Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των διαφόρων τεχνικών ανίχνευσης οχημάτων και αντικειμένων στους δρόμους με την χρήση ψηφιακής βιντεοκάμερας. / The subject of this degree thesis is the study of various techniques of tracking vehicles and objects using digital video camera.

Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη συστήματος βασισμένου σε DSP για τη λήψη και επεξεργασία εικόνας υψηλής ανάλυσης με δυνατότητα ρύθμισης της γωνίας λήψης μέσα στο χώρο μέσω πρωτότυπου μηχανισμού που κινείται με τη βοήθεια δύο βηματικών κινητήρων και ελέγχου της διάταξης από απόσταση μέσω σύνδεσης δικτύου με το πρωτόκολλο TCP. Η δικτυακή επικοινωνία, επεξεργασία, μεταφορά και αποθήκευση των δεδομένων εικόνας στηρίζονται στην κάρτα DSK TMS320C6416, που βασίζεται στον DSP 6416 της Texas Instruments, ενώ ο έλεγχος της κάμερας και η οδήγηση των βηματικών κινητήρων επιτυγχάνονται με τη χρήση της θυγατρικής κάρτας DSK-EYE Gigabit, πυρήνα της οποίας αποτελεί ένα FPGA της οικογένειας Cyclone II της ALTERA και περιλαμβάνει τον OV5610 αισθητήρα εικόνας 5.2 Megapixel. Ένα γραφικό περιβάλλον επιτρέπει στο χρήστη της εφαρμογής τον έλεγχο της διάταξης και τη ρύθμιση των παραμέτρων για τη λήψη και επεξεργασία εικόνας ανάμεσα στις οποίες είναι η ρύθμιση φωτεινότητας, κέρδους, ανάλυσης της εικόνας, κατεύθυνσης και γωνίας κίνησηςγια κάθε κινητήρα ξεχωριστά και επιλογή του αλγορίθμου επεξεργασίας της αρχικής εικόνας. / A remote controlled DSP-based system for high resolution image capturing and processing, featuring 2-axis rotational motion was developed using the TMS320C6416 DSK board, which is based on TMS320C6416T DSP. A prototype device holding a pair of bipolar stepper motors and a gear set providing proper gear ratio and holding torque, is used for motion transmission to the 5.2 Megapixel Omnivision OV5610 camera module, connected to the Bitec DSK-EYE Gigabit daughtercard, which is built around a FPGA of the ALTERA Cyclone II family. The remote operation of the whole system is carried out over a network connection via the dedicated Ethernet adapter of the DSK-EYE board, using the TCP/IP protocol. The device is controlled by means of a Graphical User Interface (GUI) which grants access to some key parameters of the image sensoring process, allowing for easy adjustment of gain and exposure values, stepper motor control and image processing algorithm selection

- / -

Αρχικά εξετάζεται η φυσιολογία της καρδιάς και η λειτουργία της ως αντλίας, οι διάφορες φάσεις του καρδιακού κύκλου και τα αίτια των φαινομένων που παρατηρούνται σε αυτόν. Στη συνέχεια μελετώνται οι καρδιακοί ήχοι, η προέλευσή τους και μέθοδοι παρατήρησής τους, το ηλεκτροκαρδιογράφημα, τα χαρακτηριστικά του και οι εφαρμογές του. Ακολούθως εξετάζεται η δειγματοληψία, επεξεργασία και ανάλυση βιολογικών σημάτων. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται οι μέθοδοι και οι αλγόριθμοι με τους οποίους λαμβάνονται τα ηλεκτροκαρδιογραφικά και φωνοκαρδιογραφικά σήματα, απομακρύνεται ο θόρυβος που προστίθεται από διάφορες πηγές και ανιχνεύονται συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των κυματομορφών των σημάτων και ιδιότητές τους, για να αναλυθούν και να γίνει διάγνωση δυσλειτουργιών και παθολογιών της καρδιάς. Τέλος, αναπτύσσεται κώδικας συνεχούς δειγματοληψίας τεσσάρων καναλιών και καταγραφής των δεδομένων δειγματοληψίας σε μια κάρτα μνήμης πολυμέσων, προγραμματίζοντας τον μικροεπεξεργαστή MSP430F169 της Texas Instruments. / In the first part, the physiology of the heart and its functionality as a pump are studied, considering the different phases of a heart cycle and the phenomena observed within. Furthermore, heart sounds, their origin and methods of detection are examined, alongwith the electrocardiogram, its characteristics and applications. Secondly, sampling, processing and analysing methods of biosignals are described. In particular,techniques for ECG and PCG signal acquisition, noise reduction and detection of unique properties and characteristics are studied for analysis and diagnosis of heart disorders and pathologies. Finally, a code for continuous sampling of four channels and storing the sampled data into a multimedia memory card is developed, programming the MSP430F169 microcontroller, by Texas Instruments.

