Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paulo Protachevicz.pdf: 7453134 bytes, checksum: a689d444f78c24e110cb4b4ee9993484 (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / Cellular automata are mathematical models that can be used, among other things, to describe neuronal firing and interactions between neurons. They are simpler than coupled map lattices and oscillator chains, since cellular automata are characterized by discrete space, time, and state variables. The state variables are updated simultaneously according to the values of the variables in their neighborhood, by using deterministic or stochastic rules. The main goal of this work is the investigation of the dynamic range in a neuronal network modelled by celullar automata. Dynamic range is characterized by the capacity of a biological system to discriminate the intensity of an external stimulus. It is a range of intensities for which receptors can encode stimuli. In order to study the dynamic range in a neuronal network modeled by cellular automata, we consider a deterministic evolution rule to describe the neuronal dinamics. To model the interactions between the neurons through chemical and electrical synapses we have used deterministic and non-deterministic rules. By means of this models, it was possible to analyze the influence of chemical synapses and chemical time delay on the dynamic range. For a network with only electrical synapses, which describes intraglomerular region of the olfactory bulb, we found that the addition of weighted chemical synapses may contribute to improve the system sensitivity in response to external perturbation, i.e., to increase the dynamic range of neuronal network. We also verified the existence of bistability regions of the average firing rate and this system behavior is directly related to the region for which there is an increase in the dynamic range value. / Os automatos celulares sao modelos matematicos que podem ser utilizados, entre outras coisas, para descrever o disparo neuronal e as interações entre os neuronios. Eles sao mais simples que redes de mapas acoplados e cadeia de osciladores, dado que os automatos celulares sao caracterizados por apresentar espa¸co, tempo e variaveis de estado discretas. Os estados das variaveis sao atualizados simultaneamente de acordo com os valores das variaveis de seus vizinhos, por uso de regras determinısticas e estocasticas. O principal objetivo deste trabalho ´e investigar a faixa dinamica de uma rede neuronal modelado por automato celular. A faixa dinamica e caraterizada pela capacidade de sistemas biologicos discriminar intensidade de estımulo externo. Sendo o intervalo de intensidades para qual os receptores podem decodificar um certo estımulo. A fim de estudar a faixa dinamica de uma rede neuronal modelada por automato celular, consideramos regras de evolucao determinısticas para descrever a dinamica neuronal. Para modelar as interacoes entre os neuronios atraves de sinapses quımicas e eletricas usamos regras determinısticas e nao determinısticas. Por meio destes modelos, foi possıvel analisar a influencia das sinapses quımicas e do tempo de atraso quımico sobre a faixa dinamica. Para uma rede com apenas sinapses eletricas, que descreve a regiao intraglomerular do bulbo olfatorio,encontramos que a adicao de sinapses quımicas com pesos ponderados pode contribuir para melhorar a sensibilidade do sistema a perturbacao externa, isto e, para aumentar o valor da faixa dinamica de uma rede neuronal. Tamb´em verificamos a existencia de regioes de biestabilidade para a taxa media de disparo e esse comportamento esta diretamente relacionado a regioes onde existe um aumento no valor da faixa dinamica.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernando da Silva Borges.pdf: 3003505 bytes, checksum: c77a390868c21644a0396314c4bf4e0e (MD5) Previous issue date: 2016-11-22 / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / In this thesis, we use mathematical models to study the dynamic range of neural networks. The dynamic range is the difference between maximum and minimum levels of sensation produced by known stimuli. Using cellular automata to model neuronal dynamics and different network topologies with different types of synapses, we investigate for which conditions the dynamic range is enhanced. In a network where local connections represent the electrical synapses and nonlocal connections the chemical synapses, we analyze the dynamic range in function of the number of nonlocal connections and time delay between these connections. We find that the dynamic range is enhanced for neural networks with low time delay when the number of nonlocal connections increases. Furthermore, we propose a neural network model separated into two layers, where one layer corresponds to inhibitory and the other to excitatory neurons. We randomly distribute electrical and chemical synapses in the network in order to analyse the effects on the dynamic range. In our proposed model, the chemical synapses, that are directed, can be excitatory or inhibitory, while the electrical synapses are bidirectional. Through the mean-field approximation, we analytically calculate the dynamic range as a function of the model parameters. The values that we find are very close to the results obtained from simulations. We verify that electrical synapses have a complementary effect on the enhancement of the dynamic range. Finally, we found that electrical synapses on excitatory layer are responsible for this complementary effect, while the electrical synapses in inhibitory layer promote a small increase in the dynamic range value. / Nesta tese usamos modelos matemáticos para estudar a faixa dinâmica de redes neuronais. A faixa dinâmica é a diferença entre a resposta máxima e mínima produzida por um determinado estímulo. Utilizando autômatos celulares para modelar a dinamica neuronal e diversas topologias de redes com diferentes tipos de sinapses, investigamos para quais configurações a faixa dinamica ´e maximizada. Em uma rede onde conexões locais representam sinapses elétricas e conexões não locais as sinapses químicas, analisamos o que ocorre com a faixa dinamica quando varia-se a quantidade de conexões não locais ou um tempo de atraso entre essas conexões é considerado. Neste caso, verificamos que a faixa dinamica é maior para redes neuronais com valores baixos de atraso e aumenta com o acréscimo de conexões não locais. Além disso, propomos um modelo de rede de neurônios dispostos em duas camadas, uma excitatória e outra inibitótira, com sinapses química e elétricas distribuidas aleatoriamente. Neste modelo, as sinapses quimicas são direcionadas e podem ser excitatorias ou inibitórias, enquanto as sinapses elétricas são bidirecionais e apresentam apenas carater excitatorio. Fazendo aproximações de campo médio, calculamos analiticamente a faixa dinamica em função dos parametros do modelo. Os valores encontrados estão muito próximos dos obtidos por simulações e mostram que a faixa dinãmica é maximizada em pontos que dependem complementarmente das sinapses quimicas e elétricas. Finalmente, verificamos que as sinapses eletricas na camada excitatória sao responsaveis por esse efeito complementar, enquanto as sinapses elétricas na camada inibitoria promovem um pequeno acrescimo no valor da faixa dinamica.

