Abstract Information and communications technology (ICT) companies face challenges in an unpredictable business environment, where demand-supply forecasting is not accurate enough. How to optimally manage product change process and demand-supply chain in this type of environment? Companies face pressures to simultaneously be efficient, responsive and innovative, i.e. to minimise costs, and shorten order delivery and product change periods. This thesis included three action research cycles within a real demand-supply chain of a significant international actor. Each action research cycle sought answers by going into one extreme of minimising costs, diminishing order delivery period, or shortening product change periods. In practice, these research cycles included the case company changing their business accordingly for each of these cases. Conducting required changes in the case company were economically significant trials. The results of this doctoral dissertation provide tips for global high tech companies. Large international companies typically have manufacturing sites in different parts of the world. According to the results, mental shift from local optimisation to a global one is required for efficient manufacturing operations. Companies have traditionally considered their strategy as a choice between minimising costs, quick delivery, and rapid product change. Also, companies have believed that one single strategy is adequate and applicable to all of their products. According to this thesis, different products may have a different strategy. This would allow companies to flexibly react to the needs of different customer groups, business environments, and different competitors. In addition, strategy can be changed relatively often, monthly, weekly, or even daily. Based on the results of this doctoral thesis, companies must harmonise their product portfolio globally, including all their sites. Once the same product version is at all sites, they can help each other from components supply viewpoint. Consequently, product changes can be taken through quicker. / Tiivistelmä Informaatio- ja kommunikaatioalan yritykset kohtaavat haasteita toimiessaan vaikeasti ennustettavassa liiketoimintaympäristössä, jossa tilaus-toimitusennusteet ovat epätarkkoja. Miten tällaisessa ympäristössä hallitaan optimaalisesti tuotemuutosprosessi ja tilaus-toimitusketju? Yrityksillä on paineita olla samanaikaisesti tehokkaita ja innovatiivisia: miten minimoida sekä kustannuksia että lyhentää toimitus- ja tuotemuutosaikoja. Tämä väitöskirja tehtiin toimintatutkimuksena merkittävän kansainvälisen yrityksen todellisessa tilaus-toimitusketjussa. Toimintatutkimus eteni vaiheittain kokeilemalla kolmea eri ääripäätä minimoimalla 1) kustannuksia, 2) toimitusaikoja ja 3) tuotemuutosaikoja. Käytännössä nämä ääripäät sisälsivät case-yrityksen liiketoiminnan muuttamista vastaavasti sisältäen taloudellisesti merkittäviä kokeiluja. Tämän väitöskirjan tulokset tarjoavat käytännön esimerkkejä globaaleille korkeanteknologian yrityksille. Suurilla kansainvälisillä yrityksillä on tyypillisesti valmistusyksiköitä eripuolilla maailmaa. Tämän tutkimuksen tulosten mukaan yritykset tarvitsevat asennemuutoksen paikallisesta optimoinnista globaaliin, jotta tuotanto toimisi tehokkaasti. Perinteisesti yritykset ovat ymmärtäneet strategian tarkoittavan valinnan tekemistä kustannusten minimoinnin, nopeiden toimitusaikojen tai nopeiden tuotemuutosten välillä. Yritykset ovat myös uskoneet, että yksi yrityskohtainen strategia kattaa kaikki yrityksen tuotteet. Tämän väitöskirjan tulosten mukaan yrityksen eri tuotteilla voi olla erilainen strategia. Tällainen ratkaisu mahdollistaa nopean reagoinnin muutoksiin asiakasryhmien tarpeissa, liiketoimintaympäristössä ja kilpailutilanteissa. Strategiaa voidaan myös muuttaa usein, kuukausittain, viikoittain tai jopa päivittäin. Tämän väitöskirjatutkimuksen tulosten mukaan, yritysten tulisi harmonisoida tuoteportfolionsa globaalisti kattaen kaikki tuotantolaitokset. Silloin kun yrityksen kaikissa valmistusyksiköissä valmistetaan samaa tuoteversiota, yksiköt voivat auttaa toisiaan komponenttien hankinnassa. Tuotemuutokset voidaan tällöin toteuttaa nopeammin.

