125 research outputs found

    Individual Colorimetric Observers for Personalized Color Imaging

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    Colors are typically described by three values such as RGB, XYZ, and HSV. This is rooted to the fact that humans possess three types of photoreceptors under photopic conditions, and human color vision can be characterized by a set of three color matching functions (CMFs). CMFs integrate spectra to produce three colorimetric values that are related to visual responses. In reality, large variations in CMFs exist among color-normal populations. Thus, a pair of two spectrally different stimuli might be a match for one person but a mismatch for another person, also known as observer metamerism. Observer metamerism is a serious issue in color-critical applications such as soft proofing in graphic arts and color grading in digital cinema, where colors are compared on different displays. Due to observer metamerism, calibrated displays might not appear correctly, and one person might disagree with color adjustments made by another person. The recent advent of wide color gamut display technologies (e.g., LEDs, OLEDs, lasers, and Quantum Dots) has made observer metamerism even more serious due to their spectrally narrow primaries. The variations among normal color vision and observer metamerism have been overlooked for many years. The current typical color imaging workflow uses a single standard observer assuming all the color-normal people possess the same CMFs. This dissertation provides a possible solution for observer metamerism in color-critical applications by personalized color imaging introducing individual colorimetric observers. In this dissertation, at first, color matching data were collected to derive and validate CMFs for individual colorimetric observers. The data from 151 color-normal observers were obtained at four different locations. Second, two types of individual colorimetric observer functions were derived and validated. One is an individual colorimetric observer model, an extension of the CIE 2006 physiological observer incorporating eight physiological parameters to model individuals in addition to age and field size inputs. The other is a set of categorical observer functions providing a more convenient approach towards the personalized color imaging. Third, two workflows were proposed to characterize human color vision: one using a nomaloscope and the other using proposed spectral pseudoisochromatic images. Finally, the personalized color imaging was evaluated in a color image matching study on an LCD monitor and a laser projector and in a perceived color difference study on a SHARP Quattron display. The personalized color imaging was implemented using a newly introduced ICC profile, iccMAX

    Segmentation of motion picture images and image sequences

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    High-dynamic-range displays : contributions to signal processing and backlight control

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    High-throughput phenotyping of yield parameters for modern grapevine breeding

