Научтруд
Войти
Категория: Нанотехнологии

SVGM - НОВЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ С УЧЕТОМ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ: ПРИМЕНЕНИЕ В БИОЛОГИИ

Научный труд разместил:
Manuil
16 сентября 2020
Автор: Карасев Е. В.

Палеоботаника, 2019, Т. 10, С. 5-12

Palaeobotany, 2019, Vol. 10, P. 5-12

SVGM - НОВЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ С УЧЕТОМ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ:

ПРИМЕНЕНИЕ В БИОЛОГИИ

Е. В. Карасев1,2, Н. П. Маслова1, Т. М. Кодрул3

Палеонтологический институт им. А. А. Борисяка РАН, Москва, karasev@paleo.ru 2Казанский федеральный университет, Казань 3Геологический институт РАН, Москва

SVGM - A NEW TOOL FOR MEASURING LINEAR DIMENSIONS WITH QUALITY CHARACTERISTICS OF OBJECTS: APPLICATIONS IN BIOLOGY

E. V. Karasev12, N. P. Maslova1, T. M. Kodrul3

1Borissiak Paleontological Institute RAS, Moscow, karasev@paleo.ru 2Kazan Federal University, Kazan 3Geological Institute RAS, Moscow

Резюме. В сравнительном плане рассмотрены преимущества и недостатки ряда специализированных компьютерных программ для получения размерных характеристик биологических объектов по изображениям. Предложена авторская методика использования векторного графического редактора Inkscape и нового онлайн-сервиса SVGm (Scalable Vector Graphics measurer, https://svgm.cf) для измерения линейных параметров объектов по изображениям и подготовки количественных характеристик объектов, а также их различных качественных признаков для последующего статистического анализа. Подробно описан алгоритм работы с редактором Inkscape и онлайн-сервисом SVGm. Импортированные в редактор Inkscape изображения объектов измеряются посредством векторных элементов (линий, прямоугольников, кругов, эллипсов, полигонов) и сохраняются в формате SVG. На онлайн-сервисе SVGm свойства векторных фигур SVG файлов преобразуются в результаты измерений в виде таблицы. Возможности метода показаны на примере морфологических измерений различных ботанических объектов.

Abstract. The advantages and disadvantages of a number of specialized computer programs for obtaining dimensional characteristics of biological objects by analysis of their digital images are considered in comparative terms. The authorial methodology of using a vector graphics editor Inkscape and a new online service SVGm (Scalable Vector Graphics measurer, https://svgm.cf) is proposed to measure the linear parameters of the objects in the images and to prepare the quantitative characteristics of objects and their different qualitative characteristics for the subsequent statistical analysis. An algorithm for working with Inkscape editor and SVGm online service is described in detail. Object images imported into Inkscape editor are measured using vector elements (lines, rectangles, circles, ellipses, polygons) and saved in the standard SVG format. Properties of vector figures of SVG files are converted by the online service SVGm in the measurement results shown in the table. The potential of the method is shown by the example of morphological measurements of various botanical objects.

ВВЕДЕНИЕ

Современные биологические исследования, сфокусированные на морфологических характеристиках объектов и выявлении степени их вариабельности и диагностической ценности, предусматривают количественную оценку структурных признаков. Для изучения биологических

https://doi.org/10.31111/palaeobotany/2019.105 Received 7.06.2019; accepted for publication 1.10.2019.

объектов все чаще привлекаются различные математические (количественные) методы, позволяющие получать наиболее объективные критерии отличия разных выборок объектов по количественным признакам, устанавливать причинно-следственные отношения в степени развития и функциональной значимости отдельных признаков. Для каждой группы организмов существуют сформировавшиеся стандартизированные наборы количественных морфологических признаков, важных для определения систематического статуса исследуемого организма. Выбор комплекса существенных и доступных для того или иного исследования признаков зависит от исследователя, тогда как применяемые методики исследования и анализа полученных результатов могут быть различными.

Количественные признаки устанавливаются на основании специальных измерений или расчетов с последующим статистическим анализом. В качестве способа измерения линейных размеров все еще часто используется обычная линейка. При исследовании макрообъектов измерения проводятся или на самом объекте, или по его фотографиям. В случае с микроскопическими объектами (как, например, различные палиноморфы, анатомические структуры растений), такие измерения возможны фактически только по фотографиям или с использованием окуляр-микрометра. В том и в другом случае результаты измерения записываются вручную.

