Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Problema de atribuição de vigilâncias de exames a docentes

O presente trabalho foi realizado com o intuito de resolver o problema de alocação de vigilantes a exames do Instituto Superior de Engenharia do Porto, no departamento de Engenharia Mecânica. O modelo apresentado faz a atribuição das vigilâncias de uma forma hierárquica, utilizando vários critérios, desde a regência da unidade curricular até à simples vigilância. Devido ao facto de estar implementado informaticamente, apresenta reduzidos tempos na formulação e obtenção de uma solução, o que o torna uma boa ferramenta para a criação de cenários alternativos. Em suma, o modelo proposto neste trabalho apresenta soluções de melhor qualidade, em que a distribuição de afetações é proporcional entre os docentes, e o seu tempo de obtenção é muito reduzido em comparação com a alternativa atual.

Anotação colaborativa de conteúdos utilizando jogos com propósito

Com o crescimento da informação disponível na Web, arquivos pessoais e profissionais, protagonizado tanto pelo aumento da capacidade de armazenamento de dados, como pelo aumento exponencial da capacidade de processamento dos computadores, e do fácil acesso a essa mesma informação, um enorme fluxo de produção e distribuição de conteúdos audiovisuais foi gerado. No entanto, e apesar de existirem mecanismos para a indexação desses conteúdos com o objectivo de permitir a pesquisa e acesso aos mesmos, estes apresentam normalmente uma grande complexidade algorítmica ou exigem a contratação de pessoal altamente qualificado, para a verificação e categorização dos conteúdos. Nesta dissertação pretende-se estudar soluções de anotação colaborativa de conteúdos e desenvolver uma ferramenta que facilite a anotação de um arquivo de conteúdos audiovisuais. A abordagem implementada é baseada no conceito dos “Jogos com Propósito” (GWAP – Game With a Purpose) e permite que os utilizadores criem tags (metadatos na forma de palavras-chave) de forma a atribuir um significado a um objecto a ser categorizado. Assim, e como primeiro objectivo, foi desenvolvido um jogo com o propósito não só de entretenimento, mas também que permita a criação de anotações audiovisuais perante os vídeos que são apresentados ao jogador e, que desta forma, se melhore a indexação e categorização dos mesmos. A aplicação desenvolvida permite ainda a visualização dos conteúdos e metadatos categorizados, e com o objectivo de criação de mais um elemento informativo, permite a inserção de um like num determinado instante de tempo do vídeo. A grande vantagem da aplicação desenvolvida reside no facto de adicionar anotações a pontos específicos do vídeo, mais concretamente aos seus instantes de tempo. Trata-se de uma funcionalidade nova, não disponível em outras aplicações de anotação colaborativa de conteúdos audiovisuais. Com isto, o acesso aos conteúdos será bastante mais eficaz pois será possível aceder, por pesquisa, a pontos específicos no interior de um vídeo.

Veículo ZEV (sem emissões)

A crescente dependência energética do Petr óleo e o impacto ambiental daí resultante, tanto como as excessivas autonomias e desempenho dos veículos perante as nossas necessidades, leva a que Portugal, a Europa, o Mundo, necessitem de apostar em inovar e alterar costumes, de forma a que o nosso planeta se mantenha sustentável e de maneira a aumentar a qualidade de vida de todos nós. As emissões proveniente dos veículos representam uma excessiva parcela na poluição atmosférica causada pela queima dos derivados do petróleo. Uma das soluções mais viáveis para a redução de emissões, passaria pela implementação de leis que fomentassem a compra dos veículos ZEV. Este trabalho pretende provar a inviabilidade do uso contínuo de combustíveis fósseis, destaca as principais características dos veículos eléctricos e os benefícios destes quando comparados com os veículos convencionais, descreve as características dos veículos eléctricos comercializados em Portugal e apresenta a sugestão, com base no estudo elaborado, de um veículo ZEV que se adapte às necessidades do cidadão europeu.

Recycling of pultrusion production waste into innovative concrete-polymer composite solutions

In this study, the added value resultant from the incorporation of pultrusion production waste into polymer based concretes was assessed. For this purpose, different types of thermoset composite scrap material, proceeding from GFRP pultrusion manufacturing process, were mechanical shredded and milled into a fibrous-powdered material. Resultant GFRP recyclates, with two different size gradings, were added to polyester based mortars as fine aggregate and filler replacements, at various load contents between 4% up to 12% in weight of total mass. Flexural and compressive loading capacities were evaluated and found better than those of unmodified polymer mortars. Obtained results highlight the high potential of recycled GFRP pultrusion waste materials as efficient and sustainable admixtures for concrete and mortar-polymer composites, constituting an emergent waste management solution.

