Color ad spectral image assessment using novel quality and fidelity techniques

The ongoing development of the digital media has brought a new set of challenges with it. As images containing more than three wavelength bands, often called spectral images, are becoming a more integral part of everyday life, problems in the quality of the RGB reproduction from the spectral images have turned into an important area of research. The notion of image quality is often thought to comprise two distinctive areas – image quality itself and image fidelity, both dealing with similar questions, image quality being the degree of excellence of the image, and image fidelity the measure of the match of the image under study to the original. In this thesis, both image fidelity and image quality are considered, with an emphasis on the influence of color and spectral image features on both. There are very few works dedicated to the quality and fidelity of spectral images. Several novel image fidelity measures were developed in this study, which include kernel similarity measures and 3D-SSIM (structural similarity index). The kernel measures incorporate the polynomial, Gaussian radial basis function (RBF) and sigmoid kernels. The 3D-SSIM is an extension of a traditional gray-scale SSIM measure developed to incorporate spectral data. The novel image quality model presented in this study is based on the assumption that the statistical parameters of the spectra of an image influence the overall appearance. The spectral image quality model comprises three parameters of quality: colorfulness, vividness and naturalness. The quality prediction is done by modeling the preference function expressed in JNDs (just noticeable difference). Both image fidelity measures and the image quality model have proven to be effective in the respective experiments.

Pulsatile Blood Flow Simulations in Computed Tomography(CT) Scan-Based and Idealized Geometries of Human Aorta

Blood flow in human aorta is an unsteady and complex phenomenon. The complex patterns are related to the geometrical features like curvature, bends, and branching and pulsatile nature of flow from left ventricle of heart. The aim of this work was to understand the effect of aorta geometry on the flow dynamics. To achieve this, 3D realistic and idealized models of descending aorta were reconstructed from Computed Tomography (CT) images of a female patient. The geometries were reconstructed using medical image processing code. The blood flow in aorta was assumed to be laminar and incompressible and the blood was assumed to be Newtonian fluid. A time dependent pulsatile and parabolic boundary condition was deployed at inlet. Steady and unsteady blood flow simulations were performed in real and idealized geometries of descending aorta using a Finite Volume Method (FVM) code. Analysis of Wall Shear Stress (WSS) distribution, pressure distribution, and axial velocity profiles were carried out in both geometries at steady and unsteady state conditions. The results obtained in thesis work reveal that the idealization of geometry underestimates the values of WSS especially near the region with sudden change of diameter. However, the resultant pressure and velocity in idealized geometry are close to those in real geometry

Eye Fundus Image Analysis for Automatic Detection of Diabetic Retinopathy

Diabetes is a rapidly increasing worldwide problem which is characterised by defective metabolism of glucose that causes long-term dysfunction and failure of various organs. The most common complication of diabetes is diabetic retinopathy (DR), which is one of the primary causes of blindness and visual impairment in adults. The rapid increase of diabetes pushes the limits of the current DR screening capabilities for which the digital imaging of the eye fundus (retinal imaging), and automatic or semi-automatic image analysis algorithms provide a potential solution. In this work, the use of colour in the detection of diabetic retinopathy is statistically studied using a supervised algorithm based on one-class classification and Gaussian mixture model estimation. The presented algorithm distinguishes a certain diabetic lesion type from all other possible objects in eye fundus images by only estimating the probability density function of that certain lesion type. For the training and ground truth estimation, the algorithm combines manual annotations of several experts for which the best practices were experimentally selected. By assessing the algorithm’s performance while conducting experiments with the colour space selection, both illuminance and colour correction, and background class information, the use of colour in the detection of diabetic retinopathy was quantitatively evaluated. Another contribution of this work is the benchmarking framework for eye fundus image analysis algorithms needed for the development of the automatic DR detection algorithms. The benchmarking framework provides guidelines on how to construct a benchmarking database that comprises true patient images, ground truth, and an evaluation protocol. The evaluation is based on the standard receiver operating characteristics analysis and it follows the medical practice in the decision making providing protocols for image- and pixel-based evaluations. During the work, two public medical image databases with ground truth were published: DIARETDB0 and DIARETDB1. The framework, DR databases and the final algorithm, are made public in the web to set the baseline results for automatic detection of diabetic retinopathy. Although deviating from the general context of the thesis, a simple and effective optic disc localisation method is presented. The optic disc localisation is discussed, since normal eye fundus structures are fundamental in the characterisation of DR.