C начала 90-х годов интенсивно развивается направление геометрической морфометрии (Bookstein, 1991; Zelditch et al., 2012). В рамках этого направления существует ряд бесплатных компьютерных программ (например, tpsDig2, Morpheus, MorphoJ), которые также решают задачи, связанные с измерением объектов по фотографиям (Klingenberg, 2011; Rohlf, 2015). Инструменты для измерений в этих программах адаптированы для методов геометрической морфометрии. Для полноценного использования этих программ требуется освоить довольно сложную теорию метода и разобраться с терминологией, незнакомой для исследователя, не владеющего специальными знаниями.

Вслед за большим числом специализированных компьютерных программ для измерения объектов по фотографиям (как проприетарных, так и находящихся в открытом доступе) мы предпочитаем следовать принципам классической морфометрии. Проприетарные программы могут в некоторых случаях превосходить бесплатные аналоги как по удобству использования, так и по функциональности (например, Avizo, KLONK Image Measurement и пр.), однако стоимость их лицензий бывает значительной. Наиболее популярным является семейство программ ImageJ (Schindelin et al., 2015), распространяемых на условиях свободной лицензии. ImageJ представляет собой мощный инструмент для подготовки и анализа изображений и имеет обширный список дополнений и плагинов (Doube et al., 2010; Schindelin et al., 2012; Schneider et al., 2012). Все они направлены на решение тех же задач, что и наш сервис, однако в них отсутствует возможность сохранения в файле измерительных линий и других элементов, которые могут быть полезны при необходимости возобновления работы с материалом.

Также существуют специализированные программы для измерения ботанических объектов, например, Lamina, LeafAnalyser и MorphoLeaf (Bylesjö et al., 2008; Weight et al., 2008; Biot et al., 2016). Их преимущества и недостатки происходят, в частности, из их специализации. Они позволяют быстро и корректно обработать большой массив материала, однако предусмотрены для решения определенных задач и, как правило, требуют специальной подготовки изображений (например, выравнивания фона изображения, очертаний и контрастности измеряемых объектов). Практически исчерпывающий список программного обеспечения, которое может быть использовано для измерения ботанических объектов, можно найти на сайте www.plant-image-analysis.org (Lobet et al., 2013; Lobet, 2017).

В настоящей статье мы предлагаем новый способ получения результатов количественных исследований биологических объектов по изображениям с помощью векторного графического редактора Inkscape (https://inkscape.org/) и онлайн-сервиса SVGm (https://svgm.cf). Предлагаемый он-лайн-сервис занимает промежуточную нишу между перечисленными выше сложными специализированными программами и простым измерением с помощью подручных средств. В основе работы онлайн-сервиса лежит разработанная нами JavaScript библиотека SVGm (https://doi.org/10.5281/ zenodo.2475466), которая также может быть использована в составе настольных приложений с веб-технологиями. Пример такого приложения для операционной системы MS Windows можно скачать по ссылке https://svgm.cf/downloads. Полученные с помощью SVGm данные далее могут быть использованы для статистического анализа.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Мы предлагаем использовать векторный редактор Inkscape и онлайн-сервис SVGm специалистам разных областей биологических знаний как удобный вспомогательный инструмент при исследовании размерных характеристик объектов по изображениям. В качестве демонстрации возможностей онлайн-сервиса измерены линейные параметры листьев и фиксированы их качественные характеристики на примере современного вида вечнозеленого дуба (Quercus myrsinifolia (Blume) Oersted, подрод Cyclobalanopsis) и ископаемого покрытосеменного Trochodendroides sp. (палеоцен, Амурская область). Гербарий Quercus myrsinifolia был собран осенью 2018 года в Южно-Китайском ботаническом саду г. Гуанчжоу, Китай. Отпечаток ископаемого листа был получен из кивдинских слоев цагаянской свиты в окрестностях г. Райчихинск Амурской области во время полевых работ в 2004 году. На примере трехбороздных пыльцевых зерен современного вида платана (Platanus х acerifolia (Aiton) Willd.), полученных из тычиночных соцветий, собранных в окрестностях г. Анапа Краснодарского края летом 2006 года, показана возможность измерения различных параметров пыльцевых зерен, определяющих особенности их морфологии. Применение данного сервиса для измерения протяженности различных элементов продемонстрировано на примере ископаемых пыльцевых зерен из микростробилов хвойного Krassilovidendron fecundum Sokolova, Gordenko et Zavialova (альб-сеноман, Чулымо-Енисейская впадина). Отметим, что сервис SVGm может быть использован для обработки размерных макро- и микроморфологических признаков не только ботанических, но и иных биологических объектов.

