Nuevo algoritmo de compresión multimedia: codificación por saltos logaritmicos

Quizás el Código Morse, inventado en 1838 para su uso en la telegrafía, es uno de los primeros ejemplos de la utilización práctica de la compresión de datos [1], donde las letras más comunes del alfabeto son codificadas con códigos más cortos que las demás. A partir de 1940 y tras el desarrollo de la teoría de la información y la creación de los primeros ordenadores, la compresión de la información ha sido un reto constante y fundamental entre los campos de trabajo de investigadores de todo tipo. Cuanto mayor es nuestra comprensión sobre el significado de la información, mayor es nuestro éxito comprimiéndola. En el caso de la información multimedia, su naturaleza permite la compresión con pérdidas, alcanzando así cotas de compresión imposibles para los algoritmos sin pérdidas. Estos “recientes” algoritmos con pérdidas han estado mayoritariamente basados en transformación de la información al dominio de la frecuencia y en la eliminación de parte de la información en dicho dominio. Transformar al dominio de la frecuencia posee ventajas pero también involucra unos costes computacionales inevitables. Esta tesis presenta un nuevo algoritmo de compresión multimedia llamado “LHE” (Logarithmical Hopping Encoding) que no requiere transformación al dominio de la frecuencia, sino que trabaja en el dominio del espacio. Esto lo convierte en un algoritmo lineal de reducida complejidad computacional. Los resultados del algoritmo son prometedores, superando al estándar JPEG en calidad y velocidad. Para ello el algoritmo utiliza como base la respuesta fisiológica del ojo humano ante el estímulo luminoso. El ojo, al igual que el resto de los sentidos, responde al logaritmo de la señal de acuerdo a la ley de Weber. El algoritmo se compone de varias etapas. Una de ellas es la medición de la “Relevancia Perceptual”, una nueva métrica que nos va a permitir medir la relevancia que tiene la información en la mente del sujeto y en base a la misma, degradar en mayor o menor medida su contenido, a través de lo que he llamado “sub-muestreado elástico”. La etapa de sub-muestreado elástico constituye una nueva técnica sin precedentes en el tratamiento digital de imágenes. Permite tomar más o menos muestras en diferentes áreas de una imagen en función de su relevancia perceptual. En esta tesis se dan los primeros pasos para la elaboración de lo que puede llegar a ser un nuevo formato estándar de compresión multimedia (imagen, video y audio) libre de patentes y de alto rendimiento tanto en velocidad como en calidad. ABSTRACT The Morse code, invented in 1838 for use in telegraphy, is one of the first examples of the practical use of data compression [1], where the most common letters of the alphabet are coded shorter than the rest of codes. From 1940 and after the development of the theory of information and the creation of the first computers, compression of information has been a constant and fundamental challenge among any type of researchers. The greater our understanding of the meaning of information, the greater our success at compressing. In the case of multimedia information, its nature allows lossy compression, reaching impossible compression rates compared with lossless algorithms. These "recent" lossy algorithms have been mainly based on information transformation to frequency domain and elimination of some of the information in that domain. Transforming the frequency domain has advantages but also involves inevitable computational costs. This thesis introduces a new multimedia compression algorithm called "LHE" (logarithmical Hopping Encoding) that does not require transformation to frequency domain, but works in the space domain. This feature makes LHE a linear algorithm of reduced computational complexity. The results of the algorithm are promising, outperforming the JPEG standard in quality and speed. The basis of the algorithm is the physiological response of the human eye to the light stimulus. The eye, like other senses, responds to the logarithm of the signal according with Weber law. The algorithm consists of several stages. One is the measurement of "perceptual relevance," a new metric that will allow us to measure the relevance of information in the subject's mind and based on it; degrade accordingly their contents, through what I have called "elastic downsampling". Elastic downsampling stage is an unprecedented new technique in digital image processing. It lets take more or less samples in different areas of an image based on their perceptual relevance. This thesis introduces the first steps for the development of what may become a new standard multimedia compression format (image, video and audio) free of patents and high performance in both speed and quality.

