MACHINE VISION FOR AUTOMATICVISUAL INSPECTION OF WOODENRAILWAY SLEEPERS USING UNSUPERVISED NEURAL NETWORKS

The motivation for this thesis work is the need for improving reliability of equipment and quality of service to railway passengers as well as a requirement for cost-effective and efficient condition maintenance management for rail transportation. This thesis work develops a fusion of various machine vision analysis methods to achieve high performance in automation of wooden rail track inspection.The condition monitoring in rail transport is done manually by a human operator where people rely on inference systems and assumptions to develop conclusions. The use of conditional monitoring allows maintenance to be scheduled, or other actions to be taken to avoid the consequences of failure, before the failure occurs. Manual or automated condition monitoring of materials in fields of public transportation like railway, aerial navigation, traffic safety, etc, where safety is of prior importance needs non-destructive testing (NDT).In general, wooden railway sleeper inspection is done manually by a human operator, by moving along the rail sleeper and gathering information by visual and sound analysis for examining the presence of cracks. Human inspectors working on lines visually inspect wooden rails to judge the quality of rail sleeper. In this project work the machine vision system is developed based on the manual visual analysis system, which uses digital cameras and image processing software to perform similar manual inspections. As the manual inspection requires much effort and is expected to be error prone sometimes and also appears difficult to discriminate even for a human operator by the frequent changes in inspected material. The machine vision system developed classifies the condition of material by examining individual pixels of images, processing them and attempting to develop conclusions with the assistance of knowledge bases and features.A pattern recognition approach is developed based on the methodological knowledge from manual procedure. The pattern recognition approach for this thesis work was developed and achieved by a non destructive testing method to identify the flaws in manually done condition monitoring of sleepers.In this method, a test vehicle is designed to capture sleeper images similar to visual inspection by human operator and the raw data for pattern recognition approach is provided from the captured images of the wooden sleepers. The data from the NDT method were further processed and appropriate features were extracted.The collection of data by the NDT method is to achieve high accuracy in reliable classification results. A key idea is to use the non supervised classifier based on the features extracted from the method to discriminate the condition of wooden sleepers in to either good or bad. Self organising map is used as classifier for the wooden sleeper classification.In order to achieve greater integration, the data collected by the machine vision system was made to interface with one another by a strategy called fusion. Data fusion was looked in at two different levels namely sensor-level fusion, feature- level fusion. As the goal was to reduce the accuracy of the human error on the rail sleeper classification as good or bad the results obtained by the feature-level fusion compared to that of the results of actual classification were satisfactory.

Face Detection and Facial Feature Localization for multi-pose faces and complex backgroundimages

The objective of this thesis work, is to propose an algorithm to detect the faces in a digital image with complex background. A lot of work has already been done in the area of face detection, but drawback of some face detection algorithms is the lack of ability to detect faces with closed eyes and open mouth. Thus facial features form an important basis for detection. The current thesis work focuses on detection of faces based on facial objects. The procedure is composed of three different phases: segmentation phase, filtering phase and localization phase. In segmentation phase, the algorithm utilizes color segmentation to isolate human skin color based on its chrominance properties. In filtering phase, Minkowski addition based object removal (Morphological operations) has been used to remove the non-skin regions. In the last phase, Image Processing and Computer Vision methods have been used to find the existence of facial components in the skin regions.This method is effective on detecting a face region with closed eyes, open mouth and a half profile face. The experiment’s results demonstrated that the detection accuracy is around 85.4% and the detection speed is faster when compared to neural network method and other techniques.

Digital spiral analysis for objective assessment of fine motor timing variability in Parkinson's disease

