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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA BIOFISICA ED ELETTRONICA Dottorato di ricerca in scienza ed ingegneria dello spazio XV ciclo Relazione sulle attività del primo anno del dottorato di ricerca Dottorando: Coordinatore: Tutor: Michele Bruzzo prof. Silvano Cincotti prof. Silvana Dellepiane 1

2 Indice 1 Attività di ricerca svolta Gestione di archivi di immagini telerilevate Ottimizzazione della interattività nella telecomunicazione satellitare Attività didattica svolta Corsi Frequentati Esercitazioni Comunicazioni Elettriche 1 DU EO Seminario TTR2: Sistemi di visualizzazione 3D Seminario TTR2 programmazione ad oggetti Attività di ricerca prevista Attività didattica prevista Partecipazione a convegni e congressi Pubblicazioni

3 1 Attività di ricerca svolta Nel settore dell'ingegneria dello spazio si possono distinguere sette grandi aree funzionali: l'esplorazione planetaria, l'osservazione dello Spazio, l'osservazione della Terra, la navigazione, le telecomunicazioni, la ricerca scientifica e lo sviluppo tecnologico. Per quanto riguarda le telecomunicazioni, la sempre crescente necessità di scambio di informazione ha dato vita ad una serie di missioni per lo studio e il miglioramento delle tecniche di trasmissioni dati via satellite. La prima di tali missioni è stata la messa in orbita, nel 1977, del satellite SIRIO per lo studio degli effetti attenuanti della troposfera. Da allora molti progressi sono stati ottenuti e nel 1991 è stato lanciato il satellite ITALSAT che ha dato inizio alle prime telecomunicazioni satellitari italiane (frequenze fino a 50 GHz). Attualmente la ricerca continua con il progetto DAVID per lo studio della banda W (90 GHz) e la gestione intelligente delle risorse. La conquista di sempre più alte frequenze consente di trasmettere un sempre maggiore volume di dati e quindi contemporaneamente rende possibili tutta una serie di servizi basati su applicazioni multimediali e/o interattive. L attività di ricerca svolta si pone proprio in questo scenario di nuovi servizi multimediali e interattivi. Essa consiste nell applicare metodologie e tecniche di avanguardia per l analisi di segnali multimediali sui sistemi di telecomunicazione e di telerilevamento satellitare. Questo lavoro si è sviluppato su due diverse tematiche: la gestione intelligente di archivi di immagini telerilevate, lo sfruttamento di metodologie (content based retrieval) per il miglioramento dell'interattività nei sistemi di telecomunicazione satellitare. L ultimo filone di ricerca farà riferimento a due applicazioni campione, la telemedicina e i servizi di intrattenimento quali la TV satellitare e il video on demand. 1.1 Gestione di archivi di immagini telerilevate Il flusso di immagini telerilevate che ogni giorno investe le stazioni riceventi a terra è di una tale intensità che non è più possibile gestirlo con i sistemi di archiviazione convenzionali. E ormai evidente la necessità di nuovi sistemi che garantiscano la gestione automatica e intelligente di grosse banche dati di immagini telerilevate. La realizzazione di un tale sistema è stato l obbiettivo principale della ricerca svolta in questo anno di attività. Le principali problematiche esaminate sono state: lo studio di descrittori di contenuto efficaci (content based retrieval) e l organizzazione dei dati. Contemporaneamente si è svolta una ricerca dello stato dell arte atta a individuare l insieme di meta-data riconosciuti, a livello mondiale, come migliori indici discreti per la catalogazione dei dati acquisiti da satellite. A causa della grande eterogeneità dei dati in questione e della grande varietà di possibili applicazioni pratiche, si è deciso di realizzare un sistema che garantirà un alta flessibilità rispetto ai casi imposti dalle singole applicazioni. Il risultato, mostrato in figura 1, è un architettura di sistema che realizza la descrizione logica dei contenuti cablata sulle caratteristiche peculiare dei dati di interesse. 3

