Extended Kalman Filter를 이용한 Autonomous Guided Vehicle의 상태 추정기 설계

정제윤 울산대학교 대학원 2000 국내석사

본 논문은 항만에서 화물 Container를 운반하기 위해 설계되어진 4륜 조향 AGV(Autonomous Guided Vehicle) System을 설명한다. 그리고 AGV 절대 좌표에 대한 위치를 계산하기 위해 EKF(Extended Kalman Filter)를 이용한 상태 추정기를 설계한다. Incremental Encoder, Absolute Encoder와 Gyro를 이용하여 AGV의 이동 속도와 동체 회전 각속도를 측정하고, Transponder를 이용하여 AGV의 위치를 측정한다. 그리고 EKF를 이용하여 최종적인 AGV 위치, 동체 기울기, 회전 각속도 등의 상태를 추정한다. AGV의 Kinematics Model, Observation Model을 설계하여 EKF에 적용하였다. 그리고 Simulation을 통하여 EKF를 이용한 AGV 상태 추정기의 우수성을 보였다. This treaties set 'Four wheel drive AGV(Autonomous Guided Vehicle) System' to carry ship cargo container in harbor. And state estimated system, which is based on EKF(Extended Kalman Filter) was designed to calculate the position about an absolute coordinate of AGV. Moving speed and angular velocity of revolution can be measure by using of Incremental Encoder, Absolute Encoder and Gyro. Also the position of AGV can be check by Transponder. And it is possible to presume these, the final position of AGV, a gradient of body and angular velocity of revolution by using of EKF. The design of Kinematics Model and observation Model is adapted to EKF. And experimentation by computer simulation shows good performance of AGV state estimator, which is based on EKF.

Study of various sensing platforms in the infrared wavelength region based on surface plasmon resonance

