With the recent comeback of three-dimensional (3D) movies to the cinemas, there have been increasing efforts to spread the commercial success of 3D to new markets. The possibility of a 3D experience at home, such as three-dimensional television (3DTV), has generated a great deal of interest within the research and standardization community. A central issue for 3DTV is the creation and representation of 3D content. Scene depth information plays a crucial role in all parts of the distribution chain from content capture via transmission to the actual 3D display. This depth information is transmitted in the form of depth maps and is accompanied by corresponding video frames, i.e. for Depth Image Based Rendering (DIBR) view synthesis. Nonetheless, scenarios do exist for which the original spatial resolutions of depth maps and video frames do not match, e.g. sensor driven depth capture or asymmetric 3D video coding. This resolution discrepancy is a problem, since DIBR requires accordance between the video frame and depth map. A considerable amount of research has been conducted into ways to match low-resolution depth maps to high resolution video frames. Many proposed solutions utilize corresponding texture information in the upscaling process, however they mostly fail to review this information for validity. In the strive for better 3DTV quality, this thesis presents the Edge-Weighted Optimization Concept (EWOC), a novel texture-guided depth upscaling application that addresses the lack of information validation. EWOC uses edge information from video frames as guidance in the depth upscaling process and, additionally, confirms this information based on the original low resolution depth. Over the course of four publications, EWOC is applied in 3D content creation and distribution. Various guidance sources, such as different color spaces or texture pre-processing, are investigated. An alternative depth compression scheme, based on depth map upscaling, is proposed and extensions for increased visual quality and computational performance are presented in this thesis. EWOC was evaluated and compared with competing approaches, with the main focus was consistently on the visual quality of rendered 3D views. The results show an increase in both objective and subjective visual quality to state-of-the-art depth map upscaling methods. This quality gain motivates the choice of EWOC in applications affected by low resolution depth. In the end, EWOC can improve 3D content generation and distribution, enhancing the 3D experience to boost the commercial success of 3DTV.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Carlos A. Trallero / Ultra-fast spectroscopy has become a common tool for understanding the structure and dynamics of atoms and molecules, as evidenced by the award of the 1999 Nobel Prize in Chemistry to Ahmed H. Zewail for his pioneering work in femtochemistry. The use of shorter and more energetic laser pulses have given rise to high intensity table-top light sources in the visible and infrared which have pushed spectroscopic measurements of atomic and molecular systems into the strong-field limit. Within this limit, there are unique phenomena that are still not well understood. Many of such phenomena involve a photoionization step. For three decades, there has been a steady investigation of the single ionization of atomic systems in the strong-field regime both experimentally and theoretically. The investigation of the ionization of more complex molecular systems is of great interest presently and will help with the understanding of ultra-fast spectroscopy as a whole. In this thesis, we explore the single ionization of molecules in the presence of a strong electric field. In particular, we study molecular isomer pairs, molecules that are the same elementally, but different structurally. The main goal of this work is to compare the ionization yields of these similar molecular pairs as a function of intensity and gain some insight into what differences caused by their structure contribute to how they ionize in the strong-field limit. Through our studies we explore a wavelength dependence of the photoionization yield in order to move from the multi-photon regime of ionization to the tunneling regime with increasing wavelength. Also, in contrast to our strong-field studies, we investigate isomeric molecules in the weak-field limit through single photon absorption by measuring the total ionization yield as a function of photon energy. Our findings shed light on the complexities of photoionization in both the strong- and weak-field limits and will serve as examples for the continued understanding of single ionization both experimentally and theoretically.

