560 likes | 680 Views
An Electronic Field Guide: Plant Exploration in the 21 st Century. Peter Belhumeur, Columbia University David Jacobs, University of Maryland John Kress, Smithsonian Institution Steven Fiener, Columbia University Ravi Ramamoorthi, Columbia University. Collaborators. Smithsonian Institute
E N D
An Electronic Field Guide:Plant Exploration in the 21st Century Peter Belhumeur, Columbia University David Jacobs, University of Maryland John Kress, Smithsonian Institution Steven Fiener, Columbia University Ravi Ramamoorthi, Columbia University
Collaborators Smithsonian Institute • John Kress • Rusty Russell • Ida Lopez • Norm Bourg University of Maryland • Haibin Ling • David Jacobs • Columbia University • Sean White • Ravi Ramamoorthi • Steve Feiner
Dioscorides: “De Materia Medica” (77 A.D.) “Codex Vindobonensis” (512 A.D.)
Abu Hanifa Al-Dinawari: “Kitab Nabat” (895)Ibn Wahshiyya: “Al Filaha Nabatiya” (930) كتابالفلاحةالنبطية المقدّمة ترجمهآبوبكربنوحشيّة بســماﷲالرحمنالرحيموصلىاﷲعلىسيّدنامحمدوالهوصحبهوسلم هذاكتابالفلاحةالنبطيّةنقلهمنلسانالكسدانيينالىالعربيّةآبوبكراحمدبنعليبنقيسالكسدانيالقيسيالمعروفبابنوحشيّةفيسنةاحدىوتسعينوماتينمنتاريخالعربمنالهجرةواملاهعلىبنابيطالباحمدبنالحسنبنعليبناحمدبنمحمدبنعبدالملكالزيّاتفيسنةثمانيعشيرةوثلثمايةمنتاريخالعربمنالهجرةفقالله اعلميابنيانيوجدتهذاالكتابفيجملةماوجدتمنكتبالكسدانيينمترجمبترجمةمعناهابالعربيةكتابافلاحالارضواصلاحالزرعوالشجروالثمارودفعالافاتعنهافاستكبرتهواستطلتهوخطرببالياختصارهثمفكرتفاذاذلكخطاءغيرصوابمناجلانّقصديالاولوغرديانماهوايصالعلومهؤلاءالقوماعنيالنبطالكسدانيينمنهمالىالناسوبثهافيهمليعرفوامقدارعقولهمونعماﷲتباركوتعالىعندهمفيادراكالعلومالنافعةالغامضةواستنباطماعجزعنهغيرهممنالامموذلكانيوصلتالىكتبهمفيزمانقددرسفيهذكرهموانمحتاخبارهموعدمتاعلامهمحتىلميبقالاذكرهمفقطوذكربعضعلومهمذكراكالخرافاتبلامعرفةممنيذكرهافلمارايتذلكاجتهدتفيطلبكتبهمفوجدتهاعندقومهمبقاياالكسدانيينوعلىدينهموسنّتهمولغتهمووجدتعندهممنالكتبوهمفينهايةالكتمانوالاخفاءوالحجورلهاوالجزعمناظهارهاوكاناﷲتعالىوجلقدرزقنيقبلذلكمنالمعرفةبلغتهمالتيهيالسريانيةالقديمةمالمارهمعكثيراحدوذلكاننيمنهماعنيمننسلبعضهمومكّننياﷲتعالىمنالدراهموالدنانيرولهالحمدفوصلتالىمااحببتمنكتبهمبهذهالوجوهالتيعددتهامناننيمنهمواننيعارفبلغتهمواننيمتمكنمنالمالفاستعلمتالمدارةوالبدلولطيفالحيلةالىماامكننيمنكتبهمونظرفيها وهيفييدهانهمحتاجالىفهممافيهااذكانتالكافةمنهؤلاءالقومالذينهمفيبقاياهمكالبقروالحميروالعاجزينعنفهمشيءمنالعلوماسلافهمالاانالانسانالذيوجدتهذهالكتبمجموعةعندهيتميزعنهذهالجملةويتفضلعنحماريةهذهالكافةفلمتُهعلىالافراطفيكتمانهذهالكتبوخبيهذهالعلوموقلتلهانكتريدالاحتياطبفعلشيءهودرسذكرقومكوطمرمحاسنهموهذاالذيتعملهاقتديتفيهبمنمضىقبلكوانتوالماضينمحطينفيذلكعلىمنتقدّممنالعلمائكمالذينهمعلمايواسلافيمعكموهذاالفعلكانالطريقالىاندراسذكراسلافناوغيوبةعلومهمعنالناسواختفاءمحاسنهمعنهمولوقدنقلتهذهالكتباوبعضهاالىالعربيةحتىينظرالناسفيهاعرفوامقدارعلومناوانتفعوابماوضعاسلافناوصارفيذلكضربمنالفخرلنا
Species Identification: A Pain-staking Process • Physical specimens are loaned and available to only one scientist for year(s) • Herbaria visited in person • Or samples are collected and never or incorrectly identified