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    Weinbau wird auf 1% der deutschen Agrarfläche betrieben. Auf dieser vergleichsweise kleinen Anbaufläche wird jedoch ein Drittel aller in der deutschen Landwirtschaft verwendeten Fungizide appliziert, was auf die Einführung von Schaderregern im 19. Jahrhundert zurück zu führen ist. Für einen nachhaltigen Anbau ist eine Reduktion des Pflanzenschutzmittelaufwands dringend notwendig. Dieses Ziel kann durch die Züchtung und den Anbau neuer, pilzwiderstandsfähiger Rebsorten erreicht werden. Die Rebenzüchtung als solche ist sehr zeitaufwendig, da die Entwicklung neuer Rebsorten 20 bis 25 Jahre dauert. Der Einsatz der markergestützten Selektion (MAS) erhöht die Effizienz der Selektion in der Rebenzüchtung fortwährend. Eine weitere Effizienzsteigerung ist mit der andauernden Verbesserung der Hochdurchsatz Genotypisierung zu erwarten. Im Vergleich zu den Methoden der Genotypisierung ist die Qualität, Objektivität und Präzision der traditionellen Phänotypisierungsmethoden begrenzt. Die Effizienz in der Rebenzüchtung soll mit der Entwicklung von Hochdurchsatz Methoden zur Phänotypisierung durch sensorgestützte Selektion weiter gesteigert werden. Hierfür sind bisher vielfältige Sensortechniken auf dem Markt verfügbar. Das Spektrum erstreckt sich von RGB-Kameras über Multispektral-, Hyperspektral-, Wärmebild- und Fluoreszenz- Kameras bis hin zu 3D-Techniken und Laserscananwendungen. Die Phänotypisierung von Pflanzen kann unter kontrollierten Bedingungen in Klimakammern oder Gewächshäusern beziehungsweise im Freiland stattfinden. Die Möglichkeit einer standardisierten Datenaufnahme nimmt jedoch kontinuierlich ab. Bei der Rebe als Dauerkultur erfolgt die Aufnahme äußerer Merkmale, mit Ausnahme junger Sämlinge, deshalb auch überwiegend im Freiland. Variierende Lichtverhältnisse, Ähnlichkeit von Vorder- und Hintergrund sowie Verdeckung des Merkmals stellen aus methodischer Sicht die wichtigsten Herausforderungen in der sensorgestützen Merkmalserfassung dar. Bis heute erfolgt die Aufnahme phänotypischer Merkmale im Feld durch visuelle Abschätzung. Hierbei werden die BBCH Skala oder die OIV Deskriptoren verwendet. Limitierende Faktoren dieser Methoden sind Zeit, Kosten und die Subjektivität bei der Datenerhebung. Innerhalb des Züchtungsprogramms kann daher nur ein reduziertes Set an Genotypen für ausgewählte Merkmale evaluiert werden. Die Automatisierung, Präzisierung und Objektivierung phänotypischer Daten soll dazu führen, dass (1) der bestehende Engpass an phänotypischen Methoden verringert, (2) die Effizienz der Rebenzüchtung gesteigert, und (3) die Grundlage zukünftiger genetischer Studien verbessert wird, sowie (4) eine Optimierung des weinbaulichen Managements stattfindet. Stabile und über die Jahre gleichbleibende Erträge sind für eine Produktion qualitativ hochwertiger Weine notwendig und spielen daher eine Schlüsselrolle in der Rebenzüchtung. Der Fokus dieser Studie liegt daher auf Ertragsmerkmalen wie der Beerengröße, Anzahl der Beeren pro Traube und Menge der Trauben pro Weinstock. Die verwandten Merkmale Traubenarchitektur und das Verhältnis von generativem und vegetativem Wachstum wurden zusätzlich bearbeitet. Die Beurteilung von Ertragsmerkmalen auf Einzelstockniveau ist aufgrund der genotypischen Varianz und der Vielfältigkeit des betrachteten Merkmals komplex und zeitintensiv. Als erster Schritt in Richtung Hochdurchsatz (HT) Phänotypisierung von Ertragsmerkmalen wurden zwei voll automatische Bildinterpretationsverfahren für die Anwendung im Labor entwickelt. Das Cluster Analysis Tool (CAT) ermöglicht die bildgestützte Erfassung der Traubenlänge, -breite und -kompaktheit, sowie der Beerengröße. Informationen über Anzahl, Größe (Länge, Breite) und das Volumen der einzelnen Beeren liefert das Berry Analysis Tool (BAT). Beide Programme ermöglichen eine gleichzeitige Erhebung mehrerer, präziser phänotypischer Merkmale und sind dabei schnell, benutzerfreundlich und kostengünstig. Die Möglichkeit, den Vorder- und Hintergrund in einem Freilandbild zu unterscheiden, ist besonders in einem frühen Entwicklungsstadium der Rebe aufgrund der fehlenden Laubwand schwierig. Eine Möglichkeit, die beiden Ebenen in der Bildanalyse zu trennen, ist daher unerlässlich. Es wurde eine berührungsfreie, schnelle sowie objektive Methode zur Bestimmung des Winterschnittholzgewichts, welches das vegetative Wachstum der Rebe beschreibt, entwickelt. In einem innovativen Ansatz wurde unter Kombination von Tiefenkarten und Bildsegmentierung die sichtbare Winterholzfläche im Bild bestimmt. Im Zuge dieser Arbeit wurde die erste HT Phänotypisierungspipeline für die Rebenzüchtung aufgebaut. Sie umfasst die automatisierte Bildaufnahme im Freiland unter Einsatz des PHENObots, das Datenmanagement mit Datenanalyse sowie die Interpretation des erhaltenen phänotypischen Datensatzes. Die Basis des PHENObots ist ein automatisiert gesteuertes Raupenfahrzeug. Des Weiteren umfasst er ein Multi-Kamera- System, ein RTK-GPS-System und einen Computer zur Datenspeicherung. Eine eigens entwickelte Software verbindet die Bilddaten mit der Standortreferenz. Diese Referenz wird anschließend für das Datenmanagement in einer Datenbank verwendet. Um die Funktionalität der Phänotypisierungspipeline zu demonstrieren, wurden die Merkmale Beerengröße und -farbe im Rebsortiment des Geilweilerhofes unter Verwendung des Berries In Vineyard (BIVcolor) Programms erfasst. Im Durschnitt werden 20 Sekunden pro Weinstock für die Bildaufnahme im Feld benötigt, gefolgt von der Extraktion der Merkmale mittels automatischer, objektiver und präziser Bildauswertung. Im Zuge dieses Versuches konnten mit dem PHENObot 2700 Weinstöcke in 12 Stunden erfasst werden, gefolgt von einer automatischen Bestimmung der Merkmale Beerengröße und -farbe aus den Bildern. Damit konnte die grundsätzliche Machbarkeit bewiesen werden. Diese Pilotpipeline bietet nun die Möglichkeit zur Entwicklung weiterer innovativer Programme zur Erhebung neuer Merkmale sowie die Integration