Search

Millions of buried and surface landmines throughout the world will continue to kill and injure people for many decades. Reliable landmine detection systems, especially those that do not require that an operator enters a minefield, are demanded. In such systems, data are captured by sensors and processed with signal-processing techniques. In recent studies, ground-penetrating radars, ultrasound transducers, metal detectors, and infrared sensors have been used to capture data as individual images or image time series. Bare soil and mines have different thermal characteristics, and this difference can be observed on the soil surface with thermal sensors. Since this is a dynamic behavior driven by radiation from the sun and changes with temperature during the day, it can be observed better in thermal image time series. In the proposed method, a two-step approach is adopted: pixelwise classification followed by mine detection. In the first step, a specific spatial filter is applied on images and the filtered image series is classified pixelwise using supervised classification. In the second step, the classified pixels are combined after a smoothing operation to detect mines. The types of the detected mines can also be determined. The method is tested on real data to quantify its classification and detection performance. The results are quite promising. Among the classifiers tested in this paper, the quadratic discriminate function classifier produces the best results.

öz YÜZEY BÜYÜTME İLE ÇOK SAYIDA GÖRÜNTÜDEN DOĞRUDAN YÜZEY GERİÇATMA Leloğlu, Uğur Murat Doktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Uğur Halıcı Temmuz 2001, 80 sayfa Rastgele noktalardan alınmış birkaç optik görüntüden üçboyutlu yüzey tanımları elde etme yapay görünün zorlu problemlerindendir. Alışılmış yaklaşım, önce görüntüleri nokta nokta eşleyerek üçboyutlu noktaları bulmak, daha sonra da bulunan noktalara yüzeyler oturtmaya çalışmaktır. Bu çalışmada, tama men farklı bir yaklaşım sunulmuştur. Görüntüleri meydana getiren yüzeyler, açık bir eşleme aşaması veya bir başlangıç tahmini olmadan, doğrudan nesne uzayında bulunmaktadır.Bu karmaşık problemi çözebilmek için bir dikkat mekanizması kullanıldı: Bütün yüzeyleri aynı anda geriçatmak yerine, bir dikkat noktasından, yani tohum görevi görecek küçük bir yüzey parçasından başlanmaktadır. Yüzeyler, yeni yüzey öğeleri eklendikçe yüzey parametrelerinin sürekli olarak güncel- lendiği bir yüzey büyütme yaklaşımıyla birer birer geriçatılmaktadır. Algo ritma melezdir: Hem çok sayıda görüntüye yeniden izdüşüm hatası, hem de yeni bir öznitelik eşleme işlevi yüzey büyütmeye yol gösterir. Ortaya çıkan yüzeyler ancak, hem yeniden izdüşüm hatasından, hem de eşlenen öznitelikler- den, çok sayıda görüntü üzerinde görece geniş bir alanda, birbirlerini güçlendi ren kanıt toplandığında kabul edilmektedir. Sonuçlar doğrudan üçboyutlu mo deller olarak kullanılabilir. Algoritmanın başarımı gerçek görüntüler üzerinde gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Üç-boyutlu geriçatma, görüntü eşleme, yüzey büyütme vı ABSTRACT DIRECT SURFACE RECONSTRUCTION FROM MULTIPLE VIEWS BY SURFACE GROWING Leloğlu, Uğur Murat Ph. D., Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Uğur Halıcı June 2001, 80 pages To obtain 3D surface descriptions from multiple optical images taken at arbi trary viewpoints is a challenging task of computer vision. The usual approach is first matching the images point by point to find 3D points, then trying to fit surfaces to resulting points. In this work, a radically different approach is presented. The surfaces that generate the images are estimated directly in the object space without explicit image matching phase and without an initial guess for the surfaces. mTo be able to solve this complex problem, an attention mechanism is em ployed: Instead of reconstructing all surfaces at once, we begin from a point of attention, i.e., a small surface patch serving as a seed. The surfaces are reconstructed one by one through a surface growing approach where the sur face parameters are continuously updated as new surfels (surface