Fluxes of nitrous oxide on natural peatlands in Vuotos, an area projected for a hydroelectric reservoir in northern Finland

Tiivistelmä: Typpioksiduulivirrat suunnitellun Vuotoksen tekojärven alueen soilta

Embedding, Extraction and Detection of Digital Watermark in Spectral Images

Tässä diplomityössä tutkitaan tekniikoita, joillavesileima lisätään spektrikuvaan, ja menetelmiä, joilla vesileimat tunnistetaanja havaitaan spektrikuvista. PCA (Principal Component Analysis) -algoritmia käyttäen alkuperäisten kuvien spektriulottuvuutta vähennettiin. Vesileiman lisääminen spektrikuvaan suoritettiin muunnosavaruudessa. Ehdotetun mallin mukaisesti muunnosavaruuden komponentti korvattiin vesileiman ja toisen muunnosavaruuden komponentin lineaarikombinaatiolla. Lisäyksessä käytettävää parametrijoukkoa tutkittiin. Vesileimattujen kuvien laatu mitattiin ja analysoitiin. Suositukset vesileiman lisäykseen esitettiin. Useita menetelmiä käytettiin vesileimojen tunnistamiseen ja tunnistamisen tulokset analysoitiin. Vesileimojen kyky sietää erilaisia hyökkäyksiä tarkistettiin. Diplomityössä suoritettiin joukko havaitsemis-kokeita ottamalla huomioon vesileiman lisäyksessä käytetyt parametrit. ICA (Independent Component Analysis) -menetelmää pidetään yhtenä mahdollisena vaihtoehtona vesileiman havaitsemisessa.

Highlight Removal in Spectral Images

Monissasovelluksissa on hyvin tärkeää vähentää valolähteen vaikutusta kohteen oikean värin havainnoimiseksi. Tämä on tarpeen mm. virtuaalisissa museoissa, telelääketieteessä, verkkokaupassa ja verkkorahassa. Tässä tutkielmassa on kehitetty tekniikkaa kirkkaiden heijastusten poistoon spektrikuvista. Työ sisältää katsauksen yleisen värillisen kuvan ymmärtämiseen, mihin perustuen analysoitiin erilaisia kirkkaiden heijastusten poistO'tekniikoita. Työssä kehitettiin uusi kirkkaiden heijastusten poistO'menetelmä, joka perustuu dikromaattiseen heijastus-malliin, joka kuvaa spektrisen datan objektin omaan väriin ja valaisevan valon väriin perustuen. Ehdotettu kirkkaiden heijastusten poistO'menetelmä hyödyntää erilaisia olemassaolevia menetelmiä, kuten pääkomponenttimenetelmää ja tiedon luokittelu-menetelmää. Yritys kehittää nopeasti toimiva algoritmi, joka myös suoriutuu tehtävästä hyvin, on onnistunut. Kokeet toteutettiin ehdotetun menetelmän mukaisesti ja toimivalla algoritmilla saatiin halutut lopputulokset. Edelleentyö sisältää ehdotuksia esitetyn algoritmin parantamiseksi.

Wavelet Filter Parameterization for Compression of Spectral Images

Vaatimus kuvatiedon tiivistämisestä on tullut entistä ilmeisemmäksi viimeisen kymmenen vuoden aikana kuvatietoon perustuvien sovellutusten myötä. Nykyisin kiinnitetään erityistä huomiota spektrikuviin, joiden tallettaminen ja siirto vaativat runsaasti levytilaa ja kaistaa. Aallokemuunnos on osoittautunut hyväksi ratkaisuksi häviöllisessä tiedontiivistämisessä. Sen toteutus alikaistakoodauksessa perustuu aallokesuodattimiin ja ongelmana on sopivan aallokesuodattimen valinta erilaisille tiivistettäville kuville. Tässä työssä esitetään katsaus tiivistysmenetelmiin, jotka perustuvat aallokemuunnokseen. Ortogonaalisten suodattimien määritys parametrisoimalla on työn painopisteenä. Työssä todetaan myös kahden erilaisen lähestymistavan samanlaisuus algebrallisten yhtälöiden avulla. Kokeellinen osa sisältää joukon testejä, joilla perustellaan parametrisoinnin tarvetta. Erilaisille kuville tarvitaan erilaisia suodattimia sekä erilaiset tiivistyskertoimet saavutetaan eri suodattimilla. Lopuksi toteutetaan spektrikuvien tiivistys aallokemuunnoksen avulla.

