Geometric trimming of surfaces results in a new mathematical description of the matching surface. This matching surface is required to closely resemble the remaining portion of the original surface. Typically, the approximation error in such cases is measured with a view to minimize it. The data associated with the error between two matching surfaces is large and needs to be filtered into meaningful information.This research looks at suitable norms for achieving this data reduction or abstraction with a view to provide quantitative feedback about the approximation error. Also, the differences between geometric shapes are easily discerned by the human eye but are difficult to characterize or describe. Error visualization tools have been developed to provide effective visual inputs that the designer can interpret into meaningful information. / Master of Science

A doença de Chagas possui uma importante relevância clínica, sendo uma das principais causas de mortalidade e morbidade na América Latina. As relações entre a lesão tecidual miocárdica e os defeitos na inervação autonômica na doença de Chagas são pouco conhecidas. Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de métodos de segmentação, corregistro e análise de imagens capazes de prover uma análise integrada das lesões teciduais através do imageamento de ressonância magnética (MRI), perfusão miocárdica e inervação autonômica, disponíveis através da tomografia de emissão de fótons (SPECT). O método proposto é baseado na segmentação e corregistro entre as imagens MRI e imagens SPECT usando 99mTc-MIBI e 123I-MIBG. Para realizar a segmentação do miocárdio, foi utilizada a técnica de Contorno Ativo Geodésico. A segmentação de fibrose em imagens MRI foi realizada com base na maximização da entropia de Tsallis. O corregistro não-rígido foi realizado através do método B-Spline. Os resultados de quantificação indicam correlações entre a presença de fibrose, desnervação e isquemia, além de mostrar a presença de regiões de miocárdio vivo, isquêmico e desnervado. Assim, a ferramenta desenvolvida fornece uma análise integrada de informação, permitindo uma melhor compreensão da relação entre o dano ao tecido do miocárdio e defeitos de inervação autonômica causadas pela doença de Chagas. / Chagas disease is of major clinical relevance, and a major cause of morbidity and mortality in Latin America. The relations between the myocardial tissue damage, myocardial perfusion and defects in autonomic innervations are poorly understood. This study proposes the development and application of image analysis methods capable of providing an integrated visualization and analysis of tissue injuries through enhanced magnetic resonance imaging (MRI), autonomic innervations and myocardial perfusion, available through photon emission tomography (SPECT). The proposed method is based on segmentation and registration between MRI images and SPECT images using 99mTc-MIBI and 123I-MIBG. To perform the segmentation of myocardium, we used Geodesic Active Contour. Fibrosis segmentation in MRI images was performed based on the algorithm of maximum Tsallis entropy. Nonrigid registrations was performed based on B-Spline method. The quantification results showed correlations between the presence of fibrosis, denervation and ischemia, as well as showing the regarded presence of regions of healthy myocardium, ischemic and denervated. Thus, the developed tool provides an integrated analysis of information contributing to a better understanding of the relationship between myocardial tissue damage and autonomic innervations injuries caused by Chagas disease.

