Esta tese estuda modificações no sistema operacional Linux para a arquitetura x86 da Intel, com a finalidade de aumentar o desempenho, nessa plataforma, das aplicações de processamento digital de sinais em tempo real. Inicialmente são estabelecidos requisitos para um sistema operacional voltado para o processamento digital de sinais. Os requisitos são estabelecidos com base na estrutura dos programas de processamento digital de sinais em tempo real e nas situações mais comuns nesse tipo de processamento. Um fator chave quando se trata de processamento em tempo real é a latência para colocar o aplicativo em execução. Nesse contexto, o trabalho desenvolve um modelo para a latência no tratamento das interrupções externas no Linux. Usando esse modelo é desenvolvido um método para medir as várias componentes dessa latência, método este baseado na colocação de marcadores de tempo no núcleo do Linux. O método de medida proposto é usado para medir a latência do Linux no tratamento de uma interrupção externa em três condições diferentes. O estudo finaliza propondo, implementando e testando alterações no Linux que visam melhorar o desempenho, desse sistema, em aplicações de processamento digital de sinais em tempo real. / This work studies modifications in the Linux operating system for the Intel x86 architecture, with the purpose of increasing the performance in applications of digital signal processing in real-time. Initially the requirements for a digital signal processing operating systems are established. These requirements are based on the structure of the programs of digital signal processing in real-time and the most common situations in this type of processing. An important factor in real-time processing is the latency to put the process in execution. In this context, this work develops a latency model for the I/O interrupts handling in Linux. By using this model, a method is developed to measure components of this latency. This measurement method is based on time markers collocated in the Linux kernel. The proposed method is used to measure the Linux latency for an I/O interrupt handling in three different conditions. Finally this research proposes, implements and tests alterations in Linux with the purpose of increasing the performance of this operating system in applications of digital signal processing in real-time.

Este trabalho apresenta a implementação prática de uma rede de microfones para ser utilizada em tempo real. A solução proposta envolve o uso de hardware de baixo custo e software de código aberto. Em termos de hardware, a rede de microfones utilizou dispositivos de áudio USB conectados diretamente a um computador pessoal (PC). Em termos de software, foram utilizados a biblioteca de código aberto Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) e o sistema operacional Linux. Algumas implementações foram realizadas na biblioteca ALSA para que fosse possível a utilização da rede de microfones dentro do Linux. Os algoritmos implementados na biblioteca ALSA foram o Delay and Sum, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) e o Post-Filtering. Os aspectos teóricos dos principais algoritmos empregados nas redes de microfones foram abordados de forma extensa. Os resultados teóricos e práticos desta implementação são apresentados no final deste trabalho. Todo o desenvolvimento de software foi publicado na Internet para que sirva de base para futuros trabalhos. / This work presents the practical implementation of a microphone array to be used in real time. The proposed solution involves the use of low-cost hardware and open source software. In terms of hardware, the microphone array used USB audio devices connected directly to a personal computer (PC). In terms of software, it was used the open-source library Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) and Linux operating system. Some implementations were carried out in ALSA library to make it possible to use the microphone array within Linux. The algorithms implemented in ALSA library were the Delay and Sum, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) and Post-Filtering. The theory of the main algorithms used in microphone array were discussed extensively. The results for the theoretical and practical implementation are presented at the end of this work. All software development was published on the Internet to serve as a basis for future works.

