A survey addressing the fundamental matrix estimation problem

Epipolar geometry is a key point in computer vision and the fundamental matrix estimation is the only way to compute it. This article surveys several methods of fundamental matrix estimation which have been classified into linear methods, iterative methods and robust methods. All of these methods have been programmed and their accuracy analysed using real images. A summary, accompanied with experimental results, is given

Critical analysis and extension of the Hirshfeld atoms in molecules

The computational approach to the Hirshfeld [Theor. Chim. Acta 44, 129 (1977)] atom in a molecule is critically investigated, and several difficulties are highlighted. It is shown that these difficulties are mitigated by an alternative, iterative version, of the Hirshfeld partitioning procedure. The iterative scheme ensures that the Hirshfeld definition represents a mathematically proper information entropy, allows the Hirshfeld approach to be used for charged molecules, eliminates arbitrariness in the choice of the promolecule, and increases the magnitudes of the charges. The resulting "Hirshfeld-I charges" correlate well with electrostatic potential derived atomic charges

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Didàctica de la resolució de problemes per al desenvolupament de la competència matemàtica

Els problemes són un mitjà per posar l’èmfasi en els alumnes, en els seus processos de pensament i en els mètodes inquisitius; una eina per formar subjectes amb capacitat autònoma de resoldre problemes, crítics i reflexius, capaços de preguntar-se pels fets. Es convenient seleccionar problemes que siguin accessibles als alumnes però que al mateix temps els suposi un repte, encoratjant l’exposició d’idees, l’argumentació i l’esperit crític. Han de fomentar el treball en grup entre els estudiants, la comunicació d’idees, el contrast i el diàleg. Han d’interessar als estudiants en processos generadors de coneixement com definir, fer-se preguntes i preguntar, observar, classificar, particularitzar, generalitzar, conjecturar, demostrar i aplicar

Weighted Logratio Biplots, Correspondence Analysis and Spectral Maps

Starting with logratio biplots for compositional data, which are based on the principle of subcompositional coherence, and then adding weights, as in correspondence analysis, we rediscover Lewi's spectral map and many connections to analyses of two-way tables of non-negative data. Thanks to the weighting, the method also achieves the property of distributional equivalence

Exploration of geological variability and possible processes through the use of compositional data analysis: an example using scottish metamorphosed

Developments in the statistical analysis of compositional data over the last two decades have made possible a much deeper exploration of the nature of variability, and the possible processes associated with compositional data sets from many disciplines. In this paper we concentrate on geochemical data sets. First we explain how hypotheses of compositional variability may be formulated within the natural sample space, the unit simplex, including useful hypotheses of subcompositional discrimination and specific perturbational change. Then we develop through standard methodology, such as generalised likelihood ratio tests, statistical tools to allow the systematic investigation of a complete lattice of such hypotheses. Some of these tests are simple adaptations of existing multivariate tests but others require special construction. We comment on the use of graphical methods in compositional data analysis and on the ordination of specimens. The recent development of the concept of compositional processes is then explained together with the necessary tools for a staying- in-the-simplex approach, namely compositional singular value decompositions. All these statistical techniques are illustrated for a substantial compositional data set, consisting of 209 major-oxide and rare-element compositions of metamorphosed limestones from the Northeast and Central Highlands of Scotland. Finally we point out a number of unresolved problems in the statistical analysis of compositional processes

Monitoring procedures in environmental geochemistry and compositional data analysis theory

First discussion on compositional data analysis is attributable to Karl Pearson, in 1897. However, notwithstanding the recent developments on algebraic structure of the simplex, more than twenty years after Aitchison’s idea of log-transformations of closed data, scientific literature is again full of statistical treatments of this type of data by using traditional methodologies. This is particularly true in environmental geochemistry where besides the problem of the closure, the spatial structure (dependence) of the data have to be considered. In this work we propose the use of log-contrast values, obtained by a simplicial principal component analysis, as LQGLFDWRUV of given environmental conditions. The investigation of the log-constrast frequency distributions allows pointing out the statistical laws able to generate the values and to govern their variability. The changes, if compared, for example, with the mean values of the random variables assumed as models, or other reference parameters, allow defining monitors to be used to assess the extent of possible environmental contamination. Case study on running and ground waters from Chiavenna Valley (Northern Italy) by using Na+, K+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, SO4 2- and Cl- concentrations will be illustrated

