Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T12:48:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DelgadoVargas_JaimeArmando_D.pdf: 6984853 bytes, checksum: 4647b847de6d3abb110923a021a6f376 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A localização de robôs móveis é foco de estudo em diferentes grupos de pesquisa ao redor do mundo. Robôs móveis são equipados com diferentes sensores, utilizando uma variedade de métodos de localização para as tarefas de exploração de ambientes desconhecidos ou para seguir uma trajetória predefinida. Este trabalho apresenta a investigação e implementação de um método robusto e eficiente da estimativa de movimento utilizando visão computacional, conhecido como odometria visual. Também, é estudada a fusão de estimativas de movimento de diferentes sensores através da técnica do filtro de Kalman. Neste trabalho utilizam-se câmeras estereoscópicas com lentes fixas de 9mm e simulações do movimento de uma câmera no ambiente 3D-Max. A validação experimental dos algoritmos é feita em uma plataforma robótica tipo Seekur Jr equipada com Lasers, GPS, encoders e câmeras estereoscópicas. O movimento do robô é estimado pelos diferentes sensores gerando redundância de localização Os algoritmos de odometria visual são validados em ambientes de interiores e exteriores. A velocidade de processamento dos métodos é comparada usando em diferentes processadores de tipo CPU e GPU, indicando a possibilidade um sistema de realização de odometria visual em tempo real / Abstract: The localization of mobile robots problem is addressed to a number of research groups around the world. Mobile robots are equipped with different sensors, using a variety of methods of localization in the exploration of unknown environments or following a pre-defined trajectory. The present work investigates and implements a robust method of estimation of movement using computer vision, known as visual odometry. The work investigates also the results of fusion of the estimates of movement obtained from different sensors, using the Kalman filter technique. Visual odometry uses stereoscopic vision techniques with real time computing in graphic processing units (GPU). Stereoscopic cameras with fixed 9mm lens and movement simulations in the 3d-Max computer environment are used in the present work. Experimental validation of the visual odometry algorithms is made in a Sekur Jr mobile robot platform, equipped with lasers, GPS, wheel encoders and stereoscopic cameras. Movements of the robot are estimated from the different sensors, yielding redundant localization information. The information from such sensors are fused together through the Kalman filter. Visual odometry algorithms are tested in indoors and outdoors navigation experiments. Processing speed of the methods is compared using different processing units: CPU and GPU, indicating the possibility of performing real time visual odometry / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

O registro de imagens tem um papel importante em várias aplicações, tais como reconstrução de objetos 3D, reconhecimento de padrões, imagens microscópicas, entre outras. Este registro é composto por três passos principais: (1) seleção de pontos de interesse; (2) extração de características dos pontos de interesse; (3) correspondência entre os pontos de interesse de uma imagem para a outra. Para os passos 1 e 2, algoritmos como SIFT e SURF têm apresentado resultados satisfatórios. Entretanto, para o passo 3 ocorre a presença de outliers, ou seja, pontos de interesse que foram incorretamente correspondidos. Uma única correspondência incorreta leva a um resultado final indesejável. Os algoritmos para remoção de outliers (consenso) possuem um alto custo computacional, que cresce à medida que a quantidade de outliers aumenta. Com o objetivo de reduzir o tempo de processamento necessário por esses algoritmos, o algoritmo FOMP(do inglês, Filtering out Outliers from Matched Points), foi proposto e desenvolvido neste trabalho para realizar a filtragem de outliers no conjunto de pontos inicialmente correspondidos. O método FOMP considera cada conjunto de pontos como um grafo completo, no qual os pesos são as distâncias entre os pontos. Por meio da soma de diferenças entre os pesos das arestas, o vértice que apresentar maior valor é removido. Para validar o método FOMP, foram realizados experimentos utilizando quatro bases de imagens. Cada base apresenta características intrínsecas: (a) diferenças de rotação zoom da câmera; (b) padrões repetitivos, os quais geram duplicidade nos vetores de características; (c) objetos de formados, tais como plásticos, papéis ou tecido; (d) transformações afins (diferentes pontos de vista). Os experimentos realizados mostraram que o filtro FOMP remove mais de 65% dos outliers, enquanto mantém cerca de 98%dos inliers. A abordagem proposta mantém a precisão dos métodos de consenso, enquanto reduz o tempo de processamento pela metade para os métodos baseados em grafos. / Image matching plays a major role in many applications, such as pattern recognition and microscopic imaging. It encompasses three steps: 1) interest point selection; 2) feature extraction from each