A identificação de locutor está relacionada com a seleção de um locutor dentro de um conjunto de membros pré-definidos e neste trabalho os experimentos foram realizados utilizando um sistema de identificação de locutor independente de texto baseado em modelos de mistura de gaussianas. Para realizar os testes, foi empregado o banco de voz TIMIT e sua correspondente versão corrompida por ruído de canal telefônico, isto é, NTIMIT. O aparelho fonador pode ser representado por coeficientes mel-cepstrais obtidos por meio de banco de filtros ou, alternativamente, por coeficientes de predição linear. Adicionalmente, a técnica de subtração da média cepstral é aplicada quando o banco de voz NITMIT é utilizado com o intuito de minimizar a distorção de canal intrínseca a ele. A componente da locução para a qual os coeficientes mel-cepstrais são calculados é obtida através de um detector de atividade de voz (DAV). No entanto, os DAVs são em geral sensíveis à relação de sinal-ruído da locução, sendo necessário adaptá-los para as condições de operação do sistema. É sugerida a integração no DAV de um estimador da relação de sinal-ruído baseado no método Minima Controlled Recursive Average (MCRA), que é necessário para permitir o tratamento de sinais tanto limpos quanto ruidosos. É observado que em locuções de elevada relação de sinal-ruído, como aquelas provenientes do banco de voz TIMIT, o método mais apropriado de extração dos coeficientes mel-cepstrais foi o padrão, isto é, baseado em banco de filtros, enquanto que para sinais de voz ruidosos a técnica de subtração da média cepstral aliada à extração dos coeficientes mel-cepstrais a partir de coeficientes de predição linear revelou os melhores resultados. / Speaker identification is concerned with the selection of one speaker within a set of enrolled members and in this work the experiments were performed using a textindependent cohort Gaussian mixture model (GMM) speaker identification system. In order to perform the tests, TIMIT speech database is used and its corresponding version corrupted by a noisy telephone channel, i.e., NTIMIT. The vocal tract is represented by Mel-cepstral frequency coefficients with filter banks or, alternatively, by linear prediction cepstral coefficients. Additionally, the cepstral mean subtraction technique is applied when the NTIMIT database is used to minimize the channel distortion intrinsic to it. The utterance component for which the Mel-frequency cepstral coefficients is obtained using a voice activity detector (VAD). However, the VADs are generally sensitive to the signal-to-noise ratio of the utterance, making it necessary to adapt them to the system operating conditions. A signal-to-noise ratio estimator is included in the proposal VAD, which is based on Minima Controlled Recursive Average (MCRA), in order to be able to handle both clean and noisy speech. It is observed that in high signal-to-noise ratio utterances, such as those from the TIMIT database, the more appropriate extraction method for the Mel-frequency cepstral coefficients was the baseline one consisting of filter banks, while for noisy speech the technique of cepstral mean subtraction coupled with the extraction of Mel-frequency cepstral coefficients from linear prediction cepstral coefficients provided the best results.

Neste trabalho faz-se um estudo sobre filtros IIR adaptativos e é apresentada uma estrutura polifásica para filtragem IIR adaptativa, que, em troca de um aumento de complexidade computacional, pode apresentar características mais favoráveis do que a estrutura direta comumente usada. O aumento da complexidade computacional, relativamente a um algoritmo do tipo newton, por exemplo, é pequeno. Apresenta-se uma análise dos efeitos da proximidade ao círculo unitário dos pólos do sistema sendo modelado. Um dos efeitos considerados é o comportamento limite do condicionamento da matriz de estados associada ao algoritmo de adaptação. São considerados algoritmos de adaptação de passo constante de uso comum para filtros IIR adaptativos. O método utilizado é particularmente útil para a verificação do efeito da posição dos pólos do sistema sendo modelado e também para a introdução de certas restrições ao mesmo, como, por exemplo, norma L2 fixa e resposta em freqüência passa-tudo. Um resultado interessante é que a única situação, entre as testadas, em que o condicionamento da matriz mencionada não tende a infinito quando um número qualquer de polosndo sistema sendo modelado H(z) se aproxima da circunferência unitária, é quando H(z) é passa-tudo e emprega-se o algoritmo PLR. São analisadas também a superfície de erro e a superfície de erro reduzida para filtros IIR adaptativos. Mostra-se que, quando o sistema sendo modelado possui polos próximos à circunferência unitária, a superfície de erro reduzida apresenta regiões planas com erro quadrático médio elevado. A existência destas regiões resulta em uma baixa velocidade de convergência global de algoritmos de passo constante. A partir da decomposição em valores singulares (SVD) da forma de Hankel do sistema sendo modelado, é apresentada também uma decomposição da superfície de erro reduzida, a partir da qual pode-se obter uma separaçãoparcial dos efeitos do sistema sendo modelado e da forma de