4 Fase di Popolazione Fase di recupero Parametri di cablatura off-line Segmentazione Estraz. descrittori Meta data Indice Indicizzazione Schema di Rappr. Confronto Immagini recuperate Database di imm. Descrizione logica Fig. 1 Architettura di gestione, basata sul contenuto, di database di immagini telerilevate. Il cuore di questa architettura è il modulo che realizza lo schema di rappresentazione delle immagini, la descrizione avviene sia in termini di contenuto (metodi numerici e tecniche contestuali: estrazione descrittori, segmentazione) sia in termini di indici che classificano l immagine (meta-data: posizione geografica, data di acquisizione, sensore di acquisizione, informazioni sul satellite etc.). Il modo con cui i descrittori sono estratti e il modo con cui descrittori e indici sono amalgamati a formare lo schema di descrizione dell immagine sono parametrizzati. Così facendo è possibile cablare il sistema di archiviazione in base alle caratteristiche delle immagini da catalogare. Inizialmente si è proceduto allo studio di descrittori di basso livello che fossero in grado di rappresentare le caratteristiche fondamentali di un immagine, quali sono il colore la forma e la tessitura (vedere tabella 1). Per poter trattare in modo più appropriato la complessità delle immagini, si sono realizzati algoritmi che, basandosi su tecniche contestuali, permettono l individuazione di regioni omogenee all interno della scena in esame (aggregazione di pixel con caratteristiche omogenee). L obbiettivo è localizzare gli oggetti significativi di una immagine e rappresentarne il contenuto in termini di descrittori di basso livello (colore,forma tessitura locale). Purtroppo gli algoritmi di segmentazione sono fortemente dipendenti dal tipo di immagine in analisi e spesso richiedono la validazione dei risultati attraverso strumenti di editing. Per questo motivo si sono implementati due algoritmi di segmentazione (multithresholding, split&merge) e altri sono in studio. Descrittori geometrici Descrittori di colore Descrittori di Tessitura Momenti invarianti Istogramma colore Matrice di Co- Luv ridotto a 1D Occorrenza Descrittori di Fourier Istogramma colore 3D Gabor Wavelets Luv(locale e globale) Grado di elongazione Colore medio Analisi frattale Rappresentazione Distribuzione del Auto-correlazione polare colore spaziale Tab.1 Insieme dei descrittori usati per la rappresentazione logica dell'immagine. 4

5 In questo ultimo periodo si sta procedendo alla realizzazione di due database di immagini telerilevate. Il primo consiste in una collezione di immagini SAR ( 99 quick-look X-SAR mission X1 e X2) e il secondo in una collezione di immagini METEOSAT (722 immagini su 3 canali fornite da EumetSat). Su entrambe le tipologie di immagini si sta creando una base di conoscenza a priori e si stanno studiando un insieme di possibili applicazioni, in questo modo si potranno trovare specifiche soluzioni al problema della rappresentazione del contenuto. 1.2 Ottimizzazione della interattività nella telecomunicazione satellitare Negli ultimi anni i più grandi consorzi satellitari hanno sviluppato il necessario know-how per lo sviluppo di servizi multimediali interattivi. Ad oggi sono in fase di verifica diverse piattaforme multimediali in grado di fornire servizi internet e multimedia data broadcasting via satellite. L erogazione di un tale servizio rende ancora più facile e veloce l accesso a dati elettronici, ma allo stesso tempo obbliga a realizzare un sistema di localizzazione dell informazione veramente efficace. Nella ricerca svolta si è esaminato questo problema nell ambito della telemedicina. Il rapido sviluppo di tutte le branche della medicina ha portato alla formazione di ambienti superspecialistici che, coinvolgendo personale altamente qualificato e attrezzature sempre più sofisticate e di alto costo, non hanno una distribuzione omogenea sul territorio. Questa situazione rende necessaria l'interazione con tali ambienti per avere il parere degli esperti e per poter usufruire delle attrezzature disponibili. Sempre più frequente diviene, pertanto, la necessità di consulto a distanza, che per essere efficace deve essere effettuato in tempo reale mediante il trasferimento, con elevata qualità, di dati e di immagini ad alto contenuto informativo. La tendenza evolutiva delle metodologie di trattamento delle immagini mediche sia verso l'elaborazione con procedure consolidate di trattamento di immagini statiche, sia verso lo studio di sequenze di immagini che riproducono attività anatomiche e metaboliche, è sempre maggiore. I requisiti tecnici per il trasferimento di questo tipo di immagini comportano la disponibilità di una rete che possa garantire il mantenimento delle caratteristiche di trasmissione in tempo reale, anche in condizioni di traffico intenso. Per questi motivi la telemedicina oggi guarda sempre con maggiore interesse alle telecomunicazioni satellitari come mezzo trasmissivo efficiente. Uno dei vantaggi più importanti per un servizio di telemedicina satellitare consiste indubbiamente nell'accesso rapido e sempre disponibile ad informazioni distribuite sul territorio. Condizione perché tale accesso risulti efficiente è l'organizzazione dei dati nelle varie sedi, che deve possedere i requisiti di sicurezza, facilità di accesso, qualità del recupero. Ciò vale in particolare per banche di dati ed immagini che costituiscono archivi di riferimento per specifiche patologie. In questo ambito si è sviluppato un sistema di analisi e gestione intelligente di database di immagini radiologiche polmonari. Per realizzare questo lavoro è stato necessario un preliminare studio per l'interpretazione delle immagini e quindi l'individuazione delle patologie. Questo lavoro è stato realizzato con la collaborazione di esperti nel settore radiologico ed ha permesso di individuare i migliori descrittori per la rappresentazione del contenuto. Le immagini che costituiscono il database rappresentano lastre radiografiche toraciche di soggetti affetti da noduli polmonari appartenenti a quattro categorie differenti: noduli omogenei regolari, noduli omogenei irregolari, noduli disomogenei regolari, noduli disomogenei irregolari. Si è quindi realizzato un sistema che è in grado di catalogare il nodulo in esame come farebbe un esperto. Per raggiungere questo risultato è stato necessario capire come localizzare la regione di interesse (nodulo) all'interno della lastra radiografica e successivamente come farne l'interpretazione. La localizzazione del nodulo all'interno dell'immagine è stato un compito molto difficile. A causa del basso contrasto di luminosità che caratterizza queste immagini si è dovuto ricorrere ad un algoritmo di segmentazione semi-automatico denominato Isocontorni. 5