point; 3) feature point matching. For steps 1 and 2, traditional interest point detectors/ extractors have worked well. However, for step 3 even a few points incorrectly matched (outliers), might lead to an undesirable result. State-of-the-art consensus algorithms present a high time cost as the number of outlier increases. Aiming at overcoming this problem, we present FOMP, a preprocessing approach, that reduces the number of outliers in the initial set of matched points. FOMP filters out the vertices that present a higher difference among their edges in a complete graph representation of the points. To validate the proposed method, experiments were performed with four image database: (a) variations of rotation or camera zoom; (b) repetitive patterns, which leads to duplicity of features vectors; (c) deformable objects, such as plastics, clothes or papers; (d) affine transformations (different viewpoint). The experimental results showed that FOMP removes more than 65% of the outliers, while keeping over 98% of the inliers. Moreover, the precision of traditional methods is kept, while reducing the processing time of graph based approaches by half.

Com o propósito de auxiliar os usuários no processo de tomada de decisão, diversos tipos de sistemas Web passaram a incorporar sistemas de recomendação. As abordagens mais utilizadas são a filtragem baseada em conteúdo, que recomenda itens com base nos seus atributos, a filtragem colaborativa, que recomenda itens de acordo com o comportamento de usuários similares, e os sistemas híbridos, que combinam duas ou mais técnicas. A abordagem baseada em conteúdo apresenta o problema de análise limitada de conteúdo, o qual pode ser reduzido com a utilização de informações semânticas. A filtragem colaborativa, por sua vez, apresenta o problema da partida fria, esparsidade e alta dimensionalidade dos dados. Dentre as técnicas de filtragem colaborativa, as baseadas em fatoração de matrizes são geralmente mais eficazes porque permitem descobrir as características subjacentes às interações entre usuários e itens. Embora sistemas de recomendação usufruam de diversas técnicas de recomendação, a maioria das técnicas apresenta falta de informações semânticas para representarem os itens do acervo. Estudos na área de sistemas de recomendação têm analisado a utilização de dados abertos conectados provenientes da Web dos Dados como fonte de informações semânticas. Dessa maneira, este trabalho tem como objetivo investigar como relações semânticas computadas a partir das bases de conhecimentos disponíveis na Web dos Dados podem beneficiar sistemas de recomendação. Este trabalho explora duas questões neste contexto: como a similaridade de itens pode ser calculada com base em informações semânticas e; como semelhanças entre os itens podem ser combinadas em uma técnica de fatoração de matrizes, de modo que o problema da partida fria de itens possa ser efetivamente amenizado. Como resultado, originou-se uma métrica de similaridade semântica que aproveita a hierarquia das bases de conhecimento e obteve um desempenho superior às outras métricas na maioria das bases de dados. E também o algoritmo Item-MSMF que utiliza informações semânticas para amenizar o problema de partida fria e obteve desempenho superior em todas as bases de dados avaliadas no cenário de partida fria. / In order to assist users in the decision-making process, several types of web systems started to incorporate recommender systems. The most commonly used approaches are content-based filtering, which recommends items based on their attributes; collaborative filtering, which recommends items according to the behavior of similar users; and hybrid systems that combine both techniques. The content-based approach presents the problem of limited content analysis, which can be reduced by using semantic information. The collaborative filtering, presents the problem of cold start, sparsity and high dimensionality of the data. Among the techniques of collaborative filtering, those based on matrix factorization are generally more effective because they allow us to discover the underlying characteristics of interactions between users and items. Although recommender systems have several techniques, most of them lack semantic information to represent the items in the collection. Studies in this area have analyzed linked open data from the Web of data as source of semantic information. In this way, this work aims to investigate how semantic relationships computed from the knowledge bases available in the Data Web can benefit recommendation systems. This work explores two questions in this context: how the similarity of items can be calculated based on semantic information and; as similarities between items can be combined in a matrix factorization technique, so that the cold start problem of items can be effectively softened. As a result, a semantic similarity metric was developed that leverages the knowledge base hierarchy and outperformed other metrics in most databases. Also the Item-MSMF algorithm that uses semantic information to soften the cold start problem and obtained superior performance in all databases evaluated in the cold start scenario.