New insights on river water chemistry by using non-centred simplicial principal component analysis: a case study

The use of perturbation and power transformation operations permits the investigation of linear processes in the simplex as in a vectorial space. When the investigated geochemical processes can be constrained by the use of well-known starting point, the eigenvectors of the covariance matrix of a non-centred principal component analysis allow to model compositional changes compared with a reference point. The results obtained for the chemistry of water collected in River Arno (central-northern Italy) have open new perspectives for considering relative changes of the analysed variables and to hypothesise the relative effect of different acting physical-chemical processes, thus posing the basis for a quantitative modelling

Kriging coordinates: what does that mean?

Kriging is an interpolation technique whose optimality criteria are based on normality assumptions either for observed or for transformed data. This is the case of normal, lognormal and multigaussian kriging. When kriging is applied to transformed scores, optimality of obtained estimators becomes a cumbersome concept: back-transformed optimal interpolations in transformed scores are not optimal in the original sample space, and vice-versa. This lack of compatible criteria of optimality induces a variety of problems in both point and block estimates. For instance, lognormal kriging, widely used to interpolate positive variables, has no straightforward way to build consistent and optimal confidence intervals for estimates. These problems are ultimately linked to the assumed space structure of the data support: for instance, positive values, when modelled with lognormal distributions, are assumed to be embedded in the whole real space, with the usual real space structure and Lebesgue measure

A Factor analysis of hidrochemical composition of Llobregat river basin

Hydrogeological research usually includes some statistical studies devised to elucidate mean background state, characterise relationships among different hydrochemical parameters, and show the influence of human activities. These goals are achieved either by means of a statistical approach or by mixing models between end-members. Compositional data analysis has proved to be effective with the first approach, but there is no commonly accepted solution to the end-member problem in a compositional framework. We present here a possible solution based on factor analysis of compositions illustrated with a case study. We find two factors on the compositional bi-plot fitting two non-centered orthogonal axes to the most representative variables. Each one of these axes defines a subcomposition, grouping those variables that lay nearest to it. With each subcomposition a log-contrast is computed and rewritten as an equilibrium equation. These two factors can be interpreted as the isometric log-ratio coordinates (ilr) of three hidden components, that can be plotted in a ternary diagram. These hidden components might be interpreted as end-members. We have analysed 14 molarities in 31 sampling stations all along the Llobregat River and its tributaries, with a monthly measure during two years. We have obtained a bi-plot with a 57% of explained total variance, from which we have extracted two factors: factor G, reflecting geological background enhanced by potash mining; and factor A, essentially controlled by urban and/or farming wastewater. Graphical representation of these two factors allows us to identify three extreme samples, corresponding to pristine waters, potash mining influence and urban sewage influence. To confirm this, we have available analysis of diffused and widespread point sources identified in the area: springs, potash mining lixiviates, sewage, and fertilisers. Each one of these sources shows a clear link with one of the extreme samples, except fertilisers due to the heterogeneity of their composition. This approach is a useful tool to distinguish end-members, and characterise them, an issue generally difficult to solve. It is worth note that the end-member composition cannot be fully estimated but only characterised through log-ratio relationships among components. Moreover, the influence of each endmember in a given sample must be evaluated in relative terms of the other samples. These limitations are intrinsic to the relative nature of compositional data

Major-elements trends in cenozoic volcanites of Hungary

Hungary lies entirely within the Carpatho-Pannonian Region (CPR), a dominant tectonic unit of eastern Central Europe. The CPR consists of the Pannonian Basin system, and the arc of the Carpathian Mountains surrounding the lowlands in the north, east, and southeast. In the west, the CPR is bounded by the Eastern Alps, whereas in the south, by the Dinaridic belt. (...)

The allometry of non-employment. What can compositional data analysis tell us about labour market performance across the UK's regions?

