[pt] O objetivo genérico desta Tese foi o desenvolvimento de técnicas computacionais baseadas em conhecimento para apoiar a interpretação automática de dados de sensoriamento remoto multi-temporais, com ênfase na investigação da aquisição e representação explícita de conhecimento temporal, bem como na sua integração com outros tipos de conhecimento dentro do processo de interpretação. Dois objetivos específicos, inter-relacionados, foram perseguidos: (i) o desenvolvimento de um novo método de classificação baseado no conceito de cadeias nebulosas de Markov (CNM), que provê meios para a estimação de seus parâmetros temporais e para a utilização de conhecimento temporal no processo de classificação; e (ii) a modelagem e implementação de um ambiente baseado em conhecimento, de código livre, para a interpretação de dados de sensoriamento remoto. Para validar o novo método de classificação multitemporal, foram realizados experimentos voltados à interpretação de uma seqüência de três imagens LANDSAT de uma área na Região Centro-Oeste do Brasil, utilizando um método estocástico e outro analítico para a estimação das matrizes de transição de classes que compõem o modelo CNM. Enquanto os classificadores mono-temporais obtiveram uma acurácia média por classe de 55%, o esquema multi-temporal alcançou acurácias entre 63% e 94%. Resultados semelhantes em termos de acurácia global foram verificados. Além disso, quando comparado a abordagens multi-temporais correlatas, o método proposto obteve melhores resultados. De forma a validar o ambiente baseado em conhecimento aqui proposto, o método CNM foi implementado através de suas funcionalidades. Um conjunto de experimentos nos quais diferentes variações do método CNM, estruturadas no novo ambiente, foi executado satisfatoriamente. / [en] The general objective of this research was the development of knowledgebased computational techniques to support the interpretation of multitemporal remote sensing data, focusing on the investigation of the explicit representation of temporal knowledge and its integration to other types of knowledge; and also on the processing and acquisition of temporal knowledge. Two interrelated, specific objectives were pursued: (i) the development of a novel multitemporal classification method based on the concept of fuzzy Markov chain (FMC) that provides for the automatic estimation of its temporal related parameters and for the exploration of temporal knowledge in the classification process; and (ii) the design and implementation of an open-source, knowledge-based framework for multitemporal interpretation of remote sensing data. In order to validate the new multitemporal classification method, experiments were carried out aiming at the interpretation of a sequence of three LANDSAT images from the central region of Brazil, using both a stochastic and an analytical technique to estimate the class transition possibilities that compose the FMC model. While the monotemporal classifiers used in the experiments attained an average class accuracy of approximately 55%, the multitemporal scheme reached accuracies between 65% and 94%. Similar results in terms of overall accuracy were also observed. Furthermore, when compared to two alternative multitemporal classification approaches, the devised method consistently showed better results. In order to validate the proposed multitemporal framework, the FCM-based method was implemented using its temporal functionalities, and a number of experiments in which different variants of the FCM-based method were structured through the framework were successfully carried out.