L’IRM à ultra haut champ (UHC) donne accès à une résolution spatiale submillimétrique rendant possible la visualisation de structures plus fines qu’en IRM classique. Depuis quelques années, son potentiel s’est développé dans des laboratoires tels que NeuroSpin, au sein du CEA, qui a l’ambition d’étudier l’anatomie et le fonctionnement du cerveau à une échelle mésoscopique. Toutefois, pour des champs magnétiques supérieurs à 3T, le champ radiofréquence (RF) permettant d’exciter les protons de l’eau a une longueur d’onde inférieure à la dimension de la tête humaine, provoquant des phénomènes d’interférences destructives dans le cerveau. Ceux-ci s’accentuent avec l’augmentation du champ statique, engendrant sur les images des inhomogénéités de signal ou de contraste, qui empêchent d’exploiter tout le potentiel de l’imagerie UHC. Pour améliorer la pertinence des diagnostics cliniques, à défaut de pouvoir homogénéiser le champ RF dans tout le cerveau, il est essentiel de réussir à uniformiser l’excitation des spins. Dans ce but, un système de transmission parallèle (pTx) à 8 canaux a été intégré à l’imageur 7T du laboratoire. Il permet d’émettre sur chaque canal des formes d’impulsions RF différentes, à optimiser pour faire interférer le champ RF produit dans le cerveau de manière plus contrôlée que dans le mode classique à un seul canal d’émission. Ces travaux de thèse consistent à mettre au point des impulsions RF utilisant la pTx pour sélectionner des tranches d’excitation uniforme, et à les appliquer à l’angiographie du cerveau humain à 7T. A UHC, la méthode la plus courante pour homogénéiser l’angle de bascule de l’aimantation dans une coupe consiste à générer consécutivement plusieurs impulsions sélectives optimisées, appelées « spokes », à différentes positions du plan transverse à la coupe dans l’espace de Fourier de transmission. Si elle convient pour uniformiser l’excitation dans le plan de coupe, cette méthode est moins performante pour la sélection de larges tranches car les inhomogénéités de champ RF ne sont alors pas prises en compte dans l’épaisseur de tranche. Ainsi, dans un premier temps, deux méthodes originales de conception d’impulsions RF sélectives sont introduites et explorées pour uniformiser l’excitation de larges tranches : celle des « kT-spokes » qui optimise le placement des spokes dans les 3 dimensions de l’espace de Fourier de transmission, et celle des « spokes 3D » qui génère des impulsions RF optimisées point par point dans le temps. Ces techniques ont été validées avec succès sur des fantômes à 7T et ont permis de surpasser l’état de l’art en termes d’homogénéisation de l’angle de bascule pour la sélection de larges tranches. Dans un deuxième temps, ces méthodes ont été appliquées à la séquence d’angiographie 3D en temps de vol afin d’améliorer la visualisation du réseau artériel dans le cerveau humain à 7T. Cependant, lorsque les tranches sélectionnées sont larges, cette séquence est aussi sensible aux effets de saturation du sang qui empêchent d’apprécier la totalité du réseau artériel avec les profils de tranche d’angles de bascule plats habituels. Pour corriger ce phénomène, les impulsions RF à rampes sont proposées dans l’état de l’art, générant des profils d’angle de bascule qui augmentent avec l’épaisseur de la tranche. Les méthodes de conception d’impulsions RF développées ici ont ainsi été adaptées pour générer ce type de profils et permettre de compenser la saturation du sang avec succès dans les acquisitions à 7T. Ces travaux de thèse ont permis d’ouvrir la voie à une nouvelle application à NeuroSpin puisque l’angiographie n’y avait pas encore été explorée malgré le fort potentiel des UHC pour cette modalité. En outre, les méthodes développées au cours de ces travaux permettent l’excitation simultanée de tranches homogènes, constituant ainsi une perspective prometteuse pour accélérer les acquisitions et repousser les limites de résolution spatiale de l’angiographie en temps de vol à 7T. / Ultra-high field (UHF) MRI allows submillimetric spatial resolution in order to depict finer structures compared to conventional MRI. In recent years, the UHF potential has been explored in laboratories such as NeuroSpin, at Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA), to study brain anatomy and function at a mesoscopic scale. However, for high magnetic field strengths (> 3 Tesla), the radiofrequency (RF) field required to excite the water protons has a wavelength shorter than the size of the human head, causing destructive interferences in the brain. These increase with the static field strength leading to signal or contrast inhomogeneity artefacts on brain images, hindering the UHF benefits. However, failing to homogenize the RF field produced