Filtracja Obrazu w Teledetekcji: Nowe Metody Analizy Emocji
- Szczegóły
Powszechna dostępność danych teledetekcyjnych, takich jak obrazy satelitarne czy lotnicze, zobrazowania wielospektralne termalne i wiele innych, spowodowała bardzo dynamiczny rozwój teledetekcji. Sięgając do definicji tego pojęcia, możemy powiedzieć, że jest to metoda pozyskiwania informacji na temat interesującego nas obiektu lub zjawiska bez bezpośredniego kontaktu z przedmiotem naszych zainteresowań.
Naukowcy starają się poznać tajemnice, które kryją się w naszym układzie nerwowym. Do bardzo ciekawych obszarów badań mózgu należą badania nad ludzkimi emocjami i uczuciami. Ich praktyczna strona znajduje swoje miejsce np. w bardzo trudnym procesie wczesnego rozpoznawania schorzeń o podłożu neurologicznym, m.in. schizofrenii, nerwic czy depresji.
Twarz ludzka odzwierciedla to, w jaki sposób nasz mózg reaguje na wiele docierających do niego bodźców zewnętrznych. Skoro tak się dzieje, to z pewnością jesteśmy w stanie rejestrować reakcje naszego układu nerwowego uzewnętrzniane poprzez mimikę. Najprościej możemy tego dokonać, stosując bardzo starą i znaną technikę, a mianowicie fotografię. Jednak od fotografii do analizy mimiki twarzy jest jeszcze bardzo długa droga.
Wykorzystanie Szybkich Kamer w Badaniach Teledetekcyjnych
Znaczący postęp, jaki nastąpił w dziedzinie fotografii spowodował, że obecnie w zasadzie każdy jest w stanie stosować zaawansowane metody rejestracji zdjęć za pomocą domowych kamer HD. Badania prowadzone w Katedrze Geodezji Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej, wskazują, że niestety nie jest to wystarczające. Aby wydobyć ze zdjęć twarzy cenną informację na temat tego, co dzieje się w naszym mózgu w trakcie, gdy targają nami emocje, trzeba zastosować bardziej wyrafinowane metody.
Jednym z najciekawszych produktów ostatnich lat są kamery umożliwiające rejestrację kilkuset zdjęć na sekundę. Badania prowadzone przez zespół z Politechniki Gdańskiej przy współpracy naukowców z Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego i Uniwersytetu Gdańskiego potwierdzają przydatność takiego narzędzia. Rejestrując z szybkością 1 tys. klatek na sekundę uśmiech, wywołany np. zabawnym rysunkiem, możemy prześledzić mechanizm powstawania zmian mimicznych na naszej twarzy. Prowadzone badania zakładały rejestrację sześciu typowych stanów emocjonalnych odtwarzanych przez osoby biorące udział w eksperymencie.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Ponieważ czas trwania pojedynczej miny (stanu emocjonalnego) wynosił 2 s, nie trudno policzyć, że uzyskujemy 2 tys. klatek, na których jesteśmy w stanie zaobserwować powstawanie np. uśmiechu na naszej twarzy. Zgromadzony w ten sposób materiał zdjęciowy pozwolił na przeprowadzenie analizy przy pomocy oprogramowania firmy Exelis ENVI i IDL.
Analiza Danych z Wykorzystaniem IDL
Ponieważ tzw. szybka kamera generuje ogromne ilości danych, wykorzystanie graficznego środowiska, jakie oferuje ENVI, może być mało wydajne. Zdecydowanie praktyczniejszym rozwiązaniem podczas obróbki dużej liczby zdjęć okazuje się wykorzystanie IDL Interactive Data Language - język programowania, w którym zostało napisane ENVI. Mamy więc dostęp do wszystkich funkcji, jakie znajdują się w ENVI, a nie musimy angażować naszego procesora do obsługi strony graficznej. IDL to język stworzony do obróbki obrazów, powszechnie wykorzystywany przez astronomów do analizy obrazów uzyskiwanych z teleskopów, ale nie tylko.
Inspiracją do opisywanych doświadczeń były prace dotyczące przepływów cieczy. Powszechnie znana metoda anemometrii obrazowej umożliwia wyznaczanie prędkości i kierunku poruszających się cząsteczek wody w obserwowanym przepływie. Oświetlając laserem poruszające się w wodzie mikroskopijne cząsteczki (markery) i wykonując zdjęcia, jesteśmy w stanie identyfikować pojedyncze cząsteczki w toni wodnej i wytyczać trajektorie ich ruchu w trakcie całego czasu obserwacji. Procedury opracowane w IDL umożliwiają śledzenie trajektorii ich ruchu w bardzo prosty sposób. Wykorzystywana jest tu jedna z najbardziej rozpowszechnionych w teledetekcji metod - klasyfikacja obiektowa.
