Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υλοποίηση ενός αποτελεσματικού αλγορίθμου ικανού να επεξεργάζεται οποιεσδήποτε βιοψίες κυττάρων που εμπεριέχουν κακοήθεις νεοπλασίες και να τις αναγνωρίζει. Η επεξεργασία γίνεται κυρίως χρησιμοποιώντας τις χρωματικές ιδιότητες των υπό εξέταση εικόνων. Το αρχικό δείγμα διέρχεται από αρκετά στάδια επεξεργασίας κατά τα οποία αλλάζει τόσο η μορφή του όσο και η χρωματική του δομή. Αρχικός σκοπός είναι η μετατροπή της αρχικής εικόνας σε μορφή που θα επιτρέπει με σαφήνεια την επεξεργασία της. Ο αλγόριθμος που υλοποιήθηκε είναι φιλικός προς τον χρήστη και δίνει την δυνατότητα σε κάθε βήμα να επιλέγει οποιαδήποτε τιμή της παραμέτρου εάν δεν επιθυμεί να ακολουθήσει τις προεπιλεγμένες τιμές. / Aim of present diplomatic work is the implementation of a robust algorithm capable to process any pigmentation biopsies of cells that include malignant neoplasm and finally to recognize them. The process mainly takes place by using the chromatic attributes of the pictures. The initial sample goes through from enough stages at which stage we change both the form and the chromatic structure. Initial aim is the transformation of the initial picture in a form that will allow with clarity the process. The algorithm that was implemented is friendly to the user and it gives the possibility in each step of selecting any price of parameter or if it does not wish it to follow the preselected prices.

Ο τομέας της ψηφιακής φωτογράφισης εξελίσσεται διαρκώς. Το γεγονός αυτό, καθιστά τη ψηφιακή φωτογραφία χρήσιμο εργαλείο για διάφορες επιστημονικές και όχι μόνο εφαρμογές. Για αυτό τον λόγο, γίνεται απαραίτητη η λεπτομερέστερη αποτύπωση της πληροφορίας. Η λεπτομερέστερη αποτύπωση της πληροφορίας αποτελεί αντικείμενο της εικονοποίησης υψηλής δυναμικής περιοχής(High Dynamic Range Imaging). Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της εικονοποίησης υψηλής δυναμικής περιοχής και η υλοποίηση ενός αλγορίθμου, κάνοντας χρήση πολλαπλών λήψεων για την παραγωγή τελικής εικόνας με διευρυμένη δυναμική περιοχή. / The field of digital photography is constantly evolving. In fact, this makes digital photography a useful tool in various scientific applications. For this reason, a more detailed presentation of information is needed. The detailed presentation of information is the subject of high dynamic range (High Dynamic Range Imaging). The purpose of this thesis is to study the field of high dynamic range imaging and the implementation of an algorithm, making use of multiple shots to produce a final image with extended dynamic range.

Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε σε αποκλειστική συνεργασία του φοιτητή Αθανάσιου Μιχαήλ και του επίκουρου καθηγητή Ευάγγελου Δερματά του πανεπιστημίου Πατρών. Το θέμα αποφασίστηκε από κοινού των προαναφερόμενων προσώπων, στα πλαίσια των προπτυχιακών σπουδών του φοιτητή. Οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτό είναι πολλοί. Όχι μόνο η ραγδαία αύξηση των ψυχαγωγικών εφαρμογών που χρησιμοποιούν τρισδιάστατες τεχνικές αλλά και η απόκτηση όλο και μεγαλύτερης σημασίας σε επιστημονικούς τομείς όπως της ιατρικής κίνησαν το ενδιαφέρον του φοιτητή. Επίσης, πρόσφατες χρήσεις σε υποβοηθητικά συστήματα οδηγών όπως στερεοσκοπικές ή κάμερες κοντινού εύρους αλλά και σε βιομηχανικές εφαρμογές με ρομπότ, καθιστούν γενικότερα τον τομέα υπολογιστικής όρασης ιδιαίτερα σπουδαίο. Πολλά προβλήματα απεικόνισης και προσανατολισμού στο χώρο μπορούν να λυθούν με μια χωρική αντίληψη από τον άνθρωπο. Για την αναπαράσταση στις τρεις διαστάσεις θα βασιστούμε στην παθητική στερεοσκόπιση και τη βαθμωτή δομή από κίνηση με Multi-View-Stereo. Στην υπολογιστική όραση η 3D ανακατασκευή είναι η διαδικασία της σύλληψης του σχήματος και της εμφάνισης πραγματικών αντικειμένων. Θα παρουσιαστούν οι διάφορες μέθοδοι εκτίμησης βάθους (ανάκτησης τρίτης διάστασης από δισδιάστατη ψηφιακή εικόνα). Θα δοθεί έμφαση στο γεωμετρικό υπόβαθρο και η παραπομπή σε αρκετές σημαντικές εργασίες όπου αυτό κρίνεται αναγκαίο. Θα αναφερθούμε τόσο στην μοντελοποίηση της κάμερας όσο και στην βαθμονόμησή της, βήμα απαραίτητο για μια ρεαλιστική αναπαράσταση. Στη συνέχεια περνάμε στην ψηφιακή επεξεργασία των εικόνων και την ανάδειξη σημείων ενδιαφέροντος επί αυτών. Ύστερα εξηγούνται οι βασικές αρχές τις επιπολικής γεωμετρίας κι έπειτα δίνεται βαρύτητα στη σθεναρότητα μεθόδων εκτίμησης. Παρουσιάζεται η διόρθωση των εικόνων με αντιπροσωπευτικά πειραματικά αποτελέσματα και τελικά φτάνουμε στην αραιή και πυκνή ανακατασκευή στις τρεις διαστάσεις. Κατά τη διάρκεια διεκπεραίωσης της εργασίας αφιερώθηκε αρκετός χρόνος για το θεωρητικό της μέρος, ώστε ο αναγνώστης να μπορέσει να κατανοήσει εύκολα τις βασικές αρχές και τα βασικά στάδια αναπαράστασης ενός τρισδιάστατου χώρου. Ταυτόχρονα απεικονίζονται γραφικά αποτελέσματα που τεκμηριώνουν τη θεωρία ή οδηγούν σε χρήσιμα συμπεράσματα. / The current thesis has been written in an exclusive collaboration of the student Athanasios Michail and Assistant Professor Evangelos Dermatas of the University of Patras. The subject was decided jointly by the above persons in the context of the undergraduate study. There are many reasons for this decision. Not only the rapidly growth of entertainment applications using three-dimensional techniques but also the acquisition of more and more importance in the science sector, such as medicine, caught the student´s attention. Also, recent usages in Driver Assistance Systems like Stereoscopic or Near Range Cameras and industrial applications with robots, make the general sector of Computer Vision particularly important. Many specific depiction and spatial orientation problems can be solved by the spatial perception by humans. For the representation in three dimensions we will rely on stereoscopic vision and structure from motion in combination with Multi-View-Stereo. In Computer Vision the 3D reconstruction means a process of capturing the shape and appearance of real objects. We will present the various depth estimation methods (third dimension recovery from two-dimensional digital image). Emphasis will be placed at the geometric background and it will be referred to several important works where necessary. Both modeling of a camera and its calibration are mentioned. This is a necessary step for a realistic representation. Then we introduct digital image processing, highlighting the points of interest at captured frames. As a next step, we explain the basic principles of epipolar geometry and emphasize on the robust estimation methods. After we present the chapter of image rectification, we finally reach the dense reconstruction in three dimensions. A lot of time was spent to the theoretical part during this work, so that the reader can easily understand the basic principles and key stages of the representation of three-dimensional space. Simultaneously to this, graphed results are illustrated. They can substantiate the theory or lead to useful conclusions.