Векторный редактор Inkscape является бесплатным программным обеспечением с открытым кодом. Для сохранения результатов работы Inkscape использует формат масштабируемой векторной графики SVG (Scalable Vector Graphics). Установленная на онлайн-сервисе SVGm разработанная нами JavaScript библиотека читает полученный из Inkscape SVG файл и преобразует свойства векторных фигур в результаты измерений в виде таблицы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

С использованием векторного графического редактора Inkscape и онлайн-сервиса SVGm возможно измерение длины прямых отрезков и кривых, измерение длины, ширины и площади прямоугольников, эллипсов, площади полигонов, диаметра окружностей. Inkscape может отображать примитивные векторные фигуры (например, линии, прямоугольники, эллипсы, полигоны), текст и области, содержащие растровую графику.

Общая схема работы с онлайн-сервисом SVGm довольно проста. Для начала работы необходимо запустить векторный редактор Inkscape и импортировать изображение (фотографию) в новый документ. Масштабный отрезок задается с помощью инструмента «кривые Безье» или прямоугольника. Величина масштабного отрезка указывается в свойствах объекта в поле «Метка». Свойства объекта находятся щелчком правой кнопки мыши на объекте, затем в контекстном меню выбирается пункт «Свойства объекта». Метка масштабного отрезка должна содержать ключевое слово «scalebar» и величину отрезка, например, «scalebar=10». В случае необходимости, дробную величину можно указать через точку (например: scalebar=0.5). Необходимые измерения производятся с помощью векторных элементов: линий, прямоугольников, кругов или эллипсов. Точность выполняемых измерений главным образом зависит от точности установки пользователем измеряемых векторных элементов в редакторе Inkscape. Для достижения максимальной точности измерений следует использовать для окончаний измерительных линий опцию «Концы плоские» (рис. 1), так как расчет дистанции происходит между узлами векторных объектов. Обратите внимание, что толщина линий при вычислении не учитывается. В Inkscape на панели «Свойства объекта» для каждого объекта доступны поля «Название» и «Описание», которые можно использовать для дополнительной информации, комментариев и т.д.

По окончании работы необходимо объединить сделанные измерения и масштабный отрезок в группу c помощью кнопки «Сгруппировать» или сочетания клавиш CTRL+G. Для каждого изображения и масштабного отрезка должна быть сформирована своя группа. Затем необходимо сохранить выполненную работу в SVG файл и загрузить его на онлайн-сервис SVGm (https://svgm.cf), используя кнопку выбора файла. Важно отметить, что при этом данные не отправляются на сервер, а вычисляются и остаются только в браузере пользователя. Для получения результатов измерения требуется нажать кнопку «Запуск». Режим сводной таблицы (https://svgm.cf/advanced) позволяет сгруппировать полученные данные произвольным способом. В итоге мы получаем результаты измерений и отмеченные качественные данные в виде таблицы для вставки в табличный редактор или в виде текстового файла формата CSV. Дополнительные возможности программы описаны в документации по адресу https://svgm.cf/docs/#/ru/.

03аливка и обводка (Shift+Ctrl+F) ■ Заливка □ Обводка

■ Стиль обводки Толщина: Пунктир: Маркеры:

0,423 | mm
0,00 |

(S № 4,00 Щ

ш (¡¡1

Рис. 1. Панель "Заливка и обводка" векторного графического редактора Inkscape, где показан оптимальный выбор окончания линии для измерений. Стрелка указывает на кнопку выбора опции «Концы плоские» .

Fig. 1. Panel «Stroke Style» of the vector graphics editor Inkscape showing the optimal choice of the line end for measurements. An arrow points to the button «Butt Cap».

Примеры использования SVGm. Мы тестировали описываемый метод на листьях современного вида вечнозеленого дуба Quercus myrsinifolia. Были проведены измерения длины и ширины листовой пластинки, длины черешка, длины части листовой пластинки с краевыми зубцами (рис. 2). Кроме размерных характеристик, мы отметили качественные особенности, в частности, наличие повреждений листьев насекомыми и микромицетами (табл. 1).

Таблица 1. Пример записи результатов измерения линейных параметров листьев и наличия повреждений листьев насекомыми и микромицетами.

