Mapping wide row crops with video sequences acquired from a tractor moving at treatment speed

This paper presents a mapping method for wide row crop fields. The resulting map shows the crop rows and weeds present in the inter-row spacing. Because field videos are acquired with a camera mounted on top of an agricultural vehicle, a method for image sequence stabilization was needed and consequently designed and developed. The proposed stabilization method uses the centers of some crop rows in the image sequence as features to be tracked, which compensates for the lateral movement (sway) of the camera and leaves the pitch unchanged. A region of interest is selected using the tracked features, and an inverse perspective technique transforms the selected region into a bird’s-eye view that is centered on the image and that enables map generation. The algorithm developed has been tested on several video sequences of different fields recorded at different times and under different lighting conditions, with good initial results. Indeed, lateral displacements of up to 66% of the inter-row spacing were suppressed through the stabilization process, and crop rows in the resulting maps appear straight

Simulation of oil productivity and quality of N-S oriented olive hedgerow orchards in response to structure and interception of radiation

Simulations of oil yield and quality are presented for N–S oriented, hedgerow olive orchards of a range of structures (viz. canopy depth, canopy width, canopy slope and row spacing) using responses of yield and quality parameters to solar irradiance on canopy walls measured in a range of orchards, cv. Arbequina, in Spain. Results reveal that orchard yield of hedgerows of rectangular shape reaches a maximum when canopy depth equals alley width (row spacing−canopy width) and decreases at wider spacing, and/or with wider canopies, as the length of productive row decreases per unit area. Maximum yields for 4-m deep canopies were 2885 kg ha−1 at 1-m width and 5-m row spacing, 2400 kg ha−1 at 2-m width and 6-m spacing, and 2050 kg ha−1 at 3-m width and 7-m spacing. Illumination of canopies can be increased by applying slopes to form rhomboidal hedgerows. Substantial yield advantage can be achieved, especially for wide hedgerows, partly by closer row spacing that increases row length per unit area. By comparison, responses to latitude in the range 30–40◦ are small and do not warrant different row spacing. Oil quality parameters also respond to orchard structure. Responses are presented for oleic and palmitic acid, stability, and maturity index. Oleic acid content declines as alley spacing increases and is smaller, shallow than in wide, deep canopies. Palmitic acid content, stability, and maturity index increase with row alley spacing and are greater in narrow, shallow than in wide, deep canopies.

Respuesta fisiológica y agronómica del olivar en seto (cv. Arbequina) a la orientación de filas y al ancho de calle: relación entre la producción y calidad del aceite y la radiación interceptada

