Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Métodos estocásticos oferecem uma poderosa ferramenta para a execução da compressão de dados e decomposições de matrizes. O método estocástico para decomposição de matrizes estudado utiliza amostragem aleatória para identificar um subespaço que captura a imagem de uma matriz de forma aproximada, preservando uma parte de sua informação essencial. Estas aproximações compactam a informação possibilitando a resolução de problemas práticos de maneira eficiente. Nesta dissertação é calculada uma decomposição em valores singulares (SVD) utilizando técnicas estocásticas. Esta SVD aleatória é empregada na tarefa de reconhecimento de faces. O reconhecimento de faces funciona de forma a projetar imagens de faces sobre um espaço de características que melhor descreve a variação de imagens de faces conhecidas. Estas características significantes são conhecidas como autofaces, pois são os autovetores de uma matriz associada a um conjunto de faces. Essa projeção caracteriza aproximadamente a face de um indivíduo por uma soma ponderada das autofaces características. Assim, a tarefa de reconhecimento de uma nova face consiste em comparar os pesos de sua projeção com os pesos da projeção de indivíduos conhecidos. A análise de componentes principais (PCA) é um método muito utilizado para determinar as autofaces características, este fornece as autofaces que representam maior variabilidade de informação de um conjunto de faces. Nesta dissertação verificamos a qualidade das autofaces obtidas pela SVD aleatória (que são os vetores singulares à esquerda de uma matriz contendo as imagens) por comparação de similaridade com as autofaces obtidas pela PCA. Para tanto, foram utilizados dois bancos de imagens, com tamanhos diferentes, e aplicadas diversas amostragens aleatórias sobre a matriz contendo as imagens. / Stochastic methods offer a powerful tool for performing data compression and decomposition of matrices. These methods use random sampling to identify a subspace that captures the range of a matrix in an approximate way, preserving a part of its essential information. These approaches compress the information enabling the resolution of practical problems efficiently. This work computes a singular value decomposition (SVD) of a matrix using stochastic techniques. This random SVD is employed in the task of face recognition. The face recognition is based on the projection of images of faces on a feature space that best describes the variation of known image faces. These features are known as eigenfaces because they are the eigenvectors of a matrix constructed from a set of faces. This projection characterizes an individual face by a weighted sum of eigenfaces. The task of recognizing a new face is to compare the weights of its projection with the projection of the weights of known individuals. The principal components analysis (PCA) is a widely used method for determining the eigenfaces. This provides the greatest variability eigenfaces representing information from a set of faces. In this dissertation we discuss the quality of eigenfaces obtained by a random SVD (which are the left singular vectors of a matrix containing the images) by comparing the similarity with eigenfaces obtained by PCA. We use two databases of images, with different sizes and various random sampling applied on the matrix containing the images.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-15T14:59:59Z No. of bitstreams: 1 marcoshenriquefonsecaribeiro.pdf: 12873424 bytes, checksum: 2b2b91fd2a9726856a0486afa760fe2c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-17T16:01:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marcoshenriquefonsecaribeiro.pdf: 12873424 bytes, checksum: 2b2b91fd2a9726856a0486afa760fe2c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-17T16:01:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marcoshenriquefonsecaribeiro.pdf: 12873424 bytes, checksum: 2b2b91fd2a9726856a0486afa760fe2c (MD5) Previous issue date: 2016-10-03 / A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) consiste em uma técnica onde imagens são construídas a partir da injeção de uma corrente elétrica em determinado meios, seguida da leitura de valores de potencial elétrico em pontos do contorno externo de tal domínio. Desta maneira, conhecendo-se ou estimando-se a condutividade elétrica de regiões internas ao meio, pode-se inferir aspectos geométricos da composição do mesmo. Trabalhos na literatura aplicam esta técnica ao contexto de obtenção de imagens do tórax humano, com objetivo