Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.

Semantic Service Discovery Techniques for the composable web

This PhD thesis contributes to the problem of resource and service discovery in the context of the composable web. In the current web, mashup technologies allow developers reusing services and contents to build new web applications. However, developers face a problem of information flood when searching for appropriate services or resources for their combination. To contribute to overcoming this problem, a framework is defined for the discovery of services and resources. In this framework, three levels are defined for performing discovery at content, discovery and agente levels. The content level involves the information available in web resources. The web follows the Representational Stateless Transfer (REST) architectural style, in which resources are returned as representations from servers to clients. These representations usually employ the HyperText Markup Language (HTML), which, along with Content Style Sheets (CSS), describes the markup employed to render representations in a web browser. Although the use of SemanticWeb standards such as Resource Description Framework (RDF) make this architecture suitable for automatic processes to use the information present in web resources, these standards are too often not employed, so automation must rely on processing HTML. This process, often referred as Screen Scraping in the literature, is the content discovery according to the proposed framework. At this level, discovery rules indicate how the different pieces of data in resources’ representations are mapped onto semantic entities. By processing discovery rules on web resources, semantically described contents can be obtained out of them. The service level involves the operations that can be performed on the web. The current web allows users to perform different tasks such as search, blogging, e-commerce, or social networking. To describe the possible services in RESTful architectures, a high-level feature-oriented service methodology is proposed at this level. This lightweight description framework allows defining service discovery rules to identify operations in interactions with REST resources. The discovery is thus performed by applying discovery rules to contents discovered in REST interactions, in a novel process called service probing. Also, service discovery can be performed by modelling services as contents, i.e., by retrieving Application Programming Interface (API) documentation and API listings in service registries such as ProgrammableWeb. For this, a unified model for composable components in Mashup-Driven Development (MDD) has been defined after the analysis of service repositories from the web. The agent level involves the orchestration of the discovery of services and contents. At this level, agent rules allow to specify behaviours for crawling and executing services, which results in the fulfilment of a high-level goal. Agent rules are plans that allow introspecting the discovered data and services from the web and the knowledge present in service and content discovery rules to anticipate the contents and services to be found on specific resources from the web. By the definition of plans, an agent can be configured to target specific resources. The discovery framework has been evaluated on different scenarios, each one covering different levels of the framework. Contenidos a la Carta project deals with the mashing-up of news from electronic newspapers, and the framework was used for the discovery and extraction of pieces of news from the web. Similarly, in Resulta and VulneraNET projects the discovery of ideas and security knowledge in the web is covered, respectively. The service level is covered in the OMELETTE project, where mashup components such as services and widgets are discovered from component repositories from the web. The agent level is applied to the crawling of services and news in these scenarios, highlighting how the semantic description of rules and extracted data can provide complex behaviours and orchestrations of tasks in the web. The main contributions of the thesis are the unified framework for discovery, which allows configuring agents to perform automated tasks. Also, a scraping ontology has been defined for the construction of mappings for scraping web resources. A novel first-order logic rule induction algorithm is defined for the automated construction and maintenance of these mappings out of the visual information in web resources. Additionally, a common unified model for the discovery of services is defined, which allows sharing service descriptions. Future work comprises the further extension of service probing, resource ranking, the extension of the Scraping Ontology, extensions of the agent model, and contructing a base of discovery rules. Resumen La presente tesis doctoral contribuye al problema de descubrimiento de servicios y recursos en el contexto de la web combinable. En la web actual, las tecnologías de combinación de aplicaciones permiten a los desarrolladores reutilizar servicios y contenidos para construir nuevas aplicaciones