Integration of embedded data processing algorithms inside PAMELA devices

PAMELA (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) SHMTM System is an integrated embedded ultrasonic guided waves based system consisting of several electronic devices and one system manager controller. The data collected by all PAMELA devices in the system must be transmitted to the controller, who will be responsible for carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA devices consist of hardware based on a Virtex 5 FPGA with a PowerPC 440 running an embedded Linux distribution. Therefore, PAMELA devices, in addition to the capability of performing tests and transmitting the collected data to the controller, have the capability of perform local data processing or pre-processing (reduction, normalization, pattern recognition, feature extraction, etc.). Local data processing decreases the data traffic over the network and allows CPU load of the external computer to be reduced. Even it is possible that PAMELA devices are running autonomously performing scheduled tests, and only communicates with the controller in case of detection of structural damages or when programmed. Each PAMELA device integrates a software management application (SMA) that allows to the developer downloading his own algorithm code and adding the new data processing algorithm to the device. The development of the SMA is done in a virtual machine with an Ubuntu Linux distribution including all necessary software tools to perform the entire cycle of development. Eclipse IDE (Integrated Development Environment) is used to develop the SMA project and to write the code of each data processing algorithm. This paper presents the developed software architecture and describes the necessary steps to add new data processing algorithms to SMA in order to increase the processing capabilities of PAMELA devices.An example of basic damage index estimation using delay and sum algorithm is provided.

Estudio de verificación biométrica de voz

En este proyecto estudia la posibilidad de realizar una verificación de locutor por medio de la biometría de voz. En primer lugar se obtendrán las características principales de la voz, que serían los coeficientes MFCC, partiendo de una base de datos de diferentes locutores con 10 muestras por cada locutor. Con estos resultados se procederá a la creación de los clasificadores con los que luego testearemos y haremos la verificación. Como resultado final obtendremos un sistema capaz de identificar si el locutor es el que buscamos o no. Para la verificación se utilizan clasificadores Support Vector Machine (SVM), especializado en resolver problemas biclase. Los resultados demuestran que el sistema es capaz de verificar que un locutor es quien dice ser comparándolo con el resto de locutores disponibles en la base de datos. ABSTRACT. Verification based on voice features is an important task for a wide variety of applications concerning biometric verification systems. In this work, we propose a human verification though the use of their voice features focused on supervised training classification algorithms. To this aim we have developed a voice feature extraction system based on MFCC features. For classification purposed we have focused our work in using a Support Vector Machine classificator due to it’s optimization for biclass problems. We test our system in a dataset composed of various individuals of di↵erent gender to evaluate our system’s performance. Experimental results reveal that the proposed system is capable of verificating one individual against the rest of the dataset.