Η κωδικοποίηση στο χρόνο αποτελεί έναν πραγματικού-χρόνου, ασύγχρονο μηχανισμό κωδικοποίησης της πληροφορίας ενός αναλογικού σήματος πεπερασμένου εύρους ζώνης σε μία χρονική ακολουθία (χρονικά δείγματα), βάση της οποίας το σήμα μπορεί να ανακατασκευαστεί. Τα κυκλώματα τα οποία παράγουν αυτά τα χρονικά δείγματα και οι αλγόριθμοι οι οποίοι πραγματοποιούν την ανακατασκευή αναφέρονται ως Μηχανές Κωδικοποίησης στο Χρόνο (ΤΕΜs) και Μηχανές Αποκωδικοποίησης στο χρόνο (TDMs), αντίστοιχα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αντιμετωπιστεί ως ένας μηχανισμός δειγμaτοληψίας εξαρτώμενος από το σήμα και από τις παραμέτρους των παραπάνω κυκλωμάτων. Σε αυτήν τη διπλωματική εργασία, παρουσιάζουμε το θεωρητικό και μαθηματικό υπόβαθρο αυτής της καινοτόμας μεθόδου αναπαράστασης της πληροφορίας. / Time encoding is a real-time, asynchronous mechanism for encoding the information of an analog bandlimited signal into a time sequence (time samples) based on which the signal can be reconstructed. The circuits generating these time samples and the algorithms carrying out the reconstruction are referred to as Time Encoding Machines (TEMs) and Time Decoding Machines (TDMs), respectively. This procedure can be addressed as a sampling scheme which depends on the signal and the parameters of the above circuits. In this diploma thesis, we present the theoretical and mathematical framework of this innovative information representation procedure.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός συστήματος που να μπορεί να ξεχωρίζει τα οχήματα από άλλα αντικείμενα με τη χρήση κυματιδίου Haar και φίλτρου Gabor (εξαγωγή χαρακτηριστικών) και SVM, RBF για ταξινόμηση. / The aim of this thesis is the construction of a system that will be able to distiguish vehicles from other objects using Haar and Gabor filter (export characteristic) and SVM, RBF for classification.