Stosując zaawansowane metody filtracji obrazów, możemy wyznaczyć obszary, które będą reprezentowały tę samą wartość charakterystyki spektralnej, czyli wybraną przez nas jasność. Dzięki bardzo rozbudowanym bibliotekom, o które zadbał producent, mamy do dyspozycji niezliczone zasoby internetowe, gdzie możemy znaleźć podprogramy tworzone przez entuzjastów na całym świecie. W naszym przypadku wykorzystujemy kombinację bibliotek i funkcji oferowanych przez producenta, napisanych przez entuzjastów, jak również stanowiących autorski wkład zespołu z Trójmiasta.
Trajektorie i Turbulencja: Nowe Spojrzenie na Emocje
Dysponując obrazem rozłożonym na obiekty znajdujące się na twarzy, jesteśmy w stanie śledzić ich ruch w trakcie całego czasu obserwacji. Na twarzy pojawia się spore zamieszanie. Ruch jest tak intensywny, że bardzo trudno byłoby wyłuskać z tego jakąś użyteczną wiedzę na temat ludzkich emocji. Ta plątanina kresek zawiera bardzo cenne informacje dotyczące przemieszczania się obszarów reprezentujących założone przez nas wartości wielkości i jasności.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Ponieważ IDL daje nam możliwość wyboru czasu obserwacji, możemy (sterując tym parametrem) wybierać te momenty, które nas najbardziej interesują. Anemometria obrazowa wniosła najwięcej w dziedzinie badań nad turbulencją. Jest to najbardziej typowy przykład ruchu, jaki obserwujemy w przyrodzie. Skoro mówimy o turbulencji, nie sposób nie wspomnieć o współczynniku, który w pewnym sensie ujmuje to zjawisko w sposób ilościowy - dyspersji. Najprościej ujmując, dyspersja to proces pokazujący, jak zmienia się odległość pomiędzy sąsiadującymi cząsteczkami w trakcie ewolucji obserwowanego zjawiska w czasie.
To, co widzimy, to obraz typowy dla zjawiska turbulentnego, więc to, co się dzieje na naszej twarzy, to również w pewnym sensie turbulencja. Możemy zauważyć, że obserwowane przez nas obszary oddalają się od siebie w trakcie całego okresu obserwacji. Jesteśmy więc w stanie w sposób ilościowy charakteryzować to, co się dzieje na ludzkiej twarzy podczas okazywania emocji. Czy dzięki temu możemy uzyskać wiedzę na temat tego, co się dzieje w tym czasie w naszym układzie nerwowym?
W trakcie jednego z eksperymentów poproszono ludzi chorych na różne odmiany schizofrenii o odtworzenie emocji, które reprezentowane były w przygotowanym do badań teście. Widzimy, że wykres ten różni się znacznie od typowego wykresu dla osoby zdrowej.
Porównanie Wykresów Dyspersji dla Osoby Zdrowej i Chorej na Schizofrenię
Poniższa tabela ilustruje różnice w wykresach dyspersji między osobą zdrową a osobą chorą na schizofrenię.
| Osoba | Charakterystyka Wykresu Dyspersji |
|---|---|
| Osoba Zdrowa | Wykres o regularnym przebiegu, wskazujący na skoordynowane ruchy obszarów na twarzy. |
| Osoba Chora na Schizofrenię | Wykres nieregularny, z dużymi odchyleniami, wskazujący na brak koordynacji w ruchach mięśni twarzy. |
Przyszłość Badań nad Emocjami z Wykorzystaniem Teledetekcji
Przedstawione w niniejszym artykule rozważania dotyczą bardzo ciekawego obszaru badań, w którym teledetekcja jest właściwie jedynym narzędziem pozwalającym na uzyskanie jakichkolwiek informacji o obserwowanym obiekcie. Niewątpliwą zaletą teledetekcji jest pozyskiwanie informacji bez bezpośredniego kontaktu z obiektem naszych zainteresowań.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Dzięki tej metodzie (czyli użyciu dobrze znanej fotografii, ale wykorzystującej zdobycze nowoczesnej techniki) osoby te potraktowały badanie jako rodzaj zabawy, co spowodowało, że ich reakcje (rejestrowane za pomocą tzw. szybkiej kamery) były zbliżone do naturalnych. Materia uczuć, jak widać, jest na tyle ulotna, a zarazem na tyle skomplikowana, że tylko zastosowanie metod z bardzo wielu odległych dyscyplin naukowych może rzucić nowe światło na interesujące nas zjawisko.
Nieustający rozwój technologii rejestracji obrazów, w połączeniu z udoskonalonymi algorytmami zaawansowanej analizy obrazów, pozwoli w niedługim czasie uchylić rąbka tajemnicy kryjącej się w człowieku. Emocje należą do ciekawszych, a zarazem najmniej poznanych obszarów ludzkiego umysłu.
tags: #filtracja #obrazu #teledetekcja #metody
