Local and Global Feature Extraction for Invariant Object Recognition

Perceiving the world visually is a basic act for humans, but for computers it is still an unsolved problem. The variability present innatural environments is an obstacle for effective computer vision. The goal of invariant object recognition is to recognise objects in a digital image despite variations in, for example, pose, lighting or occlusion. In this study, invariant object recognition is considered from the viewpoint of feature extraction. Thedifferences between local and global features are studied with emphasis on Hough transform and Gabor filtering based feature extraction. The methods are examined with respect to four capabilities: generality, invariance, stability, and efficiency. Invariant features are presented using both Hough transform and Gabor filtering. A modified Hough transform technique is also presented where the distortion tolerance is increased by incorporating local information. In addition, methods for decreasing the computational costs of the Hough transform employing parallel processing and local information are introduced.

Tool-supported invariant-based programming

The development of correct programs is a core problem in computer science. Although formal verification methods for establishing correctness with mathematical rigor are available, programmers often find these difficult to put into practice. One hurdle is deriving the loop invariants and proving that the code maintains them. So called correct-by-construction methods aim to alleviate this issue by integrating verification into the programming workflow. Invariant-based programming is a practical correct-by-construction method in which the programmer first establishes the invariant structure, and then incrementally extends the program in steps of adding code and proving after each addition that the code is consistent with the invariants. In this way, the program is kept internally consistent throughout its development, and the construction of the correctness arguments (proofs) becomes an integral part of the programming workflow. A characteristic of the approach is that programs are described as invariant diagrams, a graphical notation similar to the state charts familiar to programmers. Invariant-based programming is a new method that has not been evaluated in large scale studies yet. The most important prerequisite for feasibility on a larger scale is a high degree of automation. The goal of the Socos project has been to build tools to assist the construction and verification of programs using the method. This thesis describes the implementation and evaluation of a prototype tool in the context of the Socos project. The tool supports the drawing of the diagrams, automatic derivation and discharging of verification conditions, and interactive proofs. It is used to develop programs that are correct by construction. The tool consists of a diagrammatic environment connected to a verification condition generator and an existing state-of-the-art theorem prover. Its core is a semantics for translating diagrams into verification conditions, which are sent to the underlying theorem prover. We describe a concrete method for 1) deriving sufficient conditions for total correctness of an invariant diagram; 2) sending the conditions to the theorem prover for simplification; and 3) reporting the results of the simplification to the programmer in a way that is consistent with the invariantbased programming workflow and that allows errors in the program specification to be efficiently detected. The tool uses an efficient automatic proof strategy to prove as many conditions as possible automatically and lets the remaining conditions be proved interactively. The tool is based on the verification system PVS and i uses the SMT (Satisfiability Modulo Theories) solver Yices as a catch-all decision procedure. Conditions that were not discharged automatically may be proved interactively using the PVS proof assistant. The programming workflow is very similar to the process by which a mathematical theory is developed inside a computer supported theorem prover environment such as PVS. The programmer reduces a large verification problem with the aid of the tool into a set of smaller problems (lemmas), and he can substantially improve the degree of proof automation by developing specialized background theories and proof strategies to support the specification and verification of a specific class of programs. We demonstrate this workflow by describing in detail the construction of a verified sorting algorithm. Tool-supported verification often has little to no presence in computer science (CS) curricula. Furthermore, program verification is frequently introduced as an advanced and purely theoretical topic that is not connected to the workflow taught in the early and practically oriented programming courses. Our hypothesis is that verification could be introduced early in the CS education, and that verification tools could be used in the classroom to support the teaching of formal methods. A prototype of Socos has been used in a course at Åbo Akademi University targeted at first and second year undergraduate students. We evaluate the use of Socos in the course as part of a case study carried out in 2007.

Lipase and omega-transaminase catalysis in preparation of alcohol and amine enantiomers