in the brain does not preclude from homogenizing the spin excitation to improve image quality and perform better clinical diagnosis. For this purpose, NeuroSpin’s 7T scanner has been equipped with an 8-channel parallel transmission system allowing to transmit independent optimized RF shapes on each channel in order to better control RF field interferences than in conventional single transmit channel. This thesis work focuses on RF pulse design strategies using parallel transmission to select slabs uniformly and on their applications to magnetic resonance angiography (MRA) of the human brain at 7T. In the UHF context, the most common method to homogenize the magnetization flip angle in a slice consists in combining several consecutive optimized selective excitations, so-called “spokes” subpulses, in different locations of the plane transverse to the slice in transmit k-space. Even though this method succeeds in homogenizing the in-plane excitation, its performance is not optimal in large slabs because through-slab RF inhomogeneities are not taken into account. In a first step, two original selective pulse design methods are introduced and explored to homogenize large slab selections: the “kT-spoke” method which optimizes the spoke placements in the three dimensions of the transmit k-space, and the “3D spokes” which consist in optimizing the RF subpulses point by point in time. These methods have been successfully validated in phantoms at 7T and surpassed the state of the art performance in terms of flip angle homogeneity in large slab selections. In a second step, these methods are applied to 3D Time-Of-Flight (TOF) MR angiography to improve the visualization of the arterial network in the human brain at 7T. As most MRI sequences, TOF is particularly sensitive to RF field heterogeneities. Moreover, for large uniform slab excitation, blood saturation effects prevent the depiction of the arterial network before slab exit. To correct for these effects, ramp RF pulses are proposed in the state-of-the-art, generating ascending flip angle profiles through the slab. The RF pulse design methods developed hereby were adapted to generate these profiles, successfully compensating blood saturation in 7T acquisitions. This work paves the way to a new clinical application at NeuroSpin, where MR angiography had not been explored yet, despite the high benefit of UHF for this modality. In addition, the methods developed hereby were also adapted for simultaneous multi-slice excitations. This allows promising perspectives to accelerate acquisitions and push further away the limits of TOF angiography in terms of spatial resolution.

In first chapter I introduce with aim of diploma work and in second chapter with principles distance measuring in robotic. After it in next chapter I describe used distance sensor, his principle and characteristics. In fourth chapter I describe control and parts mechanics shoulders. The fifth chapter describes program, which control mechanics shoulders by the 32bits microcontroller Freescale. At last sixth chapter gained data are modified and resulting imagery in 2D and in 3D.

In the present work, the abnormal glow discharge at atmospheric pressure was generated in the nitrogen-methane (1 to 5 %) gaseous mixtures related to the atmosphere of Titan. The discharge itself was monitored by optical emission spectrometry that confirmed presence of active nitrogen species and various radicals formed from methane. Besides them, the CN spectral bands were observed. Intensities of all light emitting species were studied in the dependence on applied power and composition of nitrogen-methane mixture. The rotational temperature of about 2000 K was calculated from the second positive nitrogen system. The vibrational temperature also obtained from neutral nitrogen molecule increased nearly directly with methane from 3000 K (1 % CH4) to 3600 K (5 % CH4). In the contrary, vibrational temperature obtained from nitrogen molecular ion decreased with methane in the gaseous mixture and increased with applied discharge power from 3700 K to 4200 K. The same trend showed the vibrational temperature calculated from violet system of CN with value from 4600 K to 5800 K. The stable discharge products were analysed by proton transfer time of flight mass spectrometry of the exhausting gas. Presence of many aliphatic and some aromatic hydrocarbons was confirmed as well as quite a lot of amino and cyano compounds. Increasing concentrations of methane have produced more substances with higher molecular weight and less simple substances that were likely to be consumed on more complex substances. Their relative intensities were determined under the same conditions as optical emission spectra were collected.

