Morphometry is an important technique for the taxonomic distinction of fossils, microfossils and macrofossils included. In order to obtain statistically robust information about the intra- or interspecific variability of hardparts like microfossil shells, large sample sizes, often with hundreds to thousands of specimens must be investigated. The collection of such information by hand is time consuming and bears the risk of introducing variation to measurements due to manual positioning of the specimens under the imaging system. In order to make data collection more efficient and to minimize human influence on measurement accuracy an imaging robot called AMOR was built. AMOR consists of a motorized four-axis tilting- and gliding stage for automatic positioning under a binocular microscope. This binocular microscope is also motorized, i.e. it is equipped with a motorfocus and a motorized zoom wheel. The imaging part is a digital video camera mounted on the microscope. All components are controlled via a special software (also called AMOR) on a PC. With this system isolated microfossils like planktonic foraminifera, that are mounted in standard multi-field faunal slides can be quickly oriented in upside (keel) or spiral/umbilical positions and then imaged. Upon starting automated imaging, AMOR first moves to the center of a particular field in the slide, focuses automatically, tilts the slide in x- and y direction until the specimen stands perfectly upright in keel position or is perfectly horizontal when spiral or umbilical position is selected. After auto-focussing and software-image rotation was activated for perfect “north-to-south” orientation of the shell on the computer monitor the optimum magnification for final imaging is sought. After automatic zooming up- or down and a final refocus a tiff image is saved to disc and the stage moves on to the next specimen in the slide repeating the cycle until the last field is completed. The magnification for every image is recorded in an external text file, so that pixel coordinates can afterwards be converted to micrometers when using external software for morphometric processing. A special slide-calibration function allows for usage of different types of multisquared faunal slides (i.e. slides having different rows and columns). Next to the fully automated mode of operation, AMOR can also applied in “single-specimen” mode of operation, where selected specimens can be oriented and imaged individually by mouse clicks to the available functions (i.e. moving in x and y direction, autocenter, autofocus, tilting in x- and y directions, zooming up or down, image rotation, select “normal” resolution or “high” resolution for each of the motorized functions). The series of images obtained in this way are then batch-processed using a separate set of morphometric programs (MorphCol) for outline extraction to Cartesian coordinates, point-reduction, normalization, measurement of morphometric parameters, and for polar fourier and statistical analyses.

Resumen en Español

AMOR – UN NUEVO SISTEMA PARA IMÁGNES AUTOMATIZADAS DE MICROFÓSILES PARA ANÁLISIS MORFOMÉTRICOS

Knappertsbusch, Michael W. Knappertsbusch, Daniel Binggeli, Andreas Herzig, Lukas Schmutz, Sebastian Stapfer, Claude Schneider, Jean Eisenecker y Lukas Widmer

Se presenta AMOR, un nuevo robot para la orientación automática de microfósiles y fotografiado digital. AMOR (de Automated Measurement system for shell mORphology) fue construido gracias a una colaboración entre el Natural History Museum de Basel (NMB), University of Applied Sciences Northwestern Switzerland (FHNW), y el Geological-Paleontological Institute (GPI) de la University of Basel. AMOR es capaz de posicionar automáticamente, orientar, enfocar, aumentar y fotografiar microfósiles aislados que estén montados en diapositivas multicelulares micropaleontológicas estándar. El dispositivo es útil para la recolecta eficiente de datos morfométricos para estudios evolutivos de imágenes digitales de microfósiles. Es mejor que la recolección de datos manual debido a su mayor velocidad y nivel de precisión y reproductividad.

Palabras clave: Control de orientación, morfometría, automatización, fotografía digital, foraminíferos planctónicos, evolución morfológica

Translator: Manuel Salesa

Résumé en Français

AMOR - UN AUTOMATE D'IMAGERIE POUR L'ETUDE MORPHOMETRIQUE DES MICROFOSSILES

La morphométrie est une méthode importante pour la différenciation taxonomique des micro et macro-fossiles. Pour obtenir des informations statistiquement robustes sur la variabilité intra- ou interspécifique de coquilles, par exemple de microfossiles planctoniques, il apparaît nécessaire de mesurer plusieurs centaines à plusieurs milliers d’individus. Ce type de travail est extrêmement long et fastidieux et comporte des risques d’imprécisions de mesures liés au positionnement manuel des spécimens sous la loupe binoculaire. Pour rendre ce travail plus efficace et pour réduire l’influence humaine pendant l’acquisition des données morphologiques, un automate d’imagerie appelé AMOR a été mis au point.

