Image Analysis Methods for Sugar Beet Phenotyping

In un mondo che richiede sempre maggiormente un'automazione delle attività della catena produttiva industriale, la computer vision rappresenta uno strumento fondamentale perciò che viene già riconosciuta internazionalmente come la Quarta Rivoluzione Industriale o Industry 4.0. Avvalendomi di questo strumento ho intrapreso presso l'azienda Syngenta lo studio della problematica della conta automatica del numero di foglie di una pianta. Il problema è stato affrontato utilizzando due differenti approcci, ispirandosi alla letteratura. All'interno dell'elaborato è presente anche la descrizione progettuale di un ulteriore metodo, ad oggi non presente in letteratura. Le metodologie saranno spiegate in dettaglio ed i risultati ottenuti saranno confrontati utilizzando i primi due approcci. Nel capitolo finale si trarranno le conclusioni sulle basi dei risultati ottenuti e dall'analisi degli stessi.

Deep learning for computer vision: a comparison between convolutional neural networks and hierarchical temporal memories on object recognition tasks

In recent years, Deep Learning techniques have shown to perform well on a large variety of problems both in Computer Vision and Natural Language Processing, reaching and often surpassing the state of the art on many tasks. The rise of deep learning is also revolutionizing the entire field of Machine Learning and Pattern Recognition pushing forward the concepts of automatic feature extraction and unsupervised learning in general. However, despite the strong success both in science and business, deep learning has its own limitations. It is often questioned if such techniques are only some kind of brute-force statistical approaches and if they can only work in the context of High Performance Computing with tons of data. Another important question is whether they are really biologically inspired, as claimed in certain cases, and if they can scale well in terms of "intelligence". The dissertation is focused on trying to answer these key questions in the context of Computer Vision and, in particular, Object Recognition, a task that has been heavily revolutionized by recent advances in the field. Practically speaking, these answers are based on an exhaustive comparison between two, very different, deep learning techniques on the aforementioned task: Convolutional Neural Network (CNN) and Hierarchical Temporal memory (HTM). They stand for two different approaches and points of view within the big hat of deep learning and are the best choices to understand and point out strengths and weaknesses of each of them. CNN is considered one of the most classic and powerful supervised methods used today in machine learning and pattern recognition, especially in object recognition. CNNs are well received and accepted by the scientific community and are already deployed in large corporation like Google and Facebook for solving face recognition and image auto-tagging problems. HTM, on the other hand, is known as a new emerging paradigm and a new meanly-unsupervised method, that is more biologically inspired. It tries to gain more insights from the computational neuroscience community in order to incorporate concepts like time, context and attention during the learning process which are typical of the human brain. In the end, the thesis is supposed to prove that in certain cases, with a lower quantity of data, HTM can outperform CNN.

Computer vision in aseptic pharmaceutical manufacturing: a deep learning-based approach to vial inspection and pack formation during a lyophilizer loading cycle

Vision systems are powerful tools playing an increasingly important role in modern industry, to detect errors and maintain product standards. With the enlarged availability of affordable industrial cameras, computer vision algorithms have been increasingly applied in industrial manufacturing processes monitoring. Until a few years ago, industrial computer vision applications relied only on ad-hoc algorithms designed for the specific object and acquisition setup being monitored, with a strong focus on co-designing the acquisition and processing pipeline. Deep learning has overcome these limits providing greater flexibility and faster re-configuration. In this work, the process to be inspected consists in vials’ pack formation entering a freeze-dryer, which is a common scenario in pharmaceutical active ingredient packaging lines. To ensure that the machine produces proper packs, a vision system is installed at the entrance of the freeze-dryer to detect eventual anomalies with execution times compatible with the production specifications. Other constraints come from sterility and safety standards required in pharmaceutical manufacturing. This work presents an overview about the production line, with particular focus on the vision system designed, and about all trials conducted to obtain the final performance. Transfer learning, alleviating the requirement for a large number of training data, combined with data augmentation methods, consisting in the generation of synthetic images, were used to effectively increase the performances while reducing the cost of data acquisition and annotation. The proposed vision algorithm is composed by two main subtasks, designed respectively to vials counting and discrepancy detection. The first one was trained on more than 23k vials (about 300 images) and tested on 5k more (about 75 images), whereas 60 training images and 52 testing images were used for the second one.

