Técnicas baseadas na Equação de Fluxo Bem-Balanceada têm sido muitas vezes empregadas como eficientes ferramentas para eliminação de ruídos e preservação de arestas em imagens digitais. Embora efetivas, essas técnicas demandam alto custo computacional. Este trabalho objetiva propor uma técnica baseada na abordagem multigrid para acelerar a solução numérica da Equação de Fluxo Bem-Balanceada. A equação de difusão é resolvida em uma malha grossa e uma correção do erro na malha grossa para as mais finas é aplicada para gerar a solução desejada. A transferência entre malhas grossas e finas é feita pelo filtro de Mitchell, um esquema bem conhecido que é projetado para preservação de arestas. Além disso, a equação do transporte e a Equação do Fluxo de Curvatura são adaptadas à nossa técnica para retoque em imagens e eliminação de ruí?dos. Resultados numéricos são comparados quantitativamente e qualitativamente com outras abordagens, mostrando que o método aqui introduzido produz qualidade de imagens similares com muito menos tempo computacional. / Techniques based on the Well-Balanced Flow Equation have been employed as an efficient tool for edge preserving noise removal. Although effective, this technique demands high computational effort, rendering it not practical in several applications. This work aims at proposing a multigrid-like technique for speeding up the solution of the Well- Balanced Flow equation. In fact, the diffusion equation is solved in a coarse grid and a coarse-to-fine error correction is applied in order to generate the desired solution. The transfer between coarser and finer grids is made by the Mitchell-Filter, a well known interpolation scheme that is designed for preserving edges. Furthermore, the solution of the transport and the Mean Curvature Flow equations is adapted to the multigrid like technique for image inpainting and denoising. Numerical results are compared quantitative and qualitatively with other approaches, showing that our method produces similar image quality with much lower computational time.

Este trabalho tem como objetivo principal verificar se é possível fazer ciência com as observações de objetos extensos que serão realizadas pela missão espacial Gaia. Um dos mais ambiciosos projetos da Astronomia moderna, essa missão observará mais de um bilhão de objetos em todo o céu com precisões inéditas, fornecendo dados astrométricos, fotométricos e espectroscópicos. Naturalmente, devido à sua prioridade astrométrica o Gaia foi optimizado para o estudo de objetos pontuais. Contudo, diversas fontes associadas a emissões extensas serão observadas. Essas emissões podem ter origem intrínseca, como galáxias, ou extrínseca, como projeções de objetos distintos na mesma linha de visada, e deverão ter soluções astrométricas aquém do ideal. Para estudar essas emissões suas imagens bidimensionais devem ser analisadas. Contudo, como o Gaia não obtém tais dados, iniciamos este trabalho verificando se a partir de suas observações unidimensionais seria possível reconstruir imagens de objetos em todo céu. Dessa forma, por um lado, nós estimamos a quantidade de casos sujeitos à presença de emissões extensas extrínsecas, apresentamos um método que desenvolvemos para segregar fontes astronômicas em imagens reconstruídas, e mostramos que sua utilização possibilitará estender o catálogo final de forma confiável em milhões de fontes pontuais, muitas das quais estarão além da magnitude limite do instrumento. Por outro lado, no caso de emissões intrínsecas, primeiro obtivemos uma es- timativa superior para o número de casos que o Gaia poderá observar. Então verificamos que após reconstruções de imagens, os códigos aqui desenvolvidos per- mitirão classificar morfologicamente milhões de galáxias nos tipos precoce/tardio e elíptico/espiral/irregular. Mostramos ainda um método que construímos para realizar a decomposição bojo/disco diretamente a partir das observações unidimensionais do Gaia de forma completamente automática. Finalmente concluímos que sim, é possível aproveitar muitos desses dados que poderiam ser ignorados para fazer ciência. E que salva-los possibilitará tanto a detecção de milhões de objetos além do limite de magnitude do Gaia, quanto estudos da morfologia de milhões de galáxias cujas estruturas podem ser apenas reveladas do espaço ou por meio de óptica adaptativa, expandindo um pouco mais os horizontes dessa já abrangente missão. / Ce travail a comme objectif principal de vérifier s\'il est possible de faire de la science avec les observations