Statistical evaluation of texture analysis from the biocrystallization method

The consumers are becoming more concerned about food quality, especially regarding how, when and where the foods are produced (Haglund et al., 1999; Kahl et al., 2004; Alföldi, et al., 2006). Therefore, during recent years there has been a growing interest in the methods for food quality assessment, especially in the picture-development methods as a complement to traditional chemical analysis of single compounds (Kahl et al., 2006). The biocrystallization as one of the picture-developing method is based on the crystallographic phenomenon that when crystallizing aqueous solutions of dihydrate CuCl2 with adding of organic solutions, originating, e.g., from crop samples, biocrystallograms are generated with reproducible crystal patterns (Kleber & Steinike-Hartung, 1959). Its output is a crystal pattern on glass plates from which different variables (numbers) can be calculated by using image analysis. However, there is a lack of a standardized evaluation method to quantify the morphological features of the biocrystallogram image. Therefore, the main sakes of this research are (1) to optimize an existing statistical model in order to describe all the effects that contribute to the experiment, (2) to investigate the effect of image parameters on the texture analysis of the biocrystallogram images, i.e., region of interest (ROI), color transformation and histogram matching on samples from the project 020E170/F financed by the Federal Ministry of Food, Agriculture and Consumer Protection(BMELV).The samples are wheat and carrots from controlled field and farm trials, (3) to consider the strongest effect of texture parameter with the visual evaluation criteria that have been developed by a group of researcher (University of Kassel, Germany; Louis Bolk Institute (LBI), Netherlands and Biodynamic Research Association Denmark (BRAD), Denmark) in order to clarify how the relation of the texture parameter and visual characteristics on an image is. The refined statistical model was accomplished by using a lme model with repeated measurements via crossed effects, programmed in R (version 2.1.0). The validity of the F and P values is checked against the SAS program. While getting from the ANOVA the same F values, the P values are bigger in R because of the more conservative approach. The refined model is calculating more significant P values. The optimization of the image analysis is dealing with the following parameters: ROI(Region of Interest which is the area around the geometrical center), color transformation (calculation of the 1 dimensional gray level value out of the three dimensional color information of the scanned picture, which is necessary for the texture analysis), histogram matching (normalization of the histogram of the picture to enhance the contrast and to minimize the errors from lighting conditions). The samples were wheat from DOC trial with 4 field replicates for the years 2003 and 2005, “market samples”(organic and conventional neighbors with the same variety) for 2004 and 2005, carrot where the samples were obtained from the University of Kassel (2 varieties, 2 nitrogen treatments) for the years 2004, 2005, 2006 and “market samples” of carrot for the years 2004 and 2005. The criterion for the optimization was repeatability of the differentiation of the samples over the different harvest(years). For different samples different ROIs were found, which reflect the different pictures. The best color transformation that shows efficiently differentiation is relied on gray scale, i.e., equal color transformation. The second dimension of the color transformation only appeared in some years for the effect of color wavelength(hue) for carrot treated with different nitrate fertilizer levels. The best histogram matching is the Gaussian distribution. The approach was to find a connection between the variables from textural image analysis with the different visual criteria. The relation between the texture parameters and visual evaluation criteria was limited to the carrot samples, especially, as it could be well differentiated by the texture analysis. It was possible to connect groups of variables of the texture analysis with groups of criteria from the visual evaluation. These selected variables were able to differentiate the samples but not able to classify the samples according to the treatment. Contrarily, in case of visual criteria which describe the picture as a whole there is a classification in 80% of the sample cases possible. Herewith, it clearly can find the limits of the single variable approach of the image analysis (texture analysis).

Entwicklung und Validierung der Steigbildmethode zur Differenzierung von ausgewählten Lebensmitteln aus verschiedenen Anbausystemen und Verarbeitungsprozessen