Modified Particle Swarm Optimization Applied to Integrated Demand Response and DG Resources Scheduling

The elastic behavior of the demand consumption jointly used with other available resources such as distributed generation (DG) can play a crucial role for the success of smart grids. The intensive use of Distributed Energy Resources (DER) and the technical and contractual constraints result in large-scale non linear optimization problems that require computational intelligence methods to be solved. This paper proposes a Particle Swarm Optimization (PSO) based methodology to support the minimization of the operation costs of a virtual power player that manages the resources in a distribution network and the network itself. Resources include the DER available in the considered time period and the energy that can be bought from external energy suppliers. Network constraints are considered. The proposed approach uses Gaussian mutation of the strategic parameters and contextual self-parameterization of the maximum and minimum particle velocities. The case study considers a real 937 bus distribution network, with 20310 consumers and 548 distributed generators. The obtained solutions are compared with a deterministic approach and with PSO without mutation and Evolutionary PSO, both using self-parameterization.

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Modelização do despacho económico de Gás Natural

Com as variações e instabilidade dos preços do petróleo, assim como as políticas europeias para adoção de estratégias para o desenvolvimento sustentável, têm levado à procura de forma crescente de novas tecnologias e fontes de energia alternativas. Neste contexto, tem-se assistido a políticas energéticas que estimulam o aumento da produção e a utilização do gás natural, visto que é considerado uma fonte de energia limpa. O crescimento do mercado do gás natural implica um reforço significativo das redes de transporte deste combustível, quer ao nível do armazenamento e fornecimento, quer ao nível dos gasodutos e da sua gestão. O investimento em gasodutos de transporte implica grandes investimentos, que poderiam não ser remunerados da forma esperada, sendo um dos motivos para que exista em Portugal cinco distritos se veem privados deste tipo de infraestruturas. O transporte de gás natural acarreta custos elevados para os consumidores, tanto maiores quanto maior forem as quantidades de gás transacionadas e quanto maior for o percurso pelo gás natural percorrido. Assim assume especial importância a realização de um despacho de gás natural: quais as cargas que cada unidade de fornecimento de gás irá alimentar, qual a quantidade de gás natural que cada UFGs deve injetar na rede, qual o menor percurso possível para o fazer, o tipo de transporte que será utilizado? Estas questões são abordadas na presente dissertação, por forma a minimizar a função custo de transporte, diminuindo assim as perdas na rede de alta pressão e os custos de transporte que serão suportados pelos consumidores. A rede de testes adotada foi a rede nacional de transporte, constituída por 18 nós de consumos, e os tipos de transporte considerados, foram o transporte por gasoduto físico e o transporte através de gasoduto virtual – rotas de transporte rodoviário de gás natural liquefeito. Foram criados diversos cenários, baseados em períodos de inverno e verão, os diferentes cenários abrangeram de forma distinta as variáveis de forma a analisar os impactos que estas variáveis teriam no custo relativo ao transporte de gás natural. Para dar suporte ao modelo de despacho económico, foi desenvolvida uma aplicação computacional – Despacho_GN com o objetivo de despachar as quantidades de gás natural que cada UFG deveria injetar na rede, assim como apresentar os custos acumulados relativos ao transporte. Com o apoio desta aplicação foram testados diversos cenários, sendo apresentados os respectivos resultados. A metodologia elaborada para a criação de um despacho através da aplicação “Despacho_GN” demonstrou ser eficiente na obtenção das soluções, mostrando ser suficientemente rápida para realizar as simulações em poucos segundos. A dissertação proporciona uma contribuição para a exploração de problemas relacionados com o despacho de gás natural, e sugere perspectivas futuras de investigação e desenvolvimento.

Ventilação de locais afetos a serviços técnicos elétricos

A correta ventilação de locais afetos a serviços técnicos elétricos, nomeadamente postos de transformação e salas de grupos geradores, reveste-se de extrema importância como garantia da continuidade e qualidade do serviço prestado, durabilidade dos materiais e equipamentos e da segurança das instalações e utilizadores. A ventilação dos locais afetos a serviços técnicos elétricos pode ser natural ou mecânica, dependendo das suas caraterísticas e das necessidades de ar para ventilação e combustão, quando aplicável. Os técnicos responsáveis pelo projeto de instalações elétricas não detém, em regra, um conhecimento muito profundo sobre este tema, sendo os seus projetos realizados com base em especificações e metodologias gerais disponibilizadas pelos fabricantes e comercializadores dos materiais e equipamentos. O projeto de uma solução de ventilação para um local afeto a serviços técnicos eléctricos exige o conhecimento de todos os ganhos térmicos no interior do espaço, o conhecimento das soluções técnicas e tecnológicas de ventilação bem como as metodologias de dimensionamento aplicáveis a cada situação. Sendo a fase de projeto elétrico, em regra, uma atividade com prazos apertados, pode conduzir ao menosprezar de certos aspetos particulares que carecem de investigação e tempo para serem desenvolvidos, o que pode resultar em projetos e mapas de quantidades que apresentam desvios da solução ideal para o cliente, podendo resultar em investimentos mais elevados, quer na fase de execução, quer na fase de exploração das instalações. Neste sentido, pretendeu-se com o presente trabalho, tratar o tema da ventilação de locais afetos a serviços técnicos, atendendo ao enquadramento normativo e regulamentar das instalações, às soluções técnicas e tecnológicas disponíveis no mercado e às metodologias de dimensionamento, apresentadas pelos documentos normativos e regulamentares. Pretendeu-se também desenvolver uma ferramenta informática de auxilio ao dimensionamento das soluções de ventilação de locais afetos a serviços técnicas eléctricos destinados a postos de transformação e grupos geradores de modo a reduzir o tempo normalmente exigido por esta tarefa, o que se traduzirá numa maior rentabilidade do tempo de projeto, assim como a normalizar as soluções apresentadas e minimizar a probabilidade de erro do dimensionamento das soluções, reduzindo assim a probabilidade de gastos em “trabalhos a mais” provenientes de erros em projeto, poupança em materiais presentes no mapa de quantidades, maior eficácia na execução da empreitada, poupança em gastos durante a exploração e desta forma numa proximidade entre as partes interessadas com o dimensionamento da ventilação do espaço técnico elétrico.