web. Pese a todo, los desarrolladores afrontan un problema de saturación de información a la hora de buscar servicios o recursos apropiados para su combinación. Para contribuir a la solución de este problema, se propone un marco de trabajo para el descubrimiento de servicios y recursos. En este marco, se definen tres capas sobre las que se realiza descubrimiento a nivel de contenido, servicio y agente. El nivel de contenido involucra a la información disponible en recursos web. La web sigue el estilo arquitectónico Representational Stateless Transfer (REST), en el que los recursos son devueltos como representaciones por parte de los servidores a los clientes. Estas representaciones normalmente emplean el lenguaje de marcado HyperText Markup Language (HTML), que, unido al estándar Content Style Sheets (CSS), describe el marcado empleado para mostrar representaciones en un navegador web. Aunque el uso de estándares de la web semántica como Resource Description Framework (RDF) hace apta esta arquitectura para su uso por procesos automatizados, estos estándares no son empleados en muchas ocasiones, por lo que cualquier automatización debe basarse en el procesado del marcado HTML. Este proceso, normalmente conocido como Screen Scraping en la literatura, es el descubrimiento de contenidos en el marco de trabajo propuesto. En este nivel, un conjunto de reglas de descubrimiento indican cómo los diferentes datos en las representaciones de recursos se corresponden con entidades semánticas. Al procesar estas reglas sobre recursos web, pueden obtenerse contenidos descritos semánticamente. El nivel de servicio involucra las operaciones que pueden ser llevadas a cabo en la web. Actualmente, los usuarios de la web pueden realizar diversas tareas como búsqueda, blogging, comercio electrónico o redes sociales. Para describir los posibles servicios en arquitecturas REST, se propone en este nivel una metodología de alto nivel para descubrimiento de servicios orientada a funcionalidades. Este marco de descubrimiento ligero permite definir reglas de descubrimiento de servicios para identificar operaciones en interacciones con recursos REST. Este descubrimiento es por tanto llevado a cabo al aplicar las reglas de descubrimiento sobre contenidos descubiertos en interacciones REST, en un nuevo procedimiento llamado sondeo de servicios. Además, el descubrimiento de servicios puede ser llevado a cabo mediante el modelado de servicios como contenidos. Es decir, mediante la recuperación de documentación de Application Programming Interfaces (APIs) y listas de APIs en registros de servicios como ProgrammableWeb. Para ello, se ha definido un modelo unificado de componentes combinables para Mashup-Driven Development (MDD) tras el análisis de repositorios de servicios de la web. El nivel de agente involucra la orquestación del descubrimiento de servicios y contenidos. En este nivel, las reglas de nivel de agente permiten especificar comportamientos para el rastreo y ejecución de servicios, lo que permite la consecución de metas de mayor nivel. Las reglas de los agentes son planes que permiten la introspección sobre los datos y servicios descubiertos, así como sobre el conocimiento presente en las reglas de descubrimiento de servicios y contenidos para anticipar contenidos y servicios por encontrar en recursos específicos de la web. Mediante la definición de planes, un agente puede ser configurado para descubrir recursos específicos. El marco de descubrimiento ha sido evaluado sobre diferentes escenarios, cada uno cubriendo distintos niveles del marco. El proyecto Contenidos a la Carta trata de la combinación de noticias de periódicos digitales, y en él el framework se ha empleado para el descubrimiento y extracción de noticias de la web. De manera análoga, en los proyectos Resulta y VulneraNET se ha llevado a cabo un descubrimiento de ideas y de conocimientos de seguridad, respectivamente. El nivel de servicio se cubre en el proyecto OMELETTE, en el que componentes combinables como servicios y widgets se descubren en repositorios de componentes de la web. El nivel de agente se aplica al rastreo de servicios y noticias en estos escenarios, mostrando cómo la descripción semántica de reglas y datos extraídos permiten proporcionar comportamientos complejos y orquestaciones de tareas en la web. Las principales contribuciones de la tesis son el marco de trabajo unificado para descubrimiento, que permite configurar agentes para realizar tareas automatizadas. Además, una ontología de extracción ha sido definida para la construcción de correspondencias y extraer información de recursos web. Asimismo, un algoritmo para la inducción de reglas de lógica de primer orden se ha definido para la construcción y el mantenimiento de estas correspondencias a partir de la información visual de recursos web. Adicionalmente, se ha definido un modelo común y unificado para el descubrimiento de servicios que permite la compartición de descripciones de servicios. Como trabajos futuros se considera la extensión del sondeo de servicios, clasificación de recursos, extensión de la ontología de extracción y la construcción de una base de reglas de descubrimiento.

