Etäisyyden huomioiva kaksiulotteinen viivakoodi mobiilikäyttötapauksiin

Global internet use is becoming increasingly mobile, and mobile data usage is growing exponentially. This puts increasing stress on the radio frequency spectrum that cellular and Wi-Fi networks use. As a consequence, research has also been conducted to develop wireless technologies for other parts of the electromagnetic spectrum – namely, visible light. One approach of using the visible light channel for wireless communication leverages barcodes. In this thesis, we propose a 2D barcode that can display different information based on the distance between the barcode and the scanner. Earlier research on distance-sensitive barcodes has focused on providing a closer viewer more information as a closer viewer can see more detail. In contrast, we target use cases where a clear physical separation between users of different roles can be made, such as presentation systems. We evaluate two methods of achieving distance-awareness: color-shifting of individual colors, where a color changes tone at longer distances, and color blending, where two colors blend into a third color at longer viewing distances. Our results show that a modern smartphone is capable of leveraging color-shifting in ideal conditions, but external changes such as ambient lighting render color-shifting unusable in practical scenarios. On the other hand, color blending is robust in varying indoor conditions and can be used to construct a reliable distance-aware barcode. Accordingly, we employ color blending to design a distance-aware barcode. We implement our solution in an off-the-shelf Android smartphone. Experimental results show that our scheme achieves a clear separation between close and far viewers. As a representative use case, we also implement a presentation system where a single barcode provides the presenter access to presentation tools and the audience access to auxiliary presentation material.Maailmanlaajuinen internetin käyttö muuttuu yhä liikkuvammaksi, ja mobiilidatan käyttö kasvaa eksponentiaalisesti. Tämä kohdistaa yhä suurempia vaatimuksia radiotaajuusspektriin, jota mobiili- ja Wi-Fi-verkot käyttävät. Näin ollen tutkijat ovat kehittäneet langattomia teknologioita hyödyntäen myös muita sähkömagneettisen spektrin osia – erityisesti näkyvää valoa. Yksi näkyvän valon sovellus langattomassa viestinnässä ovat viivakoodit. Tässä työssä kehitämme kaksiulotteisen viivakoodin, joka pystyy välittämään eri tietoa katselijoille eri etäisyyksillä. Aiempi etäisyyden huomioivien viivakoodien tutkimus on keskittynyt tarjoamaan lähellä olevalle katselijalle enemmän tietoa, koska läheinen katselija näkee viivakoodin tarkemmin. Sitä vastoin me keskitymme käyttötapauksiin, joissa eri käyttäjäroolien välillä on selkeä etäisyydellinen ero, kuten esimerkiksi esitelmissä puhujan ja yleisön välillä. Tarkastelemme kahta menetelmää: yksittäisten värien muutoksia etäisyyden muuttuessa ja kahden värin sekoittumista etäisyyden kasvaessa. Tulostemme perusteella nykyaikainen älypuhelin pystyy hyödyntämään yksittäisten värien muutoksia ihanteellisissa olosuhteissa, mutta ulkoiset tekijät, kuten ympäristön valaistus, aiheuttavat liian suuria värimuutoksia käytännön käyttötapauksissa. Toisaalta värien sekoittuminen on johdonmukaista muuttuvassa sisäympäristössä ja sitä voidaan käyttää luotettavan viivakoodin luomisessa. Näin ollen me suunnittelemme etäisyyden huomioivan viivakoodin hyödyntäen värien sekoittumista. Toteutamme ratkaisumme yleisesti saatavilla olevalle Android-älypuhelimelle. Kokeellisten tulostemme perusteella menetelmämme saavuttaa selkeän erottelun läheisten ja kaukaisten katselijoiden välillä. Esimerkkikäyttötapauksena toteutamme myös esitelmäjärjestelmän, jossa sama viivakoodi antaa lähellä olevalle puhujalle nopean pääsyn esitystyökaluihin ja kauempana olevalle yleisölle pääsyn esityksen apumateriaaliin