Η παρακολούθηση του ρεύματος διαρροής, και ειδικά της κυματομορφής του, είναι μια ευρύτατα διαδεδομένη τεχνική για την παρακολούθηση της επιφανειακής δραστηριότητας και κατάστασης των μονωτήρων υψηλής τάσης. Η παρακολούθηση στο πεδίο είναι απαραίτητη για να υπάρξει μια πιστή καταγραφή της δραστηριότητας και συμπεριφοράς σε πραγματικές συνθήκες, παρουσιάζει όμως σημαντικές δυσκολίες. Το πρόβλημα συνήθως παρακάμπτεται με την καταγραφή και μελέτη εξαγόμενων μεγεθών όπως η τιμή κορυφής και το φορτίο, μία προσέγγιση που οδηγεί όμως σε αμφίβολα αποτελέσματα. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην διερεύνηση και ταξινόμηση κυματομορφών ρεύματος διαρροής καταγεγραμμένων στο πεδίο. Αρχικά, παρατίθεται μια λεπτομερής ανασκόπηση της καταγραφής και ανάλυσης ρεύματος διαρροής σε εργαστηριακές και πραγματικές συνθήκες. Στην συνέχεια, περιγράφεται το πεδίο μετρήσεων, δύο Υποσταθμοί Υψηλής Τάσης 150kV, το αναπτυχθέν λογισμικό αλλά και ο Υπαίθριος Σταθμός Δοκιμών όπου πρόκειται να αξιοποιηθούν τα αποτελέσματα. Μελετώνται περισσότερες από 100.000 κυματομορφές, που έχουν καταγραφεί σε μια περίοδο που ξεπερνάει τα δέκα έτη. Εξετάζεται και αξιολογείται το πρόβλημα του θορύβου και ταυτοποιούνται τρεις διαφορετικοί τύποι θορύβου. Εξετάζεται η επίδρασή τους στο πρόβλημα συσσώρευσης δεδομένων αλλά και στην ποιότητα της εξαγόμενης πληροφορίας. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος εφαρμόζονται και αξιολογούνται τρεις διαφορετικές τεχνικές. Για την περαιτέρω ταξινόμησή των κυματομορφών που απεικονίζουν δραστηριότητα, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές επεξεργασίας σήματος, εξαγωγής και επιλογής χαρακτηριστικών καθώς και αναγνώρισης προτύπων όπως η Wavelet Multi-Resolution Ανάλυση, η Ανάλυση Fourier, τα Νευρωνικά Δίκτυα, το t-test, ο αλγόριθμος mRMR, ο αλγόριθμος κ-πλησιέστερων γειτόνων, ο απλός Μπεϋζιανός ταξινομητής και οι Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης. Συγκεντρωτικά, δίνεται μια συνολική εικόνα των διαφορετικών ζητημάτων που σχετίζονται με την παρακολούθηση του ρεύματος διαρροής. Παρατίθεται μια πλήρης εικόνα των κυματομορφών όπως αυτές καταγράφονται σε πραγματικές συνθήκες, υπογραμμίζοντας ιδιαιτερότητες που σχετίζονται με την φύση της εφαρμογής. Εφαρμόζονται και αξιολογούνται νέες προσεγγίσεις για την ταξινόμηση των κυματομορφών. Τα συνολικά αποτελέσματα προσφέρουν σημαντική ενίσχυση στην αποτελεσματικότητα της τεχνικής της παρακολούθησης του ρεύματος διαρροής, συμβάλλοντας σημαντικά στην μελέτη της επιφανειακής δραστηριότητας και συμπεριφοράς των μονωτήρων υψηλής τάσης. / Leakage current monitoring is a widely applied technique for monitoring surface activity and condition of high voltage insulators. Field monitoring is necessary to acquire an exact image of activity and performance in the field. However, recording, managing and interpreting leakage current waveforms, the shape of which is correlated to surface activity, is a major task. The problem is commonly by-passed with the extraction, recording and investigation of values related to peak and charge, an approach reported to produce questionable results. The present thesis focuses on the investigation and classification of field leakage current waveforms. At first, a detailed background of measuring and analyzing leakage current both in lab and field conditions is provided. Then, the monitoring sites, two 150kV Substations, as well as the developed custom-made software and the newly constructed High Voltage Test Station where the results of this thesis are to be implemented, is briefly described. More than 100.000 waveforms are investigated, recorded through a period exceeding ten years. Field related noise is thoroughly described and evaluated. Three different types of noise are identified and their impact on the size of accumulated data and on data interpretation is investigated. Three different techniques to overcome the problem are applied and evaluated. Activity portraying waveforms are further investigated. Further classification of activity portraying waveforms is performed employing signal processing, feature extraction and selection algorithms as well as pattern recognition techniques such as Wavelet Multi-Resolution Analysis, Fourier Analysis, Neural Networks (NNs), student’s t-test, minimum Redundancy Maximum Relevance (mRMR), k-Nearest Neighbors (kNN), Naive Bayesian Classifier and Support Vector Machines (SVMs). Overall results provide a full image of the various aspects of field leakage current monitoring. A detailed image of field waveforms, revealing several new attributes, is documented. New approaches for the classification of leakage current waveforms are introduced, applied on field waveforms and evaluated. Results described in this thesis significantly enhance the effectiveness of the leakage current monitoring technique, providing a powerful tool for the investigation of surface activity and performance of high voltage insulators.