Zusammenfassung (deutsch) Seit den 1980iger Jahren wächst die Bedeutung der sog. Bildschaffenden Methoden für die Bestimmung der Qualität ökologischer Produkte. Zu diesen Methoden gehört die Biokristallisation, Steigbild und Rundfilter-Chromatographie. Die Ergebnisse dieser Methoden sind Bilder, die anhand definierter Kriterien ausgewertet werden. Bei der Biokristallisation sind es mehr oder weniger geordnete Kristallisationen auf einer Glasplatte, bei dem Steigbild zweidimensionale Strukturen auf Chromatographiepapier. In der Vergangenheit wurden die Bilder von Spezialisten ausgewertet, die nach einer längeren Schulung produktspezifische Kriterien entwickelt hatten. Im Gegensatz zur Dünnschicht-Chromatographie, wo der einzelne Stoff von der Matrix separiert wird, ist das Ziel beim Steigbild, Strukturen der möglichst ganzen Probe zu erzeugen. Die Methode wurde von Kolisko in den 1929iger Jahren entwickelt, wobei eine Kombination aus Chromatographieprozess und Metallkomplexreaktionen genutzt wurde. Die Firma WALA entwickelte die Methode für die Kontrolle ihrer Produkte und setze Silbernitrat und Eisensulfat ein. Bisher wurde die Methode qualitativ beschreibend ausgewertet, wobei einzelne Bildelemente und deren Interaktion beschrieben wurden. Deshalb musste für die vorliegende Arbeit Auswertungsmethoden entwickelt werden, mit denen auch eine statistische Bearbeitung der Ergebnisse möglich ist (nominale Unterscheidung von proben anhand der Bilder). Die Methode wurde bisher in einer Reihe von Studien eingesetzt (u.a. die Unterscheidung von Produktionsweisen). Obwohl die Bilder nur qualitativ ausgewertet wurden, konnten geschulte Prüfpersonen Proben aus verschiedenen Anbausystemen anhand der Bilder trennen. Die Ergebnisse wurden aber nicht so dokumentiert, dass sie den Erfordernissen internationaler Standardnormen für Laboratorien genügten. Deshalb mussten für diese Arbeit zunächst die Prozeduren dokumentiert und eine systematische Untersuchung zu den Einflussgrößen durchgeführt werden. Dazu wurde die visuelle Bildauswertung entwickelt und standardisiert. Die visuelle Bildauswertung basiert auf morphologischen Kriterien der Bilder von den untersuchten Weizen- und Möhrenproben. Ein Panel aus geschulten Personen entwickelte dann die Kriterien und legte sie anhand von Referenzbildern fest. Die Bilder der vorliegenden Arbeit wurden mit der einfach beschreibenden Prüfung ausgewertet, wie sie aus der sensorischen Prüfung von Lebensmitteln übernommen werden konnte. Mit geschulten und ungeschulten Prüfpersonen wurden Weizenproben und verschiedene Möhrensäfte mit der sog. Dreiecksprüfung ausgewertet (von ISO 4120). Alle Laborprozeduren wurden dokumentiert. Mit der Anwendung dieser Prozeduren wurden Vergleichsversuche mit Laboren in Dänemark und Holland (BRAD, LBI) durchgeführt. Die Ergebnisse waren sowohl für Weizen- als auch für Möhrenproben vergleichbar, wobei alle drei Labore zwischen jeweils zwei Proben unterscheiden konnten. Die systematische Untersuchung zu den Einflussgrößen zeigte, dass das Unterscheidungsvermögen der Methode vor allem von den klimatischen Bedingungen während der Steigphasen beeinflusst wird. Auch die Präkonditionierung der Papiere hat einen großen Einfluss, während die Wasserqualität (ultra-filtriert, de-ionisiert, destilliert) eine untergeordnete Bedeutung hat. Für Weizen- und Möhrenproben wurde sowohl die Wiederholbarkeit als auch die Reproduzierbarkeit getestet. Die Unterschiede in den Bildern der verschiedenen Proben waren dabei immer größer als die Variation durch Proben- und Bildwiederholung und das Labor. Die so charakterisierte Methode wurde auf kodierte Proben von definierten Feldversuchen und auf Marktproben (Paarvergleich von Anbausystemen ökologisch und konventionell) angewandt, wobei als Ergebnis mehr als 90% der Proben mit der einfach beschreibenden Prüfung anhand der Bilder unterschieden werden konnten. Die Auswertung mit der Dreiecksprüfung zeigte, dass sowohl Sorten und Verarbeitungsschritte (Saft) als auch Anbauweisen signifikant getrennt wurden. Darüber hinaus wurde die Methode auch erfolgreich auf Apfelproben angewandt. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob sich das Potential der Methode, verschiedene Fragen wie die Authentizitätsprüfung von Lebensmitteln verifizieren lassen.

