Contribuições em deconvolução e avaliação de qualidade de imagens rádio-astronômicas

bibo.pageEnd169
dc.contributor.advisor1Salles, Evandro Ottoni Teatini
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000000282873045
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5893731382102675
dc.contributor.authorCampos, Ramón Giostri
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0001-7318-8508
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/7539945077082206
dc.contributor.referee1Côco, Klaus Fabian
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0001-7793-0693
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1374499533178055
dc.contributor.referee2Gomes, Natanael Rodrigues
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-0626-0316
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/3349870413031277
dc.contributor.referee3Martins, Allan de Medeiros
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-9486-4509
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/4402694969508077
dc.contributor.referee4Pereira, Flávio Garcia
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-5557-0241
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/3794041743196202
dc.date.accessioned2024-05-30T00:52:46Z
dc.date.available2024-05-30T00:52:46Z
dc.date.issued2021-10-20
dc.description.abstractThis thesis addresses on some aspects of the deconvolution of radio astronomical images captured by the aperture synthesis process, an interferometric process in which the image is captured in the space of frequencies and must be restored in the luminous space. This image restoration is a challenging inverse problem given the characteristics of the capture process. Deconvolution is the final step in the process that generates the reconstructed image, and for the last 50 years, the radio astronomical community has been using algorithms from the CLEAN family, either individually or in association with other deconvolution methods. Even the most modern versions of the CLEAN algorithms have features that is undesirable for the scientific community. In this context, this thesis addresses two of these characteristics: the deconvolution of negative luminosity, physically impossible, and the high number of human choices necessary for the algorithm to work. An improvement on the multi-scale CLEAN algorithm (MS-CLEAN) were proposed to enable monitoring using Shannon entropy so that scales of little interest were removed from the search space, while avoiding the arising of negative brightness. The proposed algorithm was called Relevant Component CLEAN (RC-CLEAN), which proved to be up to 4 times faster than MS-CLEAN without prejudice to structure identification and noise reduction. The objective performance evaluation was carried out using the metrics SSIM and P SNR. For simulated data, it is obtained the same quality for the SSIM and gains up to 11dB in the RC-CLEAN P SNR. RC-CLEAN also presents results similar to that obtained by computational tools used by large astronomical laboratories dealing with real data, being as competitive as the most relevant algorithms in this area. This research proposed a metric that objectively assesses the deconvolution processes of radio interferometric images, that is, it is a problem in the field of Image Quality Assessment (IQA). This area has a significant lack of study since objective metrics dedicated to astronomical radio images were proposed over 30 years ago and have undergone little or no change since then. There is particular interest in developing a no-reference metric (NR) since ground truth is generally not available for real data. The metric is called Restrored-Residual-Image-Metric (RRIM), being inspired by SSIM as this metric simulates human perception, and has the flexibility to emphasize aspects deemed most relevant in the images astronomical radio. The metric RRIM presented a competitive behavior against the traditional radio astronomy NR metric, the Dynamic Range (DR). In fact, in most cases, RRIM had correlation coefficients higher than DR in comparisons made against the metrics SSIM and P SNR. In cases where it was not greater than DR, RRIM was equivalent.
dc.description.resumoEsta tese se dedica a abordar aspectos da deconvolução de imagens rádio astronômicas captadas pelo processo de síntese de abertura, que é um processo interferométrico no qual a imagem é captada no espaço das frequências e deve ser restaurada no espaço luminoso. Tal restauração da imagem é um problema inverso desafiador face às características do processo de captura. A deconvolução é a etapa final do processo que gera a imagem reconstruída, e nos últimos 50 anos a comunidade rádio astronômica vem utilizando algoritmos da família CLEAN, seja individualmente ou em associação a outros métodos de deconvolução. Mesmo as versões mais modernas dos algoritmos CLEAN apresentam características indesejadas pela comunidade científica. Neste contexto, esta tese aborda duas dessas características, que são a deconvolução de luminosidade negativa, fisicamente impossível, e o elevado número de escolhas humanas necessárias ao funcionamento do algoritmo. Foram propostas mudanças no algoritmo CLEAN multi-escalas (MS-CLEAN) cuja supervisão passa a ser feita utilizando a entropia de Shannon para que escalas de pouco interesse fossem retiradas do espaço de busca, evitando-se, ao mesmo tempo, a deconvolução do brilho negativo. O algoritmo proposto foi chamado de Relevant Component CLEAN (RC-CLEAN), que mostrou-se até 4 vezes mais rápido que o MS-CLEAN sem prejuízo da identificação de estruturas e com redução de ruído. Já para a avaliação objetiva do desempenho, utilizouse as métricas SSIM e P SNR. Para dados simulados, obteve-se a mesma qualidade para o SSIM e ganhos de até 11dB no P SNR do RC-CLEAN. O RC-CLEAN também apresenta resultado semelhante ao obtido pelas ferramentas computacionais de uso dos grandes laboratórios astronômicos utilizando dados reais, sendo tão competitivo quanto os algoritmos mais relevantes desta área. Esta pesquisa propôs uma métrica que avalie objetivamente os processos de deconvolução das imagens rádio interferométricas, ou seja, trata-se de um problema no campo de Image Quality Assessment (IQA). Esta área possui uma grande carência de estudo visto que as métricas objetivas dedicadas a imagens rádio astronômicas foram propostas a mais de 30 anos e sofreram pouca ou nenhuma mudança desde então. Há particular interesse em desenvolver uma métrica objetiva cega (NR) visto que o ground truth geralmente não está disponível para dados reais nesta área. A métrica é chamada de Restrored-Residual-Image-Metric (RRIM), sendo inspiradas no SSIM visto que esta métrica simula a percepção humana, e apresenta flexibilidade para enfatizar aspectos mais relevante nas imagens rádio astronômicas. A métrica RRIM apresentou um comportamento competitivo frente a métrica NR tradicional da área de rádio astronomia Dynamic Range (DR). Inclusive, na maioria dos casos RRIM apresentou coeficientes de correlação mais elevados que DR em comparações feitas em relação às métricas SSIM e P SNR. Nos casos em que não foi superior a DR, RRIM foi equivalente.
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/15591
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Elétrica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.rightsopen access
dc.subjectRestauração de imagens
dc.subjectimagens rádio interferométricas
dc.subjectdeconvolução
dc.subjectCLEAN
dc.subjectImage Quality Assessment
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Elétrica
dc.titleContribuições em deconvolução e avaliação de qualidade de imagens rádio-astronômicas
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typedoctoralThesis

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