En las últimas dos décadas, los productores han plantado olivares en seto para lograr la mecanización de la poda y en especial de la cosecha, reducir los costes de mano de obra y permitir intervenciones de manejo rápidas y oportunas. Los olivares se desarrollaron en ausencia del conocimiento científico, sobre el diseño óptimo de la estructura de la copa, necesario para incrementar la producción y calidad del aceite. En contraste, con los árboles muy espaciados y distribuidos uniformemente de las plantaciones tradicionales, en el olivar en seto hay una marcada variabilidad espacial y temporal de la radiación disponible en función del diseño de la plantación. Así, conocer la respuesta fisiológica y productiva del olivo a la radiación resulta fundamental en el olivar en seto. La orientación de las filas y el ancho de calle son aspectos que se deciden en el diseño de las plantaciones en seto. Ambos aspectos modifican la radiación interceptada por la canopia y, por lo tanto, pueden incidir en la productividad y calidad del aceite. Una vez realizada la plantación no pueden ser modificados, y así las ventajas o desventajas permanecerán fijas durante toda la vida productiva del olivar. A pesar de esto, el impacto de la orientación de las filas y el ancho de calle han recibido poca atención en olivos y en la mayoría de los frutales conducidos en seto. Por todo ello, los objetivos principales de esta tesis fueron, (i) evaluar el efecto de la orientación del seto y del ancho de calle, sobre la productividad y calidad del aceite, (ii) evaluar un modelo que estime la radiación dentro de la canopia. Este modelo permitirá cuantificar las relaciones entre la radiación y los componentes del rendimiento y calidad del aceite de olivares en setos con un amplio rango de estructuras y (iii) conocer la variabilidad en las características de las hojas (morfológicas y fisiológicas) y de los tejidos del fruto (tamaño y composición) en diferentes posiciones de la copa de los setos. Para ello, se dispuso de 3 ensayos de olivar en seto (cv. Arbequina) implantados en 2008 en el municipio de La Puebla de Montalbán, Toledo. La primera cosecha fue en 2010 y a partir del 2012 los setos formaron una copa continua. A partir de ese año, los setos se mantuvieron mediante poda, con similar ancho (~1 m) y altura (~2,5 m), acordes a las dimensiones de la cosechadora vendimiadora. En los años 2012 y 2013 se estudió en profundidad la respuesta de las plantas de estos ensayos. En el ensayo 1, los setos fueron plantados con cuatro orientaciones de filas: N–S, NE–SO, NO–SE y E–O y el mismo ancho de calle (4 m). En los otros dos ensayos, los setos fueron plantados con tres anchos de calle (5,0, 4,0 y 2,5 m), y con filas orientadas N–S (ensayo 2) y E–O (ensayo 3). La respuesta de la orientación de las filas se evaluó a nivel de seto y de estratos del seto (alturas y caras), a través de mediciones del crecimiento de brotes, componentes reproductivos, características y temperatura del fruto, estado hídrico del suelo y de las plantas, fotosíntesis neta de las hojas y contenido de ácidos grasos. Los setos orientados NE–SO (2,7 t/ha) lograron la mayor producción de aceite, que fue significativamente más alta que la de los setos E–O (2,3 t/ha). La producción de aceite de los setos E–O no se diferenció estadísticamente de los setos N–S (2,5 t/ha). Las diferencias productivas entre orientaciones fueron explicadas por el número de frutos en cosecha, a su vez la variación en el número de frutos estuvo asociada al efecto de la orientación de las filas sobre el número de yemas desarrolladas y el porcentaje de inflorescencias fértiles. Las hojas en las caras iluminadas de los setos NE–SO y N–S presentaron mayor tasa fotosintética a la mañana (~10.0 h) que los setos E–O, en el año 2012, pero no en 2013. La orientación de las filas no tuvo un efecto significativo en el contenido de ácidos grasos de los aceites extraídos, esto ocurrió a pesar de variaciones en la temperatura interna de los frutos (3 °C) y de la radiación (40%) entre las distintas caras de los setos. La orientación del seto afectó significativamente al contenido relativo de agua del suelo, donde setos E–O presentaron valores más altos (12%) que setos N–S durante el verano y otoño. Sin embargo, el potencial hídrico de tallo fue similar entre orientaciones. En los ensayos 2 y 3, se evaluó el efecto que produce, a nivel de seto y de estratos (caras y alturas), reducir el ancho de calle de 5,0 a 4,0 y 2,5 m, en un seto orientado N–S y otro E–O, respectivamente. La relación entre altura/ancho de calle libre aumentó 0,6 a 0,8 y 1,6, al reducir 5,0, 4,0 y 2,5 m el ancho de calle, mientras la longitud de seto y el volumen de copa por hectárea incrementó 100% al reducir de 5,0 a 2,5 m, el ancho de calle. En los setos orientados N–S, la producción de aceite por ha acumulada en 4 campañas, incrementó significativamente un 52 %, al reducir de 5,0 a 2,5 m el ancho de calle. Los setos N–S con calle más estrecha (2,5 m) tuvieron un 19% menos frutos que los setos con calle más ancha (5,0 m) y a su vez el 60% de los mismos se localizaron los estratos altos de la canopia de los setos con calles estrecha en comparación al 40% en setos con calle de 5,0 m. En los estratos más bajos de los setos con calles de 2,5m hubo menor crecimiento de los brotes y los frutos tuvieron menor peso seco, contenido de aceite y madurez, que los frutos en los estratos bajos de los setos a 5,0 m. Los componentes del rendimiento y características de los frutos (agua y madurez) fueron similares entre la caras E y O, independientemente del ancho de calle. En los setos orientados E–O, la producción de aceite por ha acumulada en 4 campañas, no respondió significativamente al ancho de calle, debido a una disminución significativa en el número de frutos y producción de aceite por m de seto, al reducir de 5,0 a 2,5 m, el ancho de calle. En los setos orientados E–O, con calles de 5,0 m, los frutos presentaron similar peso seco, contenido de aceite y agua, en las caras S y N, sin embargo, cuando la calle fue reducida a 2,5, los frutos de la cara S fueron más pesado y maduros que en la cara N. Independientemente del ancho de calle y de la orientación del seto, el aceite presentó mayor contenido de ácidos palmitoleico, palmítico, esteárico y linoleico en los frutos del estrato más alto de la canopia disminuyendo hacia la base. En contraste, el contenido de ácido oleico aumentó desde el estrato más alto hacia la base de los setos. Las diferencias en el contenido de ácidos grasos entre la parte alta y baja de los setos, incrementó al reducir el ancho de calle en los setos N–S, pero no en los E-O. En conclusión, en olivares en seto, reducir el ancho de calle permite incrementar la producción de aceite, en setos orientados N–S, pero no en E–O. Un modelo que estima la cantidad y distribución de la radiación en toda la copa del seto, fue utilizado para estimar la radiación interceptada en distintos estratos del seto. El modelo requiere un valor del coeficiente de extinción (k) para estimar la transmisión de radiación a través de la copa, el cual fue obtenido experimentalmente (k=1,2). Utilizando los datos del ensayo 1, un único modelo lineal relacionó el peso seco y el rendimiento graso de setos con la radiación interceptada por los distintos estratos de setos con cuatro orientaciones de filas. La densidad de frutos fue también relacionada con la radiación, pero más débilmente. En los setos orientados N–S, plantados con tres anchos de calles, (ensayo 2) el contenido de ácidos palmitoleico y linoleico del aceite incrementó linealmente con el incremento de la radiación interceptada, mientras el contenido ácido oleico disminuyó linealmente con el incremento de la radiación. El contenido de ácidos grasos del aceite no estuvo relacionado con la radiación interceptada en setos orientados E–O (Ensayo 3). En los setos N–S y E–O, plantados con anchos de calle de 2,5 m, se estudiaron las interacciones entre la radiación y características de las hojas, número de fruto, tamaño y composición de los frutos a nivel de órgano, tejido y células. Independientemente de la orientación del seto, el área y el contenido de clorofila de las hojas incrementaron significativamente