Γνωρίζουμε πως στην εποχή που διανύουμε το Διαδίκτυο προσφέρει μια παγκόσμια επικοινωνία δημιουργώντας ταυτόχρονα και μια παγκόσμια οικονομία. Η παροχή δωρεάν υπηρεσιών από αρκετές ιστοσελίδες οδήγησε στη συστηματική κατάχρησή τους με ευνόητο σκοπό το κέρδος. Ως αντίσταση σε αυτή την κακόβουλη νέα πηγή εσόδων για κάποιους, προβάλλονται τα CAPTCHAs. Στόχος τους είναι να εξακριβώσουν αν μία αίτηση σε μία υπηρεσία γίνεται από έναν χρήστη ή από ένα αυτοματοποιημένο πρόγραμμα. Κάθε ιστοσελίδα που δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να δημιουργήσει δικό του περιεχόμενο ή να χρησιμοποιήσει τις υπηρεσίες της οφείλει πλέον να εμπεριέχει CAPTCHAs. Η παρούσα ειδική επιστημονική εργασία έχει ως στόχο τη μελέτη και την ερμηνεία όλων των διαφορετικών ειδών CAPTCHAs που έχουν δημιουργηθεί ώστε να είναι ανθεκτικά στις κακόβουλες προσπάθειες λύσης και εξετάζεται το κατά πόσο αυτό είναι εφικτό. Γίνεται μια προσπάθεια αρχικά να κατανοήσουμε ακριβώς τι είναι τα CAPTCHAs και γιατί η χρήση τους καθίσταται αναγκαία. Αυτό που επίσης θα διερευνηθεί, μέσα από συγκεκριμένες δημοσιεύσεις που έχουν πραγματοποιηθεί, είναι ποιες αρχές πρέπει να διέπουν το σχεδιασμό ενός CAPTCHA. Προκειμένου να συμβεί αυτό θα ανατρέξουμε σε διαφορετικές προσεγγίσεις και αφού τις παρουσιάσουμε γίνεται μια κριτική ανάλυση των μεθόδων της κάθε ερευνητικής ομάδας. / It is fact that in the modern world the Internet offers a global communication while creating a global economy. The provision of free services from several websites has led to this systematic abuse solely for the purpose of making a profit. In order to stem the tide of this malicious new source of income for some, “CAPTCHAs” are employed. Their goal is to determine whether a request to a service is made by a user or by an automated program. Every website that enables the user to create their own content or use its services must now deploy CAPTCHAs. This current special scientific work aims at the study and interpretation of all different kinds of CAPTCHAs created so that they are resistant to malicious efforts of solutions and examines whether this is possible. An attempt is made initially to understand exactly what the “CAPTCHAs” are and why their use is necessary. What will also be explored through specific publications made, is what principles should govern the design of a CAPTCHA. In order to do this we will go back to different approaches and after presenting them, a critical analysis of the methods of each research group will be conducted.

Η επιστημονική κοινότητα τα τελευταία χρόνια και κυρίως μετά το 1970 έχει δείξει τεράστιο ενδιαφέρον για τον τομέα της επεξεργασίας εικόνας και video σε συνδυασμό με τον έλεγχο κλειστού βρόγχου και όλα αυτά σε πραγματικό χρόνο. Γι’ αυτό και η οπτική παρακολούθηση (vision tracking) είναι και μία από τις πιο σημαντικές εφαρμογές στον τομέα του computer vision. Το συγκεκριμένο αντικείμενο [1] αποτελεί πρόκληση για πολλούς, εξαιτίας της μεγάλης δυσκολίας που έγκειται στο γεγονός της παράλληλης αναγνώρισης των κινούμενων στόχων με την ταυτόχρονη κίνηση της camera. Περίτρανη απόδειξη όλων των παραπάνω είναι η μεγάλη ποικιλία των σχετικών άρθρων που έχουν δημοσιευτεί σε διάφορα σχετικά με τον αντικείμενο περιοδικά, βιβλία καθώς και έχουν παρουσιαστεί σε διάφορα συνέδρια. To μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτών των αυτόματων συστημάτων παρακολούθησης (automatic surveillance systems) είναι