Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Fringe pattern processing using modified fast adaptive bidimensional empirical mode decomposition algorithm

Paweł Piotr Gocłowski

Abstract

This engineering thesis is dedicated to fringe pattern pre-processing using the empirical mode decomposition (EMD) algorithm. This method allows to separate image components of different spatial frequencies (modes) in order to eliminate unwanted background and noise from the fringe pattern. Empirical mode decomposition algorithms are currently commonly used in fringe pattern analysis due to its effectiveness and speed. The goal of the thesis is to improve this method of the fringe pattern pre-processing by modifying the algorithm, taking locally variable fringe period into account during mode extraction. Theoretical part of the thesis contains basic description of interference and its applications, particularly in optical metrology. Selected methods of fringe pattern analysis are presented, such as: temporal phase shifting, spatial-carrier phase-shifting and Fourier transform method. Several drawbacks and limitations of these methods are pointed out, particularly in case of low quality interferogram analysis. Subsequently principles of empirical mode decomposition method and historical evolution of this family algorithms are presented. The end of theoretical part describes imperfections of the latest version of the 2D EMD algorithm showing potential perspectives of improvement. In the experimental part of the thesis novel and original methods for fringe pattern envelope generation are proposed. These new functions eliminated some errors of the latest version of the 2D EMD algorithm. Next the most important problem of mode-mixing phenomena was eliminated. Normally fringe component with phase information is stored in several different modes and merging some of them together to reconstruct the fringe term is time-consuming and cumbersome task (there is a risk of losing information and noise transfer). Adaptive decomposition aided by the adaptive fringe density map was proposed as an original solution of mode-mixing problem. Fringe density map was computed locally based on the derivative of the phase and was used to guide the filter size used in the decomposition, previously set globally. It was verified to allow to contain complete fringe information in single first mode (even in case of highly variable local fringe period) – without necessity of reconstruction process. The idea proved to be successful and the results of comprehensive study are satisfactory but access to phase map is not granted in experimental reality. Novel original fringe density map computing method was proposed, which does not require any a priori knowledge of the phase function. The quality of the new method was tested using simulated fringe pattern and by computing RMS (Root Mean Square) parameter of the difference between the first mode and the cosine of the phase (reference fringe pattern). The thesis contains careful RMS analysis in relation with such parameters as density of fringes, background illumination amplitude and noise level. The method was also tested on fringe patterns originated from the laboratory measurements corroborating its experimental usefulness and unique features highlighted by numerical simulations. As a result, the new fast fringe pattern pre-processing method with incredibly low error rate is proposed. Extraction of the first mode from fringe pattern using the new method provides effective background elimination. Further improvements of the algorithm should be related to noise elimination (proposed algorithm does not provide noise extraction, most of noise component is included in the first mode) and reducing the time needed to extract the first mod from fringe pattern.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Paweł Piotr Gocłowski (FM) Paweł Piotr Gocłowski,, Faculty of Mechatronics (FM)
Title in Polish
Przetwarzanie obrazów prążkowych zmodyfikowanym algorytmem szybkiej adaptacynej dwuwymiarowej dekompozycji modów empirycznych
Supervisor
Maciej Trusiak (FM/IMPh) Maciej Trusiak,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM)
Certifying unit
Faculty of Mechatronics (FM)
Affiliation unit
The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)
Study subject / specialization
, Mechatronika
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