Motorises et automatisées qui permettent le positionnement automatique sous une loupe binoculaire. Le premier composant est une table motorisée à quatre axes (deux axes pour la translation planaire et deux axes pour l’inclinaison dans les directions x et y). Cette table est installée sous l’objectif de la loupe (c’est la deuxième partie du système), elle-même équipée de composants motorisés: un autofocus et un zoom automatique. La troisième partie de l’appareillage est une caméra électronique installée sur le tube trinoculaire de la loupe.

Enfin, la dernière partie du système AMOR est un ordinateur équipé de Windows2000 qui contrôle le système entier à partir d’un logiciel (aussi nommé AMOR) développé pour l’acquisition automatique des données morphométriques.
Avec AMOR, il est possible d’analyser des microfossiles isolés, comme par exemple des foraminifères planctoniques. Ils doivent être fixés dans une lame faunique multi-cellules, avec un spécimen au centre de chaque cellule. Les coquilles doivent donc déjà être placées et pré-orientées soit en vue latérale, soit en vue ombilicale ou spirale. Après lancement du logiciel AMOR en mode automatique, le système se dirige vers la cellule définie, place le microfossile au centre de l’image, fait le point dessus, et incline ensuite toute la lame pour placer de manière très précise la coquille atteinte en vue latérale ou ombilicale/spirale. Après l’autofocus, le spécimen est automatiquement mis en position “nord-sud” sur l’écran de l’ordinateur (seulement possible si les fossiles sont pré-orientés en vue latérale). Le zoom motorisé de la loupe binoculaire s’active alors automatiquement pour maximiser la taille du fossile sur l’écran dans les limites de l’image attendue.

Après un dernier autofocus, l’image est enregistrée sur le disque dur (format Tiff), le système se dirige alors automatiquement vers le prochain microfossile et le cycle se répète jusqu’à ce que la dernière cellule soit analysée.
Les données d’agrandissement sont sauvegardée dans un fichier texte pour chaque image (une image étant donc une coquille dans une cellule), ce qui permet de convertir les coordonnées pixels en micromètres pour analyser les images sous divers logiciels morphométriques extérieurs (MorphCol) à AMOR. Ceux-ci sont utilisés pour l’analyse statistique de taille et de contour des fossiles.

AMOR permet d’utiliser différents types de lames fauniques (i.e., des lames aux nombres de lignes et de colonnes variables). Il propose également un mode manuel (mode “single-specimen”) sous lequel les microfossiles peuvent être analysés de façon systématique et individuelle. Chaque fonction implémentée sous AMOR (i.e., déplacement dans les directions x et y, auto-centrage, autofocus, inclinaison dans les directions x et y, zoom, rotation de l’image, sélection d’une résolution faible ou haute pour chaque fonction motorisée) se contrôle donc simplement avec la souris de l’ordinateur.

La série d’images obtenues avec AMOR est ensuite analysée par divers programmes de morphométrie (MorphCol) qui permettent l’extraction des coordonnées cartésiennes des contours, la réduction de données, la normalisation, la mesure des paramètres morphométriques, et les analyses statistiques et de Fourier.

Key words: Positionnement automatique, morphométrie, analyse d'images, foraminifères planctoniques, évolution morphologique