Table 1. An example of recording the measurements of the leaf linear parameters and the presence of insect and micromycete leaf damage.

name length width LWratio petiole vein1 vein2 in-feed fungi

4-sun-DSC00762.JPG-1 11,47 3,51 3,27 1,91 9 5 1 1
4-sun-DSC00762.JPG-2 10,38 2,95 3,52 1,64 8 4 0 1
4-sun-DSC00762.JPG-3 9,84 2,68 3,67 1,53 8 4 0 1
4-sun-DSC00762.JPG-4 9,86 2,66 3,71 1,81 7 4 1 1

Измерение линейных размеров возможно и для ископаемых листьев. Отметим, что предпочтительно используются изображения наиболее полно сохранившихся отпечатков, но, в случае малоРис. 2. Измерение линейных размеров (длина и ширина листовой пластинки, длина черешка, длина части листовой пластинки с краевыми зубцами) и фиксирование типов повреждений листьев современного вида вечнозеленого дуба Quercus myrsinifolia.

Fig. 2. Measurement of the linear dimensions (lamina length and width, petiole length, length of the lamina part with marginal teeth) and recording of the damage types on the leaves of extant evergreen oak Quercus myrsinifolia.

численности имеющегося материала, можно использовать изображения с реконструированными утраченными фрагментами. Измерение параметров листа (длина и ширина листовой пластинки, длина черешка) показаны на примере палеоценового Trochodendroides sp. (рис. 3).

Возможности измерения параметров микроскопических объектов показаны на примере палино-морф. У трехбороздного пыльцевого зерна современного вида Platanus х acerifolia, например, могут

Рис. 3. Измерение линейных параметров (длина и ширина листовой пластинки, длина черешка) листа палеоценового Trochodendroides sp.

Fig. 3. Measurement of the linear parameters (lamina length and width, petiole length) of Paleocene Trochodendroides sp.

Vac: HiVac Det: SE Detector 5 |jm pr/ Vac: HiVac Det: SE Detector 5 |jm

SM: RESOLUTION Date(m/d/y): 03/28/13 Paleontology Institute RAS H SM: RESOLUTION Date(m/d/y): 03/28/13 Paleontology Institute RAS

Рис. 4. Пример измерения структурных элементов (длина полярной оси, экваториальный диаметр, длина и ширина апертуры, ширина мезокольпиума) трехбороздного пыльцевого зерна современного вида Platanus х acerifolia; фото выполнено с помощью сканирующего электронного микроскопа. Fig. 4. An example of measurement of structural elements (polar axis length, equatorial diameter, aperture length and width, mesocolpium width) of tricolpate pollen grain of extant species Platanus х acerifolia; the photo was taken using a scanning electron microscope.

быть измерены длина полярной оси, экваториальный диаметр, длина и ширина апертуры, ширина мезокольпиума и другие параметры (рис. 4). Метод также может быть использован для измерений ультраструктурных признаков палиноморф. Оболочки ископаемых пыльцевых зерен и спор, как правило, различным образом смяты. Возможность измерения протяженности апертурной и внеапертур-ной областей с помощью SVGm демонстрируется для пыльцевого зерна Krassilovidendron fecundum (рис. 5). Такие измерения могут быть полезными для сравнения изученных ископаемых и современных пыльцевых зерен и спор.

Рис. 5. Измерение длины окружности оболочек ископаемого пыльцевого зерна Krassilovidendron fecundum. Светлая линия - апертурная область, темная - внеапертурная; фото ультратонкого среза пыльцевого зерна выполнено с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Fig. 5. The measurement of the circumference of fossil pollen wall layers of Krassilovidendron fecundum. Light line marks aperture area, dark line follows non-aperture area; a photo of ultrathin section of pollen grain was taken using a transmission electron microscope.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемый нами метод для измерения линейных параметров объектов по изображениям обладает следующими преимуществами: (1) Бесплатный векторный графический редактор Inkscape является кроссплатформенным (имеет установочные файлы для основных операционных систем), не требует настройки и установки дополнительных программ. Inkscape поддерживает большое количество форматов изображений для импорта; (2) Исходные фотографии не требуют специальной подготовки; можно выполнять измерения любых объектов, в том числе тех, которые сложно отделить от фона. Хорошим примером таких изображений являются отпечатки ископаемых растений; (3) Пользователю легко вернуться к исходным измерениям для проверки или их корректировки, при этом SVG-файлы имеют небольшой размер; (4) Параллельно с количественными данными измерений можно отмечать качественные особенности объекта (например, степень сохранности ископаемого материала, повреждение объекта различными агентами и другие подобные особенности); (5) Важным достоинством программы является ее простота в освоении и использовании. Достаточно сохранить результаты измерения импортированных в Inkscape изображений в штатном для него формате и загрузить на онлайн-сервис svgm.cf.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарны М. В. Теклевой и Н. Е. Завьяловой (ПИН РАН) за плодотворное обсуждение результатов исследований и предоставление фотографий для иллюстраций, а также Н. В. Баженовой (ПИН РАН) за сбор тычиночных соцветий для изучения пыльцевых зерен. Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания № 5.2192.2017/4.6 в сфере научной деятельности (ЕВК), в рамках темы госзадания № 0135-2019-0044 Геологического института РАН (ТМК) и при финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 190400046 (НПМ).

