Real-Time Automatic Object Classification and Tracking using Genetic Programming and NVIDIA R CUDA TM

Genetic Programming (GP) is a widely used methodology for solving various computational problems. GP's problem solving ability is usually hindered by its long execution times. In this thesis, GP is applied toward real-time computer vision. In particular, object classification and tracking using a parallel GP system is discussed. First, a study of suitable GP languages for object classification is presented. Two main GP approaches for visual pattern classification, namely the block-classifiers and the pixel-classifiers, were studied. Results showed that the pixel-classifiers generally performed better. Using these results, a suitable language was selected for the real-time implementation. Synthetic video data was used in the experiments. The goal of the experiments was to evolve a unique classifier for each texture pattern that existed in the video. The experiments revealed that the system was capable of correctly tracking the textures in the video. The performance of the system was on-par with real-time requirements.

Characterizing Dynamic Optimization Benchmarks for the Comparison of Multi-Modal Tracking Algorithms

Population-based metaheuristics, such as particle swarm optimization (PSO), have been employed to solve many real-world optimization problems. Although it is of- ten sufficient to find a single solution to these problems, there does exist those cases where identifying multiple, diverse solutions can be beneficial or even required. Some of these problems are further complicated by a change in their objective function over time. This type of optimization is referred to as dynamic, multi-modal optimization. Algorithms which exploit multiple optima in a search space are identified as niching algorithms. Although numerous dynamic, niching algorithms have been developed, their performance is often measured solely on their ability to find a single, global optimum. Furthermore, the comparisons often use synthetic benchmarks whose landscape characteristics are generally limited and unknown. This thesis provides a landscape analysis of the dynamic benchmark functions commonly developed for multi-modal optimization. The benchmark analysis results reveal that the mechanisms responsible for dynamism in the current dynamic bench- marks do not significantly affect landscape features, thus suggesting a lack of representation for problems whose landscape features vary over time. This analysis is used in a comparison of current niching algorithms to identify the effects that specific landscape features have on niching performance. Two performance metrics are proposed to measure both the scalability and accuracy of the niching algorithms. The algorithm comparison results demonstrate the algorithms best suited for a variety of dynamic environments. This comparison also examines each of the algorithms in terms of their niching behaviours and analyzing the range and trade-off between scalability and accuracy when tuning the algorithms respective parameters. These results contribute to the understanding of current niching techniques as well as the problem features that ultimately dictate their success.

Acoustic composition : exploring metaphorical and perceived connections between patterns of sound in the Opera The Beast in the Jungle

La version intégrale de ce mémoire est disponible uniquement pour consultation individuelle à la Bibliothèque de musique de l ’Université de Montréal (www.bib.umontreal.ca/MU).

A Psychophysical Assessment of Multisensory Processing and Multiple Object Tracking in Autism Spectrum Disorders