Análisis y clasificación de maderas mediante técnicas no invasivas de baja energía

El estudio de materiales, especialmente biológicos, por medios no destructivos está adquiriendo una importancia creciente tanto en las aplicaciones científicas como industriales. Las ventajas económicas de los métodos no destructivos son múltiples. Existen numerosos procedimientos físicos capaces de extraer información detallada de las superficie de la madera con escaso o nulo tratamiento previo y mínima intrusión en el material. Entre los diversos métodos destacan las técnicas ópticas y las acústicas por su gran versatilidad, relativa sencillez y bajo coste. Esta tesis pretende establecer desde la aplicación de principios simples de física, de medición directa y superficial, a través del desarrollo de los algoritmos de decisión mas adecuados basados en la estadística, unas soluciones tecnológicas simples y en esencia, de coste mínimo, para su posible aplicación en la determinación de la especie y los defectos superficiales de la madera de cada muestra tratando, en la medida de lo posible, no alterar su geometría de trabajo. Los análisis desarrollados han sido los tres siguientes: El primer método óptico utiliza las propiedades de la luz dispersada por la superficie de la madera cuando es iluminada por un laser difuso. Esta dispersión produce un moteado luminoso (speckle) cuyas propiedades estadísticas permiten extraer propiedades muy precisas de la estructura tanto microscópica como macroscópica de la madera. El análisis de las propiedades espectrales de la luz laser dispersada genera ciertos patrones mas o menos regulares relacionados con la estructura anatómica, composición, procesado y textura superficial de la madera bajo estudio que ponen de manifiesto características del material o de la calidad de los procesos a los que ha sido sometido. El uso de este tipo de láseres implica también la posibilidad de realizar monitorizaciones de procesos industriales en tiempo real y a distancia sin interferir con otros sensores. La segunda técnica óptica que emplearemos hace uso del estudio estadístico y matemático de las propiedades de las imágenes digitales obtenidas de la superficie de la madera a través de un sistema de scanner de alta resolución. Después de aislar los detalles mas relevantes de las imágenes, diversos algoritmos de clasificacion automatica se encargan de generar bases de datos con las diversas especies de maderas a las que pertenecían las imágenes, junto con los márgenes de error de tales clasificaciones. Una parte fundamental de las herramientas de clasificacion se basa en el estudio preciso de las bandas de color de las diversas maderas. Finalmente, numerosas técnicas acústicas, tales como el análisis de pulsos por impacto acústico, permiten complementar y afinar los resultados obtenidos con los métodos ópticos descritos, identificando estructuras superficiales y profundas en la madera así como patologías o deformaciones, aspectos de especial utilidad en usos de la madera en estructuras. La utilidad de estas técnicas esta mas que demostrada en el campo industrial aun cuando su aplicación carece de la suficiente expansión debido a sus altos costes y falta de normalización de los procesos, lo cual hace que cada análisis no sea comparable con su teórico equivalente de mercado. En la actualidad gran parte de los esfuerzos de investigación tienden a dar por supuesto que la diferenciación entre especies es un mecanismo de reconocimiento propio del ser humano y concentran las tecnologías en la definición de parámetros físicos (módulos de elasticidad, conductividad eléctrica o acústica, etc.), utilizando aparatos muy costosos y en muchos casos complejos en su aplicación de campo. Abstract The study of materials, especially the biological ones, by non-destructive techniques is becoming increasingly important in both scientific and industrial applications. The economic advantages of non-destructive methods are multiple and clear due to the related costs and resources necessaries. There are many physical processes capable of extracting detailed information on the wood surface with little or no previous treatment and minimal intrusion into the material. Among the various methods stand out acoustic and optical techniques for their great versatility, relative simplicity and low cost. This thesis aims to establish from the application of simple principles of physics, surface direct measurement and through the development of the more appropriate decision algorithms based on statistics, a simple technological solutions with the minimum cost for possible application in determining the species and the wood surface defects of each sample. Looking for a reasonable accuracy without altering their work-location or properties is the main objetive. There are three different work lines: Empirical characterization of wood surfaces by means of iterative autocorrelation of laser speckle patterns: A simple and inexpensive method for the qualitative characterization of wood surfaces is presented. it is based on the iterative autocorrelation of laser speckle patterns produced by diffuse laser illumination of the wood surfaces. The method exploits the high spatial frequency content of speckle images. A similar approach with raw conventional photographs taken with ordinary light would be very difficult. A few iterations of the algorithm are necessary, typically three or four, in order to visualize the most important periodic features of the surface. The processed patterns help in the study of surface parameters, to design new scattering models and to classify the wood species. Fractal-based image enhancement techniques inspired by differential interference contrast microscopy: Differential interference contrast microscopy is a very powerful optical technique for microscopic imaging. Inspired by the physics of this type of microscope, we have developed a series of image processing algorithms aimed at the magnification, noise reduction, contrast enhancement and tissue analysis of biological samples. These algorithms use fractal convolution schemes which provide fast and accurate results with a performance comparable to the best present image enhancement algorithms. These techniques can be used as post processing tools for advanced microscopy or as a means to improve the performance of less expensive visualization instruments. Several examples of the use of these algorithms to visualize microscopic images of raw pine wood samples with a simple desktop scanner are provided. Wood species identification using stress-wave analysis in the audible range: Stress-wave analysis is a powerful and flexible technique to study mechanical properties of many materials. We present a simple technique to obtain information about the species of wood samples using stress-wave sounds in the audible range generated by collision with a small pendulum. Stress-wave analysis has been used for flaw detection and quality control for decades, but its use for material identification and classification is less cited in the literature. Accurate wood species identification is a time consuming task for highly trained human experts. For this reason, the development of cost effective techniques for automatic wood classification is a desirable goal. Our proposed approach is fully non-invasive and non-destructive, reducing significantly the cost and complexity of the identification and classification process.