As b-splines são utilizadas em sistemas CAD/CAM/CAE para representar e definir curvas e superfícies complexas, sendo adotada pelos principais padrões da computação gráfica devido a características como representação matemática de forma compacta, flexibilidade e transformações afins. Em sistemas de aquisição de dados 3D e sistemas CAM-CNC integrados, a utilização da b-spline na transferência de informações geométricas e na reconstrução da superfície de objetos resulta em um significativo incremento na eficiência do processo, geralmente implementado em sistemas embarcados. Nestes sistemas embarcados, integrados no auxílio a máquinas de manufatura, a utilização de FPGAs é incipiente, sem circuitos para b-splines disponibilizados em lógica reconfigurável de circuito aberto (open core), razão pela qual este projeto propõe o desenvolvimento de um circuito de geração b-spline aberto, em um sistema embarcado FPGA, utilizando algoritmos adaptados para os circuitos, elaborados em linguagem Verilog HDL, padronizada para a síntese de circuitos em lógica reconfigurável. Os circuitos foram desenvolvidos, utilizando-se um barramento de dados padronizado em circuito aberto, nas seguintes implementações para processamento paralelo das b-splines: o BFEA, o método baseado em funções base fixas, ambos projetados para circuitos integrados, e o fast Cox-de Boor, desenvolvido para FPGAs. Foram comparados o tempo de execução e o consumo de recursos disponíveis no FPGA utilizado, entre cada implementação. Os resultados evidenciaram que os circuitos de funções base fixas apresentaram o processamento mais rápido para a geração de b-splines em um FPGA, com um tempo de execução em média 20% menor em relação às outras implementações. Os circuitos BFEA apresentaram a menor utilização de elementos lógicos, em média 50% menor em relação aos outros circuitos implementados. O circuito fast Cox-de Boor apresentou a melhor escalabilidade, devido à modularidade da implementação, com tempos de execução similares aos circuitos de funções base fixas. / The b-splines are used in CAD/CAM/CAE systems to represent and define complex curves and surfaces, being adopted by the main computer graphics standards due to features like compact mathematic representation, flexibility and affine transformations. In 3D acquisition systems and integrated CAM-CNC systems, the use of the b-spline in the geometric information data transfer and in the object surface reconstruction results in a increase in the process efficiency, generally implemented in embedded systems. In these embedded systems, integrated in the aid to manufacturing machines, the use of FPGAs is incipient, without available b-splines open core circuits in reconfigurable logic, the reason why this project propose the development of a b-spline generation open core circuit, in a FPGA embedded system, using adaptated algorithms for the circuits, made in Verilog HDL language, standardized for the circuit synthesis in reconfigurable logic. The circuits were developed, using an open core standardized data bus, in the following implementations of b-spline parallel processing: the BFEA, fixed basis functions based method, both designed for integrated circuits, and the fast Cox-de Boor, developed for FPGAs. The execution time and available resource consumption in the FPGA were compared, between each implementation. The results show that the fixed basis functions circuits presented the fastest processing for the b-splines generation in a FPGA, with a 20% mean execution time reduction in relation to the other implementations. The BFEA circuits presented the lowest logic elements use, in mean 50% fewer in relation to the other implemented circuits. The fast Cox-De Boor circuit presented the best scalability, due to the implementation modularity, with execution times similar to the fixed basis functions circuits.

A doença de Chagas possui uma importante relevância clínica, sendo uma das principais causas de mortalidade e morbidade na América Latina. As relações entre a lesão tecidual miocárdica e os defeitos na inervação autonômica na doença de Chagas são pouco conhecidas. Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de métodos de segmentação, corregistro e análise de imagens capazes de prover uma análise integrada das lesões teciduais através do imageamento de ressonância magnética (MRI), perfusão miocárdica e inervação autonômica, disponíveis através da tomografia de emissão de fótons (SPECT). O método proposto é baseado na segmentação e corregistro entre as imagens MRI e imagens SPECT usando 99mTc-MIBI e 123I-MIBG. Para realizar a segmentação do miocárdio, foi utilizada a técnica de Contorno Ativo Geodésico. A segmentação de fibrose em imagens MRI foi realizada com base na maximização da entropia de Tsallis. O corregistro não-rígido foi realizado através do método B-Spline. Os resultados de quantificação indicam correlações entre a presença de fibrose, desnervação e isquemia, além de mostrar a presença de regiões de miocárdio vivo, isquêmico e desnervado. Assim, a ferramenta desenvolvida fornece uma análise integrada de informação, permitindo uma melhor compreensão da relação entre o dano ao tecido do miocárdio e defeitos de inervação autonômica causadas pela doença de Chagas. / Chagas disease is of major clinical relevance, and a major cause of morbidity and mortality in Latin America. The relations between the myocardial tissue damage, myocardial perfusion and defects in autonomic innervations are poorly understood. This study proposes the development and application of image analysis methods capable of providing an integrated visualization and analysis of tissue injuries through enhanced magnetic resonance imaging (MRI), autonomic innervations and myocardial perfusion, available through photon emission tomography (SPECT). The proposed method is based on segmentation and registration between MRI images and SPECT images using 99mTc-MIBI and 123I-MIBG. To perform the segmentation of myocardium, we used Geodesic Active Contour. Fibrosis segmentation in MRI images was performed based on the algorithm of maximum Tsallis entropy. Nonrigid registrations was performed based on B-Spline method. The quantification results showed correlations between the presence of fibrosis, denervation and ischemia, as well as showing the regarded presence of regions of healthy myocardium, ischemic and denervated. Thus, the developed tool provides an integrated analysis of information contributing to a better understanding of the relationship between myocardial tissue damage and autonomic innervations injuries caused by Chagas disease.