η πολύ καλή αξιοπιστία και η αποδοτικότητα για παρακολούθηση από απόσταση (long distance surveillance) σε σύγκριση με αυτή που θα παρουσίαζαν εάν στη θέση τους υπήρχε ο ανθρώπινος παράγοντας. Τα συστήματα(3) που χρησιμοποιούνται για παρακολούθηση μπορούν αν περιλαμβάνουν radar, sonars ή ακόμη και lasers. Κύριο μειονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι οι συσκευές σάρωσης που περιλαμβάνουν. Αυτές είναι ενδεχομένως αναξιόπιστες και καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, γεγονός μη επιθυμητό κυρίως σε διαστημικές εφαρμογές. Μία ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση αντί της χρήσης των παραπάνω συσκευών είναι να υιοθετηθούν vision συστήματα, τα οποία παρέχουν ακριβής χρονική και χωρική ανάλυση (spatiotemporal resolution). Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εξομοίωση ενός ελεγκτή ο οποίος έχοντας στην διάθεση του κάθε χρονική στιγμή την θέση του στόχου προς παρακολούθηση στην εικόνα θα θα οδηγεί την κάμερα ετσι ώστε να κρατάει τον στόχο σε μια περιοχή γύρω από το κέντρο της. Μελλοντική εφαρμογή αυτης της διπλωματικής θα μπορούσε να είναι η ενσωμάτωση του συστήματος παρακολούθησης σε ένα σύστημα μονοκατευθυντικών κεραιων έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη επικοινωνία με τα αεροσκάφη. / -

Η ουσιώδης ανάπτυξη που παρουσίασε η μοριακή παθολογία τα τελευταία χρόνια, είναι συνυφασμένη με την ανάπτυξη της microarray τεχνολογίας. Αυτή η τεχνολογία μας παρέχει μια νέα οδό προσπέλασης υψηλής χωρητικότητας τέτοια ώστε: i. να δίνεται η δυνατότητα ανάλυσης μεγάλης κλίμακας της ισοτοπικής αφθονίας του αγγελιοφόρου RNA (mRNA), ως δείκτη γονιδιακών εκφράσεων (cDNA arrays), ii. να ανιχνεύονται πολυμορφισμοί ή μεταλλάξεις μέσα σε έναν πληθυσμό γονιδίων χρησιμοποιώντας ξεχωριστούς nucleotide πολυμορφισμούς (Single Nucleotide Polymorphisms arrays), iii. και για εξέταση «απώλειας» ή «κέρδους», ή αλλαγές στον αριθμό αντιγραφής κάποιου συγκεκριμένου γονιδίου που σχετίζεται με κάποια ασθένεια (CGH arrays). Η τεχνολογία των microarrays είναι ευλογοφανές να εξελιχθεί σε ακρογωνιαίο λίθο της μοριακής έρευνας στα επόμενα χρόνια, και αυτό γιατί DNA microarrays χρησιμοποιούνται για τον ποσοτικό προσδιορισμό δεκάδων χιλιάδων DNA ή RNA ακολουθιών σε μια και μόνο ανάλυση – πείραμα. Από μια σειρά από τέτοια πειράματα, είναι δυνατόν να προσδιορίσουμε τους μηχανισμούς που ελέγχουν την ενεργοποίηση των γονιδίων σε έναν οργανισμό. Ακόμη η χρήση των microarrays για την επισκόπηση γονιδιακών εκφράσεων είναι μια ραγδαία αναπτυσσόμενη τεχνολογία, η οποία μετακινήθηκε από εξειδικευμένα, σε συμβατικά βιολογικά εργαστήρια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία κυρίως, θα αναφερθούμε στα δύο γενικά στάδια της ανάλυσης των microarray εικόνων που μας δίνονται ως απόρρεια των πειραμάτων, που έχουν ως στόχο την εξόρυξη πληροφορίας από αυτές. Τα δύο αυτά στάδια είναι: i. Επεξεργασία εικόνας και εξαγωγή πληροφορίας από αυτήν. ii. Ανάλυση της προκύπτουσας πληροφορίας και αναγνώριση των γονιδιακών εκφράσεων. Όσον αφορά το πρώτο στάδιο θα αναφέρουμε τις βασικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται σήμερα από εμπορικά και εκπαιδευτικά πακέτα λογισμικού, οι οποίες μέθοδοι δίνουν και τα καλύτερα αποτελέσματα μέχρι στιγμής. Για το δεύτερο στάδιο, αφού αναφέρουμε τις πιο σημαντικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται, θα υλοποιήσουμε μια δική μας μέθοδο και θα την συγκρίνουμε με τις υπάρχουσες.