Estimación eficiente de atributos demográficos del rostro humano en imágenes

Sin duda, el rostro humano ofrece mucha más información de la que pensamos. La cara transmite sin nuestro consentimiento señales no verbales, a partir de las interacciones faciales, que dejan al descubierto nuestro estado afectivo, actividad cognitiva, personalidad y enfermedades. Estudios recientes [OFT14, TODMS15] demuestran que muchas de nuestras decisiones sociales e interpersonales derivan de un previo análisis facial de la cara que nos permite establecer si esa persona es confiable, trabajadora, inteligente, etc. Esta interpretación, propensa a errores, deriva de la capacidad innata de los seres humanas de encontrar estas señales e interpretarlas. Esta capacidad es motivo de estudio, con un especial interés en desarrollar métodos que tengan la habilidad de calcular de manera automática estas señales o atributos asociados a la cara. Así, el interés por la estimación de atributos faciales ha crecido rápidamente en los últimos años por las diversas aplicaciones en que estos métodos pueden ser utilizados: marketing dirigido, sistemas de seguridad, interacción hombre-máquina, etc. Sin embargo, éstos están lejos de ser perfectos y robustos en cualquier dominio de problemas. La principal dificultad encontrada es causada por la alta variabilidad intra-clase debida a los cambios en la condición de la imagen: cambios de iluminación, oclusiones, expresiones faciales, edad, género, etnia, etc.; encontradas frecuentemente en imágenes adquiridas en entornos no controlados. Este de trabajo de investigación estudia técnicas de análisis de imágenes para estimar atributos faciales como el género, la edad y la postura, empleando métodos lineales y explotando las dependencias estadísticas entre estos atributos. Adicionalmente, nuestra propuesta se centrará en la construcción de estimadores que tengan una fuerte relación entre rendimiento y coste computacional. Con respecto a éste último punto, estudiamos un conjunto de estrategias para la clasificación de género y las comparamos con una propuesta basada en un clasificador Bayesiano y una adecuada extracción de características. Analizamos en profundidad el motivo de porqué las técnicas lineales no han logrado resultados competitivos hasta la fecha y mostramos cómo obtener rendimientos similares a las mejores técnicas no-lineales. Se propone un segundo algoritmo para la estimación de edad, basado en un regresor K-NN y una adecuada selección de características tal como se propuso para la clasificación de género. A partir de los experimentos desarrollados, observamos que el rendimiento de los clasificadores se reduce significativamente si los ´estos han sido entrenados y probados sobre diferentes bases de datos. Hemos encontrado que una de las causas es la existencia de dependencias entre atributos faciales que no han sido consideradas en la construcción de los clasificadores. Nuestro resultados demuestran que la variabilidad intra-clase puede ser reducida cuando se consideran las dependencias estadísticas entre los atributos faciales de el género, la edad y la pose; mejorando el rendimiento de nuestros clasificadores de atributos faciales con un coste computacional pequeño. Abstract Surely the human face provides much more information than we think. The face provides without our consent nonverbal cues from facial interactions that reveal our emotional state, cognitive activity, personality and disease. Recent studies [OFT14, TODMS15] show that many of our social and interpersonal decisions derive from a previous facial analysis that allows us to establish whether that person is trustworthy, hardworking, intelligent, etc. This error-prone interpretation derives from the innate ability of human beings to find and interpret these signals. This capability is being studied, with a special interest in developing methods that have the ability to automatically calculate these signs or attributes associated with the face. Thus, the interest in the estimation of facial attributes has grown rapidly in recent years by the various applications in which these methods can be used: targeted marketing, security systems, human-computer interaction, etc. However, these are far from being perfect and robust in any domain of problems. The main difficulty encountered is caused by the high intra-class variability due to changes in the condition of the image: lighting changes, occlusions, facial expressions, age, gender, ethnicity, etc.; often found in images acquired in uncontrolled environments. This research work studies image analysis techniques to estimate facial attributes such as gender, age and pose, using linear methods, and exploiting the statistical dependencies between these attributes. In addition, our proposal will focus on the construction of classifiers that have a good balance between performance and computational cost. We studied a set of strategies for gender classification and we compare them with a proposal based on a Bayesian classifier and a suitable feature extraction based on Linear Discriminant Analysis. We study in depth why linear techniques have failed to provide competitive results to date and show how to obtain similar performances to the best non-linear techniques. A second algorithm is proposed for estimating age, which is based on a K-NN regressor and proper selection of features such as those proposed for the classification of gender. From our experiments we note that performance estimates are significantly reduced if they have been trained and tested on different databases. We have found that one of the causes is the existence of dependencies between facial features that have not been considered in the construction of classifiers. Our results demonstrate that intra-class variability can be reduced when considering the statistical dependencies between facial attributes gender, age and pose, thus improving the performance of our classifiers with a reduced computational cost.

Desarrollo de una herramienta para analizar métodos de reconocimiento de emociones

Desde hace más de 20 años, muchos grupos de investigación trabajan en el estudio de técnicas de reconocimiento automático de expresiones faciales. En los últimos años, gracias al avance de las metodologías, ha habido numerosos avances que hacen posible una rápida detección de las caras presentes en una imagen y proporcionan algoritmos de clasificación de expresiones. En este proyecto se realiza un estudio sobre el estado del arte en reconocimiento automático de emociones, para conocer los diversos métodos que existen en el análisis facial y en el reconocimiento de la emoción. Con el fin de poder comparar estos métodos y otros futuros, se implementa una herramienta modular y ampliable y que además integra un método de extracción de características que consiste en la obtención de puntos de interés en la cara y dos métodos para clasificar la expresión, uno mediante comparación de desplazamientos de los puntos faciales, y otro mediante detección de movimientos específicos llamados unidades de acción. Para el entrenamiento del sistema y la posterior evaluación del mismo, se emplean las bases de datos Cohn-Kanade+ y JAFFE, de libre acceso a la comunidad científica. Después, una evaluación de estos métodos es llevada a cabo usando diferentes parámetros, bases de datos y variando el número de emociones. Finalmente, se extraen conclusiones del trabajo y su evaluación, proponiendo las mejoras necesarias e investigación futura. ABSTRACT. Currently, many research teams focus on the study of techniques for automatic facial expression recognition. Due to the appearance of digital image processing, in recent years there have been many advances in the field of face detection, feature extraction and expression classification. In this project, a study of the state of the art on automatic emotion recognition is performed to know the different methods existing in facial feature extraction and emotion recognition. To compare these methods, a user friendly tool is implemented. Besides, a feature extraction method is developed which consists in obtaining 19 facial feature points. Those are passed to two expression classifier methods, one based on point displacements, and one based on the recognition of facial Action Units. Cohn-Kanade+ and JAFFE databases, both freely available to the scientific community, are used for system training and evaluation. Then, an evaluation of the methods is performed with different parameters, databases and varying the number of emotions. Finally, conclusions of the work and its evaluation are extracted, proposing some necessary improvements and future research.