en los estratos más bajos de los setos. Mientras, las hojas de los estratos medios del seto presentaron mayor capacidad fotosintética que en los estratos bajos y alto de los setos. Los estratos del seto que interceptaron más radiación produjeron frutos con mayor tamaño y contenido de aceite en el mesocarpo, sin efectos sobre el tamaño y composición del endocarpo. A nivel celular, los frutos expuestos a mayor nivel de radiación desarrollaron en el mesocarpo células de mayor tamaño en comparación a frutos menos expuestos, mientras el número de células no fue afectado. Adicionalmente, el número y tamaño de las células estuvo relacionado con la composición del mesocarpo en términos de aceite, agua y peso seco menos aceite. Esta tesis, contribuye, desde una perspectiva integral del cultivo del olivo, a cuantificar el impacto de la orientación y ancho de calle sobre la producción y calidad del aceite en olivares conducidos en setos. El análisis y discusión de la relación entre la radiación y los componentes del rendimiento y calidad del aceite, puede ayudar a diseñar plantaciones en seto con dimensiones óptimas para la intercepción de la radiación. ABSTRACT In the last two decades, olive hedgerow system has been established by commercial growers to allow continuous mechanized pruning and especially harvest, reduce costs of manual labour and allow more rapid and timely management interventions. The adoption of hedgerow was done in the absence of adequate scientific knowledge of the impact of this orchard structure and associated mechanization on tree response, yield and quality, after centuries in low-density orchards and open-formed trees. The row orientation and width alley are fundamental aspects in the hedgerow design and have been scarcely studied in olive. Both aspects modify the radiation intercepted by the canopy, and consequently the productivity and oil quality, and once defined in orchard planting cannot be changed, so advantages and disadvantages remain fixed for the lifespan of the orchard. The main objectives of this thesis were to (i) evaluate the impact of the row orientation and width alley on productivity and oil quality by the measurements of profile of the determining processes of shoot growth, fruit temperature, yield components and fruit and oil characteristics on opposite sides of olive hedgerows. Additionally, the effect of row orientation on the plant water status was also evaluated; (ii) evaluate a mathematical model for estimating the radiation within the canopy and quantify the relationships between the radiation estimated and yield components and oil quality in olive hedgerows under wide range of structures and; (iii) determine the variability in the characteristics of the leaves (morphological and physiological) and fruit tissues (size and composition) in different positions of the hedgerows canopy. Three plots of olive hedgerows (cv. Arbequina) planted in 2008 in La Puebla de Montalbán, Toledo were evaluated during the 2012 and 2013 seasons. The hedgerows were maintained by lateral pruning and topping with the same width (1 m) and height (2.5 m) compatible with the intended harvester. In a plot (experiment 1), the hedgerows were planted with the same width alley (4 m) and four row orientations: N–S, NE–SW, NW–SE and E–W. Other two plots (Experiments 2 and 3) separated by approximately 100 m were planted with N–S and E–O oriented rows and three alley widths in each orientation: 5.0, 4.0 and 2.5 m. In the exp. 1, maximum fruit yield were achieved by NE–SW and NW–SW (15.7 t/ha). Of these, NE–SW achieved the highest oil yield (2.7 t/ha). There were no differences in fruit or oil yield between N–S (2.5 t oil/ha) and E–W (2.3 t oil/ha) orientations. Fruit number was the most important component to explain these differences, by previous influence on number of bud developed and percentage of fertile inflorescences. Fruit maturity and oil quality on both sides of the hedgerows were not affected by row orientation. This occurred despite significant variations in the internal fruit temperature, which was closely related to the irradiance received by the canopy and the time of day. Additionally, row orientation significantly affected the relative water content of the soil, where E–W oriented hedgerows showed consistently higher values than N–S during summer-autumn season. The stem water potential at midday, however, was similar between orientations, revealing possible lower water consumption of E–W than N–S oriented hedgerows. In the exp. 2, regardless of row orientation, reduction of row spacing from 5.0 to 4.0 and 2.5 m increases the ratio of canopy depth to free alley width (Al/An) from 0.6 to 0.8 and 1.6, respectively, and ads 25 and 100 % more hedgerow length per ha. In N–S oriented hedgerows, oil production per ha increased significantly by 14 and 52 % in 4.0 m and 2.5 m relative to 5.0 m row spacing, the effect being proportionally less than the increase in hedgerow length per ha. Hedgerows spaced 2.5 m with Al/An = 1.6 produced relatively fewer fruits per unit length than did wider spacings and were preferentially distributed in upper layers. Fruits located at the bottom of the canopy were smaller, with lower oil content and were less mature. In E–W oriented hedgerows, oil production per ha did not respond significantly to row spacing, despite the doubling of row length from the 5.0 to the 2.5 m row spacing. The explanation was found in fewer fruit per unit length of hedgerow and smaller oil content at 2.5 m than 5.0 m row spacing, averaged over the experimental period. In E–W hedgerows spaced at 5.0 m with Al/An = 0.6, the vertical profiles of fruit characteristics (mass, oil and water contents, and maturity) were similar between opposing sides, but at 4.0 m (Al/An= 0.8) and 2.5 m (Al/An=1.6) spacings, fruits on the S side were heavier and more mature than on N side. The oil extracted from fruits harvested at different heights of N–S and E–W oriented hedgerows showed higher palmitoleic, palmitic, stearic and linoleic contents at the canopy top decreasing toward base. The oleic content was reverse, increased from top to base. In N–S hedgerows, vertical gradients increased by reducing the alley width, but not in the E–W oriented hedgerows. The simulation of internal canopy irradiance was related in a single relationship (R2 = 0.63) to the vertical profiles of fruit weight and oil content of olive hedgerows with wide range of structures. The density of fruits was also associated with the irradiance but more weakly (R2 = 0.27), and revealed a more complex response involving changes in the vegetative structure by canopy management (topping) and the effect of radiation on the previous sequence that defines the number of fruits. The vertical profiles of oil quality traits were closely associated to canopy irradiance, but only when the N–S oriented hedgerows were considered. The contents of palmitoleic and linoleic acid in the oil increased linearly when intercepted irradiance increased from 9 to 19 mol PAR/m2. In contrast, oleic content decreased linearly in this irradiance range. Additionally, we advanced knowledge regarding the interactions among irradiance and leaf, fruit number, size and composition at organ-, tissue- and cellular- levels. The irradiance received at different positions in the canopy strongly affected the leaf area and chlorophyll content, and mesocarp size and composition (water and oil), without effects on endocarp size and composition. At the cellular level, light-exposed fruit developed larger mesocarp cells than shaded fruits, but cell number was not affected. Our results indicate that cell number and size are related to mesocarp composition in term of oil, water, and dry weight menus oil, although the specific manner in which they interact remains to be determined. This research contributes from an integral perspective of olive growing to quantify the impact of row orientation and width alley on productivity and oil quality in hedgerows systems. The analysis and discussion of the relationships between radiation and yield components and oil quality can help understand the impact of design olive hedgerows in general and in a wide range of environmental conditions.