[pt] Nos últimos anos, vários mecanismos permitem medir campos vetoriais reais, provendo uma compreensão melhor de fenômenos importantes, tais como dinâmica de fluidos ou movimentos de fluido cerebral. Isso abre um leque de novos desafios a visualização e análise de campos vetoriais em muitas aplicações de engenharia e de medicina por exemplo. Em particular, dados reais são geralmente corrompidos por ruído, dificultando a compreensão na hora da visualização. Esta informação necessita de uma etapa de remoção de ruído como pré-processamento, no entanto remoção de ruído normalmente remove as descontinuidades e singularidades, que são fundamentais para a análise do campo vetorial. Nesta dissertação é proposto um método inovador para remoção de ruído em campo vetorial baseado em caminhadas aleatórias que preservam certas descontinuidades. O método funciona em um ambiente desestruturado, sendo rápido, simples de implementar e mostra um desempenho melhor do que a tradicional técnica Gaussiana de remoção de ruído. Esta tese propõe também uma metodologia semi-automática para remover ruído, onde o usuário controla a escala visual da filtragem, levando em consideração as mudanças topológicas que ocorrem por causa da filtragem. / [en] In recent years, several devices allow to measure real vector fields, leading to a better understanding of fundamental phenomena such as fluid dynamics or brain water movements. This gives vector field visualization and analysis new challenges in many applications in engineering and in medicine. In particular real data is generally corrupted by noise, puzzling the understanding provided by visualization tools. This data needs a denoising step as preprocessing, however usual denoising removes discontinuities and singularities, which are fundamental for vector field analysis. In this dissertation a novel method for vector field denoising based on random walks is proposed which preserves certain discontinuities. It works in a unstructured setting; being fast, simple to implement, and shows a better performance than the traditional Gaussian denoising technique. This dissertation also proposes a semi-automatic vector field denoising methodology, where the user visually controls the filtering scale by validating topological changes caused by classical vector field filtering.

[pt] Esta tese apresenta novas estruturas e algoritmos adaptativos para detecção às cegas de sinais DS-CDMA. São investigados receptores cegos com restrições lineares baseados nas funções custo de mínima variância (CMV) e módulo constante (CCM). Algoritmos adaptativos do tipo Affine-Projection para estimação dos parâmetros do receptor são desenvolvidos e seu desempenho em estado estacionário é analisado. Também são apresentados algoritmos adaptativos para estimação às cegas do canal de comunicações. Em seguida, novas estruturas de canceladores de interferência são propostas. Primeiramente um cancelador de interferência paralelo (PIC) linear baseado na função custo CCM é proposto. Em seguida é desenvolvido um novo esquema não-supervisionado de cancelamento sucessivo de interferência (SIC), baseado no conceito de arbitragem paralela. Por fim, é apresentado um esquema híbrido (HIC) que combina a estrutura SIC com uma estrutura multi- estágio, resultando em melhores estimativas para detecção e desempenho uniforme para os usuários do sistema. / [en] This thesis presents new structures and adaptive algorithms for blind detection of DS-CDMA signals. Linearly constrained minimum variance (CMV) and constant modulus (CCM) receivers are investigated. Blind adaptive Affine- Projection like algorithms for receiver parameter estimation are derived and its steady-state performance is analyzed. Blind adaptive channel estimation algorithms are also presented. This work also proposes new interference cancellation structures. Firstly, a blind linear parallel interference canceller (PIC) based on the CCM cost function is proposed. Secondly, a new non-supervised serial interference canceller (SIC) based on the parallel arbitration concept is developed. Finally, an hybrid interference cancellation scheme (HIC) which combines SIC and multiple PIC stages is presented.

