracción de luz NIR que logra eludir el filtro que bloquea los infrarrojos en los dispositivos móviles.

NIR

NIR : Infrarrojo cercano (Near Infrared)

Las cámaras que traen los smartphones y las tablets son sensibles a la radiación infrarroja cercana, pero estas longitudes de onda por encima de los 700 nanometros que lo separan del rojo, son bloquedas casi totalmente por un filtro óptico incorporado . Este filtro de bloqueo es muy necesario para que la luz infrarroja invisible no interfiera con los colores capturados en el uso normal de la cámara.

Sin embargo, una pequeña parte de la radiación NIR ( infrarrojo cercano) logra pasar el filtro. Ésto se puede comprobar activando un control remoto ( por ejemplo el de un televisor) apuntado a la cámara del celular. Se puede ver cómo el LED infrarrojo del control remoto se enciende al oprimir los botones , por ejemplo al cambiar de canal .

En el modo NIR , ImScope muestra una representación monocromática en la que la intensidad del blanco es proporcional al infrarrojo cercano (Near InfraRed) estimado mediante un algoritmo que intenta deducirlo a partir de una combinación entre los colors visibles captados y esa pequeña fracción de luz infrarroja que consigue pasar el filtro.

A partir de la estimación del canal NIR, se hacen posibles los siguientes modos:

NRG-400.png

NRG (NIR - Red - Green)

El modo NRG es una representación con colores traspuestos en la que la intensidad del rojo corresponde al infrarrojo cercano (Near Infrared) estimado , el verde al rojo captado y el azul al verde captado.
NRG > RGB

NGB (NIR - Green - Blue)

El modo NGB es una representación con colores traspuestos en la que la intensidad del rojo corresponde al infrarrojo cercano (Near InfraRed) estimado , mientras que el verde y el azul se conservan sin cambios .
NGB > RGB

ABSABS

ABS

En el modo ABS, se intenta hacer una representación en la que el rojo es proporcional a la luz roja absorbida por el objeto, y el azul es proporcional a la luz azul absorbida. El control de desplazamiento permite variar la proporción de grises para poder visualizar el contexto . Este modo puede ser de utilidad a partir del hecho de que los dos tipos de clorofila ( clorofila a y clorofila b ) absorben luz roja y y luz azul en distintas proporciones.

RGBn-400.png

Índices:

Para todos los siguientes índices, un control de desplazamiento permite seleccionar un nivel o coeficiente que va desde 0 hasta 1 .. de modo que:

Así, si por ejemplo uno selecciona un índice NDVI de 0.7, el ROJO corresponden a los puntos con índice cercano a ese valor, el VERDE a los pixeles con índice NDVI cercano a 0.5, y el AZUL a los puntos con valor cercano a 0.4. De ésta manera, ajustando el control de desplazamiento, se pueden captar diferencias sutiles entre áreas de la imagen.

Índices calculados:

NDVI-400.png

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)

El NDVI o Índice de vegetación de diferencia normalizada es uno de los más utilizados para la salud vegetal, principalmente porque la diferencia entre el reflejo rojo y el infrarrojo es significativa y fácil de captar medante satélites. El índice se "normaliza" al dividir la diferencia por la suma de ambos valores, eludiendo de ese modo las variaciones debidas a la intensidad.

(NIR-RED) / (NIR +RED) (Recordar que NIR es sólo un estimado para la cámara del celular con filtro IR, y que este estimado sólo es válido para las hojas y a la luz del sol)

VIGreen

(GREEN-RED) / (GREEN+RED)

VARI

(GREEN-RED) / (GREEN+RED-BLUE)

GRI

%GREEN - %RED diferencia entre porcentaje de verde y porcentaje de rojo

GBI-400.png

GBI

%GREEN - %BLUE diferencia entre porcentaje de verde y porcentaje de azul

GI

GRI + GBI suma de las diferencias entre el porcentaje de verde y los porcentajes de rojo y azul

Interpretación de resultados

La interpretación de los resultados obtenidos mediante esta aplicación excede nuestros conocimientos técnicos y la dejamos para biólogos, botánicos e ingenieros agrónomos, a quienes invitamos a instalar Imscope experimentar y sacar sus propias conclusiones!

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Image processing Android application for evaluation of vegetal health indicators