[pt] Aplicações de Realidade Virtual (VR) com rastreamento de movimentos da cabeça precisam de efeitos de espacialização de alta qualidade. A abordagem tradicional para RV/jogos (interpolação dos canais L+R para construção do estereo) se mostrou insuficiente por ser incapaz de simular a acústica do mundo real. Por isso a pesquisa na área tem migrado para espacialização 3D do áudio. O receptor tem a sensação de que o som veio de um local no espaço 3D. Em outras palavras, ele pode localizar o emissor apenas pelo áudio por consequência permite a construção ambientes mais imersivos e coerentes quando usados em conjunto de técnicas visuáis. Nesse novo contexto, motores de jogos devem prover aos designers de áudio uma gama de ferramentas especializadas para a espacialização de àudio 3D além as de uso geral, que encluem: reverberações e reflexões usadas na construção de ambientes como igrejas e cavernas (locais com ecos); modulação, para criar variações de frequência e aliviar na repetitividade de sons recorrentes (como os de passos e tiros); mix e fade de volumes, utilizado na criação de momentos dramáticos na história e reprodução musical. Nesse trabalho, nós propomos um motor de áudio de tempo real para espacialização de fontes sonoras pontuais em ambientes virtuais. Vai possuir uma arquitetura documentada e de código aberto que provê um conjunto de efeitos e a habilidade de os compor. Nós implementamos a espacialização de áudio em 3D sobre bancos de dados de respostas impulsionais da cabeça (HRIRs) e efeitos sonoros com técnicas de processamento digital de sinais (DSP). Apesar da existência de sistemas comerciais poderosos de áudio para VR estejam disponíveis (e.g. Oculus), nosso protótipo pode ser uma alternativa se a simplicidade, testabilidade e ajustes forem levados em conta. / [en] Virtual Reality (VR) applications with low-latency head tracking require high-quality spatial audio effects. However, classic VR/game sound approaches cannot properly simulate the acoustic of the real world. Current audio research is moving towards 3D spatial audio to have a more realistic simulation. In 3D spatial audio, the listener has the sensation that sound comes from a particular direction in 3D space. In other words, the listener can localize a source based on audio and have a more coherent and immersive experience when paired with visual simulation. In this new context, game engines should provide sound designers with a set of 3D spatial audio tools. The following common effects are desirable in this type of toolbox: reverberations and reflections, which can be employed in the creation of caverns or churches (places with lots of echoes); modulation, which can increase the perceived variety of a recorded sound, by slightly varying its pitch (as in the sounds of footsteps); mixing and fading volumes, which can create dramatic moments in storytelling and music reproduction. In this work, we propose a realtime audio engine to spatialize sound point sources in virtual environments. This engine is an open-source architecture that provides a basic set of audio effects and an efficient way to mix and match them. We implement 3D audio spatialization by leveraging recorded head-related impulse responses (HRIRs) and we produce special sound effects with digital signal processing (DSP) techniques. Although some powerful commercial audio SDKs for Virtual Reality are currently available (e.g. Oculus), our audio engine prototype may be a flexible option when adaptation, simplification, testing, and parameter tuning are necessary.

[pt] O presente trabalho apresenta uma metodologia para modelagem do conhecimento multitemporal para a interpretação automática de imagens de sensores remotos. O procedimento de interpretação utilizado combina os conhecimentos multitemporal e espectral usando técnicas da lógica nebulosa. O método utiliza diagramas de transição de estado para representar as possibilidades de mudanças de classe dentro de um determinado intervalo de tempo. As possibilidades de mudança são estimadas a partir de dados históricos da mesma região usando algoritmos genéticos. O método foi validado experimentalmente usando como base um conjunto de imagens Landsat-5 da cidade do Rio de Janeiro, obtidas em 5 datas separadas por aproximadamente 4 anos. Os resultados experimentais indicaram que o uso do conhecimento multitemporal, conforme modelado pelo método proposto traz uma melhora importante de desempenho da classificação em comparação à classificação puramente espectral. / [en] The present work presents a methodology to model the multitemporal knowledge for the automatic interpretation of remotely sensed images. The used interpretation procedure combines the multitemporal and spectral knowledge using fuzzy logic techniques. This method uses state transition diagrams to represent the possibilities of class changes within a given time interval. The change possibilities are estimated based on historical data by using genetic algorithms. The method was validated by experiments using a set of Landsat-5 images of the Rio de Janeiro City, Brazil, acquired at 5 dates separated by approximately 4 years. The experimental results indicated that the use of the multitemporal knowledge as modeled by the proposed method brings an important performance improvement in comparison with the pure spectral classification.