Sistema de seguridad basado en la clasificación de eventos sonoros

La teoría de reconocimiento y clasificación de patrones y el aprendizaje automático son actualmente áreas de conocimiento en constante desarrollo y con aplicaciones prácticas en múltiples ámbitos de la industria. El propósito de este Proyecto de Fin de Grado es el estudio de las mismas así como la implementación de un sistema software que dé solución a un problema de clasificación de ruido impulsivo, concretamente mediante el desarrollo de un sistema de seguridad basado en la clasificación de eventos sonoros en tiempo real. La solución será integral, comprendiendo todas las fases del proceso, desde la captación de sonido hasta el etiquetado de los eventos registrados, pasando por el procesado digital de señal y la extracción de características. Para su desarrollo se han diferenciado dos partes fundamentales; una primera que comprende la interfaz de usuario y el procesado de la señal de audio donde se desarrollan las labores de monitorización y detección de ruido impulsivo y otra segunda centrada únicamente en la clasificación de los eventos sonoros detectados, definiendo una arquitectura de doble clasificador donde se determina si los eventos detectados son falsas alarmas o amenazas, etiquetándolos como de un tipo concreto en este segundo caso. Los resultados han sido satisfactorios, mostrando una fiabilidad global en el proceso de entorno al 90% a pesar de algunas limitaciones a la hora de construir la base de datos de archivos de audio, lo que prueba que un dispositivo de seguridad basado en el análisis de ruido ambiente podría incluirse en un sistema integral de alarma doméstico aumentando la protección del hogar. ABSTRACT. Pattern classification and machine learning are currently expertise areas under continuous development and also with extensive applications in many business sectors. The aim of this Final Degree Project is to study them as well as the implementation of software to carry on impulsive noise classification tasks, particularly through the development of a security system based on sound events classification. The solution will go over all process stages, from capturing sound to the labelling of the events recorded, without forgetting digital signal processing and feature extraction, everything in real time. In the development of the Project a distinction has been made between two main parts. The first one comprises the user’s interface and the audio signal processing module, where monitoring and impulsive noise detection tasks take place. The second one is focussed in sound events classification tasks, defining a double classifier architecture where it is determined whether detected events are false alarms or threats, labelling them from a concrete category in the latter case. The obtained results have been satisfactory, with an overall reliability of 90% despite some limitations when building the audio files database. This proves that a safety device based on the analysis of environmental noise could be included in a full alarm system increasing home protection standards.

Human activity recognition by inertial signals obtained from a smartphone

Human Activity Recognition (HAR) is an emerging research field with the aim to identify the actions carried out by a person given a set of observations and the surrounding environment. The wide growth in this research field inside the scientific community is mainly explained by the high number of applications that are arising in the last years. A great part of the most promising applications are related to the healthcare field, where it is possible to track the mobility of patients with motor dysfunction as also the physical activity in patients with cardiovascular risk. Until a few years ago, by using distinct kind of sensors, a patient follow-up was possible. However, far from being a long-term solution and with the smartphone irruption, that monitoring can be achieved in a non-invasive way by using the embedded smartphone’s sensors. For these reasons this Final Degree Project arises with the main target to evaluate new feature extraction techniques in order to carry out an activity and user recognition, and also an activity segmentation. The recognition is done thanks to the inertial signals integration obtained by two widespread sensors in the greater part of smartphones: accelerometer and gyroscope. In particular, six different activities are evaluated walking, walking-upstairs, walking-downstairs, sitting, standing and lying. Furthermore, a segmentation task is carried out taking into account the activities performed by thirty users. This can be done by using Hidden Markov Models and also a set of tools tested satisfactory in speech recognition: HTK (Hidden Markov Model Toolkit).