Enantiopure intermediates are of high value in drug synthesis. Biocatalysis alone or combined with chemical synthesis provides powerful tools to access enantiopure compounds. In biocatalysis, chemo-, regio- and enantioselectivity of enzymes are combined with their inherent environmentally benign nature. Enzymes can be applied in versatile chemical reactions with non-natural substrates under synthesis conditions. Immobilization of an enzyme is a crucial part of an efficient biocatalytic synthesis method. Successful immobilization enhances the catalytic performance of an enzyme and enables its reuse in successive reactions. This thesis demonstrates the feasibility of biocatalysis in the preparation of enantiopure secondary alcohols and primary amines. Viability and synthetic usability of the studied biocatalytic methods have been addressed throughout this thesis. Candida antarctica lipase B (CAL-B) catalyzed enantioselective O-acylation of racemic secondary alcohols was successfully incorporated with in situ racemization in the dynamic kinetic resolution, affording the (R)-esters in high yields and enantiopurities. Side reactions causing decrease in yield and enantiopurity were suppressed. CAL-B was also utilized in the solvent-free kinetic resolution of racemic primary amines. This method produced the enantiomers as (R)-amides and (S)-amines under ambient conditions. An in-house sol-gel entrapment increased the reusability of CAL-B. Arthrobacter sp. omega-transaminase was entrapped in sol-gel matrices to obtain a reusable catalyst for the preparation enantiopure primary amines in an aqueous medium. The obtained heterogeneous omega-transaminase catalyst enabled the enantiomeric enrichment of the racemic amines to their (S)-enantiomers. The synthetic usability of the sol-gel catalyst was demonstrated in five successive preparative kinetic resolutions.

Site quality curves for birch stands in north-western Spain

Abstract

Normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin

Evoluutioalgoritmit ovat viime vuosina osoittautuneet tehokkaiksi menetelmiksi globaalien optimointitehtävien ratkaisuun. Niiden vahvuutena on etenkin yleiskäyttöisyys ja kyky löytää globaali ratkaisu juuttumatta optimoitavan tavoitefunktion paikallisiin optimikohtiin. Tässä työssä on tavoitteena kehittää uusi, normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin, joka on eräs uusimmista evoluutiopohjaisista optimointialgoritmeista. Menetelmän oletetaan vähentävän entisestään sekä populaation ennenaikaisen suppenemisen, että algoritmin tilojen juuttumisen riskiä ja se on teoreettisesti osoitettavissa suppenevaksi. Tämä ei päde alkuperäisen differentiaalievoluution tapauksessa, koska on voitu osoittaa, että sen tilanmuutokset voivat pienellä todennäköisyydellä juuttua. Työssä uuden menetelmän toimintaa tarkastellaan kokeellisesti käyttäen testiongelmina monirajoiteongelmia. Rajoitefunktioiden käsittelyyn käytetään Jouni Lampisen kehittämää, Pareto-optimaalisuuden periaatteeseen perustuvaa menetelmää. Samalla saadaan kerättyä lisää kokeellista näyttöä myös tämän menetelmän toiminnasta. Kaikki käytetyt testiongelmat kyettiin ratkaisemaan sekä alkuperäisellä differentiaalievoluutiolla, että uutta mutaatio-operaatiota käyttävällä versiolla. Uusi menetelmä osoittautui kuitenkin luotettavammaksi sellaisissa tapauksissa, joissa alkuperäisellä algoritmilla oli vaikeuksia. Lisäksi useimmat ongelmat kyettiin ratkaisemaan luotettavasti pienemmällä populaation koolla kuin alkuperäistä differentiaalievoluutiota käytettäessä. Uuden menetelmän käyttö myös mahdollistaa paremmin sellaisten kontrolliparametrien käytön, joilla hausta saadaan rotaatioinvariantti. Laskennallisesti uusi menetelmä on hieman alkuperäistä differentiaalievoluutiota raskaampi ja se tarvitsee yhden kontrolliparametrin enemmän. Uusille kontrolliparametreille määritettiin kuitenkin mahdollisimman yleiskäyttöiset arvot, joita käyttämällä on mahdollista ratkaista suuri joukko erilaisia ongelmia.