As b-splines são utilizadas em sistemas CAD/CAM/CAE para representar e definir curvas e superfícies complexas, sendo adotada pelos principais padrões da computação gráfica devido a características como representação matemática de forma compacta, flexibilidade e transformações afins. Em sistemas de aquisição de dados 3D e sistemas CAM-CNC integrados, a utilização da b-spline na transferência de informações geométricas e na reconstrução da superfície de objetos resulta em um significativo incremento na eficiência do processo, geralmente implementado em sistemas embarcados. Nestes sistemas embarcados, integrados no auxílio a máquinas de manufatura, a utilização de FPGAs é incipiente, sem circuitos para b-splines disponibilizados em lógica reconfigurável de circuito aberto (open core), razão pela qual este projeto propõe o desenvolvimento de um circuito de geração b-spline aberto, em um sistema embarcado FPGA, utilizando algoritmos adaptados para os circuitos, elaborados em linguagem Verilog HDL, padronizada para a síntese de circuitos em lógica reconfigurável. Os circuitos foram desenvolvidos, utilizando-se um barramento de dados padronizado em circuito aberto, nas seguintes implementações para processamento paralelo das b-splines: o BFEA, o método baseado em funções base fixas, ambos projetados para circuitos integrados, e o fast Cox-de Boor, desenvolvido para FPGAs. Foram comparados o tempo de execução e o consumo de recursos disponíveis no FPGA utilizado, entre cada implementação. Os resultados evidenciaram que os circuitos de funções base fixas apresentaram o processamento mais rápido para a geração de b-splines em um FPGA, com um tempo de execução em média 20% menor em relação às outras implementações. Os circuitos BFEA apresentaram a menor utilização de elementos lógicos, em média 50% menor em relação aos outros circuitos implementados. O circuito fast Cox-de Boor apresentou a melhor escalabilidade, devido à modularidade da implementação, com tempos de execução similares aos circuitos de funções base fixas. / The b-splines are used in CAD/CAM/CAE systems to represent and define complex curves and surfaces, being adopted by the main computer graphics standards due to features like compact mathematic representation, flexibility and affine transformations. In 3D acquisition systems and integrated CAM-CNC systems, the use of the b-spline in the geometric information data transfer and in the object surface reconstruction results in a increase in the process efficiency, generally implemented in embedded systems. In these embedded systems, integrated in the aid to manufacturing machines, the use of FPGAs is incipient, without available b-splines open core circuits in reconfigurable logic, the reason why this project propose the development of a b-spline generation open core circuit, in a FPGA embedded system, using adaptated algorithms for the circuits, made in Verilog HDL language, standardized for the circuit synthesis in reconfigurable logic. The circuits were developed, using an open core standardized data bus, in the following implementations of b-spline parallel processing: the BFEA, fixed basis functions based method, both designed for integrated circuits, and the fast Cox-de Boor, developed for FPGAs. The execution time and available resource consumption in the FPGA were compared, between each implementation. The results show that the fixed basis functions circuits presented the fastest processing for the b-splines generation in a FPGA, with a 20% mean execution time reduction in relation to the other implementations. The BFEA circuits presented the lowest logic elements use, in mean 50% fewer in relation to the other implemented circuits. The fast Cox-De Boor circuit presented the best scalability, due to the implementation modularity, with execution times similar to the fixed basis functions circuits.