Crowdsourcing malaria parasite quantification: an online game for analyzing images of infected thick blood smears

Background: There are 600,000 new malaria cases daily worldwide. The gold standard for estimating the parasite burden and the corresponding severity of the disease consists in manually counting the number of parasites in blood smears through a microscope, a process that can take more than 20 minutes of an expert microscopist’s time. Objective: This research tests the feasibility of a crowdsourced approach to malaria image analysis. In particular, we investigated whether anonymous volunteers with no prior experience would be able to count malaria parasites in digitized images of thick blood smears by playing a Web-based game. Methods: The experimental system consisted of a Web-based game where online volunteers were tasked with detecting parasites in digitized blood sample images coupled with a decision algorithm that combined the analyses from several players to produce an improved collective detection outcome. Data were collected through the MalariaSpot website. Random images of thick blood films containing Plasmodium falciparum at medium to low parasitemias, acquired by conventional optical microscopy, were presented to players. In the game, players had to find and tag as many parasites as possible in 1 minute. In the event that players found all the parasites present in the image, they were presented with a new image. In order to combine the choices of different players into a single crowd decision, we implemented an image processing pipeline and a quorum algorithm that judged a parasite tagged when a group of players agreed on its position. Results: Over 1 month, anonymous players from 95 countries played more than 12,000 games and generated a database of more than 270,000 clicks on the test images. Results revealed that combining 22 games from nonexpert players achieved a parasite counting accuracy higher than 99%. This performance could be obtained also by combining 13 games from players trained for 1 minute. Exhaustive computations measured the parasite counting accuracy for all players as a function of the number of games considered and the experience of the players. In addition, we propose a mathematical equation that accurately models the collective parasite counting performance. Conclusions: This research validates the online gaming approach for crowdsourced counting of malaria parasites in images of thick blood films. The findings support the conclusion that nonexperts are able to rapidly learn how to identify the typical features of malaria parasites in digitized thick blood samples and that combining the analyses of several users provides similar parasite counting accuracy rates as those of expert microscopists. This experiment illustrates the potential of the crowdsourced gaming approach for performing routine malaria parasite quantification, and more generally for solving biomedical image analysis problems, with future potential for telediagnosis related to global health challenges.

