Efficient image mosaicing for multi-robot visual underwater mapping

Robotic platforms have advanced greatly in terms of their remote sensing capabilities, including obtaining optical information using cameras. Alongside these advances, visual mapping has become a very active research area, which facilitates the mapping of areas inaccessible to humans. This requires the efficient processing of data to increase the final mosaic quality and computational efficiency. In this paper, we propose an efficient image mosaicing algorithm for large area visual mapping in underwater environments using multiple underwater robots. Our method identifies overlapping image pairs in the trajectories carried out by the different robots during the topology estimation process, being this a cornerstone for efficiently mapping large areas of the seafloor. We present comparative results based on challenging real underwater datasets, which simulated multi-robot mapping

Computational visual quality of digitally printed images

The problem of understanding how humans perceive the quality of a reproduced image is of interest to researchers of many fields related to vision science and engineering: optics and material physics, image processing (compression and transfer), printing and media technology, and psychology. A measure for visual quality cannot be defined without ambiguity because it is ultimately the subjective opinion of an “end-user” observing the product. The purpose of this thesis is to devise computational methods to estimate the overall visual quality of prints, i.e. a numerical value that combines all the relevant attributes of the perceived image quality. The problem is limited to consider the perceived quality of printed photographs from the viewpoint of a consumer, and moreover, the study focuses only on digital printing methods, such as inkjet and electrophotography. The main contributions of this thesis are two novel methods to estimate the overall visual quality of prints. In the first method, the quality is computed as a visible difference between the reproduced image and the original digital (reference) image, which is assumed to have an ideal quality. The second method utilises instrumental print quality measures, such as colour densities, measured from printed technical test fields, and connects the instrumental measures to the overall quality via subjective attributes, i.e. attributes that directly contribute to the perceived quality, using a Bayesian network. Both approaches were evaluated and verified with real data, and shown to predict well the subjective evaluation results.

The introduction of navigation in liver surgery in Brazil

The authors thoroughly report the development, the technical aspects and the performance of the first navigated liver resections, by laparotomy and laparoscopy, in Brazil, done at the National Cancer Institute, Ministry of Health, using a surgical navigator.

Machine vision methods for process measurements in pulping

The papermaking industry has been continuously developing intelligent solutions to characterize the raw materials it uses, to control the manufacturing process in a robust way, and to guarantee the desired quality of the end product. Based on the much improved imaging techniques and image-based analysis methods, it has become possible to look inside the manufacturing pipeline and propose more effective alternatives to human expertise. This study is focused on the development of image analyses methods for the pulping process of papermaking. Pulping starts with wood disintegration and forming the fiber suspension that is subsequently bleached, mixed with additives and chemicals, and finally dried and shipped to the papermaking mills. At each stage of the process it is important to analyze the properties of the raw material to guarantee the product quality. In order to evaluate properties of fibers, the main component of the pulp suspension, a framework for fiber characterization based on microscopic images is proposed in this thesis as the first contribution. The framework allows computation of fiber length and curl index correlating well with the ground truth values. The bubble detection method, the second contribution, was developed in order to estimate the gas volume at the delignification stage of the pulping process based on high-resolution in-line imaging. The gas volume was estimated accurately and the solution enabled just-in-time process termination whereas the accurate estimation of bubble size categories still remained challenging. As the third contribution of the study, optical flow computation was studied and the methods were successfully applied to pulp flow velocity estimation based on double-exposed images. Finally, a framework for classifying dirt particles in dried pulp sheets, including the semisynthetic ground truth generation, feature selection, and performance comparison of the state-of-the-art classification techniques, was proposed as the fourth contribution. The framework was successfully tested on the semisynthetic and real-world pulp sheet images. These four contributions assist in developing an integrated factory-level vision-based process control.

Steganografia ja kuvien digitaalinen vesileimaus

Steganografian tarkoituksena on salaisen viestin piilottaminen muun informaation sekaan. Tutkielmassa perehdytään kirjallisuuden pohjalta steganografiaan ja kuvien digitaaliseen vesileimaamiseen. Tutkielmaan kuuluu myös kokeellinen osuus. Siinä esitellään vesileimattujen kuvien tunnistamiseen kehitetty testausjärjestelmä ja testiajojen tulokset. Testiajoissa kuvasarjoja on vesileimattu valituilla vesileimausmenetelmillä parametreja vaihdellen. Tunnistettaville kuville tehdään piirreirrotus. Erotellut piirteet annetaan parametreina luokittimelle, joka tekee lopullisen tunnistamispäätöksen. Tutkimuksessa saatiin toteutettua toimiva ohjelmisto vesileiman lisäämiseen ja vesileimattujen kuvien tunnistamiseen kuvajoukosta. Tulosten perusteella, sopivalla piirreirrottimella ja tukivektorikoneluokittimella päästään yli 95 prosentin tunnistamistarkkuuteen.