Spectral Analysis of Buffers in Communication Systems

Muokatun matriisi-geometrian tekniikan kehitys yleimmäksi jonoksi on esitelty tässä työssä. Jonotus systeemi koostuu useista jonoista joilla on rajatut kapasiteetit. Tässä työssä on myös tutkittu PH-tyypin jakautumista kun ne jaetaan. Rakenne joka vastaa lopullista Markovin ketjua jossa on itsenäisiä matriiseja joilla on QBD rakenne. Myös eräitä rajallisia olotiloja on käsitelty tässä työssä. Sen esitteleminen matriisi-geometrisessä muodossa, muokkaamalla matriisi-geometristä ratkaisua on tämän opinnäytetyön tulos.

Statistical Analysis of Spectral Images

Tämä diplomityö liittyy Spektrikuvien tutkimiseen tilastollisen kuvamallin näkökulmasta. Diplomityön ensimmäisessä osassa tarkastellaan tilastollisten parametrien jakaumien vaikutusta väreihin ja korostumiin erilaisissa valaistusolosuhteissa. Havaittiin, että tilastollisten parametrien väliset suhteet eivät riipu valaistusolosuhteista, mutta riippuvat kuvan häiriöttömyydestä. Ilmeni myös, että korkea huipukkuus saattaa aiheutua värikylläisyydestä. Lisäksi työssä kehitettiin tilastolliseen spektrimalliin perustuvaa tekstuurinyhdistämisalgoritmia. Sillä saavutettiin hyviä tuloksia, kun tilastollisten parametrien väliset riippuvuussuhteet olivat voimassa. Työn toisessa osassa erilaisia spektrikuvia tutkittiin käyttäen itsenäistä komponenttien analyysia (ICA). Seuraavia itsenäiseen komponenttien analyysiin tarkoitettuja algoritmia tarkasteltiin: JADE, kiinteän pisteen ICA ja momenttikeskeinen ICA. Tutkimuksissa painotettiin erottelun laatua. Paras erottelu saavutettiin JADE- algoritmilla, joskin erot muiden algoritmien välillä eivät olleet merkittäviä. Algoritmi jakoi kuvan kahteen itsenäiseen, joko korostuneeseen ja korostumattomaan tai kromaattiseen ja akromaattiseen, komponenttiin. Lopuksi pohditaan huipukkuuden suhdetta kuvan ominaisuuksiin, kuten korostuneisuuteen ja värikylläisyyteen. Työn viimeisessä osassa ehdotetaan mahdollisia jatkotutkimuskohteita.

Spectral Color Appearance Modeling

Kuvien laatu on tutkituimpia ja käytetyimpiä aiheita. Tässä työssä tarkastellaan värin laatu ja spektrikuvia. Työssä annetaan yleiskuva olemassa olevista pakattujen ja erillisten kuvien laadunarviointimenetelmistä painottaen näiden menetelmien soveltaminen spektrikuviin. Tässä työssä esitellään spektriväriulkomuotomalli värikuvien laadunarvioinnille. Malli sovelletaan spektrikuvista jäljennettyihin värikuviin. Malli pohjautuu sekä tilastolliseen spektrikuvamalliin, joka muodostaa yhteyden spektrikuvien ja valokuvien parametrien välille, että kuvan yleiseen ulkomuotoon. Värikuvien tilastollisten spektriparametrien ja fyysisten parametrien välinen yhteys on varmennettu tietokone-pohjaisella kuvamallinnuksella. Mallin ominaisuuksien pohjalta on kehitetty koekäyttöön tarkoitettu menetelmä värikuvien laadunarvioinnille. On kehitetty asiantuntija-pohjainen kyselymenetelmä ja sumea päättelyjärjestelmä värikuvien laadunarvioinnille. Tutkimus osoittaa, että spektri-väri –yhteys ja sumea päättelyjärjestelmä soveltuvat tehokkaasti värikuvien laadunarviointiin.