OBJECTIVES: To develop a method for objective assessment of fine motor timing variability in Parkinson’s disease (PD) patients, using digital spiral data gathered by a touch screen device. BACKGROUND: A retrospective analysis was conducted on data from 105 subjects including65 patients with advanced PD (group A), 15 intermediate patients experiencing motor fluctuations (group I), 15 early stage patients (group S), and 10 healthy elderly subjects (HE) were examined. The subjects were asked to perform repeated upper limb motor tasks by tracing a pre-drawn Archimedes spiral as shown on the screen of the device. The spiral tracing test was performed using an ergonomic pen stylus, using dominant hand. The test was repeated three times per test occasion and the subjects were instructed to complete it within 10 seconds. Digital spiral data including stylus position (x-ycoordinates) and timestamps (milliseconds) were collected and used in subsequent analysis. The total number of observations with the test battery were as follows: Swedish group (n=10079), Italian I group (n=822), Italian S group (n = 811), and HE (n=299). METHODS: The raw spiral data were processed with three data processing methods. To quantify motor timing variability during spiral drawing tasks Approximate Entropy (APEN) method was applied on digitized spiral data. APEN is designed to capture the amount of irregularity or complexity in time series. APEN requires determination of two parameters, namely, the window size and similarity measure. In our work and after experimentation, window size was set to 4 and similarity measure to 0.2 (20% of the standard deviation of the time series). The final score obtained by APEN was normalized by total drawing completion time and used in subsequent analysis. The score generated by this method is hence on denoted APEN. In addition, two more methods were applied on digital spiral data and their scores were used in subsequent analysis. The first method was based on Digital Wavelet Transform and Principal Component Analysis and generated a score representing spiral drawing impairment. The score generated by this method is hence on denoted WAV. The second method was based on standard deviation of frequency filtered drawing velocity. The score generated by this method is hence on denoted SDDV. Linear mixed-effects (LME) models were used to evaluate mean differences of the spiral scores of the three methods across the four subject groups. Test-retest reliability of the three scores was assessed after taking mean of the three possible correlations (Spearman’s rank coefficients) between the three test trials. Internal consistency of the methods was assessed by calculating correlations between their scores. RESULTS: When comparing mean spiral scores between the four subject groups, the APEN scores were different between HE subjects and three patient groups (P=0.626 for S group with 9.9% mean value difference, P=0.089 for I group with 30.2%, and P=0.0019 for A group with 44.1%). However, there were no significant differences in mean scores of the other two methods, except for the WAV between the HE and A groups (P<0.001). WAV and SDDV were highly and significantly correlated to each other with a coefficient of 0.69. However, APEN was not correlated to neither WAV nor SDDV with coefficients of 0.11 and 0.12, respectively. Test-retest reliability coefficients of the three scores were as follows: APEN (0.9), WAV(0.83) and SD-DV (0.55). CONCLUSIONS: The results show that the digital spiral analysis-based objective APEN measure is able to significantly differentiate the healthy subjects from patients at advanced level. In contrast to the other two methods (WAV and SDDV) that are designed to quantify dyskinesias (over-medications), this method can be useful for characterizing Off symptoms in PD. The APEN was not correlated to none of the other two methods indicating that it measures a different construct of upper limb motor function in PD patients than WAV and SDDV. The APEN also had a better test-retest reliability indicating that it is more stable and consistent over time than WAV and SDDV.

Detecting Plants on Railway Embankments

This paper investigates problems concerning vegetation along railways and proposes automatic means of detecting ground vegetation. Digital images of railway embankments have been acquired and used for the purpose. The current work mainly proposes two algorithms to be able to achieve automation. Initially a vegetation detection algorithm has been investigated for the purpose of detecting vegetation. Further a rail detection algorithm that is capable of identifying the rails and eventually the valid sampling area has been investigated. Results achieved in the current work report satisfactory (qualitative) detection rates.

The Effects of Eating Behaviors and Exercise Patterns on the Processing of Food and Exercise Related Stimuli

The effectiveness of Cognitive Behavioral Therapy (CBT) for eating disorders has established a link between cognitive processes and unhealthy eating behaviors. However, the relationship between individual differences in unhealthy eating behaviors that are not related to clinical eating disorders, such as overeating and restrained eating, and the processing of food related verbal stimuli remains undetermined. Furthermore, the cognitive processes that promote unhealthy and healthy exercise patterns remain virtually unexplored by previous research. The present study compared individual differences in attitudes and behaviors around eating and exercise to responses to food and exercise-related words using a Lexical Decision Task (LDT). Participants were recruited from Colby (n = 61) and the greater Waterville community (n = 16). The results indicate the following trends in the data: Individuals who scored high in “thin ideal” responded faster to food-related words than individuals with low “thin Ideal” scores did. Regarding the exercise-related data, individuals who engage in more “low intensity exercise” responded faster to exercise-related words than individuals who engage in less “low intensity exercise” did. These findings suggest that cognitive schemata about food and exercise might mediate individual’s eating and exercise patterns.