realização do filtro adaptativo. Uma estrutura polifásica para filtragem IIR adaptativa é apresentada e seu desempenho é comparado com o de filtros IIR adaptativos na forma direta. Mostra-se o possível ganho da estrutura polifásica quanto à velocidade de convergência local e quanto às características da superfície de erro reduzida e à velocidade de convergência global. Demonstra-se, para a estrutura polifásica, que, com entrada branca e modelamento suficiente, todos os pontos estacionários da superfície de erro são mínimos globais da mesma. Este resultado não decorre diretamente de propriedades análogas relativas à estrutura direta, já conhecidas. Tudo para a estrutura direta quanto para a estrutura polifásica, são apresentados os resultados de várias simulações dos algoritmos de adaptação considerados. / A study on IRR adaptive filters and polyphase structure for IIR adaptive filtering are presented. In exchange for an increase in computational complexity, which is small if compared to Newton algorithms, the polyphaser structure may exhibit a better performance than direct structures. An analysis of the effects of the proximity to the unit circle of the modelled system\'s poles is presented. One of the considered points is the limiting behavior of the condition of the state matrix related to the adaptive algorithm. Commonly used constant gain algorithms are considered. The method of analysis is specially usefull for verifying the effects of the position of the system\'s poles and also for introducing certain restrictions to the system, as fixed L2 norm and all-pass frequency response. An interesting result is that, among the situations that were tested, the only one in which the condition of the aforementioned matrix does not tend to infinity as the poles of the modelled system H(z) tend to the unit circle is when H)z) is all-pass and the PLR algorithm is employed. The error surface and the reduced error surface for IIR adaptive filters are also analyzed. It is shown that the modelled system has poles close to the unit circle the reduced error surface presents flat regions with high mean square error. The presence of these flat regions results in low global convergence speed for constant gain adaptive algorithms. Based on the singular value decomposition (SVD) of the modelled system\'s Hankel form, a decomposition of the reduced error surface is also presented. In it there exists a partial separation of the effects of the system and the adaptive filter\'s structure. A polyphaser structure for IIR adaptive filtering is presented and its performance is compared to the performance of the direct structure. The gain in local convergence and global convergencespeed, as well as the better behavior of the reduced error surface which may be attained , are shown. It is demonstrated, for the polyphaser structure, that, with while input and sufficient modelling, all the stationary points of the error surface are global minima. This result does not follow directly from similar well known results for the direct structure. Simulation results for the considered algorithms are also presented.

A resposta impulsiva do canal de um sistema de banda ultralarga típico é caracterizada pelo elevado número de percursos discerníveis. Dessa forma, para uma recepção eficiente, a energia espalhada nessas componentes multipercurso deve ser de alguma forma combinada. Considerando o enlace direto (downlink) de uma rede pessoal de curto alcance, assume-se que o ponto de acesso possui uma capacidade de processamento maior do que os dispositivos portáteis a ele conectados, tais como câmeras fotográficas, celulares e aparelhos de MP3. Este trabalho se concentra no estudo de esquemas de pré-processamento em ambientes mono e multiusuário, com vistas a combinar eficientemente a energia espalhada nas componentes multipercurso do canal e, consequentemente, combater a autointerferência e a interferência entre usuários, sem agregar muito custo computacional ao receptor (dispositivos portáteis da rede). Com isso, boa parte da complexidade é transferida para o transmissor (ponto de acesso), de forma que o receptor necessite apenas de um detector convencional, ou então de um detector convencional seguido de processamento adicional de complexidade moderada para mitigar a interferência residual. / The channel impulse response of a typical ultra wideband system is characterized by a large number of resolvable paths. For a efficient reception, the energy spread over the multipath components has to be somehow combined. Considering the downlink of a wireless personal area network, the access point is assumed to have a good hardware capacity when compared to the portable devices of the network, such as digital cameras, cell phones and MP3 players. This work focuses on preprocessing schemes that are able to combine efficiently the multipath components, and to combat self and multiuser interference without increasing the computational cost at the receiver (portable devices) substantially. Hence, most of the complexity is transferred to the transmitter (access point) in such a way that the receiver needs only a conventional detector or a conventional detector followed by a moderated complexity processing in order to mitigate the residual interference.