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-04-05T14:04:54Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Vinícius César.pdf: 8129153 bytes, checksum: ba5d2566020247282af7bc9c09e0ea51 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-05T14:04:54Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Vinícius César.pdf: 8129153 bytes, checksum: ba5d2566020247282af7bc9c09e0ea51 (MD5) Previous issue date: 2015-08-07 / CNPq / A instalação de dutos flexíveis em ambiente submarino de alta profundidade é realizada recorrentemente pelas indústrias de óleo e gás. Estes dutos transportam fluidos como água, gases e óleo. Durante o minucioso processo de instalação dos dutos flexíveis, é necessário o monitoramento constante de sua geometria a fim de evitar a propagação de esforços e consequentemente danos aos equipamentos envolvidos. Para que este monitoramento seja eficiente, podem ser utilizadas técnicas de reconstrução 3D que usam como entrada as imagens capturadas por um par de câmeras estéreo instaladas nos robôs que acompanham a operação. Esta dissertação de mestrado propõe o desenvolvimento dos algoritmos de rastreamento e reconstrução para dutos flexíveis com o intuito de permitir o monitoramento em tempo real da operação. O algoritmo de rastreamento proposto tem a função de determinar um conjunto de pontos que representam a projeção do eixo medial do duto em cada imagem do par estéreo. Para alcançar esse objetivo, o algoritmo utiliza características da iluminação em ambientes submarinos e de marcações realizadas no duto. A etapa de reconstrução utiliza os pontos rastreados para estimar uma curva B-spline racional não-uniforme (NURBS) sobre um plano tridimensional. Essa aproximação simplifica o processo de reconstrução e permite obter resultados mais precisos. Experimentos realizados em ambiente aquático e aéreo, utilizando uma escala reduzida, permitiram uma análise da acurácia e robustez dos algoritmos propostos. O erro médio alcançado foi menor que meio centímetro em todos os casos analisados. Além disso, concluiu-se que a disposição dos pontos da curva e a posição do plano influenciam na estimativa da reconstrução. Testes com imagens reais da operação foram também realizados e permitiram validar as técnicas propostas neste ambiente. Os resultados obtidos foram robustos em casos de baixa iluminação, ruidosos e com elevada obliquidade. Os métodos propostos são eficientes computacionalmente e permitem a obtenção do resultado a uma taxa superior a 30 quadros por segundo. / Installing flexible pipes in deep underwater environments is a recurrent task in oil production industry. Such flexible pipes are responsible for transporting fluids such as water, gases and oil. The installation pipe connections is a meticulous process that requires continuous monitoring of the pipe’s geometry in order to prevent excessive tension along the line that may cause costly damages to the end equipment. This master thesis develops a 3D reconstruction method to ensure the success of this critical operation. The model makes use of images captured by a stereo rig mounted on the robots supporting the operation. At the heart of the model is a novel algorithm for tracking and reconstructing flexible pipes in order to allow real time pipe monitoring during the installation operation. Our approach tracks a set of points that represents the pipe’s projected medial axis in each image provided by the stereo rig. This is achieved using the scene’s specifications including the as deep-water environment illumination and marks pre-painted over the used pipes. The reconstruction stage uses the tracked points to estimate a plane non-uniform rational B-spline (NURBS) in 3D space. This approximation simplifies the reconstruction and i8s shown to improve accuracy. Underwater and aerial experiments were performed in a reduced scale scenario to evaluate the proposed method’s accuracy and robustness. In all test cases, the mean of reconstruction error was less than 1 centimeter. Furthermore, we conclude that the points’ distribution along the pipeline and the curve plane position impact the reconstruction’s accuracy. In addition, tests carried out using real operation videos were performed. They allowed us to validate our technical proposal in this harsh environment. The results obtained were robust in almost all the analyzed cases. The proposed methods are computationally efficient and allow obtaining results at a rate of 30 frames per second or higher.

