O modelamento matemático de sistemas físicos é fundamental para diversas aplicações de processamento digital de sinais (PDS). Em muitos dos problemas enfrentados nesse contexto, para que um modelo seja útil, é necessário que ele represente seu análogo físico com precisão e possua características favoráveis para implementação, como estabilidade e compacidade. A obtenção de um modelo que atenda a estes requisitos depende da escolha de um formalismo matemático apropriado. Em se tratando do modelamento de sistemas (significativamente) não-lineares, tal decisão é particularmente desafiadora, uma vez que muitos formalismos com propriedades diferentes foram propostos na literatura. Basicamente, isto se deve à inexistência de uma teoria completa e geral para sistemas não-lineares, diferentemente do que ocorre no caso linear. Porém, em diversos trabalhos que lidam com aplicações nas quais é necessário modelar dispositivos não-lineares, adota-se alguma representação sem que sejam fornecidas justificativas claras e fundamentadas em características físicas do sistema a ser modelado. Ao invés disso, esse importante aspecto é discutido apenas superficialmente, com base em argumentos informais ou heurísticos. Adicionalmente, a definição de certas características estruturais de um modelo que possuem grande impacto sobre seu desempenho frequentemente não é feita de maneira sistemática, o que dificulta uma compreensão precisa do potencial do formalismo subjacente. Visando auxiliar na escolha por um formalismo adequado em aplicações de PDS, neste trabalho propõe-se uma metodologia de avaliação do desempenho de formalismos não-lineares que se apoia sobre considerações físicas. Para tanto, emprega-se um modelo físico do sistema de interesse como referência. Mais especificamente, a estratégia adotada baseia-se em fazer uso do método de bilinearização de Carleman para se obter, a partir deste modelo e de um conjunto de parâmetros típicos, um conjunto de núcleos de Volterra de referência. Uma vez que os núcleos de referência são obtidos, pode-se estimar, por exemplo, a ordem e a extensão de memória mínimas que um filtro de Volterra convencional deve possuir para se atingir o nível de precisão desejado, o que permite avaliar se o uso de modelos deste tipo é viável em termos de custo computacional. Quando este não é o caso, as informações fornecidas pelos núcleos podem ser exploradas para se escolher outra representação, como uma estrutura modular ou uma estrutura de Volterra alternativa. Além disso, os núcleos de referência são úteis ainda para se realizar uma avaliação quantitativa do desempenho da estrutura escolhida e compará-lo com aquele apresentado por um filtro de Volterra convencional. Para a realização do cômputo dos núcleos de referência, um algoritmo que implementa eficientemente o método de Carleman foi proposto. Tal algoritmo, juntamente com a ideia básica da metodologia desenvolvida, constituem as principais contribuições deste trabalho. Como estudo de caso, emprega-se um modelo físico para alto-falantes disponível na literatura para a avaliação da adequação de diversas estruturas ao modelamento de dispositivos deste tipo. Com este exemplo, demonstra-se a utilidade dos núcleos de referência para as finalidades supracitadas. / The mathematical modeling of physical systems is essential for several digital signal processing (DSP) applications. In many problems faced in this context, if a model is to be useful, it must represent its physical analog with precision and possess characteristics that favour implementation, such as stability and compactness. In order to obtain a model that meets those requirements, it is indispensable to choose an appropriate formalism. Regarding the modeling of (significantly) nonlinear systems, this decision is a particularly challenging problem, since many formalisms with different properties have been proposed in the literature. Basically, this is due to the inexistence of a complete and general theory for nonlinear systems as there is in the linear case. In several works that deal with applications in which it is necessary to model nonlinear devices, some representation is adopted without the provision of clear and physically motivated justifications. Instead, this important aspect is discussed only superficially, based on an informal or heuristic reasoning. Additionally, the definition of certain structural characteristics of a model which have great influence on its performance is frequently done in a non-systematic manner, which difficults a precise comprehension of the potential of the underlying formalism. Aiming to assist the choice of an adequate formalism in DSP applications, in this work we propose a methodology for evaluating the performance of nonlinear models that relies on physical considerations. For