Wigner higher-order spectra: definition, properties, computation and application to transient signal analysis

The Wigner higher order moment spectra (WHOS)are defined as extensions of the Wigner-Ville distribution (WD)to higher order moment spectra domains. A general class oftime-frequency higher order moment spectra is also defined interms of arbitrary higher order moments of the signal as generalizations of the Cohen’s general class of time-frequency representations. The properties of the general class of time-frequency higher order moment spectra can be related to theproperties of WHOS which are, in fact, extensions of the properties of the WD. Discrete time and frequency Wigner higherorder moment spectra (DTF-WHOS) distributions are introduced for signal processing applications and are shown to beimplemented with two FFT-based algorithms. One applicationis presented where the Wigner bispectrum (WB), which is aWHOS in the third-order moment domain, is utilized for thedetection of transient signals embedded in noise. The WB iscompared with the WD in terms of simulation examples andanalysis of real sonar data. It is shown that better detectionschemes can be derived, in low signal-to-noise ratio, when theWB is applied.

Computer-aided system for morphometric mandibular index computation (Using dental panoramic radiographs)

Objective: We propose and validate a computer aided system to measure three different mandibular indexes: cortical width, panoramic mandibular index and, mandibular alveolar bone resorption index. Study Design: Repeatability and reproducibility of the measurements are analyzed and compared to the manual estimation of the same indexes. Results: The proposed computerized system exhibits superior repeatability and reproducibility rates compared to standard manual methods. Moreover, the time required to perform the measurements using the proposed method is negligible compared to perform the measurements manually. Conclusions: We have proposed a very user friendly computerized method to measure three different morphometric mandibular indexes. From the results we can conclude that the system provides a practical manner to perform these measurements. It does not require an expert examiner and does not take more than 16 seconds per analysis. Thus, it may be suitable to diagnose osteoporosis using dental panoramic radiographs.

A parameterization method for the computation of invariant tori and their whiskers in quasi-periodic maps: explorations and mechanisms for the breakdown of hyperbolicity

In two previous papers [J. Differential Equations, 228 (2006), pp. 530 579; Discrete Contin. Dyn. Syst. Ser. B, 6 (2006), pp. 1261 1300] we have developed fast algorithms for the computations of invariant tori in quasi‐periodic systems and developed theorems that assess their accuracy. In this paper, we study the results of implementing these algorithms and study their performance in actual implementations. More importantly, we note that, due to the speed of the algorithms and the theoretical developments about their reliability, we can compute with confidence invariant objects close to the breakdown of their hyperbolicity properties. This allows us to identify a mechanism of loss of hyperbolicity and measure some of its quantitative regularities. We find that some systems lose hyperbolicity because the stable and unstable bundles approach each other but the Lyapunov multipliers remain away from 1. We find empirically that, close to the breakdown, the distances between the invariant bundles and the Lyapunov multipliers which are natural measures of hyperbolicity depend on the parameters, with power laws with universal exponents. We also observe that, even if the rigorous justifications in [J. Differential Equations, 228 (2006), pp. 530-579] are developed only for hyperbolic tori, the algorithms work also for elliptic tori in Hamiltonian systems. We can continue these tori and also compute some bifurcations at resonance which may lead to the existence of hyperbolic tori with nonorientable bundles. We compute manifolds tangent to nonorientable bundles.

Reliable computation of robust response tori on the verge of breakdown

We prove the existence and local uniqueness of invariant tori on the verge of breakdown for two systems: the quasi-periodically driven logistic map and the quasi-periodically forced standard map. These systems exemplify two scenarios: the Heagy-Hammel route for the creation of strange non- chaotic attractors and the nonsmooth bifurcation of saddle invariant tori. Our proofs are computer- assisted and are based on a tailored version of the Newton-Kantorovich theorem. The proofs cannot be performed using classical perturbation theory because the two scenarios are very far from the perturbative regime, and fundamental hypotheses such as reducibility or hyperbolicity either do not hold or are very close to failing. Our proofs are based on a reliable computation of the invariant tori and a careful study of their dynamical properties, leading to the rigorous validation of the numerical results with our novel computational techniques.