Η διαμόρφωση με πολύπλεξη συχνότητας ορθογωνίων φερουσών (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) έχει εδραιωθεί ως μία από τις επικρατέστερες μεθόδους διαμόρφωσης για την υψηλού ρυθμού μετάδοση πληροφορίας μέσω ασύρματων μέσων. Σε ένα σύστημα OFDM, ένα από τα βασικότερα και υπολογιστικά πολυπλοκότερα τμήματα είναι ο υπολογισμούς του Ταχύ Μετασχηματισμού Fourier. Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της χρήσης εναλλακτικής αριθμητικής για την υλοποίηση κυκλωμάτων FFT. Τυπικά, τέτοιου είδους κυκλώματα υλοποιούνται χρησιμοποιώντας κάποια γραμμική αναπαράσταση σταθερής υποδιαστολής. Στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί υλοποιήσεις του FFT με χρήση του Λογαριθμικού Συστήματος Αρίθμησης (Logarithmic Numbering System – LNS) και έχουν αναφερθεί κέρδη για συγκεκριμένους παράγοντες όπως το σφάλμα κβαντισμού, η επιφάνεια ολοκλήρωσης και η κατανάλωση ισχύος. Η αποδοτικότητα αυτών των λύσεων ερευνάται για τη συγκεκριμένη περίπτωση της εφαρμογής του FFT σε OFDM modems. Εστιάζοντας στην περίπτωση του FFT 64 σημείων για OFDM modem για ασύρματα δίκτυα 802.11a, μία από τις πλέον επιτυχημένες αρχιτεκτονικές που έχουν προταθεί για την υλοποίηση του, στηρίζεται στη λογική του FFT γραμμής – στήλης και παρουσιάζει έναν τρόπο πραγματοποίησης του υπολογισμού χωρίς κανένα ψηφιακό πολλαπλασιαστή. Με το βασικό πλεονέκτημα της λογαριθμικής αναπαράστασης να είναι η απλοποίηση των κυκλωμάτων πολλαπλασιασμού (με ταυτόχρονη όμως αύξηση του κόστους για την πραγματοποίηση προσθέσεων), δείχνεται ότι τελικά η υλοποίηση ενός FFT αμιγώς σε LNS δεν είναι προτιμητέα. Αν και η αρχιτεκτονική του FFT γραμμής – στήλης μπορεί να προσφέρει υψηλή απόδοση με χαμηλό κόστος υλοποίησης, παρουσιάζει μια σειρά από αδυναμίες, που σχετίζονται κυρίως με τη χρήση ειδικών κυκλωμάτων για την εκτέλεση των πολλαπλασιασμών με τις σταθερές που εμφανίζονται στον FFT (twiddle factors). Για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών προτείνεται η εισαγωγή του LNS σε κάποια τμήματα του κυκλώματος του FFT, οδηγώντας έτσι στη δημιουργία ενός συστήματος μικτής αναπαράστασης. Σε τέτοιου είδους υβριδικά συστήματα τίθενται δύο βασικά ζητήματα. Το πρώτο αφορά τον ορισμό της ισοδυναμίας μεταξύ των διαφορετικών αναπαραστάσεων και το δεύτερο τον αποδοτικό τρόπο υλοποίησης των κυκλωμάτων μετατροπής από το ένα αριθμητικό σύστημα στο άλλο. Τυπικά, τα κριτήρια ισοδυναμίας που επιλέγονται είναι αυστηρά μαθηματικά ορισμένα, όπως για παράδειγμα ο Λόγος Σήματος προς Θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio - SNR) ή το Μέσο Σχετικό Σφάλμα Αναπαράστασης (Average Relative Representation Error – ARRE). Στη συγκεκριμένη εργασία ακολουθείται μια λιγότερο δεσμευτική προσέγγιση, ορίζοντας την ισοδυναμία δύο αναπαραστάσεων με βάση την τελική απόδοση του συστήματος OFDM όσον αφορά το ρυθμό λαθών στο δέκτη (Bit Error Rate - BER). Με βάση αυτή τη λογική, αποδεικνύεται ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν αναπαραστάσεις πολύ μικρού μεγέθους λέξης και οι προσεγγίσεις που χρειάζεται να γίνουν κατά τις μετατροπές μεταξύ των δύο συστημάτων δεν είναι ανάγκη να είναι ιδιαίτερα ακριβείς. Έτσι, τα σχετικά κυκλώματα μπορούν να υλοποιηθούν αποδοτικά και με μικρό κόστος. Η υλοποίηση δύο συστημάτων για τον FFT 64 σημείων, ένα βασισμένο αποκλειστικά σε γραμμική αναπαράσταση σταθερής υποδιαστολής και ένα υβριδικό που χρησιμοποιεί γραμμική και λογαριθμική αναπαράσταση, δείχνει ότι χωρίς διαφορές όσον αφορά