O presente trabalho consiste na elaboração de uma metodologia envolvendo técnicas computacionais para proporcionar informações provenientes de avaliação de qualidade de equipamentos mamográficos. A investigação conduzida levou em conta, além da necessária determinação de parâmetros operacionais - como tensão de pico (kVp), corrente de tubo, ponto focal, dose, tempo de exposição, camada semi-redutora -, a influência das características do digitalizador usado no processo de digitalização das imagens a ser avaliadas pelo esquema computacional, seja esse um sistema de aquisição digital direta ou indireta. Dessa forma, foi elaborado um protocolo de pré-processamento da imagem para compensar os efeitos do digitalizador antes da avaliação dos parâmetros de qualidade através dela. Simultaneamente ao desenvolvimento dos softwares necessários ao esquema, foi projetado e desenvolvido um simulador radiográfico para servir como instrumento para obtenção tanto das imagens a ser processadas pelo modelo computacional, como dos dados referentes aos parâmetros operacionais. O sistema foi desenvolvido tomando um mamógrafo calibrado e um instrumento de precisão como referências e testado em outros equipamentos mamográficos em operação em clínicas e hospitais. Os resultados foram consistentes com as análises comparativas utilizando as referências, o que podem fazer do sistema uma ferramenta útil na avaliação de qualidade em mamografia. / The present work consists on developing a computational methodology to provide information regarding to mammographic equipment quality evaluation. This investigation have taken into account, beyond the required operational parameters, such as kVp, electrical current, focal point, dose, exposition time, half-value layer, the influence of the film digitizer utilized for digitization process on the images to be evaluated by the computational scheme, either this a system of direct or indirect digital acquisition. Like so, it was elaborated an image pre-processing protocol to compensate the digitization effect on digital image, before the evaluation of quality control parameters through itself. Simultaneously to the development of the necessary software to the system, a radiographic phantom was developed to be used for achievement of either the images to be processed by the computational model, as operational parameters data. The system was developed taking calibrated mammographic equipment and a precise measurement instrument as references, besides, it was tested in other mammographic equipment in operation on clinics and hospitals. Results had shown consistent with the comparative analyses using those references, which can turn this system a useful tool for evaluation of mammography quality.

Podemos afirmar que deslocamentos da imagem em quadros consecutivos de uma seqüência de vídeo são causados por pequenas vibrações da câmera e/ou movimentos desejados pelo operador da câmera. A estabilização de imagem consiste no processo de remoção de pequenas vibrações que caracterizam movimentos indesejados de uma seqüência de imagens. Com este propósito, atualmente técnicas de processamento digital de vídeo vêm sendo comumente aplicadas na indústria eletrônica. No processo digital de estabilização de imagens são necessários métodos computacionais de estimação, de suavização e de correção de movimento, para os quais, existe uma grande variedade de técnicas de processamento. O emprego de uma técnica específica de processamento é determinado conforme o tipo de aplicação. Técnicas para a estimação de movimento como casamento de blocos (CB), e para a suavização de movimento como filtro de freqüência passa baixa, são freqüentemente encontradas na literatura. Este trabalho apresenta um sistema de estabilização digital de imagens em tempo real capturadas por uma câmera digital, estimando e compensando movimentos translacionais e rotacionais indesejados. / Undesirable shakes or jiggles, object motion within image or desirable motions caused by the camera operator causes image differences in consecutive frames of video sequences. The image stabilization consists of the process of removing inevitable and undesirable fluctuations, shakes and jiggles; with this purpose, nowadays digital processing techniques have been commonly applied in the electronic industry. On the digital processing of image stabilization, computational methods of estimation, smoothing and motion correction are necessary. In the literature various digital processing techniques for image stabilization are described, the most suitable technique should be chosen according to the kind of application. Techniques such as block matching used in motion estimation and low-pass filters used in motion smoothing are found in a great number of papers. This work presents a real time digital image stabilization system capable of stabilizing video sequences with undesirable translational and rotational displacements between frames.