zusätzlicher Sensoren auf dem PHENObot.Grapevine is grown on about 1% of the German agricultural area requiring one third of all fungicides sprayed due to pathogens being introduced within the 19th century. In spite of this requirement for viticulture a reduction is necessary to improve sustainability. This objective can be achieved by growing fungus resistant grapevine cultivars. The development of new cultivars, however, is very time-consuming, taking 20 to 25 years. In recent years the breeding process could be increased considerably by using marker assisted selection (MAS). Further improvements of MAS applications in grapevine breeding will come along with developing of faster and more cost efficient high-throughput (HT) genotyping methods.Complementary to genotyping techniques the quality, objectivity and precision of current phenotyping methods is limited and HT phenotyping methods need to be developed to further increase the efficiency of grapevine breeding through sensor assisted selection. Many different types of sensors technologies are available ranging from visible light sensors (Red Green Blue (RGB) cameras), multispectral, hyperspectral, thermal, and fluorescence cameras to three dimensional (3D) camera and laser scan approaches. Phenotyping can either be done under controlled environments (growth chamber, greenhouse) or can take place in the field, with a decreasing level of standardization. Except for young seedlings, grapevine as a perennial plant needs ultimately to be screened in the field. From a methodological point of view a variety of challenges need to be considered like the variable light conditions, the similarity of fore- and background, and in the canopy hidden traits.The assessment of phenotypic data in grapevine breeding is traditionally done directly in the field by visual estimations. In general the BBCH scale is used to acquire and classify the stages of annual plant development or OIV descriptors are applied to assess the phenotypes into classes. Phenotyping is strongly limited by time, costs and the subjectivity of records. Therefore, only a comparably small set of genotypes is evaluated for certain traits within the breeding process. Due to that limitation, automation, precision and objectivity of phenotypic data evaluation is crucial in order to (1) reduce the existing phenotyping bottleneck, (2) increase the efficiency of grapevine breeding, (3) assist further genetic studies and (4) ensure improved vineyard management. In this theses emphasis was put on the following aspects: Balanced and stable yields are important to ensure a high quality wine production playing a key role in grapevine breeding. Therefore, the main focus of this study is on phenotyping different parameters of yield such as berry size, number of berries per cluster, and number of clusters per vine. Additionally, related traits like cluster architecture and vine balance (relation between vegetative and generative growth) were considered. Quantifying yield parameters on a single vine level is challenging. Complex shapes and slight variations between genotypes make it difficult and very time-consuming.As a first step towards HT phenotyping of yield parameters two fully automatic image interpretation tools have been developed for an application under controlled laboratory conditions to assess individual yield parameters. Using the Cluster Analysis Tool (CAT) four important phenotypic traits can be detected in one image: Cluster length, cluster width, berry size and cluster compactness. The utilization of the Berry Analysis Tool (BAT) provides information on number, size (length and width), and volume of grapevine berries. Both tools offer a fast, user-friendly and cheap procedure to provide several precise phenotypic features of berries and clusters at once with dimensional units in a shorter period of time compared to manual measurements.The similarity of fore- and background in an image captured under field conditions is especially difficult and crucial for image analysis at an early grapevine developmental stage due to the missing canopy. To detect the dormant pruning wood weight, partly determining vine balance, a fast and non-invasive tool for objective data acquisition in the field was developed. In an innovative approach it combines depth map calculation and image segmentation to subtract the background of the vine obtaining the pruning area visible in the image. For the implementation of HT field phenotyping in grapevine breeding a phenotyping pipeline has been set up. It ranges from the automated image acquisition directly in the field using the PHENObot, to data management, data analysis and the interpretation of obtained phenotypic data for grapevine breeding aims. The PHENObot consists of an automated guided tracked vehicle system, a calibrated multi camera system, a Real-Time-Kinematic GPS system and a computer for image data handling. Particularly developed software was applied in order to acquire geo referenced images directly in the vineyard. The geo-reference is afterwards used for the post-processing data management in a database. As phenotypic traits to be analysed within the phenotyping pipeline the detection of berries and the determination of the berry size and colour were considered. The highthroughput phenotyping pipeline was tested in the grapevine repository at Geilweilerhof to extract the characteristics of berry size and berry colour using the Berries In Vineyards (BIVcolor) tool. Image data acquisition took about 20 seconds per vine, which afterwards was followed by the automatic image analysis to extract objective and precise phenotypic data. In was possible to capture images of 2700 vines within 12 hours using the PHENObot and subsequently automatic analysis of the images and extracting berry size and berry colour. With this analysis proof of principle was demonstrated. The pilot pipeline providesthe basis for further development of additional evaluation modules as well as the integration of other sensors

