Document
Computer based identification of coral reef substrates using underwater images
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2016
Language
English
English abstract
ABSTRACT Coral community or coral reef surveys include a variety of methods based on "sampling" the substrates to assess species and substrates abundance and cover. A common characteristics of these methods is the time spent by experts analyzing the data, either underwater as diving experts or as analyst of photographs or video transects in the laboratory. The analysis of such underwater transects requires the identification of substrates (including corals) based on their appearance in the photographs, or video frames, which in many cases is time consuming. The aim of this study was to define underwater image features (color and texture) and classification algorithms susceptible to be used for a semi-automatic annotation of underwater survey videos and may prove to be a cost effective and time efficient tool for reef surveys. A series of video frames were extracted from numerous underwater survey videos of Musandam (Sutanate of Oman) coral communities. On these frames, small sample images (50 x 50) pixels were extracted from section of images identified by a coral taxonomist based on the morphological features of the colony. A total of 9 substrates consisting of 6 coral species and 3 non-coral substrates were chosen for this study representing > 95% of the cover in those communities. Both color features (8 features based on HSV transform of the images) and texture features (uniform, rotational invariant, local binary patterns at 3 different scales) were extracted from the sample images, and then used in a series of supervised classification algorithms. Three experiments of increased complexity were designed to evaluate the ability of a computer expert system to identify and quantify relevant coral communities' reference points. All ciassification algorithms performed well and distinguished correctly >90% correct identification) corals from non-living substrates. Because of its speed and simplicity, the 3 nearest neighbor classifications was then used to classify 7800 of images of 9 substrates (6 coral species and 3 non-coral substrates). The average correct identification for all substrates reached 85% with some variation between substrates ranging from 72% and 99%. Classification accuracy increased considerably using both color and texture feature vectors but did not vary significantly between the methods of classification tested. These results suggest the possibility of creating automatic substrate identification software for coral monitoring programs, which after some period of supervised training would reduce considerably both the cost of such programs and the variability in assessment by different experts. The proposed method, using video tranşects would also minimize the time spent sampling under water, thus reducing costs further. Future work will include an assessment of the need for underwater color correction and the development of a continuous learning algorithm based on Nearest Neighbor. Keywords: Coral; Substrate Classification; Underwater video; Coral reefs; Image analysis; texture; local binary pattern; Machine learning; automated annotation; survey.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