Este trabalho discute um novo método para a melhoria da qualidade de sinais de fala degradados por ruído aditivo branco de elevada intensidade (SNR segmentada variando de 10 a 3 dB). A técnica apresentada baseia-se na soma ponderada entre um sinal obtido por subtração espectral e um sinal sintetizado, produzido de acordo com o modelo digital de produção de fala (análise e síntese LPC). Para a estimação dos coeficientes LPC e período de pitch, foi implementado um pré-processador baseado na técnica de subtração espectral (modificada especialmente para este propósito), o que melhora significativamente a qualidade geral do sinal de fala sintetizado. A soma ponderada entre o sinal obtido por subtração espectral e o sinal sintetizado permite a reconstrução de regiões espectrais perdidas devido aos efeitos da aplicação da subtração espectral, bem como a eliminação do ruído musical. Os testes realizados com frases foneticamente balanceadas lidas por diversos locutores permitem observar que o método proposto oferece melhores resultados do que a subtração espectral. O sinal de fala obtido apresenta também maior clareza e naturalidade, sem o inconveniente do ruído musical. / The present work discusses a new method to enhance speech signals degraded by white additive noise in high-noise environments (segmented SNR varying from 10 to 3 dB). The approach presented here is based upon a weighted sum involving a speech signal obtained from spectral subtraction and a synthetized speech signal, which is produced according to the concepts of the digital model of speech production (LPC analysis and synthesis). A spectral subtraction-based pre-processor was specifically implemented for LP coeficients and pitch period estimation, which significantly improves the overall quality of the synthetized speech signal. The weighted combination of these two speech signals allows the reconstruction of spectral regions lost due to the effects of spectral subtraction, as well as the elimination of musical noise. Tests conducted with phonetic-ballanced sentences from several speakers show that the proposed method offers better results than spectral subtraction, producing a more natural and clear enhanced speech signal, without the common artifact of musical noise.

A Ecocardiografia continua sendo a técnica de captura de imagens mais promissora, não-invasiva, sem radiação ionizante e de baixo custo para avaliação de condições cardíacas. Porém, é afetada consideravelmente por ruídos do tipo speckle, que são difíceis de serem filtrados. Por isso fez-se necessário fazer a escolha certa entre filtragem e segmentador para a obtenção de resultados melhores na segmentação de estruturas. O objetivo dessa pesquisa foi estudar essa combinação entre filtro e segmentador. Para isso, foi desenvolvido um sistema segmentador, a fim de sistematizar essa avaliação. Foram implementados dois filtros para atenuar o efeito do ruído speckle - Linear Scaling Mean Variance (LSMV) e o filtro de Chitwong - testados em imagens simuladas. Foram simuladas 60 imagens com 300 por 300 pixels, 3 modelos, 4 espessuras e 5 níveis de contrastes diferentes, todas com ruído speckle. Além disso, foram feitos testes com a combinação de filtros. Logo após, foi implementado um algoritmo de conectividade Fuzzy para fazer a segmentação e um sistema avaliador, seguindo os critérios descritos por Loizou, que faz a contagem de verdadeiro-positivos (VP) e falso-positivos (FP). Foi verificado que o filtro LSMV é a melhor opção para segmentação por conectividade Fuzzy. Foram obtidas taxas de VP e FP na ordem de 95% e 5%, respectivamente, e acurácia em torno de 95%. Para imagens ruidosas com alto contraste, aplicando a segmentação sem filtragem, a acurácia obtida foi na ordem de 60%. / The echocardiography is the imaging technique that remains most promising, noninvasive, no ionizing radiation and inexpensive to assess heart conditions. On the other hand, is considerably affected by noises, such as speckle, that are very difficult to be filtered. That is why it is necessary to make the right choice of filter and segmentation method to obtain the best results on image segmentation. The goal was evaluate this filter and segmentation method combination. For that, it was developed a segmentation system, to help the assessment. Two filters were implemented to mitigate the effect of speckle noise Linear Scaling Mean Variance (LSMV) and the filter presented by Chitwong - to be tested in simulated images. We simulated 60 images, with size 300 by 300 pixels, 3 models, 4 thicknesses and 5 different levels of contrast, all with speckle noise. In addition, tests were made with a combination of filters. Furthermore, it was implemented a Fuzzy Connectedness algorithm and an evaluation system, following the criteria described by Loizou, which makes the true positives (TP) and false positives (FP) counting. It was found that the LSMV filter is the best option for Fuzzy Connectedness. We obtained rates of TP and FP of 95% and 5% using LSMV, and accuracy of 95%. Using high contrast noisy images, without filtering, we obtained the accuracy in order of 60%.