Este trabalho possui como tema principal o estudo da dinâmica de sistemas quânticos da perspectiva da teoria de sistemas dinâmicos, em particular, do ponto de vista da teoria de controle. Os principais tópicos abordados são (i) a análise da controlabilidade dos sistemas quânticos em dimensão finita e infinita e (ii) a teoria generalizada de medição de sistemas quânticos com o objetivo de obter as equações diferenciais estocásticas associadas a sistemas submetidos a processos de medição contínuos. Com relação à controlabilidade de sistemas dinâmicos quânticos fechados em dimensão finita resgatamos da literatura os resultados, já consolidados, da aplicação da teoria de grupos e álgebras de Lie aos essa classe de sistemas dinâmicos. Em dimensão infinita, a aplicação direta das técnicas de controle geométrico já não ocorre diretamente. Em espaços de estados de dimensão infinita as técnicas de análise matemática devem ser mais sofisticadas, há problemas relacionados à convergência e problemas relacionados a operadores não limitados. Os principais resultados conhecidos da literatura são apresentados e suas limitações são discutidas. Realizamos em seguida uma analogia entre sistemas clássicos lineares e sistemas dinâmicos quânticos de dimensão infinita cuja dinâmica é restrita a uma álgebra de operadores auto adjuntos comutativa. Observamos também que a controlabilidade de alguns sistemas quânticos em dimensão infinita está associada a Hamiltonianos não lineares. Notamos, em particular, que os sistemas quânticos comutativos estão associados a operadores não lineares. Com relação à teoria de medição de sistemas quânticos, partimos da teoria de sistemas quânticos abertos para a obtenção da equação dinâmica que rege a evolução dos sistemas não conservativos. Em paralelo, realizamos uma análise da descrição matemáticas dos experimentos de medição em sistemas quânticos desde os postulados de medição ortogonal até a descrição de processos de medição contínuos. Observamos que a equação de Schrödinger estocástica associada a um processo de medição contínuo possui como gerador infinitesimal um Hamiltoniano não linear no operador auto adjunto associado ao observável. Realizamos em seguida uma discussão a respeito das implicações de processos de medição contínuos na dinâmica de sistemas quânticos, analisando possíveis impactos em sua controlabilidade. Analisamos também o caso particular de sistemas quânticos cujos operadores associados a sua dinâmica e a seus observáveis estão restritos a uma mesma álgebra comutativa. Concluímos com sugestões de trabalhos futuros relacionados controlabilidade em dimensão infinita e a à dinâmica de sistemas quânticos sujeitos a medição. / The main theme of this work is to study the dynamics of quantum systems from the perspective of the theory of dynamical systems, in particular, from the point of view of control theory. The main topics covered are (i) the analysis of controllability of quantum systems in finite and infinite dimensions and (ii) the general theory of measurement of quantum systems in order to get to the stochastic differential equations associated with systems subject to continuous measurement. Regarding the controllability of closed quantum dynamical systems in finite dimension, the standard results from the literature were presented: the application of group theory and Lie algebra to this class of dynamical systems. In infinite dimensions, the direct application of geometric control techniques is no longer possible. In infinite dimensional state spaces the mathematical analysis techniques need to be more sophisticated, there are problems related to convergence and issues related to unbounded operators. The main results known from the literature were presented and their limitations discussed. Then an analogy was performed between linear classical systems and infinite dimensional quantum dynamical systems whose dynamics is restricted to a commutative algebra of self adjoint operators. We also note that the controllability of some quantum systems in infinite dimension is associated with nonlinear Hamiltonians. We note, in particular, that the commutative quantum systems are associated with nonlinear operators. With respect to the measurement theory of quantum systems, we start in the structure of the theory of open quantum systems in order to obtain the dynamical equation governing the evolution of non-conservative systems. In parallel, we conducted an analysis of the mathematical description of the measurement experiments in quantum systems from the orthogonal measurement postulates to the description of continuous measurement. We noted that the stochastic Schrödinger equation associated with a continuous measurement process has as its infinitesimal generator a Hamiltonian nonlinear in the self-adjoint operator associated with the observable. Then a discussion about the implications of continuous measurement processes in the dynamics of quantum systems was conducted, analyzing possible impacts on its controllability. We also looked at the particular case of quantum systems whose operators associated with their dynamics and their observable are restricted to the same commutative algebra. We cluded with suggestions for future work related to controllability in infinite dimension and the dynamics of quantum systems subjected to measurement processes.