Computer-aided system for morphometric mandibular index computation (Using dental panoramic radiographs)

Objective: We propose and validate a computer aided system to measure three different mandibular indexes: cortical width, panoramic mandibular index and, mandibular alveolar bone resorption index. Study Design: Repeatability and reproducibility of the measurements are analyzed and compared to the manual estimation of the same indexes. Results: The proposed computerized system exhibits superior repeatability and reproducibility rates compared to standard manual methods. Moreover, the time required to perform the measurements using the proposed method is negligible compared to perform the measurements manually. Conclusions: We have proposed a very user friendly computerized method to measure three different morphometric mandibular indexes. From the results we can conclude that the system provides a practical manner to perform these measurements. It does not require an expert examiner and does not take more than 16 seconds per analysis. Thus, it may be suitable to diagnose osteoporosis using dental panoramic radiographs

On the computation of reducible invariant tori on a parallel computer

We present an algorithm for the computation of reducible invariant tori of discrete dynamical systems that is suitable for tori of dimensions larger than 1. It is based on a quadratically convergent scheme that approximates, at the same time, the Fourier series of the torus, its Floquet transformation, and its Floquet matrix. The Floquet matrix describes the linearization of the dynamics around the torus and, hence, its linear stability. The algorithm presents a high degree of parallelism, and the computational effort grows linearly with the number of Fourier modes needed to represent the solution. For these reasons it is a very good option to compute quasi-periodic solutions with several basic frequencies. The paper includes some examples (flows) to show the efficiency of the method in a parallel computer. In these flows we compute invariant tori of dimensions up to 5, by taking suitable sections.

Algebraic extensions in free groups

The aim of this paper is to unify the points of view of three recent and independent papers (Ventura 1997, Margolis, Sapir and Weil 2001 and Kapovich and Miasnikov 2002), where similar modern versions of a 1951 theorem of Takahasi were given. We develop a theory of algebraic extensions for free groups, highlighting the analogies and differences with respect to the corresponding classical fieldt heoretic notions, and we discuss in detail the notion of algebraic closure. We apply that theory to the study and the computation of certain algebraic properties of subgroups (e.g. being malnormal, pure, inert or compressed, being closed in certain profinite topologies) and the corresponding closure operators. We also analyze the closure of a subgroup under the addition of solutions of certain sets of equations.

Anàlisi del sistema operatiu RTLinux e implementació d'un entorn de desenvolupament de tasques en temps real (aplicat al control de processos)

El projecte "Anàlisi del sistema operatiu RTLinux i implementació d'un entorn de desenvolupament de tasques en temps real" analitza la possibilitat de crear un entorn de desenvolupament de tasques en temps real per poder crear sistemes de control complex, tot això mitjançant codi lliure. Inicialment es fa un aprenentatge sobre el concepte de temps real, després s'elegeix el sistema operatiu en temps real RTLinux per a crear l'entorn de desenvolupament utilitzant el llenguatge de programació Tcl/Tk. Es creen un conjunt d'aplicacions (pel control computacional) per estudiar la viabilitat de la construcció de l'entorn desitjat per facilitar la tasca de l'usuari final. Aquest projecte obre multitud de possibles camins a continuar: comunicació remota, implementació de planificadors, estudi de controladors, etc.

Càlcul distribuït en BOINC per el trencament de l'algorisme RC5

Aquest projecte té com a objectiu participar en el desafiament d'RSA Laboratories corresponent a trencar el criptosistema RC5-32-12-9 proposat. Per realitzar-ho s'ha triat realitzar un atac per força bruta, mitjançant el càlcul distribuït i, més concretament, utilitzant la Public Resource Computing. La plataforma escollida és la Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC), coneguda per la seva utilització en grans projectes com ara SETI@home. En aquest projecte es posa en funcionament la infraestructura i es desenvolupen les aplicacions necessàries per iniciar els càlculs que haurien de permetre el trencament del criptosistema.

Análisis de rendimiento de aplicaciones paralelas de memoria compartida: problema N-body

Este trabajo analiza el rendimiento de cuatro nodos de cómputo multiprocesador de memoria compartida para resolver el problema N-body. Se paraleliza el algoritmo serie, y se codifica usando el lenguaje C extendido con OpenMP. El resultado son dos variantes que obedecen a dos criterios de optimización diferentes: minimizar los requisitos de memoria y minimizar el volumen de cómputo. Posteriormente, se realiza un proceso de análisis de las prestaciones del programa sobre los nodos de cómputo. Se modela el rendimiento de las variantes secuenciales y paralelas de la aplicación, y de los nodos de cómputo; se instrumentan y ejecutan los programas para obtener resultados en forma de varias métricas; finalmente se muestran e interpretan los resultados, proporcionando claves que explican ineficiencias y cuellos de botella en el rendimiento y posibles líneas de mejora. La experiencia de este estudio concreto ha permitido esbozar una incipiente metodología de análisis de rendimiento, identificación de problemas y sintonización de algoritmos a nodos de cómputo multiprocesador de memoria compartida.