Our Goal: Accelerate Species Identification • Photograph and Electronically Catalogue Herbaria • Make data available in the field • Assist in locating the right information • Zoomable user interface • Search with metadata (text, gps, ….) • Visual Search • Not to build an autonomous system • Automatic species identification still out of reach • We want to enhance the capabilities of experts
Acquisition System • Phase One H20 back on Hasselblad 502 with 80mm lens • Resolution: 3600x5000 = 18M pixels • Dynamic Range: 36 bits per pixel over 3 color channels
Specimen Images • 95,000 Type Specimens • 15,000 non-type specimens digitized • Derivatives available on web • Thousands of hits a month • Hi-resolution available online and DVD • Special projects • Puerto Rico rarities, Mexican Boundary Survey, Hawaii….
Acer politum Greene Type Specimen Digital Collection Digital Image of Type Specimen Textual Information Other Specimens (Not Types) 3D Computer Models Photographs of live plants Publications Decision Trees Verbal Description Locations Enhanced Type Specimen Digital Collection Basic Type Specimen Digital Collection
Our Work in Plant Identification • We haven’t been trying to emulate botanists • Expert judgments can rely on features that are hard to automate • General purpose algorithms needed for basic analysis, though humans take these for granted. • Experience in other recognition tasks
Plant ID: Visual Search Criteria Shape Search Criteria • Shape – our current focus • Texture • Venation Texture Venation
Shape Matching in Computer Vision, abridged... • Grenander ’81 • Mumford ‘91 • Fry ‘94 • Kimia, Tannenbuam, and Zucker ’95 • Basri, Costa, Geiger and Jacobs ’95 • Zhu and Yuille ‘96 • Liu, Geiger, and Kohn ’98; Geiger, Liu, and Kohn ‘03 • Belongie, Malik, Puzicha ‘01 • Osada, Funkhouser, Chazelle, Dobkin ‘03 24
Representations that Capture Part Structures • Part relationships can vary • The Euclidean distance • The inner-distance: length of the shortest path between landmark points (see also Bronstein et al. 2003)
Inner-Distance Inner-Distance Shape Context (IDSC) 5 Angle Histogram for Point 1 θ 1
IDSC: Histogram for Each Point Angle 5 θ 1 Histograms for All Points (see also Belongie et. al 2001)
Experiment I: Swedish Leaf Dataset The Swedish leaf dataset contains leaf images from 15 species. Each species has 75 leaves, 25 training and 50 for testing. • How often is the algorithm correct on first guess? • Combination of simple features: 82% [Söderkvist 01] • Fourier descriptors: 89.60% • SC+DP: 88.12% • IDSC+DP: 94.13%
Devices wireless audio see-through head-worn display orientationsensors location sensor hand-held computer
Augmented Reality Versions Rep. John Tanner
Complete Collection of Vascular Plants Plummers Island dataset contains leaf images from 249 species, with 5000+ images.
Complete Collection of All Woody Plants DC Woody dataset contains 245 species, 10,000+ images
What’s Next? Temperate Floras: • Trees of Central Park, NYC (158 species) • Woody Plants of U.S., (5000+ species)