A Technique for Digital Color Image Watermarking Using ICA

With the increase of use of digital media the need for the methods of multimedia protection becomes extremely important. The number of the solutions to the problem from encryption to watermarking is large and is growing every year. In this work digital image watermarking is considered, specifically a novel method of digital watermarking of color and spectral images. An overview of existing methods watermarking of color and grayscale images is given in the paper. Methods using independent component analysis (ICA) for detection and the ones using discrete wavelet transform (DWT) and discrete cosine transform (DCT) are considered in more detail. A novel method of watermarking proposed in this paper allows embedding of a color or spectral watermark image into color or spectral image consequently and successful extraction of the watermark out of the resultant watermarked image. A number of experiments have been performed on the quality of extraction depending on the parameters of the embedding procedure. Another set of experiments included the test of the robustness of the algorithm proposed. Three techniques have been chosen for that purpose: median filter, low-pass filter (LPF) and discrete cosine transform (DCT), which are a part of a widely known StirMark - Image Watermarking Robustness Test. The study shows that the proposed watermarking technique is fragile, i.e. watermark is altered by simple image processing operations. Moreover, we have found that the contents of the image to be watermarked do not affect the quality of the extraction. Mixing coefficients, that determine the amount of the key and watermark image in the result, should not exceed 1% of the original. The algorithm proposed has proven to be successful in the task of watermark embedding and extraction.

Automatic image-based identification of Saimaa ringed seals

The Saimaa ringed seal is one of the most endangered seals in the world. It is a symbol of Lake Saimaa and a lot of effort have been applied to save it. Traditional methods of seal monitoring include capturing the animals and installing sensors on their bodies. These invasive methods for identifying can be painful and affect the behavior of the animals. Automatic identification of seals using computer vision provides a more humane method for the monitoring. This Master's thesis focuses on automatic image-based identification of the Saimaa ringed seals. This consists of detection and segmentation of a seal in an image, analysis of its ring patterns, and identification of the detected seal based on the features of the ring patterns. The proposed algorithm is evaluated with a dataset of 131 individual seals. Based on the experiments with 363 images, 81\% of the images were successfully segmented automatically. Furthermore, a new approach for interactive identification of Saimaa ringed seals is proposed. The results of this research are a starting point for future research in the topic of seal photo-identification.

Bayesian classification of forest ecological type from satellite data

The main objective of this study was todo a statistical analysis of ecological type from optical satellite data, using Tipping's sparse Bayesian algorithm. This thesis uses "the Relevence Vector Machine" algorithm in ecological classification betweenforestland and wetland. Further this bi-classification technique was used to do classification of many other different species of trees and produces hierarchical classification of entire subclasses given as a target class. Also, we carried out an attempt to use airborne image of same forest area. Combining it with image analysis, using different image processing operation, we tried to extract good features and later used them to perform classification of forestland and wetland.

Machine vision measurement system for paper printability assessments

This work had two primary objectives: 1) to produce a working prototype for automated printability assessment and 2) to perform a study of available machine vision and other necessary hardware solutions. The three printability testing methods, IGT Picking,He¬liotest, and mottling, considered in this work have several different requirements and the task was to produce a single automated testing system suitable for all methods. A system was designed and built and its performance was tested using the Heliotest. Working proto¬types are important tools for implementing theoretical methods into practical systems and testing and demonstrating the methodsin real life conditions. The system was found to be sufficient for the Heliotest method. Further testing and possible modifications related to other two test methods were left for future works. A short study of available systems and solutions concerning image acquisition of machine vision was performed. The theoretical part of this study includes lighting systems, optical systems and image acquisition tools, mainly cameras and the underlying physical aspects for each portion.