this purpose, a physical model of the system of interest is used as a reference. Specifically, the adopted strategy is based on using the Carleman bilinearization method for obtaining a set of reference Volterra kernels from that model, considering typical parameter values. Once the reference kernels are obtained, we can estimate, for instance, the order and the minimal memory extension that a conventional Volterra filter must have in order to achieve the desired precision level, which allows us to assess whether using models of this type is feasible in terms of computational cost. When this is not the case, the information provided by the kernels may be exploited for choosing another representation, as a modular structure or an alternative Volterra structure. Furthermore, the reference kernels are also useful for quantitatively evaluating the performance of the chosen structure and for comparing it with a conventional Volterra filter. To perform the reference kernels computation, an efficient algorithm for the Carleman method is proposed. This algorithm, together with the basic idea of the developed methodology, constitute the main contributions of this work. As a case study, a physical model for loudspeakers available in the literature is employed for assessing the suitableness of several structures for modeling devices of this kind. With this example, we show the utility of the reference kernels for the aforementioned purposes.

Muitos métodos de redução de ruído se baseiam na possibilidade de representar o sinal original com um reduzido número de coeficientes de uma transformada, ou melhor, obtém-se um sinal com menos ruído pelo cancelamento dos coeficientes abaixo de um valor adequadamente estabelecido de magnitude. Deve-se supor que a contribuição do ruído se distribua de maneira uniforme por todos os coeficientes. Uma desvantagem destes métodos, quando aplicados a sinais de voz, é a distorção introduzida pela eliminação dos coeficientes de pequena magnitude, juntamente com a presença de sinais espúrios, como o “ruído musical” produzido por coeficientes ruidosos isolados que eventualmente ultrapassam o limiar. Para as transformadas usualmente empregadas, o histograma da distribuição dos coeficientes do sinal de voz possui um grande número de coeficientes próximos à origem. Diante disto, propomos uma nova função de “thresholding” concebida especialmente para redução de ruído em sinais de voz adicionados a AWGN (“Additive, White, and Gaussian Noise”). Esta função, chamada de SoftSoft, depende de dois valores de limiar: um nível inferior, ajustado para reduzir a distorção da voz, e um nível superior, ajustado para eliminar ruído. Os valores ótimos de limiar são calculados para minimizar uma estimativa do erro quadrático médio (MSE): diretamente, supondo conhecido o sinal original; indiretamente, usando uma função de interpolação para o MSE, levando a um método prático. A função SoftSoft alcança um MSE inferior ao que se obtém pelo emprego das conhecidas operações de “Soft” ou “Hard-thresholding”, as quais dispõem apenas do limiar superior. Ainda que a melhoria em termos de MSE não seja muito expressiva, a melhoria da qualidade perceptual foi certificada tanto por um ouvinte quanto por uma medida perceptual de distorção (a distância log-espectral). / Many noise-reduction methods are based on the possibility of representing the clean signal as a reduced number of coefficients of a block transform, so that cancelling coefficients below a certain thresholding level will produce an enhanced reconstructed signal. It is necessary to assume that the clean signal has a sparse representation, while the noise energy is spread over all coefficients. The main drawback of those methods is the speech distortion introduced by eliminating small magnitude coefficients, and the presence of artifacts (“musical noise”) produced by isolated noisy coefficients randomly crossing the thresholding level. Based on the observation that the speech coefficient histogram has many important coefficients close to origin, we propose a custom thresholding function to perform noise reduction in speech signals corrupted by AWGN. This function, called SoftSoft, has two thresholding levels: a lower level adjusted to reduce speech distortion, and a higher level adjusted to remove noise. The joint optimal values can be determined by minimizing the resulting mean square error (MSE). We also verify that this new thresholding function leads to a lower MSE than the well-known Soft and Hard-thresholding functions, which employ only a higher thresholding level. Although the improvement in terms of MSE is not expressive, a perceptual distortion measure (the log-spectral distance, LSD) is employed to prove the higher performance of the proposed thresholding scheme.