Feature selection in the reconstruction of complex network representations of spectral data

Complex networks have been extensively used in the last decade to characterize and analyze complex systems, and they have been recently proposed as a novel instrument for the analysis of spectra extracted from biological samples. Yet, the high number of measurements composing spectra, and the consequent high computational cost, make a direct network analysis unfeasible. We here present a comparative analysis of three customary feature selection algorithms, including the binning of spectral data and the use of information theory metrics. Such algorithms are compared by assessing the score obtained in a classification task, where healthy subjects and people suffering from different types of cancers should be discriminated. Results indicate that a feature selection strategy based on Mutual Information outperforms the more classical data binning, while allowing a reduction of the dimensionality of the data set in two orders of magnitude

Knowledge Discovery in Spectral Data by Means of Complex Networks

In the last decade, complex networks have widely been applied to the study of many natural and man-made systems, and to the extraction of meaningful information from the interaction structures created by genes and proteins. Nevertheless, less attention has been devoted to metabonomics, due to the lack of a natural network representation of spectral data. Here we define a technique for reconstructing networks from spectral data sets, where nodes represent spectral bins, and pairs of them are connected when their intensities follow a pattern associated with a disease. The structural analysis of the resulting network can then be used to feed standard data-mining algorithms, for instance for the classification of new (unlabeled) subjects. Furthermore, we show how the structure of the network is resilient to the presence of external additive noise, and how it can be used to extract relevant knowledge about the development of the disease.

Diseño de algoritmos de guerra electrónica y radar para su implementación en sistemas de tiempo real