Programación en lenguaje Java de algoritmo Zig-Zag para procesado de archivos MIDI

El siguiente proyecto versa sobre la programación en lenguaje java del algoritmo de humanización MIDI desarrollado por Jorge Grundman en su tesis La Humanización de la Interpretación Virtual: Tres ejemplos significativos de la obra de Chopin. Este algoritmo, denominado Zig-Zag tiene como finalidad lograr que una partitura interpretada por un ordenador tenga unas características similares a la lectura a primera vista de la misma por un pianista. Para ello, basa su funcionamiento en una aleatorización del tempo en base a una serie de parámetros, a una modificación de la dinámica acorde a la modificación de tempo y a una segunda aleatorización para cada figura de la partitura. Este algoritmo tiene un gran campo de aplicación como complemento a los diversos secuenciadores y editores de partituras que existen en la actualidad, proporcionando nuevas características a los mismos. La programación del algoritmo se ha llevado a cabo empleando el Java SDK (Standard Developement Kit) 7 y las herramientas que proporciona esta plataforma para el manejo y modificación de los mensajes MIDI. ABSTRACT. The next project is about the programming in Java language of the MIDI humanization algorithm developed by Jorge Grundman in his thesis La Humanización de la Interpretación Virtual: Tres ejemplos significativos de la obra de Chopin. This algorithm, called Zig-Zag aims to have similar characteristics in a score performed by a computer than in the sight reading by a pianist. To this end, it bases its process in a randomization of the tempo from several parameters, a modification of the dynamic according to the change of tempo and a second randomization for each figure in the score. This algorithm has a big scope of application as complement for the different sequencers and score editors that already exist, providing new features to them. The algorithm has been programmed using the Java SDK (Standard Development Kit) 7 and the tools that this platform provides to handle and modify MIDI messages.

Análise de acetona em ar exalado: desenvolvimento de método eletroanalítico e algoritmo para processamento de sinais

Propõe-se método novo e completo para análise de acetona em ar exalado envolvendo coleta com pré-concentração em água, derivatização química e determinação eletroquímica assistida por novo algoritmo de processamento de sinais. Na literatura recente a acetona expirada vem sendo avaliada como biomarcador para monitoramento não invasivo de quadros clínicos como diabetes e insuficiência cardíaca, daí a importância da proposta. Entre as aminas que reagem com acetona para formar iminas eletroativas, estudadas por polarografia em meados do século passado, a glicina apresentou melhor conjunto de características para a definição do método de determinação por voltametria de onda quadrada sem a necessidade de remoção de oxigênio (25 Hz, amplitude de 20 mV, incremento de 5 mV, eletrodo de gota de mercúrio). O meio reacional, composto de glicina (2 mol·L-1) em meio NaOH (1 mol·L-1), serviu também de eletrólito e o pico de redução da imina em -1,57 V vs. Ag|AgCl constituiu o sinal analítico. Para tratamento dos sinais, foi desenvolvido e avaliado um algoritmo inovador baseado em interpolação de linha base por ajuste de curvas de Bézier e ajuste de gaussiana ao pico. Essa combinação permitiu reconhecimento e quantificação de picos relativamente baixos e largos sobre linha com curvatura acentuada e ruído, situação em que métodos convencionais falham e curvas do tipo spline se mostraram menos apropriadas. A implementação do algoritmo (disponível em http://github.com/batistagl/chemapps) foi realizada utilizando programa open source de álgebra matricial integrado diretamente com software de controle do potenciostato. Para demonstrar a generalidade da extensão dos recursos nativos do equipamento mediante integração com programação externa em linguagem Octave (open source), implementou-se a técnica da cronocoulometria tridimensional, com visualização de resultados já tratados em projeções de malha de perspectiva 3D sob qualquer ângulo. A determinação eletroquímica de acetona em fase aquosa, assistida pelo algoritmo baseado em curvas de Bézier, é rápida e automática, tem limite de detecção de 3,5·10-6 mol·L-1 (0,2 mg·L-1) e faixa linear que atende aos requisitos da análise em ar exalado. O acetaldeído, comumente presente em ar exalado, em especial, após consumo de bebidas alcoólicas, dá origem a pico voltamétrico em -1,40 V, contornando interferência que prejudica vários outros métodos publicados na literatura e abrindo possibilidade de determinação simultânea. Resultados obtidos com amostras reais são concordantes com os obtidos por método espectrofotométrico, em uso rotineiro desde o seu aperfeiçoamento na dissertação de mestrado do autor desta tese. Em relação à dissertação, também se otimizou a geometria do dispositivo de coleta, de modo a concentrar a acetona num volume menor de água gelada e prover maior conforto ao paciente. O método completo apresentado, englobando o dispositivo de amostragem aperfeiçoado e o novo e efetivo algoritmo para tratamento automático de sinais voltamétricos, está pronto para ser aplicado. Evolução para um analisador portátil depende de melhorias no limite de detecção e facilidade de obtenção eletrodos sólidos (impressos) com filme de mercúrio, vez que eletrodos de bismuto ou diamante dopado com boro, entre outros, não apresentaram resposta.