d\'objets étendus qui seront réalisées par la mission spatiale Gaia. Cette mission, l\'un des plus ambitieux projets de l\'Astronomie moderne, observera plus d\'un milliard d\'objets dans tout le ciel avec des précisions inédites, fournissant des données astrométriques, photométriques et spectroscopiques. Naturellement, en fonction de sa priorité astrométrique, Gaia a été optimisé pour l\'étude d\'objets ponctuels. Néanmoins, diverses sources associées à des émissions étendues seront observées. Ces émissions peuvent avoir une origine intrinsèque, telles que les galaxies, ou extrinsèque, telles que les projections d\'objets distincts sur la même ligne de visée, et présenteront probablement de solutions astrométriques moins bonnes. Pour étudier ces émissions, leurs images bidimensionnelles doivent être analysées. Néanmoins, comme Gaia ne produit pas de telles données, nous avons commencé ce travail en vérifiant si à partir de ses observations unidimensionnelles il serait possible de reconstruire des images 2D d\'objets dans tout le ciel. Nous avons ainsi estimé la quantité de cas sujets à la présence démissions étendues extrinsèques, et nous avons présenté une méthode que nous avons développée pour analyser leurs images reconstruites. Nous avons montré que l\'utilisation de cette méthode permettra détendre le catalogue final de façon fiable à des millions de sources ponctuelles dont beaucoup dépasseront la magnitude limite de l\'instrument. Dun autre coté, dans le cas démissions intrinsèques, nous avons premièrement obtenu une estimation supérieure du nombre de cas que Gaia pourra observer. Nous avons alors vérifié qu\'après les reconstructions d\'images, les codes que nous avons développés permettront de classifier morphologiquement des millions de galaxies dans les types précoce/tardif et elliptique/spirale/irrégulière. Nous avons de plus présenté une méthode que nous avons développée pour réaliser la décomposition bulbe/disque directement à partir des observations unidimensionnelles de Gaia de façon complètement automatique. Finalement nous avons conclu qu\'il est possible d\'utiliser beaucoup de ces données qui pourraient être ignorées pour faire de la science. Et que le fait de les exploiter permettra aussi bien la détection de millions d\'objets qui dépassent la limite de magnitude de Gaia, que de mener des études sur la morphologie de millions de galaxies dont les structures ne peuvent être révélées qu\'à partir de l\'espace ou au moyen d\'optique adaptative, augmentant un peu plus les horizons de cette mission déjà immense.

CNPq; FUNTEF-PR / Sensores wire-mesh (WMS) são capazes de gerar imagens da seção transversal de escoamentos multifásicos e tem sido amplamente utilizados para investigar fenômenos de escoamentos em plantas piloto. Tais dispositivos são capazes de medir parâmetros de escoamento tais como distribuição da fração de fase (por exemplo fração de gás ou líquido) e visualizar escoamentos multifásicos com alta resolução temporal e espacial. Sendo portanto, uma ferramenta importante para investigações de escoamentos mais detalhadas. No entanto, seu princípio de medição é baseado em eletrodos intrusivos posicionados dentro do tubo onde o escoamento flui. A resolução da imagem gerada pelo sensor é dada pelo número de cruzamentos entre os fios transmissores e receptores. Em muitos processos, no entanto, efeitos de intrusividade de tal sensor pode ser uma limitação no seu uso. Por isso, um número reduzido de fios poderia permitir uma expansão do campo de aplicações do sensor wire-mesh. Por essa razão, o presente trabalho sugere um método de reconstrução de imagem para aumentar a resolução dos dados de um sensor wire-mesh com um número de eletrodos menor que o ótimo. Desta forma, os efeitos de intrusividade no processo investigado poderiam ser reduzidos. O método de reconstrução é baseado em uma abordagem estatística de regularização e é conhecido como Maximum a Posteriori (MAP). Dados de escoamento de um WMS 16x16 são usados para determinar um modelo gaussiano multivariável do escoamento, o qual são empregados como regularização na reconstrução. Uma matriz de sensitividade é estimada pelo método de elementos finitos (FEM) para incorporar o algoritmo MAP. Dados experimentais são usados para validar o método proposto, sendo comparado com interpolação do tipo spline. Resultados experimentais mostram que a reconstrução por MAP possui um desempenho melhor do que interpolação do tipo spline, alcançando desvios de fração de vazio dentro de uma faixa de ± 10% na