CumuloNimbo: A highly-scalable transaction processing platform as a service.

One of the main challenges facing next generation Cloud platform services is the need to simultaneously achieve ease of programming, consistency, and high scalability. Big Data applications have so far focused on batch processing. The next step for Big Data is to move to the online world. This shift will raise the requirements for transactional guarantees. CumuloNimbo is a new EC-funded project led by Universidad Politécnica de Madrid (UPM) that addresses these issues via a highly scalable multi-tier transactional platform as a service (PaaS) that bridges the gap between OLTP and Big Data applications.

Discernment of bee pollen loads using computer vision and one-class classification techniques

In this paper, we propose a system for authenticating local bee pollen against fraudulent samples using image processing and classification techniques. Our system is based on the colour properties of bee pollen loads and the use of one-class classifiers to reject unknown pollen samples. The latter classification techniques allow us to tackle the major difficulty of the problem, the existence of many possible fraudulent pollen types. Also presented is a multi-classifier model with an ambiguity discovery process to fuse the output of the one-class classifiers. The method is validated by authenticating Spanish bee pollen types, the overall accuracy of the final system of being 94%. Therefore, the system is able to rapidly reject the non-local pollen samples with inexpensive hardware and without the need to send the product to the laboratory.

Spatio-temporal filtering with morphological operators for robust cell migration estimation in "in-vivo" images

The understanding of the embryogenesis in living systems requires reliable quantitative analysis of the cell migration throughout all the stages of development. This is a major challenge of the "in-toto" reconstruction based on different modalities of "in-vivo" imaging techniques -spatio-temporal resolution and image artifacts and noise. Several methods for cell tracking are available, but expensive manual interaction -time and human resources- is always required to enforce coherence. Because of this limitation it is necessary to restrict the experiments or assume an uncontrolled error rate. Is it possible to obtain automated reliable measurements of migration? can we provide a seed for biologists to complete cell lineages efficiently? We propose a filtering technique that considers trajectories as spatio-temporal connected structures that prunes out those that might introduce noise and false positives by using multi-dimensional morphological operators.

Monitoring leafy vegetables through packaging films with

Fresh-cut or minimally processed fruit and vegetables have been physically modified from its original form (by peeling, trimming, washing and cutting) to obtain a 100% edible product that is subsequently packaged (usually under modified atmosphere packaging –MAP) and kept in refrigerated storage. In fresh-cut products, physiological activity and microbiological spoilage, determine their deterioration and shelf-life. The major preservation techniques applied to delay spoilage are chilling storage and MAP, combined with chemical treatments antimicrobial solutions antibrowning, acidulants, antioxidants, etc.). The industry looks for safer alternatives. Consequently, the sector is asking for innovative, fast, cheap and objective techniques to evaluate the overall quality and safety of fresh-cut products in order to obtain decision tools for implementing new packaging materials and procedures. In recent years, hyperspectral imaging technique has been regarded as a tool for analyses conducted for quality evaluation of food products in research, control and industries. The hyperspectral imaging system allows integrating spectroscopic and imaging techniques to enable direct identification of different components or quality characteristics and their spatial distribution in the tested sample. The objective of this work is to develop hyperspectral image processing methods for the supervision through plastic films of changes related to quality deterioration in packed readyto-use leafy vegetables during shelf life. The evolutions of ready-to-use spinach and watercress samples covered with three different common transparent plastic films were studied. Samples were stored at 4 ºC during the monitoring period (until 21 days). More than 60 hyperspectral images (from 400 to 1000 nm) per species were analyzed using ad hoc routines and commercial toolboxes of MatLab®. Besides common spectral treatments for removing additive and multiplicative effects, additional correction, previously to any other correction, was performed in the images of leaves in order to avoid the modification in their spectra due to the presence of the plastic transparent film. Findings from this study suggest that the developed images analysis system is able to deal with the effects caused in the images by the presence of plastic films in the supervision of shelf-life in leafy vegetables, in which different stages of quality has been identified.

