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Abordagens estatísticas na análise do speckle laser dinâmico
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS
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Programa de Pós-Graduação
DEG - Programa de Pós-graduação
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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
A técnica do speckle laser dinâmico processa os padrões de interferência óptica formados quando uma luz coerente incide sobre uma superfície com rugosidade igual ou superior ao comprimento de onda da luz incidente. Quando a superfície em questão tem origem biológica, a técnica tem sido chamada simplesmente de biospeckle laser e tem sido utilizada cientificamente para a quantificação da atividade biológica de materiais em diferentes áreas do conhecimento. O elevado número de situações em que vêm sendo aplicado, associado à complexidade do sinal speckle laser, demanda técnicas de análise de sinais que possam auxiliar a extração das informações, o que pode ser realizado por meio de técnicas gráficas, como os métodos de Fujii e de diferenças generalizadas (DG), ou por meio de interpretações numéricas, como, por exemplo, a técnica da diferença dos valores absolutos (AVD). Ainda assim, a análise dos sinais no domínio da frequência aparece como uma alternativa que pode fornecer informações adicionais sobre os padrões de interferência do biospeckle laser. Neste contexto, as transformadas de Fourier e de wavelets têm sido as ferramentas mais utilizadas para a análise espectral do speckle laser dinâmico e, embora haja trabalhos na literatura com resultados favoráveis utilizando ambas as técnicas de análise espectral, não há relatos indicando qual ferramenta é a mais indicada para os dados do biospeckle laser. Por outro lado, as características de evolução no tempo e aleatoriedade dos dados do speckle laser dinâmico favorecem a utilização de ferramentas estatísticas, tal como a análise dos componentes principais (PCA) e a análise dos componentes independentes (ICA), as quais apresentam a vantagem das diferentes vertentes em que podem ser aplicadas e por se adequarem às características dos sinais em estudo. Dessa forma, o presente trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar as transformadas de Fourier e wavelet, de forma a indicar a ferramenta mais apropriada para a análise espectral do biospeckle laser, propor a filtragem dos dados do speckle laser dinâmico por meio da técnica estatística PCA e, por fim, o pré-processamento das saídas gráficas de análise do biospeckle laser via ICA,visando à melhoria da qualidade visual das imagens digitais finais. O trabalho está dividido em três partes, sendo a primeira uma revisão de literatura sobre os principais temas abordados na tese; na segunda seção apresentam-se três artigos científicos desenvolvidos para atender aos objetivos propostos e, na última divisão, estão as considerações finais.
Abstract
The technique of the dynamic laser speckle processes the optics interference patterns formed when a coherent light focuses on a surface with roughness equal or higher than the wavelength of the incident light. When the surface in question is biological, the technique has been called simply of biospeckle laser and it has been used scientifically to quantify the biological activity of materials in different knowledge areas. The high number of situations in which has been applied, associated to the complexity of the speckle signal, demand by signals analysis techniques that can assist the extraction of information, which can be accomplished by graphical methods, such as Fujii and generalized differences (GD), or through numerical interpretations, for example, the technique of the absolute values of the differences (AVD). Even so, the signal analysis in the frequency domain is an alternative that can provide additional information about the interference patterns of the biospeckle laser. In this context, Fourier and wavelet transforms have been the most used tools in the spectral analysis of the dynamic laser speckle and, although there are reports in the literature with favorable results using both techniques of spectral analysis, there are no reports indicating which tool is most indicated for the biospeckle laser data. Moreover, the characteristics of time evolution and randomness of the dynamic laser speckle encourage the use of statistical tools, such as principal component analysis (PCA) and the independent component analysis (ICA), which have as advantage the different aspects that can be applied and fit the characteristics of the signals under study. Thus, the present study aimed to evaluate the Fourier and wavelet transforms to indicate the most appropriate tool for the spectral analysis of the biospeckle laser, to propose the filtering of the dynamic laser speckle data using the statistics technique PCA and, finally, pre-processing the graphical output of biospeckle laser analysis via ICA, to improve the visual quality of final digital images. The work was divided into three parts, in which the first is a literature review of the main topics discussed in the thesis; the second section presents three scientific papers developed to perform the proposed approaches and, the last division, the final considerations of the thesis.
Descrição
Tese apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola, área de concentração em Instrumentação, para a obtenção do título de Doutor.
Área de concentração
Instrumentação
Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
Palavras-chave
ISBN
DOI
Citação
RIBEIRO, K. M. Abordagens estatísticas na análise do speckle laser dinâmico. 2014. 122 p. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola - Instrumentação) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2014.