Linear algebra with applications

Lecture slides and notes for a PhD level course on linear algebra for electrical engineers and computer scientists. This course is given in in the framework of the School of Electronics and Computer Science Mathematics Training Courses https://secure.ecs.soton.ac.uk/notes/pg_maths/ (ECS password required)

Estado situacional de los modelos basados en agentes y su impacto en la investigación organizacional

En un mundo hiperconectado, dinámico y cargado de incertidumbre como el actual, los métodos y modelos analíticos convencionales están mostrando sus limitaciones. Las organizaciones requieren, por tanto, herramientas útiles que empleen tecnología de información y modelos de simulación computacional como mecanismos para la toma de decisiones y la resolución de problemas. Una de las más recientes, potentes y prometedoras es el modelamiento y la simulación basados en agentes (MSBA). Muchas organizaciones, incluidas empresas consultoras, emplean esta técnica para comprender fenómenos, hacer evaluación de estrategias y resolver problemas de diversa índole. Pese a ello, no existe (hasta donde conocemos) un estado situacional acerca del MSBA y su aplicación a la investigación organizacional. Cabe anotar, además, que por su novedad no es un tema suficientemente difundido y trabajado en Latinoamérica. En consecuencia, este proyecto pretende elaborar un estado situacional sobre el MSBA y su impacto sobre la investigación organizacional.

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.

Time-multiplexed Laguerre-Gaussian holographic optical tweezers for biological applications

A ferroelectric liquid crystal spatial light modulator is used to generate up to 24 independently controllable traps in a holographic optical tweezers system using time-multiplexed Fresnel zone plates. For use in biological applications, helical zone plates are used to generate Laguerre-Gaussian laser modes. The high speed switching of the ferroelectric device together with recent advances in computer technology enable fast, smooth movement of traps that can be independently controlled in real time. This is demonstrated by the trapping and manipulation of yeast cells and fungal spores. (c) 2006 Optical Society of America.

Interference and communications among active network applications

This paper focuses on active networks applications and in particular on the possible interactions among these applications. Active networking is a very promising research field which has been developed recently, and which poses several interesting challenges to network designers. A number of proposals for e±cient active network architectures are already to be found in the literature. However, how two or more active network applications may interact has not being investigated so far. In this work, we consider a number of applications that have been designed to exploit the main features of active networks and we discuss what are the main benefits that these applications may derive from them. Then, we introduce some forms of interaction including interference and communications among applications, and identify the components of an active network architecture that are needed to support these forms of interaction. We conclude by presenting a brief example of an active network application exploiting the concept of interaction.

Accessing biodiversity resources in computational environments from workflow applications

In the Biodiversity World (BDW) project we have created a flexible and extensible Web Services-based Grid environment for biodiversity researchers to solve problems in biodiversity and analyse biodiversity patterns. In this environment, heterogeneous and globally distributed biodiversity-related resources such as data sets and analytical tools are made available to be accessed and assembled by users into workflows to perform complex scientific experiments. One such experiment is bioclimatic modelling of the geographical distribution of individual species using climate variables in order to predict past and future climate-related changes in species distribution. Data sources and analytical tools required for such analysis of species distribution are widely dispersed, available on heterogeneous platforms, present data in different formats and lack interoperability. The BDW system brings all these disparate units together so that the user can combine tools with little thought as to their availability, data formats and interoperability. The current Web Servicesbased Grid environment enables execution of the BDW workflow tasks in remote nodes but with a limited scope. The next step in the evolution of the BDW architecture is to enable workflow tasks to utilise computational resources available within and outside the BDW domain. We describe the present BDW architecture and its transition to a new framework which provides a distributed computational environment for mapping and executing workflows in addition to bringing together heterogeneous resources and analytical tools.

Learning how older adults undertake computer tasks [poster]

This paper describes a study that was conducted to learn more about how older adults use the tools in a GUI to undertake tasks in Windows applications. The objective was to gain insight into what people did and what they found most difficult. File and folder manipulation, and some aspects of formatting presented difficulties, and these were thought to be related to a lack of understanding of the task model, the correct interpretation of the visual cues presented by the interface, and the recall and translation of the task model into a suitable sequence of actions.

Designing persuasive third party applications for social networking services based on the 3D-RAB model

The use of social networks services for promoting business, teaching, learning, persuasion and spread of information continues to attract attention as most social networking services (SNSs) now allow third party applications to operate on their sites. In the field of persuasive technology, the ability of SNSs to build relationships among their users and create momentum and enthusiasm through rapid cycles also give it a greater advantage over other persuasive technology approaches. In this paper we discuss the 3-dimensional relationship between attitude and behavior (3D-RAB) model, and demonstrate how it can be used in designing third-party persuasive applications in SNSs by considering external factors which affects persuasive strategies.

Using cursor measures to determine appropriate computer input assistance for motion-impaired users

People with motion-impairments can often have difficulty with accurate control of standard pointing devices for computer input. The nature of the difficulties may vary, so to be most effective, methods of assisting cursor control must be suited to each user's needs. The work presented here involves a study of cursor trajectories as a means of assessing the requirements of motion-impaired computer users. A new cursor characteristic is proposed that attempts to capture difficulties with moving the cursor in a smooth trajectory. A study was conducted to see if haptic tunnels could improve performance in "point and click" tasks. Results indicate that the tunnels reduced times to target for those users identified by the new characteristic as having the most difficulty moving in a smooth trajectory. This suggests that cursor characteristics have potential applications in performing assessments of a user's cursor control capabilities which can then be used to determine appropriate methods of assistance.

Low-cost optical tracking for collaborative applications in immersive virtual environments

We present a novel way of interacting with an immersive virtual environment which involves inexpensive motion-capture using the Wii Remote®. A software framework is also presented to visualize and share this information across two remote CAVETM-like environments. The resulting application can be used to assist rehabilitation by sending motion information across remote sites. The application’s software and hardware components are scalable enough to be used on a desktop computer when home-based rehabilitation is preferred.