Dans cette thèse, nous présentons la conception et l’étude de performance d’un tomographe par émission de positrons (TEP) corps entier utilisant la radiation Cherenkov avec capacité de temps-de-vol (projet PECHE). Nos résultats et les conclusions sont basés sur la simulation GATE pour la configuration du scanner suivante: cristal de fluorure de plomb attaché à un photomultiplicateur à micro-canaux. C’est un cristal de haute densité, transparent pour les photons ultraviolet, et possède la fraction photoélectrique la plus élevé de 46%. Le photomultiplicateur choisi est un détecteur de grande taille, rapide et pixélisé avec une efficacité quantique raisonnable, de 25% à une longueur d'onde de 400 nm. Grâce à ces propriétés, il est possible d’envisager un détecteur efficace de gamma de 511 keV avec une épaisseur de cristal de 10 mm (une longueur d'interaction) et donc de minimiser la longueur et dispersion des trajectoires de photons, résultant à une résolution temporelle optimisée. Nous avons étudié les configurations différentes de détecteur élémentaire tels que le cristal avec les épaisseurs de 10 et 20 mm, le diamètre de l'anneau de détection de 80 et 90 cm, diverses options de le revêtement de cristal (noir, blanc diffus et poli) et deux interfaces optiques (collage moléculaire et assemblage conventionnel avec un gel optique). Pour une configuration optimale, nous avons choisi un scanner TEP à trois anneaux avec un diamètre de l'anneau de 80 cm, cristal de 10 mm d'épaisseur, et un blindage en plomb. Le collage moléculaire donne une meilleure photo-collection comparée à configuration avec un gel optique. Nous avons estimé le potentiel du scanner envisagé en utilisant les tests recommandés par la norme NEMA NU 2-2012. En particulier, nous avons évalué le taux de comptage de bruit équivalent (NECR), la résolution spatiale, coefficients de recouvrement de contraste de l'image et la variabilité de bruit de fond pour le fantôme de qualité d’image. La reconstruction des images est faite en utilisant l'algorithme itératif temps-de-vol implémenté dans la plate-forme de reconstruction « open source » CASToR récemment développée. Nous avons conclu qu’un scanner corps entier utilisant la lumière Cherenkov pourrait atteindre des performances comparables à celles d'un tomographe classique à scintillation grâce à son excellente résolution temps-de-vol. L'utilisation du rayonnement Cherenkov permet d'atteindre une résolution en temps-de-vol encore meilleure. Il est limité actuellement par la dispersion de temps de transit des photomultiplicateurs existants, un faible nombre de photons optiques détectés et une efficacité de collecte de photons dans un cristal limitée. Les limitations physiques identifiées dans cette étude seront abordées dans le développement du futur photodétecteur amélioré utilisant le radiateur PbWO₄, qui permet de concevoir un scanner TEP corps entier avec une excellente performance temps-de-vols. / In this thesis we present the conception and performance studies of the foreseen Cherenkov whole-body positron emission scanner with time-of-flight potential (PECHE project). Our results and conclusions are based on the GATE simulation for following scanner configurations: lead fluoride crystal coupled with micro-channel-plate photomultiplier. This crystal is characterized by high density, transparency for photons in ultraviolet region, and one of the highest photoelectric fraction of about 46%. The chosen photomultiplier is fast, pixelized detector of a large size with a reasonable quantum efficiency, of 25% for 400 nm photon wavelength. Due to these properties, it is possible to create an efficient 511-keV gamma detector with a crystal thickness of the order of 10 mm(one interaction length) and hence minimize the length and dispersion of the photon trajectories, leading to better time resolution. We considered different configurations of the elementary detectors such as crystal thicknesses of 10 and 20 mm, the detector ring diameter of 80 and 90 cm, various options of the crystal coating (black, diffuse white and polished) and two optical interfaces (molecular bonding and conventional assembling with an optical gel). As an optimal configuration we chose a three-ring pet scanner with diameter of the ring 80 cm, 10 mm-thick crystal, protected with lead shielding. Molecular bonding gives better photo-collection if compare with configuration with optical gel. We estimated the potential of the foreseen scanner following the prescription of the NEMA NU 2-2012 standard. In particular, we evaluated the noise equivalent count rate (NECR), spatial resolution, image contrast recovery coefficients versus background variability for the NEMA image quality phantom. Reconstruction of images is done using iterative TOF algorithm implemented in the recently developed open source reconstruction platform CASToR. We concluded that due to an excellent TOF resolution a crystal-based Cherenkov whole-body scanner could achieve performances comparable with a conventional, scintillation-based tomograph. The use of the Cherenkov radiation allows to achieve even much better TOF resolution, but currently it is limited by the transit time spread of the existing photomultipliers, a low number of the detected optical photons, and a limited photon collection efficiency in a crystal. Limitations identified in this study will be addressed in the future development of the improved photodetector using the PbWO₄ radiator, which allows to conceive a whole-body PET scanner with an excellent TOF performance.