A crescente oferta de programas de código aberto na rede mundial de computadores expõe potenciais usuários a muitas possibilidades de escolha. Em face da pluralidade de interesses desses indivíduos, mecanismos eficientes que os aproximem daquilo que buscam trazem benefícios para eles próprios, assim como para os desenvolvedores dos programas. Este trabalho apresenta o AppRecommender, um recomendador de aplicativos GNU/Linux que realiza uma filtragem no conjunto de programas disponíveis e oferece sugestões individualizadas para os usuários. Tal feito é alcançado por meio da análise de perfis e descoberta de padrões de comportamento na população estudada, de sorte que apenas os aplicativos considerados mais suscetíveis a aceitação sejam oferecidos aos usuários. / The increasing availability of open source software on the World Wide Web exposes potential users to a wide range of choices. Given the individuals plurality of interests, mechanisms that get them close to what they are looking for would benefit users and software developers. This work presents AppRecommender, a recommender system for GNU/Linux applications which performs a filtering on the set of available software and individually offers suggestions to users. This is achieved by analyzing profiles and discovering patterns of behavior of the studied population, in a way that only those applications considered most prone to acceptance are presented to users.

O objetivo deste trabalho é apresentar um novo método para a remoção do ruído Poisson em imagens de mamografia digital adquiridas com baixa dosagem de radiação. Sabe-se que a mamografia por raios X é o exame mais eficiente para a detecção precoce do câncer de mama, aumentando consideravelmente as chances de cura da doença. No entanto, a radiação absorvida pela paciente durante o exame ainda é um problema a ser tratado. Estudos indicam que a exposição à radiação pode induzir a formação do câncer em algumas mulheres radiografadas. Apesar desse número ser significativamente baixo em relação ao número de mulheres que são salvas pelo exame, existe a necessidade do desenvolvimento de meios que viabilizem a diminuição da dose de radiação empregada. No entanto, uma redução na dose de radiação piora a qualidade da imagem pela diminuição da relação sinal-ruído, prejudicando o diagnóstico médico e a detecção precoce da doença. Nesse sentido, a proposta deste trabalho é apresentar um método para a filtragem do ruído Poisson que é adicionado às das imagens mamográficas quando adquiridas com baixa dosagem de radiação, fazendo com que ela apresente qualidade equivalente àquela adquirida com a dose padrão de radiação. O algoritmo proposto foi desenvolvido baseado em adaptações de algoritmos bem estabelecidos na literatura, como a filtragem no domínio Wavelet, aqui usando o Shrink-thresholding (WTST), e o Block-matching and 3D Filtering (BM3D). Os resultados obtidos com imagens mamográficas adquiridas com phantom e também imagens clínicas, mostraram que o método proposto é capaz de filtrar o ruído adicional incorporado nas imagens sem perda aparente de informação. / The aim of this work is to present a novel method for removing the Poisson noise in digital mammography images acquired with reduced radiation dose. It is known that the X-ray mammography is the most effective exam for early detection of breast cancer, greatly increasing the chances of healing the disease. However, the radiation absorbed by the patient during the exam is still a problem to be treated. Some studies showed that mammography can induce breast cancer in a few women. Although this number is significantly low compared to the number of women who are saved by the exam, it is important to develop methods to enable the reduction of the radiation dose used in the exam. However, dose reduction led to a decrease in image quality by means of the signal to noise ratio, impairing medical diagnosis and the early detection of the disease. In this sense, the purpose of this study is to propose a new method to reduce Poisson noise in mammographic images acquired with low radiation dose, in order to achive the same quality as those acquired with the standard dose. The method is based on well established algorithms in the literature as the filtering in Wavelet domain, here using Shrink-thresholding (WTST) and the Block-matching and 3D Filtering (BM3D). Results using phantom and clinical images showed that the proposed algorithm is capable of filtering the additional noise in images without apparent loss of information.