Architecture for text normalization using statistical machine translation techniques

This paper proposes an architecture, based on statistical machine translation, for developing the text normalization module of a text to speech conversion system. The main target is to generate a language independent text normalization module, based on data and flexible enough to deal with all situa-tions presented in this task. The proposed architecture is composed by three main modules: a tokenizer module for splitting the text input into a token graph (tokenization), a phrase-based translation module (token translation) and a post-processing module for removing some tokens. This paper presents initial exper-iments for numbers and abbreviations. The very good results obtained validate the proposed architecture.

Power management techniques in an FPGA-Based WSN node for high performance application

In this work, the power management techniques implemented in a high-performance node for Wireless Sensor Networks (WSN) based on a RAM-based FPGA are presented. This new node custom architecture is intended for high-end WSN applications that include complex sensor management like video cameras, high compute demanding tasks such as image encoding or robust encryption, and/or higher data bandwidth needs. In the case of these complex processing tasks, yet maintaining low power design requirements, it can be shown that the combination of different techniques such as extensive HW algorithm mapping, smart management of power islands to selectively switch on and off components, smart and low-energy partial reconfiguration, an adequate set of save energy modes and wake up options, all combined, may yield energy results that may compete and improve energy usage of typical low power microcontrollers used in many WSN node architectures. Actually, results show that higher complexity tasks are in favor of HW based platforms, while the flexibility achieved by dynamic and partial reconfiguration techniques could be comparable to SW based solutions.

Implementation techniques for evolvable HW systems: virtual vs. dynamic reconfiguration

Adaptive hardware requires some reconfiguration capabilities. FPGAs with native dynamic partial reconfiguration (DPR) support pose a dilemma for system designers: whether to use native DPR or to build a virtual reconfigurable circuit (VRC) on top of the FPGA which allows selecting alternative functions by a multiplexing scheme. This solution allows much faster reconfiguration, but with higher resource overhead. This paper discusses the advantages of both implementations for a 2D image processing matrix. Results show how higher operating frequency is obtained for the matrix using DPR. However, this is compensated in the VRC during evolution due to the comparatively negligible reconfiguration time. Regarding area, the DPR implementation consumes slightly more resources due to the reconfiguration engine, but adds further more capabilities to the system.

Integration of Correlation Processes in Design Systems.

The integration of correlation processes in design systems has as a target measurements in 3D directly and according to the users criteria in order to generate the required database for the development of the project. In the phase of photogrammetric works, internal and external orientation parameters are calculated and stereo models are created from standard images. The aforementioned are integrated in the system where the measurement of the selected items is done by applying developed correlation algorithms. The processing period has the tools to carry out the calculations in an easy and automatic way, as well as image measurement techniques to acquire the most correct information. The proposed software development is done on Visual Studio platforms for PC, applying the most apt codes and symbols according to the terms of reference required for the design. The results of generating the data base in an interactive way with the geometric study of the structures, facilitates and improves the quality of the works in the projects.

Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.

Microstructural segmentation of 3D images of alsphalt specimen using Matlab engine