Esta tese apresenta um algoritmo capaz de detectar eventos que afetam a qualidade de energia e quantificar níveis de distorção harmônica utilizando poucos recursos de processamento. A carga de processamento reduzida é compatível com os processadores utilizados em medidores de faturamento monofásicos de baixo custo. Outros métodos de detecção, que exigem maior capacidade de processamento, podem comprometer o funcionamento destes medidores. O algoritmo proposto utiliza o sinal monofásico amostrado e gera sinais equivalentes a um sistema polifásico virtual capaz de detectar variações de tensão de curta duração e transitórios oscilatórios de baixa frequência. Distorções harmônicas presentes no sinal amostrado podem ser quantificadas em grupos, como múltiplos do número de fases virtuais criadas. São apresentados os algoritmos utilizados e os resultados obtidos com simulações para conversões A/D de 10 e 12 bits. O algoritmo foi testado com um processador de baixo custo com conversor A/D de 10 bits e seus resultados são comparados com as simulações. / This thesis presents an algorithm able to detect events that affect power quality and quantify levels of harmonic distortion using few memory and low processing resources. The reduced processing load is compatible with processors used in low-cost single-phase billing meters. Other detection methods, which require greater processing power, may compromise those meters operations. The proposed algorithm uses the phase sampled signal and generates a virtual equivalent polyphase system, capable of detecting voltage sags, swell and low frequency oscillatory transient signals. The harmonic distortion present in the sampled signal can be quantified in groups, related with the number of virtual phases created. The algorithms were simulated with 10 and 12 bits A/D and the results obtained are shown. A test meter, based on a low-cost processor with a 10 bits A/D converter, was programmed with this algorithm and its results are compared with simulations.

A proliferação de dispositivos móveis e de redes sem fio tem encorajado um crescente interesse em sistemas e serviços baseados na localização de dispositivos portáteis, especialmente em ambientes internos, como edifícios e residências. A localização de um dispositivo portátil é um parâmetro crítico em aplicações baseadas no contexto, as quais requerem grande precisão na estimativa de localização. Entretanto, projetar e desenvolver sistemas de localização em interiores, com crescente precisão na estimação e decrescente custo de instalação, é um problema desafiador. Uma abordagem bastante interessante para satisfazer os requisitos de baixo custo consiste em utilizar as infra-estruturas existentes de redes locais sem fio (WLAN) no padrão IEEE 802.11, que já estão instaladas em muitos ambientes. A maioria das abordagens para localização usando WLAN propostas na literatura é baseada em técnicas probabilísticas, que apresentam bom desempenho e estão cada vez mais populares. Estas técnicas usam um mapa com a informação da potência recebida do sinal (RSSI) juntamente com a freqüência de presença de sinal coletada de múltiplos pontos de acesso Wi-Fi, em diferentes localizações físicas no ambiente. Porém, a informação sobre freqüência de presença de sinal pode ser muito ruidosa devido à natureza imprevisível das falhas de transmissão, as quais podem ocorrer decorrentes de diversos fatores. Este trabalho propõe um novo sistema de localização Wi-Fi, o WBLS (Wireless Based Location System), que não considera a informação sobre freqüência de presença de sinal no processo de estimação, visando eliminar os ruídos a ela associados. O WBLS explora o fato da potência do sinal Wi-Fi variar com a localização e usa um HMM descrito em um grafo onde os nós representam as localizações e as arestas, as probabilidades de transição em função da topologia do ambiente e das velocidades esperadas de um pedestre portando um dispositivo móvel. Investiga-se em que situações a eliminação da informação sobre freqüência de presença de sinal devido a seus ruídos associados aumenta a exatidão da estimativa de localização, apesar do descarte da informação em si. Os experimentos realizados demonstram que a característica mais importante do WBLS é uma particular robustez ao lidar com desligamentos de pontos de acesso, os quais podem ocorrer sem nenhum aviso ou previsão em um ambiente onde pouco controle se tem sobre sua infra-estrutura. / The proliferation of mobile computing devices and wireless networks has fostered a growing interest in location-based systems and services for Portable Wireless Devices, specially in indoor environments. The location of a handheld device is a critical parameter in context-aware applications, which require high degree of accuracy of location estimation. However, designing and developing indoor location systems with increasing estimation accuracy and decreasing cost installation is a challenging problem. A very interesting approach to reach