Desenvolvimento de algoritmo de controle de tração para regeneração de energia metroviária - ACTREM: melhoria da eficiência energética de sistemas de tração metroviária.

Esta tese propõe um modelo de regeneração de energia metroviária, baseado no controle de paradas e partidas do trem ao longo de sua viagem, com o aproveitamento da energia proveniente da frenagem regenerativa no sistema de tração. O objetivo é otimizar o consumo de energia, promover maior eficiência, na perspectiva de uma gestão sustentável. Aplicando o Algoritmo Genético (GA) para obter a melhor configuração de tráfego dos trens, a pesquisa desenvolve e testa o Algoritmo de Controle de Tração para Regeneração de Energia Metroviária (ACTREM), usando a Linguagem de programação C++. Para analisar o desempenho do algoritmo de controle ACTREM no aumento da eficiência energética, foram realizadas quinze simulações da aplicação do ACTREM na linha 4 - Amarela do metrô da cidade de São Paulo. Essas simulações demonstraram a eficiência do ACTREM para gerar, automaticamente, os diagramas horários otimizados para uma economia de energia nos sistemas metroviários, levando em consideração as restrições operacionais do sistema, como capacidade máxima de cada trem, tempo total de espera, tempo total de viagem e intervalo entre trens. Os resultados mostram que o algoritmo proposto pode economizar 9,5% da energia e não provocar impactos relevantes na capacidade de transporte de passageiros do sistema. Ainda sugerem possíveis continuidades de estudos.

Uso pedagógico do ábaco romano para ensino do algoritmo de multiplicação

This dissertation describes the construction of a alternative didactic incorporating a historical approach with the use of the Roman abacus for teaching multiplication to students of 2nd year of elementary school, through activities ranging from the representation of numbers to multiplying with the Roman abacus, for learning the multiplication algorithm. Qualitative research was used as a methodological approach since the research object fits the goals of this research mode. Concerning the procedures, the research can be seen as a teaching experiment developed within the school environment. The instruments used for data collection were: observation, logbook, questionnaires, interviews and document analysis. The processing and analysis of data collected through the activities were classified and quantified in tables for easy viewing, interpretation, understanding, analysis of data and then transposed to charts. The analysis confirmed the research objectives and contributed to indicate the pedagogical use of the Roman abacus for teaching multiplication algorithm through several activities. Thus, it can be considered that this educational product will have important contributions for the teaching of this mathematical content, in Basic Education, particularly regarding to the multiplication process

Um algoritmo paralelo eficiente de migração reversa no tempo (rtm) 3d com granularidade fina