En este proyecto se ha desarrollado un código de MATLAB para el procesamiento de imágenes tomográficas 3D, de muestras de asfalto de carreteras en Polonia. Estas imágenes en 3D han sido tomadas por un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Lodz (LUT). El objetivo de este proyecto es crear una herramienta que se pueda utilizar para estudiar las diferentes muestras de asfalto 3D y pueda servir para estudiar las pruebas de estrés que experimentan las muestras en el laboratorio. Con el objetivo final de encontrar soluciones a la degradación sufrida en las carreteras de Polonia, debido a diferentes causas, como son las condiciones meteorológicas. La degradación de las carreteras es un tema que se ha investigado desde hace muchos años, debido a la fuerte degradación causada por diferentes factores como son climáticos, la falta de mantenimiento o el tráfico excesivo en algunos casos. Es en Polonia, donde estos tres factores hacen que la composición de muchas carreteras se degrade rápidamente, sobre todo debido a las condiciones meteorológicas sufridas a lo largo del año, con temperaturas que van desde 30° C en verano a -20° C en invierno. Esto hace que la composición de las carreteras sufra mucho y el asfalto se levante, lo que aumenta los costos de mantenimiento y los accidentes de carretera. Este proyecto parte de la base de investigación que se lleva a cabo en la LUT, tratando de mejorar el análisis de las muestras de asfalto, por lo que se realizarán las pruebas de estrés y encontrar soluciones para mejorar el asfalto en las carreteras polacas. Esto disminuiría notablemente el costo de mantenimiento. A pesar de no entrar en aspectos muy técnicos sobre el asfalto y su composición, se ha necesitado realizar un estudio profundo sobre todas sus características, para crear un código capaz de obtener los mejores resultados. Por estas razones, se ha desarrollado en Matlab, los algoritmos que permiten el estudio de los especímenes 3D de asfalto. Se ha utilizado este software, ya que Matlab es una poderosa herramienta matemática que permite operar con matrices para realización de operaciones rápidamente, permitiendo desarrollar un código específico para el tratamiento y procesamiento de imágenes en 3D. Gracias a esta herramienta, estos algoritmos realizan procesos tales como, la segmentación de la imagen 3D, pre y post procesamiento de la imagen, filtrado o todo tipo de análisis microestructural de las muestras de asfalto que se están estudiando. El código presentado para la segmentación de las muestras de asfalto 3D es menos complejo en su diseño y desarrollo, debido a las herramientas de procesamiento de imágenes que incluye Matlab, que facilitan significativamente la tarea de programación, así como el método de segmentación utilizado. Respecto al código, este ha sido diseñado teniendo en cuenta el objetivo de facilitar el trabajo de análisis y estudio de las imágenes en 3D de las muestras de asfalto. Por lo tanto, el principal objetivo es el de crear una herramienta para el estudio de este código, por ello fue desarrollado para que pueda ser integrado en un entorno visual, de manera que sea más fácil y simple su utilización. Ese es el motivo por el cual todos estos algoritmos y funciones, que ha sido desarrolladas, se integrarán en una herramienta visual que se ha desarrollado con el GUIDE de Matlab. Esta herramienta ha sido creada en colaboración con Jorge Vega, y fue desarrollada en su proyecto final de carrera, cuyo título es: Segmentación microestructural de Imágenes en 3D de la muestra de asfalto utilizando Matlab. En esta herramienta se ha utilizado todo las funciones programadas en este proyecto, y tiene el objetivo de desarrollar una herramienta que permita crear un entorno gráfico intuitivo y de fácil uso para el estudio de las muestras de 3D de asfalto. Este proyecto se ha dividido en 4 capítulos, en un primer lugar estará la introducción, donde se presentarán los aspectos más importante que se va a componer el proyecto. En el segundo capítulo se presentarán todos los datos técnicos que se han tenido que estudiar para desarrollar la herramienta, entre los que cabe los tres temas más importantes que se han estudiado en este proyecto: materiales asfálticos, los principios de la tomografías 3D y el procesamiento de imágenes. Esta será la base para el tercer capítulo, que expondrá la metodología utilizada en la elaboración del código, con la explicación del entorno de trabajo utilizado en Matlab y todas las funciones de procesamiento de imágenes utilizadas. Además, se muestra todo el código desarrollado, así como una descripción teórica de los métodos utilizados para el pre-procesamiento y segmentación de las imagenes en 3D. En el capítulo 4, se mostrarán los resultados obtenidos en el estudio de una de las muestras de asfalto, y, finalmente, el último capítulo se basa en las conclusiones sobre el desarrollo de este proyecto. En este proyecto se ha llevado han realizado todos los puntos que se establecieron como punto de partida en el anteproyecto para crear la herramienta, a pesar de que se ha dejado para