Processing and analysis of stripe images using Hilbert-Huang transformation for field optical measurement methods

Maciej Trusiak

Abstract

The thesis is focused on expanding and advancing the Hilbert-Huang transform (HHT) method by creating innovative and versatile algorithmic solutions for optical metrology, especially very precise full-field measurement techniques for characterizing diverse technical and biomedical samples. The thesis consists of 14 papers published in JCR journals, 10 peer-reviewed conference proceedings and publication guide. The thesis encompasses two main areas of studies. First one consists in developing adaptive data analysis schemes based on the HHT method. Second layer comprises applications of HHT driven solutions for optical metrology either enabling the measurement or significantly minimizing its errors incorporating enhanced analysis of generated fringe patterns (with encoded information about the object under study). Continuous modification of the HHT based algorithmic solutions was naturally stimulated by the challenges encountered in real life applications. The goal was to create versatile numerical method able to successfully perform full path adaptive processing and the analysis of single low quality fringe pattern regardless the examined phenomenon and the full-field optical measurement technique used (i.e., interferometry, structured illumination, moiré, digital holographic microscopy etc.). Predefined aim was reached merging several cutting-edge algorithmic solutions motivated by real-life cumbersome aspects of optical metrology. The Hilbert-Huang transform consists of two stages – (1) empirical mode decomposition which dissects from the analyzed signal a set of components oscillating in various scales, and (2) the Hilbert transform for subsequent analytic signal generation and its straightforward instantaneous phase and amplitude demodulation. New accelerated bidimensional empirical mode decomposition technique was incorporated alongside with the original method for automatic selective reconstruction of high quality fringe pattern from a set of empirical modes derived from low quality fringe data. Moreover an inventive directional bidimensional empirical mode decomposition method was proposed. It is able to decouple a single fringe pattern from the multiple fringe set interferogram (encountered, e.g., in grating interferometry for displacement study in experimental mechanics). Next, three innovative techniques for precise phase demodulation were reported – (1) single-frame HHT-based method aided by the principal component analysis for local fringe direction map determination and two-frame methods based on (2) Gram-Schmidt orthonormalization process and (3) Lissajous figure technique with HHT driven pre-filtering. The set of created algorithms was augmented by the two-frame amplitude demodulation method to be applied for vibration studies of technical objects by time-averaged interferometry and volumetric optically-sectioned imaging of biomedical specimen by structured illumination microscopy used, e.g., for the cervical cancer cell visualization. Another proposed skillful algorithm utilized the HHT for wave front sensing by innovative Fresnel diffraction field multiple beam lateral shear grating interferometers. Original and versatile Hilbert-Huang phase microscopy for quantitative phase imaging of biomedical (e.g., red blood cells) and technical (i.e., polystyrene microbeads) samples completes the list of main achievements presented in the thesis. Numerical methods developed were comprehensively tested using simulated and experimental fringe patterns. Thoroughly conducted studies corroborated that proposed techniques compare favorably with common optical measurement schemes employing classical approaches for fringe analysis and in many cases are superior.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Maciej Trusiak (WM / IMiF)
Maciej Trusiak
- Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
Tytuł w języku polskimPrzetwarzanie i analiza obrazów prążkowych z zastosowaniem transformacji Hilberta-Huanga na potrzeby polowych optycznych metod pomiaru
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Mechatroniki (WM)
Dyscyplina naukibudowa i eksploatacja maszyn / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data rozpoczęcia29-05-2013
Data obrony21-06-2017
Data zakończenia 28-06-2017
Promotor Krzysztof Patorski (WM / IMiF)
Krzysztof Patorski
- Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
Recenzenci zewnętrzni Henryk Kasprzak, prof. - Wydział Podstawowych Problemów Techniki (WPPT) [Politechnika Wrocławska (PWr)]
Henryk Kasprzak, prof.
-