Próteses auriculares tem o objetivo de proporcionar uma maior confiança a pacientes com perdas parciais ou totais da orelha. A aparência realista de uma prótese é fator fundamental para a recuperação psicossocial dos pacientes, pois auxilia na dissimulação da perda. O procedimento convencional de elaboração de próteses auriculares envolve o trabalho de um especialista que utiliza processos manuais para recriar a forma singular de uma orelha. Este é um processo lento, complexo e naturalmente pode ocasionar imperfeições. Este estudo apresenta um procedimento que, a partir de exames de imagem, utiliza técnicas computacionais de reconstrução, espelhamento e inversão de modelos tridimensionais para manufatura aditiva (impressão 3D) de moldes. Os resultados mostram que a prótese elaborada utilizando o processo exibe alto grau de realismo, apresentando 97,8% de similaridade dimensional comparada com a orelha sã do paciente. / Auricular prostheses are intended to provide confidence to patients with partial or total loss of the ear. The realistic appearance of a prosthesis is a key factor for the psychosocial recovery helping in dissimulation of loss. The standard procedure of auricular prosthesis design involves the work of an expert using manual processes to recreate the complex shape of the ear. This slow and complex process can easily lead to imperfections. This study presents a procedure that starting from an image exam uses computational techniques of reconstruction, mirroring and inversion of three-dimensional models for additive manufacturing (3D printing) of molds. The results show that the designed prosthesis using the process has a high level of realism, with 97.8% of similarity compared to the healthy ear of the patient.

É apresentado o desenvolvimento de um modelo computacional que visa relacionar imagens digitais obtidas em diferentes escalas e resoluções com aplicação de Wavelets. Seu desenvolvimento encontra-se no contexto multidisciplinar e situa-se na intersecção das linhas de pesquisa de áreas da Física, da Matemática e da Computação. Desta forma, optou-se na implementação por uma abordagem computacional dos estudos, com aplicação em imagens digitais provenientes da reconstrução de dados de tomografia computadorizada de Raios-X. Resultados indicam que a implementação do modelo computacional desenvolvido tem sua funcionalidade comprovada, uma vez que os atributos vetoriais dos objetos considerados para análise (poros) foram mantidos estáveis em diferentes resoluções estudadas. O modelo foi implementado em linguagem de programação C++ com uso de orientação a objetos e organizado em classes. Adicionalmente, sua aplicação é viabilizada para diversas plataformas computacionais no que tange a sistemas operacionais e processadores. Do ponto de vista científico, o sistema resultante, além de ser uma ferramenta importante no estudo de meios porosos através de imagens de tomografia computadorizada por Raios-X, contribui com métodos inovadores que fazem uso de Wavelets e são aplicados na suavização de bordas por técnica sub-pixel, na otimização de desempenho e no processamento de dados para interpolação / This work consists of the development of a computational model aimed at relating digital images obtained on different scales and resolutions to the application of Wavelets. The development of this model lies within a multidisciplinary context, at the intersection of the research lines of areas of Physics, Mathematics and Computation. The choice of these studies therefore fel1 on a computational approach, with the application of digital images originating from the reconstruction of computerized tomographic X-ray data. The results of the implementation of the computational model developed here confirm the model\'s functionality, since the vectorial attributes of the objects utilized for our analysis (pores) remained stable under different resolutions. The model was implemented in the C++ programming language using object orientation, and the model\'s methods were organized into classes based on their application on different computational platforms, from the standpoint of operational systems and processors. In the scientific point of view, the resulting system is an important tool in the porous means researches using computerized tomography by X-rays and it has exclusive methods. These methods use Wavelets and they have application in edge smoothing processes by sub-pixel technique, in optimizing processing time and in data processing for interpolation

Dynamic Time Warping (DTW) é uma técnica do tipo pattern matching para reconhecimento de padrões de voz, sendo baseada no alinhamento temporal de um sinal com os diversos modelos de referência. Uma desvantagem da DTW é o seu alto custo computacional. Este trabalho apresenta uma versão da DTW que, utilizando a Transformada Wavelet Discreta (DWT), reduz a sua complexidade. O desempenho obtido com a proposta foi muito promissor, ganhando em termos de velocidade de reconhecimento e recursos de memória consumidos, enquanto a precisão da DTW não é afetada. Os testes foram realizados com alguns fonemas extraídos da base de dados TIMIT do Linguistic Data Consortium (LDC) / Dynamic TimeWarping (DTW) is a pattern matching technique for speech recognition, that is based on a temporal alignment of the input signal with the template models. One drawback of this technique is its high computational cost. This work presents a modified version of the DTW, based on the DiscreteWavelet Transform (DWT), that reduces the complexity of the original algorithm. The performance obtained with the proposed algorithm is very promising, improving the recognition in terms of time and memory allocation, while the precision is not affected. Tests were performed with speech data collected from TIMIT corpus provided by Linguistic Data Consortium (LDC).