Abstract In this doctoral thesis, initial code synchronization (i.e., code acquisition) of a direct sequence spread spectrum (DS/SS) system is studied when a smart antenna is used in a receiver. Code synchronization means time synchronization of the used spreading code in the receiver. After an introduction to the topic, a literature review of code acquisition is presented. In addition, a review of the results in the literature under fading, data modulation, Doppler, intentional interference, multiple-access interference, other system interference, and multiple antennas is given. After that, an overview of the smart antennas, especially focusing on digital beamforming and direction-of-arrival (DOA) estimation algorithms is presented. The end part of the thesis concentrates on the author’s own research of the topic. Original articles of this article dissertation have been classified according to their contents into two groups. The first group covers DS/SS code acquisition performance in intentional interference by exploiting how well different beamforming algorithms can eliminate narrowband and wideband interfering signals in the case, where the DOA of the desired signal is known. The obtained results show that most spatial beamforming algorithms are capable of cancelling multiple different types of interfering signals if they are not arriving from the same direction as the desired signal. If angle separation between desired and interfering signals is not sufficient, then more complex methods have to be used. The second group of articles focuses on a theoretical analysis of synchronization probabilities and mean acquisition times. If the DOA of the desired signal is unknown, the whole angular uncertainty region can be divided into small angular cells using beamforming techniques, as is proposed in the literature. Then there is a two-dimensional (delay-angle) acquisition problem. In this thesis, the research work of that area is expanded to cover also advanced beamforming techniques, since they offer increased interference suppression capability. It is shown that the code acquisition performance of the delay-angle method can be improved in some cases by adding a DOA estimator into the system, because it may reduce the number of required angular cells. In addition, such a minimum mean square error (MMSE) beamforming structure is proposed, where only one period of the known pseudo noise spreading code is used as a reference signal. The method was shown to have better acquisition performance than the delay-angle method has, since MMSE beamforming does not need DOA information. However, in this thesis, such a method was not found which outperforms the rest of the methods in all scenarios. / Tiivistelmä Tässä väitöstyössä tutkitaan suorahajotushajaspektrijärjestelmän (DS/SS, direct sequence spread spectrum) koodisynkronoinnin etsintävaihetta, kun vastaanottimessa käytetään älyantennia. Koodisynkronoinnilla tarkoitetaan järjestelmän käyttämän hajotuskoodin ajastuksen synkronointia vastaanottimessa. Johdannon jälkeen esitetään kirjallisuuskatsaus koodisynkronointiin sekä tuodaan esille kirjallisuudesta löytyviä tutkimustuloksia aihepiiristä seuraavissa tilanteissa: häipyvä kanava, Doppler-ilmiö, tahallinen häirintä, monikäyttöhäiriö, muiden järjestelmien aiheuttama häiriö sekä moniantennijärjestelmät. Tämän jälkeen esitetään yleiskatsaus älyantenneihin kohdistuen erityisesti digitaalisiin keilanmuodostus- sekä suuntaestimointialgoritmeihin. Työn loppuosa keskittyy kirjoittajan omaan tutkimukseen aiheesta. Tämän nippuväitöskirjan alkuperäiset artikkelit on luokiteltu kahteen ryhmään niiden sisältöön perustuen. Ensimmäinen ryhmä käsittelee DS/SS-järjestelmän koodisynkronoinnin etsintävaiheen suorituskykyä tahallisessa häirinnässä tutkimalla, miten hyvin erilaiset keilanmuodostusalgoritmit kykenevät poistamaan kapea- ja leveäkaistaisia häirintäsignaaleja tilanteessa, jossa hyötysignaalin tulosuunta tiedetään. Tutkimustulokset osoittavat, että monet tilatason keilanmuodostusalgoritmit kykenevät poistamaan useita erityyppisiä häirintäsignaaleita, jos ne eivät saavu hyötysignaalin kanssa samasta suunnasta. Mikäli kulmaero hyöty- ja häirintäsignaalien välillä ei ole riittävä, joudutaan käyttämään rakenteeltaan monimutkaisempia menetelmiä. Toinen ryhmä artikkeleita keskittyy synkronointiin liittyvien todennäköisyyksien ja keskimääräisen etsintäajan teoreettiseen analyysiin. Jos hyötysignaalin tulosuunta on tuntematon, voidaan kulmaepävarmuusalue jakaa pieniin kulmasoluihin käyttäen keilanmuodostustekniikoita, kuten kirjallisuudessa esitetään. Tällöin kyseessä on kaksiulotteinen (viive-kulma) etsintäongelma. Tässä työssä kyseistä tutkimusaihetta laajennetaan koskemaan myös edistyneet keilanmuodostusmenetelmät, koska ne tarjoavat parantuneen häiriönvaimennuskyvyn. Työssä osoitetaan, että viive-kulma menetelmän suorituskykyä voidaan parantaa joissakin tilanteissa lisäämällä järjestelmään suuntaestimaattori, koska se saattaa vähentää tarvittavien kulmasolujen lukumäärää. Lisäksi tutkitaan sellaista pienimmän keskineliövirheen (MMSE, minimum mean square error) keilanmuodostusmenetelmää, jossa ainoastaan yhtä hajotuskoodin koodijaksoa käytetään opetukseen. Kyseisellä menetelmällä todettiin olevan parempi suorituskyky kuin viive-kulma etsinnällä, koska MMSE-menetelmä ei tarvitse suuntainformaatiota. Tässä työssä ei kuitenkaan löydetty yhtä sellaista menetelmää, jonka suorituskyky on muita parempi kaikissa tilanteissa.