USGS Topographic Maps over a Hillshaded Digital Elevation Model

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Estudo morfométrico e estereológico digital da mucosa do intestino delgado de crianças eutróficas e desnutridas com diarréia

Objetivos: Testar a hipótese de que a mucosa do intestino delgado proximal de crianças com diarréia persistente apresenta alterações morfométricas e estereológicas proporcionais ao estado nutricional. Métodos: estudo transversal, incluindo 65 pacientes pediátricos internados no período de maio de 1989 a novembro de 1991, com idade entre 4 meses e 5 anos , com diarréia de mais de 14 dias de duração, que necessitaram realizar biópsia de intestino delgado como parte do protocolo de investigação. A avaliação nutricional foi realizada pelos métodos de Gomez, Waterlow e pelos escores z para peso/ idade (P/I), peso/estatura (P/E) e estatura/idade (E/I), divididos em: eutróficos = z ≥ 2 DP e desnutridos z < -2dp; eutróficos = z ≥ 2 DP, risco nutricional = z < -1DP e desnutridos = z < -2DP; e de maneira contínua em ordem decrescente, utilizando-se as tabelas do NCHS. A captura e análise das imagens por programa de computador foi efetuada com o auxílio do patologista. Nos fragmentos de mucosa do intestino delgado, foram medidas a altura dos vilos, a profundidade das criptas, a espessura da mucosa, a espessura total da mucosa e a relação vilo/cripta, com aumento de 100 vezes. Com aumento de 500 vezes, foram medidas a altura do enterócito, a altura do núcleo e do bordo em escova. O programa computadorizado utilizado foi o Scion Image. A análise estereológica, foi feita com o uso de arcos ciclóides. Resultados: Para os escores z P/I, P/E e E/I, divididos em duas categorias de estado nutricional, não houve diferença estatisticamente significante quanto às medidas da altura dos vilos, profundidade das criptas, espessura da mucosa, espessura total da mucosa e relação vilo/cripta. A altura do enterócito foi a característica que apresentou maior diferença entre os grupos eutrófico e desnutrido, para os índices P/I e P/E, em 500 aumentos, sem atingir significância estatística. Quando os escores z foram divididos em 3 categorias de estado nutricional, a análise morfométrica digitalizada mostrou diferença estatisticamente significante para a relação vilo/cripta entre eutróficos e desnutridos leves e entre eutróficos e desnutridos moderados e graves (p=0,048). A relação vilo/cripta foi maior nos eutróficos. A avaliação nutricional pelos critérios de Waterlow e a análise estereológica não mostraram associação com o estado nutricional. Pelo método de Gomez, houve diferença estatisticamente significante para a altura do enterócito entre eutróficos e desnutridos de Grau III: quanto maior o grau de desnutrição, menor a altura do enterócito (r= -.3330; p = 0,005). As variáveis altura do enterócito, altura do núcleo do enterócito e do bordo em escova apresentaram uma clara associação com os índices P/I (r=0,25;p=0,038), P/E (r=0,029;p=0,019) e com o critério de avaliação nutricional de Gomez (r=-0,33;p=0,007), quando foram avaliadas pelo coeficiente de correlação de Pearson. A altura do núcleo mostrou associação com o índice P/I (r=0,24;p=0,054). A altura do bordo em escova mostrou associação com o índice P/I (r=0,26;p=0,032) e a avaliação nutricional de Gomez (r=-0,28;p=0,020). Conclusões: As associações encontradas entre o estado nutricional - avaliado de acordo com Gomez e os índices P/I e P/E - e as variáveis da mucosa do intestino delgado mostraram relação com o peso dos pacientes. Embora estas associações tenham sido de magnitude fraca a moderada, há uma tendência à diminuição do tamanho do enterócito, seu núcleo e seu bordo em escova à medida que aumenta o grau de desnutrição.