low-cost requirements consists in using the pre-existing IEEE 802.11 wireless local area network (WLAN) infrastructure that is already installed in many places. Most of the WLAN indoor location approaches proposed in the literature are based on probabilistic techniques which show good performance and are becoming increasingly popular. Such approaches use a map of received signal strength information and signal presence frequency collected from multiple Wi-Fi access points at different physical locations in the environment. However, the signal presence frequency information can be very noisy due to the unpredictable nature of transmissions failures, which can be caused by several factors. This work proposes a new probabilistic-based Wi-Fi location system, WBLS (Wireless Based Location System), which doesn\'t take the signal presence frequency information into account in the estimation process, in an attempt to eliminate its associated noise. WBLS exploits the fact that Wi-Fi signal strength vary with location, and uses an HMM on a graph of location nodes whose transition probabilities are a function of the building\'s floor plan and expected speeds of a pedestrian holding a portable device. We investigate if eliminating signal presence frequency information due to its associated noise increases the accuracy of the location estimation, despite the amount of information about the signal presence that is discarded. Experiments show that the most important feature of WBLS is a particular robustness while dealing with access points shutdowns that may happen without any warning in an environment where there is little control over the infrastructure.

Este trabalho propõe uma abordagem para o rastreamento de objetos observados em seqüências de imagens. O objetivo principal é o desenvolvimento de uma metodologia eficiente, capaz de realizar o rastreamento de um ou mais alvos heterogêneos, usando pouca informação a priori sobre os mesmos. Para alcançar este objetivo é proposta a descrição dos alvos livre de um modelo explícito de forma, através de uma representação baseada em contornos, a qual é interessante pois tem a capacidade de adaptar-se dinamicamente a alvos com formas heterogêneas de modo eficaz. Além disso, é usado um modelo de movimento único e simples, considerando somente translação e mudança de escala quadro a quadro. Este modelo possibilita o tratamento de movimentos suaves e previamente desconhecidos dos alvos. O rastreamento de cada alvo é executado com a combinação de dois Filtros de Kalman: um para estimação do movimento e outro para estimação do contorno. O modelo de observação é baseado em linhas de medida 1D fixadas ao longo do contorno estimado e tem baixo custo computacional. Experimentos foram conduzidos para avaliar a eficácia e eficiência da proposta, utilizando seqüências de imagens controladas e reais. Os resultados mostram que a abordagem proposta é capaz de rastrear alvos distintos (figuras geométricas, pessoas e robôs móveis), executando diferentes movimentos considerando a posição de observação da câmera. Embora haja uma relação crítica entre a variação quadro a quadro do movimento e da forma dos alvos, e o nível de ruído nas imagens, a abordagem é adequada nos casos em que informações detalhadas a respeito do movimento e da forma dos alvos não são disponíveis. / This work proposes an approach to track objects observed in sequences of images. The main objective is the development of an efficient methodology, capable of performing the tracking of one or more heterogeneous targets by using a small amount of a priori information about them. To accomplish this objective we propose a description of the targets free of an explicit shape model. This description is a contour-based representation, which is interesting because it is capable of adapting dynamically to targets that have heterogeneous shapes in an effective way. Besides this, a unique and simple movement model is used, considering only translation and scaling frame by frame. This model allows treating smooth and previously unknown targets movements. The tracking of each target is executed by the combination of two Kalman Filters: one used to estimate movement and another one to estimate contour. The observation model is based on 1D measurement lines fixed along the estimated contour and requires low computational power. Experiments were performed to evaluate the efficacy and the efficiency of the proposal, using controlled and real image sequences. Results show that the proposed approach is capable of tracking distinct targets (geometric figures, human bodies and mobile robots), which execute different movements regarding the observation position of the camera. Despite the critical tradeoff between the frame by frame variation of the targets movements and shapes and the level of noise in the images, the approach showed to be adequate for those cases of application where detailed information about target movement and shape are not available.