The reverse time migration algorithm (RTM) has been widely used in the seismic industry to generate images of the underground and thus reduce the risk of oil and gas exploration. Its widespread use is due to its high quality in underground imaging. The RTM is also known for its high computational cost. Therefore, parallel computing techniques have been used in their implementations. In general, parallel approaches for RTM use a coarse granularity by distributing the processing of a subset of seismic shots among nodes of distributed systems. Parallel approaches with coarse granularity for RTM have been shown to be very efficient since the processing of each seismic shot can be performed independently. For this reason, RTM algorithm performance can be considerably improved by using a parallel approach with finer granularity for the processing assigned to each node. This work presents an efficient parallel algorithm for 3D reverse time migration with fine granularity using OpenMP. The propagation algorithm of 3D acoustic wave makes up much of the RTM. Different load balancing were analyzed in order to minimize possible losses parallel performance at this stage. The results served as a basis for the implementation of other phases RTM: backpropagation and imaging condition. The proposed algorithm was tested with synthetic data representing some of the possible underground structures. Metrics such as speedup and efficiency were used to analyze its parallel performance. The migrated sections show that the algorithm obtained satisfactory performance in identifying subsurface structures. As for the parallel performance, the analysis clearly demonstrate the scalability of the algorithm achieving a speedup of 22.46 for the propagation of the wave and 16.95 for the RTM, both with 24 threads.

Algoritmo papílio como método de proteção de templates para aumentar a segurança em sistemas de identificação biométricos

There are authentication models which use passwords, keys, personal identifiers (cards, tags etc) to authenticate a particular user in the authentication/identification process. However, there are other systems that can use biometric data, such as signature, fingerprint, voice, etc., to authenticate an individual in a system. In another hand, the storage of biometric can bring some risks such as consistency and protection problems for these data. According to this problem, it is necessary to protect these biometric databases to ensure the integrity and reliability of the system. In this case, there are models for security/authentication biometric identification, for example, models and Fuzzy Vault and Fuzzy Commitment systems. Currently, these models are mostly used in the cases for protection of biometric data, but they have fragile elements in the protection process. Therefore, increasing the level of security of these methods through changes in the structure, or even by inserting new layers of protection is one of the goals of this thesis. In other words, this work proposes the simultaneous use of encryption (Encryption Algorithm Papilio) with protection models templates (Fuzzy Vault and Fuzzy Commitment) in identification systems based on biometric. The objective of this work is to improve two aspects in Biometric systems: safety and accuracy. Furthermore, it is necessary to maintain a reasonable level of efficiency of this data through the use of more elaborate classification structures, known as committees. Therefore, we intend to propose a model of a safer biometric identification systems for identification.

Algoritmo eficiente para aquisição de sinais de GPS por software

O NAVSTAR/GPS (NAVigation System with Timing And Ranging/Global Po- sitioning System), mais conhecido por GPS, _e um sistema de navegacão baseado em sat_elites desenvolvido pelo departamento de defesa norte-americano em meados de 1970. Criado inicialmente para fins militares, o GPS foi adaptado para o uso civil. Para fazer a localização, o receptor precisa fazer a aquisição de sinais dos satélites visíveis. Essa etapa é de extrema importância, pois é responsável pela detecção dos satélites visíveis, calculando suas respectivas frequências e fases iniciais. Esse processo pode demandar bastante tempo de processamento e precisa ser implementado de forma eficiente. Várias técnicas são utilizadas atualmente, mas a maioria delas colocam em conflito questões de projeto tais como, complexidade computacional, tempo de aquisição e recursos computacionais. Objetivando equilibrar essas questões, foi desenvolvido um método que reduz a complexidade do processo de aquisição utilizando algumas estratégias, a saber, redução do efeito doppler, amostras e tamanho do sinal utilizados, além do paralelismo. Essa estratégia é dividida em dois passos, um grosseiro em todo o espaço de busca e um fino apenas na região identificada previamente pela primeira etapa. Devido a busca grosseira, o limiar do algoritmo convencional não era mais aceitável. Nesse sentido, um novo limiar foi estabelecido baseado na variância dos picos de correlação. Inicialmente, é feita uma busca com pouca precisão comparando a variância dos cinco maiores picos de correlação encontrados. Caso a variância ultrapasse um certo limiar, a região de maior pico torna-se candidata à detecção. Por fim, essa região passa por um refinamento para se ter a certeza de detecção. Os resultados mostram que houve uma redução significativa na complexidade e no tempo de execução, sem que tenha sido necessário utilizar algoritmos muito complexos.

