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dc.contributor.authorAlves, Gabriel Marcelino
dc.date.accessioned2020-05-15T23:04:13Z
dc.date.available2020-05-15T23:04:13Z
dc.date.issued2020-01-31
dc.identifier.citationALVES, Gabriel Marcelino. Método de reconstrução tomográfica de amostras agrícolas com o emprego de técnicas big data. 2020. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12726.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12726
dc.description.abstractA new method of high resolution tomographic reconstruction of agricultural samples is presented, which uses the spectral density of X-ray tomographic projections as a criterion to minimize processing time and obtain good quality digital images, besides being scalable. The use of the spectral density of the tomographic projections made it possible to evaluate the associated energy in each projection and consequently the amount of information that is related to its probabilities. Thus, the tomographic projections were organized into energy classes and those with the most expressive amounts of information were selected. As part of the method, after selecting projections, Filtered Back Projection (FBP) and B-Spline interpolation were considered to obtain 2D and 3D (volumetric) reconstruction, steps that were parallelized considering the Apache Spark environment. For the execution of the developed method was organized a Big Data environment that had a cluster, installed on the Amazon Web Services (AWS) platform and a stack of technologies. The Big Data environment configuration assessment considered four sets of projection matrice of the same plexiglass heterogeneous phantom totalizing 7840 matrice (35.63 GB) which were processed for 12 different configurations totalizing 427.56 GB of processed tomographic data. The cluster configuration was defined after evaluating the Speedup and Efficiency metrics for the method running in the Big Data environment. In addition, a cluster consisting of a heterogeneous plexiglass phantom, a Sheep-Logan phantom and a homogeneous sample plus 33 seed samples was prepared for the purpose of validating and evaluating the quality of cluster reconstruction of selected tomographic projections. In this context, an image dataset containing 66, 642 2D images of seeds (242 GB) has been organized. The Structural Similarity Index (SSIM), Normalized Root Mean Square Error (NRMSE), and Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR) metrics were used in the validation steps. The SSIM metric was calculated for each projection matrix and the median measurement for the SSIM values of each sample was observed. In this sense, the SSIM analysis showed that the tomographic reconstruction of the two-dimensional samples from the selected projections led to the SSIM value exceeding 0.80 for all samples analyzed. The results showed that the method allowed a reduction between 28% and 38% in the number of tomographic projections in each sample analyzed, without compromising the quality of the reconstructed images. Finally, this new method has been shown to be useful for the analysis of large quantities of agricultural samples based on the use of X-ray tomography in order to meet the management based on precision agriculture paradigms, where the increasing number of analyzes required for agricultural samples in the decision-making process is considered a prime factor.eng
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamentopor
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectReconstrução de imagens tomográficaspor
dc.subjectSeleção de projeções tomográficaspor
dc.subjectProcessamento de imagenspor
dc.subjectAgricultura de precisãopor
dc.subjectTomographic image reconstructioneng
dc.subjectImage processingeng
dc.subjectPrecision agricultureeng
dc.subjectTomographic projections selectioneng
dc.subjectBig Dataeng
dc.titleMétodo de reconstrução tomográfica de amostras agrícolas com o emprego de técnicas big datapor
dc.title.alternativeTomographic reconstruction method of agricultural samples using big data techniqueseng
dc.typeTesepor
dc.contributor.advisor1Cruvinel, Paulo Estevão
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7924553462118511por
dc.description.resumoÉ apresentado um novo método de reconstrução tomográfica de amostras agrícolas em alta resolução, o qual utiliza a densidade espectral das projeções tomográficas de Raios-X como critério para minimizar o tempo de processamento e a obtenção de imagens digitais de boa qualidade, além de ser escalável. O uso da densidade espectral das projeções tomográficas viabilizou avaliar a energia associada em cada projeção e consequentemente a quantidade de informação que está relacionada às suas probabilidades. Desta forma, as projeções tomográficas foram organizadas em classes de energia e aquelas portadoras de quantidades de informações mais expressivas foram selecionadas. Como parte do método, após a seleção de projeções, foi considerado a retroprojeção filtrada (FBP) e a interpolação B-spline para a obtenção das reconstruções 2D e 3D (volumétrica), etapas que foram paralelizadas considerando o ambiente Apache Spark. Para a execução do método desenvolvido foi organizado um ambiente Big Data que contou com um cluster, instalado na plataforma Amazon Web Services (AWS), e uma pilha de tecnologias. A avaliação da configuração do ambiente Big Data considerou quatro conjuntos de matrizes de projeções de um mesmo phantom heterogêneo de plexiglass totalizando 7840 matrizes (35, 63GB) os quais foram processados por 12 diferentes configurações totalizando 427, 56 GB de dados tomográficos processados. A configuração do cluster foi definida após a avaliação das métricas de Speedup e Eficiência para o método em execução no ambiente Big Data. Adicionalmente, um conjunto composto por um phantom heterogêneo de plexiglass, um phantom Sheep-Logan e outro homogêneo além de 33 amostras de sementes agrícolas foi preparado para fins de validar e avaliar a qualidade da reconstrução dos conjuntos de projeções tomográficas selecionadas. Neste contexto, foi organizado um banco de imagem contendo 66.642 imagens 2D de sementes agrícolas (242GB). As métricas SSIM (Structural Similarity Index), NRMSE (Normalized Root Mean Square Error) e PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) foram utilizadas nas etapas de validação. A métrica SSIM foi calculada para cada matriz de projeções e observou-se a medida da mediana para os valores SSIM de cada amostra. Neste sentido, a análise SSIM mostrou que a reconstrução tomográfica das amostras, em duas dimensões, a partir das projeções selecionadas, levou à obtenção do valor SSIM superior a 0, 80, para todas as amostras analisadas. Os resultados mostraram que o método possibilitou a redução entre 28% e 38% no número de projeções tomográficas em cada amostra analisada, sem comprometer a qualidade das imagens reconstruídas. Finalmente, este novo método se mostrou útil para viabilizar a análise de grandes quantidades de amostras agrícolas tomando por base o uso da tomografia de Raios-X, a fim de atender os manejos baseados nos paradigmas da agricultura de precisão, onde o número crescente de análises requeridas às amostras agrícolas no processo de tomada de decisão é considerado um fator primordial.por
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCCpor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAOpor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::SISTEMAS DE COMPUTACAOpor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAOpor
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/5710041471208439por


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