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Previous issue date: 2011-10-31 / Universidade Federal de Minas Gerais / Articulatory Synthesis consists in reproducing speech by means of models of the vocal tract and of articulatory processes. Recent advances in Magnetic Resonance Imaging (MRI) allowed for important improvements with respect to the speech comprehension and the forms taken by the vocal tract. However, one of the main challenges in the field is the fast and at the same time high-quality acquisition of image sequences. Since adopting more powerful acquisition devices might be financially inviable, a more feasible solution proposed in the literature is the resolution enhancement of the images by changes introduced in the acquisition model. This dissertation proposes a method for the spatio-temporal resolution enhancement of the obtained sequences using only digital image processing techniques. The approach involves two stages: (1) the temporal resolution enhancement by means of a motion compensated interpolation technique; and (2) the spatial resolution enhancement by means of a super resolution image reconstruction technique. With respect to the temporal resolution enhancement, two interpolation models are compared: linear interpolation considering two adjacent images and cubic splines interpolation considering four contiguous images. Since both models performed equally in the experiments, the linear interpolation was adopted, for its simplicity and lower computational cost. The initial goal of the spatial resolution enhancement was an extension of the candidate s approach proposed in her master s thesis. Adopting a maximum a posteriori probability approach (MAP), the high-resolution images were modeled using the Markov Random Fields (MRF) Generalized Isotropic Multi-Level Logistic (GIMLL) model and the Iterated Conditional Modes (ICM) algorithm. However, even though the approach has presented promising results, due to the dimension of the target problem, the algorithm presented high computational cost. Considering this limitation, an adaptation of the Wiener filter for the super-resolution reconstruction problem was considered. Inspired by two methods available in the literature, three approaches were proposed: the statistical interpolation, the multi-temporal approach, and the adaptive Wiener filter. In all cases, a separable Markovian model and an isotropic model were compared in the characterization of the spatial correlation structures. These models were used to characterize the correlation and cross correlation of observations for the statistical interpolation and the multi-temporal approach. On the other hand, for the adaptive Wiener filter, these models were used to characterize the a priori spatial correlation. According to the conducted experiments, the isotropic model outperformed the separable Markovian model. Besides, considering all Wiener filter-based approaches and the initial approach based on the GIMLL model, the adaptive Wiener filter outperformed all other approaches and was also faster than a single iteration of the GIMLL-based approach. / A síntese articulatória procura produzir a fala através de modelos do trato vocal e dos processos articulatórios envolvidos. Os avanços no imageamento por ressonância magnética, permitiram que resultados importantes fossem alcançados com relação à fala e à forma do trato vocal. Entretanto um dos principais desafios ainda é a aquisição rápida e de alta qualidade das sequências de imagens. Além da opção de se utilizar meios de aquisição cada vez mais potentes, o que pode ser financeiramente inviável, abordagens propostas na literatura procuram aumentar a resolução modificando o processo de aquisição. Este trabalho propõe o aumento de resolução espaço-temporal das sequências adquiridas utilizando apenas técnicas de processamento de imagens digitais. A abordagem proposta é formada por duas etapas: o aumento de resolução temporal por meio de uma técnica de interpolação por compensação de movimento; e o aumento de resolução espacial por meio de uma técnica de reconstrução de imagens por super resolução. Com relação ao aumento de resolução temporal, dois métodos de interpolação são comparados: interpolação linear considerando duas imagens adjacentes e interpolação por splines cúbicas considerando quatro imagens consecutivas. Como, de acordo com os experimentos desenvolvidos, não existe diferença significativa entre esses dois métodos, a interpolação linear foi adotada por ser um procedimento mais simples e, consequentemente, apresentar menor custo computacional. O objetivo inicial para o aumento de resolução espacial das imagens observadas foi a extensão da abordagem proposta pela aluna em seu projeto de mestrado. Adotando uma abordagem de máxima probabilidade a posteriori (MAP), as imagens de alta resolução foram modeladas utilizando o modelo de campos aleatórios de Markov (MRF) Generalized Isotropic Multi-Level Logistic (GIMLL) e o algoritmo Iterated Conditional Modes (ICM) foi utilizado para maximizar as probabilidades condicionais locais sequencialmente. Entretanto, apesar de ter apresentado resultados promissores, devido à dimensão do problema tratado, o algoritmo ICM apresentou alto custo computacional. Considerando as limitações de performance desse algoritmo, decidiu-se adaptar o filtro de Wiener para o problema da reconstrução por super resolução. Utilizando dois trabalhos encontrados na literatura como inspiração, foram desenvolvidas três abordagens denominadas interpolação estatística, abordagem multitemporal e filtro de Wiener adaptativo. Em todos os casos, um modelo Markoviano separável e um modelo isotrópico foram comparados na caracterização das estruturas de correlação espacial. No caso da interpolação estatística e da abordagem multitemporal esses modelos foram utilizados para caracterizar as estruturas de correlação das observações e cruzada. Por outro lado, no caso da abordagem denominada filtro de Wiener adaptativo, esses modelos foram utilizados para caracterizar as estruturas de correlação espaciais a priori. De acordo com os experimentos desenvolvidos, o modelo isotrópico apresentou desempenho superior quando comparado ao modelo Markoviano separável. Além disso, considerando todas as propostas baseadas no filtro de Wiener e a proposta inicial baseada no modelo de Markov GIMLL, o filtro de Wiener adaptativo apresentou os melhores resultados e se mostrou mais rápido do que apenas uma iteração da abordagem baseada no modelo GIMLL.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/257 |
| Date | 31 October 2011 |
| Creators | Martins, Ana Luísa Dine |
| Contributors | Mascarenhas, Nelson Delfino d'Ávila |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Biotecnologia, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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