Effect of row orientation on soil water content and vine water status on a Cabernet franc vineyard in Madrid, spain

The aim of this study was to evaluate the effects of row orien¬tation on vine and soil water status in an irrigated vineyard. The trial was developed during 2006, 2007 and 2008, in the South East region of Madrid (Spain) on 5-year old Cabernet franc grapevines (Vitis vinifera L.) grafted onto 140Ru. Plant spacing was 2.5 m x 1.5 m and vines were trained to a VSP. Four orientations were stu¬died: North-South (N-S), East-West (E-W), Northeast-Southwest (N+45) and North-South +20o (N+20). Irrigation (0.4•ET0) started when shoot growth stopped. Soil water availability was measured using a TDR technique with forty buried probes. Row orientation did not have any effect on water consumption in the vineyard. At maturity, leaf water potential was measured at predawn, early mor¬ning, midday and 14:00 solar time, on both canopy sides - sun and shade – ; the early morning measurement was the one that better differentiated treatments. Leaf water potential was a good indica¬tor of plant water status. Differences between (N-S and E-W) and (N+20 and N+45) treatments were obtained both on sun and shade canopy sides, N+20 and N+45 having lower leaf water potentials then drier leaves. The water stress integral shows that N-S and E-W reach the end of maturation with a greater level of hydration than N+45 and N+20. As a whole, N+45 and N+20 orientations, without affecting too much the soil available water content, induce regularly more water stress to the vine at some periods, probably due to an higher sunlight interception in early morning which makes water limitation for the vine more early and thus more severe during the day.