REFERENCES (ЛИТЕРАТУРА) Biot, E., Cortizo, M., Burguet, J., Kiss, A., Oughou, M., Maugarny-Calès, A., Gonçalves, B., Adroher, B., Andrey, P., Boudaoud, A., Laufs, P. 2016. Multiscale quantification of morphodynamics: MorphoLeaf software for 2D shape analysis. - Development (Cambridge, England), 143(18): 3417-3428. https://doi.org/10.1242/dev.134619 Bookstein, F. L. 1991. Morphometric tools for landmark data: Geometry and biology. Cambridge: Cambridge University Press.

Bylesjô, M., Segura, V., Soolanayakanahally, R. Y., Rae, A. M., Trygg, J., Gustafsson, P., Jansson, S., Street, N. R. 2008. LAMINA: A tool for rapid quantification of leaf size and shape parameters. -BMC plant biology, 8: 82. https://doi.org/10.1186/1471-2229-8-82 Doube, M., Klosowski, M. M., Arganda-Carreras, I., Cordelières, F. P., Dougherty, R. P., Jackson, J. S., Schmid, B., Hutchinson, J. R., Shefelbine, S. J. 2010. BoneJ: Free and extensible bone image analysis in ImageJ. - Bone, 47(6): 1076-1079. https://doi.org/10.1016/j.bone.2010.08.023 Klingenberg, C. P. 2011. MorphoJ: An integrated software package for geometric morphometrics. - Molecular ecology resources, 11(2): 353-357. https://doi.org/10.1111/j.1755-0998.2010.02924.x Lobet, G. 2017. Image Analysis in Plant Sciences: Publish Then Perish. - Trends in plant science, 22(7):

559-566. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2017.05.002 Lobet, G., Draye, X., Périlleux, C. 2013. An online database for plant image analysis software tools. - Plant

methods, 9(1): 38. https://doi.org/10.1186/1746-4811-9-38 Rohlf, F. J. 2015. The tps series of software. - Hystrix, 26(1): 9-12.

https://doi.org/10.4404/hystrix-26.1-11264 Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., Tinevez, J.-Y., White, D. J., Hartenstein, V., Eliceiri, K., Tomancak, P., Cardona, A. 2012. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. - Nature methods, 9: 676-682. https://doi.org/10.1038/nmeth.2019 Schindelin, J., Rueden, C. T., Hiner, M.C., Eliceiri, K. W. 2015. The ImageJ ecosystem: An open platform for biomedical image analysis. - Molecular reproduction and development, 82(7-8): 518-529. https://doi.org/10.1002/mrd.22489 Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. 2012. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. -Nature methods, 9(7): 671-675. https://doi.org/10.1038/nmeth.2089

Sokolova, A., Gordenko, N., Zavialova, N. 2017. The most ancient member of the Sequoioideae - the new genus Krassilovidendron Sokolova, Gordenko et Zavialova (Cupressaceae s.l. ) from the Albian-Ceno-manian of Western Siberia (Russia). - Cretaceous Research, 77: 1-27. https://doi.org/10.1016/jxretres.2017.04.014 Weight, C., Parnham, D., Waites, R. 2008. LeafAnalyser: A computational method for rapid and large-scale analyses of leaf shape variation. - The Plant journal : for cell and molecular biology, 53(3): 578-586. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03330.x Zelditch, M., Swiderski, D. L., Sheets, H. D. 2004. Geometric Morphometrics for Biologists: A primer. Amsterdam: Elsevier.

МОРФОМЕТРИЯ ВЕКТОРНЫЙ ГРАФИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР inkscape javascript ВЕКТОРНАЯ ГРАФИКА svg ФОРМАТ morphometry vector graphics editor inkscape javascript library vector graphics svg format