Recentes estudos sugerem a existência de sinapses elétricas mediadas por junções gap entre fotorreceptores na retina de vertebrados. Neste trabalho, descrevemos um modelo computacional dos circuitos primário e secundário mediados pelos bastonetes da retina de vertebrados. O modelo é composto pelas seguintes populações de células: bastonetes, cones, células bipolares dos bastonetes, células bipolares dos cones, células amácrinas do tipo AII e células ganglionares. As células do modelo estão acopladas entre si por sinapses químicas e elétricas segundo padrões realísticos de convergência e divergência. As sinapses elétricas ocorrem entre os bastonetes, entre os bastonetes e os cones, entre as células amácrinas AII e entre as células bipolares dos cones e a células amácrinas AII. O modelo assume que um estímulo luminoso de baixa intensidade, simulando condições escotópicas, atinge todos os bastonetes da camada receptora, porém menos da metade deles é excitada. A resposta dos bastonetes excitados é controlada por uma fotocorrente cuja amplitude pode ser alterada para simular estímulos de diferentes intensidades dentro da faixa escotópica. O modelo é utilizado para investigar os efeitos dos diferentes graus de acoplamento elétrico entre as células receptoras e entre as células amácrinas AII, além do efeito de diferentes valores de condutância do canal Ih ativado pela hiperpolarização nos bastonetes, sobre a faixa dinâmica da retina. Os resultados das simulações mostram que, para valores realísticos da condutância do canal Ih, a faixa dinâmica medida na camada receptora é maximizada para o índice de conectividade crítico para que haja percolação de ligação. No entanto, quando a faixa dinâmica é medida para as células bipolares ou ganglionares o valor máximo é obtido para um índice de conectividade subcrítico. Este resultado é conseqüência da alta convergência de sinapses químicas entre os bastonetes e células bipolares. / Recent studies suggest the existence of electrical synapses (gap junctions) connecting photoreceptors in the vertebrate retina. In this work we describe a computer model of the primary and secondary rod pathways in the vertebrate retina. The model is composed of the following cell populations: rods, cones, rod bipolar cells, cone bipolar cells, AII amacrine cells and ganglion cells. Cells of the model are connected via chemical as well as electrical synapses according to realistic convergence and divergence factors. There are electrical synapses between rods, rods and cones, AII amacrine cells, and cone bipolar cells and AII amacrine cells. The model assumes that low intensity stimuli simulating scotopic conditions reach all rods in the receptor array but less than half of them are excited. The excited rods response is controlled by a photocurrent waveform whose amplitude can be manipulated to simulate stimuli of different intensities within the scotopic range. The model is used to investigate the effects of different degrees of coupling among photoreceptors and among AII amacrine cells, as well as values of rod hyperpolarization activated current Ih on the dynamic range of the retina. Results show that for realistic values of Ih conductance the dynamic range of the rod array is maximized at the critical connectivity degree for bond percolation. However, the dynamic range of the rod bipolar and ganglion cells is maximized for a photoreceptor connectivity degree below the critical value. The latter result is a consequence of the high convergence of chemical synapses from rods to rod bipolar cells.