Crop row detection in maize fields inspired on the human visual perception

This paper proposes a new method, oriented to image real-time processing, for identifying crop rows in maize fields in the images. The vision system is designed to be installed onboard a mobile agricultural vehicle, that is, submitted to gyros, vibrations, and undesired movements. The images are captured under image perspective, being affected by the above undesired effects. The image processing consists of two main processes: image segmentation and crop row detection. The first one applies a threshold to separate green plants or pixels (crops and weeds) from the rest (soil, stones, and others). It is based on a fuzzy clustering process, which allows obtaining the threshold to be applied during the normal operation process. The crop row detection applies a method based on image perspective projection that searches for maximum accumulation of segmented green pixels along straight alignments. They determine the expected crop lines in the images. The method is robust enough to work under the above-mentioned undesired effects. It is favorably compared against the well-tested Hough transformation for line detection.

Automatic expert system based on images for accuracy crop row detection in maize fields

This paper proposes an automatic expert system for accuracy crop row detection in maize fields based on images acquired from a vision system. Different applications in maize, particularly those based on site specific treatments, require the identification of the crop rows. The vision system is designed with a defined geometry and installed onboard a mobile agricultural vehicle, i.e. submitted to vibrations, gyros or uncontrolled movements. Crop rows can be estimated by applying geometrical parameters under image perspective projection. Because of the above undesired effects, most often, the estimation results inaccurate as compared to the real crop rows. The proposed expert system exploits the human knowledge which is mapped into two modules based on image processing techniques. The first one is intended for separating green plants (crops and weeds) from the rest (soil, stones and others). The second one is based on the system geometry where the expected crop lines are mapped onto the image and then a correction is applied through the well-tested and robust Theil–Sen estimator in order to adjust them to the real ones. Its performance is favorably compared against the classical Pearson product–moment correlation coefficient.

Full scale test for explosion water barriers in small cross-section galleries

Underground coal mines explosions generally arise from the inflammation of a methane/air mixture. This explosion can also generate a subsequent coal dust explosion. Traditionally such explosions have being fought eliminating one or several of the factors needed by the explosion to take place. Although several preventive measures are taken to prevent explosions, other measures should be considered to reduce the effects or even to extinguish the flame front. Unlike other protection methods that remove one or two of the explosion triangle elements, namely; the ignition source, the oxidizing agent and the fuel, explosion barriers removes all of them: reduces the quantity of coal in suspension, cools the flame front and the steam generated by vaporization removes the oxygen present in the flame. Passive water barriers are autonomous protection systems against explosions that reduce to a satisfactory safety level the effects of methane and/or flammable dust explosions. The barriers are activated by the pressure wave provoked in the explosion destroying the barrier troughs and producing a uniform dispersion of the extinguishing agent throughout the gallery section in quantity enough to extinguish the explosion flame. Full scale tests have been carried out in Polish Barbara experimental mine at GIG Central Mining Institute in order to determine the requirements and the optimal installation conditions of these devices for small sections galleries which are very frequent in the Spanish coal mines. Full scale tests results have been analyzed to understand the explosion timing and development, in order to assess on the use of water barriers in the typical small crosssection Spanish galleries. Several arrangements of water barriers have been designed and tested to verify the effectiveness of the explosion suppression in each case. The results obtained demonstrate the efficiency of the water barriers in stopping the flame front even with smaller amounts of water than those established by the European standard. According to the tests realized, water barriers activation times are between 0.52 s and 0.78 s and the flame propagation speed are between 75 m/s and 80 m/s. The maximum pressures (Pmax) obtained in the full scale tests have varied between 0.2 bar and 1.8 bar. Passive barriers protect effectively against the spread of the flame but cannot be used as a safeguard of the gallery between the ignition source and the first row of water troughs or bags, or even after them, as the pressure could remain high after them even if the flame front has been extinguished.