Sulpun kuvantaminen painelajittelussa

Painelajittelussa sellusta poistetaan epäpuhtauksia. Painelajittimien suunnittelussa on tärkeää ymmärtää lajittimessa tapahtuvia ilmiöitä. Työn tavoitteena oli kehittää kuvaamiseen perustuva mittausjärjestelmä kuitujen liikkeiden mittaamista varten. Mittauksen kohteena ovat sellusulpun kuitujen ja epäpuhtauksien nopeudet. Kuvaamisessa käytetyllä kaksoisvalotuksella pystytään mittaamaan kuitujen ja roskien nopeuksia. Nopeuksien mittaamiseen kuvista kehitettiin järjestelmä ja tutkittiin mahdollisuutta automatisoida mittaaminen. Yksittäisten kuitujen havaitsemiseen sellumassasta käytettiin optisella kirkasteella kirkastettuja kuituja ja UV-valoa. Kuituja värjättiin myös mustiksi ja kuvattiin näkyvällä valolla. Kaksoisvalotukseen käytettiin kahta stroboskooppia. Prosessin kuvaamisessa käytettiin ulkoisella herätteellä ohjattavaa kameraa. Kuvan tuomiseen kameralle ja kohteen valaistukseen käytettiin boroskooppia. Saatujen kuvien käsittelyä ja nopeuksien mittausta varten tehtiin tietokoneohjelma. Käytetyn boroskoopin valovoima ei ollut riittävä kuvausten suorittamiseen, mutta muilta osin laitteisto havaittiin toimivaksi. Kuitujen ja roskien nopeuksia pystyttiin laskemaan ohjelmalla kuvista, joita otettiin ilman boroskooppia. Mittaustiedon hankinnan automatisointi näyttää mahdolliselta tekemällä muutoksia kuvauslaitteistoon.

Visual measurement of laser-arc hybrid welding

Tässä työssä raportoidaan hybridihitsauksesta otettujen suurnopeuskuvasarjojen automaattisen analyysijärjestelmän kehittäminen.Järjestelmän tarkoitus oli tuottaa tietoa, joka avustaisi analysoijaa arvioimaan kuvatun hitsausprosessin laatua. Tutkimus keskittyi valokaaren taajuuden säännöllisyyden ja lisäainepisaroiden lentosuuntien mittaamiseen. Valokaaria havaittiin kuvasarjoista sumean c-means-klusterointimenetelmän avullaja perättäisten valokaarien välistä aikaväliä käytettiin valokaaren taajuuden säännöllisyyden mittarina. Pisaroita paikannettiin menetelmällä, jossa yhdistyi pääkomponenttianalyysi ja tukivektoriluokitin. Kalman-suodinta käytettiin tuottamaan arvioita pisaroiden lentosuunnista ja nopeuksista. Lentosuunnanmääritysmenetelmä luokitteli pisarat niiden arvioitujen lentosuuntien perusteella. Järjestelmän kehittämiseen käytettävissä olleet kuvasarjat poikkesivat merkittävästi toisistaan kuvanlaadun ja pisaroiden ulkomuodon osalta, johtuen eroista kuvaus- ja hitsausprosesseissa. Analyysijärjestelmä kehitettiin toimimaan pienellä osajoukolla kuvasarjoja, joissa oli tietynlainen kuvaus- ja hitsausprosessi ja joiden kuvanlaatu ja pisaroiden ulkomuoto olivat samankaltaisia, mutta järjestelmää testattiin myös osajoukon ulkopuolisilla kuvasarjoilla. Testitulokset osoittivat, että lentosuunnanmääritystarkkuus oli kohtuullisen suuri osajoukonsisällä ja pieni muissa kuvasarjoissa. Valokaaren taajuuden säännöllisyyden määritys oli tarkka useammassa kuvasarjassa.

3D-robottipoimintajärjestelmän kehittäminen

Lasertekniikkaa hyödyntävä 3D-kuvaustekniikka tuo uusia mahdollisuuksia robotilla suoritettavaan kasastapoimintaan. Kasasta otetun syvyyskuvan avulla tuotteista voidaan määrittää perinteisen XY-paikkatiedon lisäksi tuotteen korkeus- ja asentotieto. Näitä uusia ominaisuuksia hyödyntämällä robotilla voidaan suorittaa yksittäisen tuotteen poiminta kasasta eri korkeuksilta ja eri asennoista. Diplomityö kuuluu osana Master Automation Groupin ensimmäiseen 3D-tekniikkaan perustuvaan MAG PixCell 3D -robosoituun kappaleenkäsittelysoluun. Työn tavoitteena on kehittääsyvyyskuvan käsittelyyn algoritmeja, joiden avulla robotilla voidaan poimia yksitellen kasassa olevia metallisia saksen teriä. Algoritmien tarkoituksena on varmistaa kasasta löydettyjen terien poimittavuus sekä määrittää poimittavien terien korkeudet ja asennot. Tarkastusten jälkeen robotille välitetään terien XYZ-koordinaatti- ja asentotiedot.