Sistema para a monitorização ativa com recurso ao cloud computing

O desenvolvimento de aplicações para dispositivos móveis já não é uma área recente, contudo continua a crescer a um ritmo veloz. É notório o avanço tecnológico dos últimos anos e a crescente popularidade destes dispositivos. Este avanço deve-se não só à grande evolução no que diz respeito às características destes dispositivos, mas também à possibilidade de criar aplicações inovadoras, práticas e passíveis de solucionar os problemas dos utilizadores em geral. Nesse sentido, as necessidades do quotidiano obrigam à implementação de soluções que satisfaçam os utilizadores, e nos dias de hoje, essa satisfação muitas vezes passa pelos dispositivos móveis, que já tem um papel fundamental na vida das pessoas. Atendendo ao aumento do número de raptos de crianças e à insegurança que se verifica nos dias de hoje, as quais dificultam a tarefa de todos os pais/cuidadores que procuraram manter as suas crianças a salvo, é relevante criar uma nova ferramenta capaz de os auxiliar nesta árdua tarefa. A partir desta realidade, e com vista a cumprir os aspetos acima mencionados, surge assim esta dissertação de mestrado. Esta aborda o estudo e implementação efetuados no sentido de desenvolver um sistema de monitorização de crianças. Assim, o objetivo deste projeto passa por desenvolver uma aplicação nativa para Android e um back-end, utilizando um servidor de base de dados NoSQL para o armazenamento da informação, aplicando os conceitos estudados e as tecnologias existentes. A solução tem como principais premissas: ser o mais user-friendly possível, a otimização, a escalabilidade para outras situações (outros tipos de monitorizações) e a aplicação das mais recentes tecnologias. Assim sendo, um dos estudos mais aprofundados nesta dissertação de mestrado está relacionado com as bases de dados NoSQL, dada a sua importância no projeto.

Investigation on AUTOSAR-Compliant Solutions for Many-Core Architectures

As of today, AUTOSAR is the de facto standard in the automotive industry, providing a common software architec- ture and development process for automotive applications. While this standard is originally written for singlecore operated Elec- tronic Control Units (ECU), new guidelines and recommendations have been added recently to provide support for multicore archi- tectures. This update came as a response to the steady increase of the number and complexity of the software functions embedded in modern vehicles, which call for the computing power of multicore execution environments. In this paper, we enumerate and analyze the design options and the challenges of porting AUTOSAR-based automotive applications onto multicore platforms. In particular, we investigate those options when considering the emerging many- core architectures that provide a more scalable environment than the traditional multicore systems. Such platforms are suitable to enable massive parallel execution, and their design is more suitable for partitioning and isolating the software components.

Scalable and Efficient Configuration of TimeDivision Multiplexed Resources

Consumer-electronics systems are becoming increasingly complex as the number of integrated applications is growing. Some of these applications have real-time requirements, while other non-real-time applications only require good average performance. For cost-efficient design, contemporary platforms feature an increasing number of cores that share resources, such as memories and interconnects. However, resource sharing causes contention that must be resolved by a resource arbiter, such as Time-Division Multiplexing. A key challenge is to configure this arbiter to satisfy the bandwidth and latency requirements of the real-time applications, while maximizing the slack capacity to improve performance of their non-real-time counterparts. As this configuration problem is NP-hard, a sophisticated automated configuration method is required to avoid negatively impacting design time. The main contributions of this article are: 1) An optimal approach that takes an existing integer linear programming (ILP) model addressing the problem and wraps it in a branch-and-price framework to improve scalability. 2) A faster heuristic algorithm that typically provides near-optimal solutions. 3) An experimental evaluation that quantitatively compares the branch-and-price approach to the previously formulated ILP model and the proposed heuristic. 4) A case study of an HD video and graphics processing system that demonstrates the practical applicability of the approach.