grande maioria dos pontos de operação. A validação foi executada em um loop de escoamento horizontal água/gás em regime intermitente (golfada). / Wire-mesh sensors (WMS) are able to generate cross-sectional images of multiphase flow and have been widely used to investigate flow phenomena in pilot plant studies. Such devices are able to measure flow parameters such as phase fraction (e.g. gas/liquid fraction) distribution and visualize multiphase flows with high temporal and spatial resolution. Hence, being important tool for detailed flow investigation. However, its sensing principle is based on intrusive electrodes placed inside the pipe where a multiphase flow streams. The image resolution generated by the sensor is given by the number of crossing points formed by the transmitter and receptor wires. In many processes, however, the intrusive effect of such sensor might be a limitation on its use. Therefore, a reduced number of wires could possibly increase the application field of wire-mesh sensors. For this reason, the present work presents an image reconstruction method to increase resolution of WMS data with less than optimal number of electrode wires. In this way, a reduction of intrusive effects on the process under investigation may be achieved. The reconstruction method is based on statistical view of regularization and is known as Maximum a Posterior (MAP). 16x16 WMS flow data are used to determine a Multivariate Gaussian flow model, which in turn is used as regularization in the reconstruction. A sensitive matrix is estimated by finite element method (FEM) to incorporate MAP algorithm. Experimental data are used to validate the proposed method, which is compared with spline interpolation. Experimental results show that the MAP reconstruction performs better than interpolation and achieves deviation in gas void fraction estimation in the range of ±10% in the vast majority of operating points. The tests were performed in a horizontal water-gas flow loop operating at intermittent (slug) flow regime.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) / Os sistemas de ultrassom para imagens médicas sempre estão em evolução. Na área de imagem Doppler, em que se pode observar o movimento do objeto, principalmente o fluxo sanguíneo, encontram-se algumas técnicas para obtenção de melhor qualidade de imagem. Os principais problemas da técnica Doppler são a complexidade e a quantidade de dados a serem processados para a formação das imagens. Este trabalho buscou avaliar dois métodos para processamento de imagens Doppler. Inicialmente, foram realizados estudos com o beamforming tradicional gerado pela plataforma de pesquisas ULTRA-ORS no laboratório de ultrassom. Após, foram realizados estudos com o equipamento Verasonics Vantage™ utilizando geração de onda de ultrassom planas, plane-wave, com um transdutor linear modelo L11-4v de 128 elementos. Os phantoms utilizados foram o CIRS Doppler String Phantom model 043 e o Doppler Flow Phantoms & Pumping Systems da ATS. Foram implementados algoritmos para reconstrução das imagens em modo B no Matlab® utilizando os métodos delay-and-sum e f-k migration, com a geração de imagens Doppler colorido e Power Doppler. Os dados para geração de imagem modo B com plane-wave foram adquiridos com variação de 1 a 75 ângulos, na faixa entre -8,88° e 8,88°, com passo de 0,24°. Os resultados obtidos com o f-k migration apresentaram maior resolução, com erros de 1,0 % e 0,8 % para as resoluções lateral e axial, respectivamente, enquanto o método DAS apresentou erros de 12,0 % para resolução lateral e 10,0 % para resolução axial. Para geração das imagens Doppler com plane-wave os dados foram adquiridos com variação de 1 a 21 ângulos, na faixa entre -15,0° e 15,0°, com passo de 1,5°. A estimação da velocidade através da técnica Doppler apresentou melhores resultados utilizando-se o método DAS, com erro de 8,3 %, enquanto o método f-k migration apresentou erro de 16,6 %. Analisando-se os resultados obtidos, foi possível verificar que a técnica plane-wave permite a geração de imagens com maior taxa de quadros por segundo do que os métodos tradicionais. Também pode se observar que o método f-k migration gera imagens de maior qualidade com menor número de ângulos de aquisição, cerca de 9 ângulos, porém possui pior desempenho para geração de imagens Doppler quando comparado ao DAS. / The medical ultrasound equipment is always evolving. In the field of Doppler imaging, which object movement and mainly blood flow of vessels can be measured, there are