Nas últimas décadas, diversos sistemas de comunicação baseados em caos foram propostos. Dentre eles, vários utilizam uma função para codificar uma mensagem em um sinal caótico, que é caracterizado como um sinal de banda larga. Dado que o canal de transmissão é limitado em banda por natureza, é necessário determinar e controlar o espectro do sinal caótico transmitido por esse sistema. Nesse sentido, um sistema de comunicação em banda limitada, baseado em sincronismo caótico, foi proposto recentemente utilizando-se filtros digitais para controlar a largura de banda dos sinais transmitidos. Esses filtros, inseridos no sistema de comunicação, modificam o sistema original gerador do sinal caótico, tornando-se necessário analisar como essa inserção afeta o sincronismo caótico. Nessa tese, apresenta-se uma análise desse sistema de comunicação digital de tempo discreto, baseado em sincronismo caótico, considerando-se um canal com ruído aditivo branco gaussiano. As condições necessárias para a sincronização desse sistema são obtidas analiticamente, por meio de um teorema, para um mapa gerador de caos qualquer. O desempenho desse sistema é avaliado em termos da taxa de erro de bit, e, para melhorar seu desempenho, propõe-se filtrar o ruído fora da banda do sinal na entrada do receptor. Apesar das condições de sincronismo terem sido determinadas, a inserção dos filtros também pode modificar a natureza caótica dos sinais, e não há garantia que os sinais transmitidos sejam caóticos. Para analisar a natureza caótica dos sinais transmitidos pelo sistema de comunicação, o maior expoente de Lyapunov é obtido numericamente em função dos coeficientes dos filtros, dos parâmetros do mapa e da função de codificação da mensagem. / In recent decades, several chaos-based communication systems have been proposed. Many of them use a function to encode a message into a chaotic signal, which is characterized as wideband. Since every transmission channel is bandlimited in nature, it is necessary to determine and to control the spectrum of the chaotic signal transmitted by this system. This way, a bandlimited chaos-based communication system was recently proposed using digital filters and chaotic synchronization. These filters, inserted in the communication system, modify the original chaotic generator system, becoming necessary to study how their insertion affect chaotic synchronization. In this work, we present an analysis of this discrete-time chaos-based digital communication system considering an additive white Gaussian noise channel. The synchronization conditions of this system is analytically obtained, through a theorem, for a generic chaos generator map. The system performance is evaluated in terms of bit error rate, and, to obtain a performance improvement, it is also proposed to filter the out-of-band noise in the receiver. Although the conditions for chaotic synchronization have been determined, the filters insertion can also modify the chaotic nature of the signals, and there is no guarantee that the transmitted signals remain chaotic. To analyze the chaotic nature of the communication system transmitted signals, the largest Lyapunov exponent is numerically accessed as a function of the filters coefficients, the parameters of the map and the message coding function.

