2019年2月5日

形狀樣式(patten)的量化分析-使用imagej的套件 PAT-GEOM

最近看到一篇論文,是發展了一套Imagej的套件PAT-GEOM,可以用在分析生物身上的斑紋、花紋或條紋(以下這些統稱為樣式,patten)。

論文網址:
https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/2041-210X.13131

我仔細翻閱實作後,覺得是很有用的工具,以往我們在分析這些樣式的時候,通常也只分析面積有多大、顏色是什麼,再不然就只能說這個和那個「看起來」像,或是「看起來」比較亂...。其實不是我們分析的時候不想量化,而是根本舊不知道怎麼量化這些東西。我很高興能看看到這套工具,而且論文和guide都寫得很清楚,不僅能學習工具怎麼使用,也知道測量的原理和分析之後可以拿來做什麼,同時也提供了分析的例子,讓使用者能弄清楚工具的使用。

這套工具能檢測量化的項目有七項,包括樣式的形狀、方向性、尺寸、對比、分佈、整體樣式的分佈、隨機性等。在作者的網站上可以下載這個套件,也有使用說明和範例可以下載
http://ianzwchan.com/my-research/pat-geom/

安裝順序
1.安裝imagej(或是fiji)
2.將下載的套件解壓縮後放在imagej的plugins資料夾中
3.前往以下網址,下載橢圓傅立葉分析的套件。下載後一樣放在plugins資料夾
http://imagejdocu.tudor.lu/doku.php?id=plugin:analysis:fourier_shape_analysis:start
4.啟動imagej
5.在imagej工具列的Plugins最底下可以找到PAT-GEOM的選項


以下是這套工具能夠分析的項目說明,以及分析的例子。
除了以下文字說明外,我也錄製影片來說明分析方式和例子
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一、形狀(Marking shape)
分析方式:利用橢圓傅立葉分析(Elliptical Fourier analysis)將樣式的形狀做量化。先將要分析的樣式圈出後成封閉的曲線,然後用橢圓傅立葉分析去用大量的函數擬合那個封閉曲線。這些擬合的函數都會有量化的數字,這些數字越接近,代表樣式越相似
例子:
比較杜鵑鳥和其宿主的蛋殼表面花紋
比較兩族群生物的樣式平均形狀,例如長頸鹿
鑑定有特殊色彩斑塊的個體(例如鯨鯊)
比較螃蟹甲殼上斑塊和背景的差異


二、樣式的方向性(Marking shape directionality)
分析方式:各個樣式的長寬比例和方向
例子:
比較食蚜蠅和黃蜂的身體條紋
比較動物身上的條紋和其背景的條紋(例如斑馬)
測量在基因調控下或是選汰壓力下的蝶翅眼點形狀
測量老虎的條紋的差異


三、尺寸(Marking size)
分析方式:除分析樣式的面積外,也會計算形心(幾何中心,Centroid)到樣式邊緣的距離平方總和,再平均之後取平方根的值(averaged centroid size)
例子:
比較人造的獵物和其模擬的對象差異(例如帝王蝶的捕食者實驗)
比較兩個不同族群的生物斑點尺寸的差異(例如七星瓢蟲的斑點)
比較動物和其背景的形狀尺寸


四、對比(Pattern contrast)
分析方式:使用變異係數(Coefficient of variation),用標準差除平均值的值。當對比越明顯,變異係數就越大
例子:
測定比目魚身上的色彩斑塊是否符合隨機取樣的背景基質
比較某一動物的兩個不同區域差異(例如會變色的花枝)


五、分佈(Marking distribution)
分析方式:像素陣列(Pixel matrix)。把生物的整個表面的樣式做成二值化影像(樣式處為1、其餘為0),成為Pixel matrix。把不同個體體表的樣式都做成Pixel matrix之後,可以疊加在一起成為單張圖,即可觀察「這群生物合起來的樣子長什麼樣」
例子:
將一整個族群的生物的「平均樣式」視覺化,例如把一群螃蟹的背甲做成pixel matrix看「這群螃蟹背甲長什麼樣」,觀察不同族群之間的差異
設計擬真的獵物,例如設計海參的警戒色樣式,取得一群海參的平均像素陣列後,觀察海參的平均樣式長什麼樣。


六、整體樣式分佈的方向性(Marking distribution directionality)
分析:分析體表全部的斑塊的角度和排列方向
例子:
在選汰壓力下,某個族群生物的斑塊是否會發展成線性排列(例如某些魚類體表的斑塊排列,或是蝶翅上的斑塊、眼斑)
比較兩種生物是否有相似的身體形狀

七、樣式的隨機性(Pattern randomness)
分析:將樣式存成GIF,用檔案的尺寸來表示隨機性。由於GIF檔案壓縮的特性,越隨機的圖樣,檔案尺寸會越大,因此可以用檔案的尺寸來代表隨機性
比較同種生物的不同型態的樣式(例如彩虹䗉螺Umbonium vestiarium此種生物具有多種不同的斑紋)
測定擬態的品質(例如杜鵑鳥和其宿主的蛋殼、岸蟹和其棲息的背景)

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