Les troubles du spectre autistique (TSA) sont actuellement caractérisés par une triade d'altérations, incluant un dysfonctionnement social, des déficits de communication et des comportements répétitifs. L'intégration simultanée de multiples sens est cruciale dans la vie quotidienne puisqu'elle permet la création d'un percept unifié. De façon similaire, l'allocation d'attention à de multiples stimuli simultanés est critique pour le traitement de l'information environnementale dynamique. Dans l'interaction quotidienne avec l'environnement, le traitement sensoriel et les fonctions attentionnelles sont des composantes de base dans le développement typique (DT). Bien qu'ils ne fassent pas partie des critères diagnostiques actuels, les difficultés dans les fonctions attentionnelles et le traitement sensoriel sont très courants parmi les personnes autistes. Pour cela, la présente thèse évalue ces fonctions dans deux études séparées. La première étude est fondée sur la prémisse que des altérations dans le traitement sensoriel de base pourraient être à l'origine des comportements sensoriels atypiques chez les TSA, tel que proposé par des théories actuelles des TSA. Nous avons conçu une tâche de discrimination de taille intermodale, afin d'investiguer l'intégrité et la trajectoire développementale de l'information visuo-tactile chez les enfants avec un TSA (N = 21, âgés de 6 à18 ans), en comparaison à des enfants à DT, appariés sur l’âge et le QI de performance. Dans une tâche à choix forcé à deux alternatives simultanées, les participants devaient émettre un jugement sur la taille de deux stimuli, basé sur des inputs unisensoriels (visuels ou tactiles) ou multisensoriels (visuo-tactiles). Des seuils différentiels ont évalué la plus petite différence à laquelle les participants ont été capables de faire la discrimination de taille. Les enfants avec un TSA ont montré une performance diminuée et pas d'effet de maturation aussi bien dans les conditions unisensorielles que multisensorielles, comparativement aux participants à DT. Notre première étude étend donc des résultats précédents d'altérations dans le traitement multisensoriel chez les TSA au domaine visuo-tactile. Dans notre deuxième étude, nous avions évalué les capacités de poursuite multiple d’objets dans l’espace (3D-Multiple Object Tracking (3D-MOT)) chez des adultes autistes (N = 15, âgés de 18 à 33 ans), comparés à des participants contrôles appariés sur l'âge et le QI, qui devaient suivre une ou trois cibles en mouvement parmi des distracteurs dans un environnement de réalité virtuelle. Les performances ont été mesurées par des seuils de vitesse, qui évaluent la plus grande vitesse à laquelle des observateurs sont capables de suivre des objets en mouvement. Les individus autistes ont montré des seuils de vitesse réduits dans l'ensemble, peu importe le nombre d'objets à suivre. Ces résultats étendent des résultats antérieurs d'altérations au niveau des mécanismes d'attention en autisme quant à l'allocation simultanée de l'attention envers des endroits multiples. Pris ensemble, les résultats de nos deux études révèlent donc des altérations chez les TSA quant au traitement simultané d'événements multiples, que ce soit dans une modalité ou à travers des modalités, ce qui peut avoir des implications importantes au niveau de la présentation clinique de cette condition.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

Studies on Rubber Composition as Passive Acoustic Materials in Underwater Electro Acoustic Tranducer Technology and Their aging Characteristic

The research work has been in the area of compounding and characterization of rubbers for use in under water electro acoustic transducers. The study also covers specific material system such as encapsulation materials, baffle material, seal material, etc. Life prediction techniques of under water rubbers in general have been established with reference to more than one functional property. Ranges of passive materials, besides the active sensing material go into the construction of underwater electro acoustic transducers. Reliability of the transducer is critically dependent on these passive materials. Rubbers are a major class of passive materials. The present work concentrates on these materials. Conventional rubbers are inadequate to meet many of the stringent function specific requirements. There exists a large gap of information in the rubber technology of underwater rubbers, particularly relating to underwater electro acoustic transducers. This study is towards filling up the gaps of information in this crucial area. Water intake into rubber is considered as the single most important issue for the long-term performance of rubbers, especially Neoprene. In this study, the cause and effects of a range of parameters affecting the water absorption by diffusion and permeation have been investigated.

On the role of acoustic plasmons in high Tc superconductors

The role of acoustic plasmons in the recently discovered high Tc superconductors is discussed. It is shown that the exchange of acoustic plasmons together with the usual phonon exchange between electrons can give rise to a Tc - 100 K.

Acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and analysis of transducer arrays