A combinação de fontes biométricas não redundantes da multibiometria supera a precisão de cada fonte individual (monobiometria). Além do mais, dois problemas em biometria, ruído e ataques de usurpadores, podem ser minimizados pelo uso de múltiplos sensores e biometria multimodal. Entretanto, se as similaridades estão em todos traços biométricos, como em gêmeos monozigotos (MZ), o processamento de múltiplas fontes não melhora a performance. Para distinguir extrema similitude, influências epigenéticas e ambientais são mais importantes do que o DNA herdado. Esta tese examina a plasticidade fenotípica na assimetria humana como uma ferramenta para melhorar a multibiometria. A técnica de Processamento Bilateral (PB) é introduzida para analisar discordâncias em lados esquerdo e direito dos traços biométricos. PB foi testado com imagens de espectro visível e infravermelho usando Correlação Cruzada, Wavelets e Redes Neurais Artificiais. Os traços selecionados foram dentes, orelhas, íris, impressões digitais, narinas e bochechas. PB acústico também foi implementado para avaliação da assimetria vibracional durante sons vocálicos e comparado a um sistema reconhecedor de locutores com parametrização via MFCC (Mel Frequency Cepstral Coefficients) e classificado por Quantização Vetorial. Para o PB de imagens e acústico foram coletadas 20 amostras por traço biométrico durante um ano de nove irmãos masculinos adultos. Com propósito de teste, as biometrias esquerdas foram impostoras às biometrias direitas do mesmo indivíduo e vice-versa, o que levou a 18 entidades serem identificadas por traço biométrico. Resultados alcançaram identificação total em todas biometrias tratadas com PB, comparado a um máximo de 44% de identificação correta sem PB. Esta tese conclui que peculiaridades bilaterais melhoram a performance multibiométrica e podem complementar qualquer abordagem de reconhecimento. / Combination of non-redundant biometric sources in multibiometrics overcomes individual source accuracy (monobiometrics). Moreover, two problems in biometrics, noise and impostor attacks, can be minimized by the use of multi-sensor, multi-modal biometrics. However, if similarities are in all traits, as in monozygotic twins (MZ), multiple source processing does not improve performance. To distinguish extreme similitude, epigenetic and environmental influences are more important than DNA inherited. This thesis examines phenotypic plasticity in human asymmetry as a tool to ameliorate multibiometrics. Bilateral Processing (BP) technique is introduced to analyze discordances in left and right trait sides. BP was tested in visible and infrared spectrum images using Cross-Correlation, Wavelets and Artificial Neural Networks. Selected traits were teeth, ears, irises, fingerprints, nostrils and cheeks. Acoustic BP was also implemented for vibration asymmetry evaluation during voiced sounds and compared to a speaker recognition system parameterized via MFCC (Mel Frequency Cepstral Coefficients) and classified by Vector Quantization. Image and acoustic BP gathered 20 samples per biometric trait during one year from nine adult male brothers. For test purposes, left biometrics was impostor to right biometrics from the same individual and vice-versa, which led to 18 entities to be identified per trait. Results achieved total identification in all biometrics treated with BP, compared to maximum 44% of correct identification without BP. This study concludes that bilateral peculiarities improve multibiometric performance and can complement any recognition approach.

Nas últimas décadas, a poluição sonora tornou-se um grande problema para a sociedade. É por esta razão que a indústria tem aumentado seus esforços para reduzir a emissão de ruído. Para fazer isso, é importante localizar quais partes das fontes sonoras são as que emitem maior energia acústica. Conhecer os pontos de emissão é necessário para ter o controle das mesmas e assim poder reduzir o impacto acústico-ambiental. Técnicas como \"beamforming\" e \"Near-Field Acoustic Holography\" (NAH) permitem a obtenção de imagens acústicas. Essas imagens são obtidas usando um arranjo de microfones localizado a uma distância relativa de uma fonte emissora de ruído. Uma vez adquiridos os dados experimentais pode-se obter a localização e magnitude dos principais pontos de emissão de ruído. Do mesmo modo, ajudam a localizar fontes aeroacústicas e vibro acústicas porque são ferramentas de propósito geral. Usualmente, estes tipos de fontes trabalham em diferentes faixas de frequência de emissão. Recentemente, foi desenvolvida a transformada de Kronecker para arranjos de microfones, a qual fornece uma redução significativa do custo computacional quando aplicada a diversos métodos de reconstrução de imagens, desde que os microfones estejam distribuídos em um arranjo separável. Este