07-05-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Maciej Trusiak (FM/IMPh) Maciej Trusiak,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM) Adam Styk (FM/IMPh) Adam Styk,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM)
Keywords in Polish
polowa metrologia optyczna, interferometria, analiza obrazów prążkowych, przetwarzanie obrazu
Keywords in English
field optical metrology, interferometry, fringe pattern analysis, image processing
Abstract in Polish
Niniejsza praca inżynierska jest poświęcona przetwarzaniu wstępnemu obrazów prążkowych z wykorzystaniem metody dwuwymiarowej dekompozycji modów empirycznych. Metoda ta pozwala na odseparowanie od siebie komponentów obrazu o różnych częstościach przestrzennych (tzw. modów), co umożliwia wydzielenie rozkładów szumu i tła w celu ich eliminacji. Algorytm ze względu na unikalny wgląd w komponenty składowe obrazu oraz szybkość działania jest coraz częściej stosowany do analizy obrazów prążkowych. Celem tej pracy jest poprawienie skuteczności działania algorytmu poprzez jego modyfikację, polegającą na uwzględnieniu podczas ekstrakcji modów lokalnie zmiennego okresu prążków. W części wstępnej pracy inżynierskiej omówiono fizyczne podstawy zjawiska interferencji oraz wykorzystanie tegoż zjawiska do nieinwazyjnych i dokładnych pomiarów optycznych bazujących na generacji obrazu prążkowego. Przedstawiono również wybrane metody analizy obrazów prążkowych: metodę czasowego przesunięcia fazy, metodę przestrzennego przesunięcia fazy oraz metodę transformacji Fouriera. Wskazano główne błędy i ograniczenia tych metod, zwłaszcza w kontekście pracy z interferogramami o niskiej jakości. W dalszej części przedstawiono zasadę działania algorytmu dekompozycji modów empirycznych oraz kolejne etapy rozwoju algorytmu na przestrzeni ostatnich lat. Wskazano również niedoskonałości dwuwymiarowego algorytmu, zwłaszcza w odniesieniu do jego najnowszej wersji i skoncentrowano się na udoskonaleniu metody. W części eksperymentalnej zaproponowano autorskie funkcje wyznaczające numerycznie obwiednie obrazu prążkowego, co umożliwiło eliminację części błędów powstających przy stosowaniu metody dwuwymiarowej dekompozycji modów empirycznych. Następnie podjęto próbę eliminacji najistotniejszego mankamentu algorytmu wydłużającego czas jego wykonywania oraz powodującego ryzyko utraty informacji (lub transferu szumu) czyli rozłożenia informacji fazowej na kilka różnych modów i konieczność późniejszego łączenia ich. Zbadano zasadność przeprowadzania dekompozycji przy pomocy adaptacyjnej mapy gęstości prążków, gdzie szerokość maski filtrującej była wyznaczana lokalnie na podstawie pochodnej rozkładu fazy, a nie jak wcześniej globalnie. W założeniu powinno to pozwolić na zawarcie kompletnej informacji prążkowej w jednym modzie nawet w przypadku dużych lokalnych zmian okresu prążków (bez konieczności kłopotliwej rekonstrukcji prążków z kilku modów). Po uzyskaniu satysfakcjonujących wyników opracowano autorską metodę wyznaczania mapy gęstości prążków bez żadnej wiedzy a priori na temat rozkładu fazy. Zbadano również jakość dekompozycji po wspomnianych modyfikacjach z wykorzystaniem parametru RMS (Root Mean Square) obliczanego dla różnicy między pierwszym modem symulowanego obrazu prążkowego a cosinusem referencyjnej mapy fazy („prążkami odniesienia”). Wykonane zostały wykresy wartości RMS w funkcji gęstości i kształtu prążków, amplitudy rozkładu tła oraz poziomu szumu. Ulepszona dekompozycja została również przetestowana na rzeczywistych obrazach prążkowych uzyskanych w laboratorium co stanowiło eksperymentalną weryfikację atrakcyjnych cech algorytmu wskazanych na etapie symulacji numerycznych. Efektem końcowym pracy inżynierskiej jest zatem nowa szybka metoda filtracji obrazu prążkowego oferująca unikalnie małe błędy dekompozycji. Skuteczną eliminację tła obrazu prążkowego przeprowadza się automatycznie ekstrahując jego pierwszy mod. Dalsze prace powinny być związane z uwzględnieniem dodatkowej metody eliminacji szumu – w opracowanym algorytmie szum nie jest wydzielany, duża jego część jest składowana razem z informacją prążkową w pierwszym modzie). Planuje się także prace nad przyspieszeniem czasu ekstrakcji pierwszego modu.
File
  • File: 1
    278185_inz.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 33986

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT00510590e77540979a568edaf1b60958/
URN
urn:pw-repo:WUT00510590e77540979a568edaf1b60958

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page