Grades computacionais na recuperação de imagens médicas baseada em conteúdo

OBJETIVO: Utilizar o poder de processamento da tecnologia de grades computacionais para viabilizar a utilização do algoritmo de medida de similaridade na recuperação de imagens baseada em conteúdo. MATERIAIS E MÉTODOS: A técnica de recuperação de imagens baseada em conteúdo é composta de duas etapas seqüenciais: análise de textura e algoritmo de medida de similaridade. Estas são aplicadas em imagens de joelho e cabeça, nas quais se avaliaram a eficiência em recuperar imagens do mesmo plano e a seqüência de aquisição em um banco de 2.400 imagens médicas para testar a capacidade de recuperação de imagens baseada em conteúdo. A análise de textura foi utilizada inicialmente para pré-selecionar as 1.000 imagens mais semelhantes a uma imagem de referência escolhida por um clínico. Essas 1.000 imagens foram processadas utilizando-se o algoritmo de medida de similaridade na grade computacional. RESULTADOS: A precisão encontrada na classificação por análise de textura foi de 0,54 para imagens sagitais de joelho e de 0,40 para imagens axiais de cabeça. A análise de textura foi útil como filtragem, pré-selecionando imagens a serem avaliadas pelo algoritmo de medida de similaridade. A recuperação de imagens baseada em conteúdo utilizando o algoritmo de medida de similaridade aplicado nas imagens pré-selecionadas por análise de textura resultou em precisão de 0,95 para as imagens sagitais de joelho e de 0,92 para as imagens axiais de cabeça. O alto custo computacional do algoritmo de medida de similaridade foi amortizado pela grade computacional. CONCLUSÃO: A utilização da abordagem mista das técnicas de análise de textura e algoritmo de medida de similaridade no processo de recuperação de imagens baseada em conteúdo resultou em eficiência acima de 90%. A grade computacional é indispensável para utilização do algoritmo de medida de similaridade na recuperação de imagens baseada em conteúdo, que de outra forma seria limitado a supercomputadores.

Wavelets in real-time paper web analysis

Online paper web analysis relies on traversing scanners that criss-cross on top of a rapidly moving paper web. The sensors embedded in the scanners measure many important quality variables of paper, such as basis weight, caliper and porosity. Most of these quantities are varying a lot and the measurements are noisy at many different scales. The zigzagging nature of scanning makes it difficult to separate machine direction (MD) and cross direction (CD) variability from one another. For improving the 2D resolution of the quality variables above, the paper quality control team at the Department of Mathematics and Physics at LUT has implemented efficient Kalman filtering based methods that currently use 2D Fourier series. Fourier series are global and therefore resolve local spatial detail on the paper web rather poorly. The target of the current thesis is to study alternative wavelet based representations as candidates to replace the Fourier basis for a higher resolution spatial reconstruction of these quality variables. The accuracy of wavelet compressed 2D web fields will be compared with corresponding truncated Fourier series based fields.

Pose-based SLAM with probabilistic scan matching algorithm using a mechanical scanned imaging sonar

This paper proposes a pose-based algorithm to solve the full SLAM problem for an autonomous underwater vehicle (AUV), navigating in an unknown and possibly unstructured environment. The technique incorporate probabilistic scan matching with range scans gathered from a mechanical scanning imaging sonar (MSIS) and the robot dead-reckoning displacements estimated from a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method utilizes two extended Kalman filters (EKF). The first, estimates the local path travelled by the robot while grabbing the scan as well as its uncertainty and provides position estimates for correcting the distortions that the vehicle motion produces in the acoustic images. The second is an augment state EKF that estimates and keeps the registered scans poses. The raw data from the sensors are processed and fused in-line. No priory structural information or initial pose are considered. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within a marina environment, showing the viability of the proposed approach

Visual SLAM for 3D large-scale seabed acquisition employing underwater vehicles

This paper presents a novel technique to align partial 3D reconstructions of the seabed acquired by a stereo camera mounted on an autonomous underwater vehicle. Vehicle localization and seabed mapping is performed simultaneously by means of an Extended Kalman Filter. Passive landmarks are detected on the images and characterized considering 2D and 3D features. Landmarks are re-observed while the robot is navigating and data association becomes easier but robust. Once the survey is completed, vehicle trajectory is smoothed by a Rauch-Tung-Striebel filter obtaining an even better alignment of the 3D views and yet a large-scale acquisition of the seabed

Visual SLAM for underwater vehicles using video velocity log and natural landmarks