Conservation Laws in Cellular Automata

Conservation laws in physics are numerical invariants of the dynamics of a system. In cellular automata (CA), a similar concept has already been defined and studied. To each local pattern of cell states a real value is associated, interpreted as the “energy” (or “mass”, or . . . ) of that pattern.The overall “energy” of a configuration is simply the sum of the energy of the local patterns appearing on different positions in the configuration. We have a conservation law for that energy, if the total energy of each configuration remains constant during the evolution of the CA. For a given conservation law, it is desirable to find microscopic explanations for the dynamics of the conserved energy in terms of flows of energy from one region toward another. Often, it happens that the energy values are from non-negative integers, and are interpreted as the number of “particles” distributed on a configuration. In such cases, it is conjectured that one can always provide a microscopic explanation for the conservation laws by prescribing rules for the local movement of the particles. The onedimensional case has already been solved by Fuk´s and Pivato. We extend this to two-dimensional cellular automata with radius-0,5 neighborhood on the square lattice. We then consider conservation laws in which the energy values are chosen from a commutative group or semigroup. In this case, the class of all conservation laws for a CA form a partially ordered hierarchy. We study the structure of this hierarchy and prove some basic facts about it. Although the local properties of this hierarchy (at least in the group-valued case) are tractable, its global properties turn out to be algorithmically inaccessible. In particular, we prove that it is undecidable whether this hierarchy is trivial (i.e., if the CA has any non-trivial conservation law at all) or unbounded. We point out some interconnections between the structure of this hierarchy and the dynamical properties of the CA. We show that positively expansive CA do not have non-trivial conservation laws. We also investigate a curious relationship between conservation laws and invariant Gibbs measures in reversible and surjective CA. Gibbs measures are known to coincide with the equilibrium states of a lattice system defined in terms of a Hamiltonian. For reversible cellular automata, each conserved quantity may play the role of a Hamiltonian, and provides a Gibbs measure (or a set of Gibbs measures, in case of phase multiplicity) that is invariant. Conversely, every invariant Gibbs measure provides a conservation law for the CA. For surjective CA, the former statement also follows (in a slightly different form) from the variational characterization of the Gibbs measures. For one-dimensional surjective CA, we show that each invariant Gibbs measure provides a conservation law. We also prove that surjective CA almost surely preserve the average information content per cell with respect to any probability measure.

Tuotannonohjauksen kehittäminen piensarjatuotannossa

Tämä diplomityö käsittelee teollisen yrityksen tuotannonohjauksen kehittämistä piensarjatuotannossa. Työn kohteena on ABB Oy:n Tuulivoimageneraattorit-tulosyksikkö, joka valmistaa vakiotuotteita asiakasohjautuvasti. Työssä esitellään aluksi tuotannon ja tuotannonohjauksen teoriaa. Lävitse käydään perusasioiden kuten määritelmien, tavoitteiden ja tehtävien lisäksi tuotannonohjausprosessia sekä tuotannonohjauksen tietotekniikkaa. Teorian jälkeisessä empiriaosuudessa esitellään työssä kehitettyjä keinoja tuotannonohjauksen parantamiseksi. Tutkimus on toteutettu teoreettisen ja empiirisen tutkimustyön avulla. Teoreettiseen tutkimustyöhön sisältyi suomalaisiin ja ulkomaalaisiin kirjallisuuslähteisiin perehtyminen. Empiirinen tutkimustyö suoritettiin itsenäisen ongelman ratkaisutyön avulla. Tämä sisälsi kehittämiskohteiden analysoinnin, tarkempien kehittämistarpeiden määrityksen sekä kokeilujen kautta tapahtuneen kehittämistyön. Tutkimuksen päätavoitteena oli selvittää, miten tuotannonohjauksen kehittämisellä voidaan parantaa kohteena olevan tulosyksikön tuottavuutta ja kannattavuutta. Päätavoitteen pohjalta muodostettiin kuusi osatavoitetta: toimitusvarmuuden parantaminen, kapasiteetin kuormitusasteen nostaminen, kapasiteetin suunnittelun kehittäminen, läpäisyaikojen lyhentäminen, uuden ERP-järjestelmän vaatimusmäärittely sekä tuotannonohjausprosessin määrittäminen. Työssä rakennettiin neljään ensiksi mainittuun osatavoitteeseen tietotekniset sovellukset, jotka mahdollistavat osatavoitteiden suunnittelun ja ohjaamisen. Sovelluksia varten kullekin tuotteelle määriteltiin esimerkiksi työnvaiheketjut läpäisyaikoineen, kuormitusryhmät, kuormitusryhmien kapasiteetit, tuotteiden kuormittavuudet sekä kriittiset työvälineet. Työ osoitti, että tietotekniikka auttaa suuresti tuotannonohjauksessa. Lisääntynyt läpinäkyvyys, parantunut tiedonkulku, simulointimahdollisuudet sekä graafinen esitystapa helpottavat erilaisten suunnitelmien teossa ja parantavat siten päätöksenteon laatua. Tietotekniikan hyväksikäytön pohjana toimii tuotannon perus- ja tapahtumatietojen kurinalainen päivitys. Tämän vuoksi tietojärjestelmistä kannattaa rakentaa mahdollisimman yksinkertaisia.

De lingvis igneis, qvam Christi redemtoris auxilio nixus

Invocatio: [Alpha et Omega].

De poenis coelibum apud veteres

Invocatio: [Alpha et Omega].

De nive

Invocatio: KREIKKAA Alpha, omega.

Convictio logica

Invocatio: [Alpha et Omega].

In tota rerum natura

Invocatio: KREIKKAA Alpha, omega.

De temperamento

Invocatio: KREIKKAA Alpha, omega.