futuros proyectos nuevas posibilidades de este codigo, como por ejemplo, la detección automática de las diferentes regiones de una muestra de asfalto debido a su composición. Como se muestra en este proyecto, las técnicas de procesamiento de imágenes se utilizan cada vez más en multitud áreas, como pueden ser industriales o médicas. En consecuencia, este tipo de proyecto tiene multitud de posibilidades, y pudiendo ser la base para muchas nuevas aplicaciones que se puedan desarrollar en un futuro. Por último, se concluye que este proyecto ha contribuido a fortalecer las habilidades de programación, ampliando el conocimiento de Matlab y de la teoría de procesamiento de imágenes. Del mismo modo, este trabajo proporciona una base para el desarrollo de un proyecto más amplio cuyo alcance será una herramienta que puedas ser utilizada por el equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Lodz y en futuros proyectos. ABSTRACT In this project has been developed one code in MATLAB to process X-ray tomographic 3D images of asphalt specimens. These images 3D has been taken by a research team of the Lodz University of Technology (LUT). The aim of this project is to create a tool that can be used to study differents asphalt specimen and can be used to study them after stress tests undergoing the samples. With the final goal to find solutions to the degradation suffered roads in Poland due to differents causes, like weather conditions. The degradation of the roads is an issue that has been investigated many years ago, due to strong degradation suffered caused by various factors such as climate, poor maintenance or excessive traffic in some cases. It is in Poland where these three factors make the composition of many roads degrade rapidly, especially due to the weather conditions suffered along the year, with temperatures ranging from 30 o C in summer to -20 ° C in winter. This causes the roads suffers a lot and asphalt rises shortly after putting, increasing maintenance costs and road accident. This project part of the base that research is taking place at the LUT, in order to better analyze the asphalt specimens, they are tested for stress and find solutions to improve the asphalt on Polish roads. This would decrease remarkable maintenance cost. Although this project will not go into the technical aspect as asphalt and composition, but it has been required a deep study about all of its features, to create a code able to obtain the best results. For these reasons, there have been developed in Matlab, algorithms that allow the study of 3D specimens of asphalt. Matlab is a powerful mathematical tool, which allows arrays operate fastly, allowing to develop specific code for the treatment and processing of 3D images. Thus, these algorithms perform processes such as the multidimensional matrix sgementation, pre and post processing with the same filtering algorithms or microstructural analysis of asphalt specimen which being studied. All these algorithms and function that has been developed to be integrated into a visual tool which it be developed with the GUIDE of Matlab. This tool has been created in the project of Jorge Vega which name is: Microstructural segmentation of 3D images of asphalt specimen using Matlab engine. In this tool it has been used all the functions programmed in this project, and it has the aim to develop an easy and intuitive graphical environment for the study of 3D samples of asphalt. This project has been divided into 4 chapters plus the introduction, the second chapter introduces the state-of-the-art of the three of the most important topics that have been studied in this project: asphalt materials, principle of X-ray tomography and image processing. This will be the base for the third chapter, which will outline the methodology used in developing the code, explaining the working environment of Matlab and all the functions of processing images used. In addition, it will be shown all the developed code created, as well as a theoretical description of the methods used for preprocessing and 3D image segmentation. In Chapter 4 is shown the results obtained from the study of one of the specimens of asphalt, and finally the last chapter draws the conclusions regarding the development of this project.

Image processing based on a model of the mammalian retina

A first study in order to construct a simple model of the mammalian retina is reported. The basic elements for this model are Optical Programmable Logic Cells, OPLCs, previously employed as a functional element for Optical Computing. The same type of circuit simulates the five types of neurons present in the retina. Different responses are obtained by modifying either internal or external connections. Two types of behaviors are reported: symmetrical and non-symmetrical with respect to light position. Some other higher functions, as the possibility to differentiate between symmetric and non-symmetric light images, are performed by another simulation of the first layers of the visual cortex. The possibility to apply these models to image processing is reported.