το BER και την καθυστέρηση (delay), η υβριδική προσέγγιση απαιτεί μικρότερη επιφάνεια ολοκλήρωσης και παρουσιάζει σημαντικά χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος. / Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been established as one of the most prevalent methods for high data rate transmission through wireless channels. In an OFDM communication system, one of the fundamental and most computationally intensive parts is the computation of the Fast Fourier Transform (FFT). The subject of this thesis is to investigate the use of alternative arithmetic representation systems for the implementation of FFT circuits. Typically, these circuits are implemented using linear fixed-point representations. In literature, implementations of the FFT using the Logarithmic Numbering System (LNS) have been proposed and significant gains in quantization errors, chip area and power consumption have been reported. The effectiveness of these proposals in the case of the FFT for OFDM systems is investigated. Focusing on the case of the 64-point FFT for an OFDM modem for an 802.11a wireless network, one of the most efficient architectures proposed is based on the concept of row-column FFT and presents a way of implementing the computation without using any digital (non-fixed input) multiplier. The most important feature of the LNS representation is the fact that multiplication operations turn to mere additions, thus there are significant implementation gains. On the downside though, addition in LNS is very expensive. Combining the aforementioned, it is shown that the implementation of the whole FFT computation in LNS is not a preferable solution. Although the row-column FFT architecture may offer high performance and low implementation cost, it presents a number of deficiencies mainly due to the fact that special purpose circuits are used to perform the multiplications with the complex constants (twiddle factors) that appear in the computation. In order to alleviate these deficiencies, it is proposed to use the LNS representation in some parts of the FFT circuit, thus forming a hybrid-representation system. In hybrid-representation systems two major issues are raised. The first one is how to define equivalence between the arithmetic representation systems used and the second one is related to the cost of the circuits required to perform the conversions between the numbers of the different arithmetic systems. Typically, the equivalence criterion used is mathematically defined and metrics like the Signal-to-Noise Ratio (SNR) or Average Relative Representation Error (ARRE) are commonly used. In this report, a less restrictive metric is used: two arithmetic representations are defined to be equal if the Bit Error Rate (BER) performance of the overall OFDM system is equal. Using this approach, it is shown that short word-length representations may be used and the conversions between the linear and logarithmic systems need not be very accurate. This results in great simplification of the conversion process and the respected circuits can be implemented with low cost. For comparison, two 64-point FFT systems have been implemented, one using a linear fixed-point 2’s complement representation and one using both linear and LNS representation. Without any differences in BER performance and circuit delay, the hybrid-representation system requires less chip area and consumes significantly lower power.