The objective of the proposed research is to understand the design and reliability of RF front-end building blocks using SOI CMOS and SiGe BiCMOS technologies for high dynamic-range applications. This research leads to a comprehensive understanding of dynamic range in SOI CMOS devices and contributes to knowledge leading to improvement in overall dynamic range and reliability of RF building blocks. While the performance of CMOS transistors has been improving naturally with scaling, this work aims to explore the possibilities of improvement in RF performance and reliability using standard layouts (that don't need process modifications). The total-ionizing dose tolerance of SOI CMOS devices has been understood with extensive measurements. Furthermore, the role of body contacts in SOI technology is understood for dynamic range performance improvement. In this work, CMOS low-noise amplifier design for high linearity WLAN applications and its integration with RF switch on the same chip is presented. The LNA and switches designed provide state-of-the-art performance in silicon based technologies. Further, the work aims to explore applications of SiGe HBT in the context of highly linear and reliable RF building blocks. The RF reliability of SiGe HBT based RF switches is investigated and compared with CMOS counterparts. The inverse-mode operation of SiGe HBT based switches is understood to give considerably higher linearity.

In modern telecommunication there is the demand of high data rates using wideband component design. FCC has introduced the UWB spectrum for high speed data communication. UWB systems have attracted the attention of researchers.  Six-port transmitters and receivers are strong candidates for UWB systems and research is being done on six-port modulators and demodulators. In this work an effort is made to compare the performance of conventional single-ended six-port transmitter and receiver with differential six-port transmitters and receivers.    In this thesis, single ended and differential six-port correlators are designed on 7.5 GHz using Agilent Inc. EDA tool ADS and their performance is evaluated. A new wide-band differential six-port correlator is implemented using rat-race couplers and double-sided parallel strip-line phase inverter. The designed six-port correlators are used for 8-PSK modulation and demodulation. For transmitter-receiver system, mixed analog-DSP designing is used. The integral components of the system are evaluated individually and behavioral modeling is used to evaluate the complete transmitter-receiver system. The single-ended and differential systems are evaluated for noise-figure, dynamic range, bit error rate and data rate.

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Tone mapping operators aim to compress high dynamic range (HDR) images to low dynamic range ones so as to visualize HDR images on standard displays. Most existing works were demonstrated on specific examples without being thoroughly tested on well-established and subject-validated image quality assessment models. A recent tone mapped image quality index (TMQI) made the first attempt on objective quality assessment of tone mapped images. TMQI consists of two fundamental building blocks: structural fidelity and statistical naturalness. In this thesis, we propose an enhanced tone mapped image quality index (eTMQI) by 1) constructing an improved nonlinear mapping function to better account for the local contrast visibility of HDR images and 2) developing an image dependent statistical naturalness model to quantify the unnaturalness of tone mapped images based on a subjective study. Experiments show that the modified structural fidelity and statistical naturalness terms in eTMQI better correlate with subjective quality evaluations. Furthermore, we propose an iterative optimization algorithm for tone mapping. The advantages of this algorithm are twofold: 1) eTMQI and TMQI can be compared in a more straightforward way; 2) better quality tone mapped images can be automatically generated by using eTMQI as the optimization goal. Numerical and subjective experiments demonstrate that eTMQI is a superior objective quality assessment metric for tone mapped images and consistently outperforms TMQI.

Orientador: Prof. Dr. André Guilherme Ribeiro Balan / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, 2014. / A fotografia é uma atividade em grande crescimento e desenvolvimento, não apenas entre prossionais, mas também para a sociedade como um todo. Espera-se que a imagem tomada de uma determinada cena seja tão real quanto possível, e, por sua vez, que os equipamentos existentes sejam capazes de obter e visualizar essas imagens, o mais el possível da cena que está sendo registrada. O trabalho desenvolvido e apresentado nesta dissertação busca fazer o levantamento e estudo de técnicas que manipulem imagens HDR (High Dynamic Range), ou seja, imagens que possuem grande quantidade de informações da cena que representa, a m de torná-las visualizáveis com todos os detalhes nela contidos de maneira mais real possível ou de forma artística. A manipulação necessária para tais imagens é realizada por meio do mapeamento das imagens HDR para imagens LDR (Low Dynamic Range). O mapeamento das imagens HDR pode ser realizado com operadores de tone mapping e, como abordado nesta dissertação, com a decomposição multiescala. A decomposição multiescala oferece resultados de alta qualidade, tornando se um método de grande importância para o área de Processamento de Imagens, pelo fato de dividir a imagem de entrada em camadas e manipulá-las individualmente, para depois restaurá-la. Neste trabalho são avaliados métodos de ltragem não linear e operadores de tone mapping que melhor se adequam ao processo de decomposição multiescala e ao método de decomposição multiescala juntamente com a aplicação de compressão das camadas obtidas no processo de decomposição, a m de obter imagens reais com aprimoramento e destaque de seus detalhes. Adicionalmente, é proposto um novo operador de tone mapping local baseado no operador local de Reinhard, com as mesmas características e, com ajuste de parâmetro, que obtém resultados mais robustos que o operador local de Reinhard. Com isso, novos parâmetros ou métodos são propostos para aumentar a qualidade das imagens obtidas. / Photography is an activity in huge growth and development, not only among professionals, but also to society as a whole. It is expected that an image taken of a certain scene be as real as possible and, for its turn, that the existing equipment could obtain and visualize those images as accurately as the scene being recorded. The work developed and presented in this dissertation seeks to do a survey and a study of techniques which manipulate HDR (High Dynamic Range) images, in other words, of images that have large amount of information of a scene that is represented, in order to turn the images viewable with all the details they have as accurately as possible or in an artistic format. The required manipulation of those images is held by the mapping from HDR images to LDR (Low Dynamic Range) images. The HDR images mapping can be done with tone mapping operators and, as discussed in this dissertation, with the multiscale decomposition.The multiscale decomposition oers high quality results, being a method of great relevance to the Image Processing area, by the fact that it divides the input image in layers and manipulates these individually, to restore the image, after that. In this work, the non-linear lter methods and tone mapping operators that best t the multiscale decomposition process and multiscale decomposition method along with the application of layers compression, are evaluated to obtain real images with improvement and details highlighted. Besides that, a new tone mapping operator is proposed, based on the Reinhard local operator, with the same characteristics and with parameter settings, which gives more robust results than the Reinhard local operator. Thus, new parameters or methods are suggested to increase the obtained image quality.

Teoricamente, conexões por sinapses elétricas entre neurônios poderiam levar ao aumento da faixa de resposta dinâmica da rede neural. A faixa de resposta dinâmica de uma rede de neurônios pode ser definida como a faixa de valores de intensidade dos estímulos de entrada para a qual o conjunto de neurônios produz resposta antes de atingir a saturação. Em um cenário biológico, propôs-se que junções gap entre células ganglionares da retina aumentariam a faixa dinâmica da retina. O teste experimental dessa proposta apresenta várias dificuldades, o que torna a modelagem computacional uma alternativa metodológica para o estudo do papel das sinapses elétricas na faixa dinâmica da camada ganglionar da retina. O objetivo deste trabalho foi a construção de um modelo biologicamente plausível da camada ganglionar da retina da salamandra, submetida a sinais de entrada realísticos conforme evidências experimentais e com a inclusão de sinapses elétricas conectando suas células, para estudar in silico os possíveis efeitos dessas sinapses elétricas sobre a faixa dinâmica da camada ganglionar. A camada ganglionar foi modelada como uma rede bidimensional cujos neurônios foram modelados pelo formalismo de Hodgkin-Huxley. Cada neurônio recebeu um de dois tipos de entrada sináptica, transiente ou sustentada. Avaliou-se o efeito da inibição pré-sináptica das células ganglionares e o efeito de diferentes padrões de conectividade mediados pelas sinapses elétricas. Os resultados sugerem que o acoplamento elétrico aumenta a sensibilidade do sistema e altera o ponto de saturação, mas não necessariamente aumenta a faixa dinâmica. / Theoretically, connections by electrical synapses between neurons could lead to an increase in their dynamic range. The dynamic range of a network of neurons can be defined as the range of input stimuli values for which the network responds before saturation. In a biological scenario, it is hypothesized that gap junctions between retinal ganglion cells may increase the dynamic range of the retina. However, the experimental testing of this hypothesis presents several difficulties, which makes computational modeling a methodological alternative to study the role of electrical synapses on the dynamic range of the ganglion cell layer of the retina. In this work we constructed a biologically plausible computational model of the ganglion cell layer of the salamander retina. A bidimensional network was built with cells modeled by the Hodgkin-Huxley formalism connected via gap junctions and subject to realistic inputs constrained by experimental evidence, to study in silico the effects of gap junctions on the dynamic range of the model. We studied the effect of different gap junction-mediated connectivity patterns, input type combinations (transient, sustained and mixed between the two) and presynaptic inhibition on the dynamic range. Our results suggest that gap junction coupling increases the network\'s sensitivity and alters the saturation point but not necessarily increases the dynamic range.

This work presents a framework for shading of virtual objects using high dynamic range (HDR) light probe sequences in real-time. The method is based on using HDR environment map of the scene which is captured in an on-line process by HDR video camera as light probes. In each frame of the HDR video, an optimized CUDA kernel is used to project incident lighting into spherical harmonics in realtime. Transfer coefficients are calculated in an offline process. Using precomputed radiance transfer the radiance calculation reduces to a low order dot product between lighting and transfer coefficients. We exploit temporal coherence between frames to further smooth lighting variation over time. Our results show that the framework can achieve the effects of consistent illumination in real-time with flexibility to respond to dynamic changes in the real environment. We are using low-order spherical harmonics for representing both lighting and transfer functionsto avoid aliasing.