Η διπλωματική εκπονήθηκε με σκοπό τη δημιουργία προγράμματος που θα έχει ως δεδομένο το συμπιεσμένο βίντεο ενός ποδοσφαιρικού αγώνα και θα επιστρέφει σε μορφή βίντεο τα κυριότερα στιγμιότυπα. Ακόμα υλοποιήθηκαν διάφορες εκδοχές εντοπισμού των βασικών στοιχείων ενός ποδοσφαιρικού αγώνα, όπως οι γραμμές του αγωνιστικού χώρου, η θέση της μπάλας στο γήπεδο ο αριθμός και η πυκνότητα των παιχτών εντός του αγωνιστικού χώρου και η ύπαρξη ή μη του τέρματος εντός ενός frame. Πέραν του εντοπισμού της θέσης της μπάλας, δημιουργήθηκαν και προγράμματα για ball tracking (παρακολούθηση τροχιάς της μπάλας) και σε ειδικές περιπτώσεις, όπως για παράδειγμα σε βίντεο που περιέχει παίχτες με άσπρες φανέλες. Το πρόγραμμα εξαγωγής των φάσεων παίρνει τα παραπάνω στοιχεία που έχουν εντοπιστεί, τα επεξεργάζεται και με κατάλληλο συνδυασμό τους εξάγει συμπέρασμα για το πόσο σημαντικό είναι το εκάστοτε στιγμιότυπο. Πρόκειται, στην ουσία, για ένα είδος αυτόματου μοντάζ που βασίζεται στις τεχνικές της επεξεργασίας εικόνας. / Τhe project in question was accomplished to create an algorithm based on the compressed video of a football match and it will be able to replay the most important events of the match. In addition, several versions of locating the basic elements of a football match were produced, such as the lining of the pitch, the position of the ball on the pitch, the number of players and the players’ pixel density as well as the potential existence of the goalpost within a particular frame. Apart from the identification of the ball's position, additional algorithms of ball tracking were created for special cases, such as videos with players wearing white T-shirts. The highlight detection method relies on the appropriate combination of the previously stated elements (i.e. pitch lining, number of players etc.) and it can finally draw a conclusion on the significance of every moment of the match. In summary, this algorithm can be characterized as "automatic montage", based on the premises of image processing.

Η αποφυγή συγκρούσεων με αναγνώριση της θέσης και της σχετικής ταχύτητας προπορευόμενων οχημάτων είναι μια άκρως ενδιαφέρουσα εφαρμογή που βρίσκεται σε πειραματικό στάδιο. Η ύπαρξη πολλαπλών αντικειμένων στο οπτικό πεδίο της κάμερας δημιουργεί προβλήματα στον ακριβή εντοπισμό του προπορευόμενου οχήματος, ενώ η έλλειψη βάσεων δεδομένων με κατηγοριοποιημένα παραδείγματα είναι ένα επιπλέον εμπόδιο για την ανάπτυξη της εφαρμογής αυτής. Στην εργασία αυτή περιγράφονται οι υπάρχουσες εφαρμογές όσον αφορά στο πρόβλημα της μηχανικής όρασης στην αυτοκίνηση, τα προβλήματα που λύνουν αλλά και οι δυσκολίες που συνεχίζουν να υπάρχουν. Αναφέρονται οι αιτίες της έλλειψης βάσεων δεδομένων με κατηγοριοποιημένα παραδείγματα και αναλύεται η ημιαυτόματη μέθοδος (Random Walker) στην οποία καταφεύγουμε για τον λόγο αυτό. Εν συνεχεία θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα της ανάπτυξης σε Matlab που πραγματοποιήθηκε, τα συμπεράσματα που προέκυψαν, αλλά και οι μελλοντικές προκλήσεις. / In this diplom work, the ways followed to deal with the issue of mechanical vision in car driving are described. The reasons why there there are not any specific data sets are decribed and the focus of this work is on the Random Walker algorithm.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, η ανάπτυξη καθώς και η μερική εφαρμογή κάποιων μεθόδων για την ανίχνευση θέσης κάποιου οχήματος. Ιδιαίτερη βάση δόθηκε στη μελέτη και την ανάλυση της οπτικής ροής που θεωρείται βασική συγκριτικά με τις υπόλοιπες μεθόδους.Τέλος αναλύεται και μια μέθοδος κατάτμησης εικόνων. / The goal of this thesis is to study, develop and implement some methods of car detection. Particular emphasis is given to the analysis of optical flow, which is considered to be critical compared to other methods. Finally an analysis of a method for image segmentation is being developed.

Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία υλοποιήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος “Ηλεκτρονική και Η/Υ” του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος βασισμένου σε τεχνολογία FPGA [1-2]. Το σύστημα αυτό έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει εικόνες, και αφού τις επεξεργαστεί κατάλληλα, τις αποθηκεύει στη μνήμη του και στη συνέχεια τις απεικονίζει σε μία LCD οθόνη αφής [3-4,8]. Τέλος, η διαχείριση των λειτουργιών που ενσωματώνει το σύστημα γίνεται μέσω της οθόνης αυτής [5]. Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται σύντομη περιγραφή του συστήματος, της βασικής αναπτυξιακής πλατφόρμας, DE2 της Altera [6], καθώς και του περιβάλλοντος ανάπτυξης Quartus II [12]. Tο δεύτερο κεφάλαιο χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται παρουσίαση της TRDB-D5M CMOS Camera της Altera [9], των γενικών χαρακτηριστικών της και των απαραίτητων καταχωρητών για τη σωστή ρύθμισή της. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η οθόνη TRDB_LTM LCD Touch Panel της Altera [7], η οποία επιλέχθηκε τόσο για την απεικόνιση των εικόνων όσο και για τον έλεγχο του συστήματος μέσω αυτής. Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η πλήρης περιγραφή του συστήματος, που υλοποιήθηκε μέσω της γλώσσας ανάπτυξης υλικού Verilog HDL και ενσωματώθηκε στο FPGA [10-11], με σκοπό τη διαχείριση των δεδομένων που λαμβάνονται από την Camera. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής, τα συμπεράσματα που προέκυψαν, καθώς επίσης και προτάσεις για μελλοντική ανάπτυξη του συστήματος. Τέλος, στο παράρτημα Α παρουσιάζεται ο συνολικός κώδικας που υλοποιήθηκε και ενσωματώθηκε στο FPGA. / The present inquiring master thesis was realized as part of the postgraduate program “Electronics and Computer Science” of the department of Physics of University of Patras. The aim of this master thesis is the development of an FPGA technology based system [1-2] that has the ability to receive images, save them on its memory after appropriate processing and finally project them on an LCD touch panel [3-4,8]. The management of the system operations is realized through this touch panel [5]. Within the first chapter, we briefly describe the system, the basic development board of Altera [6], used to develop it, and finally the environment Quartus II [12]. We separated the second chapter in two parts. The first part presents the TRDB-D5M CMOS Camera of Altera [9], with its basic characteristics and the necessary registers for its appropriate regulation. The second part presents the TRDB-LTM LCD touch panel of Altera [7], which was chosen to portray images and allow the system control. The third chapter describes the system itself, realized in Verilog HDL, and incorporated in the FPGA [10-11], in order to manage the data received by the camera. The fourth chapter presents the results of this master thesis along with important conclusions and suggestions to further research. Finally, in appendix A we present the total code that was realized and incorporated in the FPGA.