이화섭 Graduate School, Korea University 2022 국내박사

An SP is a collective oscillation of free electrons at the interface between dielectric and metal layer. When the frequency of the oscillation between the incident light (external electromagnetic (EM) waves) and SP wave matches, SP could be excited and show resonance characteristics, which is called surface plasmon resonance (SPR). SPR can be classified according to where it exists : surface plasmon polariton (SPP), localized surface plasmon (LSPR), and graphene surface plasmon resonance (GSPR; which is similar to SPP). Each of them are already have versatile applications such as nano-scale optical sensors, optoelectronic devices, and optical biosensors. The practical application of SPR has been already studied, however, from the material point of view, the performance of devices and nano-structures could be further improved. In this regards, this thesis focuses on the enhancement in optical or electrical performance of various device in infrared wavelength region based on SPR. The first part covered an active tunable guided mode resonance filter with graphene. The effect of geometrical parameters of filter structure, material properties of graphene and constituent materials on the spectral response of the tunable filter was simulated. The tunability of resonance wavelength becomes better as the number of graphene layer increases and the damping constant of graphene decreases. In addition, we confirmed that the tunable GMR filter exhibits best performance when the graphene layer is adjacent to the waveguide. The second part concentrates on metal nanodisk filter array, which was fabricated by nanoimprint lithography, employed as an optical filter for mid-infrared spectrometer, and applied to the spectral reconstruction of the infrared spectrum using digital signal processing. The results verified the feasibility of on-chip spectrometer based on a plasmonic nanodisk filter array. The last part dealt with a more systematic and quantitative demonstration on the resolution enhancement of bimetallic waveguide-coupled surface plasmon resonance (Bi-WCSPR) sensors when applied to the detection of C-reactive protein (CRP), a widely accepted biomarker of inflammation in cardiovascular disease. It was confirmed that the Bi-WCSPR configuration with a high Ag to Au ratio has a figure-of-merit 2.53 times higher than conventional Au and a limit-of-detection order of magnitude lower than the cut-off level for CRP. More interestingly, it was found that when using the Bi-WCSPR configurations, the resolution enhancement in the intensity interrogation mode becomes more evident as the CRP concentration is lowered to the cut-off level. SP는 유전체와 금속층 사이의 계면에서 자유 전자의 집합적 진동입니다. 입사광(외부 전자기(EM)파)과 SP파의 진동 주파수가 일치하면 SP가 여기되어 공진 특성을 나타낼 수 있는데, 이를 표면 플라즈몬 공명(SPR)이라고 합니다. SPR은 존재하는 위치에 따라 SPP(Surface plasmon polariton), LSPR(localized surface plasmon), SPP와 유사한 GSPR(graphene surface plasmon resonance)로 분류할 수 있습니다. 그들 각각은 이미 나노 스케일 광학 센서, 광전소자 및 광학 바이오 센서와 같은 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. SPR의 실분야 적용은 이미 충분히 연구되었지만 재료의 관점에서 장치 및 나노 구조의 성능은 더욱 향상될 수 있습니다. 이에 본 논문은 SPR을 기반으로 적외선 파장 영역에서 다양한 소자의 광학적 또는 전기적 성능 향상에 초점을 맞추었습니다. 첫 번째 부분에서는 그래핀을 사용하여 조정 가능한 활성 유도 모드 공진 필터를 다룹니다. 가변 필터의 스펙트럼 응답에 대한 필터 구조, 그래핀의 재료 특성 및 구성 재료의 기하학적 매개변수의 영향을 시뮬레이션 했습니다. 공진 파장의 조정성은 그래핀 층의 수가 증가하고 그래핀의 감쇠 상수가 감소할수록 더 좋아진다. 또한, 가변 GMR 필터는 그래핀 층이 도파관에 인접할 때 최고의 성능을 나타내는 것을 확인했습니다. 두 번째 부분은 나노임프린트 리소그래피로 제작된 금속 나노디스크 필터 어레이로 중적외선 분광기의 광학 필터로 사용되며 디지털 신호 처리를 사용하여 적외선 스펙트럼의 스펙트럼 재구성에 적용됩니다. 결과는 플라즈몬 나노디스크 필터 어레이를 기반으로 한 온칩 분광기의 타당성을 검증했습니다. 마지막 부분에서는 심혈관계 염증 질환의 바이오마커로써 널리 인정되는 C-반응성 단백질(CRP) 검출에 적용할 때 바이메탈 도파관 결합 표면 플라즈몬 공명(Bi-WCSPR) 센서의 분해능 향상에 대한 보다 체계적이고 정량적인 시연을 다루었습니다. 심혈관 질환. Ag 대 Au 비율이 높은 Bi-WCSPR 구성은 기존 Au보다 2.53배 높은 성능 지수와 CRP의 컷오프 수준보다 낮은 검출 한계 차수를 갖는 것으로 확인되었습니다. 더 흥미롭게도 Bi-WCSPR 구성을 사용할 때 CRP 농도가 컷오프 수준으로 낮아질수록 강도 질문 모드의 해상도 향상이 더 분명해지는 것으로 나타났습니다.

Design and fabrication of two-dimensional photonic crystal color filters using nanoimprint and excimer laser annealing