elements) are added. The algorithm is hybrid: Both re-projection error on multiple images and a novel feature match function guide the surface growing. For each surface, radiometric correction parameters are estimated and it is shown that surface patches are the right scale for radiometric correction parameter estimation. Resulting surface patches are accepted only if converging evidence is collected from both re-projection error and from matching features, over a relatively large area on multiple images. The final result can directly be used as 3D sur face models. The performance of the algorithm is demonstrated on real images. Keywords: 3D reconstruction, image matching, surface growing IV 80

Öz GOZEARASI ÇÖZÜNÜRLÜKTE HIYERARŞIK BİR STEREO GORUŞ DİZGESİ Uğur Murat Leloğlu Yüksek Lisans Tezi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Mete SEVERCAN Ocak, 1995, 73 sayfa. Bu tezde, eşlem öncülleri olarak düzgülenmiş çapraz ilintileri ve bant-geçiren süzülmüş görüntülerin fazlarını kullanan çok- çözünürlüklü bir stereo çözümleme dizgesi sunulmaktadır. Seçilen kabadan-inceye stratejisi daha kısa sürede daha doğru sonuç almayı sağlamaktadır. Hiyerarşinin her bir düzeyinde iki bölüt- ten, göze-eşlem bölütü ve ince levha bölütünden yararlanılmaktadır. İlk bölüt olası bir eşlemin iyiliğini ilinti değeri ve bir yerel destek işlevi kullanarak saptar. Sadece kesin eşlemler doğru olarak kabul edilir ve bu eşlemler komşularım teklik ve sıralılık koşulları ile sınırlar. Sonuçta, daha önce muallakta olan bazı eşlemlerin belirsizliği çözülür. Bu şekilde koşulların yayılması birkaç kez tekrarlanır. Kabul edilen eşlemler, derinlik süreksizliklerini ve örtük alanları bulurken gözearası çözünürlükte yeniden yüzey kurmaya çalışan ince levha bölütüne verilir. Band-geçiren süzülmüş görüntülerin fazları gözearası eşlem öncülleri olarak kullanılırken, yoğunluk kenarları derinlik süreksizliklerini bulmak için kullanılır. Bunun yanı sıra, eşlemlenmemiş küçük alanlar da bu bölüt tarafından aradeğerlenir. Bu körlemesine bir aradeğerleme değildir çünkü fazların eşlemlenmesi aradeğerlemeye yol göstermektedir. Sunulan stereo aradeğerleme dizgesi koşut uygulamaya uygun olmakla birlikte seri benzeşimde de yeterince hızlıdır. Diz genin dayanımlılığı çeşitli alanlardan görüntüler üzerinde gösterilmiştir. Anahtar Sözcükler: Stereo Karşılıklılık, Yeniden Yüzey Kurma, Faz İlintisi, Çok- çözünürlüklü Görüntü Çözümleme, Yüzey Aradeğerleme, Gevşeme, Bant-Geçiren Süzme.Bilim Dalı Sayısal Kodu : 609.02.08 ABSTRACT A SUBPIXEL RESOLUTION HIERARCHICAL STEREO VISION SYSTEM Uğur Murat Leloğlu M. S. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Mete SEVERCAN January, 1995, 73 pages. A multi-resolution stereo vision system, which uses normalized cross-correla tions and phases of band-pass filtered images as matching primitives, is described in this thesis. The coarse- to-fine strategy adopted leads to more accurate results in shorter time. At each level of the hierarchy, two modules, namely, a pixel matching module and a thin plate module, are employed. The former module determines the goodness of a possible match by using the correlation value and a neighborhood support function. Only unambiguous matches are accepted as true and these matches constrain neighbors through uniqueness and orderness constraints. As a result, ambiguity is resolved for some of the previously ambigu ous matches. This spreading of constraints is iterated several times. Accepted matches are supplied to the thin plate module which attempts a subpixel reso lution surface reconstruction while detecting depth discontinuities and occluded regions. The phases of band-pass filtered images are used as subpixel matching primitives and intensity edges are used for detection of depth discontinuities. Be sides, small unmatched areas are interpolated by this module. This is not a blind interpolation since matching of phases guide interpolation. The stereo vision sys tem presented is amenable to parallel implementation but is still reasonably fast in serial simulation. The robustness of the system is demonstrated on images from different domains. Keywords: Stereo Correspondence, Surface Reconstruction, Phase Correlation, mMultiresolution Image Analysis, Surface Interpolation, Relaxation, Band-Pass Filtering. Science Code : 609.02.08 IV 73

