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.

Blue and Uv-Emitting Upconversion Nanoparticles: Synthesis and (Bio) Analytical Applications.

Rare-earth based upconverting nanoparticles (UCNPs) have attracted much attention due to their unique luminescent properties. The ability to convert multiple photons of lower energy to ones with higher energy through an upconversion (UC) process offers a wide range of applications for UCNPs. The emission intensities and wavelengths of UCNPs are important performance characteristics, which determine the appropriate applications. However, insufficient intensities still limit the use of UCNPs; especially the efficient emission of blue and ultraviolet (UV) light via upconversion remains challenging, as these events require three or more near-infrared (NIR) photons. The aim of the study was to enhance the blue and UV upconversion emission intensities of Tm3+ doped NaYF4 nanoparticles and to demonstrate their utility in in vitro diagnostics. As the distance between the sensitizer and the activator significantly affect the energy transfer efficiency, different strategies were explored to change the local symmetry around the doped lanthanides. One important strategy is the intentional co-doping of active (participate in energy transfer) or passive (do not participate in energy transfer) impurities into the host matrix. The roles of doped passive impurities (K+ and Sc3+) in enhancing the blue and UV upconversions, as well as in influencing the intense UV upconversion emission through excess sensitization (active impurity) were studied. Additionally, the effects of both active and passive impurity doping on the morphological and optical performance of UCNPs were investigated. The applicability of UV emitting UCNPs as an internal light source for glucose sensing in a dry chemistry test strip was demonstrated. The measurements were in agreement with the traditional method based on reflectance measurements using an external UV light source. The use of UCNPs in the glucose test strip offers an alternative detection method with advantages such as control signals for minimizing errors and high penetration of the NIR excitation through the blood sample, which gives more freedom for designing the optical setup. In bioimaging, the excitation of the UCNPs in the transparent IR region of the tissue permits measurements, which are free of background fluorescence and have a high signal-to-background ratio. In addition, the narrow emission bandwidth of the UCNPs enables multiplexed detections. An array-in-well immunoassay was developed using two different UC emission colours. The differentiation between different viral infections and the classification of antibody responses were achieved based on both the position and colour of the signal. The study demonstrates the potential of spectral and spatial multiplexing in the imaging based array-in-well assays.

The Design of Forest Taxation: A Synthesis with New Directions

Summary

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.

Modeling and Synthesis of Tracking Control for the Belt Drive System

Usingof belt for high precision applications has become appropriate because of the rapid development in motor and drive technology as well as the implementation of timing belts in servo systems. Belt drive systems provide highspeed and acceleration, accurate and repeatable motion with high efficiency, long stroke lengths and low cost. Modeling of a linear belt-drive system and designing its position control are examined in this work. Friction phenomena and position dependent elasticity of the belt are analyzed. Computer simulated results show that the developed model is adequate. The PID control for accurate tracking control and accurate position control is designed and applied to the real test setup. Both the simulation and the experimental results demonstrate that the designed controller meets the specified performance specifications.

Conflict-based Method for Conceptual Process Synthesis

The changing business environment demands that chemical industrial processes be designed such that they enable the attainment of multi-objective requirements and the enhancement of innovativedesign activities. The requirements and key issues for conceptual process synthesis have changed and are no longer those of conventional process design; there is an increased emphasis on innovative research to develop new concepts, novel techniques and processes. A central issue, how to enhance the creativity of the design process, requires further research into methodologies. The thesis presentsa conflict-based methodology for conceptual process synthesis. The motivation of the work is to support decision-making in design and synthesis and to enhance the creativity of design activities. It deals with the multi-objective requirements and combinatorially complex nature of process synthesis. The work is carriedout based on a new concept and design paradigm adapted from Theory of InventiveProblem Solving methodology (TRIZ). TRIZ is claimed to be a `systematic creativity' framework thanks to its knowledge based and evolutionary-directed nature. The conflict concept, when applied to process synthesis, throws new lights on design problems and activities. The conflict model is proposed as a way of describing design problems and handling design information. The design tasks are represented as groups of conflicts and conflict table is built as the design tool. The general design paradigm is formulated to handle conflicts in both the early and detailed design stages. The methodology developed reflects the conflict nature of process design and synthesis. The method is implemented and verified through case studies of distillation system design, reactor/separator network design and waste minimization. Handling the various levels of conflicts evolve possible design alternatives in a systematic procedure which consists of establishing an efficient and compact solution space for the detailed design stage. The approach also provides the information to bridge the gap between the application of qualitative knowledge in the early stage and quantitative techniques in the detailed design stage. Enhancement of creativity is realized through the better understanding of the design problems gained from the conflict concept and in the improvement in engineering design practice via the systematic nature of the approach.

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.

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.

GPS-signal Source Based on Direct Digital Synthesis

This thesis presents the design and implementation of a GPS-signal source suitable for receiver measurements. The developed signal source is based on direct digital synthesis which generates the intermediate frequency. The intermediate frequency is transfered to the final frequency with the aid of an Inphase/Quadrature modulator. The modulating GPS-data was generated with MATLAB. The signal source was duplicated to form a multi channel source. It was shown that, GPS-signals ment for civil navigation are easy to generate in the laboratory. The hardware does not need to be technically advanced if navigation with high level of accuracy is not needed. It was also shown that, the Inphase/Quadrature modulator can function as a single side band upconverter even with a high intermediate frequency. This concept reduces the demands required for output filtering.

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.

Magnetic Perovskites Sr2FeMoO6 and La(1-x)Ca(x)MnO3: Synthesis, Fabrication and Characterization of Nanosized Powders and Thin Films

Due to font problem on the tilte field the titlte of the thesis is corrected here. The title of the thesis is: Magnetic Perovskites Sr₂FeMoO₆ and La_(1-x)Ca_(x)MnO₃: Synthesis, Fabrication and Characterization of Nanosized Powders and Thin Films