some techniques to improve image quality. The main problems of the Doppler technique are the complexity and the amount of data to be processed for the image reconstruction. The aim of this work was to evaluate two methods for Doppler images processing. Initially, studies were carried out with the traditional beamforming technique, generated by the research platform ULTRA-ORS in the ultrasound laboratory. Then, with the Verasonics Vantage™ equipment, it was generated ultrasound plane waves with a linear transducer L11-4v of 128 elements. Two Doppler phantoms were used, the CIRS Doppler String Phantom model 043 and the Doppler Flow Phantoms & Pumping Systems from ATS. Algorithms for B mode image reconstruction were developed in Matlab® using the methods Delay-and-Sum and f-k Migration to generate Color Doppler and Power Doppler images. The B mode images with plane-wave were generated from the data acquired with 1 to 75 angles, ranging from -8.88° to 8.88° and 0.24º step. The f-k migration’s results presented higher resolutions than DAS method, with errors of 1.0 % and 0.8 % for lateral and axial resolutions, respectively, while the DAS method presented errors of 12.0 % for lateral resolution and 10.0 % for axial resolution. The data for color Doppler images with plane-wave generation were acquired with 1 to 21 angles, ranging from -15.0° to 15.0°and 1.5° step. The Doppler velocity estimation using the DAS method showed better results (error of 8.3 %) than the f-k migration (error of 16.6 %). Analyzing the obtained results, it was possible to see that the plane wave imaging technique allows the improvement of the frame-rate, being faster than traditional methods. Additionally, it was verified that f-k migration method produces images with better quality using less steering angles, approximately 9 angles, but it shows worse performance when generating Doppler images.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-08-07T19:46:16Z No. of bitstreams: 1 IANNA DUARTE KOBAYASHI DE SOUZA - DISSERTAÇÃO PPGCC 2012..PDF: 9922437 bytes, checksum: d5cbecd7f839d5802dab4ed420e1665b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-07T19:46:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 IANNA DUARTE KOBAYASHI DE SOUZA - DISSERTAÇÃO PPGCC 2012..PDF: 9922437 bytes, checksum: d5cbecd7f839d5802dab4ed420e1665b (MD5) Previous issue date: 2012-02-29 / O crescimento da incidência da doença arterial coronariana, que atinge parte da população mundial, tem intensificado avanços na área da medicina nuclear, como forma de prevenção e de diagnóstico dessa doença. A cintilografia do miocárdio com técnica SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), associada ao eletrocardiograma, permite a avaliação tanto da funcionalidade quanto da perfusão do músculo cardíaco. Este estudo tem como objetivo principal aplicar técnicas de processamento digital de imagens para segmentar e reorientar automaticamente as imagens 3D de pacientes doentes, geradas por uma gamma camera. Os resultados obtidos foram comparados com os resultados produzidos pela técnica manual e comprovaram a eficácia do método automático proposto. / The increase in incidence of coronary artery disease, which affects part of the world population, has intensified advances in nuclear medicine as a means of prevention and diagnosis of this disease. The myocardial scintigraphy technique SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), associated with the electrocardiogram, enables evaluating both function and perfusion of the heart muscle. The main objective of this study is to apply techniques of digital image processing to segment and reorient automatically the 3D images of sick patients, generated by a gamma camera. The results obtained were compared to those ones produced by a manual technique and the effectiveness of the proposed automatic method was confirmed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A Tomografia de Processos é uma importante ferramenta para diversos setores da indústria. Tal importância vem da necessidade de obter informações sobre determinada propriedade física em regiões de complicado acesso, por exemplo, o interior de um duto. A tomografia é uma ferramenta muito versátil, podendo ser adaptada para investigar diversas propriedades físicas. Entre as diversas modalidades tomográficas está a elétrica, conhecida como Tomografia de Impedância Elétrica (EIT). A EIT pode ainda ser dividida em duas partes: Tomografia de Resistência Elétrica (ERT) e Tomografia de Capacitância Elétrica (ECT). Enquanto a ERT é capaz de distinguir materiais condutivos de não-condutivos, a ECT é capaz de diferenciar dois materiais não-condutivos pela sua permissividade elétrica. A modalidade de tomografia elétrica possui vantagens como: baixo tempo de aquisição, baixo custo e não-radioatividade. Os principais desafios enfrentados na tomografia elétrica são: a dependência da trajetória do campo em relação ao meio (efeito de campo mole) e a pouca quantidade de eletrodos disponı́veis para medições devido às dimensões dos mesmos. Em decorrência do efeito de campo mole, a soma da contribuição individual de cada pixel em uma região é diferente da contribuição real da região, em outras palavras, é um problema não-linear. Devido a pequena quantidade de eletrodos, em geral 8 ou 12, reconstruir uma imagem com resolução prática é um problema mal-posto. Muitos métodos foram propostos para contornar essas dificuldades, grande parte se baseia em um modelo linearizado do sistema e na resolução de um problema inverso. Neste trabalho é proposto um método de reconstrução de imagens com representação esparsa, no qual busca-se reconstruir uma imagem composta de poucos elementos de uma base redundante. Esses elementos são aprendidos a partir de sinais de treinamento e usados como entrada para um modelo de ECT. As respostas, em capacitância, desse modelo formam uma matriz de sensibilidade redundante. Tal matriz pode ser interpretada como uma linearização por partes do problema direto. Para validação desse algoritmo foram realizados experimentos em escoamentos bifásicos ar-água. Os sinais de treinamento foram obtidos com o uso de um sensor de ECT em conjunto com um sensor wire-mesh capacitivo. Os resultados obtidos demonstram a capacidade do método proposto em reconstruir imagens a partir de 8 medições de capacitâncias. As imagens reconstruı́das apresentam melhores resultados, segundo diferentes métricas, quando comparados a outros métodos com representações esparsas. / Process Tomography is an important tool for many sectors of industry. Such importance comes from the necessity of obtaining knowledge of physical properties from hard reaching places, as the interior of a solid object or pipe. Tomography is a very versatile tool, it can be adapted for investigating different physical properties. Among the many tomographic modalities is the electrical, know as Electrical Impedance Tomography (EIT). The EIT can also be divided in two: Electrical Resistance Tomography (ERT) and Electrical Capacitance Tomography (ECT). While the ERT is capable of distinguishing conducting materials from non-conducting ones, the ECT is capable of distinguishing two non-conducting materials by their electrical permittivity. The electrical modality has advantages such as: low acquisition time, low cost and non-radioactive. The main challenges of electrical tomography are: dependency of the trajectory of the field in the medium (effect know as soft-field) and the low number of electrodes available for measurement due to their sizes. As a result of the soft-field effect, the sum of individual contributions of small discrete segments in a given region is different from the contribution of the entire region as one. In other words, the relation between the electrical property and the electrical measurements are non-linear. Due to the small number of measuring electrodes, commonly 8 or 12, reconstructing images with practical resolution is an ill-posed problem. In order to overcome these obstacles, many methods were proposed and the majority are based on the resolution of an inverse problem of a linear model. This work proposes a method of image reconstruction with sparse inducing regularization that seeks to obtain an image representation with only few elements of a redundant basis. The elements of this basis are obtained from training images and used as input of an ECT simulation. The output capacitances of the model make up the columns of a redundant sensitivity matrix. Such matrix can be viewed as a piecewise linearization of the direct problem. For validation purposes, experimental tests were conducted on two-phase flows (air-water). The training signals were obtained from an experiment with a capacitive wire-mesh sensor along with an ECT sensor. The results obtained show that the proposed method is capable of reconstructing images from a set of only 8 capacitance measurements. The reconstructed images show better results, according to different metrics, when compared to other methods that also use sparse representations.

