Ανάπτυξη Οπτικών Μεθόδων και Αλγορίθμων Τρισδιάστατης Ανακατασκευής Βιολογικών Επιφανειών και Ανίχνευσης Χαρακτηριστικών Προσώπου με Εφαρμογές στη Βιοϊατρική

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων Όρασης Υπολογιστών για την αντιμετώπιση κλασικών προβλημάτων Βιοϊατρικής. Στα πλαίσια της έρευνας που πραγματοποιήθηκε αναπτύχθηκαν δύο συστήματα υπολογιστικής όρασης, το πρώτο με σκοπό την τρισδιάστατη ανακατασκευή βιολογικών επιφανειών και το δεύτερο τον εντοπισμό και την καταγραφή αντανακλαστικών κινήσεων βιομετρικών χαρακτηριστικών του ανθρώπινου προσώπου με εφαρμογή στη μελέτη του φαινομένου της προπαλμικής αναστολής. Τα παραπάνω αποτελούν δύο κλασικά προβλήματα της Όρασης Υπολογιστών που βρίσκουν πλείστες εφαρμογές στις Βιοϊατρικές Επιστήμες. Στο πρώτο μέρος της διατριβής περιγράφεται η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου τρισδιάστατης ανακατασκευής, εξειδικευμένου στην ανακατασκευή βιολογικών επιφανειών. Ο αλγόριθμος αυτός στοχεύει στην ανακατασκευή βιολογικού ιστού λαμπερτιανής ανακλαστικότητας και σταθερής λευκαύγειας, υλοποιώντας μία καινοτόμο τεχνική που εμπίπτει στην γενικότερη κατηγορία των μεθόδων Shape from Shading (SfS), και ονομάζεται Shape from Isophotes (SfΙ). Οι τεχνικές SfS είναι μέθοδοι ανακατασκευής που επιτυγχάνουν την ανάκτηση ενός τρισδιάστατου σχήματος μέσω της ανάλυσης των χωρικών μεταβολών φωτεινότητας (φωτοσκίασης) μιας εικόνας. Η προτεινόμενη τεχνική SfI χρησιμοποιεί τις ισόφωτες καμπύλες που εξάγονται από τη δισδιάστατη εικόνα για τον υπολογισμό των κάθετων διανυσμάτων στην επιφάνεια του αντικειμένου. Η νέα μέθοδος δοκιμάστηκε πάνω σε ψηφιακές και πραγματικές βιολογικές επιφάνειες με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής περιγράφεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός οπτικού συστήματος υψηλής χρονικής δειγματοληψίας με σκοπό την εξ’ αποστάσεως καταγραφή της κίνησης βιομετρικών χαρακτηριστικών του ανθρώπινου προσώπου (βλεφαρισμός), με εφαρμογή στη μελέτη του φαινομένου της προπαλμικής αναστολής. Η μελέτη προπαλμικής αναστολής του αντανακλαστικού του ακουστικού αιφνιδιασμού αποτελεί έναν βασικό τομέα της ιατροφαρμακευτικής έρευνας στο πεδίο των ψυχοφυσικών διαταραχών, διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο στο πλαίσιο ανάπτυξης και ελέγχου νέων τύπων αντιψυχωσικής αγωγής. Η προτεινόμενη μέθοδος χρησιμοποιεί ένα οπτικό σύστημα υψηλής χρονικής δειγματοληψίας παράλληλα με αλγορίθμους οπτικής ροής και αναγνώρισης χαρακτηριστικών προσώπου για τη λεπτομερή απεικόνιση των αντιδράσεων του εξεταζόμενου σε ακουστικά ερεθίσματα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η σημαντική μείωση του βαθμού επεμβατικότητας που χαρακτηρίζει άλλες μεθόδους, μειώνοντας έτσι αισθητά τη δυσφορία του ασθενούς κατά την διάρκεια της εξέτασης. Η στάθμιση της νέας μεθόδου πραγματοποιήθηκε παράλληλα με μία κλασσική διάταξη ηλεκτρομυογράφου, με σκοπό τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο μεθόδων και την εξαγωγή συμπερασμάτων ως προς το βαθμό εγκυρότητας της προτεινόμενης μεθόδου. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου πάνω σε ένα δείγμα 32 εξεταζόμενων παρουσίασε πολύ θετικά αποτελέσματα.