trabalho de mestrado propõe realizar medições com sinais reais, usando diversos algoritmos desenvolvidos anteriormente em uma tese de doutorado, quanto à qualidade do resultado obtido e à complexidade computacional, e o desenvolvimento de alternativas para tratamento de dados quando alguns microfones do arranjo apresentarem defeito. Para reduzir o impacto de falhas em microfones e manter a condição de que o arranjo seja separável, foi desenvolvida uma alternativa para utilizar os algoritmos rápidos, eliminando-se apenas os microfones com defeito, de maneira que os resultados finais serão obtidos levando-se em conta todos os microfones do arranjo. / In recent decades, noise pollution has become a major problem for society. It is for this reason that the industry has increased its efforts to reduce the emission of noise. To do this, it is important to find out which parts of the sound sources are emitting greater acoustic energy. Knowing the emission points is required to keep track of them and thus be able to reduce acoustic and environmental impact. Techniques such as \"beamforming\" and \"Near-Field Acoustic Holography\" (NAH) allow obtaining acoustic images. These images are obtained using an array of microphones located at a relative distance from a noise source. Once acquired experimental data, one can obtain the location and the magnitude of the main points of noise emission. Similarly, we can find aeroacoustic and vibroacoustic sources, because they are general-purpose tools. Usually, these types of sources work in different frequency bands of the emission. Recently, a Kronecker Array Transform (KAT) was developed to microphone arrays, which provides a significant reduction in computational cost when applied to various image reconstruction methods, provided that the microphones are distributed in a separable array. This thesis proposes perform measurements with real signals using different algorithms previously developed in a dissertation about the quality of the obtained results and computational complexity, and the development of alternatives for data processing when some microphones of the array are defective. To reduce the impact of failures in microphones and maintain the condition that the array is separable, one alternative has been developed to use the fast algorithms by removing only the defective microphones, so that the final results will be obtained taking into account every microphone of the array.

Reconhecimento de padrões em imagens é um problema clássico da área de visão computacional e consiste em detectar um padrão ou objeto de referência (template) em uma imagem digital. A maioria dos métodos para esta finalidade propostos na literatura simplifica as imagens por meio de operações como binarização, segmentação e detecção de bordas ou pontos de contorno, para em seguida extrair um conjunto de atributos descritores. O problema é que esta simplificação pode descartar informações importantes para descrição dos padrões, fazendo diminuir a robustez do processo de detecção. Um método eficiente deve ter a habilidade de identificar um padrão sujeito a algumas transformações geométricas como rotação, escalonamento, translação, cisalhamento e, no caso de métodos para imagens coloridas, deve ainda tratar do problema da constância da cor. Além disso, o conjunto de atributos que descrevem um padrão deve ser pequeno o suficiente para viabilizar o desenvolvimento de aplicações práticas como um sistema de visão robótica ou um sistema de vigilância. Estes são alguns dos motivos que justificam os esforços empreendidos nos inúmeros trabalhos desta natureza encontrados na literatura. Neste trabalho é proposto um método de casamento de padrões em imagens digitais, denominado Ciratefi (Circular, Radial and Template-Matching Filter), livre de segmentação e invariante sob transformações de similaridade, brilho e contraste. O Ciratefi consiste de três etapas de filtragem que sucessivamente descartam pontos na imagem analisada que não correspondem ao padrão procurado. Também foram propostas duas extensões do Ciratefi, uma que utiliza operadores morfológicos na extração dos atributos descritores, denominada Ciratefi Morfológico e outra para imagens coloridas chamada de color Ciratefi. Foram realizados vários experimentos com o intuito de comparar o desempenho do método proposto com dois dos principais métodos encontrados na literatura. Os resultados experimentais mostram que o desempenho do Ciratefi é superior ao desempenho dos métodos empregados na análise comparativa. / Pattern recognition in images is a classical problem in computer vision. It consists in detecting some reference pattern or template in a digital image. Most of the existing pattern recognition techniques usually apply simplifications like binarization, segmentation, interest points or edges detection before