O ultrassom (US) é uma técnica bem consolidada que vem sendo amplamente utilizada para teste, caracterização e visualização de estruturas internas de materiais biológicos e não biológicos. Na Universidade Tecnológica Federal do Paraná, o grupo de pesquisa do US desenvolveu o sistema ULTRA-ORS que, apesar de adequado para pesquisa relacionada à excitação e recepção multicanal, possui tempo de computação muito elevado, devido a processamento em computador pessoal. Este trabalho apresenta a modelagem, implementação e validação de um sistema de processamento digital de sinais baseado em dispositivo FPGA (Field-Programmable Gate Array) de alto desempenho para reconstrução de imagens por US através da técnica beamforming. O software Simulink e a ferramenta DSP Builder foram empregados para simulação e transformação dos seguintes modelos em linguagem de descrição de hardware: filtro digital FIR (Finite Impulse Response), filtro de interpolação CIC (Cascaded Integrator-Comb), atraso variável, apodização, somatório coerente, decimação, demodulação com detecção de envoltória e compressão logarítmica. Após validação no Simulink, o projeto foi sintetizado para uma FPGA Stratix IV e implementado na placa Terasic DE4-230. A ferramenta SignalTap II do software Quartus II foi utilizada para aquisição dos sinais processados pela FPGA. Para avaliação gráfica e quantitativa da acurácia deste método, foram empregados dados brutos reais de US, adquiridos do ULTRA-ORS com frequência de amostragem de 40 MHz e resolução de 12 bits, e a função de custo da raiz quadrada do erro quadrático médio normalizado (NRMSE) em comparação com as mesmas funções implementadas através de scripts no Matlab. Como resultado principal do modelamento, além das respostas individuais de cada bloco implementado, são apresentadas as comparações entre as imagens reconstruídas pelo ULTRA-ORS e pelo processamento em FPGA para quatro janelas de apodização. A excelente concordância entre os resultados simulados e experimentais com valores de NRMSE inferiores à 6,2% e latência total de processamento de 0,83 µs corroboram a simplicidade, modularidade e efetividade do modelamento proposto para utilização em pesquisas sobre o processamento de sinais de US para reconstrução de imagens em tempo real. / Ultrasound (US) is a well-established technique that has been widely used for testing, characterizing and visualizing internal structures of biological and non-biological material. The US research group of the Federal University of Technology - Paraná developed the ULTRA-ORS system, which, although suitable for research related to multichannel excitation and reception, uses a large computing time, due to the personal computer processing. This research presents the modeling, implementation and validation of a digital processing system of signals based on a FPGA (Field-Programmable Gate Array) device of high performance for the reconstruction of images through US, using the beamforming technique. The software Simulink and the tool DSP Builder were used for simulation and transformation of the following models in hardware description language: digital filter FIR (Finite Impulse Response), CIC (Cascaded Integrator-Comb) Interpolation filter, variable delay, apodization, coherent summation, decimation, demodulation with envelope detection and logarithmic compression. After the Simulink validation, the design was synthesized for a Stratix IV FPGA and implemented on the Terasic DE4-230 board. The tool SignalTap II in the software Quartus II was used to acquire the processed signals from the FPGA. For the graphic and quantitative evaluation of the accuracy of this method, we used real raw US data, acquired from the ULTRA-ORS with sampling frequency of 40 MHz and 12-bit resolution, and the normalized root mean squared error (NRMSE) in comparison with the same functions implemented through scripts in Matlab. As a main result of the modeling, in addition to the individual responses of each implemented block, comparisons between the reconstructed images by ULTRA-ORS and FPGA processing for four apodization windows are presented. The excellent agreement between the simulated and experimental results with NRMSE values lower than 6.2% and total processing latency of 0.83 µs corroborates the simplicity, modularity and effectiveness of the proposed modeling for use in US signal processing research for real-time image reconstruction.