Segmentation of overlapping convex objects

This thesis presents a framework for segmentation of clustered overlapping convex objects. The proposed approach is based on a three-step framework in which the tasks of seed point extraction, contour evidence extraction, and contour estimation are addressed. The state-of-art techniques for each step were studied and evaluated using synthetic and real microscopic image data. According to obtained evaluation results, a method combining the best performers in each step was presented. In the proposed method, Fast Radial Symmetry transform, edge-to-marker association algorithm and ellipse fitting are employed for seed point extraction, contour evidence extraction and contour estimation respectively. Using synthetic and real image data, the proposed method was evaluated and compared with two competing methods and the results showed a promising improvement over the competing methods, with high segmentation and size distribution estimation accuracy.

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.

Effect of age on upper and lower eyelid saccades

To study the effect of age on the metrics of upper and lower eyelid saccades, eyelid movement of two groups of 30 subjects each were measured using computed image analysis. The patients were divided on the basis of age into a younger group (20-30 years) and an older group (60-91 years). Eyelid saccade functions were fitted by the damped harmonic oscillator model. Amplitude and peak velocity were used to compare the effect of age on the saccades of the upper and lower eyelid. There was no statistically significant difference in saccade amplitude between groups for the upper eyelid (mean ± SEM; upward, young = 9.18 ± 0.32 mm, older = 8.93 ± 0.31 mm, t = 0.56, P = 0.58; downward, young = 9.11 ± 0.27 mm, older = 8.86 ± 0.32 mm, t = 0.58, P = 0.56) However, there was a clear decline in the peak velocity of the upper eyelid saccades of older subjects (upward, young = 59.06 ± 2.34 mm/s, older = 50.12 ± 1.95 mm/s, t = 2.93, P = 0.005; downward, young = 71.78 ± 1.78 mm/s, older = 60.29 ± 2.62 mm/s, t = 3.63, P = 0.0006). In contrast, for the lower eyelid there was a clear increase of saccade amplitude in the elderly group (upward, young = 2.27 ± 0.09 mm, older = 2.98 ± 0.15 mm, t = 4.33, P < 0.0001; downward, young = 2.21 ± 0.10 mm, older = 2.96 ± 0.17 mm, t = 3.85, P < 0.001). These data suggest that the aging process affects the metrics of the lid saccades in a different manner according to the eyelid. In the upper eyelid the lower tension exerted by a weak aponeurosis is reflected only on the peak velocity of the saccades. In the lower eyelid, age is accompanied by an increase in saccade amplitude which indicates that the force transmission to the lid is not affected in the elderly.

Method for automatic detection of wheezing in lung sounds

The present report describes the development of a technique for automatic wheezing recognition in digitally recorded lung sounds. This method is based on the extraction and processing of spectral information from the respiratory cycle and the use of these data for user feedback and automatic recognition. The respiratory cycle is first pre-processed, in order to normalize its spectral information, and its spectrogram is then computed. After this procedure, the spectrogram image is processed by a two-dimensional convolution filter and a half-threshold in order to increase the contrast and isolate its highest amplitude components, respectively. Thus, in order to generate more compressed data to automatic recognition, the spectral projection from the processed spectrogram is computed and stored as an array. The higher magnitude values of the array and its respective spectral values are then located and used as inputs to a multi-layer perceptron artificial neural network, which results an automatic indication about the presence of wheezes. For validation of the methodology, lung sounds recorded from three different repositories were used. The results show that the proposed technique achieves 84.82% accuracy in the detection of wheezing for an isolated respiratory cycle and 92.86% accuracy for the detection of wheezes when detection is carried out using groups of respiratory cycles obtained from the same person. Also, the system presents the original recorded sound and the post-processed spectrogram image for the user to draw his own conclusions from the data.