Optimització i implementació en Simulink de l'adquisició d'un senyal GPS amb blocs FFT

Aquest projecte es tracta de la optimització i la implementació de l’etapa d’adquisició d’un receptor GPS. També inclou una revisió breu del sistema GPS i els seus principis de funcionament. El procés d’adquisició s’ha estudiat amb detall i programat en els entorns de treball Matlab i Simulink. El fet d’implementar aquesta etapa en dos entorns diferents ha estat molt útil tant de cara a l’aprenentatge com també per la comprovació dels resultats obtinguts. El principal objectiu del treball és el disseny d’un model Simulink que es capaç d’adquirir una senyal capturada amb hardware real. En realitat, s’han fet dues implementacions: una que utilitza blocs propis de Simulink i l’altra que utilitza blocs de la llibreria Xilinx. D’aquesta manera, posteriorment, es facilitaria la transició del model a la FPGA utilitzant l’entorn ISE de Xilinx. La implementació de l’etapa d’adquisició es basa en el mètode de cerca de fase de codi en paral·lel, el qual empra la operació correlació creuada mitjançant la transformada ràpida de Fourier (FFT). Per aquest procés es necessari realitzar dues transformades (per a la senyal entrant i el codi de referència) i una antitransformada de Fourier (per al resultat de la correlació). Per tal d’optimitzar el disseny s’utilitza un bloc FFT, ja que tres blocs consumeixen gran part dels recursos d’una FPGA. En lloc de replicar el bloc FFT, en el model el bloc és compartit en el temps gràcies a l’ús de buffers i commutadors, com a resultat la quantitat de recursos requerits per una implementació en una FPGA es podria reduir considerablement.

A numerical solver for a nonlinear Fokker-Planck equation representation of neuronal network dynamics

To describe the collective behavior of large ensembles of neurons in neuronal network, a kinetic theory description was developed in [13, 12], where a macroscopic representation of the network dynamics was directly derived from the microscopic dynamics of individual neurons, which are modeled by conductance-based, linear, integrate-and-fire point neurons. A diffusion approximation then led to a nonlinear Fokker-Planck equation for the probability density function of neuronal membrane potentials and synaptic conductances. In this work, we propose a deterministic numerical scheme for a Fokker-Planck model of an excitatory-only network. Our numerical solver allows us to obtain the time evolution of probability distribution functions, and thus, the evolution of all possible macroscopic quantities that are given by suitable moments of the probability density function. We show that this deterministic scheme is capable of capturing the bistability of stationary states observed in Monte Carlo simulations. Moreover, the transient behavior of the firing rates computed from the Fokker-Planck equation is analyzed in this bistable situation, where a bifurcation scenario, of asynchronous convergence towards stationary states, periodic synchronous solutions or damped oscillatory convergence towards stationary states, can be uncovered by increasing the strength of the excitatory coupling. Finally, the computation of moments of the probability distribution allows us to validate the applicability of a moment closure assumption used in [13] to further simplify the kinetic theory.