CNPq / Este trabalho tem por objetivo apresentar uma nova proposta aos algoritmos de Demosaicing existentes, utilizando uma abordagem mais flexível quanto ao uso do Color filter array (CFA) em imagens coloridas de único sensor. O algoritmo proposto tem como base a estrutura de problemas inversos, cujo funcionamento utiliza um modelo de operação matriz-vetor que é adaptável ao CFA empregado. A partir deste conceito, o algoritmo trata o problema de Demosaicing como o de minimização de função custo, com um termo referente à dependência da estimativa com os dados obtidos e com o modelo de captura, o outro termo é relacionado aos conhecimentos observados em imagens que podem ser explorados para uma estimativa mais precisa, tal elemento é chamado de Prior. A proposta estabelecida tem como base algoritmos de regularização com foco na alta correlação presente entre os canais de cor (R, G e B), e na suavidade local de regiões uniformes, essa base formaliza o Prior empregado no trabalho. A minimização da proposta é atingida iterativamente através do IRLS-CG, que é a combinação de dois algoritmos de minimização eficientes, que apresenta rápidas respostas, e a capacidade de trabalhar com a norma L1 em conjunto com a norma L2. Com o intuito de atestar a qualidade do algoritmo proposto, foi elaborado um experimento em que o mesmo foi testado com diferentes CFAs e em situação com ruído gaussiano de 35dB e sem ruído algum em imagens da base de dados da Kodak, e os resultados comparados com algoritmos do estado-da-arte, no qual o desempenho da proposta apresentou resultados excelentes, inclusive em CFAs que destoam do padrão Bayer, que é o mais comumente usado na atualidade. / This research presents a new proposal to Demosaicing algorithms, using a more flexible approach to deal with the Color filter array (CFA) in single sensor color imaging. The proposed algorithm is structured in the inverse problems model, whose functions employ a CFA adaptive matrix-vector operational model. From this concept, the Demosaicing problem is treated as a cost function minimization with two terms, one referring to the dependence between the estimation and the data provided by the acquisition model, and other term related to features observed in images, which can be explored to form a more precise estimation, this last term is known as Prior. The established proposal is applied in regularization algorithms with focus on the high correlation among color channels (R, G, and B), and in the local smoothness of uniform regions. Both characteristics organize the Prior employed in this work. The minimization proposed is iteratively achieved through IRLS-CG, which is the combination of two efficient minimization algorithms, that presents quick responses, and the capacity to deal with L1 and L2 norm at the same time. The quality of the proposed algorithm is verified in an experiment in which varous CFA were used and a situation with 35dB gaussian noise and another one with no noise applied to the Kodak dataset, and the results were compared with state-of-the-art algorithms, in which the performance of the proposed Prior showed excellent results, including when the CFA is different from Bayer’s, which is the most commonly used pattern.

O ultrassom (US) é uma técnica bem consolidada que vem sendo amplamente utilizada para teste, caracterização e visualização de estruturas internas de materiais biológicos e não biológicos. Na Universidade Tecnológica Federal do Paraná, o grupo de pesquisa do US desenvolveu o sistema ULTRA-ORS que, apesar de adequado para pesquisa relacionada à excitação e recepção multicanal, possui tempo de computação muito elevado, devido a processamento em computador pessoal. Este trabalho apresenta a modelagem, implementação e validação de um sistema de processamento digital de sinais baseado em dispositivo FPGA (Field-Programmable Gate Array) de alto desempenho para reconstrução de imagens por US através da técnica beamforming. O software Simulink e a ferramenta DSP Builder foram empregados para simulação e transformação dos seguintes modelos em linguagem de descrição de hardware: filtro digital FIR (Finite Impulse Response), filtro de interpolação CIC (Cascaded Integrator-Comb), atraso variável, apodização, somatório coerente, decimação, demodulação com detecção de envoltória e compressão logarítmica. Após validação no Simulink, o projeto foi sintetizado para uma FPGA Stratix IV e implementado na placa Terasic DE4-230. A ferramenta SignalTap II do software Quartus II foi utilizada para aquisição dos sinais processados pela FPGA. Para avaliação gráfica e quantitativa da acurácia deste método, foram empregados dados brutos reais de US, adquiridos do ULTRA-ORS com frequência de amostragem de 40 MHz e resolução de 12 bits, e a função de custo da raiz quadrada do erro quadrático médio normalizado (NRMSE) em comparação com as mesmas funções implementadas através de scripts no Matlab. Como resultado principal do modelamento, além das respostas individuais de cada bloco implementado, são apresentadas as comparações entre as imagens reconstruídas pelo ULTRA-ORS e pelo processamento em FPGA para quatro janelas de apodização. A excelente concordância entre os resultados simulados e experimentais com valores de NRMSE inferiores à 6,2% e latência total de processamento de 0,83 µs corroboram a simplicidade, modularidade e efetividade do modelamento proposto para utilização em pesquisas sobre o processamento