Abstract During the last few decades, digital watermarking techniques have gained a lot of interest. Such techniques enable hiding imperceptible information to images; information which can be extracted later from those images. As a result, digital watermarking techniques have many interesting applications for example in Internet distribution. Contents such as images are today manipulated mainly in digital form; thus, traditionally, the focus of watermarking research has been the digital domain. However, a vast amount of images will still appear in some physical format such as in books, posters or labels, and there are a number of possible applications of hidden information also in image printouts. In this case, an additional level of challenge is introduced, as the watermarking technique should be robust to extraction from printed output. In this thesis, methods are developed, where a watermarked image appears in a printout and the invisible information can be later extracted using a scanner or mobile phone camera and watermark extraction software. In these cases, the watermarking method has to be carefully designed because both the printing and capturing process cause distortions that make watermark extraction challenging. The focus of the study is on developing blind, multibit watermarking techniques, where the robustness of the algorithms is tested in an office environment, using standard office equipment. The possible effect of the background of the printed images, as well as compound attacks, are both paid particular attention to, since these are considered important in practical applications. The main objective is thus to provide technical means to achieve high robustness and to develop watermarking methods robust to printing and scanning process. A secondary objective is to develop methods where the extraction is possible with the aid of a mobile phone camera. The main contributions of the thesis are: (1) Methods to increase watermark extraction robustness with perceptual weighting; (2) Methods to robustly synchronize the extraction of a multibit message from a printout; (3) A method to encode a multibit message, utilizing directed periodic patterns and a method to decode the message after attacks; (4) A demonstrator of an interactive poster application and a key based robust and secure identification method from a printout. / Tiivistelmä Digitaalinen vesileimaus on parin viime vuosikymmenen aikana runsaasti huomiota saanut tekniikka, jonka avulla kuviin voidaan piilottaa aistein havaitsematonta tietoa. Tämä tieto voidaan myöhemmin poimia esiin, minkä vuoksi sovelluskohteita esimerkiksi Internetin kautta tapahtuvassa jakelussa on useita. Perinteisesti vesileimaustekniikat keskittyvät pelkästään digitaalisessa muodossa pysyvään tietoon. Kuitenkin iso osa kuvainformaatiosta saa yhä vielä myös fyysisen muodon esimerkiksi kirjoissa, julisteissa ja etiketeissä. Myös vesileimauksella on useita sovelluskohteita painettujen kuvienkin osalta. Vesileimausta ajatellen painatus tuo kumminkin omat erityishaasteensa vesileimaustekniikoille. Tässä väitöskirjassa kehitetään menetelmiä, jotka mahdollistavat piilotetun tiedon säilymisen painetussa kuvassa. Piilotettu tieto voidaan lukea käyttämällä skanneria tai matkapuhelimen kameraa tiedon digitalisointiin. Digitalisoinnin jälkeen vesileimausohjelma osaa lukea piilotetun tiedon. Vesileimauksen osalta haasteellisuus tulee vääristymistä, joita sekä kuvien tulostus sekä digitalisointi aiheuttavat. Väitöstyössä keskitytään monibittisiin vesileimaustekniikoihin, joissa alkuperäistä kuvaa ei tarvita vesileimaa poimittaessa. Väitöstyössä kehitetyt menetelmät on testattu toimistoympäristössä standardi toimistolaitteita käyttäen. Käytännön sovelluksia ajatellen, testeissä on kiinnitetty huomiota myös yhdistelmähyökkäysten sekä painetun kuvan taustan vaikutukseen algoritmin robustisuudelle. Ensisijainen tavoite on kehittää menetelmiä, jotka kestävät printtaus ja skannaus operaation. Toinen tavoite on tiedon kestävyys luettaessa tietoa matkapuhelimen kameran avulla. Väitöskirjassa tarkastellaan ja kehitellään ratkaisuja neljälle eri osa-alueelle: (1) Ihmisaisteja mallintavien menetelmien käyttö vesileimauksen kestävyyden lisäämiseksi; (2) Robusti synkronointi luettaessa monibittistä tietoa painotuotteesta; (3) Suunnattuja jaksollisia kuvioita käyttävä menetelmä, joka mahdollistaa monibittisen tiedon koodaamisen ja dekoodaamisen hyökkäysten jälkeen; (4) Sovellustasolla tarkastellaan kahta pääsovellusta: interaktiivinen juliste sekä kestävä ja turvattu avaimen avulla tapahtuva painotuotteen identifiointi.