ملخص
تشمل منسوحات المجتمعات المرجانية او الشعاب المرجانية مجموعة متنوعة من الأساليب التي تعتمد على جمع العينات لتقييم أنواع ووفرة وحساب مساحة الشعاب المرجانية، والقاسم المشترك بين هذه الطرق هو الوقت الطويل الذي يقضيه خبراء الشعاب المرجانية في تحليل البيانات إما تحت البحر كخبراء غطس أو في المختبر لتحليل تلك الصور أو مقاطع الفيديو يحتاج تحليل مثل هذه الصور المأخوذة تحت الماء إلى التعرف على مكوناتها (بما في ذلك الشعب المرجانية استنادا إلى شكلها في الصور و الفيديو والذي عادة ما يحتاج في كثير من الأحيان لزمن طويل. وتهدف هذه الدراسة إلى تعريف خصائص الصور تحت المائية (خاصة الملمس والألوان وتطوير خوارزميات قابلة للاستخدام لتصنيف شبه تلقائي في التوضيح شبه الألي لصور الفيديو لمسح أنواع مجتمعات الشعاب المرجانية والتي ربما يثبت أنها طريقة ذات تكلفة أقل وزمن اقصر لتنفيذ المسوحات الخاصة بالشعب المرجانية تم استخراج صور للشعاب المرجانية من العديد من أشرطة الفيديو التي تم تصويرها تحت البحر ببينة الشعاب المرجانية بمسندم (سلطنة عمان). وتم أخذ عينات صور صغيرة جدا (50 x 50 بيكسل) ، وتم استخلاص الخصائص البصرية منها بواسطة خبير في تصنيف الشعب المرجانية استنادا الى الميزات الظاهرية لمستعمرات الشعاب المرجانية. وقد تم اختيار تسعة من أهم المكونات منها ستة أنواع من الشعب المرجانية وثلاثة من غير الشعب المرجانية والتي تمثل أكثر من 90% من الغطاء المرجاني في المنطقة تم استخراج خصائص اللون (۸ خصانص على أساس تحول الصور بنظام HSV) وهي درجة الصبغة والتشبع والسطوع وخصائص المعلمان ( موحدة الملمس ، ثابتة التناوب ، والأنماط الثنائية المحلية في 3 مستويات مختلفة ) من عينات الصور، واستخدامها فيما بعد في سلسلة تصنيفات تعليم الخوارزميات. تم تصميم ثلاث تجارب ذات تعقید تصاعدي لتقييم قدرة نظام الكمبيوتر لتحديد وقياس نقاط مرجعية للمجتمعات المرجانية و كان لجميع البرمجيات المستخدمة في هذه الدراسة أداء جيد في التصنيف بحيث تعرفت على أكثر من ۹۰ ٪ المكونات غير الحية بصورة صحيحة. ونسبة لسرعتها وبساطتها في تحديد الغطاء المرجاني فقد تم استخدام أقرب ثلاث جيران لتصنيف ۷۸۰۰ عينة من الصور من 9 أنواع من المجتمع المرجاني (منها 6 أنواع من الشعاب المرجانية و ۲ انواع من غير الشعاب المرجانية). بلغ متوسط التعرف الصحيح لجميع الأنواع ۸۰ ٪ مع بعض الاختلافات بين بعض الأنواع تتراوح بين ۷۲ ٪ و ۹۹ ، ارتفعت نوعية التصنيف التلقائي بشكل كبير عند استخدام كلا من خصائص اللون و الملمس ولكن لم تختلف بشكل كبير بين الأساليب المختلفة للخوارزميات المستخدمة . وتشير نتائج الدراسة إلى إمكانية إنشاء برنامج حاسوبي لتحديد انواع الشعاب المرجانية تلقائيا ولرصد الشعاب المرجانية ، والذي من شأنه أن يقلل إلى حد كبير من التكاليف الباهظة والإختلافات في التقديرات بين الخبراء المتخصصين وذلك بعد فترة من التدريب تحت إشراف المختصين. وهذه الطريقة المقترحة باستخدام مقاطع عرضية للفيديو التعرف على مجتمعات الشعاب المرجانية من شأنه أيضا تقليل الوقت الذي يقضيه الغواصون لأخذ العينات تحت الماء ، وبالتالي تقليل التكاليف وسيشمل العمل في المستقبل ايضأ تقييم الحاجة لتصحيح الألوان تحت الماء وتطوير بعض برامج الخوارزميات بالاعتماد على برنامج الجار الأقرب كلمات مفتاحية مرجان ، تحليل الأنواع ، صور فيديو تحت الماء ، الشعب المرجانية ، تحليل الصور ، الملمس ، نمط ثنائي المحل ، التعلم بالآلة ، شرح تلقاني، مسح.