Reconstruction and analysis of surface variation using photometric stereo

In many industrial applications, accurate and fast surface reconstruction is essential for quality control. Variation in surface finishing parameters, such as surface roughness, can reflect defects in a manufacturing process, non-optimal product operational efficiency, and reduced life expectancy of the product. This thesis considers reconstruction and analysis of high-frequency variation, that is roughness, on planar surfaces. Standard roughness measures in industry are calculated from surface topography. A fast and non-contact method to obtain surface topography is to apply photometric stereo in the estimation of surface gradients and to reconstruct the surface by integrating the gradient fields. Alternatively, visual methods, such as statistical measures, fractal dimension and distance transforms, can be used to characterize surface roughness directly from gray-scale images. In this thesis, the accuracy of distance transforms, statistical measures, and fractal dimension are evaluated in the estimation of surface roughness from gray-scale images and topographies. The results are contrasted to standard industry roughness measures. In distance transforms, the key idea is that distance values calculated along a highly varying surface are greater than distances calculated along a smoother surface. Statistical measures and fractal dimension are common surface roughness measures. In the experiments, skewness and variance of brightness distribution, fractal dimension, and distance transforms exhibited strong linear correlations to standard industry roughness measures. One of the key strengths of photometric stereo method is the acquisition of higher frequency variation of surfaces. In this thesis, the reconstruction of planar high-frequency varying surfaces is studied in the presence of imaging noise and blur. Two Wiener filterbased methods are proposed of which one is optimal in the sense of surface power spectral density given the spectral properties of the imaging noise and blur. Experiments show that the proposed methods preserve the inherent high-frequency variation in the reconstructed surfaces, whereas traditional reconstruction methods typically handle incorrect measurements by smoothing, which dampens the high-frequency variation.

Evolutionary Ecology of Mountain Birch in Subarctic Stress Gradients: Interplay of Biotic and Abiotic Factors in Plant-Plant Interactions and Evolutionary Processes