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第23312号 / 情博第748号 / 新制||情||128(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科知能情報学専攻 / (主査)准教授 飯山 将晃, 教授 西野 恒, 教授 中村 裕一, 教授 美濃 導彦(京都大学 名誉教授) / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21001号 / 医博第4347号 / 新制||医||1027(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 溝脇 尚志, 教授 辻川 明孝, 教授 小泉 昭夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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In zukünftigen kerntechnischen Anlagen können die Materialien Blei und Bismut eine größere Rolle spielen als heute. Für die Planung dieser Anlagen werden verlässliche Wirkungsquerschnittsdaten benötigt. Insbesondere der Neutronentransport in einem Blei-Spallationstarget eines beschleunigergetriebenen unterkritischen Reaktors hängt stark von den inelastischen Streuquerschnitten im Energiebereich von 0,5 MeV bis 6 MeV ab. In den vergangenen 20 Jahren wurden elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte mit hoher Präzision für eine Vielzahl von Elementen am PTB-Flugzeitspektrometer gemessen. Zur Erzeugung der Neutronen wurde hauptsächlich die D(d,n)-Reaktion genutzt. Aufgrund des Q-Wertes der Reaktion und der verfügbaren Deuteronenenergien können Neutronen im Energiebereich von 6 MeV bis 16 MeV erzeugt werden. Die Messung von Wirkungsquerschnitten bei niedrigeren Energien erfordert somit die Verwendung einer anderen neutronenerzeugenden Reaktion. Hierfür wurde die 15N(p,n)15O-Reaktion ausgewählt, da sie die Erzeugung monoenergetischer Neutronen bis zu einer Energie von 5,7 MeV erlaubt. In dieser Arbeit wird die 15N(p,n)-Reaktion auf ihre Eignung als Quelle monoenergetischer Neutronen in Streuexperimenten untersucht. Die Untersuchung der Reaktion beinhaltet die Messung von differentiellen Wirkungsquerschnitten für ausgewählte Energien und die Auswahl von optimalen Targetbedingungen. Differentielle elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte wurden unter Anwendung der Flugzeitmethode für Blei bei vier Energien zwischen 2 MeV und 4 MeV gemessen. Eine Bleiprobe mit natürlicher Isotopenzusammensetzung wurde verwendet. Für den Nachweis der gestreuten Neutronen wurden NE213 Flüssigszintillatoren verwendet, deren Nachweiswahrscheinlichkeit gut bekannt ist. Winkelintegrierte Wirkungsquerschnitte wurden mit einem Legendre-Polynomfit unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Zusätzlich erfolgten Messungen für die isotopenreinen Streuproben 209Bi und 181Ta bei 4 MeV Neutronenenergie. Die Ergebnisse werden mit denen früherer Experimente und aktuellen Evaluationen verglichen. / In future nuclear facilities, the materials lead and bismuth can play a more important role than in today’s nuclear reactors. Reliable cross section data are required for the design of those facilities. In particular the neutron transport in the lead spallation target of an Accelerator-Driven Subcritical Reactor strongly depends on the inelastic neutron scattering cross sections in the energy region from 0.5MeV to 6 MeV. In the recent 20 years, elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured with high precision for a variety of elements at the PTB time-of-flight spectrometer. The D(d,n) reaction was primarily used for the production of neutrons. Because of the Q value of the reaction and the available deuteron energies, neutrons in the energy range from 6MeV to 16MeV can be produced. For the cross section measurement at lower energies, however, another neutron producing reaction is required. The 15N(p,n)15O reaction was chosen, as it allows the production of monoenergetic neutrons with up to 5.7MeV energy. In this work, the 15N(p,n) reaction was studied with focus on the suitability as a source for monoenergetic neutrons in scattering experiments. This includes the measurement of differential cross sections for the neutron producing reaction and the choice of optimum target conditions. Differential elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured for lead at four energies in the region from 2MeV to 4MeV incident neutron energy using the time-offlight technique. A lead sample with natural isotopic composition was used. NE213 liquid scintillation detectors with well-known detection efficiencies were used for the detection of the scattered neutrons. Angle-integrated cross sections were determined by a Legendre polynomial expansion using least-squares methods. Additionally, measurements were carried out for isotopically pure 209Bi and 181Ta samples at 4MeV incident neutron energy. Results are compared with other measurements and recent evaluations.