Control of Bubbling Fluidized Bed Conditions

The objectives of this master’s thesis were to understand the importance of bubbling fluidized bed (BFB) conditions and to find out how digital image processing and acoustic emission technology can help in monitoring the bed quality. An acoustic emission (AE) measurement system and a bottom ash camera system were evaluated in acquiring information about the bed conditions. The theory part of the study describes the fundamentals of BFB boiler and evaluates the characteristics of bubbling bed. Causes and effects of bed material coarsening are explained. The ways and methods to monitor the behaviour of BFB are determined. The study introduces the operating principles of AE technology and digital image processing. The empirical part of the study describes an experimental arrangement and results of a case study at an industrial BFB boiler. Sand consumption of the boiler was reduced by optimization of bottom ash handling and sand feeding. Furthermore, data from the AE measurement system and the bottom ash camera system was collected. The feasibility of these two systems was evaluated. The particle size of bottom ash and the changes in particle size distribution were monitored during the test period. Neither of the systems evaluated was ready to serve in bed quality control accurately or fast enough. Particle size distributions according to the bottom ash camera did not correspond to the results of manual sieving. Comprehensive interpretation of the collected AE data requires much experience. Both technologies do have potential and with more research and development they may enable acquiring reliable and real-time information about the bed conditions. This information could help to maintain disturbance-free combustion process and to optimize bottom ash handling system.

Genetic Programming for Non-Photorealistic Rendering

This thesis focuses on developing an evolutionary art system using genetic programming. The main goal is to produce new forms of evolutionary art that filter existing images into new non-photorealistic (NPR) styles, by obtaining images that look like traditional media such as watercolor or pencil, as well as brand new effects. The approach permits GP to generate creative forms of NPR results. The GP language is extended with different techniques and methods inspired from NPR research such as colour mixing expressions, image processing filters and painting algorithm. Colour mixing is a major new contribution, as it enables many familiar and innovative NPR effects to arise. Another major innovation is that many GP functions process the canvas (rendered image), while is dynamically changing. Automatic fitness scoring uses aesthetic evaluation models and statistical analysis, and multi-objective fitness evaluation is used. Results showed a variety of NPR effects, as well as new, creative possibilities.

REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Analyse de mouvements faciaux à partir d'images vidéo

Lors d'une intervention conversationnelle, le langage est supporté par une communication non-verbale qui joue un rôle central dans le comportement social humain en permettant de la rétroaction et en gérant la synchronisation, appuyant ainsi le contenu et la signification du discours. En effet, 55% du message est véhiculé par les expressions faciales, alors que seulement 7% est dû au message linguistique et 38% au paralangage. L'information concernant l'état émotionnel d'une personne est généralement inférée par les attributs faciaux. Cependant, on ne dispose pas vraiment d'instruments de mesure spécifiquement dédiés à ce type de comportements. En vision par ordinateur, on s'intéresse davantage au développement de systèmes d'analyse automatique des expressions faciales prototypiques pour les applications d'interaction homme-machine, d'analyse de vidéos de réunions, de sécurité, et même pour des applications cliniques. Dans la présente recherche, pour appréhender de tels indicateurs observables, nous essayons d'implanter un système capable de construire une source consistante et relativement exhaustive d'informations visuelles, lequel sera capable de distinguer sur un visage les traits et leurs déformations, permettant ainsi de reconnaître la présence ou absence d'une action faciale particulière. Une réflexion sur les techniques recensées nous a amené à explorer deux différentes approches. La première concerne l'aspect apparence dans lequel on se sert de l'orientation des gradients pour dégager une représentation dense des attributs faciaux. Hormis la représentation faciale, la principale difficulté d'un système, qui se veut être général, est la mise en œuvre d'un modèle générique indépendamment de l'identité de la personne, de la géométrie et de la taille des visages. La démarche qu'on propose repose sur l'élaboration d'un référentiel prototypique à partir d'un recalage par SIFT-flow dont on démontre, dans cette thèse, la supériorité par rapport à un alignement conventionnel utilisant la position des yeux. Dans une deuxième approche, on fait appel à un modèle géométrique à travers lequel les primitives faciales sont représentées par un filtrage de Gabor. Motivé par le fait que les expressions faciales sont non seulement ambigües et incohérentes d'une personne à une autre mais aussi dépendantes du contexte lui-même, à travers cette approche, on présente un système personnalisé de reconnaissance d'expressions faciales, dont la performance globale dépend directement de la performance du suivi d'un ensemble de points caractéristiques du visage. Ce suivi est effectué par une forme modifiée d'une technique d'estimation de disparité faisant intervenir la phase de Gabor. Dans cette thèse, on propose une redéfinition de la mesure de confiance et introduisons une procédure itérative et conditionnelle d'estimation du déplacement qui offrent un suivi plus robuste que les méthodes originales.