조은형 Graduate School, Yonsei University 2011 국내박사

The color quality of typical displays can be enhanced if the color filter has a narrow bandwidth and a high transmittance. However, it is difficult for conven-tional pigment-type color filters to have a narrow bandwidth without a significant loss in the transmittance. On the other hand, many creatures in nature, such as Morpho butterflies and peacocks, display unique brilliant colors, known as structural colors, which result from the interaction of light with periodic nanostructures on their surfaces. Under inspiration of these nature’s structural colors, new approaches for the color filter that use a subwavelength grating, based on guided-mode resonance (GMR), have been suggested. But for practical display applications, a high angular tolerance in the visible spectrum range, independent of incident angle, is essential; until now, no procedure has satisfied that need. In addition, no study exists on the material properties of the grating necessary for a high-efficiency color filter and the high productive fabrication method for photonic crystal (PhC) color filters has not been suggested. In this thesis, we aim to develop high angular tolerant PhC color filters including their theoretical analysis, fabrication and characterization, and present high fidelity nanofabrication technologies which are applicable to realize a variety of nanodevices. Furthermore, a novel concept for reflective displays that uses the proposed PhC color filters is introduced and the feasibility study on a large-sized patterning process is discussed in detail. On the basis of the rigorous coupled-wave analysis (RCWA) method, two-dimensional (2D) PhC color filters are designed and their optical performances are analytically evaluated and it is shown that the proposed color filters have high reflectance and angular tolerance, where the dispersion characteristics of gratings are carefully considered because it has an important effect on the color filter efficiency. We also show that high angular tolerant characteristics originate from the high refractive index contrast of the grating structures for the photonic bandgap analysis. The proposed color filters are first realized using the 2D patterning by lift-off e-beam lithography (EBL) after the crystallization of an amorphous silicon (a-Si) layer by solid phase crystallization (SPC). Even though the fabricated color filters excepting the blue color filter have high reflectance and angular tolerance similarly to the simulated results, the applied process results in low efficiency of the blue color filter and an undesired sidelobe peak and a wavelength shift due to some reduction in the effective height by diffusion during the SPC process. In order to diminish these side effects, we suggest a different approach that can achieve single crystal-like Si on an amorphous substrate with a remarkably short process time at a low temperature. It is accomplished by the nanopatterning of an a-Si film using low-cost, high-productivity nanoimprint lithography (NIL) followed by the excimer laser annealing (ELA) process for the crystallization of the patterned a-Si layer. By isolating the a-Si film into 2D patterns before the crystallization process, we found that single crystal-like Si patterns with a crystallinity of 96% can be obtained with only low-energy multi-shot irradiation, which result in high-efficiency PhC color filters while alleviating the side effects of the former method. In addition, for the first time the close relationship between silicon crystallinity and PhC color filter reflectance was examined in detail. A novel concept for reflective displays that uses 2D PhCs with subwavelength gratings is introduced. A solar-powered reflective display with PhC color filters is analyzed by a theoretical approach. We could make sure that the 2D PhC color filter can be fabricated on the same substrate by a single patterning process with the same pattern height, unlike the conventional photolithography process. Finally, the novel fabrication process to realize the large-sized PhC color filters over 8-inch-diagonal size is presented and its feasibility study is performed. The highly crystallized silicon patterning scheme presented here may be very attractive for a variety of devices requiring high carrier mobility and/or high optical efficiency. In addition, it is certainly expected that the proposed large-size pattering method will be one of the most hopeful technologies for providing the large-sized flexible stamp with nano-sized patterns in the roll printing process as well as effectively applying the proposed color filters to large-sized display applications.

위상 일치 Guided 필터링 기반의 플래시 / 노-플래시 이미지 쌍을 이용한 이미지 노이즈 제거

임동판 고려대학교 대학원 2019 국내석사

Guided 필터링은 플래시 / 노-플래시 이미지 쌍을 합성해 노이즈가 제거된 이미지를 만들기 위해 널리 사용된다. 노이즈가 제거된 이미지를 생성하기 위해 플래시 이미지와 노-플래시 이미지는 각각 Guided필터링의 가이던스 이미지와 입력이미지로 사용된다. 그러나 손 떨림으로 인해 플래시 / 노-플래시 이미지 쌍 간에 위상이 종종 불일치되며, 결과 이미지가 흐리게 보일 수 있다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하기 위해 위상 일치 guided 필터링을 제안한다. 제안하는 기법은 원래의 Guided 필터링에 테일러 시리즈 근사를 적용하여 위상이 보정 된 결과 이미지를 생성 할 수 있다. 실험 결과는 제안 된 알고리즘의 우수성을 입증하기 위해 제시된다. Guided filtering is widely employed to generate a de-noised image by merging a flash / no-flash image pair. To generate a de-noised image, a flash image and an input image are utilized as a guidance image and an input image of guided filtering, respectively. However, phases between the flash / no-flash image pairs are often mismatched caused by hand-shaking, and therefore the resultant image may look blurry. In this dissertation, a phase matching guided filtering is presented to address this problem. By applying the Taylor series approximation to original guided filtering, the proposed method can generate the phase corrected resultant image. Experimental results are presented to validate the superiority of the proposed algorithm.