Digital watermarking and novel security devices

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

UTILIZING AUTOMATIC IDENTIFICATION TRACKING SYSTEMS TO COMPILE OPERATIONAL FIELD AND STRUCTURE DATA

The Maryland State Highway Administration (SHA) and its Office of Materials Technology (OMT) is responsible for ensuring the materials used on its roadway system are properly designed, produced, and built to the approved standards. Each technology subdivision is responsible for the quality assurance of the materials used in transportation facility construction. The management of these materials relies on a series of intensive human processes involving sample collection and delivery. As the materials travel throughout the OMT, associated material information is manually recorded into a localized network database and the Material Management System (MMS) separately. The current large amount of human involvement necessary in the material clearance process can be streamlined with the integration of automatic identification technology (AIT). This study utilizes past implementations of AIT into civil engineering and construction applications to provide the SHA with AIT system hardware recommendations, software development considerations, estimated investment costs, and return on investment

Алгоритмічне та програмне забезпечення процесів автоматичної ідентифікації об’єктів логістики на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору

Автоматична ідентифікація об’єктів є важливим аспектом у багатьох галузях людської діяльності, однією з яких є логістика. Застосування технологій автоматичної ідентифікації об’єктів логістики дозволяє спростити відстежування їхнього місцезнаходження під час транспортування та складського зберігання, а також забезпечити процеси контролю, звітування тощо. Це позитивно впливає на інтенсифікацію виробництва, торгівлі, зокрема міжнародної, поштових сервісів тощо завдяки безпомилковому та швидкому доступу до інформації про об’єкти обліку, а також автоматичному збору даних про них та оновлення цих даних у програмних системах без втручання людини. Автоматична ідентифікація об’єктів може ґрунтуватись на технологіях подання даних на основі штрихових кодів, радіочастотної ідентифікації, смарт-карт тощо. Однією з найпоширеніших технологій автоматичної ідентифікації об’єктів є технологія на основі штрихового кодування інформації, яка забезпечує високу точність та швидкість введення інформації до комп’ютерних систем та є економічно привабливою завдяки низькій вартості витратних матеріалів і доступному обладнанню. На сьогодні існує низка підходів до подання даних у вигляді штрихових кодів, проте досі залишаються актуальними задачі підвищення щільності подання інформації у вигляді штрихових кодів та підвищення завадостійкості штрихкодових позначок. Іншою важливою проблемою, пов’язаною зі створенням програмних систем на основі технології штрихового кодування для галузі логістики, є відсутність проблемно-орієнтованого підходу до задачі інтегрування елементів технології штрихового кодування при розробленні програмного забезпечення процесів автоматичної ідентифікації об’єктів. Наявність зазначених актуальних задач та проблем визначає актуальну науково-технічну задачу підвищення ефективності розроблення алгоритмічного та програмного забезпечення процесів автоматичної ідентифікації об’єктів на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору, яка вирішується у цій дисертаційній роботі. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності логістичних систем за рахунок автоматизації виробничих процесів на основі високощільного штрихового кодування даних про об’єкти логістики. У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано алгоритмічно-програмні рішення для автоматичної ідентифікації об’єктів у галузі логістики, зокрема вивчено сучасний стан логістичного програмного забезпечення, досліджено методи автоматичної ідентифікації об’єктів та особливості оброблення штрихкодованої інформації, що дозволило сформувати основні вимоги до програмного забезпечення процесів автоматичної ідентифікації об’єктів логістики. У другому розділі розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення процесів формування даних на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору, зокрема сформульовано задачу забезпечення компактного подання даних у вигляді штрихкодових зображень, розроблено й досліджено алгоритмічне та програмне забезпечення процесів ущільнення даних при формуванні штрихкодових позначок, розроблено й досліджено алгоритмічне та програмне забезпечення процесів формування дворівневих