de sinais de US para reconstrução de imagens em tempo real. / Ultrasound (US) is a well-established technique that has been widely used for testing, characterizing and visualizing internal structures of biological and non-biological material. The US research group of the Federal University of Technology - Paraná developed the ULTRA-ORS system, which, although suitable for research related to multichannel excitation and reception, uses a large computing time, due to the personal computer processing. This research presents the modeling, implementation and validation of a digital processing system of signals based on a FPGA (Field-Programmable Gate Array) device of high performance for the reconstruction of images through US, using the beamforming technique. The software Simulink and the tool DSP Builder were used for simulation and transformation of the following models in hardware description language: digital filter FIR (Finite Impulse Response), CIC (Cascaded Integrator-Comb) Interpolation filter, variable delay, apodization, coherent summation, decimation, demodulation with envelope detection and logarithmic compression. After the Simulink validation, the design was synthesized for a Stratix IV FPGA and implemented on the Terasic DE4-230 board. The tool SignalTap II in the software Quartus II was used to acquire the processed signals from the FPGA. For the graphic and quantitative evaluation of the accuracy of this method, we used real raw US data, acquired from the ULTRA-ORS with sampling frequency of 40 MHz and 12-bit resolution, and the normalized root mean squared error (NRMSE) in comparison with the same functions implemented through scripts in Matlab. As a main result of the modeling, in addition to the individual responses of each implemented block, comparisons between the reconstructed images by ULTRA-ORS and FPGA processing for four apodization windows are presented. The excellent agreement between the simulated and experimental results with NRMSE values lower than 6.2% and total processing latency of 0.83 µs corroborates the simplicity, modularity and effectiveness of the proposed modeling for use in US signal processing research for real-time image reconstruction.

CNPq / Este trabalho tem por objetivo apresentar uma nova proposta aos algoritmos de Demosaicing existentes, utilizando uma abordagem mais flexível quanto ao uso do Color filter array (CFA) em imagens coloridas de único sensor. O algoritmo proposto tem como base a estrutura de problemas inversos, cujo funcionamento utiliza um modelo de operação matriz-vetor que é adaptável ao CFA empregado. A partir deste conceito, o algoritmo trata o problema de Demosaicing como o de minimização de função custo, com um termo referente à dependência da estimativa com os dados obtidos e com o modelo de captura, o outro termo é relacionado aos conhecimentos observados em imagens que podem ser explorados para uma estimativa mais precisa, tal elemento é chamado de Prior. A proposta estabelecida tem como base algoritmos de regularização com foco na alta correlação presente entre os canais de cor (R, G e B), e na suavidade local de regiões uniformes, essa base formaliza o Prior empregado no trabalho. A minimização da proposta é atingida iterativamente através do IRLS-CG, que é a combinação de dois algoritmos de minimização eficientes, que apresenta rápidas respostas, e a capacidade de trabalhar com a norma L1 em conjunto com a norma L2. Com o intuito de atestar a qualidade do algoritmo proposto, foi elaborado um experimento em que o mesmo foi testado com diferentes CFAs e em situação com ruído gaussiano de 35dB e sem ruído algum em imagens da base de dados da Kodak, e os resultados comparados com algoritmos do estado-da-arte, no qual o desempenho da proposta apresentou resultados excelentes, inclusive em CFAs que destoam do padrão Bayer, que é o mais comumente usado na atualidade. / This research presents a new proposal to Demosaicing algorithms, using a more flexible approach to deal with the Color filter array (CFA) in single sensor color imaging. The proposed algorithm is structured in the inverse problems model, whose functions employ a CFA adaptive matrix-vector operational model. From this concept, the Demosaicing problem is treated as a cost function minimization with two terms, one referring to the dependence between the estimation and the data provided by the acquisition model, and other term related to features observed in images, which can be explored to form a more precise estimation, this last term is known as Prior. The established proposal is applied in regularization algorithms with focus on the high correlation among color channels (R, G, and B), and in the local smoothness of uniform regions. Both characteristics organize the Prior employed in this work. The minimization proposed is iteratively achieved through IRLS-CG, which is the combination of two efficient minimization algorithms, that presents quick responses, and the capacity to deal with L1 and L2 norm at the same time. The quality of the proposed algorithm is verified in an experiment in which varous CFA were used and a situation with 35dB gaussian noise and another one with no noise applied to the Kodak dataset, and the results were compared with state-of-the-art algorithms, in which the performance of the proposed Prior showed excellent results, including when the CFA is different from Bayer’s, which is the most commonly used pattern.