extracting features from images. Unfortunately, these simplification operations can discard rich grayscale information used to describe the patterns, decreasing the robustness of the detection process. An efficient method should be able to identify a pattern subject to some geometric transformations such as translation, scale, rotation, shearing and, in the case of color images, should deal with the color constancy problem. In addition, the set of features that describe a pattern should be sufficiently small to make feasible practical applications such as robot vision or surveillance system. These are some of the reasons that justify the effort for development of many works of this nature found in the literature. In this work we propose a segmentation-free template matching method named Ciratefi (Circular, Radial and Template-Matching Filter) that is invariant to rotation, scale, translation, brightness and contrast. Ciratefi consists of three cascaded filters that successively exclude pixels that have no chance of matching the template from further processing. Also we propose two extensions of Ciratefi, one using the mathematical morphology approach to extract the descriptors named Morphological Ciratefi and another to deal with color images named Color Ciratefi. We conducted various experiments aiming to compare the performance of the proposed method with two other methods found in the literature. The experimental results show that Ciratefi outperforms the methods used in the comparison analysis.

Este trabalho propõe uma abordagem para o rastreamento de objetos observados em seqüências de imagens. O objetivo principal é o desenvolvimento de uma metodologia eficiente, capaz de realizar o rastreamento de um ou mais alvos heterogêneos, usando pouca informação a priori sobre os mesmos. Para alcançar este objetivo é proposta a descrição dos alvos livre de um modelo explícito de forma, através de uma representação baseada em contornos, a qual é interessante pois tem a capacidade de adaptar-se dinamicamente a alvos com formas heterogêneas de modo eficaz. Além disso, é usado um modelo de movimento único e simples, considerando somente translação e mudança de escala quadro a quadro. Este modelo possibilita o tratamento de movimentos suaves e previamente desconhecidos dos alvos. O rastreamento de cada alvo é executado com a combinação de dois Filtros de Kalman: um para estimação do movimento e outro para estimação do contorno. O modelo de observação é baseado em linhas de medida 1D fixadas ao longo do contorno estimado e tem baixo custo computacional. Experimentos foram conduzidos para avaliar a eficácia e eficiência da proposta, utilizando seqüências de imagens controladas e reais. Os resultados mostram que a abordagem proposta é capaz de rastrear alvos distintos (figuras geométricas, pessoas e robôs móveis), executando diferentes movimentos considerando a posição de observação da câmera. Embora haja uma relação crítica entre a variação quadro a quadro do movimento e da forma dos alvos, e o nível de ruído nas imagens, a abordagem é adequada nos casos em que informações detalhadas a respeito do movimento e da forma dos alvos não são disponíveis. / This work proposes an approach to track objects observed in sequences of images. The main objective is the development of an efficient methodology, capable of performing the tracking of one or more heterogeneous targets by using a small amount of a priori information about them. To accomplish this objective we propose a description of the targets free of an explicit shape model. This description is a contour-based representation, which is interesting because it is capable of adapting dynamically to targets that have heterogeneous shapes in an effective way. Besides this, a unique and simple movement model is used, considering only translation and scaling frame by frame. This model allows treating smooth and previously unknown targets movements. The tracking of each target is executed by the combination of two Kalman Filters: one used to estimate movement and another one to estimate contour. The observation model is based on 1D measurement lines fixed along the estimated contour and requires low computational power. Experiments were performed to evaluate the efficacy and the efficiency of the proposal, using controlled and real image sequences. Results show that the proposed approach is capable of tracking distinct targets (geometric figures, human bodies and mobile robots), which execute different movements regarding the observation position of the camera. Despite the critical tradeoff between the frame by frame variation of the targets movements and shapes and the level of noise in the images, the approach showed to be adequate for those cases of application where detailed information about target movement and shape are not available.