Análise e restauração de vídeos de Microscopia Eletrônica de Baixa Energia

• Main Author: Welinton Andrey Contato
• Other Authors: João do Espírito Santo Batista Neto
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2016
• Subjects: Filtragem não local; Microscopia eletrônica de baixa energia; Non-local means; Remoção de borramento em vídeos; Remoção de ruídos em vídeos; Low energy electron microscopy; Non-local denoising; Video deblur; Video denoise
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-04012017-143212/

A Microscopia Eletrônica de Baixa Energia (LEEM) é uma recente e poderosa modalidade para o estudo de superfície passível de uma grande quantidade de degradações, como ruídos e borramento. Ainda incipiente na literatura, este trabalho visou a análise e identificação das fontes de degradações presentes em vídeos, além da utilização de um conjunto de técnicas de remoção de ruído e borramento para a restauração de dados LEEM. Além disso, foram desenvolvidas duas novas técnicas de filtragem de vídeo como intuito de preservar detalhes pequenos e texturas presentes. Na etapa de análise foi constatado que as imagens LEEM possuem uma grande quantidade e variedade de ruídos, sendo o Gaussiano o mais preponderante. Foi também estimada a Função de Espalhamento de Ponto (PSF) do microscópio utilizado, visando o emprego de técnicas de redução de borramento. Este trabalho também analisou a combinação de técnicas de redução de borramento com as técnicas de filtragem do ruído Gaussiano existente. Foi constatado que as técnicas não locais, como Non-Local Means (NLM) eBlock-Matching 3-D (BM3D), proveem uma maior capacidade de filtragem das imagens LEEM, preservando descontinuidades. Ainda nesta análise, identificou-se que algumas técnicas de redução de borramento não são efetivas em imagens LEEM, exceto a técnica Richardson-Lucy (RL) que suprimiu grande parte do borramento sem adicionar mais degradação. A indesejável remoção de pequenas estruturas e texturas pelas técnicas de filtragem existentes motivou o desenvolvimento de duas novas técnicas de filtragem de ruído Gaussiano (NLM3D-LBP-MSB eNLM3D-LBP-Adaptive) que mostraram resultados superiores para filtragem de imagens com grande quantidade de textura. Porém, em imagens com muitas regiões homogêneas o BM3D foi superior. Avaliações quantitativas foram realizadas sobre imagens artificiais. Em imagens LEEM reais, realizou-se um experimento qualitativo em que observadores avaliaram visualmente o resultado de restaurações por diversas técnicas existentes e as propostas neste trabalho. O experimento comprovou que os métodos de filtragem não locais foram superiores, principalmente quando combinados com o método RL. Os métodos propostos produziram bons resultados, entretanto, inferiores aos exibidos pelas técnicas NLM eBM3D. Este trabalho demonstrou que as técnicas de filtragem não locais são as mais adequadas para dados LEEM. Além disso, a técnica RL mostrou-se eficaz na redução de borramento. === Low Energy Electronic Microscopy (LEEM) is a recent and powerful surface science image modality prone to considerable amounts of degradations, such as noise and blurring. Still not fully addressed in the literature, this worked aimed at analysing and identifying the sources of degradation in LEEM videos, as well as the adequacy of existing noise reduction and deblurring techniques for LEEM data. This work also presented two new noise reduction techniques aimed at preserving texture and small details. Our analysis has revealed that LEEM images exhibit a large amount and variety of noises, with Gaussian noise being the most frequent. To handle the deblurring issue, the Point Spread Function (PSF) for the microscopeused in the experiments has also been estimated. This work has also studied the combination of deblurring and denoising techniques for Gaussian noise. Results have shown that non-local techniques such as Non-Local Means (NLM) and Block-Matching 3-D (BM3D) are more adequate for filtering LEEM images, while preserving discontinuities. We have also shown that some deblurring techniques are not suitable for LEEM images, except the RichardsonLucy (RL) approach which coped with most of the blur without the addition of extra degradation. The undesirable removal of small structures and texture by the existing denoising techniques encouraged the development of two novel Gaussian denoising techniques (NLM3D-LBP-MSB and NLM3D-LBP-Adaptive) which exhibited good results for images with a large amount of texture. However, BM3D was superior for images with large homogeneous regions. Quantitative experiments have been carried out for synthetic images. For real LEEM images, a qualitative analysis has been conducted in which observers visually assessed restoration results for existing techniques and also the two proposed ones. This experiment has shown that non-local denoising methodswere superior, especially when combined with theRL method. The proposed methods produced good results, but were out performed by NLM and BM3D. This work has shown that non-local denoising techniques are more adequate for LEEM data. Also, theRL technique is very efficient for deblurring purposes.