Cette thèse s'intéresse à la réalisation autonome de plans de vol cinématographiques par un quadrotor équipé d'une caméra. Ces plans de vol consistent en une série de points de passage à rejoindre successivement, en adoptant diverses méthodes de prise de vue et en respectant des références de vitesses ainsi que des couloirs de vols. Une étude approfondie de la dynamique du quadrotor est tout d'abord proposée et utilisée pour construire un modèle linéarisé du drone autour de l'équilibre de vol stationnaire. L'analyse de ce modèle linéaire permet de mettre en évidence l'impact de l'inertie des rotors du drone dans sa dynamique, notamment l'apparition d'un comportement à non minimum de phase en roulis ou tangage, lorsque les moteurs sont inclinés. Dans un second temps, deux algorithmes de génération de trajectoires lisses, faisables et adaptées à la cinématographie sont proposés. La faisabilité de la trajectoire est garantie par le respect de contraintes sur ses dérivées temporelle, adaptées pour la cinématographie et obtenue grâce à l'étude du modèle non linéaire du drone. Le premier repose sur une optimisation bi-niveaux d'une trajectoire polynomiale par morceaux, dans le but de trouver la plus rapide des trajectoires à minimum de jerk permettant d'accomplir la mission. Le second algorithme consiste en la génération de trajectoires B-spline non-uniformes à durée minimale. Pour les deux solutions, une étude de l’initialisation du problème d'optimisation est présentée, de même qu'une analyse de leurs avantages et limitations. Pour ce faire, elles sont notamment confrontées à des simulations et vols extérieurs. Enfin, une loi de commande prédictive est proposée pour asservir les mouvements de la caméra embarquée de manière douce et précise. / This thesis focuses on the autonomous performance of cinematographic flight plans by camera equipped quadrotors. These flight plans consist in a series of waypoints to join while adopting various camera behaviors, along with speed references and flight corridors. First, an in depth study of the nonlinear dynamics of the drone is proposed, which is then used to derive a linear model of the system around the hovering equilibrium. An analysis of this linear model allows us to emphasize the impact of the inertia of the propellers when the latter are tilted, such as the apparition of a nonminimum phase behavior of the pitch or roll dynamics. Then, two algorithms are proposed to generate smooth and feasible cinematographic trajectories. The feasibility of the trajectory is ensured by constraints on its time derivatives, suited for cinematography and obtained with the use of the nonlinear model of the drone. The first algorithm proposed in this work is based on a bi-level optimization of a piecewise polynomial trajectory, in order to find the fastest feasible minimum jerk trajectory to perform the flight plan. The second algorithm consists in the generation of feasible, minimum time, non-uniform B-spline trajectories. For both solutions, a study of the initilization of the optimization problem is proposed, as well as a discussion about their advantages and limitations. To this aim, they are notably confronted to simulations and outdoor flight experiments. Finally, a predictive control law is proposed to smoothly and accurately control the onboard camera.

This dissertation presents a synthesis of methods for structural optimization of aircraft wing boxes. The optimization problem considered herein is the minimization of structural weight with respect to component sizes, subject to stress constraints. Different aspects of structural optimization methods representing the current state-of-the-art are discussed, including sequential quadratic programming, sensitivity analysis, parameterization of design variables, constraint handling, and multiple load treatment. Shortcomings of the current techniques are identified and a B-spline parameterization representing the structural sizes is proposed to address them. A new configurable B-spline parameterization method for structural optimization of wing boxes is developed that makes it possible to flexibly explore design spaces. An automatic scheme using different levels of B-spline parameterization configurations is also proposed, along with a constraint aggregation method in order to reduce the computational effort. Numerical results are compared to evaluate the effectiveness of the B-spline approach and the constraint aggregation method. To evaluate the new formulations and explore design spaces, the wing box of an airliner is optimized for the minimum weight subject to stress constraints under multiple load conditions. The new approaches are shown to significantly reduce the computational time required to perform structural optimization and to yield designs that are more realistic than existing methods.

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Title: Dynamic model for estimation of radon concentration in buildings Author: Barbora Vaňková Department: Department of probability and mathematical statistics Supervisor: Ing. Marek Brabec, Ph.D. Supervisor's e-mail address: mbrabec@cs.cas.cz Abstract: In the present work there is described the method for estimation of functi- onal data from discrete values and basic methods of functional data analysis. 1