    Texture and Colour in Image Analysis

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    Research in colour and texture has experienced major changes in the last few years. This book presents some recent advances in the field, specifically in the theory and applications of colour texture analysis. This volume also features benchmarks, comparative evaluations and reviews

    Defect and thickness inspection system for cast thin films using machine vision and full-field transmission densitometry

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    Quick mass production of homogeneous thin film material is required in paper, plastic, fabric, and thin film industries. Due to the high feed rates and small thicknesses, machine vision and other nondestructive evaluation techniques are used to ensure consistent, defect-free material by continuously assessing post-production quality. One of the fastest growing inspection areas is for 0.5-500 micrometer thick thin films, which are used for semiconductor wafers, amorphous photovoltaics, optical films, plastics, and organic and inorganic membranes. As a demonstration application, a prototype roll-feed imaging system has been designed to inspect high-temperature polymer electrolyte membrane (PEM), used for fuel cells, after being die cast onto a moving transparent substrate. The inspection system continuously detects thin film defects and classifies them with a neural network into categories of holes, bubbles, thinning, and gels, with a 1.2% false alarm rate, 7.1% escape rate, and classification accuracy of 96.1%. In slot die casting processes, defect types are indicative of a misbalance in the mass flow rate and web speed; so, based on the classified defects, the inspection system informs the operator of corrective adjustments to these manufacturing parameters. Thickness uniformity is also critical to membrane functionality, so a real-time, full-field transmission densitometer has been created to measure the bi-directional thickness profile of the semi-transparent PEM between 25-400 micrometers. The local thickness of the 75 mm x 100 mm imaged area is determined by converting the optical density of the sample to thickness with the Beer-Lambert law. The PEM extinction coefficient is determined to be 1.4 D/mm and the average thickness error is found to be 4.7%. Finally, the defect inspection and thickness profilometry systems are compiled into a specially-designed graphical user interface for intuitive real-time operation and visualization.M.S.Committee Chair: Tequila Harris; Committee Member: Levent Degertekin; Committee Member: Wayne Dale
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