Coherent and Holographic Imaging Methods for Immersive Near-Eye Displays

Lähinäytöt on suunniteltu tarjoamaan realistisia kolmiulotteisia katselukokemuksia, joille on merkittävää tarvetta esimerkiksi työkoneiden etäkäytössä ja 3D-suunnittelussa. Nykyaikaiset lähinäytöt tuottavat kuitenkin edelleen ristiriitaisia visuaalisia vihjeitä, jotka heikentävät immersiivistä kokemusta ja haittaavat niiden miellyttävää käyttöä. Merkittävänä ratkaisuvaihtoehtona pidetään koherentin valon, kuten laservalon, käyttöä näytön valaistukseen, millä voidaan korjata nykyisten lähinäyttöjen puutteita. Erityisesti koherentti valaistus mahdollistaa holografisen kuvantamisen, jota käyttävät holografiset näytöt voivat tarkasti jäljitellä kolmiulotteisten mallien todellisia valoaaltoja. Koherentin valon käyttäminen näyttöjen valaisemiseen aiheuttaa kuitenkin huomiota vaativaa korkean kontrastin häiriötä pilkkukuvioiden muodossa. Lisäksi holografisten näyttöjen laskentamenetelmät ovat laskennallisesti vaativia ja asettavat uusia haasteita analyysin, pilkkuhäiriön ja valon mallintamisen suhteen. Tässä väitöskirjassa tutkitaan laskennallisia menetelmiä lähinäytöille koherentissa kuvantamisjärjestelmässä käyttäen signaalinkäsittelyä, koneoppimista sekä geometrista (säde) ja fysikaalista (aalto) optiikan mallintamista. Työn ensimmäisessä osassa keskitytään holografisten kuvantamismuotojen analysointiin sekä kehitetään hologrammien laskennallisia menetelmiä. Holografian korkeiden laskentavaatimusten ratkaisemiseksi otamme käyttöön holografiset stereogrammit holografisen datan likimääräisenä esitysmuotona. Tarkastelemme kyseisen esitysmuodon visuaalista oikeellisuutta kehittämällä analyysikehyksen holografisen stereogrammin tarjoamien visuaalisten vihjeiden tarkkuudelle akkommodaatiota varten suhteessa sen suunnitteluparametreihin. Lisäksi ehdotamme signaalinkäsittelyratkaisua pilkkuhäiriön vähentämiseksi, ratkaistaksemme nykyisten menetelmien valon mallintamiseen liittyvät visuaalisia artefakteja aiheuttavat ongelmat. Kehitämme myös uudenlaisen holografisen kuvantamismenetelmän, jolla voidaan mallintaa tarkasti valon käyttäytymistä haastavissa olosuhteissa, kuten peiliheijastuksissa. Väitöskirjan toisessa osassa lähestytään koherentin näyttökuvantamisen laskennallista taakkaa koneoppimisen avulla. Kehitämme koherentin akkommodaatioinvariantin lähinäytön suunnittelukehyksen, jossa optimoidaan yhtäaikaisesti näytön staattista optiikka ja näytön kuvan esikäsittelyverkkoa. Lopuksi nopeutamme ehdottamaamme uutta holografista kuvantamismenetelmää koneoppimisen avulla reaaliaikaisia sovelluksia varten. Kyseiseen ratkaisuun sisältyy myös tehokkaan menettelyn kehittäminen funktionaalisten satunnais-3D-ympäristöjen tuottamiseksi. Kehittämämme menetelmä mahdollistaa suurten synteettisten moninäkökulmaisten kuvien datasettien tuottamisen, joilla voidaan kouluttaa sopivia neuroverkkoja mallintamaan holografista kuvantamismenetelmäämme reaaliajassa. Kaiken kaikkiaan tässä työssä kehitettyjen menetelmien osoitetaan olevan erittäin kilpailukykyisiä uusimpien koherentin valon lähinäyttöjen laskentamenetelmien kanssa. Työn tuloksena nähdään kaksi vaihtoehtoista lähestymistapaa ristiriitaisten visuaalisten vihjeiden aiheuttamien nykyisten lähinäyttöongelmien ratkaisemiseksi joko staattisella tai dynaamisella optiikalla ja reaaliaikaiseen käyttöön soveltuvilla laskentamenetelmillä. Esitetyt tulokset ovat näin ollen tärkeitä seuraavan sukupolven immersiivisille lähinäytöille.Near-eye displays have been designed to provide realistic 3D viewing experience, strongly demanded in applications, such as remote machine operation, entertainment, and 3D design. However, contemporary near-eye displays still generate conflicting visual cues which degrade the immersive experience and hinders their comfortable use. Approaches using coherent, e.g., laser light for display illumination have been considered prominent for tackling the current near-eye display deficiencies. Coherent illumination enables holographic imaging whereas holographic displays are expected to accurately recreate the true light waves of a desired 3D scene. However, the use of coherent light for driving displays introduces additional high contrast noise in the form of speckle patterns, which has to be taken care of. Furthermore, imaging methods for holographic displays are computationally demanding and impose new challenges in analysis, speckle noise and light modelling. This thesis examines computational methods for near-eye displays in the coherent imaging regime using signal processing, machine learning, and geometrical (ray) and physical (wave) optics modeling. In the first part of the thesis, we concentrate on analysis of holographic imaging modalities and develop corresponding computational methods. To tackle the high computational demands of holography, we adopt holographic stereograms as an approximative holographic data representation. We address the visual correctness of such representation by developing a framework for analyzing the accuracy of accommodation visual cues provided by a holographic stereogram in relation to its design parameters. Additionally, we propose a signal processing solution for speckle noise reduction to overcome existing issues in light modelling causing visual artefacts. We also develop a novel holographic imaging method to accurately model lighting effects in challenging conditions, such as mirror reflections. In the second part of the thesis, we approach the computational complexity aspects of coherent display imaging through deep learning. We develop a coherent accommodation-invariant near-eye display framework to jointly optimize static display optics and a display image pre-processing network. Finally, we accelerate the corresponding novel holographic imaging method via deep learning aimed at real-time applications. This includes developing an efficient procedure for generating functional random 3D scenes for forming a large synthetic data set of multiperspective images, and training a neural network to approximate the holographic imaging method under the real-time processing constraints. Altogether, the methods developed in this thesis are shown to be highly competitive with the state-of-the-art computational methods for coherent-light near-eye displays. The results of the work demonstrate two alternative approaches for resolving the existing near-eye display problems of conflicting visual cues using either static or dynamic optics and computational methods suitable for real-time use. The presented results are therefore instrumental for the next-generation immersive near-eye displays

Valokentistä aaltokentiksi: hologrammien generointi perspektiivisistä kuvista

In this thesis, the link between the ray-optics and wave-optics formalisms of light propagation modeling is studied through light field (LF) and holography. Multi-perspective images, such as captured by multicamera arrays, are utilized to obtain the discrete LF information. Three di erent computer generated hologram (CGH) representations are discussed in the thesis: holographic stereogram (an example for incoherent CGH), phase-added stereogram and diffraction specific coherent panoramagram (examples for coherent CGH). Comparative analysis of these three different holographic representation techniques is carried out through experiments simulating the viewing process of the holograms by the human eye. In particular, reconstructed image quality is compared for different scenes at different viewpoints. The accommodation responses of each technique is also evaluated via changing the focal length of the lens in the human eye model to focus the eye at different distances. The prominent issue of speckle noise apparent in hologram reconstruction process is particularly addressed in detail, since it heavily affects the quality of the reconstructed images. In addition to existing solutions analyzed in the thesis, random averaging and pixel separation, a speckle suppression method based on pixel separation for coherent holograms is proposed. The proposed method is shown to further enhance the reconstructed image quality with respect to existing speckle reduction techniques. Besides the perceived image quality, another topic that is seen to be critical in the context of the thesis is simplifying the capture process of LF. In this aspect, the strict camera sampling requirements in LF capture for holographic stereograms are shown to be relieved considerably through the use of shearlet-based LF reconstruction algorithm. This enables utilization of more appropriate capture devices, e.g. multi-camera arrays, instead of conventionally used camera rigs.Tämän työn tavoitteena on tarkastella valon säde- ja aalto-optiikkaa valokenttien ja holografian kautta. Moniperspektiivisiä kuvia käytetään tallentamaan diskreetin valokentän informaatio. Kolme eri digitaalista hologrammiesitystä valittiin tähän työhön vertailtavaksi: holographic stereogram (esimerkkinä inkoherenteista hologrammeista), phase-added stereogram ja diffraction specific coherent panoramagram (esimerkkeinä koherenteista hologrammeista). Näiden hologrammiesitysten välisiä eroja analysoidaan ihmisnäköä numeerisesti simuloivien kokeiden avulla. Erityisesti eri hologrammitallenteista saatujen rekonstruktiokuvien visuaalista laatua vertaillaan simuloimalla katsojaa eri näkökulmista. Holografiseen rekonstruktioprosessiin liittyvää pilkkuhäiriötä käsitellään yksityiskohtaisesti, sillä se heikentää havaittujen kuvien laatua huomattavasti. Nykyisten ratkaisujen, kuten satunnaiskeskiarvottamisen ja pikseliseparaation lisäksi johdetaan pikseliseparaatioon pohjautuva pilkkuhäiriötä vähentävä menetelmä koherenteille hologrammeille. Kokeiden perusteella tämän menetelmän osoitetaan parantavan rekonstruktiokuvien laatua. Havaitun kuvanlaadun lisäksi kriittinen aihe tämän työn kontekstissa on valokentän tallentamisen helpottaminen. Tiukkoja näytteistämisvaatimuksia tähän liittyen voidaan keventää huomattavasti shearlet-muunnokseen pohjautuvan valokentän rekonstruktioalgoritmin avulla, mahdollistaen perinteisesti käytettyjen järjestelmien sijaan käytännöllisempien kameraryhmien käytön

Taitoluistelijan keskivartalon lihasten hallinta ja harjoittaminen

Opinnäytetyön tarkoituksena oli kehittää keskivartalon hallintaa parantava harjoitusohjelma Mikkelin Luistelijoiden taitoluistelijoille ja seurata harjoittelun vaikutusta luistelijoiden keskivartalon hallinnassa. Lisäksi kartoitimme luistelijoiden kokemuksia keskivartalon harjoittelusta ja mahdollisia vaikutuksia luistelussa. Yhtenä tavoitteena oli myös saada tietoa, miten keskivartalon hallinnan harjoittaminen vaikuttaa luistelijoiden selkäkipuun. Kohderyhmänä oli Mikkelin Luistelijoiden K1- ja K2-taitoluisteluryhmät. Testiryhmässä oli 13 luistelijaa ja he olivat iältään 8-15-vuotiaita. Harjoitusohjelma sisälsi viisi eri keskivartaloliikettä, joista jokaisesta oli kolme eri vaikeustasoa. Harjoittelujakso kesti kahdeksan viikkoa ja sen vaikutusta seurattiin harjoittelu-jakson alussa ja lopussa suoritetuilla testeillä. Testiliikkeitä oli viisi erilaista ja ne testasivat luistelijoiden keskivartalon staattista ja dynaamista kestävyyttä sekä keskivartalon hallintaa. Testiliikkeet olivat samat alku- ja lopputestauksessa. Lisäksi luistelijat vastasivat alku- ja loppukyselyyn. Työn ajankohta sijoittui tammi- ja maaliskuun 2010 väliselle ajalle. Testitulosten perusteella luistelijoiden keskivartalon staattinen ja dynaaminen kestävyys sekä keskivartalon hallinta paranivat harjoittelujakson aikana. Kaikkien testitulosten keskiarvoinen parannus oli 40,75 prosenttia. Osa luistelijoista oli huomannut, että keskivartalon harjoittelulla oli ollut lieventävää vaikutusta heidän selkäkivussa. Lisäksi lähes kaikki luistelijat olivat kokeneet, että keskivartalon harjoittelusta oli ollut heille hyötyä ja he olivat myös huomanneet harjoittelun vaikuttaneen positiivisesti heidän luisteluunsa.This bachelor’s thesis aimed to develop the training program that improves core stability to Mikkelin Luistelijat and trace effects of the training in skaters’ core stability. The thesis aimed also to chart skaters’ experiences from the core stability training and possible effects on skating. The third goal was to get information on how the core stability training interacts with skaters’ backache. The target groups were K1- and K2- figure skating groups from Mikkelin Luistelijat. There were 13 skaters in the test group and the skaters were aged from 8 to 15 years. The training program consisted of five different core exercises, each with three different level of difficulty. The training period took eight weeks and there were tests at the beginning and at the end of the training period. There were five different test exercises which tested skaters’ core’s static and dynamic stamina and core stability. The test exercises were the same at the beginning and at the end. Skaters also answered to two questionings which were held at the beginning and at the end of the training period. The thesis was placed between January and March 2010. The results of the tests showed that skaters’ core’s static and dynamic stamina and core stability became better within training period. Average advance of the all tests’ results was 40,75 per cent. Some skaters had noticed that core training had a positive influence on their backache. Added to that almost all skaters had experienced benefits from the core stability training. They were also noticed that core stability training had positive effects on their skating

Määräaikaiset työsuhteet työmarkkinoiden muutoksessa

Only abstract. Paper copies of master’s theses are listed in the Helka database (http://www.helsinki.fi/helka). Electronic copies of master’s theses are either available as open access or only on thesis terminals in the Helsinki University Library.Vain tiivistelmä. Sidottujen gradujen saatavuuden voit tarkistaa Helka-tietokannasta (http://www.helsinki.fi/helka). Digitaaliset gradut voivat olla luettavissa avoimesti verkossa tai rajoitetusti kirjaston opinnäytekioskeilla.Endast sammandrag. Inbundna avhandlingar kan sökas i Helka-databasen (http://www.helsinki.fi/helka). Elektroniska kopior av avhandlingar finns antingen öppet på nätet eller endast tillgängliga i bibliotekets avhandlingsterminaler.Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää määräaikaisten työsuhteiden kestossa ja työskentelyn syissä tapahtuneita muutoksia suomalaisilla työmarkkinoilla vuosina 1997-2005 ja pyrkiä arvioimaan, miten sukupuolen, koulutuksen, työnantajasektorin ja työpaikan koon kaltaiset muuttujat vaikuttavat määräaikaisuuden kokemukseen. Teoriaosuudessa esitellään ensin arvioita työmarkkinoiden muutoksesta ja normaalityösuhteisiin perustuvan yhteiskunnallisen rakenteen järkkymisestä. Seuraavaksi tarkastellaan koulutuksen muuttunutta roolia ja sukupuoleen liittyviä kokemuksia koulutukseen liittyen. Arvioin määräaikaisuuksien hyödyntämistä työnantajan näkökulmasta ja eri työnantajasektoreilla esiintyviä eroavaisuuksia määräaikaisuuksien käytössä. Lopuksi esitän näkemyksiä määräaikaisten työmarkkina-asemasta ja siinä piilevistä eroista. Hyödynnän empiirisessä osassa Tilastokeskuksen työvoimatutkimuksen aineistoa. Laadin vuosien 1997, 2001 ja 2005 työvoimatutkimuksesta määräaikaisuuksien kestoa ja syitä esitteleviä ristiintaulukoita, joissa selittävät muuttujat ovat sukupuoli, koulutus, työnantajasektori ja työpaikan koko. Määräaikaisuuksien kestossa erityisen huomionarvoista on yli 24 kuukautta pitkien määräaikaisuuksien yleistyminen. Pitkät määräaikaisuudet ovat yleistyneet etenkin julkisen sektorin työsuhteissa. Keskiasteen koulutus on yhteydessä lyhyisiin määräaikaisuuksiin ja koulutuksen mukainen ero on kasvanut tarkasteluvälillä. Pysyvän työsuhteen puuttuminen on yleisin määräaikaisessa työsuhteessa työskentelemisen syy. Etenkin korkeakoulutetut naiset ovat määräaikaisia siksi, etteivät ole löytäneet pysyvää työtä. Tärkeimpiä lähteitä ovat olleet Asko Suikkasen ym. teokset (1998, 2001) sekä Tilastokeskuksen useat määräaikaisuuksia käsittelevät julkaisut (mm. Lehto & Sutela 1999 ja Sutela, Vänskä & Notkola 2001)

Haploid to diploid alignment for variation calling assessment

Peer reviewe

Tuotekehityksessä ja tutkimuksessa tarvittavien proteiinien tuottaminen kasveissa perunan A-viruksen avulla

Viruksien käyttö tuotekehityksen ja tutkimuksen vaatimien proteiinien tuottamiseen, syötävien rokotteiden kehittämiseen ja geeniterapiaan edustavat kasvavia biotekniikan sovellusalueita. Perunan A-virus (PVA) kuuluu potyviruksiin, joiden proteiinit tuotetaan aluksi yhtenä suurena molekyylinä. Se pilkotaan yksittäisiksi proteiineiksi viruksen itsensä tuottamilla entsyymeillä. Siten virusgenomiin lisätty vieras geeni käännetään proteiiniksi virusproteiinien mukana. Lopputuloksena sekä viruksenproteiineja että vierasta proteiinia tuotetaan kasvisoluissa samansuuruinen määrä. PVA:n proteiini-kuoren koontimekanismi sallii perintöaineksen merkittävän lisäyksen ilman, että viruksen tartutuskykymerkittävästi heikkenee. Koska virus monistuu ja leviää koko kasviin, jo melko pieni määrä kasveja riittää huomattavan proteiinimäärän tuottamiseen esimerkiksi säännösten mukaisessa kasvihuoneessa.Tämän työn tarkoituksena oli hyödyntää PVA:n genomia yhden vieraan proteiinin tai useiden erilaisten proteiinien samanaikaiseen tuottamiseen kasveissa. Aluksi kokeiltiin vieraan geenin kloonaamista viruksen replikaasia ja kuoriproteiinia koodaavien genomialueiden väliin. Työhön valittiin kaksi ihmisestä peräisi olevaa geeniä. Toinen geeneistä tuotti sorsiiniproteiinia, joka toimii sydänlihaksen supistuksen säätelijänä. Toinen puolestaan tuotti S-COMT-entsyymiä (katekoli-O-metyylitransferaasi), jonka aktiivisuuden rajoittaminen auttaa Parkinsonin taudin hoidossa. Kasvissa tuotettua S-COMT:ia voitaisiin käyttää lääkekehityksessä estolääkkeiden testaukseen. Kahden viikon kuluttua tartutuksesta tupakan lehdissä oli entsymaattisesti aktiivista S-COMT:ia n. 1 % lehden liukoisista proteiineista. Sorsiini sen sijaan oli pysymätön kasvisoluissa, sillä sitä ei havaittu mitattavia määriä. Tulos osoitti, että kaikki ihmisen proteiinit eivät sellaisenaan sovellu kasvissa tuotettaviksi.Transposonimutaatioon perustuneella tutkimuksella oli paikannettu PVA:n P1-proteiinia koodaavalta alueelta kohta, johon voitaisiin siirtää vieras geeni. Asia varmistettiin siirtämällä tähän kohtaan meduusan geeni, joka tuottaa UV-valossa vihreänä fluoresoivaa proteiinia (GFP). GFP-geeniä kantava PVA levisi kasvissa ja lisääntyi n. 30-50 %:iin viruksen normaalista pitoisuudesta. Koko kasvi fluoresoi vihreänä UV-valossa. Sama voitiin havaita myös tuottamalla GFP jo edellä mainitusta, ihmisen proteiinien tuottamiseen käytetystä PVA-genomin kohdasta.Vieras geeni voidaan sijoittaa myös potyviruksen P1- ja HCpro-proteiineja koodaavien alueiden väliin. Tämä on mahdollista myös PVA:ssa, mikä osoitettiin tässä työssä. Siten samaan PVA-genomiin voitiin siirtää kolme geeniä, yksi kuhunkin kolmesta kloonauskohdasta. Lopputuloksena oli PVA-genomi, jossa GFP-geeni sijaitsi P1:n sisällä, merivuokon lusiferaasigeeni P1/HCpro-kohdassa ja bakteerin beta-glukuronidaasigeeni (GUS) replikaasi/kuoriproteiinikohdassa. Virusgenomin ja itse viruksen pituudet kasvoivat 38 %, mutta virus säilytti tartutuskykynsä. Se levisi kasveissa saavuttaen 10-15 % viruksen normaalista pitoisuudesta. Kaikki kolme vierasta proteiinia tuotettiin huomattavina pitoisuuksina ja aktiivisina kasvien lehdissä