Algoritmo modificado de PSO matricial aplicado a identificação de sistemas com análise de convergência

Recentemente diversas técnicas de computação evolucionárias têm sido utilizadas em áreas como estimação de parâmetros de processos dinâmicos lineares e não lineares ou até sujeitos a incertezas. Isso motiva a utilização de algoritmos como o otimizador por nuvem de partículas (PSO) nas referidas áreas do conhecimento. Porém, pouco se sabe sobre a convergência desse algoritmo e, principalmente, as análises e estudos realizados têm se concentrado em resultados experimentais. Por isso, é objetivo deste trabalho propor uma nova estrutura para o PSO que permita analisar melhor a convergência do algoritmo de forma analítica. Para isso, o PSO é reestruturado para assumir uma forma matricial e reformulado como um sistema linear por partes. As partes serão analisadas de forma separada e será proposta a inserção de um fator de esquecimento que garante que a parte mais significativa deste sistema possua autovalores dentro do círculo de raio unitário. Também será realizada a análise da convergência do algoritmo como um todo, utilizando um critério de convergência quase certa, aplicável a sistemas chaveados. Na sequência, serão realizados testes experimentais de maneira a verificar o comportamento dos autovalores após a inserção do fator de esquecimento. Posteriormente, os algoritmos de identificação de parâmetros tradicionais serão combinados com o PSO matricial, de maneira a tornar os resultados da identificação tão bons ou melhores que a identificação apenas com o PSO ou, apenas com os algoritmos tradicionais. Os resultados mostram a convergência das partículas em uma região delimitada e que as funções obtidas após a combinação do algoritmo PSO matricial com os algoritmos convencionais, apresentam maior generalização para o sistema apresentado. As conclusões a que se chega é que a hibridização, apesar de limitar a busca por uma partícula mais apta do PSO, permite um desempenho mínimo para o algoritmo e ainda possibilita melhorar o resultado obtido com os algoritmos tradicionais, permitindo a representação do sistema aproximado em quantidades maiores de frequências.

Estratégia de navegação com planejamento dinâmico e algoritmo genético aplicada a robôs móveis terrestres

This work proposes a new autonomous navigation strategy assisted by genetic algorithm with dynamic planning for terrestrial mobile robots, called DPNA-GA (Dynamic Planning Navigation Algorithm optimized with Genetic Algorithm). The strategy was applied in environments - both static and dynamic - in which the location and shape of the obstacles is not known in advance. In each shift event, a control algorithm minimizes the distance between the robot and the object and maximizes the distance from the obstacles, rescheduling the route. Using a spatial location sensor and a set of distance sensors, the proposed navigation strategy is able to dynamically plan optimal collision-free paths. Simulations performed in different environments demonstrated that the technique provides a high degree of flexibility and robustness. For this, there were applied several variations of genetic parameters such as: crossing rate, population size, among others. Finally, the simulation results successfully demonstrate the effectiveness and robustness of DPNA-GA technique, validating it for real applications in terrestrial mobile robots.

Estratégia de navegação com planejamento dinâmico e algoritmo genético aplicada a robôs móveis terrestres

This work proposes a new autonomous navigation strategy assisted by genetic algorithm with dynamic planning for terrestrial mobile robots, called DPNA-GA (Dynamic Planning Navigation Algorithm optimized with Genetic Algorithm). The strategy was applied in environments - both static and dynamic - in which the location and shape of the obstacles is not known in advance. In each shift event, a control algorithm minimizes the distance between the robot and the object and maximizes the distance from the obstacles, rescheduling the route. Using a spatial location sensor and a set of distance sensors, the proposed navigation strategy is able to dynamically plan optimal collision-free paths. Simulations performed in different environments demonstrated that the technique provides a high degree of flexibility and robustness. For this, there were applied several variations of genetic parameters such as: crossing rate, population size, among others. Finally, the simulation results successfully demonstrate the effectiveness and robustness of DPNA-GA technique, validating it for real applications in terrestrial mobile robots.