Meteoroloji radarları sayısal hava tahmin modellerini besleyen anahtar enstrümanlar arasındadır. Onlarca kilometere yarıçaplı, çeşitli yükselim açılarında iki boyutlu (2B) görüntüler oluşturur. Bu görüntüler aslında üç boyutlu (3B) zamana bağlı hacimsel verilerden kesitlerdir. Modern radarlarda, her hücreye belirli bir işlemden sonra bir tür hidrometeor atanabilir. Ancak, bu görüntülerin görsel yorumu karmaşık görüntüleme geometrisi nedeniyle kolay değildir. Yine de, bilgisayar grafikleri hava durumu radar görüntülerini kolayca gözlemlenebilir ve analiz edilebilir hale getirebilir. Bu tezde, hava durumu radar görüntüleri için 3B geriçatım ve görselleştirme yöntemi için bir araç takımı sunulmuştur. Araç takımı kullanıcıların NEXRAD Seviye III hidrometeor sınıflandırma görüntülerini kapalı hacimler halinde işleyebilmelerini ve görselleştirebilmelerini sağlar ve toplanan görüntüler, şu adımlarda hacimsel yağış tipinin göstergesine dönüştürülür: İlk olarak, iki boyutlu (2B) görüntülerde her bir yağış tipi için sürekli ve pürüzsüz yoğunluk tahminleri elde edilir ve eğer eşik değerinin üzerinde ise, karşılık gelen hücreye maksimum yoğunluğa sahip yağış tipi atanır. İkinci olarak, elde edilen görüntü bağlı bileşen analizi kullanılarak bölütlendirilir. Ardından, her bir bölütün sınırları meta veriler kullanılarak çıkarılır ve 3B uzaya aktarılır. Daha sonra, farklı yükseklikteki ancak aynı nesneye ait 3B çokgenler eşleştirilir. Son olarak, eşleşen 3B çokgenlerden bir 3B kafes yapısı oluşturulur ve bilgisayar grafik algoritmaları kullanılarak 3B görsel animasyon oluşturmak için sırayla görüntülenir. Araç takımı, hava durumu radar operatörlerinin karmaşık hava olaylarını 3B olarak daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir. Weather radars are among key instruments that feed numerical weather prediction models. They form two-dimensional (2D) images at various elevation angles with radii of tens of kilometers. These images are actually sections from three-dimensional (3D) time-dependent volumetric data. In modern radars, each cell can be assigned a type of hydrometeor after processing. However, the visual interpretation of these images is not easy due to the complicated viewing geometry. Nevertheless, computer graphics can make weather radar images easily observable and analyzable. In this thesis, a method and a toolkit for 3D reconstruction and visualization of weather radar images are presented. The toolkit enables users to process and visualize NEXRAD Level III hydrometeor classification images in the form of closed-volumes and collected images are converted into volumetric display of precipitation types in following steps: Firstly, continuous and smooth density estimates are obtained for each precipitation type in these 2D images and the type with the maximum density is assigned to the corresponding cell if it is above a threshold. Secondly, the resulting image is segmented using connected components analysis. Then, the boundaries of each segment are extracted and transferred to the 3D space by using metadata. Subsequently, the 3D polygons from different levels but belonging to the same object are matched. Finally, a 3D wireframe structure is created from the matched 3D polygons and displayed sequentially to create 3D visual animation using computer graphics algorithms. The toolkit can help weather radar operators to better grasp the complicated weather events in 3D. 143