Safety assessment of underground vehicles passing over highly resilient curved tracks in the presence of a broken rail

Vehicle–track interaction for a new resilient slab track designed to reduce noise and vibration levels was analysed, in order to assess the derailment risk on a curved track when encountering a broken rail. Sensitivity of the rail support spacing of the relative position of the rail breakage between two adjacent rail supports and of running speed were analysed for two different elasticities of the rail fastening system. In none of the cases analysed was observed an appreciable difference between either of the elastic systems. As was expected, the most unfavourable situations were those with greater rail support spacing and those with greater distance from the breakage to the nearest rail support, although in none of the simulations performed did a derailment occur when running over the broken rail. When varying the running speed, the most favourable condition was obtained for an intermediate speed, due to the superposition of two antagonistic effects.

Improved design of an overhead rail current conductor for application in underground lines

Overhead rail current collector systems for railway traction offer certain features, such as low installation height and reduced maintenance, which make them predominantly suitable for use in underground train infrastructures. Due to the increased demands of modern catenary systems and higher running speeds of new vehicles, a more capable design of the conductor rail is needed. A new overhead conductor rail has been developed and its design has been patented [13]. Modern simulation and modelling techniques were used in the development approach. The new conductor rail profile has a dynamic behaviour superior to that of the system currently in use. Its innovative design permits either an increase of catenary support spacing or a higher vehicle running speed. Both options ensure savings in installation or operating costs. The simulation model used to optimise the existing conductor rail profile included both a finite element model of the catenary and a three-dimensional multi-body system model of the pantograph. The contact force that appears between pantograph and catenary was obtained in simulation. A sensitivity analysis of the key parameters that influence in catenary dynamics was carried out, finally leading to the improved design.

Real-time image processing for crop/weed discrimination in maize fields

This paper presents a computer vision system that successfully discriminates between weed patches and crop rows under uncontrolled lighting in real-time. The system consists of two independent subsystems, a fast image processing delivering results in real-time (Fast Image Processing, FIP), and a slower and more accurate processing (Robust Crop Row Detection, RCRD) that is used to correct the first subsystem's mistakes. This combination produces a system that achieves very good results under a wide variety of conditions. Tested on several maize videos taken of different fields and during different years, the system successfully detects an average of 95% of weeds and 80% of crops under different illumination, soil humidity and weed/crop growth conditions. Moreover, the system has been shown to produce acceptable results even under very difficult conditions, such as in the presence of dramatic sowing errors or abrupt camera movements. The computer vision system has been developed for integration into a treatment system because the ideal setup for any weed sprayer system would include a tool that could provide information on the weeds and crops present at each point in real-time, while the tractor mounting the spraying bar is moving

Automatic detection of crop rows in maize fields with high weeds pressure

This paper proposes a new method, oriented to crop row detection in images from maize fields with high weed pressure. The vision system is designed to be installed onboard a mobile agricultural vehicle, i.e. submitted to gyros, vibrations and undesired movements. The images are captured under image perspective, being affected by the above undesired effects. The image processing consists of three main processes: image segmentation, double thresholding, based on the Otsu’s method, and crop row detection. Image segmentation is based on the application of a vegetation index, the double thresholding achieves the separation between weeds and crops and the crop row detection applies least squares linear regression for line adjustment. Crop and weed separation becomes effective and the crop row detection can be favorably compared against the classical approach based on the Hough transform. Both gain effectiveness and accuracy thanks to the double thresholding that makes the main finding of the paper.