The low levels of unemployment recorded in the UK in recent years are widely cited as evidence of the country’s improved economic performance, and the apparent convergence of unemployment rates across the country’s regions used to suggest that the longstanding divide in living standards between the relatively prosperous ‘south’ and the more depressed ‘north’ has been substantially narrowed. Dissenters from these conclusions have drawn attention to the greatly increased extent of non-employment (around a quarter of the UK’s working age population are not in employment) and the marked regional dimension in its distribution across the country. Amongst these dissenters it is generally agreed that non-employment is concentrated amongst older males previously employed in the now very much smaller ‘heavy’ industries (e.g. coal, steel, shipbuilding). This paper uses the tools of compositiona l data analysis to provide a much richer picture of non-employment and one which challenges the conventional analysis wisdom about UK labour market performance as well as the dissenters view of the nature of the problem. It is shown that, associated with the striking ‘north/south’ divide in nonemployment rates, there is a statistically significant relationship between the size of the non-employment rate and the composition of non-employment. Specifically, it is shown that the share of unemployment in non-employment is negatively correlated with the overall non-employment rate: in regions where the non-employment rate is high the share of unemployment is relatively low. So the unemployment rate is not a very reliable indicator of regional disparities in labour market performance. Even more importantly from a policy viewpoint, a significant positive relationship is found between the size of the non-employment rate and the share of those not employed through reason of sickness or disability and it seems (contrary to the dissenters) that this connection is just as strong for women as it is for men

On the use of principal components in contemporany population genetics: a case study

In human Population Genetics, routine applications of principal component techniques are often required. Population biologists make widespread use of certain discrete classifications of human samples into haplotypes, the monophyletic units of phylogenetic trees constructed from several single nucleotide bimorphisms hierarchically ordered. Compositional frequencies of the haplotypes are recorded within the different samples. Principal component techniques are then required as a dimension-reducing strategy to bring the dimension of the problem to a manageable level, say two, to allow for graphical analysis. Population biologists at large are not aware of the special features of compositional data and normally make use of the crude covariance of compositional relative frequencies to construct principal components. In this short note we present our experience with using traditional linear principal components or compositional principal components based on logratios, with reference to a specific dataset

The agreement between ipsative and normative questionnaires using compositional data analysis techniques

The main instrument used in psychological measurement is the self-report questionnaire. One of its major drawbacks however is its susceptibility to response biases. A known strategy to control these biases has been the use of so-called ipsative items. Ipsative items are items that require the respondent to make between-scale comparisons within each item. The selected option determines to which scale the weight of the answer is attributed. Consequently in questionnaires only consisting of ipsative items every respondent is allotted an equal amount, i.e. the total score, that each can distribute differently over the scales. Therefore this type of response format yields data that can be considered compositional from its inception. Methodological oriented psychologists have heavily criticized this type of item format, since the resulting data is also marked by the associated unfavourable statistical properties. Nevertheless, clinicians have kept using these questionnaires to their satisfaction. This investigation therefore aims to evaluate both positions and addresses the similarities and differences between the two data collection methods. The ultimate objective is to formulate a guideline when to use which type of item format. The comparison is based on data obtained with both an ipsative and normative version of three psychological questionnaires, which were administered to 502 first-year students in psychology according to a balanced within-subjects design. Previous research only compared the direct ipsative scale scores with the derived ipsative scale scores. The use of compositional data analysis techniques also enables one to compare derived normative score ratios with direct normative score ratios. The addition of the second comparison not only offers the advantage of a better-balanced research strategy. In principle it also allows for parametric testing in the evaluation

A compositional statistical analysis of capital stock

Most of economic literature has presented its analysis under the assumption of homogeneous capital stock. However, capital composition differs across countries. What has been the pattern of capital composition associated with World economies? We make an exploratory statistical analysis based on compositional data transformed by Aitchinson logratio transformations and we use tools for visualizing and measuring statistical estimators of association among the components. The goal is to detect distinctive patterns in the composition. As initial findings could be cited that: 1. Sectorial components behaved in a correlated way, building industries on one side and , in a less clear view, equipment industries on the other. 2. Full sample estimation shows a negative correlation between durable goods component and other buildings component and between transportation and building industries components. 3. Countries with zeros in some components are mainly low income countries at the bottom of the income category and behaved in a extreme way distorting main results observed in the full sample. 4. After removing these extreme cases, conclusions seem not very sensitive to the presence of another isolated cases