Progettazione e implementazione di una applicazione didattica interattiva per il riconoscimento di oggetti basata sull'algoritmo SIFT

Nell'elaborato viene introdotto l'ambito della Computer Vision e come l'algoritmo SIFT si inserisce nel suo panorama. Viene inoltre descritto SIFT stesso, le varie fasi di cui si compone e un'applicazione al problema dell'object recognition. Infine viene presentata un'implementazione di SIFT in linguaggio Python creata per ottenere un'applicazione didattica interattiva e vengono mostrati esempi di questa applicazione.

Valutazione delle performance di un algoritmo per la quantificazione della pressione portale epatica da ecografia con mezzo di contrasto

La misurazione del gradiente pressorio venoso (HVPG) viene utilizzata per diagnosticare la gravità della malattia del fegato ma si tratta di una pratica invasiva e che non può essere effettuata in tutti i pazienti. Per questo motivo sono state studiate nuove metodiche per riuscire ad analizzare la cirrosi, una tra le quali l’indagine ecografica. Un progetto in fase di svolgimento (progetto CLEVER) è stato avviato per riuscire a sviluppare, validare e trasferire nella pratica clinica un nuovo sistema basato sull'analisi di immagini ecografiche con mezzo di contrasto al fine di valutare la gravità della degenerazione della rete vascolare causata dalla cirrosi. L'obiettivo principale della ricerca è quello di sviluppare uno strumento completamente automatico per l'analisi in tempo reale della rete vascolare del fegato in grado di valutare la connettività vascolare e quantificare il grado di squilibrio della rete.

Reconstrução e reconhecimento de imagens binárias utilizando o algoritmo Máquina de Boltzmann

The objective of this work is to use algorithms known as Boltzmann Machine to rebuild and classify patterns as images. This algorithm has a similar structure to that of an Artificial Neural Network but network nodes have stochastic and probabilistic decisions. This work presents the theoretical framework of the main Artificial Neural Networks, General Boltzmann Machine algorithm and a variation of this algorithm known as Restricted Boltzmann Machine. Computer simulations are performed comparing algorithms Artificial Neural Network Backpropagation with these algorithms Boltzmann General Machine and Machine Restricted Boltzmann. Through computer simulations are analyzed executions times of the different described algorithms and bit hit percentage of trained patterns that are later reconstructed. Finally, they used binary images with and without noise in training Restricted Boltzmann Machine algorithm, these images are reconstructed and classified according to the bit hit percentage in the reconstruction of the images. The Boltzmann machine algorithms were able to classify patterns trained and showed excellent results in the reconstruction of the standards code faster runtime and thus can be used in applications such as image recognition.

Greenow: um algoritmo de roteamento orientado a workspace para uma arquitetura de Internet do futuro

Current and future applications pose new requirements that Internet architecture is not able to satisfy, like Mobility, Multicast, Multihoming, Bandwidth Guarantee and so on. The Internet architecture has some limitations which do not allow all future requirements to be covered. New architectures were proposed considering these requirements when a communication is established. ETArch (Entity Title Architecture) is a new Internet architecture, clean slate, able to use application’s requirements on each communication, and flexible to work with several layers. The Routing has an important role on Internet, because it decides the best way to forward primitives through the network. In Future Internet, all requirements depend on the routing. Routing is responsible for deciding the best path and, in the future, a better route can consider Mobility aspects or Energy Consumption, for instance. In the dawn of ETArch, the Routing has not been defined. This work provides intra and inter-domain routing algorithms to be used in the ETArch. It is considered that the route should be defined completely before the data start to traffic, to ensure that the requirements are met. In the Internet, the Routing has two distinct functions: (i) run specific algorithms to define the best route; and (ii) to forward data primitives to the correct link. In traditional Internet architecture, the two Routing functions are performed in all routers everytime that a packet arrives. This work allows that the complete route is defined before the communication starts, like in the telecommunication systems. This work determined the Routing for ETArch and experiments were performed to demonstrate the control plane routing viability. The initial setup before a communication takes longer, then only forwarding of primitives is performed, saving processing time.