RGB벡터와 DCT 분석을 활용한 실시간 물체 분류 알고리즘

신현학 경희대학교 일반대학원 2016 국내석사

본 논문에서는 고정된 카메라에서 초기 프레임을 참조하여 현재 프레임에 새롭게 유입된 물체의 실시간 분류 방법을 제안한다. 제안한 알고리즘의 실시간 분류 처리를 위하여 복잡도를 최소화 하였다. 먼저 전경과 배경을 구분하는 이진 분류 영상을 추출하기 위하여 DCT(Discrete Cosine Transform) 기법을 사용한다. DCT는 기존 공간영역에서 Texture를 분석하는 방식보다 더욱 정확하게 Texture를 분석할 수 있다. 이는 주파수 영역에서 Texture 특징 분석이 더욱 용이하고 각 요소 안에 intensity와 texture 정보를 종합적으로 고려할 수 있기 때문이다. 또한 DCT 계산 복잡도를 최소화하기 위하여 DCT 수행 전에 색 정보를 이용하여 미리 분류 영역을 분석함으로써 처리 효율을 극대화 하였다. 마지막으로 생성된 이진 분류 영상을 자연스럽게 matting하기 위하여 Guided 필터 사용을 제안한다. Guided 필터는 guidance 정보를 통해 입력 영상을 전반적으로 개선할 수 있지만 intensity가 평탄한 영역 등에서 그 한계를 보여주므로 본 논문에서는 Guided 필터의 단점을 개선하는 방법을 추가적으로 제안한다.

Nanophotonic Visible Wavelength Filter Incorporating a Subwavelength Patterned Grating Structure

윤여택 광운대학교 2013 국내박사

In this dissertation, we proposed and attempted do demonstrate thin filmed structures or subwavelength nano-patterned grating structures, serving as the visible wavelength filter and IR spectral filter and ultimately integrate the fabricated optic devices with the liquid crystal as well as CMOS image sensor and compact IR receiver, The demonstrated optic devices are as follows: Fabry-Perot based color filter, angle tolerant IR spectral filter, color filter utilizing metal-dielectric resonant structure, polarization independent visible wavelength filter, CMOS image sensor integrated with 1-demensional patterned structure, IR receiver loaded with a-Si based etalon and tunable wavelength filter combined with liquid crystal. We made up transmission type color filters based on a thin film Ag-SiO2-Agetalon built on a quartz substrate. The observed spectral pass band was centered at 650 nm, 555 nm, and 480 nm for the red, green, and blue device; the corresponding bondwidth was about 120 nm, 100 nm, and 120 nm; and the peak trasmission was all ~60%. For the oblique light incidence, the angular tolerance of the peak relative transmission was measured to be ~1%/degree. The spectral response of the device was also analyzed for two different polarizations as the tilt angle varied up to 12also analyzed for two different polarizations as the tilt angle varied up to 12°, and it was found to be hardly polarization dependent, Finally, as for the positional dependence the relative transmission and the center wavelength were found to vary within 10% and 5 nm respectively over an effective area of 4 x 4 cm2. A high angular tolerant spectral filter based on an etalon structure was also accomplished, involving a TiO2 cavity sandwiched between a pair of Ag/Ge mirrors. For normal incidence, the observed center wavelength and transmission were ~900 nm and ~60%, respectively; while the relative wavelength shift and transmission variation amounted to only ~0.06 and ~4%, respectively, throughout the range of 50° angle of incidence. A highly efficient color filter is demonstrated taking advantage of an ultra-thin metal (AI)-dielectric (tiO2) resonant structure ,where a subwavelength metallic grating is deposited as a cladding in a planar dielectric waveguide. A selective spectral response was accomplished by the virtue of the guided mode resonance between the diffracted mode and waveguide mode. The center wavelengths for the blue, green, and red filters were found to be 430, 520, and 630 nm, and the corresponding 3-dB bandwidths were 67, 84, and 80 nm, respectively, All three filters provied an overall transmission exceeding 70% and a satisfactory color image. The polarization-independent visible wavelength filter is also demonstrated, incorporating a symmetric metal-dielectric resonant structure on quartz substrate. Polarization independent bandpass filtering was achieved around specific wavelengths, determined by the grating pitch and the effective index of the waveguide. They were inspected to function as an dfficient bandpass filter, centered at 460, 560 and 610 nm, with bandwidths of about 13, 14 and 17 nm, respectively; the peak transmission efficiencies were consistently over 85%. As for the application devices, we first tried demonstrate a highly efficient visible wavelength filter enabling a homogeneous intergration with and image sensor by employing a standard 90-nm CMOS process. A one dimensional subwavelength Al grating overlaid with an oxide film was buit on top of an image sensor to serve as a low-pass wavelength filter; a microlens was then formed atop the filter to achieve beam focusing. The overall transmission was dobwerved to reach up to 80% in the visible band with a decent roll-off near ~ 700 nm. In an dffort to validate the immediate applications to optical wireless communications, an optical receiver, permitting a large field-of-view, highly angle tolerant spectral filter centered at λ = ~900 nm, making the best use of three-stage concatenated etalon resonator structure, was proposed by implementing the shape of a triangular prism. The total output of the IR receiver was measured with an angular 3-dB angular bandwidth equivalent to 80°, translating into about a full-angle filed-of-view of as large as 160°. The tunable visible wavelength filter based on an asymmetric metal-dielectric resonant structure was proposed and demonstrated, which is attached to the liquid crystal to tailor the polarization state corresponding to the filter. The fabricated devices provide two different center wavelengths from single device, ranging from the blue to red spectral band, via the GMR resonance condition under each of grating vectors. On the whole, they exhibited the transmission efficiency of 70%, maintaining the bandwidth of 20 nm. Throughout the achieved research results and activities, we believe these works may not be limited to the applications discussed above; moreover, they can serve as a crucial vehicle leading to technologies in a variety of fields including holography, bio-sensor and LED light source, novel semiconductor devices, and so forth.