Os problemas de separação cega de fontes e desconvolução cega multiusuário vêm sendo intensamente estudados nas últimas décadas, principalmente devido às inúmeras possibilidades de aplicações práticas. A desconvolução multiusuário pode ser compreendida como um problema particular de separação de fontes em que o sistema misturador é convolutivo, e as estatísticas das fontes, que possuem alfabeto finito, são bem conhecidas. Dentre os desafios atuais nessa área, cabe destacar que a obtenção de soluções adaptativas para o problema de separação cega de fontes com misturas convolutivas não é trivial, pois envolve ferramentas matemáticas avançadas e uma compreensão aprofundada das técnicas estatísticas a serem utilizadas. No caso em que não se conhece o tipo de mistura ou as estatísticas das fontes, o problema é ainda mais desafiador. Na área de Processamento Estatístico de Sinais, soluções vêm sendo propostas para resolver casos específicos. A obtenção de algoritmos adaptativos eficientes e numericamente robustos para realizar separação cega de fontes, tanto envolvendo misturas instantâneas quanto convolutivas, ainda é um desafio. Por sua vez, a desconvolução cega de canais de comunicação vem sendo estudada desde os anos 1960 e 1970. A partir de então, várias soluções adaptativas eficientes foram propostas nessa área. O bom entendimento dessas soluções pode sugerir um caminho para a compreensão aprofundada das soluções existentes para o problema mais amplo de separação cega de fontes e para a obtenção de algoritmos eficientes nesse contexto. Sendo assim, neste trabalho (i) revisitam-se a formulação dos problemas de separação cega de fontes e desconvolução cega multiusuário, bem como as relações existentes entre esses problemas, (ii) abordam-se as soluções existentes para a desconvolução cega multiusuário, verificando-se suas limitações e propondo-se modificações, resultando na obtenção de algoritmos com boa capacidade de separação e robustez numérica, e (iii) relacionam-se os critérios de desconvolução cega multiusuário baseados em curtose com os critérios de separação cega de fontes. / Blind source separation and blind deconvolution of multiuser systems have been intensively studied over the last decades, mainly due to the countless possibilities of practical applications. Blind deconvolution in the multiuser case can be understood as a particular case of blind source separation in which the mixing system is convolutive, and the sources, which exhibit a finite alphabet, have well known statistics. Among the current challenges in this area, it is worth noting that obtaining adaptive solutions for the blind source separation problem with convolutive mixtures is not trivial, as it requires advanced mathematical tools and a thorough comprehension of the statistical techniques to be used. When the kind of mixture or source statistics are unknown, the problem is even more challenging. In the field of statistical signal processing, solutions aimed at specific cases have been proposed. The development of efficient and numerically robust adaptive algorithms in blind source separation, for either instantaneous or convolutive mixtures, remains an open challenge. On the other hand, blind deconvolution of communication channels has been studied since the 1960s and 1970s. Since then, various types of efficient adaptive solutions have been proposed in this field. The proper understanding of these solutions can suggest a path to further understand the existing solutions for the broader problem of blind source separation and to obtain efficient algorithms in this context. Consequently, in this work we (i) revisit the problem formulation of blind source separation and blind deconvolution of multiuser systems, and the existing relations between these problems, (ii) address the existing solutions for blind deconvolution in the multiuser case, verifying their limitations and proposing modifications, resulting in the development of algorithms with proper separation performance and numeric robustness, and (iii) relate the kurtosis based criteria of blind multiuser deconvolution and blind source separation.