A visual SLAM system has been implemented and optimised for real-time deployment on an AUV equipped with calibrated stereo cameras. The system incorporates a novel approach to landmark description in which landmarks are local sub maps that consist of a cloud of 3D points and their associated SIFT/SURF descriptors. Landmarks are also sparsely distributed which simplifies and accelerates data association and map updates. In addition to landmark-based localisation the system utilises visual odometry to estimate the pose of the vehicle in 6 degrees of freedom by identifying temporal matches between consecutive local sub maps and computing the motion. Both the extended Kalman filter and unscented Kalman filter have been considered for filtering the observations. The output of the filter is also smoothed using the Rauch-Tung-Striebel (RTS) method to obtain a better alignment of the sequence of local sub maps and to deliver a large-scale 3D acquisition of the surveyed area. Synthetic experiments have been performed using a simulation environment in which ray tracing is used to generate synthetic images for the stereo system

Multi-sensor Simultaneous Localization and Mapping

Simultaneous localization and mapping(SLAM) is a very important problem in mobile robotics. Many solutions have been proposed by different scientists during the last two decades, nevertheless few studies have considered the use of multiple sensors simultane¬ously. The solution is on combining several data sources with the aid of an Extended Kalman Filter (EKF). Two approaches are proposed. The first one is to use the ordinary EKF SLAM algorithm for each data source separately in parallel and then at the end of each step, fuse the results into one solution. Another proposed approach is the use of multiple data sources simultaneously in a single filter. The comparison of the computational com¬plexity of the two methods is also presented. The first method is almost four times faster than the second one.

Estudio de errores en la localización en espacios interiores, de dispositivos móviles por medio de tecnologías WiFi

La localización en ambientes de interiores basada en dispositivos modernos de uso masivo, como los dispositivos móviles, es un área actual de investigación y desarrollo que ha empezado a generar productos para diferentes aplicaciones. Sin embargo, la estimación del error en estas mediciones, sus fuentes y la forma como se propaga, que evita tener mayor exactitud en la localización, aún presenta un área pendiente de estudio. Esta investigación toma una de las técnicas comunes de estudio de localización de dispositivos por redes inalámbricas WiFi para estudiar los diferentes errores que ella conlleva, sus fuentes y su propagación. Este trabajo también propone un nuevo enfoque y nueva metodología, que permite reducir el error en la localización de dispositivos WiFi, con base a la clasificación de las redes inalámbricas presentes en un escaneo, la identificación de muestras y datos fortuitos, la estabilización de muestreos de potencias de redes WiFi, y la implementación de un filtro de Kalman, para la predicción de medidas estables de estas potencias.

Sensor Fusion of Proprioception, Force and Vision in Estimation and Robot

Sensor-based robot control allows manipulation in dynamic environments with uncertainties. Vision is a versatile low-cost sensory modality, but low sample rate, high sensor delay and uncertain measurements limit its usability, especially in strongly dynamic environments. Force is a complementary sensory modality allowing accurate measurements of local object shape when a tooltip is in contact with the object. In multimodal sensor fusion, several sensors measuring different modalities are combined to give a more accurate estimate of the environment. As force and vision are fundamentally different sensory modalities not sharing a common representation, combining the information from these sensors is not straightforward. In this thesis, methods for fusing proprioception, force and vision together are proposed. Making assumptions of object shape and modeling the uncertainties of the sensors, the measurements can be fused together in an extended Kalman filter. The fusion of force and visual measurements makes it possible to estimate the pose of a moving target with an end-effector mounted moving camera at high rate and accuracy. The proposed approach takes the latency of the vision system into account explicitly, to provide high sample rate estimates. The estimates also allow a smooth transition from vision-based motion control to force control. The velocity of the end-effector can be controlled by estimating the distance to the target by vision and determining the velocity profile giving rapid approach and minimal force overshoot. Experiments with a 5-degree-of-freedom parallel hydraulic manipulator and a 6-degree-of-freedom serial manipulator show that integration of several sensor modalities can increase the accuracy of the measurements significantly.

Inversion and assimilation methods with applications in geophysical remote sensing

Stratospheric ozone can be measured accurately using a limb scatter remote sensing technique at the UV-visible spectral region of solar light. The advantages of this technique includes a good vertical resolution and a good daytime coverage of the measurements. In addition to ozone, UV-visible limb scatter measurements contain information about NO2, NO3, OClO, BrO and aerosols. There are currently several satellite instruments continuously scanning the atmosphere and measuring the UVvisible region of the spectrum, e.g., the Optical Spectrograph and Infrared Imager System (OSIRIS) launched on the Odin satellite in February 2001, and the Scanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY) launched on Envisat in March 2002. Envisat also carries the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) instrument, which also measures limb-scattered sunlight under bright limb occultation conditions. These conditions occur during daytime occultation measurements. The global coverage of the satellite measurements is far better than any other ozone measurement technique, but still the measurements are sparse in the spatial domain. Measurements are also repeated relatively rarely over a certain area, and the composition of the Earth’s atmosphere changes dynamically. Assimilation methods are therefore needed in order to combine the information of the measurements with the atmospheric model. In recent years, the focus of assimilation algorithm research has turned towards filtering methods. The traditional Extended Kalman filter (EKF) method takes into account not only the uncertainty of the measurements, but also the uncertainty of the evolution model of the system. However, the computational cost of full blown EKF increases rapidly as the number of the model parameters increases. Therefore the EKF method cannot be applied directly to the stratospheric ozone assimilation problem. The work in this thesis is devoted to the development of inversion methods for satellite instruments and the development of assimilation methods used with atmospheric models.