Crack width control in RC elements with recycled steel fibres and applications to integral structures : theoretical and experimental study

El presente trabajo trata de elementos reforzados con barras de armadura y Fibras Metálicas Recicladas (FMR). El objetivo principal es mejorar el comportamiento a fisuración de elementos sometidos a flexión pura y a flexión compuesta, aumentando en consecuencia las prestaciones en servicio de aquellas estructuras con requerimientos estrictos con respecto al control de fisuración. Entre éstas últimas se encuentran las estructuras integrales, es decir aquellas estructuras sin juntas (puentes o edificios), sometidas a cargas gravitatorias y deformaciones impuestas en los elementos horizontales debidas a retracción, fluencia y temperatura. Las FMR son obtenidas a partir de los neumáticos fuera de uso, y puesto que el procedimiento de reciclado se centra en el caucho en vez que en el acero, su forma es aleatoria y con longitud variable. A pesar de que la eficacia del fibrorefuerzo mediante FMR ha sido demostrada en investigaciones anteriores, la innovación que representa este trabajo consiste en proponer la acción combinada de barras convencionales y FMR en la mejora del comportamiento a fisuración. El objetivo es por tanto mejorar la sostenibilidad del proyecto de la estructura en HA al utilizar materiales reciclados por un lado, y aumentando por el otro la durabilidad. En primer lugar, se presenta el estado del arte con respecto a la fisuración en elementos de HA, que sucesivamente se amplía a elementos reforzados con barras y fibras. Asimismo, se resume el método simplificado para el análisis de columnas de estructuras sin juntas ya propuesto por Pérez et al., con particular énfasis en aquellos aspectos que son incompatibles con la acción de las fibras a nivel seccional. A continuación, se presenta un modelo para describir la deformabilidad seccional y la fisuración en elementos en HA, que luego se amplía a aquellos elementos reforzados con barras y fibras, teniendo en cuenta también los efectos debidos a la retracción (tension stiffening negativo). El modelo es luego empleado para ampliar el método simplificado para el análisis de columnas. La aportación consiste por tanto en contar con una metodología amplia de análisis para este tipo de elementos. Seguidamente, se presenta la campaña experimental preliminar que ha involucrado vigas a escala reducida sometidas a flexión simple, con el objetivo de validar la eficiencia y la usabilidad en el hormigón de las FMR de dos diferentes tipos, y su comportamiento con respecto a fibras de acero comerciales. Se describe a continuación la campaña principal, consistente en ensayos sobre ocho vigas en flexión simple a escala 1:1 (variando contenido en FRM, Ø/s,eff y recubrimiento) y doce columnas a flexión compuesta (variando contenido en FMR, Ø/s,eff y nivel de fuerza axil). Los resultados obtenidos en la campaña principal son presentados y comentados, resaltando las mejoras obtenidas en el comportamiento a fisuración de las vigas y columnas, y la rigidez estructural de las columnas. Estos resultados se comparan con las predicciones del modelo propuesto. Los principales parámetros estudiados para describir la fisuración y el comportamiento seccional de las vigas son: la separación entre fisuras, el alargamiento medio de las armaduras y la abertura de fisura, mientras que en los ensayos de las columnas se ha contrastado las leyes momento/curvatura, la tensión en las barras de armadura y la abertura de fisura en el empotramiento en la base. La comparación muestra un buen acuerdo entre las predicciones y los resultados experimentales. Asimismo, se nota la mejora en el comportamiento a fisuración debido a la incorporación de FMR en aquellos elementos con cuantías de armadura bajas en flexión simple, en elementos con axiles bajos y para el control de la fisuración en elementos con grandes recubrimientos, siendo por tanto resultados de inmediato impacto en la práctica ingenieril (diseño de losas, tanques, estructuras integrales, etc.). VIIIComo punto final, se presentan aplicaciones de las FMR en estructuras reales. Se discuten dos casos de elementos sometidos a flexión pura, en particular una viga simplemente apoyada y un tanque para el tratamiento de agua. En ambos casos la adicción de FMR al hormigón lleva a mejoras en el comportamiento a fisuración. Luego, utilizando el método simplificado para el análisis en servicio de columnas de estructuras sin juntas, se calcula la máxima longitud admisible en casos típicos de puentes y edificación. En particular, se demuestra que las limitaciones de la práctica ingenieril actual (sobre todo en edificación) pueden ser aumentadas considerando el comportamiento real de las columnas en HA. Finalmente, los mismos casos son modificados para considerar el uso de MFR, y se presentan las mejoras tanto en la máxima longitud admisible como en la abertura de fisura para una longitud y deformación impuesta. This work deals with elements reinforced with both rebars and Recycled Steel Fibres (RSFs). Its main objective is to improve cracking behaviour of elements subjected to pure bending and bending and axial force, resulting in better serviceability conditions for these structures demanding keen crack width control. Among these structures a particularly interesting type are the so-called integral structures, i.e. long jointless structures (bridges and buildings) subjected to gravitational loads and imposed deformations due to shrinkage, creep and temperature. RSFs are obtained from End of Life Tyres, and due to the recycling process that is focused on the rubber rather than on the steel they come out crooked and with variable length. Although the effectiveness of RSFs had already been proven by previous research, the innovation of this work consists in the proposing the combined action of conventional rebars and RSFs to improve cracking behaviour. Therefore, the objective is to improve the sustainability of RC structures by, on the one hand, using recycled materials, and on the other improving their durability. A state of the art on cracking in RC elements is firstly drawn. It is then expanded to elements reinforced with both rebars and fibres (R/FRC elements). Finally, the simplified method for analysis of columns of long jointless structures already proposed by Pérez et al. is resumed, with a special focus on the points that conflict when taking into account the action of fibres. Afterwards, a model to describe sectional deformability and cracking of R/FRC elements is presented, taking also into account the effect of shrinkage (negative tension stiffening). The model is then used to implement the simplified method for columns. The novelty represented by this is that a comprehensive methodology to analyse this type of elements is presented. A preliminary experimental campaign consisting in small beams subjected to pure bending is described, with the objective of validating the effectiveness and usability in concrete of RSFs of two different types, and their behaviour when compared with commercial steel fibres. With the results and lessons learnt from this campaign in mind, the main experimental campaign is then described, consisting in cracking tests of eight unscaled beams in pure bending (varying RSF content, Ø/s,eff and concrete cover) and twelve columns subjected to imposed displacement and axial force (varying RSF content, Ø/s,eff and squashing load ratio). The results obtained from the main campaign are presented and discussed, with particular focus on the improvement in cracking behaviour for the beams and columns, and structural stiffness for the columns. They are then compared with the proposed model. The main parameters studied to describe cracking and sectional behaviours of the beam tests are crack spacing, mean steel strain and crack width, while for the column tests these were moment/curvature, stress in rebars and crack with at column embedment. The comparison showed satisfactory agreement between experimental results and model predictions. Moreover, it is pointed out the improvement in cracking behaviour due to the addition of RSF for elements with low reinforcement ratios, elements with low squashing load ratios and for crack width control of elements with large concrete covers, thus representing results with a immediate impact in engineering practice (slab design, tanks, integral structures, etc.). Applications of RSF to actual structures are finally presented. Two cases of elements in pure bending are presented, namely a simple supported beam and a water treatment tank. In both cases the addition of RSF to concrete leads to improvements in cracking behaviour. Then, using the simplified model for the serviceability analysis of columns of jointless structures, the maximum achievable jointless length of typical cases of a bridge and building is obtained. In XIIparticular, it is shown how the limitations of current engineering practice (this is especially the case of buildings) can be increased by considering the actual behaviour of RC supports. Then, the same cases are modified considering the use of RSF, and the improvements both in maximum achievable length and in crack width for a given length and imposed strain at the deck/first floor are shown.