штрихкодових позначок. У третьому розділі розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення завадостійкості штрихових кодів з трьома градаціями кольору, зокрема сформульовано задачу забезпечення завадостійкості штрихкодових зображень, розроблено й досліджено алгоритмічне та програмне забезпечення завадостійкості штрихових кодів з трьома градаціями кольору. Четвертий розділ присвячено створенню елементів технології проєктування програмного забезпечення процесів автоматичної ідентифікації об’єктів логістики на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору, зокрема запропоновано шкалу пріоритизації вимог до розроблюваної програмної системи, сформульовано вимоги до програмної системи для автоматичної ідентифікації об’єктів логістики на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору, запропоновано базову архітектуру програмної системи автоматичної ідентифікації об’єктів на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору, розроблено шаблон проєктування «Перетворювач», визначено основні етапи технології проєктування програмних засобів для автоматичної ідентифікації об’єктів логістики на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору. У дисертаційній роботі отримано низку нових наукових результатів, зокрема уперше запропоновано базову архітектуру програмної системи автоматичної ідентифікації об’єктів логістики на основі штрихових кодів з трьома градаціями кольору, використання якої дозволяє спростити процес розроблення програмного забезпечення систем автоматичної ідентифікації об’єктів та яка, на відміну від існуючих, створює можливість дворівневого доступу до інформації про об’єкт логістики та підвищення щільності подання даних завдяки використанню дворівневих штрихових кодів з трьома градаціями кольору. Уперше розроблено структурний метод ущільнення алфавітно-цифрових даних, що підлягають поданню у вигляді штрихового коду з трьома градаціями кольору, який передбачає використання, крім комп’ютерного алфавіту ASCII, кількох додаткових алфавітів з потужностями, меншими за 256 (потужність ASCII), та ґрунтується на розбитті вхідної алфавітно-цифрової послідовності на суміжні підпослідовності символів та їх перетворенні у триколірні (трійкові) штрихкодові знаки, сумарна довжина яких менша, аніж трійкова довжина вхідних повідомлень, що підвищує інформаційну щільність подання даних на носії у середньому в 1,16–1,5 разів та переважає аналогічний показник у разі застосування для ущільнення статистичних методів (на основі кодів Хаффмана, Шеннона-Фано). Уперше розроблено математичну модель, яка дозволяє здійснювати вибір оптимальної кількості додаткових (окрім ASCII) алфавітів для використання при перетворенні вхідних алфавітно-цифрових даних, що підлягають поданню у вигляді штрихових кодів з трьома градаціями кольору, та визначати оптимальні потужності цих алфавітів і тип перетворення підпослідовностей суміжних символів у числову форму, за яких досягається максимально можливе інформаційне ущільнення даних на штрихкодовому носії. Уперше розроблено алгоритмічне забезпечення процесу завадозахищеного кодування штрихкодових позначок з трьома градаціями кольору, визначальною рисою якого є застосування обчислень у скінченому полі (3 )s GF за модулем незвідного многочлена степеня s, що забезпечує виправлення спотворень двох видів – помилок і стирань, та уможливлює відновлення даних при ушкодженні до 37,5% площі штрихкодового зображення. Уперше розроблено метод дворівневого штрихового кодування двох незалежних наборів даних та алгоритмічне забезпечення процесів формування штрихкодових позначок з трьома градаціями кольору, характерною рисою яких є застосування процедур визначення контрольного біта для подання другого набору даних та створення дворівневої штрихкодової позначки, що забезпечує розмежування доступу до інформації про об’єкт логістики. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 7 наукових працях, зокрема у 5 наукових статтях, з яких 1 статтю опубліковано у закордонному фаховому виданнях третього квартиля (Q3), яке проіндексоване в базі даних Scopus, 1 статтю опубліковано у періодичному науковому виданні держави, яка входить до Організації економічного співробітництва та розвитку та Європейського Союзу, 1 статтю опубліковано у виданні, включеному до переліку наукових фахових видань України з присвоєнням категорії «А», і 2 статті опубліковано у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України з присвоєнням категорії «Б», та у 2 матеріалах науково-технічних конференцій, з яких 1 публікація у матеріалах міжнародної наукової конференції, що проіндексовано у базі даних Scopus