de estimar a geometria das cavidades cardíacas de um determinado paciente. O objetivo final de estudo deste trabalho, dentro do contexto de aplicação da TIE à obtenção de cavidades cardíacas, é propor uma metodologia para a estimação da Fração de Ejeção Cardíaca, ou simplesmente Fração de Ejeção (FE), que consiste em medir o percentual de volume de sangue expulso dos ventrículos ao final de um ciclo de batimento do coração. Este trabalho visa evoluir outros trabalhos já existentes que modelam o problema acima descrito como sendo um problema inverso, de otimização, onde se pretende minimizar a diferença entre valores de potencial elétrico medidos e valores simulados por modelos computacionais. A evolução se dá em níveis diferentes. No primeiro nível, é feito um avanço sobre as técnicas de otimização para a resolução do problema inverso, em sua formulaçãobidimensional. Paratal, épropostaumametaheurísticaqueauxiliamétodosde buscanaobtençãodevaloresmaisacurados. Estametaheurísticaéapresentadaemversões sequencial e paralela. São apresentados resultados computacionais de testes realizados para este primeiro nível. Em um segundo nível, é feita a modelagem em três dimensões das mesmas abordagens já encontradas na literatura, que, para a aplicação específica da determinação da FE, até então estão limitadas a modelos bidimensionais. Assim, todo o problema é revisto para uma nova proposta de modelagem, que inclui a criação de modelos geométricos tridimensionais para as regiões de interesse do problema. Como principal contribuição do trabalho neste segundo nível, encontra-se um esquema de parametrização das malhas de polígonos que modelam ventrículos do coração, de forma que se tenha uma maneira compacta de representar as mesmas e, ao mesmo tempo, diminuindo o custo computacional do método de otimização por meio de drástica redução do número de variáveis do problema. Por fim, também é realizado um estudo preliminar da sensibilidade da técnica à presença de ruídos nos dados de entrada. / The Electrical Impedance Tomography (EIT) consists in a technique where images are constructed from the measurements of the electrical potential in some points on the external boundary of some specific domain, caused by the injection of an electrical current in such domain. This way, knowing or estimating the electrical conductivity of some regions inside the domain, geometric aspects of the composition of that domain can be inferred. Works in literature apply this technique to the context of obtaining images from the human thorax, with the objective of estimating the geometry of some cardiac cavities of a specific patient. The final goal of this work, inside the context of the obtention of cardiac cavities, is to propose a methodology for estimating the Cardiac Ejection Fraction, orsimplyEjectionFraction(EF),whichconsistsinmeasuringthepercentualofthevolume of blood expelled from the ventricles at the end of a heart beat cicle. This work intends to evolute previous works, that models the above mentioned problem as an inverse problem, an optimization problem, where the intention is to minimize the difference between the values of measured electrical potentials and the values obtained through simulation using computational models. This evolution occurs in different levels. In the first level, is performedanimprovementoverthepre-existentoptimizationtechniquesforthesolutionof theinverseproblem,inatwodimensionalversion. Forthis,isproposedametaheuristicthat assistssearchmethodstowardstheobtentionofmoreaccuratedvalues. Suchmetaheuristic is presented in sequential and parallel versions. Computational results for performed tests for this level are presented. In a second level, a three dimensional modeling of the same approaches found in literature is done. Those approaches, for the specific application of determining the EF, are so far limited to two dimensional models. Therefore, the whole problem is reviewed in order to propose a new model, which includes the creation of three dimensional geometric models for the regions of interest of the problem. As the main contribution of this work in that second level, there is a parameterization schema of the polygon meshes that model heart ventricles, so that it provides a compact way of representing such meshes, and, at the same time, a way of reducing the computational cost of the optimization method by means of a drastic reduction of the number of variables of the problem. Finally, a preliminary study of the sensibility of the technique to the presence of noise in the input data is also performed.

