Νέες προηγμένες μέθοδοι αναγνώρισης προτύπων με εφαρμογές στην επεξεργασία βιοσημάτων και την αυτόματη τρισδιάστατη ανακατασκευή θραυσμένων αντικειμένων

Abstract

In the present thesis, new methodologies are presented in the fields of Pattern Analysis, Pattern Recognition and Curve and Surface Fitting. Each one of these methodologies supports the development of a corresponding information system for successfully tackling actual problems in the areas of Biomedicine and Archaeometry.Firstly, a new method is presented for processing bio-signals which belong to the class of Evoked Potentials. The study is based on the results of an experiment, which records the electroencephalic signals produced when a healthy subject is called upon to decide between a logical (Aristotelian) or paradoxical (according to Zeno) conclusion. Using advanced Pattern Recognition kai Signal Processing techniques, these bio-signals are classified in groups, according to the underlying brain functionality. Additionally, this thesis supports the assumption that logical (Aristotelian) deductions and Zeno’s paradoxes derive from different brain activities. The relative analysis strongly supports the argument that these activities may be based in different areas of the brain.Secondly, in the present work, new methods are presented for Pattern Recognition and Processing of 3-dimensional representations of fragments, aiming at developing an automated system for the determination of possible matches between fragments of any shape. Specifically, the application of the developed methodologies offered partial, virtual reconstruction of various fragmented archaeological findings of great historical significance. These findings include Mycenaean wall paintings belonging to the 13th century BC from the Tiryns excavation, as well as fragments of burial vessels of the same era, stored in the Prehistoric Collection of the National Archaeological Museum.Specifically, a first novel methodology has been developed for the reconstruction of fragmented objects, which have one side almost flat (as in the case of wall paintings), and a second one, for the reconstruction of fragmented objects of any geometrical form (as in the case of vessels). The introduced approach takes into consideration the 3-dimensional representations of the fragments, obtained via a 3-D scanner. Subsequently, the methodology uses a series of mathematically established criteria based on Calculus of Variations, which lead to the conclusion of whether two fragments match at a certain relative position. These criteria are either rejecting, in the sense that they conclude that two fragments do not match in a certain position, or sufficient, when they offer an irrevocable decision about matching.The application of these methods was accomplished through the development of corresponding original information systems, implementing the aforementioned criteria in a proper order. These systems offered islands of matching fragments belonging both to wall paintings and vessels. These islands of fragments have been spotted and virtually reconstructed for the first time.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται μεθοδολογίες ανάλυσης, αναγνώρισης και προσαρμογής προτύπων. Κάθε μία από τις μεθοδολογίες αυτές υποστηρίζει την ανάπτυξη αντίστοιχου πληροφοριακού συστήματος για την επίλυση πραγματικών προβλημάτων στις περιοχές της Βιοϊατρικής και της Αρχαιομετρίας.Ειδικότερα, εν πρώτοις, παρουσιάζεται μία νέα μέθοδος επεξεργασίας των βιοσημάτων που ανήκουν στην κλάση των προκλητών δυναμικών. Η εργασία βασίζεται στα αποτελέσματα ενός πειράματος που καταγράφει ηλεκτροεγκεφαλικά σήματα, τα οποία παράγονται όταν ένα υγιές υποκείμενο καλείται να πραγματοποιήσει ορθούς (Αριστοτέλειους) συλλογισμούς ή να εξάγει "παράδοξα" (κατά Ζήνωνα) συμπεράσματα. Με χρήση προηγμένων τεχνικών αναγνώρισης προτύπων και επεξεργασίας σημάτων, πραγματοποιείται επιτυχής κατάταξη των βιοσημάτων αυτών σε διαφορετικές ομάδες, ανάλογα με την εκάστοτε υποκείμενη εγκεφαλική λειτουργία. Επιπρόσθετα, η παρούσα διατριβή υποστηρίζει σαφώς την άποψη ότι η Αριστοτέλεια λογική συνεπαγωγή αφενός και τα "παράδοξα" συμπεράσματα του Ζήνωνος αφετέρου, πέρα από την ουσιωδώς διαφορετική φιλοσοφική τους διάσταση, γεννώνται από διαφορετικές εγκεφαλικές λειτουργίες. Από τη σχετική ανάλυση προκύπτει ότι οι λειτουργίες αυτές πιθανόν εδράζονται σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου.Εν συνεχεία, στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται επίσης καινοτόμες μέθοδοι αναγνώρισης προτύπων και επεξεργασίας τρισδιάστατων αναπαραστάσεων θραυσμάτων με σκοπό τον αυτόματο εντοπισμό πιθανών συνενώσεων των θραυσμάτων αυτών. Συγκεκριμένα, οι σχετικές μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν, εφαρμόστηκαν στη μερική εικονική αυτόματη ανακατασκευή θραυσμένων αρχαιολογικών ευρημάτων πολύ μεγάλης ιστορικής και αρχαιολογικής σημασίας. Τα ευρήματα αυτά αφορούν τόσο σε μυκηναϊκές τοιχογραφίες του 13 αιώνα π.Χ. από την ανασκαφή της Τίρυνθας, όσο και σε θραύσματα/όστρακα ταφικών αγγείων της ίδιας περιόδου που φυλάσσονται στην Προϊστορική Συλλογή του Εθνικού Αρχαιολογικού Μουσείου.Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν μία πρωτότυπη μέθοδος ανακατασκευής θραυσμένων αντικειμένων που έχουν την μία πλευρά τους σχεδόν επίπεδη, όπως είναι η περίπτωση των θραυσμένων τοιχογραφιών, ως και μία πρωτότυπη μέθοδος ανακατασκευής θραυσμένων αντικειμένων οποιασδήποτε γεωμετρικής μορφής, όπως είναι η περίπτωση των οστράκων ταφικών αγγείων. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε, λαμβάνει υπόψιν της την τρισδιάστατη απεικόνιση των θραυσμάτων, η οποία επιτυγχάνεται με τη χρήση τρισδιάστατου σαρωτή (3d scanner). Ακολούθως, η μεθοδολογία χρησιμοποιεί ένα σύνολο μαθηματικά θεμελιωμένων κριτηρίων ομοιότητας, επί τη βάσει της Θεωρίας Μεταβολών, που οδηγούν στην αυτόματη διαπίστωση του εάν δύο θραύσματα μπορούν να συναρμοστούν μεταξύ τους ή όχι. Τα κριτήρια είναι είτε απορριπτικά, δηλαδή αποφαίνονται με μεγάλη επιτυχία εάν δύο θραύσματα δεν ταιριάζουν σε μία συγκεκριμένη θέση είτε ικανά, καθώς προσφέρουν τελεσίδικη απόφαση προσαρμογής και εφαρμόζονται μόνο σε θέσεις που τα πρώτα κριτήρια το επιτρέπουν. Η εφαρμογή των μεθόδων έγινε με ανάπτυξη ειδικού πρωτότυπου πληροφοριακού συστήματος που υλοποιούσε τα προαναφερθέντα κριτήρια. Το σύστημα αυτό επιβεβαίωσε συνενώσεις θραυσμάτων που σχημάτιζαν νησίδες τοιχογραφιών ως και τμημάτων αγγείων, αλλά και εντόπισε νέες ορθές νησίδες ενώσεων για πρώτη φορά.