Abstract There are many reasons for sharing a photo of a printout. The intention might be to copy the image for personal use or experience an interesting ad with friends. With watermarking, the images can also carry side information and with specialized watermarking methods the information can be read with a mobile device camera. In digital image watermarking, information is hidden on an image in such a way that a computer can read the hidden information but a human cannot discern it. The aim of this thesis is to research the process in which the watermarked image is printed and then read with a digital camera or a camera phone from the printed image. In order to survive the process, the watermark must survive multiple attacks. Some of the attacks occur during printing as the image is halftoned, others when the image is recaptured with a camera, in which case the camera might be rotated around multiple axis. These attacks may cause a loss of synchronization of the watermark and make the extraction impossible. The main objective of the thesis is thus to develop methods that are robust to the printing and capturing process, especially for the situations when the capturing angle is large. This problem contains the circumstances in which the synchronization is lost and the camera lens is not focused properly. In this work, research on digital image watermarking, computational photography and mobile phones are combined. The contributions of this thesis lie in two main parts: First, two print-cam robust methods are proposed, one based on a frame and the other on autocorrelation for synchronization. These two are then used as a basis for an algorithm that recovers the watermark even after camera rotation and image blurring caused by the narrow depth of focus of the lens. The algorithm is later refined and implemented for a mobile phone. The results show that the method is highly robust to capturing the watermark without errors in angles up to 60° with processing times acceptable for real-life applications. / Tiivistelmä On olemassa useita syitä tulosteesta otetun valokuvan jakamiseen. Aikomuksena voi olla kopioida kuva omaan käyttöön tai jakaa mielenkiintoinen ilmoitus ystävien kanssa. Vesileimauksessa kuvaan voidaan sijoittaa lisätietoa ja erityisillä menetelmillä tieto voidaan myöhemmin lukea mobiililaitteen kameralla. Digitaalisten kuvien vesileimauksen tavoite on piilottaa tietoa kuvaan siten, että tietokone pystyy lukemaan piilotetun informaation, siinä missä ihminen ei pysty sitä havaitsemaan. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia prosessia, missä vesileimattu kuva tulostetaan ja vesileima luetaan digitaalisella kameralla tai kamerapuhelimella tulosteesta. Selviytyäkseen tästä prosessista, vesileiman on kestettävä useita hyökkäyksiä. Osa hyökkäyksistä esiintyy tulostuksen aikana, kun kuva rasteroidaan, ja osa valokuvatessa, jolloin kamera voi olla kiertynyt. Näiden hyökkäysten seurauksena vesileiman synkronointi voi kadota, jolloin vesileiman lukeminen ei enää onnistu. Väitöskirjan päätavoitteena on siis kehittää tulostuksen ja valokuvauksen kestäviä vesileimausmenetelmiä erityisesti niitä tilanteita varten, jolloin kuvauskulma on suuri. Tämä ongelma sisältää olosuhteet, joissa synkronointi menetetään, ja kun kameran linssi ei ole kohdistunut oikein. Työssä yhdistetään digitaalinen kuvien vesileimaus, laskennallinen valokuvaus ja matkapuhelimet. Tutkimus voidaan jakaa kahteen osa-alueeseen: Ensimmäisessä kehitetään kaksi tulostuksen ja valokuvauksen kestävää menetelmää, joista toinen perustuu kehykseen ja toinen autokorrelaatioon synkronoinnin säilyttämiseksi. Toisessa osassa näitä menetelmiä hyödynnetään algoritmissa, joka kykenee vesileiman lukemiseen myös silloin kun kameran kiertyminen on voimakasta ja objektiivin kapea tarkennussyvyys aiheuttaa sumeita alueita kuvassa. Tutkimustyön lopussa tätä algoritmia viedään eteenpäin ja testataan matkapuhelinalustalla. Tulokset osoittavat menetelmän kestävän kameran kiertymistä 60°:seen saakka suoritusajoilla, jotka ovat hyväksyttäviä sovelluskäyttöön.