SYNERGIZING GENETIC ENGINEERING AND EVOLUTIONARY BIOLOGY: ANIMAL-BASED LINEAGE TRACKING TO STUDY ADAPTIVE MUTATIONS

The fitness effects of new mutations are one of the central drivers of evolutionary change. Mutation is the ultimate source of novel genetic diversity, yet only a small fraction of new mutations provides an adaptive advantage. Additionally, many new adaptive mutations provide only a slight advantage and are challenging to identify and quantify their selection coefficient. Furthermore, a given mutation may be advantageous in one environment and disadvantageous in another environment. Natural selection acts upon the phenotype produced by the new mutation and if adaptive, the mutation can increase in frequency. Evolution acts though the lineage–the fundamental unit of evolution–because it is the lineage which changes overtime in response to selection. Over the past 150 years a robust and comprehensive set of theory has been developed around evolutionary biology and adaptive mutations. However, comprehensive estimation of the fitness effects of new mutations has remained challenging, but recent developments in genetic engineering open new opportunities to significantly advance the field. Within this dissertation, I present several novel approaches for editing the genome using a large genomic library, which allows the implementation of barcoding approach for evolutionary lineage tracking in an animal system for the first time. I apply this methodology to measure the fitness of a known Ivermectin resistant strain of Caenorhabditis elegans in what is the largest animal experimental evolution to date and highlight important new directions in evolution and genomics that this new approach allows

Subcellular Molecular Profiling of Midbrain Dopamine Neurons

Midbrain dopamine neurons play a critical role in motor function, motivation, reward, and cognition by providing modulatory input to cortical and basal ganglia circuits. Given the importance of dopamine neurotransmission and its dysregulation in disease, mechanistic insight into the molecular underpinnings of dopaminergic neuronal function is needed. This thesis seeks to advance our understanding of dopamine neuronal cell biology by developing and applying cutting edge molecular profiling methods to study the subcellular translatome and proteome of dopamine neurons in mice. Chapter 1 provides an overview of the anatomy and cell biology of midbrain dopamine systems, with a particular emphasis on dopamine neurotransmission, neuronal heterogeneity, and selective vulnerability in Parkinson’s disease. Chapter 2 focuses on methods for studying local translation in neurons and describes newly discovered artifacts associated with two of these methods. Chapter 3 describes a global analysis of ribosome and mRNA localization in dopamine neurons; the results suggest that local translation in dopaminergic dendrites, but not axons, regulates dopamine release. Chapter 4 presents a method for subcellular proteomic profiling of dopamine neurons in the mouse brain, revealing the somatodendritic and axonal polarization of proteins encoded by Parkinson’s disease-linked genes. Emerging data are presented on Synaptotagmin 17, a novel axonal protein identified in midbrain dopamine neurons. Finally, I synthesize key findings regarding the molecular organization underlying dopamine neuronal cell biology and highlight promising areas for future investigation

Error Resilient Video Coding Using Bitstream Syntax And Iterative Microscopy Image Segmentation

There has been a dramatic increase in the amount of video traffic over the Internet in past several years. For applications like real-time video streaming and video conferencing, retransmission of lost packets is often not permitted. Popular video coding standards such as H.26x and VPx make use of spatial-temporal correlations for compression, typically making compressed bitstreams vulnerable to errors. We propose several adaptive spatial-temporal error concealment approaches for subsampling-based multiple description video coding. These adaptive methods are based on motion and mode information extracted from the H.26x video bitstreams. We also present an error resilience method using data duplication in VPx video bitstreams. A recent challenge in image processing is the analysis of biomedical images acquired using optical microscopy. Due to the size and complexity of the images, automated segmentation methods are required to obtain quantitative, objective and reproducible measurements of biological entities. In this thesis, we present two techniques for microscopy image analysis. Our first method, “Jelly Filling” is intended to provide 3D segmentation of biological images that contain incompleteness in dye labeling. Intuitively, this method is based on filling disjoint regions of an image with jelly-like fluids to iteratively refine segments that represent separable biological entities. Our second method selectively uses a shape-based function optimization approach and a 2D marked point process simulation, to quantify nuclei by their locations and sizes. Experimental results exhibit that our proposed methods are effective in addressing the aforementioned challenges