Redes inteligentes de antenas vêm ganhando uma importância cada vez maior na expansão e no aperfeiçoamento de sistemas de telefonia celular, principalmente para sistemas de 3a geração, que necessitarão de uma banda de transmissão ainda maior. Neste sentido, são muitas as contribuições da comunidade científica para este tema, com o objetivo de determinar a direção de chegada dos sinais incidentes na rede, de diminuir a interferência de um sinal sobre o outro e de sintetizar diagramas de radiação desejados. Na maior parte dos casos, porém, as antenas utilizadas nas simulações são consideradas ideais, desprezando-se os efeitos de acoplamento mútuo entre os seus elementos. Neste trabalho, através de simulações numéricas, é analisado o impacto da utilização de antenas reais no desempenho de sistemas de antenas inteligentes, levando-se em conta todas as características intrínsecas como acoplamento mútuo e diagramas de radiação reais dos seus elementos. Além disso, são propostas soluções para a utilização de redes de antenas reais através de métodos e procedimentos que possam contribuir para melhor precisão e confiabilidade dos resultados correspondentes. Dessa forma, é apresentado um método de processamento adaptativo em rede ideal equivalente, que leva a uma solução para formação de feixe em enlace de descida de sistemas de telefonia celular, utilizando-se uma transformação de rede real em rede ideal. É também investigada a dependência de velocidade de convergência e dos erros resultantes no processo acima citado em função da escolha da geometria da rede ideal. Apresenta-se, ainda, uma nova configuração de rede com redução de acoplamento mútuo, investigando-se a melhoria de características como nível de lóbulos secundários e precisão na determinação de direção de chegada de sinais em redes de antenas inteligentes. / Smart antenna arrays are becoming more important in the expansion and in the enhancement of cellular telephony systems, specially in the third-generation that will need an even larger bandwidth. In this subject, many contributions from the scientific community have been provided with the goal of determining direction-of-arrival for incident signals, eliminating interference between different signals and of synthesizing desired radiation patterns. On most cases, however, the antennas employed in the simulations are ideal antennas, where one disregards the mutual coupling effects between each pair of elements. In this work, the impact of using real antennas in the behavior of smart antenna systems is analyzed through numerical simulations, taking into account intrinsic features such as mutual coupling and real radiation patterns of its elements. On top of that, solutions are proposed for the utilization of real antenna arrays through methods and procedures that may contribute to a better precision and reliability of the related results. In this sense, it is initially presented an adaptive process method that leads to a solution for downlink beamforming in cellular systems, using a transformation of the real array into an ideal array. The dependence of convergence speed and errors on the choice of the ideal array geometry is also investigated. Next, a new array configuration with reduced mutual coupling is presented, and improvements in characteristics such as secondary lobe level and direction-of-arrival determination precision on smart antenna arrays are investigated.