Zbigniew Jaroszewicz - [Instytut Optyki Stosowanej im. Profesora Maksymiliana Pluty (INOS)]
Zbigniew Jaroszewicz
-
- Instytut Optyki Stosowanej im. Profesora Maksymiliana Pluty
Paginacja 335
Słowa kluczowe w języku polskimalgorytmy
Słowa kluczowe w języku angielskimalgorithms
Streszczenie w języku polskimPrzedmiotem rozprawy doktorskiej jest opracowanie nowoczesnych i uniwersalnych rozwiązań algorytmicznych wnoszących nową jakość do metrologii optycznej z wykorzystaniem precyzyjnych polowych metod badań zróżnicowanych obiektów technicznych i biomedycznych. Rozważania prowadzono uogólniając transformację Hilberta-Huanga (THH) i adaptując ją na potrzeby analizy prążkowych danych pomiarowych. Podstawę rozprawy stanowi zbiór 14 powiązanych tematycznie artykułów opublikowanych w czasopismach z listy JCR, 10 recenzowanych publikacji konferencyjnych oraz przewodnik po publikacjach. Można wyznaczyć dwie główne warstwy działań w ramach pracy doktorskiej. Pierwszy obszar dotyczył studiów i rozwoju adaptacyjnej analizy danych na przykładzie metody THH. Drugą warstwą było wykorzystywanie THH do rozwiązywania problemów metrologii optycznej wiążących się z umożliwieniem przeprowadzenia pomiaru lub minimalizacją jego błędów poprzez wydajną analizę generowanego obrazu prążkowego (kodującego informacje o obiekcie badań). W naturalny sposób kolejne wyzwania aplikacyjne wpływały na ciągłą modyfikację rozwiązań algorytmicznych bazujących na THH. Podjętym działaniom przyświecał cel opracowania uniwersalnej metody numerycznej realizującej pełną ścieżkę adaptacyjnego przetwarzania i analizy pojedynczego obrazu prążkowego niskiej jakości zarejestrowanego z wykorzystaniem dowolnej polowej optycznej metody pomiaru (np. interferometrii, oświetlenia strukturalnego, techniki mory, mikroskopii holograficznej etc.). Zakładany cel osiągnięto kompletując szereg nowatorskich rozwiązań algorytmicznych motywowanych rzeczywistymi zagadnieniami metrologii optycznej. Transformacja Hilberta- Huanga składa się z dwóch etapów - dekompozycji modów empirycznych do rozłożenia analizowanego sygnału w zbiór komponentów oscylujących w różnych skalach oraz transformacji Hilberta w celu dalszej generacji sygnału analitycznego i jego łatwej demodulacji amplitudowo-fazowej. W ramach doktoratu wprowadzono nowy przyspieszony algorytm dwuwymiarowej dekompozycji obrazu na mody empiryczne oraz opracowano autorską metodę automatycznej selektywnej rekonstrukcji wysokiej jakości obrazu prążkowego ze zbioru modów empirycznych wydzielonych z obrazu prążkowego o niskiej jakości. Zaproponowano także metodę kierunkowej dekompozycji modów empirycznych pozwalającą na wydzielenie pojedynczej rodziny prążków z krzyżowego obrazu prążkowego uzyskiwanego np. w interferometrii siatkowej. Ponadto przygotowano metodę jednoramkowej precyzyjnej demodulacji fazy z wykorzystaniem THH wspomaganej algorytmem analizy głównych składowych do wyznaczania mapy lokalnej orientacji prążków oraz metody szybkiej dwuramkowej demodulacji fazy z wykorzystaniem ortogonalizacji Grama-Schmidta i krzywych Lissajous z wstępną filtracją THH. Grupę stworzonych algorytmów powiększono o dwuramkową metodę demodulacji amplitudy przeznaczoną do badania drgań obiektów inżynierskich z wykorzystaniem interferometrii z uśrednianiem w czasie oraz do wolumetrycznego obrazowania struktur biomedycznych w mikroskopii z oświetleniem strukturalnym na podstawie badań komórek raka szyjki macicy. Zaproponowano także algorytmy bazujące na THH do badania frontów falowych w nowoczesnych wielowiązkowych interferometrach siatkowych z poprzecznym rozdwojeniem czoła fali. Listę głównych osiągnięć zwieńcza opracowanie nowej i uniwersalnej metody mikroskopii Hilberta-Huanga do ilościowego obrazowania zróżnicowanych obiektów fazowych (np. czerwonych krwinek). Rozwiązania algorytmiczne przygotowane w ramach rozprawy doktorskiej poddano kompleksowym testom z wykorzystaniem danych symulowanych komputerowo i eksperymentalnych obrazów prążkowych. Wykazano wyższość zaproponowanych technik nad popularnymi, klasycznymi metodami analizy obrazów prążkowych.
Plik pracy
Trusiak_Rozprawa_DoWydruku.pdf z dnia 08-11-2017
43.74 MB

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót