Εικονική ανακατασκευή και ταυτοποίηση αντικειμένων στο χώρο με τεχνικές υπολογιστικής όρασης και τριδιάστατα γραφικά
Authors: Αληφραγκής Ματθαίος 
Published: January 2014

Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο πλαίσιο ενός ερευνητικού έργου ΠΕΝΕΔ, και αφορά στην ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων πληροφορικής από τα πεδία της ψηφιακής επεξεργασίας σήματος, ανάλυσης εικόνας, τεχνητής νοημοσύνης με όραση υπολογιστών και εικονικής πραγματικότητας, για ψηφιακή αποκατάσταση και ανακατασκευή κτιριακών αρχαιολογικών ευρημάτων από τον προϊστορικό οικισμό της Θήρας. Η διατριβή πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με παράλληλες προσπάθειες από τα πεδία αρχαιολογίας και αρχιτεκτονικής για αναλογική ανακατασκευή με σχεδιαστικές μεθόδους. Η έρευνα προβλημάτων της υπολογιστικής όρασης αποτελεί βασικό προσανατολισμό της παρούσας διατριβής. Tο αξιόπιστο ταίριασμα χαρακτηριστικών από διαδοχικές εικόνες, η ακριβής μοντελοποίηση και ο υπολογισμός των οπτικών χαρακτηριστικών της εικόνας, καθώς και η τρισδιάστατη ψηφιακή αποτύπωση της σκηνής, αξιοποιώντας την ανακτώμενη μετρική πληροφορία, αποτελούν τομείς μελέτης και έρευνας της εν λόγω διατριβής. Μία σημαντική κατηγορία μεθόδων στερεοσκοπικής αντιστοίχισης αποτελούν οι μέθοδοι συσχέτισης φωτεινότητας εικονοστοιχείων. Στην παρούσα διατριβή προτείνεται ένα νέο μέτρο συσχέτισης χαρακτηριστικών που βασίζεται στην τοπική αναπαράσταση της πληροφορίας της εικόνας μέσω του μονογενούς σήματος. Αξιοποιήθηκαν η ενεργειακή, η δομική και η γεωμετρική πληροφορία του μονογενούς σήματος στην κατασκευή του μέτρου συσχέτισης από εικόνα σε εικόνα καθώς επίσης και φίλτρα ομοιότητας φάσης στον εντοπισμό χαρακτηριστικών γεωμετρικών δομών στις εικόνες. Η συγκριτική πειραματική μελέτη της τριδιάστατης αποτύπωσης που προκύπτει από τη χρήση του προτεινόμενου μέτρου σε σχέση τόσο με κλασικές μεθόδους συσχέτισης φωτεινότητας, όσο και με πιο σύγχρονες μεθόδους αντιστοίχισης αναλλοίωτων χαρακτηριστικών σε κλίμακα και περιστροφή της εικόνας, διενεργήθηκε σε φυσικές εικόνες κάτω από τυχαίες συνθήκες φωτισμού με πολύπλοκη εικονιζόμενη δομή αρχαιολογικού ενδιαφέροντος. Χρησιμοποιήθηκαν στέρεο εικόνες από το Ερεχθείο στην Ακρόπολη και από το Ηρώδειο. Η εφαρμογή του προτεινόμενου μέτρου στερεοσκοπικής συσχέτισης οδήγησε σε περισσότερο αξιόπιστα αποτελέσματα τριδιάστατης ψηφιακής αποτύπωσης και υπολογισμού των οπτικών παραμέτρων της εικόνας. Τέλος, στην προσπάθεια ανάκτησης πληροφορίας βάθους από όλο το επίπεδο της εικόνας, αξιοποιήθηκαν Μπεϋζιανά μοντέλα βέλτιστης απόφασης. Σε αυτό το πλαίσιο, το πρόβλημα στερεοσκοπικής αντιστοίχισης εκφράζεται ως ένα πρόβλημα ελαχιστοποίησης συναρτήσεων κόστους. Στην παρούσα διατριβή προτείνεται μία τροποποιημένη μορφή συνάρτησης ενέργειας στερεοσκοπικής συνέπειας ή κόστους αντιστοίχισης που συνδυάζει σε ένα ενιαίο μέτρο ομοιότητας την τοπική γεωμετρική, δομική και ενεργειακή πληροφορία της εικόνας, όπως προκύπτουν από την αναπαράσταση του μονογενούς σήματος. Η συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων επιβεβαιώνει το γεγονός ότι η χρήση της προτεινόμενης συνάρτησης ενέργειας κόστους οδηγεί στον υπολογισμό τιμών βάθους με μικρότερα επίπεδα σφάλματος. Παράλληλα, στη διαδικασία αξιολόγησης της επίδοσης της προτεινόμενης συνάρτησης κόστους, προτείνεται η χρήση του δείκτη δομικής ομοιότητας (Structural SIMilarity index, SSIM index) που βασίζεται στην ανθρώπινη αντιληπτική ικανότητα. Στην παρούσα διατριβή προτείνεται η χρήση του δείκτη αυτού ως μέτρου ομοιότητας των υπολογιζόμενων τιμών βάθους με τις αντίστοιχες ιδανικές, γεγονός που παρέχει ουσιαστικά ένα μέτρο εκτίμησης της ποιότητας στερεοσκοπικής αποτύπωσης