Gestión de recursos en nodos multi-core de memoria compartida

La gestión de recursos en los procesadores multi-core ha ganado importancia con la evolución de las aplicaciones y arquitecturas. Pero esta gestión es muy compleja. Por ejemplo, una misma aplicación paralela ejecutada múltiples veces con los mismos datos de entrada, en un único nodo multi-core, puede tener tiempos de ejecución muy variables. Hay múltiples factores hardware y software que afectan al rendimiento. La forma en que los recursos hardware (cómputo y memoria) se asignan a los procesos o threads, posiblemente de varias aplicaciones que compiten entre sí, es fundamental para determinar este rendimiento. La diferencia entre hacer la asignación de recursos sin conocer la verdadera necesidad de la aplicación, frente a asignación con una meta específica es cada vez mayor. La mejor manera de realizar esta asignación és automáticamente, con una mínima intervención del programador. Es importante destacar, que la forma en que la aplicación se ejecuta en una arquitectura no necesariamente es la más adecuada, y esta situación puede mejorarse a través de la gestión adecuada de los recursos disponibles. Una apropiada gestión de recursos puede ofrecer ventajas tanto al desarrollador de las aplicaciones, como al entorno informático donde ésta se ejecuta, permitiendo un mayor número de aplicaciones en ejecución con la misma cantidad de recursos. Así mismo, esta gestión de recursos no requeriría introducir cambios a la aplicación, o a su estrategia operativa. A fin de proponer políticas para la gestión de los recursos, se analizó el comportamiento de aplicaciones intensivas de cómputo e intensivas de memoria. Este análisis se llevó a cabo a través del estudio de los parámetros de ubicación entre los cores, la necesidad de usar la memoria compartida, el tamaño de la carga de entrada, la distribución de los datos dentro del procesador y la granularidad de trabajo. Nuestro objetivo es identificar cómo estos parámetros influyen en la eficiencia de la ejecución, identificar cuellos de botella y proponer posibles mejoras. Otra propuesta es adaptar las estrategias ya utilizadas por el Scheduler con el fin de obtener mejores resultados.

Underwater Gigamosaicing

El procés de fusió de dues o més imatges de la mateixa escena en una d'única i més gran és conegut com a Image Mosaicing. Un cop finalitzat el procés de construcció d'un mosaic, els límits entre les imatges són habitualment visibles, degut a imprecisions en els registres fotomètric i geomètric. L'Image Blending és l'etapa del procediment de mosaicing a la que aquests artefactes són minimitzats o suprimits. Existeixen diverses metodologies a la literatura que tracten aquests problemes, però la majoria es troben orientades a la creació de panorames terrestres, imatges artístiques d'alta resolució o altres aplicacions a les quals el posicionament de la càmera o l'adquisició de les imatges no són etapes rellevants. El treball amb imatges subaquàtiques presenta desafiaments importants, degut a la presència d'scattering (reflexions de partícules en suspensió) i atenuació de la llum i a condicions físiques extremes a milers de metres de profunditat, amb control limitat dels sistemes d'adquisició i la utilització de tecnologia d'alt cost. Imatges amb il·luminació artificial similar, sense llum global com la oferta pel sol, han de ser unides sense mostrar una unió perceptible. Les imatges adquirides a gran profunditat presenten una qualitat altament depenent de la profunditat, i la seva degradació amb aquest factor és molt rellevant. El principal objectiu del treball és presentar dels principals problemes de la imatge subaquàtica, seleccionar les estratègies més adequades i tractar tota la seqüència adquisició-procesament-visualització del procés. Els resultats obtinguts demostren que la solució desenvolupada, basada en una Estratègia de Selecció de Límit Òptim, Fusió en el Domini del Gradient a les regions comunes i Emfatització Adaptativa d'Imatges amb baix nivell de detall permet obtenir uns resultats amb una alta qualitat. També s'ha proposat una estratègia, amb possibilitat d'implementació paral·lela, que permet processar mosaics de kilòmetres d'extensió amb resolució de centímetres per píxel.

Alineamiento de secuencias genéticas en procesadores multicore

Este trabajo analiza el rendimiento del algoritmo de alineamiento de secuencias conocido como Needleman-Wunsch, sobre 3 sistemas de cómputo multiprocesador diferentes. Se analiza y se codifica el algoritmo serie usando el lenguaje de programación C y se plantean una serie de optimizaciones con la finalidad de minimizar el volumen y el tiempo de cómputo. Posteriormente, se realiza un análisis de las prestaciones del programa sobre los diferentes sistemas de cómputo. En la segunda parte del trabajo, se paraleliza el algoritmo serie y se codifica ayudándonos de OpenMP. El resultado son dos variantes del programa que difieren en la relación entre la cantidad de cómputo y la de comunicación. En la primera variante, la comunicación entre procesadores es poco frecuente y se realiza tras largos periodos de ejecución (granularidad gruesa). En cambio, en la segunda variante las tareas individuales son relativamente pequeñas en término de tiempo de ejecución y la comunicación entre los procesadores es frecuente (granularidad fina). Ambas variantes se ejecutan y analizan en arquitecturas multicore que explotan el paralelismo a nivel de thread. Los resultados obtenidos muestran la importancia de entender y saber analizar el efecto del multicore y multithreading en el rendimiento.