Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
761335		Novel methodology for construction and decoding of color data codes / Renk veri kodlarının oluşturulması ve çözümlenmesi için yeni metodoloji Yazar:REFİK TANJU SİRMEN Danışman: PROF. DR. BURAK BERK ÜSTÜNDAĞ Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control Dizin:Dekodlama yöntemleri = Decoding methods ; Kod çözme = Decoding	Onaylandı Doktora İngilizce 2022 234 s.
Tüm skaler tanımlayıcı niteliklerinin aynı uzamsal bileşende aktarılıyor olması bakımından renkler, verimli veri aktarım kaynakları olarak kullanılabilmektedir. Sürecin her bir veçhesi üzerinde süregelen çok sayıda araştırma mevcut olmakla birlikte, (tüm uygulamanın zeminini oluşturan) palet yapımı ve (nihai amaç olan) renk kodlarının çözümlenmesi meseleleri fazladan vurguyu gerektirir. Buradaki palet terimi, permütasyon sıralaması göz önüne alınmaksızın, sembolojiye dâhil edilecek belirli renklerin kombinasyonunu ifade eder. Kullanılacak renk sayısı bilgi taşıma kapasitesinin ana belirleyicisi olurken, kullanılacak renklerin seçimi kod çözümleme güvenilirliğini güçlü bir şekilde etkiler. Bu iki mesele, bu tezin ana konusunu oluşturmaktadır. Bu bağlamda, temel olarak yaygınlığı ve nispeten kolay uygulanabilmesi nedeniyle 3B barkodlar çalışmanın örnek uygulama alanı olarak seçilmiştir. Burada kullanılan 3B veya 3-Boyutlu terimi, ikiden fazla rengin yer aldığı barkod tasarımlarını işaret etmektedir. Verilerin makine tarafından okunabildiği bir temsil yöntemi olarak barkod teknolojisi, daha yüksek yoğunluk ve tutarlılık ile bilgi gönderme arayışına en bilinen ve uygun maliyetli çözümlerden birini sağlar. Bu nedenle, esas olarak bilgi yoğunluğunu arttırma güdüsü ile barkodlara renkleri dahil etmek, yıllardır çekici bir araştırma alanı olagelmiştir. Alandaki çalışmaların önemli bir bölümünün çeşitli 3B barkodların tasarımına yönelik olmasına karşın, sadece birkaçı özel olarak paletin oluşturulması konusuna odaklanmıştır. Mevcut çalışmaların da genel amaçlı olmaktan çok yetersiz (suboptimal) veya özgün amaçlara yönelik olduğu görünmektedir. Her ne kadar renk sayısını arttırmak kapasiteyi doğrudan artıracak olsa da, çeşitli bozucu etkilerin varlığında ayırt edilebilirliği daha da zorlaştıracaktır. Dolayısıyla, palet yapısı ve kod çözümleme yaklaşımı, beklenen bozulmanın tahmini özelliklerini de göz önünde bulunduracak şekilde, yakından uyumlu olmalıdır. Bu kavrayış bu çalışmasının temel eksenlerini işaret eder. Bu doğrultuda, ilk olarak, jenerik bir 3B-barkod pratiğinin özgün yönleri ve alana özgü gürültü etkenlerinin nitelikleri belirlenmektedir. Barkod renk algılamanın ortaya koyulan operasyonel modeline uygun olarak dayanıklı renk paletlerinin oluşturulması ele alınmış, uygulanabilir bir metodoloji oluşturulmuş ve paletlerin değerlendirilmesi ve karşılaştırmasına hizmet edecek çeşitli ölçüt ve teknikler önerilmiştir. Ayrıca diğer nihai amaç doğrultusunda, yeni bir çözümleme şeması geliştirilmiştir. Palet tasarımında, referans renk uzayındaki olası maksimum uzaklıkta renklerin seçilmesinin, beklenen kimlik doğrulama performansını iyileştireceği kabul edilmektedir. Dolayısıyla, burada palet oluşturma sorunsalı ünlü 'küre-paketleme' probleminin ters formülasyonu olarak ele alınmıştır. Önerilen metodoloji ve aynı zamanda (hassasiyet maliyeti, etkinlik, maliyet-verimlilik ve palet kalitesi gibi) karşılaştırma ölçütleri aksiyomatik olarak herhangi bir sayıda renge uygulanabilir. Ayrıca izlenen yaklaşım, kodlama sisteminden, çalışma koşullarından veya seçilen donanımından bağımsızdır, dolayısıyla da tercih edilen renk uzayına göre genelleştirilebilir. Aynı zamanda, geliştirilen 'öngörülü-yakınsamalı çözümleme' yöntemi (IDPC), türdeş 3B barkod uygulamalarında tam anlamıyla rastlanmayan yeni bir sıralı-çözümleme yapısı sunmaktadır. Yinelemeli çözümlemenin bir türevi olarak IDPC yönteminin yakınsama kademesi, yapının iç ve dış katmanları arasında bir karşılıklı etkileşim oluşturarak tahmini yerel minimum hata oranına erişmeye çalışır. Optimal yineleme sayısını elde etmek için, bu çalışmada sunulan ve diğer eşlenik alanlarda da kullanılabilirliği görünen belirsizlik ölçütünden yararlanılır. Çalışma çerçevesinde, (3 ≤ N ≤ 100 renk için) çok sayıda palet oluşturulmuş, incelenmiş ve çeşitli bilinen benzerleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar önerilen metodoloji aracılığıyla daha verimli palet tasarımları gerçekleştirilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir. Geliştirilen yöntemler ayrıca bilgisayar simülasyonları ve fiziksel deneyler yoluyla test edilmiş ve değerlendirilmiştir. Simülasyonlar esas olarak, palet seçiminin renk ayrıştırma geçerliliği üzerindeki etkisini ve önerilen öngörülü-yakınsama uygulamasının kod çözme performansına katkısını inceleme amaçlarıyla yapılmıştır. Bu çerçevede, yeni bir serpiştirme (interleaving) tekniği tasarlanmış ve uygulanmıştır. Simülasyonlara ek olarak, farklı ortamlar altında kapsamlı deneyler gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerde, önerilen çözümleme yönteminin ölçülen ortalama performansının %99 üzerinde olduğu gözlemlenmiştir. Bunun yanında, yakınsama uygulanmasının önceki adımdan kalan hataların önemli çoğunluğunu (ortalamada %84 üzerinde) düzeltilmeyi başarabildiği ortaya koyulmuştur. Renk seçiminin önemi bir çok mevcut çalışmada vurgulanmış olmasına karşın, dayanıklı palet yapımı için genellenebilir bir metodoloji önerisine ve paletleri değerlendirmek ve karşılaştırmak için belirgin ölçütlere olan ihtiyacın tam olarak karşılanmadığı söylenebilir. Bu tez çalışması ile belirtilen eksikliğin giderilmesine katkı sağlamak hedeflenmiştir. Dahası, önerilen yeni kod çözme algoritması, ortaya koyulan yakınsama uygulaması aracılığıyla daha yüksek başarımlara ulaşılabilmeyi vaat etmektedir. Gelecekte konu üzerindeki olası çalışmalarda ele alınabilecek çeşitli başlıklara da ayrıca yer verilmiştir. Çalışma çerçevesinde ortaya konan kavram, yöntem ve bulguların, 3B barkodların ötesinde bilgi aktarımı için renklerin kullanıldığı diğer uygulama alanlarında da etkin bir şekilde kullanılabileceği öngörülmektedir.