Sviluppo di un algoritmo di Object Detection per la privacy in ambito industriale

In questa tesi è descritto il lavoro svolto presso un'azienda informatica locale, allo scopo di ricerca ed implementazione di un algoritmo per individuare ed offuscare i volti presenti all'interno di video di e-learning in ambito industriale, al fine di garantire la privacy degli operai presenti. Tale algoritmo sarebbe stato poi da includere in un modulo software da inserire all'interno di un applicazione web già esistente per la gestione di questi video. Si è ricercata una soluzione ad hoc considerando le caratteristiche particolare del problema in questione, studiando le principali tecniche della Computer Vision per comprendere meglio quale strada percorrere. Si è deciso quindi di implementare un algoritmo di Blob Tracking basato sul colore.

Dataset Fusion application on deep learning Object Detection task

Application of dataset fusion techniques to an object detection task, involving the use of deep learning as convolutional neural networks, to manage to create a single RCNN architecture able to inference with good performances on two distinct datasets with different domains.

Elaborazione di video tramite un software web per la computer vision

La tesi tratta i temi di computer vision connessi alle problematiche di inserimento in una piattaforma Web. Nel testo sono spiegate alcune soluzioni per includere una libreria software per l'emotion recognition in un'applicazione web e tecnologie per la registrazione di un video, catturando le immagine da una webcam.

Texting and Driving: rilevazione di utilizzo dello smartphone alla guida tramite Object Detection e Machine Learning

Questa tesi si ispira a lavori precedentemente portati avanti da altri studenti e si pone il problema della possibilit\`a di riconoscere se uno smartphone \`e utilizzato da un utente mentre esso si trova alla guida di un'autovettura. In essa verranno presentati vari metodi per risolvere questo problema di Machine Learning, ovvero realizzazione di dataset per l'allenamento di modelli e creazione e allenamento di modelli stessi, dediti al riconoscimento di un problema di classificazione binaria e riconoscimento di oggetti tramite Object Detection. Il cercare di riconoscere se l'utente \`e alla guida o meno, avverr\`a tramite l'output della fotocamera frontale dello smartphone, quindi lavoreremo su immagini, video e frame. Arriveremo a riconoscere la posizione della persona rappresentata da questi fotogrammi tramite un modello di Object Detection, che riconosce cintura e finestrino e determina se sono appartenenti al sedile e alla posizione del conducente o del passeggero. Vedremo alla fine, attraverso un'attenta analisi dei risultati ottenuti su ben 8 video diversi che saranno divisi in molti frame, che si ottengono risultati molto interessanti, dai quali si pu\`o prendere spunto per la creazione di un importante sistema di sicurezza alla guida.

Embedding Video Object Detection Capabilities on Low-Power Nano-Drones

Our objective for this thesis work was the deployment of a Neural Network based approach for video object detection on board a nano-drone. Furthermore, we have studied some possible extensions to exploit the temporal nature of videos to improve the detection capabilities of our algorithm. For our project, we have utilized the Mobilenetv2/v3SSDLite due to their limited computational and memory requirements. We have trained our networks on the IMAGENET VID 2015 dataset and to deploy it onto the nano-drone we have used the NNtool and Autotiler tools by GreenWaves. To exploit the temporal nature of video data we have tried different approaches: the introduction of an LSTM based convolutional layer in our architecture, the introduction of a Kalman filter based tracker as a postprocessing step to augment the results of our base architecture. We have obtain a total improvement in our performances of about 2.5 mAP with the Kalman filter based method(BYTE). Our detector run on a microcontroller class processor on board the nano-drone at 1.63 fps.

Deep learning models for the automatic analysis of volleyball plays

Collecting and analysing data is an important element in any field of human activity and research. Even in sports, collecting and analyzing statistical data is attracting a growing interest. Some exemplar use cases are: improvement of technical/tactical aspects for team coaches, definition of game strategies based on the opposite team play or evaluation of the performance of players. Other advantages are related to taking more precise and impartial judgment in referee decisions: a wrong decision can change the outcomes of important matches. Finally, it can be useful to provide better representations and graphic effects that make the game more engaging for the audience during the match. Nowadays it is possible to delegate this type of task to automatic software systems that can use cameras or even hardware sensors to collect images or data and process them. One of the most efficient methods to collect data is to process the video images of the sporting event through mixed techniques concerning machine learning applied to computer vision. As in other domains in which computer vision can be applied, the main tasks in sports are related to object detection, player tracking, and to the pose estimation of athletes. The goal of the present thesis is to apply different models of CNNs to analyze volleyball matches. Starting from video frames of a volleyball match, we reproduce a bird's eye view of the playing court where all the players are projected, reporting also for each player the type of action she/he is performing.