6 Immagine Originale Immagine multivalore Punto seme Fuzzy Connectivity Thresholding Regione localizzata Threshold Immagine Originale Immagine multivalore Risultato Fig. 2 localizzazione dei noduli all interno di immagini radiografiche Il riconoscimento è stato effettuato attraverso tecniche numeriche e contestuali, sono stati creati due descrittori che rappresentano il contorno e la tessitura del nodulo come mostrato nella figura 3. Regolarità ellittica Media della varianza campione 0, ,7 0,6 0, , ,3 0, , ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Regolari Irregolari Omogeneo Disomogeneo Data Clustering 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Regolari omogenee Regolari disomogenee Irregolari omogenee Irregolari disomogenee Fig.3 Descrittori di forma e tessitura usati per il riconoscimento di nodoli. Sulla stessa tematica si è iniziato ad affrontare il problema dell'archiviazione di sequenze video usando come applicazione pilota l'indicizzazione di sequenze endoscopiche. In questo caso la realizzazione di un adeguata rappresentazione simbolica richiede una particolare attenzione sulle relazioni temporali che legano i singoli frame di una sequenza. 6

7 Infine, per quanto riguarda l'uso delle telecomunicazione satellitari per la trasmissione broadcast di servizi per l'intrattenimento (TV satellitare e video on demand) si è realizzato un piano di lavoro per poter applicare la tecnologia content based nel campo dell'elaborazione dei segnali multimediali per l'estrazione di descrittori come dettato dallo standard MPEG-7. Grazie all uso di questi descrittori, si potrà realizzare un sistema in grado di fornire un accesso simultaneo a molteplici sorgenti informative secondo un disegno di presentazione che soddisfi le richieste dell'utente. Tale sistema sarà inoltre capace di navigare in un potenziale archivio di informazione globale e scegliere automaticamente i canali di maggiore interesse in base a criteri precedentemente impostati. 7

8 2 Attività didattica svolta 2.1 Corsi Frequentati LA TECNOLOGIA AVANZATA NELLE MISSIONI INTERPLANETARIE Dr. Marcello ordini ESA Agenzia Spaziale Europea, Parigi PORTANTI FISICI E ARCHITETTURA DELLE INTERFACCE OTTICHE PER SISTEMI DI TRASMISSIONE AD ALTA VELOCITA. Ing.. Marco Camera e Ing. Alfredo Palagi della Marconi Communications In questo anno si è inoltre svolta un attività di divulgazione dei principi teorici fondamentali su cui si basa la ricerca descritta in questo documento. Si è deciso di realizzare una serie di seminari per gli studenti del corso di ingegneria elettronica con il duplice scopo di fornire una visione delle applicazioni pratiche della ricerca, e di fornire un valido strumento di progettazione di sistemi software. Nei paragrafi seguenti sono presentati con maggiore dettaglio i seminari svolti. 2.2 Esercitazioni Comunicazioni Elettriche 1 DU EO Durante lo svolgimento del corso di Comunicazioni Elettriche 1 a.a sono state svolte tre esercitazioni in aula per la preparazione alle prove di apprendimento intermedie. Durante la lezione sono stati svolti e discussi con gli studenti esercizi vertenti sui principali argomenti del corso. 2.3 Seminario TTR2: Sistemi di visualizzazione 3D Il seminario, svolto con l ausilio di un personal computer, mirava alla divulgazione delle più moderne tecniche di rendering tridimensionale usate in ambiente medico per la visualizzazione di dati volumetrici come TAC o Risonanze Magnetiche. 2.4 Seminario TTR2 programmazione ad oggetti Durante lo svolgimento del corso di Teoria e Tecniche del Riconoscimento 2 a.a sono state svolte tre lezioni sui principi di programmazione orientata agli oggetti. Sono stati inoltre presentati esempi di programmazione in C++ per dimostrare l applicazione pratica dei concetti esposti 8