تشمل منسوحات المجتمعات المرجانية او الشعاب المرجانية مجموعة متنوعة من الأساليب التي تعتمد على جمع العينات لتقييم أنواع ووفرة وحساب مساحة الشعاب المرجانية، والقاسم المشترك بين هذه الطرق هو الوقت الطويل الذي يقضيه خبراء الشعاب المرجانية في تحليل البيانات إما تحت البحر كخبراء غطس أو في المختبر لتحليل تلك الصور أو مقاطع الفيديو يحتاج تحليل مثل هذه الصور المأخوذة تحت الماء إلى التعرف على مكوناتها (بما في ذلك الشعب المرجانية استنادا إلى شكلها في الصور و الفيديو والذي عادة ما يحتاج في كثير من الأحيان لزمن طويل. وتهدف هذه الدراسة إلى تعريف خصائص الصور تحت المائية (خاصة الملمس والألوان وتطوير خوارزميات قابلة للاستخدام لتصنيف شبه تلقائي في التوضيح شبه الألي لصور الفيديو لمسح أنواع مجتمعات الشعاب المرجانية والتي ربما يثبت أنها طريقة ذات تكلفة أقل وزمن اقصر لتنفيذ المسوحات الخاصة بالشعب المرجانية تم استخراج صور للشعاب المرجانية من العديد من أشرطة الفيديو التي تم تصويرها تحت البحر ببينة الشعاب المرجانية بمسندم (سلطنة عمان). وتم أخذ عينات صور صغيرة جدا (50 x 50 بيكسل) ، وتم استخلاص الخصائص البصرية منها بواسطة خبير في تصنيف الشعب المرجانية استنادا الى الميزات الظاهرية لمستعمرات الشعاب المرجانية. وقد تم اختيار تسعة من أهم المكونات منها ستة أنواع من الشعب المرجانية وثلاثة من غير الشعب المرجانية والتي تمثل أكثر من 90% من الغطاء المرجاني في المنطقة تم استخراج خصائص اللون (۸ خصانص على أساس تحول الصور بنظام HSV) وهي درجة الصبغة والتشبع والسطوع وخصائص المعلمان ( موحدة الملمس ، ثابتة التناوب ، والأنماط الثنائية المحلية في 3 مستويات مختلفة ) من عينات الصور، واستخدامها فيما بعد في سلسلة تصنيفات تعليم الخوارزميات. تم تصميم ثلاث تجارب ذات تعقید تصاعدي لتقييم قدرة نظام الكمبيوتر لتحديد وقياس نقاط مرجعية للمجتمعات المرجانية و كان لجميع البرمجيات المستخدمة في هذه الدراسة أداء جيد في التصنيف بحيث تعرفت على أكثر من ۹۰ ٪ المكونات غير الحية بصورة صحيحة. ونسبة لسرعتها وبساطتها في تحديد الغطاء المرجاني فقد تم استخدام أقرب ثلاث جيران لتصنيف ۷۸۰۰ عينة من الصور من 9 أنواع من المجتمع المرجاني (منها 6 أنواع من الشعاب المرجانية و ۲ انواع من غير الشعاب المرجانية). بلغ متوسط التعرف الصحيح لجميع الأنواع ۸۰ ٪ مع بعض الاختلافات بين بعض الأنواع تتراوح بين ۷۲ ٪ و ۹۹ ، ارتفعت نوعية التصنيف التلقائي بشكل كبير عند استخدام كلا من خصائص اللون و الملمس ولكن لم تختلف بشكل كبير بين الأساليب المختلفة للخوارزميات المستخدمة . وتشير نتائج الدراسة إلى إمكانية إنشاء برنامج حاسوبي لتحديد انواع الشعاب المرجانية تلقائيا ولرصد الشعاب المرجانية ، والذي من شأنه أن يقلل إلى حد كبير من التكاليف الباهظة والإختلافات في التقديرات بين الخبراء المتخصصين وذلك بعد فترة من التدريب تحت إشراف المختصين. وهذه الطريقة المقترحة باستخدام مقاطع عرضية للفيديو التعرف على مجتمعات الشعاب المرجانية من شأنه أيضا تقليل الوقت الذي يقضيه الغواصون لأخذ العينات تحت الماء ، وبالتالي تقليل التكاليف وسيشمل العمل في المستقبل ايضأ تقييم الحاجة لتصحيح الألوان تحت الماء وتطوير بعض برامج الخوارزميات بالاعتماد على برنامج الجار الأقرب كلمات مفتاحية مرجان ، تحليل الأنواع ، صور فيديو تحت الماء ، الشعب المرجانية ، تحليل الصور ، الملمس ، نمط ثنائي المحل ، التعلم بالآلة ، شرح تلقاني، مسح.
Category
Theses and Dissertations