O presente trabalho trata da implementação de um sistema de visão robótica para reconhecimento de formas bidimensionais e transformação do contorno em trajetória para um manipulador industrial. A aquisição da imagem ocorre através de uma câmera CCD sobre a área específica de captura. O uso de uma webcam também é testado. A imagem captada é enviada para o computador com processamento realizado em MATLAB, através de rotina de software de controle, escrita em VB.NET. São analisadas variações de contraste e resolução com objetos distintos, onde o sistema identifica os pixels que delimitam o contorno do objeto utilizando limiarização pelo Método de Otsu e algoritmos morfológicos. A posição de cada pixel é processada, transformada em coordenadas cartesianas e enviada para o controle do manipulador robótico, que efetua a trajetória, simulando um processo industrial. A transmissão ao controle do manipulador é realizada em protocolo especial, via porta paralela de um microcomputador à placa de aquisição de sinais digitais do controle do manipulador. Um processo de simulação em uma célula de manufatura proposto para validar o sistema, identifica objetos distintos que chegam de forma desordenada através de uma esteira transportadora. / This work approaches the implementation of a robotics vision system to recognize 2D forms and contour transformation in trajectory to an industrial manipulator. The image acquisition occur by CCD video camera on the specific capture area. A webcam system is also tested. The captured image is sent to a MATLAB computer processing, through a control software routine, written in VB. NET. The contrast and resolution changes are analyzed with different objects where the system identifies the pixels of object contour using Otsu’s Thresholding Method and morphological algorithms. The position of each pixel is processed, transformed in cartesian coordinates and sent to the robotic manipulator control, which executes the trajectory simulating an industrial process. The transmission to the manipulator control is realized in a special protocol, using the parallel port of computer and a digital signal acquisition card of the manipulator control. A simulation process in a manufacturing cell is aimed to validate the system, identifying distinct objects that coming in a disorientated form from a belt conveyor.

Submitted by Cristiane Chim (cristiane.chim@ucpel.edu.br) on 2018-08-30T12:05:38Z No. of bitstreams: 1 Lucas Soares da Costa.pdf: 6533559 bytes, checksum: 540c854aef17b6fb97cad699d5be5f0a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-30T12:05:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lucas Soares da Costa.pdf: 6533559 bytes, checksum: 540c854aef17b6fb97cad699d5be5f0a (MD5) Previous issue date: 2017-03-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / From the perspective of systems biology, the cell is the main element of information integration. Therefore, understanding the cell in its context is the key to unraveling many of the still unknown mechanisms of life and certain pathologies. Despite increasing automation in clinical analysis laboratories, many of them still employ optical microscopes for some specific analyzes. When working with microorganisms, it is most often desired to determine the cell concentration of the prepared suspension. One of the most common ways of obtaining this estimate is by counting under the microscope, using a Neubauer Chamber, also known as a Hemacytometer or Count Chamber. Each microscope image can contain hundreds of cells to be counted. Performing the counting visually entails a very large inaccuracy and requires high time, which also increases the time to obtain the final estimate. The current state of scientific research in Brazil and other third world countries reflects the need for a device that is easily accessible and inexpensive for researchers. Thus, in view of the aforementioned reasons, the development of a mechanism that matches these expectations becomes indispensable. In view of this perspective, the objective of this study was consolidated in the development of an algorithm for cellular counting through the capture of images from the Neubauer chamber. This algorithm results in counting accuracy greater than 90 % when compared to manual counting, as well as reducing the time from approximately two minutes to less than one second of the algorithm. / Na perspectiva de biologia de sistemas, a célula é o elemento principal da integração de informações. Portanto, compreender a célula no seu contexto é a chave para desvendar muitos dos mecanismos ainda desconhecidos da vida e de certas patologias. Apesar da crescente automatização nos laboratórios de análises clínicas, muitos deles ainda empregam microscópios óticos para algumas análises específicas. Quando se trabalha com microorganismos, na maioria das vezes deseja-se determinar a concentração de células da suspensão preparada. Uma das formas mais comuns de se obter esta estimativa é através da contagem ao microscópio, utilizando-se uma Câmara de Neubauer, também conhecida como Hemacitômetro ou Câmara de Contagem. Cada imagem de microscópio pode conter centenas de células a serem contadas. Realizar a contagem de forma visual acarreta em uma imprecisão muito grande e requer tempo elevado, o que também aumenta o tempo para obter a estimativa final. A situação atual da pesquisa científica no Brasil e em outros países de terceiro mundo reflete a necessidade de um dispositivo de fácil acesso e baixo custo aos pesquisadores. Assim, diante dos motivos supracitados, o desenvolvimento de um mecanismo que corresponda essas expectativas, faz-se indispensável. Frente a essa perspectiva, o objetivo desse estudo consolidou-se no desenvolvimento de um algoritmo para contagem celular através da captura de imagens da câmara de Neubauer. Este algoritmo resulta em uma precisão na contagem superior a 90% quando comparado a contagem manual, como também, reduzir o tempo de aproximadamente dois minutos para menos de um segundo do algoritmo.