Physical principles for scalable neural recoding

Simultaneously measuring the activities of all neurons in a mammalian brain at millisecond resolution is a challenge beyond the limits of existing techniques in neuroscience. Entirely new approaches may be required, motivating an analysis of the fundamental physical constraints on the problem. We outline the physical principles governing brain activity mapping using optical, electrical, magnetic resonance, and molecular modalities of neural recording. Focusing on the mouse brain, we analyze the scalability of each method, concentrating on the limitations imposed by spatiotemporal resolution, energy dissipation, and volume displacement. Based on this analysis, all existing approaches require orders of magnitude improvement in key parameters. Electrical recording is limited by the low multiplexing capacity of electrodes and their lack of intrinsic spatial resolution, optical methods are constrained by the scattering of visible light in brain tissue, magnetic resonance is hindered by the diffusion and relaxation timescales of water protons, and the implementation of molecular recording is complicated by the stochastic kinetics of enzymes. Understanding the physical limits of brain activity mapping may provide insight into opportunities for novel solutions. For example, unconventional methods for delivering electrodes may enable unprecedented numbers of recording sites, embedded optical devices could allow optical detectors to be placed within a few scattering lengths of the measured neurons, and new classes of molecularly engineered sensors might obviate cumbersome hardware architectures. We also study the physics of powering and communicating with microscale devices embedded in brain tissue and find that, while radio-frequency electromagnetic data transmission suffers from a severe power–bandwidth tradeoff, communication via infrared light or ultrasound may allow high data rates due to the possibility of spatial multiplexing. The use of embedded local recording and wireless data transmission would only be viable, however, given major improvements to the power efficiency of microelectronic devices

Neurotransmitters and receptors in the motion vision pathway of Drosophila

The fruit fly Drosophila melanogaster is one of the most popular model organisms being used in the life sciences. Due to its small number of neurons compared to other vertebrate species and its genetic access, it has also proven itself to be an optimal model organism for neuroscience. Especially, the field of systems neuroscience has made quick advances in its study of neural circuits of the fly brain underlying sensory perception such as olfaction and vision, as well as complex behaviors such as mating, learning, and memory. The motion vision pathway in the optic lobe of the fruit fly is a prominent example of a computation-performing neural circuit that researchers have been trying to understand for decades. While the wiring of the main circuit elements has been described via EM-reconstructions and their response properties have been characterized comprehensively, the molecular mechanisms of direction-selectivity still remain elusive. However, subcellular components such as neurotransmitter receptors and ion channels are important since they define the sign and the temporal dynamics of synaptic connections within a circuit. Hence, the main focus of my thesis was the investigation of neurotransmitter receptors in the primary motion sensing T4/T5 neurons of the fly brain, including the development of required genetic tools. First, we developed a protocol for super-resolution STED imaging in Drosophila brain slices which allowed us to resolve fine dendritic structures of individual T4/T5 neurons deep inside the brain (Manuscript 1). Second, we used the glutamate sensor iGluSnFR to characterize the temporal dynamics of the three glutamatergic cell types of the motion vision pathway L1, Mi9 and LPi (Manuscript 2). We validated the usability of iGluSnFR for measuring glutamate signaling in adult Drosophila brains and found that responses recorded with iGluSnFR are faster than GCaMP signals of the same cells. In Manuscript 3, we developed new genetic strategies for conditional protein labeling. Specifically, we introduced FlpTag, a tool for endogenous, conditional labeling of proteins by means of a flippase-dependent, invertible GFP cassette integrated in the endogenous gene locus. Using these methods, we explored the subcellular localizations of neurotransmitter receptors for glutamate, GABA, acetylcholine and voltage-gated ion channels in T4/T5 neurons in Drosophila melanogaster. Within the dendrite, receptor subunits localize to different regions and in a spatial order that exactly matches the EM-reconstructed synapse numbers and distributions of the different input neurons described in previous studies. Further, we discovered a strictly segregated subcellular distribution of two voltage-gated ion channels in dendrite vs. axonal fibers in T4/T5 neurons. These findings lay the foundation for future functional investigations of receptors and ion channels in T4/T5 neurons and will be used by biophysically realistic model simulations of the motion-detecting circuit. In summary, we employed new methods to investigate neurotransmitters, their corresponding receptors, and voltage-gated ion channels in the motion vision pathway of the fruit fly. This work advanced our understanding of the biophysical mechanisms of motion-vision. Future studies can build on it to investigate the full molecular repertoire of T4/T5 neurons. Potentially, the strategies presented in this thesis can be expanded to different circuits or even different species in the future