유도된 방향특징과 ELMs기반 새로운 지정맥 인식연구

해산연 전북대학교 일반대학원 2012 국내박사

In this thesis, we propose a novel finger vein recognition system which improves its usability, stability, computational complexity, and recognition accuracy comparing to previous researches. In order to make the system practical in real-world applications, algorithms in the system are also designed to be very robust to external physical factors such as lighting and finger positioning, and to easily accommodate large-sized database which may have frequent changes of entries. The proposed system consists of three major components, each with separate, significant contribution to the performance of the system: finger vein quality assessment, enhancement and feature extraction, and classification. In finger vein quality assessment, we propose an energy model, developed from the structure of veins and corner minutiae, to generate assessment scores and then to discard low-quality vein images for high usability of the system. For the image enhancement and feature extraction component, a novel explicit guided directional filter is proposed to obtain high-quality vein contours from noisy, non-uniform, low-contrast images without introducing any segmentation process. It enhances an input image with an additional supervisor image which strongly instructs to preserve vein patterns and reduces background impacts such as haze and variation of illumination. Veins after guided directional filtering are magnified enough to directly extract average absolute deviation (AAD) features, which represent strengths of directional block information with eight different angles, even from images with thin, vague ridges and non-uniform backgrounds. Three types of classifiers, based on the extreme learning machine (ELM), are designed to best utilize the characteristics of AAD features, to obtain high recognition accuracy and to provide the stability of the system. A typical ensemble ELM (E-ELM) consists of a number of unit ELMs, each trained with whole AAD features, and combines the outputs of unit ELMs for stable classification. A newly-developed component-based ELM (C-ELM) has eight much smaller-sized unit ELMs and an output layer to combine outputs of eight ELMs. For the structured training of vein patterns, the C-ELM is designed to first train small differences between patterns with the same angle and then to aggregate the differences at the output layer. We also design an ensemble C-ELM (EC-ELM) to provide the stability of the component-based matching system. Experimental results show that the proposed system with a C-ELM achieves an excellent matching performance in terms of matching accuracy of 99.89% and speed of 0.87 ms for each image. 본 논문에서 이전 연구에 비해 안정도, 계산 복잡도와 인식정확도를 향상시킨 새로운 지정맥 인식 시스템을 제안하였다. 또한 제안된 시스템이 현실적인 실제 응용에서 사용가능 하도록 시스템 내의 알고리즘들은 조명변화나 손가락 위치 변경과 같은 외부의 물리적인 변화 요인들에 대해 강인성을 갖도록 하였으며, 사용자가 자주 변경될 수 있는 대용량의 데이터베이스도 수용할 수 있도록 설계하였다. 제안된 시스템은 지정맥 품질평가, 영상향상 및 특징 추출과 분류의 세 가지 주요 요소를 포함하고 있으며 각 요소는 별도의 중요한 새로이 제안된 내용을 포함하고 있다. 첫 요소인 지정맥 품질평가에서는 지정맥 구조와 코너 특징점에서 형성한 에너지 모델을 제안하고, 이를 기반으로 지정맥 영상에 대한 평가점수를 생성한 다음 저품질 영상을 배제하는 방법으로 시스템의 유용성을 높였다. 두 번째의 영상향상과 특징추출에는 고잡음, 비균일, 저회색도 대비 환경에서 분할과정 없이도 고품질의 지정맥 윤곽선을 생성할 수 있는 유도된 방향 필터(guided directional filter)를 제안하였다. 이 요소는 추가적인 감시영상과 입력영상을 이용하여 조명변화나 희뿌연 현상을 포함하는 배경의 영향을 감소시키고 지정맥 부분을 강하게 향상하며, 여덟 개 각도의 블록 세기 정보를 나타내는 평균절대편차(AAD)를, 매우 가늘고 약한 지정맥과 비균일 배경의 환경에서도, 특징정보로서 직접 계산을 한다. 세 번째 요소에서는 ELM에 기반한 세 가지 분류기를 AAD 특징을 최대한 이용하도록 설계하였으며 인식정확도의 제고와 시스템 안정성을 제공하도록 조정하였다. 첫 분류기인 전형적인 앙상블 ELM (E-ELM)은 다수의 단위 ELM을 포함한다. 각 단위 ELM은 전체 AAD 특징을 포함하는 패턴들로 학습되고, 출력들은 다시 출력층에서 결합되어 분류를 수행한다. 본 논문에서 새롭게 만들어진 요소기반 ELM (C-ELM)은 여덟 개의 훨씬 작은 단위 ELM과 출력층을 가진다. 지정맥의 구조적인 학습을 위해 C-ELM에서는 동일한 각도에서 생성된 패턴들 간의 작은 차이들을 단위 ELM에서 먼저 학습하며 출력층에서 이 차이들을 결합하고 누적한다. 세 번째 분류기는 C-ELM에 안정성을 제공하기 위해 다수의 C-ELM을 포함하는 앙상블 C-ELM (EC-ELM)이다. 실험 결과로서 제안된 시스템은 아주 우수한 매칭성능을 보였다. 최고 매칭 성능은 99.89%의 인식정확도와 영상 한 장당 처리속도가 0.87ms를 보였다.

Multi-focus microscopic image fusion method using local area feature extraction

이지영 Graduate School, Yonsei University 2021 국내석사

To obtain all-in-focus image, it is important to extract the focus area from local focus images. This paper proposed a multi focus image fusion method to obtain an all-in-focus image. First, the focus areas are extracted using frequency domain transformation. By using a band-pass filter, noise can be removed and enhanced the detailed parts of the image that local focus area. The edge detection of the focus area was then performed through a Laplacian filter using the secondary differential of the image. The Laplacian filtered image extracts conjunctival goblet cell features shown in the local focus image. The focus area was detected through thresholding because it reacts strongly to the thin lines or isolation points in the Laplacian filtered image. A final focus area was also determined as a morphological operation to expand the focus area. The final focus area produced weights with the guided filter, which preserves the edges, to obtain fused images with no prominent boundaries in image connection. A window-size-updating method is adopted in the guided filter to reduce the number of parameters. This paper presents a novel algorithm that can operate on a large number of input images (10 or more) and obtain an all-in-focus image. Experimental results demonstrate that this algorithm is robust to noise and capable of preserving local focus information through focal area extraction. It is also relatively simple because processing is carried out through methods such as frequency domain transformation and morphological computation. All-in-focus images can be obtained by using camera taken images as well as microscopic images. It is expected that the proposed method for all-in-focus images will be contributed to the quantitative analysis of the research for conjunctival goblet cells. 한 장의 융합 영상을 만들기 위해서는 국소 초점 현미경 영상에서 초점이 맞는 영 역을 추출하는 것이 중요하다. 본 논문은 초점 영역이 좁은 현미경 영상들을 이용하여 한 장의 융합 영상을 만드 는 방법에 관하여 연구하였다. 초점이 맞는 영역을 추출하기 위하여 주파수 영역 변 환을 이용한 영상 대비 조정을 진행하였다. 대역 필터를 이용함으로써 영상의 잡음을 제거함과 동시에 영상의 세밀한 부분, 즉 초점 영역의 정보가 강조되는 효과를 얻을 수 있다. 이후 영상의 2차 미분을 이용하는 라플라시안 필터를 통해 초점 영역의 에 지 검출을 하였다. 라플라시안 필터가 적용된 영상은 국소 초점 영상에서 보이는 결 막 술잔 세포를 특징점으로 잡는다. 이 때 영상 내의 가는 선이나 고립점에 강하게 반응하기 때문에 적절한 임계처리를 통해 초점 영역을 검출하였다. 또한 초점 영역 확장을 위해 형태학적 연산으로 최종적인 초점 영역을 결정하였다. 최종 초점 영역은 가장자리를 보존하는 스무딩 필터인 guided 필터로 가중치를 생성하여 영상 연결 시 경계가 두드러지지 않는 자연스러운 연결을 가지는 융합 영상을 얻었다. 또한 윈 도우 크기가 업데이트 되도록 함으로써 조정해야 하는 매개변수의 개수를 줄일 수 있 었다. 본 논문은 여러 장의 입력 영상에 대하여 융합 영상을 얻을 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 이 알고리즘을 통해 얻은 융합 영상은 잡음에 강인하며 초점 영역 추출 을 통해 국소 초점 영역의 정보를 보존한다. 또한 주파수 영역 변환, 형태학적 연산과 같은 방법을 통해 처리가 진행되기 때문에 비교적 간단하며 현미경 영상뿐만 아니라 카메라로 촬영된 영상을 사용해도 융합 영상을 얻을 수 있다. 제안한 알고리즘을 통 해 융합 영상을 제공함으로써 결막 술잔 세포 연구의 정량적 분석에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

스케일과 회전불변도를 고려한 인공신경망과 기존 기술을 결합한 효과적 패턴인식 알고리즘에 관한 연구

석서하 우석대학교 일반대학원 2022 국내박사

With the rapid development of microelectronics and computer technology, image recognition plays an increasingly important role in computer vision. Image recognition has received extensive attention from many disciplines and has been widely applied in many fields such as scientific research and production, especially in robotics. The problems raised by image recognition are mainly to study the technology of using computers to process, analyze and understand images in order to recognize various targets and objects in different modes, thereby partially replacing human brain work. In the process of obtaining images, because the object imaging will be affected by the observation angle of view, the internal and external parameters of the camera, the same object in the image obtained under different observation angles, different internal and external parameters of the camera, etc., has geometrical (translation, rotation, scale) variance. In the case of the geometric variance of the image target, how to correctly recognize the target is a research hot spot in the field of image recognition. Traditional geometric invariant image recognition technology is mainly based on geometric invariant feature statistics and deep neural network image recognition methods. Geometrically invariant feature statistical methods are based on large-scale calculations, and there is a prominent contradiction between the amount of computation and the correct recognition rate. The deep neural network recognition method mainly realizes geometric invariance recognition by improving the deep network structure, and its design is relatively complex and has poor practicability. This thesis focuses on recognizing geometric invariance, conducts in-depth research from the traditional image processing method and the neural network model, and combines the characteristics of each to complete the performance improvement of image classification and recognition. The main work is research on artificial neural networks, traditional image processing algorithms, and related cutting-edge algorithms on geometric invariance research. the focus is on geometric correction and image recognition. Contributions of the thesis are as follows: 1) Proposed a PCA-Based image processing algorithm for the image recognition with geometric invariance in single background. The algorithm consists of four modules, Letter Detection/Segmentation, Correction of Letter Direction, Character Separation/Scale Normalization and Classification. The first module can detect the text area and crop the text to obtain a text image. The second one performs to correct the character/text direction to the horizontal direction, which uses PCA algorithm. And the third one makes scale normalization to get the standard size of characters. The last one is use multi-layer perceptron BP neural network to recognize images. The experimental results show that the arbitrary-sized and orientated letters by the proposed algorithm are corrected well, and the correct recognition rate reached 98.78% under the geometric changes of the characters (translation/rotation/scale). 2) Proposed a new hybrid algorithm for invariance and improved classification performance in image recognition, whose algorithm is combined by FT (Frequency-tuned Salient Region Detection) algorithm, Guided filter, Zernike moments, and a simple artificial neural network (Multi-layer Perceptron). The conventional FT algorithm is used to extract the initial salient object image, guide filtering to preserve edge details, Zernike moments to solve invariance problems, and a classification to recognize the extracted image. A guided filter is used for guided filtering, and Multi-layer Perceptron, a simple artificial neural network is introduced for classification. Experimental results show that this algorithm can achieve superior performance in the process of extracting salient object images and invariant moment features. And the results show that the algorithm can also classify the extracted object image with an improved recognition rate. 마이크로일렉트로닉스와 컴퓨터 기술의 급속한 발전으로 이미지 인식은 컴퓨터 비전에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다. 이미지 인식은 많은 분야에서 광범위한 관심을 받았으며 특히 로봇 공학에서 과학 연구 및 생산과 같은 많은 분야에서 널리 사용되어 왔다. 이미지 인식이 제기하는 문제는 주로 컴퓨터를 사용하여 이미지를 처리, 분석 및 이해하여 다양한 모드에서 다양한 대상과 물체를 인식함으로써 인간의 두뇌 작업을 부분적으로 대체하는 기술을 연구하는 것이다. 이미지를 얻는 과정에서 물체 이미징은 관찰 각도, 카메라의 내부 및 외부 매개 변수, 다른 관찰 각도에서 얻은 이미지와 동일한 물체, 카메라의 다른 내부 및 외부 매개 변수의 영향을 받기 때문에 기하학적(이동, 회전, 축척) 분산이 있다. 이미지 타겟의 기하학적 분산의 경우 타겟을 정확히 인식하는 방법은 이미지 인식 분야에서 매우 중요하다. 전통적인 기하 불변 이미지 인식 기술은 주로 기하 불변 특징 통계 및 심층 신경망 이미지 인식 방법을 기반으로 이루어진다. 기하학적으로 불변하는 특징 통계 방법은 대규모 계산을 기반으로 하며, 정확한 인식률과 계산량 사이에는 비례관계가 있다. 심층신경망 인식방법은 주로 심층 네트워크 구조를 개선하여 기하 불변성 인식을 구현하며 그 설계가 비교적 복잡하다. 본 논문에서는 기하학적 불변성을 갖는 패턴을 인식하는 데 초점을 두고 기존의 영상처리 방법과 신경망 모델을 결합한 하이브리드 기법과 알고리즘을 제시한다. 즉 기존의 방식들에 대한 심층 연구를 수행하고 각각의 특성을 결합하여 영상을 분류하고 아울러 인식률 향상을 도모하고자 한다. 본 논문의 주요 업무와 기여는 다음과 같다. 1) 단일 배경에서 기하학적 불변성을 갖는 이미지 인식을 위한 PCA 기반 이미지 처리 기법을 제안한다. 알고리즘은 문자 감지/분할, 문자 방향 수정 및 문자 분리/크기 정규화의 4가지 모듈로 구성된다. 첫 번째 모듈은 텍스트 영역을 감지하고 텍스트를 잘라 텍스트 이미지를 얻을 수 있다. 두 번째는 PCA 기법을 사용하여 문자/텍스트 방향을 가로 방향으로 수정하는 작업이다. 그리고 세 번째는 표준 크기의 문자를 얻기 위해 scale normalization을 수행한다. 마지막은 다층구조 퍼셉트론(Multi-layer Perceptron) 신경망을 사용하여 이미지를 인식하는 것이다. 실험 결과, 제안한 기법에 의한 임의의 크기와 방향성이 있는 문자가 잘 보정되었으며, 문자의 기하학적 변화(이동/회전/축척)에 따라 정확한 인식률이 약 99%에 달하는 것으로 나타났다. 2) FT(Frequency-tuned Salient Region Detection) 알고리즘, 가이드 필터, Zernike 모멘트 및 다층구조 퍼셉트론 신경망으로 구성된 영상인식용 하이브리드 알고리즘을 제안한다. 기존의 FT 알고리즘은 초기 돌출 객체 이미지를 추출하고, 가장자리 세부 사항을 보존하기 위한 가이드 필터링, 불변 문제를 해결하기 위한 Zernike 모멘트 적용, 추출된 이미지를 인식하기 위한 다층구조 신경망에 의한 분류를 수행한다. 가이드 필터링은 가이드 필터를 사용하고, 분류를 위해 다층구조 퍼셉트론을 도입했다. 실험결과, 이 알고리즘은 현저한 객체 이미지와 불변 모멘트 특징을 추출하는 과정에서 우수한 성능을 얻을 수 있음을 보여준다. 제안된 기법 및 알고기존의 다층구조 인공신경망, 기존 영상처리 알고리즘, 기하 불변성 수학 기법 등과 결합한 새로운 알고리즘으로 기하학적 보정이 가능하여 이미지 인식률을 향상시킬 수 있다. 제안된 기법과 알고리즘은 기존의 딥러닝 신경망이 갖는 지나치게 긴 학습시간을 극복할 수 있는 하나의 대안이라 할 수 있다.

Optical design and construction of miniaturized parallel guided mode resonance measurement system for label-free biosensor

조익현 Graduate School, Yonsei University 2009 국내석사