Caracterização de núcleos celulares no adenocarcinoma primário de reto por análise de imagem digital

O câncer colorretal é um tumor maligno freqüente no mundo ocidental. É o terceiro em freqüência e o segundo em mortalidade nos países desenvolvidos. No Brasil está entre as seis neoplasias malignas mais encontradas e a quinta em mortalidade. Dos tumores colorretais, aproximadamente 40% estão localizados no reto. A sobrevida, em cinco anos, dos pacientes operados por câncer do reto varia entre 40% e 50%, estando os principais fatores prognósticos, utilizados na prática clínica corrente, baseados em critérios de avaliação clínico-patológicos. A avaliação das alterações morfométricas e densimétricas nas neoplasias malignas tem, recentemente, sido estudadas e avaliadas através da análise de imagem digital e demonstrado possibilidades de utilização diagnóstica e prognóstica. A assinatura digital é um histograma representativo de conjuntos de características de textura da cromatina do núcleo celular obtida através da imagem computadorizada. O objetivo deste estudo foi a caracterização dos núcleos celulares neoplásicos no adenocarcinoma primário de reto pelo método da assinatura digital e verificar o valor prognóstico das alterações nucleares da textura da cromatina nuclear para esta doença. Foram avaliados, pelo método de análise de imagem digital, 51 casos de pacientes operados no Hospital de Clínicas de Porto Alegre (HCPA) entre 1988 e 1996 e submetidos à ressecção eletiva do adenocarcinoma primário de reto, com seguimento de cinco anos pós-operatório, ou até o óbito antes deste período determinado pela doença, e 22 casos de biópsias normais de reto obtidas de pacientes submetidos a procedimentos endoscópicos, para controle do método da assinatura digital. A partir dos blocos de parafina dos espécimes estocados no Serviço de Patologia do HCPA, foram realizadas lâminas coradas com hematoxilina e eosina das quais foram selecionados 3.635 núcleos dos adenocarcinomas de reto e 2.366 núcleos dos controles da assinatura digital, totalizando 6.001 núcleos estudados por análise de imagem digital. De cada um destes núcleos foram verificadas 93 características, sendo identificadas 11 características cariométricas com maior poder de discriminação entre as células normais e neoplásicas. Desta forma, através da verificação da textura da cromatina nuclear, foram obtidos os histogramas representativos de cada núcleo ou conjunto de núcleos dos grupos ou subgrupos estudados, também no estadiamento modificado de Dukes, dando origem às assinaturas digitais correspondentes. Foram verificadas as assinaturas nucleares, assinaturas de padrão histológico ou de lesões e a distribuição da Densidade Óptica Total. Houve diferença significativa das características entre o grupo normal e o grupo com câncer, com maior significância para três delas, a Área, a Densidade Óptica Total e a Granularidade nuclear. Os valores das assinaturas médias nucleares foram: no grupo normal 0,0009 e nos estadiamentos; 0,9681 no A, 4,6185 no B, 2,3957 no C e 2,1025 no D e diferiram com significância estatística (P=0,001). A maior diferença do normal ocorreu no subgrupo B de Dukes-Turnbull. As assinaturas nucleares e de padrão histológico mostraram-se distintas no grupo normal e adenocarcinoma, assim como a distribuição da Densidade Óptica Total a qual mostra um afastamento progressivo da normalidade no grupo com câncer. Foi possível a caracterização do adenocarcinoma de reto, que apresentou assinaturas digitais específicas. Em relação ao prognóstico, a Densidade Óptica Total representou a variável que obteve o melhor desempenho, além do estadiamento, como preditor do desfecho.

Ferramenta computacional para a medição de campos de velocidade utilizando processamento digital de imagens