Sentetik Açıklı Radar(SAR) sistemleri gece, gündüz ve tüm hava şartlarında çalışabilen aktif bir radar tipidir. Bu nedenle, SAR görüntüleri otomatik hedef tespiti ve otomatik hedef teşhisi işlemlerinde oldukça fazla kullanılmaktadır. Bütün bunların yanı sıra SAR görüntülerinin kalitesi ve anlaşılabilirliği sahip oldukları benek gürültü nedeni ile oldukça düşük düzeydedir. Bir görüntünün anlamlı parçalara ayrıştırılmasını temel alan ayrıştırma işlemi görüntüde bulunan piksellerin komşularına bakılarak, benzer komşu piksellerin birleştirilmesine dayanıyorsa, bu işlem sırasında süperpiksel olarak ifade edilen bölütlenmiş parçalar ortaya çıkmaktadır. Nesne ve bölgelerin sınırları takip edilmesi gereken yapılar oldukları için oluşturulan alanların nesne ve bölgelerin sınırlarına düzgün oturmaları gerekmektedir. Bu nedenle, SAR görüntülerinde bulunan benek gürültüye karşı gürbüz bir algoritmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, ilk olarak benzerlik oranı benek gürültüye karşı yeni gürbüz bir metrik olarak geliştirilmiştir ve sonrasında bu metrik üretilen süperpiksellerin görüntü üzerindeki şekillere daha iyi oturması için Öklid uzaklığı yerine, Mahalanobis uzaklığı ile birlikte kullanılmıştır. Daha sonra radyometrik ve geometrik terimleri arasındaki önemi belirleyen sabit değer, adaptif bir fonkisyon ile değiştirilmiştir. Benzerlik oranı ile birlikte kullanılarak geliştirilen Öklid (SREP), Mahalanobis (SRMP) ve adaptif Mahalanobis (SRAMP) algoritmalarının performansları, gerçek ve sentetik görüntüler üzerinde deneyler yapılarak literatürde bulunan benzer algoritmalar ile karşılaştırılmışlardır. Deneysel sonuçlar, benzerlik oranı ve adaptif Mahalanobis yakınlık (SRAMP) yönteminin diğer yaklaşımlara göre tek biçimlilik, kompaktlık ve görsel görünüm açısında daha iyi performans sergilediğini ortaya koymuştur. Synthetic Aperture Radar (SAR) has the capability of working in all weather conditions during day and night that makes it attractive to be used for automatic target detection and recognition purposes. However, it has the problem of high amount of multiplicative speckle noise. Superpixel segmentation as a preprocessing step is an oversegmentation technique that groups similar neighboring pixels into regularly organized segments with approximately the same size. As boundaries of the objects are important elements to be traced, superpixels should adhere well to the edges. This can only be achieved by an algorithm robust to speckle noise. In this thesis, similarity ratio is first developed as a new metric that is robust to speckle noise. Secondly, Mahalanobis distance is used instead of Euclidian so that the superpixel can fit better to shapes in the real world. Thirdly, the constant determining the relative importance of radiometric and geometric terms is replaced with an adaptive function. The performance of combinations of similarity ratio with Euclidean distance (SREP), Mahalanobis distance (SRMP) and Mahalanobis distance with adaptive scheme (SRAMP) are evaluated by conducting experiments on real and synthetic images. The experimental results showed that similarity ratio and adaptive Mahalanobis proximity (SRAMP) outperforms the other approaches in terms of uniformity, compactness and visual appearance. 122

Son yıllarda, su kaynakları nehir havzaları üzerindeki kontrolsüz tarımsal, endüstriyel faaliyetler ve yerleşimlerden olumsuz yönde etkilenmektedir. Hidrologlar ve su kaynakları yöneticileri hidrolojik modelleri, su kaynaklarının geliştirilmesi, su kaynaklarının korunması, su kaynaklarının tahsisi ve kullanımın anlaşılması için araç olarak sık sık kullanmaktadır. Hidrolojik modellerin su kaynaklarının araştırılmasında başarılı bir şekilde uygulanması için, dikkatli kalibrasyon ve tahmin belirsizlik analizi gereklidir. Hidrolojik modeller, model sonuçları ölçümlerle karşılaştırılarak doğrulanır. Sonuçların yer gerçeklerinden sapmaları, yani hata, model girdilerindeki, model parametrelerindeki ve modelin kendisindeki belirsizliklerin sonucu olabilir. Bir hidrolojik model kalibre edilirken, hata terimlerinden oluşturulan hata metriğini minimize etmek için, model parametrelerine daha önce tanımlanmış bir aralıkta ince ayar yapılmaktadır. Bu tür bir hidrolojik taşınım modeli, içerisine topoğrafi, arazi kullanımı, toprak türü ve diğer sayısal veri girişini destekleyen Coğrafi Bilgi Sistemi (CBS) ile tümleşik Toprak ve Su Değerlendirme Aracı'dır (The Soil and Water Assessment Tool, SWAT). SWAT, hidrolojik süreçleri, toprak türü, arazi kullanımı ve yönetimi kombinasyonlarının alanlarını eşikleyerek Hidrolojik Cevap Birimleri (Hydrologic