Colors can be employed as efficient sources of data conveyance as all their scalar descriptive attributes are transferred in the same spatial component. Although there is a great deal of ongoing research on each aspect of the process, palette construction (which establishes the basis of the whole practice) and decoding (which is the ultimate goal) issues deserve extra emphasis. The term palette herein states the combination of specific colors to be included in the symbology, disregarding the permutation order. That is, the number of colors to be used is the main determinant of the conveyance capacity, while the selection of colors strongly affects the decoding reliability. These two issues constitute the main dealings of this dissertation. In this context, 3D barcodes have been chosen as the exemplary application area, mainly because of their ubiquity and relatively easier implementation. The term 3D or 3-Dimensional describes herein a barcode utilizing more than two colors. As a machine-readable representation method of data, barcode technology provides one of the most recognized and cost-effective solutions to the quest for dispatching information with higher density and consistency. Hence, introducing colors to barcodes has been an attractive field of research for years, mainly with the motive to increase information density. A significant amount of work attempts to design a variety of 3D barcodes; nevertheless, only a few focalize on the issue of construction of the palette in particular. Even the existing ones appear either suboptimal or specific rather than generic. Although increasing the number of colors will directly leverage the capacity, in the presence of various disruptive effects it would further hamper distinguishability. In this respect, the palette structure and decoding approach should be in close accordance, considering the estimated characteristics of the anticipated distortion. This conception points out the main axes of this dissertation. In this direction, first, the peculiarities of a generic 3D-barcoding practice and the properties of field-specific interference were identified. In line with the derived operational barcode color acquisition model, the need for a plausible methodology for constructing robust color palettes was thus addressed. Along with, relevant techniques and metrics were devised to evaluate and compare pallets. Furthermore, a novel decoding schema has been developed as the consequential objective. It is acknowledged that selecting colors in the reference space as farthest apart as possible improves the expected performance of authentication. Therefore, the palette construction issue was worked out here as the inverse formulation of the well-known sphere-packing problem. The proposed methodology, as well as the comparison metrics (such as the accuracy-requirement cost, efficiency, cost-effectiveness, or palette quality), can be applied axiomatically to any number of colors. Also, the approach taken is independent of the coding system, operational conditions, or devices so that it can be generalized for the favored color space. Further, the 'iterative decoding with predictive convergence' (IDPC) method developed herein presents a novel concatenated scheme, which was not fully available in the congener methods used in 3D barcodes. As a derivative of the iterative decoding, the convergence step of the IDPC tries to reach the local error minima estimate by establishing coaction between the inner and outer layers of the schema. To achieve optimal iteration implementation, the uncertainty measure presented here was utilized, which seems to be suitable to exploit in diverse congruent areas as well. Numerous palettes (of 3 ≤ N ≤ 100) were designed, analyzed, and compared with some of the known counterparts, along with the study. Results show that constructing more efficient palettes can be realized through the proposed methodology. The methods developed were further tested and evaluated through computer simulations and real-life experiments. Simulations were conducted mainly to examine the influence of the palette selection on color authentication, as well as the contribution of the proposed predictive convergence to the decoding performance. In this framework, a novel interleaving technique was also devised and applied. In addition to the simulations, comprehensive experiments were performed in different environments. The observed average performance of the suggested decoding method was over 99% in the tests conducted; besides it was confirmed that exercising the convergence provided the resolution of most (i.e. over 84%) of the errors remaining from the previous step. We can propound that, although the importance of color selection was emphasized in several previous studies, the need for a generic methodology proposal for robust palette construction, moreover, explicit metrics for evaluating and comparing palettes were not thoroughly afforded. This dissertation aims to contribute to the efforts to fulfill this highlighted need. Furthermore, the proposed decoding algorithm promises better performances through the revealed convergence implementation. It is also envisaged that the depicted concepts, methods, and findings would be instrumental as well for the other application areas of using colors for information representation and transfer, beyond 3D barcodes.