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de algoritmos de guerra electrónica {electronic warfare, EW) y radar para su implementación en sistemas de tiempo real. La llegada de los sistemas de radio, radar y navegación al terreno militar llevó al desarrollo de tecnologías para combatirlos. Así, el objetivo de los sistemas de guerra electrónica es el control del espectro electomagnético. Una de la funciones de la guerra electrónica es la inteligencia de señales {signals intelligence, SIGINT), cuya labor es detectar, almacenar, analizar, clasificar y localizar la procedencia de todo tipo de señales presentes en el espectro. El subsistema de inteligencia de señales dedicado a las señales radar es la inteligencia electrónica {electronic intelligence, ELINT). Un sistema de tiempo real es aquel cuyo factor de mérito depende tanto del resultado proporcionado como del tiempo en que se da dicho resultado. Los sistemas radar y de guerra electrónica tienen que proporcionar información lo más rápido posible y de forma continua, por lo que pueden encuadrarse dentro de los sistemas de tiempo real. La introducción de restricciones de tiempo real implica un proceso de realimentación entre el diseño del algoritmo y su implementación en plataformas “hardware”. Las restricciones de tiempo real son dos: latencia y área de la implementación. En esta tesis, todos los algoritmos presentados se han implementado en plataformas del tipo field programmable gate array (FPGA), ya que presentan un buen compromiso entre velocidad, coste total, consumo y reconfigurabilidad. La primera parte de la tesis está centrada en el estudio de diferentes subsistemas de un equipo ELINT: detección de señales mediante un detector canalizado, extracción de los parámetros de pulsos radar, clasificación de modulaciones y localization pasiva. La transformada discreta de Fourier {discrete Fourier transform, DFT) es un detector y estimador de frecuencia quasi-óptimo para señales de banda estrecha en presencia de ruido blanco. El desarrollo de algoritmos eficientes para el cálculo de la DFT, conocidos como fast Fourier transform (FFT), han situado a la FFT como el algoritmo más utilizado para la detección de señales de banda estrecha con requisitos de tiempo real. Así, se ha diseñado e implementado un algoritmo de detección y análisis espectral para su implementación en tiempo real. Los parámetros más característicos de un pulso radar son su tiempo de llegada y anchura de pulso. Se ha diseñado e implementado un algoritmo capaz de extraer dichos parámetros. Este algoritmo se puede utilizar con varios propósitos: realizar un reconocimiento genérico del radar que transmite dicha señal, localizar la posición de dicho radar o bien puede utilizarse como la parte de preprocesado de un clasificador automático de modulaciones. La clasificación automática de modulaciones es extremadamente complicada en entornos no cooperativos. Un clasificador automático de modulaciones se divide en dos partes: preprocesado y el algoritmo de clasificación. Los algoritmos de clasificación basados en parámetros representativos calculan diferentes estadísticos de la señal de entrada y la clasifican procesando dichos estadísticos. Los algoritmos de localization pueden dividirse en dos tipos: triangulación y sistemas cuadráticos. En los algoritmos basados en triangulación, la posición se estima mediante la intersección de las rectas proporcionadas por la dirección de llegada de la señal. En cambio, en los sistemas cuadráticos, la posición se estima mediante la intersección de superficies con igual diferencia en el tiempo de llegada (time difference of arrival, TDOA) o diferencia en la frecuencia de llegada (frequency difference of arrival, FDOA). Aunque sólo se ha implementado la estimación del TDOA y FDOA mediante la diferencia de tiempos de llegada y diferencia de frecuencias, se presentan estudios exhaustivos sobre los diferentes algoritmos para la estimación del TDOA, FDOA y localización pasiva mediante TDOA-FDOA. La segunda parte de la tesis está dedicada al diseño e implementación filtros discretos de respuesta finita (finite impulse response, FIR) para dos aplicaciones radar: phased array de banda ancha mediante filtros retardadores (true-time delay, TTD) y la mejora del alcance de un radar sin modificar el “hardware” existente para que la solución sea de bajo coste. La operación de un phased array de banda ancha mediante desfasadores no es factible ya que el retardo temporal no puede aproximarse mediante un desfase. La solución adoptada e implementada consiste en sustituir los desfasadores por filtros digitales con retardo programable. El máximo alcance de un radar depende de la relación señal a ruido promedio en el receptor. La relación señal a ruido depende a su vez de la energía de señal transmitida, potencia multiplicado por la anchura de pulso. Cualquier cambio hardware que se realice conlleva un alto coste. La solución que se propone es utilizar una técnica de compresión de pulsos, consistente en introducir una modulación interna a la señal, desacoplando alcance y resolución. ABSTRACT This thesis is focused on the study and development of electronic warfare (EW) and radar algorithms for real-time implementation. The arrival of radar, radio and navigation systems to the military sphere led to the development of technologies to fight them. Therefore, the objective of EW systems is the control of the electromagnetic spectrum. Signals Intelligence (SIGINT) is one of the EW functions, whose mission is to detect, collect, analyze, classify and locate all kind of electromagnetic emissions. Electronic intelligence (ELINT) is the SIGINT subsystem that is devoted to radar signals. A real-time system is the one whose correctness depends not only on the provided result but also on the time in which this result is obtained. Radar and EW systems must provide information as fast as possible on a continuous basis and they can be defined as real-time systems. The introduction of real-time constraints implies a feedback process between the design of the algorithms and their hardware implementation. Moreover, a real-time constraint consists of two parameters: Latency and area of the implementation. All the algorithms in this thesis have been implemented on field programmable gate array (FPGAs) platforms, presenting a trade-off among performance, cost, power consumption and reconfigurability. The first part of the thesis is related to the study of different key subsystems of an ELINT equipment: Signal detection with channelized receivers, pulse parameter extraction, modulation classification for radar signals and passive location algorithms. The discrete Fourier transform (DFT) is a nearly optimal detector and frequency estimator for narrow-band signals buried in white noise. The introduction of fast algorithms to calculate the DFT, known as FFT, reduces the complexity and the processing time of the DFT computation. These properties have placed the FFT as one the most conventional methods for narrow-band signal detection for real-time applications. An algorithm for real-time spectral analysis for user-defined bandwidth, instantaneous dynamic range and resolution is presented. The most characteristic parameters of a pulsed signal are its time of arrival (TOA) and the pulse width (PW). The estimation of these basic parameters is a fundamental task in an ELINT equipment. A basic pulse parameter extractor (PPE) that is able to estimate all these parameters is designed and implemented. The PPE may be useful to perform a generic radar recognition process, perform an emitter location technique and can be used as the preprocessing part of an automatic modulation classifier (AMC). Modulation classification is a difficult task in a non-cooperative environment. An AMC consists of two parts: Signal preprocessing and the classification algorithm itself. Featurebased algorithms obtain different characteristics or features of the input signals. Once these features are extracted, the classification is carried out by processing these features. A feature based-AMC for pulsed radar signals with real-time requirements is studied, designed and implemented. Emitter passive location techniques can be divided into two classes: Triangulation systems, in which the emitter location is estimated with the intersection of the different lines of bearing created from the estimated directions of arrival, and quadratic position-fixing systems, in which the position is estimated through the intersection of iso-time difference of arrival (TDOA) or iso-frequency difference of arrival (FDOA) quadratic surfaces. Although TDOA and FDOA are only implemented with time of arrival and frequency differences, different algorithms for TDOA, FDOA and position estimation are studied and analyzed. The second part is dedicated to FIR filter design and implementation for two different radar applications: Wideband phased arrays with true-time delay (TTD) filters and the range improvement of an operative radar with no hardware changes to minimize costs. Wideband operation of phased arrays is unfeasible because time delays cannot be approximated by phase shifts. The presented solution is based on the substitution of the phase shifters by FIR discrete delay filters. The maximum range of a radar depends on the averaged signal to noise ratio (SNR) at the receiver. Among other factors, the SNR depends on the transmitted signal energy that is power times pulse width. Any possible hardware change implies high costs. The proposed solution lies in the use of a signal processing technique known as pulse compression, which consists of introducing an internal modulation within the pulse width, decoupling range and resolution.