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Dott. Simone Provenzano - Tecniche di analisi di immagine applicate allo studio dei suoli

Tesi di Laurea Magistrale in Scienze Geologiche - Capitolo II - Cenni teorici sull'analisi di immagine - Unical

 

 

 

 

 

L'analisi di immagine è una tecnica che consente di ottenere misure ed informazioni a partire da immagini digitali, utilizzando opportuni software. Attraverso questa tecnica è possibile riconoscere e quindi isolare gli oggetti di interesse all'interno di un'immagine digitale e, attraverso opportune elaborazioni, ottenere svariate tipologie di informazioni (ad esempio la luminosità, il colore, le dimensioni, la forma, la tessitura, l'orientazione spaziale, ecc.) relative a tali oggetti.

 

2.1. Nascita dell'analisi di immagine

Prima dello sviluppo delle tecnologie computerizzate, tutti gli studi scientifici a scala microscopica venivano eseguiti quasi esclusivamente osservando sezioni sottili al microscopio ottico. Le analisi erano prevalentemente di tipo qualitativo più che quantitativo, a causa dell'impossibilità pratica nonché temporale di eseguire misure precise su una moltitudine di elementi di diversa natura e caratterizzati da geometrie irregolari. L'approccio di tipo semi-quantitativo consisteva (e spesso consiste tuttora quando è sufficiente una stima rapida ed approssimata) nel semplice confronto visuale con tavole predefinite, generalmente costituite da riquadri o cerchi a fondo bianco e di uguali dimensioni, includenti percentuali variabili (suddivise in classi di intervalli), via via crescenti, di oggetti neri al loro interno (es. FitzPatrick, 1984). In seguito, all'inizio degli anni '70, la nascita delle tecniche di acquisizione digitale delle immagini, insieme allo sviluppo di opportuni strumenti di analisi di immagine, hanno prodotto notevoli vantaggi in questo campo, grazie alla possibilità di compiere diverse operazioni importanti, fra le quali:
- effettuare analisi automatizzate, veloci e soprattutto quantitative;
- ottenere immagini molto dettagliate, fino ad altissimi livelli di ingrandimento; basti pensare al microscopio elettronico a scansione (SEM) che può arrivare ad una risoluzione di 1 nm;
- archiviare le immagini acquisite su appositi supporti e poterci lavorare in qualunque momento da una qualunque postazione senza aver bisogno del campione reale;
- cooperare con un numero teoricamente infinito di operatori/laboratori sparsi per il mondo grazie alla possibilità di condividere le immagini acquisite.
Per questi motivi l'analisi di immagine ha trovato ampia applicazione in diversi ambiti scientifici, come la geologia, l'archeologia, la chimica, la biologia, la medicina, l'ingegneria, ecc. I maggiori progressi in questo campo sono avvenuti soprattutto fra gli anni '80 e gli anni '90, con lo sviluppo dei personal computer, di diversi software di analisi di immagine, e con la loro ampia commercializzazione insieme a strumenti di acquisizione come scanner e fotocamere digitali.

 

 

 

Diversi studi sono stati condotti utilizzando l'analisi di immagine come processo integrativo alle normali analisi di laboratorio, oppure come processo indipendente (es. Protz & Vandenbygaart, 1998; Miriello & Crisci, 2006; Marcelino et al., 2007; Jangorzo et al., 2013; Bryk et al., 2014).
Khormali et al. (2006) utilizzano diversi tipi di illuminazione (fluorescenza ultravioletta, violetta ed a luce blu, e catodoluminescenza) per studiare la calcite di origine pedogenetica. Protz & Vandenbygaart (1998) utilizzano luce trasmessa, luce riflessa e luce polarizzata circolarmente su una stessa sezione sottile tenuta in posizione fissa. In questo modo è possibile ottenere più immagini congruenti sulle quali effettuare analisi combinate per estrapolare informazioni di diverso tipo. Miriello & Crisci (2006) studiano la porosità in campioni di malte acquisendo le relative sezioni sottili attraverso un sistema costituito da uno scanner piano per diapositive e due fogli polarizzatori. In questo modo si acquisiscono immagini digitali congruenti in luce naturale trasmessa ed a polarizzatori incrociati.
Sebbene in questo settore siano stati compiuti notevoli passi avanti soprattutto negli ultimi decenni, attualmente non esiste ancora un metodo universale per gli studi micromorfologici tramite analisi di immagine; questo è dovuto a diversi fattori, fra i quali:
1) lo scopo specifico del lavoro, che implica la necessità di applicare procedure variabili;
2) la diversa natura del campione da cui viene preparata la sezione sottile (ad esempio diversa natura del materiale parentale - cristallino od amorfo, abbondanza di scheletro, frazione argillosa, componente organica, segregazione di ossidi di ferro, ecc.) e la conseguente diversa risposta ottica al microscopio, soprattutto se osservata in luce polarizzata incrociata;
3) il tipo di immagine: non è sempre possibile eseguire gli stessi processi di elaborazione ed analisi su immagini acquisite con metodi diversi, in quanto ogni tipo di immagine può avere livelli di dettaglio diversi, o informazioni codificate in modo diverso;
4) la soggettività dell'operatore: anche se le procedure tramite software sono in buona parte automatiche, continua a rimanere indispensabile l'intervento dell'operatore per indirizzare il comportamento del software e per controllare che i risultati ottenuti siano plausibili. Generalmente si impongono al software alcuni limiti entro i quali operare, ma questi limiti non sono oggettivi, e vengono impostati in base a come ritenuto opportuno dall'operatore;
5) la diversità dei software di analisi di immagine dovuta ai diversi ambiti scientifici per i quali questi sono stati sviluppati. Ogni tipologia di software si presta meglio a particolari tipi di analisi piuttosto che ad altri, quindi utilizzando software diversi anche su una stessa immagine, si producono risultati diversi.

 

 

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È possibile utilizzare liberamente le immagini ed i contenuti del presente capitolo di tesi, purché si inseriscano gli opportuni riferimenti bibliografici. Si consiglia un modello di citazione come quello espresso di seguito per tutte le immagini ed i contenuti ove, nel presente capitolo, non siano già presenti espliciti riferimenti bibliografici:

Provenzano Simone. Tecniche di Analisi di immagine applicate allo studio dei suoli (155 pagg.). Tesi di Laurea Magistrale in Scienze Geologiche. Unical - Università della Calabria. A.A. 2014/2015. Relatori: Scarciglia Fabio, Miriello Domenico. Pagg. 26-73.

 

 

 

 

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