Automatic detection of the inferior alveolar nerve in CT scans with CenterNet

The inferior alveolar nerve (IAN) lies within the mandibular canal, named inferior alveolar canal in literature. The detection of this nerve is important during maxillofacial surgeries or for creating dental implants. The poor quality of cone-beam computed tomography (CBCT) and computed tomography (CT) scans and/or bone gaps within the mandible increase the difficulty of this task, posing a challenge to human experts who are going to manually detect it and resulting in a time-consuming task.Therefore this thesis investigates two methods to automatically detect the IAN: a non-data driven technique and a deep-learning method. The latter tracks the IAN position at each frame leveraging detections obtained with the deep neural network CenterNet, fined-tuned for our task, and temporal and spatial information.

Production Lot Detection through Synthetic Generated Data

Correctness of information gathered in production environments is an essential part of quality assurance processes in many industries, this task is often performed by human resources who visually take annotations in various steps of the production flow. Depending on the performed task the correlation between where exactly the information is gathered and what it represents is more than often lost in the process. The lack of labeled data places a great boundary on the application of deep neural networks aimed at object detection tasks, moreover supervised training of deep models requires a great amount of data to be available. Reaching an adequate large collection of labeled images through classic techniques of data annotations is an exhausting and costly task to perform, not always suitable for every scenario. A possible solution is to generate synthetic data that replicates the real one and use it to fine-tune a deep neural network trained on one or more source domains to a different target domain. The purpose of this thesis is to show a real case scenario where the provided data were both in great scarcity and missing the required annotations. Sequentially a possible approach is presented where synthetic data has been generated to address those issues while standing as a training base of deep neural networks for object detection, capable of working on images taken in production-like environments. Lastly, it compares performance on different types of synthetic data and convolutional neural networks used as backbones for the model.

Individuazione di punti salienti in dati 3D mediante rappresentazioni strutturate

Questa tesi si inserisce nel filone di ricerca dell'elaborazione di dati 3D, e in particolare nella 3D Object Recognition, e delinea in primo luogo una panoramica sulle principali rappresentazioni strutturate di dati 3D, le quali rappresentano una prerogativa necessaria per implementare in modo efficiente algoritmi di processing di dati 3D, per poi presentare un nuovo algoritmo di 3D Keypoint Detection che è stato sviluppato e proposto dal Computer Vision Laboratory dell'Università di Bologna presso il quale ho effettuato la mia attività di tesi.

Progettazione e implementazione di una applicazione didattica interattiva per il riconoscimento di oggetti basata sull'algoritmo SIFT

Nell'elaborato viene introdotto l'ambito della Computer Vision e come l'algoritmo SIFT si inserisce nel suo panorama. Viene inoltre descritto SIFT stesso, le varie fasi di cui si compone e un'applicazione al problema dell'object recognition. Infine viene presentata un'implementazione di SIFT in linguaggio Python creata per ottenere un'applicazione didattica interattiva e vengono mostrati esempi di questa applicazione.

Analysis of Local Search Methods for 3D Data

In questa tesi sono stati analizzati alcuni metodi di ricerca per dati 3D. Viene illustrata una panoramica generale sul campo della Computer Vision, sullo stato dell’arte dei sensori per l’acquisizione e su alcuni dei formati utilizzati per la descrizione di dati 3D. In seguito è stato fatto un approfondimento sulla 3D Object Recognition dove, oltre ad essere descritto l’intero processo di matching tra Local Features, è stata fatta una focalizzazione sulla fase di detection dei punti salienti. In particolare è stato analizzato un Learned Keypoint detector, basato su tecniche di apprendimento di machine learning. Quest ultimo viene illustrato con l’implementazione di due algoritmi di ricerca di vicini: uno esauriente (K-d tree) e uno approssimato (Radial Search). Sono state riportate infine alcune valutazioni sperimentali in termini di efficienza e velocità del detector implementato con diversi metodi di ricerca, mostrando l’effettivo miglioramento di performance senza una considerabile perdita di accuratezza con la ricerca approssimata.

Tecniche di deep learning per il monitoraggio del processo nell’industria dello pneumatico

Il seguente elaborato affronta l'implementazione di un algoritmo che affronta un problema di controllo di processo in ambito industriale utilizzando algoritmi di object detection. Infatti, il progetto concordato con il professore Di Stefano si è svolto in collaborazione con l’azienda Pirelli, nell’ambito della produzione di pneumatici. Lo scopo dell'algoritmo implementato è di verificare il preciso orientamento di elementi grafici della copertura, utilizzati dalle case automobilistiche per equipaggiare correttamente le vetture. In particolare, si devono individuare delle scritte sul battistrada della copertura e identificarne la posizione rispetto ad altri elementi fissati su di essa. La tesi affronta questo task in due parti distinte: la prima consiste nel training di algoritmi di deep learning per il riconoscimento degli elementi grafici e del battistrada, la seconda è un decisore che opera a valle del primo sistema utilizzando gli output delle reti allenate.