Esta dissertação apresenta um estudo dos filtros de Kalman para sistemas singulares em tempo discreto. Novos algoritmos são formulados para as estimativas filtradas, preditoras e suavizadas com as correspondentes equações de Riccati para sistemas singulares variantes no tempo. Nesta dissertação considera-se também uma aproximação do problema de filtragem de Kalman como um problema determinístico de ajuste ótimo de trajetória. A formulação proposta permite considerar um atraso no sinal de medida, sendo permitida a correlação entre os estados e os ruídos da medida. Apresentam-se também as provas da estabilidade e da convergência destes filtros. / This dissertation presents a study of Kalman filters for singular systems in discrete time. New algorithms are developed for the Kalman filtered, predicted and smoothed estimate recursions with the corresponding Riccati equations for time-variant singular systems. This dissertation addresses the Kalman filtering problem as a deterministic optimal trajectory fitting problem. The problem is formulated taking into account one delay in the measured signals and correlations between state and measurement noises. In the final, this work presents the stability and convergence proofs of these filters.

Esta tese de doutorado trata de algoritmos de detecção cooperativa aplicados ao problema de sensoriamento espectral em sistemas de rádios cognitivos. O problema de detecção cooperativa é abordado sob dois paradigmas distintos: detecção centralizada e distribuída. No primeiro caso, considera-se que o sistema conta com um centro de fusão responsável pela tomada de decisão no processo de detecção. Já no segundo caso, considera-se que os rádios cognitivos da rede trocam informações entre si e as decisões são tomadas localmente. No que concerne ao sensoriamento espectral centralizado, são estudados os casos em que os rádios cognitivos enviam apenas um bit de decisão para o centro de fusão (decisão do tipo hard) e também o caso em que o detector envia a própria estatística de teste ao centro de fusão (decisão do tipo soft). No âmbito de sensoriamento espectral cooperativo com detecção distribuída, são tratados três cenários diferentes. No primeiro, considera-se o caso em que os rádios cognitivos têm conhecimento a priori do sinal enviado pelo usuário primário do sistema e do canal entre eles e o usuário primário. No segundo caso, há conhecimento apenas do sinal enviado pelo usuário primário. Já no terceiro, os rádios cognitivos não dispõem de qualquer informação a priori do sinal enviado pelo usuário primário. Além do problema de detecção distribuída, a tese também apresenta um capítulo dedicado ao problema de estimação, diretamente associado ao de detecção. Esse último problema é abordado utilizando algoritmos derivados da teoria clássica de filtragem adaptativa. / This doctorate thesis deals with cooperative detection algorithms applied to the spectral sensing problem. The cooperative detection problem is approached under two different paradigms: centralized and distributed detection. In the first case, is considered that a fusion center responsible for detection decision is presented in the system. On the other hand, in the second case, is considered that the cognitive radios in the network exchange information among them. Concerning the centralized spectrum sensing system, the case in which the cognitive radios send only one decision bit (hard decision) to the fusion center and the case in which the detector send the statistic test (soft decision) are considered. Regarding the spectrum sensing system with distributed detection, the work analysis three different scenarios. In the first one, where the cognitive radios explore an a priori knowledge of the primary user signal and the channel between the primary user and the cognitive radio. In the second one, the cognitive radios use an a priori knowledge of only the primary user signal. And, in the las scenario, there is no a priori knowledge about the primary user signal. Besides the distributed detection problem, the thesis also presents a chapter dedicated to the estimation problem, which is directed related to the detection problem. This last issue is approached using adaptive algorithms derived from the classic adaptive filtering theory.