9 3 Attività di ricerca prevista L attività di ricerca prevista continuerà quanto svolto fino ad oggi è sarà sempre suddivisa sui filoni di gestione intelligente di archivi di immagini telerilevate, e di sfruttamento di metodologie content based per il miglioramento dell'interattività nei sistemi di telecomunicazione satellitare. Per quanto riguarda il primo filone gli obbiettivi da raggiungere coincidono con la realizzazione del sistema di gestione la cui architettura è stata descritta nel paragrafo intitolato "attività di ricerca svolta". Una volta realizzati i moduli di riconoscimento per l'indicizzazione delle immagini in base al loro contenuto simbolico verranno implementate due applicazioni pilota per il recupero intelligente da due database di immagini telerilevate. I due database, che nel prossimo futuro saranno arricchiti con nuove immagini, attualmente costituiscono rispettivamente una collezione di immagini X-SAR e una collezione di immagini METEOSAT. La fase di implementazione di tali applicazioni sarà preceduta da un studio delle specifiche funzionali e tecnologiche basato sulle seguenti direttive: Analisi requisiti utente e analisi dati disponibili (formato contenuto ecc.) Descrizione delle specifiche funzionali risultanti dal punto di incontro tra requisiti utente e possibilità tecnologiche allo stato dell arte. Progettazione di metodi evoluti per data-retrieval specifico sulle categorie dati immagini X- SAR e immagini METEOSAT. L'allestimento di archivi di immagini integrati in sistemi di telecomunicazione satellitare rappresenta invece l attività di ricerca prevista per la tematica miglioramento dell'interattività nei sistemi di telecomunicazione satellitare. Su tale attività si vuole sperimentare la condivisione di basi di dati distribuite sul territorio tramite l'accesso alla rete satellitare. Restano da risolvere alcuni problemi tuttora aperti, quali l'adozione di procedure di compressione che riducano lo spazio di archiviazione (MPEG 7), l'impegno della rete, e quindi i costi ed i tempi di attesa, garantendo i requisiti di qualità e di sicurezza necessari. La definizione delle specifiche è fondamentale e complessa, perché deve tenere conto di vari fattori, quali per esempio il formato delle immagini. L'accesso a tali banche di immagini di riferimento sarà oggetto di sperimentazione per quanto riguarda le modalità d'interazione, la effettiva reperibilità delle informazioni desiderate, la facilità di "navigazione" all'interno dei data base e la tempistica. Gli esperimenti potranno essere fatti grazie ad un collegamento satellitare a 2 Mbit/sec fornito dal satellite ITALSAT II (13 EST) su banda Ka (20-30 GHz). Potranno inoltre essere messe a punto anche procedure di ricerca mirata o assistita, si prevede di realizzare due primi prototipi partendo da immagini radiologiche polmonari e immagini istologiche. Infine, data la sempre più grande importanza che stanno assumendo gli archivi di sequenze video, si prevede di realizzare un architettura per la gestione di database video basata sul contenuto. Le metodologie di analisi che saranno ideate verranno testate su una collezioni di dati endoscopici e su una collezione di video sportivi. 9

10 4 Attività didattica prevista Per la futura attività didattica si prevede di seguire i corsi di sistemi di telecomunicazioni 1 e sistemi di telecomunicazioni 2 le lezioni sono tenute dal professor Carlo Ragazzoni. I suddetti corsi si ritengono fondamentali per la ricerca sviluppata in quanto tra le varie tematiche vengono descritti i seguenti aspetti di telecomunicazioni satellitari: Trasmissione su canali satellitari: definizioni e proprietà, Orbite di interesse per i satelliti usati nelle telecomunicazioni (GEO, LEO e MEO); Dimensionamento di un canale trasmissione satellitare; Tecniche di trasmissione analogica su canale satellitare; Tecniche di trasmissione digitale ed accesso multiplo (FDMA, TDMA, CDMA) su canale satellitare; Diversità nelle comunicazioni satellitari; Reti satellitari multi-fascio; 10

11 5 Partecipazione a convegni e congressi 1. Convegno Comunicazione Multimediale: analisi di contenuto, modellamento, accesso e protezione dell informazione Padova Febbraio International Conference on Multimedia database and image communication MDIC99, 4-5 October 1999, Salerno, Italy. 11

12 6 Pubblicazioni 1. R.Vaccaro, Michele Bruzzo and S. Dellepiane Fuzzy Learning for Content Based Database Systems, Proc. International Conference on Multimedia database and image communication MDIC99, 4-5 October 1999, Salerno, Italy; 2. Michele Bruzzo, Fabrizio Giorgini and S. Dellepiane Indicizzazione di database di immagini basata sul contenuto, Proc. Convegno Comunicazione Multimediale: analisi di contenuto, modellamento, accesso e protezione dell informazione Padova Febbraio 2000 Italy pag. III.C-1, III.C-15; 12

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