Response Units, HRU) türetmek suretiyle alt-havza düzeyinde simüle eden yarı dağıtık bir hidrolojik modeldir. Günümüzde, SWAT için Levenberg-Macquart gibi doğrusal olmayan optimizasyon veya Genetik Algoritmalar gibi global optimizasyon yöntemleri kullanan otomatik kalibrasyonu yöntemleri vardır. Karmaşık modelleri kalibre etmek için kullanılan bu optimizasyon yaklaşımlarının bazı dezavantajları vardır: 1) Arama uzayı geniş ve model karmaşık olduğu için yakınsama çok uzun zaman alır, 2) aynı nedenle, yerel bir optimum bulma olasılığı yüksektir, 3) nihai sonuç parametrelerin başlangıç tahminlerine fazlasıyla hassastır, 4) içerisinde parametrelerin sabit kabul edildiği HRU'ların büyüklükleri kullanıcıya bırakılmıştır ve bunların kalibrasyon / doğrulama performansı bilinmemektedir. Bu tezde, HRU seçimi ve kalibrasyon için hiyerarşik (kabadan inceye) bir yaklaşım incelenmiştir. HRU'lar bir komut dosyası tarafından otomatik olarak oluşturulmaktadır ve her hiyerarşinin her düzeyinde, HRU'ların sayısı arttırılmaktatır. Her bir düzeyin kalibrasyon sonuçları bir sonraki düzey için başlangıç değeri tahminiolarak kullanılır. Bu şekilde, sadece hızda ve kalibrasyon doğruluğunda bir artış elde etmekle kalmıyoruz, aynı zamanda ve optimum HRU boyutlarını ve HRU oluşturma parametrelerini de buluyoruz. Bu tezde geliştirilen algoritma, farklı özelliklere sahip iki havzada test edilmiştir ve sonuçlar ümit vericidir. In recent years, water resources were negatively affected from uncontrolled agricultural, industrial activities and settlements on river basins. Hydrologists and water resource managers have widely used hydrologic models as tools for water resources development, water environment preservation, water resources allocation and understanding utilization. In order to apply hydrological models successfully in practical water resources investigations, careful calibration and uncertainty analysis are needed. Hydrological models are validated by comparing the outputs of the models to measurements. The deviations of the outputs from the ground truth, the error, can be the result of uncertainties of the inputs, uncertainties of the parameters of the model and the model itself. When a hydrologic model is calibrated, the parameters of the model are fine-tuned within a predefined range to minimize an error metric created from error terms. One such hydrological transport model is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) which is also integrated into a Geographic Information System (GIS) that supports the input of topography, land use, soil type, and other digital data. SWAT is a semi-distributed hydrological model that simulates hydrological processes at subbasin level by deriving Hydrologic Response Units (HRU) by thresholding areas of soil type, land use and management combinations. Currently, there are automated calibration methods for SWAT using nonlinear optimization such as Levenberg-Macquart or global optimization methods like Genetic Algorithms. These optimization approaches that try to calibrate very complex models have some drawbacks: 1) Since the search space is large and the model is complicated, the convergence takes very long time, 2) for the same reasons, probability of finding a local optimum is large, 3) final result is too sensitive to the initial estimates of the parameters, 4) the sizes of the HRUs, which are the areas over which the parameters are assumed to be constant, are left to the user and their relation to the performance of calibration/validation is unknown. In this thesis, a hierarchical (coarse-to-fine) approach to HRU selection and calibration is investigated. The HRUs are generated automatically by a script and the number of HRUs are increased at each level of the hierarchy. The calibration results at each level are used as initial values for the next level. This way, we obtain not only an increase in the speed and accuracy of the calibration, but we also find out the optimum HRU sizes and HRU generation parameters. The algorithm developed in this thesis is tested on two basins with different properties and the results are promising. 186