Project for Active and Robot Vision Course

Tässä työssä raportoidaan harjoitustyön kehittäminen ja toteuttaminen Aktiivisen- ja robottinäön kurssille. Harjoitustyössä suunnitellaan ja toteutetaan järjestelmä joka liikuttaa kappaleita robottikäsivarrella kolmiuloitteisessa avaruudessa. Kappaleidenpaikkojen määrittämiseen järjestelmä käyttää digitaalisia kuvia. Tässä työssä esiteltävässä harjoitustyötoteutuksessa käytettiin raja-arvoistusta HSV-väriavaruudessa kappaleiden segmentointiin kuvasta niiden värien perusteella. Segmentoinnin tuloksena saatavaa binäärikuvaa suodatettiin mediaanisuotimella kuvan häiriöiden poistamiseksi. Kappaleen paikkabinäärikuvassa määritettiin nimeämällä yhtenäisiä pikseliryhmiä yhtenäisen alueen nimeämismenetelmällä. Kappaleen paikaksi määritettiin suurimman nimetyn pikseliryhmän paikka. Kappaleiden paikat kuvassa yhdistettiin kolmiuloitteisiin koordinaatteihin kalibroidun kameran avulla. Järjestelmä liikutti kappaleita niiden arvioitujen kolmiuloitteisten paikkojen perusteella.

Minimum error contrast enhancement

Contrast enhancement is an image processing technique where the objective is to preprocess the image so that relevant information can be either seen or further processed more reliably. These techniques are typically applied when the image itself or the device used for image reproduction provides poor visibility and distinguishability of different regions of interest inthe image. In most studies, the emphasis is on the visualization of image data,but this human observer biased goal often results to images which are not optimal for automated processing. The main contribution of this study is to express the contrast enhancement as a mapping from N-channel image data to 1-channel gray-level image, and to devise a projection method which results to an image with minimal error to the correct contrast image. The projection, the minimum-error contrast image, possess the optimal contrast between the regions of interest in the image. The method is based on estimation of the probability density distributions of the region values, and it employs Bayesian inference to establish the minimum error projection.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

Spektrikuvien tiivistäminen itseorganisoituvan kartan avulla.

Vuosi vuodelta kasvava tietokoneiden prosessointikyky on mahdollistanut harmaataso- ja RGB-värikuvia tarkempien spektrikuvien käsittelyn järjellisessä ajassa ilman suuria kustannuksia. Ongelmana on kuitenkin, ettei talletus- ja tiedonsiirtomedia ole kehittynyt prosessointikyvyn vauhdissa. Ratkaisu tähän ongelmaan on spektrikuvien tiivistäminen talletuksen ja tiedonsiirron ajaksi. Tässä työssä esitellään menetelmä, jossa spektrikuva tiivistetään kahdessa vaiheessa: ensin ryhmittelemällä itseorganisoituvan kartan (SOM) avulla ja toisessa vaiheessa jatketaan tiivistämistä perinteisin menetelmin. Saadut tiivistyssuhteet ovat merkittäviä vääristymän pysyessä siedettävänä. Työ on tehty Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun Tietotekniikan osaston Tietojenkäsittelytekniikan tutkimuslaboratoriossa osana laajempaa kuvantiivistyksen tutkimushanketta.

Reconstruction of 3D Planar Objects with Partial Occlusion

Kolmiulotteisten kappaleiden rekonstruktio on yksi konenäön haastavimmista ongelmista, koska kappaleiden kolmiulotteisia etäisyyksiä ei voida selvittää yhdestä kaksiulotteisesta kuvasta. Ongelma voidaan ratkaista stereonäön avulla, jossa näkymän kolmiulotteinen rakenne päätellään usean kuvan perusteella. Tämä lähestymistapa mahdollistaa kuitenkin vain rekonstruktion niille kappaleiden osille, jotka näkyvät vähintään kahdessa kuvassa. Piilossa olevien osien rekonstruktio ei ole mahdollista pelkästään stereonäön avulla. Tässä työssä on kehitetty uusi menetelmä osittain piilossa olevien kolmiulotteisten tasomaisten kappaleiden rekonstruktioon. Menetelmän avulla voidaan selvittää hyvällä tarkkuudella tasomaisista pinnoista koostuvan kappaleen muoto ja paikka käyttäen kahta kuvaa kappaleesta. Menetelmä perustuu epipolaarigeometriaan, jonka avulla selvitetään molemmissa kuvissa näkyvät kappaleiden osat. Osittain piilossa olevien piirteiden rekonstruointi suoritetaan käyttämäen stereonäköä sekä tietoa kappaleen rakenteesta. Esitettyä ratkaisua voitaisiin käyttää esimerkiksi kolmiulotteisten kappaleiden visualisointiin, robotin navigointiin tai esineentunnistukseen.