Direct and Inverse Results on Row Sequences of Hermite-Pad, Approximants

We give necessary and sufficient conditions for the convergence with geometric rate of the common denominators of simultaneous rational interpolants with a bounded number of poles. The conditions are expressed in terms of intrinsic properties of the system of functions used to build the approximants. Exact rates of convergence for these denominators and the simultaneous rational approximants are provided.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Active Optical Sensors for Tree Stem Detection and Classification in Nurseries.

Active optical sensing (LIDAR and light curtain transmission) devices mounted on a mobile platform can correctly detect, localize, and classify trees. To conduct an evaluation and comparison of the different sensors, an optical encoder wheel was used for vehicle odometry and provided a measurement of the linear displacement of the prototype vehicle along a row of tree seedlings as a reference for each recorded sensor measurement. The field trials were conducted in a juvenile tree nursery with one-year-old grafted almond trees at Sierra Gold Nurseries, Yuba City, CA, United States. Through these tests and subsequent data processing, each sensor was individually evaluated to characterize their reliability, as well as their advantages and disadvantages for the proposed task. Test results indicated that 95.7% and 99.48% of the trees were successfully detected with the LIDAR and light curtain sensors, respectively. LIDAR correctly classified, between alive or dead tree states at a 93.75% success rate compared to 94.16% for the light curtain sensor. These results can help system designers select the most reliable sensor for the accurate detection and localization of each tree in a nursery, which might allow labor-intensive tasks, such as weeding, to be automated without damaging crops.