A proposta deste trabalho, consiste na elaboração de uma ferramenta computacional para a medição de campos de velocidades em escoamentos com baixas velocidades (< 0,5 m/s) utilizando o processamento digital de imagens. Ao longo dos anos, inúmeras técnicas foram desenvolvidas com este objetivo. Para cada tipo de aplicação, uma técnica se aplica com maior ou menor eficiência do que outras. Para o caso de estudos em fluídos transparentes, onde o escoamento pode ser visualizado, técnicas que utilizam processamento digital de imagens vêm ganhando um grande impulso tecnológico nos últimos anos. Este impulso, é devido a fatores como: câmaras vídeo filmadoras de última geração, dispositivos de aquisição de imagens e componentes de processamento e armazenamento de dados cada vez mais poderosos. Neste contexto, está a velocimetria por processamento de imagens de partículas cuja sigla é PIV (particle image velocimetry). Existem várias formas de se implementar um sistema do tipo PIV. As variantes dependem, basicamente, do equipamento utilizado. Para sua implementação é necessário, inicialmente, um sistema de iluminação que incide em partículas traçadoras adicionadas ao fluido em estudo. Após, as partículas em movimento são filmadas ou fotografadas e suas imagens adquiridas por um computador através de dispositivos de captura de imagens. As imagens das partículas são então processadas, para a obtenção dos vetores velocidade. Existem diferentes formas de processamento para a obtenção das velocidades. Para o trabalho em questão, devido às características dos equipamentos disponíveis, optou-se por uma metodologia de determinação da trajetória de partículas individuais, que, apesar de limitada em termos de módulo de velocidade, pode ser aplicada a muitos escoamentos reais sob condições controladas Para validar a ferramenta computacional desenvolvida, imagens ideais de partículas foram simuladas como se estivessem em escoamento, através do deslocamento conhecido de vários pixels. Seguindo o objetivo de validação, foi utilizada ainda uma imagem real de partículas, obtida com o auxílio de um plano de iluminação de luz coerente (LASER) e câmaras de vídeo tipo CCD. O programa desenvolvido foi aplicado em situações de escoamento real e os resultados obtidos foram satisfatórios dentro da escala de velocidades inicialmente presumida.

Análise digital de imagem e estereologia da angiogênese em adenomas e no adenocarcinoma colorretal invasivo de submucosa

A angiogênese é essencial no desenvolvimento neoplásico, associando-se às metástases à distância e recorrência em diversas neoplasias malignas. Em carcinomas colorretais, os parâmetros da análise digital de imagem e estereologia da angiogênese foram pouco estudados. Objetivo: avaliar parâmetros tridimensionais e a quantificação microvascular bidimensional nas diferentes apresentações morfológicas dos adenomas colorretais e no adenocarcinoma colorretal restrito à submucosa, a fim de determinar o papel da angiogênese nas diferentes etapas da seqüência adenoma-carcinoma e sua relação com as diferentes apresentações das lesões precursoras do carcinoma colorretal. Material e métodos: foi realizado estudo histórico de delineamento transversal, incluindo 115 lesões neoplásicas colorretais, ressecadas endoscópica ou cirurgicamente no período de 1997 a 2001, obtidas de pacientes do Hospital de Clínicas de Porto Alegre e da Fundação Universitária de Gastroenterologia (FUGAST). Para análise da angiogênese foram utilizadas as técnicas de imuno-histoquímica, análise digital de imagem, quantificação microvascular e estereologia. Os resultados foram apresentados como mediana e intervalos interquartis. Resultados: a quantificação microvascular foi progressivamente mais elevada nas lesões polipóides com displasia de alto grau comparadas às de baixo grau. Quanto maior o grau de atipia observado, maior foi o número de microvasos (regressão linear, P < 0,05). O volume e extensão microvascular foram diferentes entre as fases evolutivas da neoplasia colorretal, resultando em aumento no volume 728 (416 - 1408) versus 178 (93 - 601) e extensão microvascular 242,4 (131,1 - 936,8) vs 24,0 (6,5 - 142,2) (P < 0,001) nas lesões polipóides com displasia de alto grau comparadas às de baixo grau, respectivamente. A quantificação microvascular foi progressivamente mais elevada, acompanhando a progressão neoplásica polipóide: displasia de baixo grau 41,8 (15,8 - 71,9), displasia de alto grau 60,0 (23,0 - 95,6) e carcinoma de submucosa 76,0 (37,5 - 132,6) (P < 0,001). Concomitante, o volume 956 (436 - 2188) vs 178 (93 - 601) e a extensão microvascular 534,6 (146,7 - 1262) vs 24,0 (6,5 - 142,2) foram mais elevados nos adenocarcinomas colorretais restritos à submucosa em relação às lesões polipóides com displasia de baixo grau, respectivamente (P < 0,001). Não foi encontrada diferença estatisticamente significativa na angiogênese entre os adenomas polipóides e não-polipóides através da quantificação 41,8 (15,8 - 71,9) vs 22 (16 - 40) e estimativa da extensão microvascular 24 (6,5-142,2) vs 17,5 (4,4-54,7), respectivamente. Conclusão: a utilização da análise digital de imagem e estereologia acrescentou maior objetividade e eficácia na metodologia de avaliação angiogênica, pois permitiu a precisa segmentação das áreas hipervasculares, a representação da morfologia tridimensional característica do suprimento vascular e a identificação de diferenças na microvascularização nas etapas evolutivas do câncer colorretal.