Wahrnehmungspsychologische Evaluation eines dreidimensionalen Visualisierungssystems

Diese Arbeit beschreibt den Evaluationsprozess einer dreidimensionalen Visualisierungstechnik, die am Institut für periphere Mikroelektronik der Universität Kassel entwickelt wurde. Hinter der dreidimensionalen Darstellung mittels Linsenrasterscheibe verbirgt sich eine neue Dimension der Interaktion mit dem Computer. Im Vergleich zu gewöhnlichen dreidimensionalen Darstellungen, bei denen ein 3D-Objekt auf einer 2D-Fläche abgebildet wird und somit nach wie vor nicht aus der Bildschirmebene heraus kann, können bei der stereoskopen Darstellung die Objekte dreidimensional visualisiert werden. Die Objekte tauchen vor, beziehungsweise hinter der Darstellungsebene auf. Da die Linsenrasterscheibe bisher noch nicht wahrnehmungspsychologisch untersucht wurde und auch allgemein auf dem Gebiet der Evaluation von 3D-Systemen nur wenige Untersuchungen mit quantitativen Ergebnissen verfügbar sind (Vollbracht, 1997), besteht hier ein zentrales Forschungsinteresse. Um eine Evaluation dieses 3D-Systems durchzuführen, wird im Theorieteil der Arbeit zunächst der Begriff der Evaluation definiert. Des Weiteren werden die wahrnehmungspsychologischen Grundlagen der monokularen und binokularen Raumwahrnehmung erörtert. Anschließend werden Techniken zur Erzeugung von Tiefe in Bildern und auf Bildschirmen erläutert und die Unterschiede zwischen der technisch erzeugten und der natürlichen Tiefenwahrnehmung näher beleuchtet. Nach der Vorstellung verschiedener stereoskoper Systeme wird näher auf die autostereoskope Linsenrasterscheibe eingegangen. Zum Abschluss des theoretischen Teils dieser Arbeit wird die Theorie des eingesetzten Befindlichkeitsfragebogens veranschaulicht. Gegenstand des empirischen Teils dieser Arbeit sind zwei zentrale Fragestellungen. Erstens soll untersucht werden, ob durch den höheren Informationsgehalt grundlegende Wahrnehmungsleistungen in bestimmten Bereichen positiv beeinflusst werden können. Zweitens soll untersucht werden, ob sich die höhere visuelle Natürlichkeit und die Neuartigkeit der Bildpräsentation auch auf die subjektive Befindlichkeit der Probanden auswirkt. Die empirische Überprüfung dieser Hypothesen erfolgt mittels dreier Experimente. Bei den ersten beiden Experimenten stehen grundlegende wahrnehmungspsychologische Leistungen im Vordergrund, während in der dritten Untersuchung der Bereich der subjektiven Befindlichkeit gemessen wird. Abschließend werden die Ergebnisse der Untersuchungen vorgestellt und diskutiert. Des Weiteren werden konkrete Einsatzmöglichkeiten für die Linsenrasterscheibe aufgezeigt und denkbare nachfolgende experimentelle Vorgehensweisen skizziert.

Interface issues in the ESCHER visual database editor

Presentation at the 1997 Dagstuhl Seminar "Evaluation of Multimedia Information Retrieval", Norbert Fuhr, Keith van Rijsbergen, Alan F. Smeaton (eds.), Dagstuhl Seminar Report 175, 14.04. - 18.04.97 (9716). - Abstract: This presentation will introduce ESCHER, a database editor which supports visualization in non-standard applications in engineering, science, tourism and the entertainment industry. It was originally based on the extended nested relational data model and is currently extended to include object-relational properties like inheritance, object types, integrity constraints and methods. It serves as a research platform into areas such as multimedia and visual information systems, QBE-like queries, computer-supported concurrent work (CSCW) and novel storage techniques. In its role as a Visual Information System, a database editor must support browsing and navigation. ESCHER provides this access to data by means of so called fingers. They generalize the cursor paradigm in graphical and text editors. On the graphical display, a finger is reflected by a colored area which corresponds to the object a finger is currently pointing at. In a table more than one finger may point to objects, one of which is the active finger and is used for navigating through the table. The talk will mostly concentrate on giving examples for this type of navigation and will discuss some of the architectural needs for fast object traversal and display. ESCHER is available as public domain software from our ftp site in Kassel. The portable C source can be easily compiled for any machine running UNIX and OSF/Motif, in particular our working environments IBM RS/6000 and Intel-based LINUX systems. A porting to Tcl/Tk is under way.