A proposta neste estudo foi avaliar as alterações da densidade ótica do osso alveolar perimplantar cervical em controle longitudinal, por meio de radiografias periapicais digitalizadas de dez pacientes, nos quais foram instalados seis implantes na maxila submetidos à função oclusal imediata, mediante a instalação de uma prótese fixa 24 horas após a cirurgia. Todos os pacientes foram avaliados clinicamente, com exames da análise da freqüência de ressonância, além de controle radiográfico. Foi utilizada a técnica radiográfica intrabucal do parale lismo, com cone longo, sendo que o feixe de raios X incidiu perpendicularmente ao longo eixo do implante. Os controles radiográficos foram realizados na instalação da prótese, após 6 meses e após 12 meses. As radiografias obtidas foram então capturadas por uma câmera de vídeo (preto e branco) por meio de um microscópio ótico (40 vezes de aumento). Devido à ampliação utilizada, os implantes tiveram suas imagens digitalizadas em 2 etapas (metade direita e metade esquerda), sendo consideradas como amostras independentes. Após a sobreposição de um gabarito sobre a imagem, com a finalidade padronizar as áreas a serem estudadas, foram analisadas as densidades óticas na área de interesse osso + implante e na área de controle implante (onde não é esperada alteração) por meio do software ImageLab. Para a correção de possíveis variações na densidade da radiografia e projeção geométrica oriundas da metodologia empregada, foi utilizada uma equação matemática para validar a análise dos dados obtidos. Os resultados mostraram que ocorreu variação percentual da densidade ótica na área de interesse (osso + implante) nos primeiros seis meses (T2) com diminuição de aproximadamente 5% para o lado direito e diminuição de aproximadamente 6% para o lado esquerdo em relação às radiografias iniciais (T1) e após doze meses, a diminuição da densidade ótica estabilizou-se, não sendo encontradas alterações estatisticamente significantes em relação ao período correspondente entre T2 (seis meses) e T3 (doze meses). Os resultados da análise digital das radiografias periapicais demonstraram coincidência com os resultados da análise da freqüência de ressonância e exame clínico dos implantes e demonstraram um aspecto compatível com o sucesso dos implantes osteointegrados com função imediata na maxila. / The aim in this study was the evaluation of the variations of the perimplantar optical bone density at the cervical region in a longitudinal control, by the use of digitized radiographs of ten patients, who received six implants installed in the maxilla and submitted to immediate occlusion function, through fixed prosthesis installed 24 hours after the surgery. All the patients were observed in clinical control, with resonance frequency analysis and also radiographic control. It was performed a intraoral radiograph using the paralleling technique, with the long cone and the beam of x-ray aimed perpendicular to the long axis of the implant. The radiographic controls were done at the time of the installation of the prosthesis, after six months and after twelve months after the first control. The obtained radiographs were captured by a black and white video camera by an optical microscope (40 times of magnification). Due to the utilized magnification, the implants have their images digitized in two steps: half right and half left, and they were considered as independent samples. After the superimposition of a standardized pattern, to help the standardization of the areas of the study, it was analyzed the optical density at the areas of interest bone + implant and at areas of control bone (where it is not hope changes) through the software ImageLab. To correct possible variations of the effect of the absence of standardization of the geometric projection and the radiographic density, it was realized a mathematic equation and it was obtained a correction factor of density in order to compensate. The results sho wed that there were percentage variation of the optical density at the area of interest (bone + implant) at six months (T2) showed a decreased of about 5% for the right side and showed a decreased of about 6% for the left side when analyzed the first control and after twelve months no significant statistical difference was observed between the T2 period (six months) and T3 period (twelve months). The results of digital analysis from the intraoral radiographs showed as the same as the results of resonance frequency analysis and the clinic examination of the implants and showed a success of implants installed in the maxilla with immediate occlusion function.