Translated: by Loic Costeur

Deutsche Zusammenfassung

AMOR - EIN NEUES SYSTEM FÜR DIE AUTOMATISCHE ABBILDUNG VON MIKROFOSSILIEN FÜR MORPHOMETRISCHE UNTERSUCHUNGEN

Morphometrie ist eine wichtige Methode zur taxonomischen Unterscheidung von Mikro- bezw. Makrofossilien. Um statistisch signifikante und robuste Informationen über die Hartteile von Fossilien (z.B. Mikrofossilien) zu erhalten und um deren Variabilität zwischen oder innerhalb von Arten interpretieren zu können, sind Daten einer grossen Menge von Individuen notwendig. Oft müssen mehrere hundert bis tausende von Schalen vermessen werden. Diese Arbeit manuell durchzuführen ist sehr aufwändig, zeitraubend, und birgt das Risiko von Messungenauigkeiten bei der visuellen Einschätzung während der Orientierung der Schalen durch die untersuchende Person. Um die Datenbeschaffung effizienter zu machen und um Messungenauigkeiten durch den Menschen zu minimieren wurde AMOR konstruiert. AMOR besteht aus einem motorisierten 4-achsigen Gleit- und Kipp-Tisch, welcher unter ein Binokular passt. Dieses ist mit einem Motorfokus und einem motorisierten Zoom ausgestattet. Eine digitale Videokamera, welche auf dem Binokular sitzt, nimmt die Bilder auf. Alle Komponenten werden über das gleichnamige Programm AMOR von einem PC aus gesteuert. Mit AMOR können isolierte Mikrofossilien, wie zum Beispiel planktonische Foraminiferen, welche in einer Faunenzelle bereits vor-orientiert eingeklebt sind, automatisch richtig ausrichtet und dann abgebildet werden. Die Orientierung kann in Kiel- oder Umbilikal/Spiralansicht vorgenommen werden. Nach dem Start von AMOR und Auswahl des automatischen Modus fährt das System das Mikrofossil in einem gewünschten Feld an, zentriert, sodass die Schale in die Bildmitte gerät, fokussiert, kippt die Zelle in x- und y Richtung bis die Schale entweder senkrecht auf dem Kiel unter dem Mikroskop steht oder die Schale perfekt horizontal liegt (bei vorgängiger Auswahl von Kielansicht bezw. Umbilikal/Spiralansicht). Nach erneuter Schärfung wird das Objekt gedreht bis es auf dem Bildschirm optimal in „Nord-Süd Richtung“ zu liegen kommt (nur bei Kielansicht möglich). Danach stellt der Motorzoom die ideale Vergrösserung ein, damit das Objekt möglichst bildfüllend aufgenommen werden kann. Nach einem letzten Nachschärfen mit dem Motorfokus wird das Tiff-Bild abgespeichert und das nächste Feld im Präparat wird angesteuert. Der Zyklus wiederholt sich bis das letzte Feld abgearbeitet wurde. Gleichzeitig generiert AMOR eine Textdatei, in welche die jeweilige Vergrösserung des Motorzooms für jedes Bild geschrieben wird. Diese Datei wird in zusätzlichen Programmen bei der Form- und Grössenanalyse zur Konvertierung von Pixelkoordinaten in Mikrometerkoordinaten verwendet. AMOR besitzt eine Funktion zur Kalibrierung von Faunenzellen, sodass unterschiedliche Zell-Typen mit verschiedenen Reihen und Spalten von Feldern verwendet werden können. Neben dem vollautomatischen Modus können Mikrofossilien auch gezielt in jedem Feld angesteuert, orientiert und abgebildet werden (=“single-specimen” mode). Hierbei kann jede Funktion durch Mausklicks aktiviert werden, z.B. die x- und y Gleitbewegung des Tisches, die automatische Zentrierung, der Autofokus, die Kipp-Bewegungen des Tisches, das Aus- und Einzoomen, die Bildrotation, die Bildspeicherung und noch weitere Funktionen. Ausserdem können die motorisierten Funktionen des Tisches und des Binokulars in einer groben bezw. feinen Auflösung betrieben werden. Die mit AMOR generierten Bilder können serienmässig in einer Reihe von externen Programmen (MorphCol) eingelesen und abgearbeitet werden. Mit diesen zusätzlichen Programmen werden die Umrisskoordinaten der Mikrofossilien extrahiert, Datenreduktions-, und Normalisierungsschritte ausgeführt-, morphometrische Messungen sowie Fourier- und statistische Analysen gemacht.

Key words: Partikel-Orientierung, Morphometrie, Automatisierung, Bildverarbeitung, planktonische Foraminiferen, morphologische Evolution

Translated: by authors

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

AMOR – NOWY SYSTEM ZAUTOMATYZOWANEGO OBRAZOWANIA MIKROSKAMIENIAŁOŚCI DO BADAŃ MORFOMETRYCZNYCH

Knappertsbusch, M.W., Knappertsbusch, D.B., Herzig, A., Schmutz, L., Stapfer, S., Schneider, C., Eisenecker, J. & Widmer, L. 

Został przedstawiony nowy robot służący do zautomatyzowanego orientowania i cyfrowego obrazowania mikroskamieniałości nazwany AMOR. AMOR (skrót od Automated Measurement system for Shell mORphology – Zautomatyzowany System do Pomiarów Morfologii Skorupki przyp. tłum.) został zbudowany we współpracy pomiędzy Museum Historii Naturalnej w Basel (NMB), Uniwersytetem Nauk Stosowanych Południowo-Zachodniej Szwecji (FHNW) i Geologiczno-Paleontologicznym Instytutem (GPI) Uniwersytetu w Basel. AMOR jest zdolny automatycznie pozycjonować, zorientować, zogniskować, przybliżyć i zobrazować izolowane mikroskamieniałości zamontowane w standardowych wielokomorowych mikropaleontologicznych szkiełkach. Urządzenie to jest przydatne do wydajnego zbierania danych morfometrycznych z cyfrowych obrazów mikroskamieniałości, do badań ewolucyjnych. Jest lepszym rozwiązaniem od ręcznego pobierania danych ponieważ ma większą prędkość i lepszy poziom precyzji i powtarzalności.

SŁOWA KLUCZOWE: kontrola orientowania, morfometryczny, automatyka, cyfrowe obrazowanie, otwornice planktoniczne, ewolucja morfologiczna

Translators: Dawid Mazurek and Robert Bronowicz