[pt] Sabe-se que a maioria das estruturas reais estão sujeitas à diferentes casos de carregamentos, relacionadas à diferentes solicitações estruturais e à ação de forças naturais, como ventos e ondas. Neste contexto, é importante levar em consideração o efeito da maior quantidade de cenários possíveis que possam atuar em uma estrutura ao realizar um estudo de otimização topológica. A maneira tradicional de solução deste tipo de probema envolve uma análise caso a caso dos cenários, o que no contexto de um algoritmo de otimização estrutural requer a solução de um problema de elementos finitos para cada cenário em cada passo do algoritmo, ficando limitada pelo elevado custo computacional associado. Esta limitação abre espaço para abordagens baseadas em redução de dimensões como a aproximação estocástica e a decomposição em valores singulares. Este trabalho verifica a viabilidade do uso destes dois métodos na solução de problemas de otimização topológica estrutural com muitos casos de carga. Duas aplicações são apresentadas, otimização robusta e o problema de cargas dinâmicas usando o método do carregamento estático equivalente. Com isso, situações envolvendo carregamentos mais complexos podem ser estudadas através de algoritmos eficientes de otimização topológica. Para ambos os casos, são mostrados resultados comparando os resultados obtidos através da metodologia desenvolvida neste trabalho com resultados da literatura. / [en] It is known that most real structures are subject to different loading scenarios, related to different structural solicitations and the action of natural forces, such as winds and sea waves. In this context, it is important to consider the effect of the largest number of possible scenarios that can act on a structure when performing a topology optimization study. The traditional way of solving this type of problem involves a case-by-case analysis of the scenarios, which in the context of a structural optimization algorithm requires the solution of one finite element problem for each scenario and at each step of the algorithm, being limited by the high associated computational cost. This limitation leave room for approaches based on dimenson reduction such as stochastic approximation and decomposition into singular values. This work verifies the feasibility of using these two approaches to solve structural topology optimization problems with many load cases. Two applications are presented, robust optimization and the problem of dynamic loads using the equivalent static loading method. Thus, situations involving more complex loads can be studied through efficient topology optimization algorithms. For both cases, comparisons are established between the results obtained through the methodology developed in this work and the ones from the literature.

Es presenta un esquema únic per a la síntesi i anàlisi audiovisual personalitzable realista de seqüències audiovisuals de cares parlants i seqüències visuals de llengua de signes en àmbit domèstic. En el primer cas, amb animació totalment sincronitzada a través d'una font de text o veu; en el segon, utilitzant la tècnica de lletrejar paraules mitjançant la ma. Les seves possibilitats de personalització faciliten la creació de seqüències audiovisuals per part d'usuaris no experts. Les aplicacions possibles d'aquest esquema de síntesis comprenen des de la creació de personatges virtuals realistes per interacció natural o vídeo jocs fins vídeo conferència des de molt baix ample de banda i telefonia visual per a les persones amb problemes d'oïda, passant per oferir ajuda a la pronunciació i la comunicació a aquest mateix col·lectiu. El sistema permet processar seqüències llargues amb un consum de recursos molt reduït, sobre tot, en el referent a l'emmagatzematge, gràcies al desenvolupament d'un nou procediment de càlcul incremental per a la descomposició en valors singulars amb actualització de la informació mitja. Aquest procediment es complementa amb altres tres: el decremental, el de partició i el de composició. / Se presenta un esquema único para la síntesis y análisis audiovisual personalizable realista de secuencias audiovisuales de caras parlantes y secuencias visuales de lengua de signos en entorno doméstico. En el primer caso, con animación totalmente sincronizada a través de una fuente de texto o voz; en el segundo, utilizando la técnica de deletreo de palabras mediante la mano. Sus posibilidades de personalización facilitan la creación de secuencias audiovisuales por parte de usuarios no expertos. Las aplicaciones posibles de este esquema de síntesis comprenden desde la creación de personajes virtuales realistas para interacción natural o vídeo juegos hasta vídeo conferencia de muy bajo ancho de banda y telefonía visual para las personas con problemas de oído, pasando por ofrecer ayuda en la pronunciación y la comunicación a este mismo colectivo. El sistema permite procesar secuencias largas con un consumo de recursos muy reducido gracias al desarrollo de un nuevo procedimiento de cálculo incremental para la descomposición en valores singulares con actualización de la información media. / A shared framework for realistic and personalizable audiovisual synthesis and analysis of audiovisual sequences of talking heads and visual sequences of sign language is presented in a domestic environment. The former has full synchronized animation using a text or auditory source of information; the latter consists in finger spelling. Their personalization capabilities ease the creation of audiovisual sequences by non expert users. The applications range from realistic virtual avatars for natural interaction or videogames to low bandwidth videoconference and visual telephony for the hard of hearing, including help to speech therapists. Long sequences can be processed with reduced resources, specially storing ones. This is allowed thanks to the proposed scheme for the incremental singular value decomposition with mean preservation. This scheme is complemented with another three: the decremental, the split and the composed ones.