Simulating the performance of paper machine control

The topic of this thesis is the simulation of a combination of several control and data assimilation methods, meant to be used for controlling the quality of paper in a paper machine. Paper making is a very complex process and the information obtained from the web is sparse. A paper web scanner can only measure a zig zag path on the web. An assimilation method is needed to process estimates for Machine Direction (MD) and Cross Direction (CD) profiles of the web. Quality control is based on these measurements. There is an increasing need for intelligent methods to assist in data assimilation. The target of this thesis is to study how such intelligent assimilation methods are affecting paper web quality. This work is based on a paper web simulator, which has been developed in the TEKES funded MASI NoTes project. The simulator is a valuable tool in comparing different assimilation methods. The thesis contains the comparison of four different assimilation methods. These data assimilation methods are a first order Bayesian model estimator, an ARMA model based on a higher order Bayesian estimator, a Fourier transform based Kalman filter estimator and a simple block estimator. The last one can be considered to be close to current operational methods. From these methods Bayesian, ARMA and Kalman all seem to have advantages over the commercial one. The Kalman and ARMA estimators seems to be best in overall performance.

Otimização da técnica de PCR para a detecção de Xanthomonas axonopodis pv. phaseoli em sementes de feijão

O crestamento bacteriano comum, causado por Xanthomonas axonopodis pv. phaseoli (Xap), é a principal bacteriose do feijoeiro no Brasil, sendo transmitida principalmente por sementes. O presente trabalho teve como objetivo aperfeiçoar uma técnica, por meio de diferentes métodos de preparação do extrato, para a detecção de Xap, bem como sua detecção simultânea com Curtobacterium flaccumfaciens pv. flaccumfaciens (Cff) nos extratos de sementes de feijão,via PCR. A partir de amostras de sementes de feijão inoculadas artificialmente com Xap e lotes comerciais, foram avaliados: extrato bruto obtido diretamente das sementes, extrato concentrado por filtração em membrana de 0,22µM de diâmetro, extrato concentrado por centrifugação e extrato plaqueado em meio semi-seletivo XCP1 com e sem antibióticos (BIO-PCR). Avaliou-se a presença simultânea de Xap e Cff em 10 lotes comerciais de sementes de feijão através da reação multiplex, utilizandos-se os primers X4c, X4e, CffFOR2 e CffREV4. A partir do extrato bruto, do extrato concentrado por centrifugação e por filtragem em membrana Millipore® não foi possível a detecção de Xap nas sementes de feijão artificialmente contaminadas nem nos 47 lotes comerciais de sementes/ grãos de feijão. A técnica de BIO-PCR permitiu a detecção de Xap a partir de extratos de sementes de feijão artificialmente contaminadas e em 18 dos 47 lotes comerciais. A técnica de detecção simultânea de Xap e Cff no mesmo gel é viável, por amplificar fragmentos de DNA típicos de cada fitobactéria. O uso do meio de cultura XCP1 sem adição de antibióticos permitiu detectar Xap com período de incubação menor em um dia em comparação à detecção utilizando-se o meio de cultura com antibióticos

Uso de cloração e ar comprimido no controle do entupimento de gotejadores ocasionado pela aplicação de água residuária

O crescimento demográfico, o aumento da demanda por água e alimentos, a crescente geração de resíduos, a poluição de corpos de água e a escassez de água têm ocasionado a busca por soluções, das quais uma é o aproveitamento do efluente de estações de tratamento de esgoto na agricultura. Um modo seguro de efetuar a aplicação desse recurso, também fertilizante, é utilizando a irrigação por gotejamento, porém o entupimento nesse sistema consiste em fator restritivo. Assim, com o objetivo de minimizar o entupimento em quatro modelos de gotejadores por uso de águas residuárias oriundas de tratamento secundário de estação de tratamento de esgoto, testaram-se quatro tipos de manejo: (I) controle (somente filtragem), (II) cloração, (III) ar comprimido e (IV) cloração e ar comprimido. Obteve-se melhor resultado com o tratamento de 0,5 mg L-1 de cloro residual livre combinado ao gotejador autocompensante.