Integração de dados geológicos, de sensoriamento remoto, espectrorradiométricos e geofísica aplicada à prospecção de depósitos filoneanos de fluorita hidrotermal no sudeste de Santa Catarina

Os processamentos de imagens orbitais efetuados através de técnicas de sensoriamento remoto geraram informações qualitativas de natureza textural (morfo-estruturas). Estas permitiram (1) o reconhecimento de áreas com diferentes padrões estruturais tendo diferentes potencialidades para a prospecção de fluorita, (2) a identificação de novos lineamentos estruturais potencialmente favoráveis à mineralização e (3) evidenciaram prolongamentos extensos para as principais estruturas mineralizadas, (4) às quais se associam um grande número de estruturas, antes desconhecidas, com grande potencial prospectivo. O aprimoramento de técnicas de classificação digital sobre produtos de razões de bandas e análise por componentes principais permitiu identificar a alteração hidrotermal associada às estruturas, incorporando novos critérios para a prospecção de fluorita. Buscando-se quantificar os dados de alteração hidrotermal, foi efetuada a análise espectrorradiométrica das rochas do distrito fluorítico. Integrando estas informações com dados TM LANDSAT 5, em nível de reflectância, obteve-se a classificação espectral das imagens orbitais, o que permitiu a identificação de estruturas menores com um detalhe nunca antes obtido. Os processamentos de dados aerogeofísicos forneceram resultados sobre estruturas (magnetometria) e corpos graníticos afetados por alteração hidrotermal (aerogamaespectrometria). Estes produtos foram integrados com dados TM LANDSAT 5 associando o atributo textural da imagem orbital ao comportamento radiométrico das rochas. Diagnosticou-se o lineamento Grão-Pará como o principal prospecto do distrito. E levantaram-se uma série de dados sobre a compartimentação tectônica da região, a zonação de fácies das rochas graníticas (rocha fonte do flúor) e as alterações hidrotermais associadas ao magmatismo granítico. Isto permitiu a compreensão da distribuição regional dos depósitos de fluorita, adicionando-se um novo critério à prospecção de fluorita, a relação espacial entre a mineralização e a rocha fonte de F. Esta última corresponde à fácies granítica da borda do Maciço Pedras Grandes.

A TV digital brasileira a serviço do processo judicial eletrônico: o ambiente da interatividade da TV digital brasileira como proposta para um modelo na gravação de audiência das varas federais criminais

Este trabalho descreve algumas das soluções atualmente adotadas pelos tribunais federais para a gravação de audiência, bem como indica a oportunidade que o ambiente de interatividade da TV Digital Brasileira oferece para uma proposta de modelo de documento eletrônico de escritório que sirva de suporte para o resultado da gravação de audiência (texto, som e imagem), bem como possa contribuir para a mudança de paradigma dos atuais sistemas processuais (softwares). O objetivo é estabelecer um padrão fundamentado em uma política pública (Governo Eletrônico Brasileiro e Sistema Brasileiro de TV Digital Terrestre), onde não existam restrições comerciais quanto ao uso das novas tecnologias de comunicação e informação no que se refere ao mínimo para se privilegiar a inclusão social sem perda de eficiência. O trabalho é formado por dois tipos de conteúdo: parte textual e parte digital. A parte textual contém o resultado de uma pesquisa realizada junto aos tribunais federais, bem como apresenta os principais pontos do Governo Eletrônico Brasileiro e do Sistema Brasileiro de TV Digital Terrestre. Ainda descreve a estrutura montada na elaboração e realização da parte digital. Por sua vez, a parte digital reúne o material utilizado para a apresentação de protótipos (vídeos e exemplos de aplicações), para demonstrar as possibilidades de interatividade da TV Digital Brasileira e dos benefícios que os jurisdicionados e os operadores do Direito alcançariam com a proposta. Palavras-