In nature, variation for example in herbivory, wind exposure, moisture and pollution impact often creates variation in physiological stress and plant productivity. This variation is seldom clear-cut, but rather results in clines of decreasing growth and productivity towards the high-stress end. These clines of unidirectionally changing stress are generally known as ‘stress gradients’. Through its effect on plant performance, stress has the capacity to fundamentally alter the ecological relationships between individuals, and through variation in survival and reproduction it also causes evolutionary change, i.e. local adaptations to stress and eventually speciation. In certain conditions local adaptations to environmental stress have been documented in a matter of just a few generations. In plant-plant interactions, intensities of both negative interactions (competition) and positive ones (facilitation) are expected to vary along stress gradients. The stress-gradient hypothesis (SGH) suggests that net facilitation will be strongest in conditions of high biotic and abiotic stress, while a more recent ‘humpback’ model predicts strongest net facilitation at intermediate levels of stress. Plant interactions on stress gradients, however, are affected by a multitude of confounding factors, making studies of facilitation-related theories challenging. Among these factors are plant ontogeny, spatial scale, and local adaptation to stress. The last of these has very rarely been included in facilitation studies, despite the potential co-occurrence of local adaptations and changes in net facilitation in stress gradients. Current theory would predict both competitive effects and facilitative responses to be weakest in populations locally adapted to withstand high abiotic stress. This thesis is based on six experiments, conducted both in greenhouses and in the field in Russia, Norway and Finland, with mountain birch (Betula pubescens subsp. czerepanovii) as the model species. The aims were to study potential local adaptations in multiple stress gradients (both natural and anthropogenic), changes in plant-plant interactions under conditions of varying stress (as predicted by SGH), potential mechanisms behind intraspecific facilitation, and factors confounding plant-plant facilitation, such as spatiotemporal, ontogenetic, and genetic differences. I found rapid evolutionary adaptations (occurring within a time-span of 60 to 70 years) towards heavy-metal resistance around two copper-nickel smelters, a phenomenon that has resulted in a trade-off of decreased performance in pristine conditions. Heavy-metal-adapted individuals had lowered nickel uptake, indicating a possible mechanism behind the detected resistance. Seedlings adapted to heavy-metal toxicity were not co-resistant to others forms of abiotic stress, but showed co-resistance to biotic stress by being consumed to a lesser extent by insect herbivores. Conversely, populations from conditions of high natural stress (wind, drought etc.) showed no local adaptations, despite much longer evolutionary time scales. Due to decreasing emissions, I was unable to test SGH in the pollution gradients. In natural stress gradients, however, plant performance was in accordance with SGH, with the strongest host-seedling facilitation found at the high-stress sites in two different stress gradients. Factors confounding this pattern included (1) plant size / ontogenetic status, with seedling-seedling interactions being competition dominated and host-seedling interactions potentially switching towards competition with seedling growth, and (2) spatial distance, with competition dominating at very short planting distances, and facilitation being strongest at a distance of circa ¼ benefactor height. I found no evidence for changes in facilitation with respect to the evolutionary histories of plant populations. Despite the support for SGH, it may be that the ‘humpback’ model is more relevant when the main stressor is resource-related, while what I studied were the effects of ‘non-resource’ stressors (i.e. heavy-metal pollution and wind). The results have potential practical applications: the utilisation of locally adapted seedlings and plant facilitation may increase the success of future restoration efforts in industrial barrens as well as in other wind-exposed sites. The findings also have implications with regard to the effects of global change in subarctic environments: the documented potential by mountain birch for rapid evolutionary change, together with the general lack of evolutionary ‘dead ends’, due to not (over)specialising to current natural conditions, increase the chances of this crucial forest-forming tree persisting even under the anticipated climate change.

Role of Selected Spectral Attributes in the Perception of Synthetic Vowels

This thesis is an experimental study regarding the identification and discrimination of vowels, studied using synthetic stimuli. The acoustic attributes of synthetic stimuli vary, which raises the question of how different spectral attributes are linked to the behaviour of the subjects. The spectral attributes used are formants and spectral moments (centre of gravity, standard deviation, skewness and kurtosis). Two types of experiments are used, related to the identification and discrimination of the stimuli, respectively. The discrimination is studied by using both the attentive procedures that require a response from the subject, and the preattentive procedures that require no response. Together, the studies offer information about the identification and discrimination of synthetic vowels in 15 different languages. Furthermore, this thesis discusses the role of various spectral attributes in the speech perception processes. The thesis is divided into three studies. The first is based only on attentive methods, whereas the other two concentrate on the relationship between identification and discrimination experiments. The neurophysiological methods (EEG recordings) reveal the role of attention in processing, and are used in discrimination experiments, while the results reveal differences in perceptual processes based on the language, attention and experimental procedure.

Computational Techniques for Spectral Image Analysis

Multispectral images are becoming more common in the field of remote sensing, computer vision, and industrial applications. Due to the high accuracy of the multispectral information, it can be used as an important quality factor in the inspection of industrial products. Recently, the development on multispectral imaging systems and the computational analysis on the multispectral images have been the focus of a growing interest. In this thesis, three areas of multispectral image analysis are considered. First, a method for analyzing multispectral textured images was developed. The method is based on a spectral cooccurrence matrix, which contains information of the joint distribution of spectral classes in a spectral domain. Next, a procedure for estimating the illumination spectrum of the color images was developed. Proposed method can be used, for example, in color constancy, color correction, and in the content based search from color image databases. Finally, color filters for the optical pattern recognition were designed, and a prototype of a spectral vision system was constructed. The spectral vision system can be used to acquire a low dimensional component image set for the two dimensional spectral image reconstruction. The data obtained by the spectral vision system is small and therefore convenient for storing and transmitting a spectral image.

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.