Perda de carga em filtros orgânicos utilizados no tratamento de água residuária de suinoculturas

Com a realização deste trabalho, objetivou-se parametrizar a equação de evolução da perda de carga, para descrição do processo de filtração de água residuária da suinocultura. No preenchimento das colunas filtrantes, foram utilizados bagaço de cana-de-açúcar triturado, serragem de madeira e pergaminho de grãos de café. Dados de perda de carga em diferentes profundidades e tempos de operação dos filtros orgânicos foram coletados para ajuste das equações de perda de carga. Para as equações ajustadas, foram obtidos altos coeficientes de determinação, sendo que a significância dos coeficientes da regressão foi, na sua quase totalidade, de 1% de probabilidade, podendo ser utilizada na predição do comportamento dos filtros. As variáveis tempo de operação e profundidade das colunas filtrantes, constituídas pelos três materiais filtrantes, apresentaram comportamento quadrático na estimativa da perda de carga total. O tempo ideal de operação ininterrupta dos filtros, sem troca de material filtrante, foi de, aproximadamente, 1,5 h e, depois de corrido esse tempo, o material filtrante deverá ser substituído.

Pré-filtração em pedregulho e filtração lenta com areia, manta não tecida e carvão ativado para polimento de efluentes domésticos tratados em leitos cultivados

O presente trabalho teve como objetivo comparar sistemas de filtragem, composto de pré-filtro de pedregulho seguido de filtro lento com o meio filtrante areia e no topo manta sintética não tecida e pré-filtro de pedregulho seguido de filtro lento com meio filtrante areia e carvão ativado granular e no topo manta sintética não tecida, para polimento de efluentes domésticos tratados em leitos cultivados, visando à aplicação na fertirrigação. Na comparação dos sistemas de filtragem, avaliou-se a eficiência de remoção dos parâmetros: sólidos em suspensão, turbidez, cor aparente, demanda química de oxigênio, oxigênio dissolvido, ferro, manganês, coliformes totais e E. coli. Os dois sistemas operavam 24 horas por dia, com a mesma taxa de aplicação, tratando uma vazão total final de 1,5 m³ dia-1, sendo que a taxa de aplicação para a unidade de pré-filtração era, em média, de 8,4 m³ m-2 dia-1 e para cada uma das unidades de filtração lenta era, em media, de 2,7 m³ m-2 dia-1. As unidades de pré-filtração e filtração lenta mostraram-se eficientes na redução das concentrações de sólidos suspensos, turbidez, cor aparente e DQO, como polimento de esgotos domésticos previamente tratados. O uso de carvão ativado granular, em combinação com areia, proporcionou ao filtro lento maior eficiência na remoção de sólidos suspensos, cor, turbidez, coliformes totais e E. Coli., sem com isso aumentar a perda de carga inicial. Existe a possibilidade de utilização dos efluentes para a prática da fertirrigação, sendo necessário o processo de desinfecção ou não, dependendo da cultura e o sistema de irrigação utilizado.

Influência da granulometria dos sólidos triturados de sabugo de milho e bagaço de cana-de-açúcar como materiais filtrantes no tratamento de águas residuárias da suinocultura

Teve-se o objetivo de avaliar a influência da granulometria de sólidos triturados do sabugo de milho e do bagaço de cana-de-açúcar, utilizados como materiais filtrantes, na eficiência de remoção de poluentes da água residuária da suinocultura (ARS). Utilizaram-se colunas de filtragem contendo o material em três faixas granulométricas (0,84 a 1,19; 1,19 a 2,00 e 2,00 a 2,83 mm). Para a avaliação da eficiência do sistema, o afluente e o efluente foram caracterizados em relação às seguintes variáveis: demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), demanda química de oxigênio (DQO), sólidos totais (ST), nitrogênio total (N-total), fósforo total (P-total), potássio (K), sódio (Na), cobre total (Cu-total) e zinco total (Zn-total). Geraram-se curvas, relacionando-se as concentrações relativas das variáveis e a lâmina de ARS filtrada. As menores concentrações de DBO nos efluentes foram obtidas, no geral, nos filtros constituídos por materiais na sua maior granulometria; as remoções de DQO, ST, N-total e P-total não foram sensivelmente influenciadas pela granulometria dos materiais filtrantes; o K e o Na não foram retidos nos materiais filtrantes, em nenhuma das granulometrias estudadas, entretanto as remoções de Zn-total e o Cu-total foram, em geral, maiores nos filtros constituídos de materiais filtrantes de menor granulometria.