New mathematical methods to analytically investigate linear acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and transducer arrays are presented. Three problems of interest involving cylinders in an infinite fluid are studied. In all the three problems, the Helmholtz equation is used to model propagation through the fluid and the beam patterns of arrays of transducers are studied. In the first problem, a method is presented to determine the omni-directional and directional far-field pressures radiated by a cylindrical transducer array in an infinite rigid cylindrical baffle. The solution to the Helmholtz equation and the displacement continuity condition at the interface between the array and the surrounding water are used to determine the pressure. The displacement of the surface of each transducer is in the direction of the normal to the array and is assumed to be uniform. Expressions are derived for the pressure radiated by a sector of the array vibrating in-phase, the entire array vibrating in-phase, and a sector of the array phase-shaded to simulate radiation from a rectangular piston. It is shown that the uniform displacement required for generating a source level of 220 dB ref. μPa @ 1m that is omni directional in the azimuthal plane is in the order of 1 micron for typical arrays. Numerical results are presented to show that there is only a small difference between the on-axis pressures radiated by phased cylindrical arrays and planar arrays. The problem is of interest because cylindrical arrays of projectors are often used to search for underwater objects. In the second problem, the errors, when using data-independent, classical, energy and split beam correlation methods, in finding the direction of arrival (DOA) of a plane acoustic wave, caused by the presence of a solid circular elastic cylindrical stiffener near a linear array of hydrophones, are investigated. Scattering from the effectively infinite cylinder is modeled using the exact axisymmetric equations of motion and the total pressures at the hydrophone locations are computed. The effect of the radius of the cylinder, a, the distance between the cylinder and the array, b, the number of hydrophones in the array, 2H, and the angle of incidence of the wave, α, on the error in finding the DOA are illustrated using numerical results. For an array that is about 30 times the wavelength and for small angles of incidence (α<10), the error in finding the DOA using the energy method is less than that using the split beam correlation method with beam steered to α; and in some cases, the error increases when b increases; and the errors in finding the DOA using the energy method and the split beam correlation method with beam steered to α vary approximately as a7 / 4 . The problem is of interest because elastic stiffeners – in nearly acoustically transparent sonar domes that are used to protect arrays of transducers – scatter waves that are incident on it and cause an error in the estimated direction of arrival of the wave. In the third problem, a high-frequency ray-acoustics method is presented and used to determine the interior pressure field when a plane wave is normally incident on a fluid cylinder embedded in another infinite fluid. The pressure field is determined by using geometrical and physical acoustics. The interior pressure is expressed as the sum of the pressures due to all rays that pass through a point. Numerical results are presented for ka = 20 to 100 where k is the acoustic wavenumber of the exterior fluid and a is the radius of the cylinder. The results are in good agreement with those obtained using field theory. The directional responses, to the plane wave, of sectors of a circular array of uniformly distributed hydrophones in the embedded cylinder are then computed. The sectors are used to simulate linear arrays with uniformly distributed normals by using delays. The directional responses are compared with the output from an array in an infinite homogenous fluid. These outputs are of interest as they are used to determine the direction of arrival of the plane wave. Numerical results are presented for a circular array with 32 hydrophones and 12 hydrophones in each sector. The problem is of interest because arrays of hydrophones are housed inside sonar domes and acoustic plane waves from distant sources are scattered by the dome filled with fresh water and cause deterioration in the performance of the array.

Studies on rubber compositions as passive acoustic materials in underwater electro acoustic transducer technology-and their aging characteristics

Rubber has become an indispensable material in Ocean technology. Rubber components play critical roles such as sealing, damping, environmental protection, electrical insulation etc. in most under water engineering applications. Technology driven innovations in electro acoustic transducers and other sophisticated end uses have enabled quantum jump in the quality and reliability of rubber components. Under water electro acoustic transducers use rubbers as a critical material in their construction. Work in this field has lead to highly reliable and high performance materials which has enhanced service life of transducers to the extent of 1015 years. Present work concentrates on these materials. Conventional rubbers are inadequate to meet many of the stringent functional of the requirements. There exists large gap of information in the rubber technology of under water rubbers, particularly in the context of under water electro acoustic transducers. Present study is towards filling up the gaps of information in this crucial area. The research work has been in the area of compounding and characterisation of rubbers for use in under water electro acoustic transducers. The study also covers specific material system such as encapsulation material, baffle material, seal material, etc. Life prediction techniques of under water rubbers in general has been established with reference to more than one functional property. This thesis is divided into 6 chapters.

Underwater Target Localization, Tracking and Classification

Underwater target localization and tracking attracts tremendous research interest due to various impediments to the estimation task caused by the noisy ocean environment. This thesis envisages the implementation of a prototype automated system for underwater target localization, tracking and classification using passive listening buoy systems and target identification techniques. An autonomous three buoy system has been developed and field trials have been conducted successfully. Inaccuracies in the localization results, due to changes in the environmental parameters, measurement errors and theoretical approximations are refined using the Kalman filter approach. Simulation studies have been conducted for the tracking of targets with different scenarios even under maneuvering situations. This system can as well be used for classifying the unknown targets by extracting the features of the noise emanations from the targets.