ECG Noise Removal using GA tuned Sign-Data Least Mean Square Algorithm

Adaptive filter is a primary method to filter Electrocardiogram (ECG), because it does not need the signal statistical characteristics. In this paper, an adaptive filtering technique for denoising the ECG based on Genetic Algorithm (GA) tuned Sign-Data Least Mean Square (SD-LMS) algorithm is proposed. This technique minimizes the mean-squared error between the primary input, which is a noisy ECG, and a reference input which can be either noise that is correlated in some way with the noise in the primary input or a signal that is correlated only with ECG in the primary input. Noise is used as the reference signal in this work. The algorithm was applied to the records from the MIT -BIH Arrhythmia database for removing the baseline wander and 60Hz power line interference. The proposed algorithm gave an average signal to noise ratio improvement of 10.75 dB for baseline wander and 24.26 dB for power line interference which is better than the previous reported works

Internal Camera Calibration Using Rotation and Geometric Shapes

This paper describes a simple method for internal camera calibration for computer vision. This method is based on tracking image features through a sequence of images while the camera undergoes pure rotation. The location of the features relative to the camera or to each other need not be known and therefore this method can be used both for laboratory calibration and for self calibration in autonomous robots working in unstructured environments. A second method of calibration is also presented. This method uses simple geometric objects such as spheres and straight lines to The camera parameters. Calibration is performed using both methods and the results compared.

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.

VLSI architecture for motion estimation in underwater imaging

El treball desenvolupat en aquesta tesi aprofundeix i aporta solucions innovadores en el camp orientat a tractar el problema de la correspondència en imatges subaquàtiques. En aquests entorns, el que realment complica les tasques de processat és la falta de contorns ben definits per culpa d'imatges esborronades; un fet aquest que es deu fonamentalment a il·luminació deficient o a la manca d'uniformitat dels sistemes d'il·luminació artificials. Els objectius aconseguits en aquesta tesi es poden remarcar en dues grans direccions. Per millorar l'algorisme d'estimació de moviment es va proposar un nou mètode que introdueix paràmetres de textura per rebutjar falses correspondències entre parells d'imatges. Un seguit d'assaigs efectuats en imatges submarines reals han estat portats a terme per seleccionar les estratègies més adients. Amb la finalitat d'aconseguir resultats en temps real, es proposa una innovadora arquitectura VLSI per la implementació d'algunes parts de l'algorisme d'estimació de moviment amb alt cost computacional.

Adaptive constraints for feature tracking

In this paper extensions to an existing tracking algorithm are described. These extensions implement adaptive tracking constraints in the form of regional upper-bound displacements and an adaptive track smoothness constraint. Together, these constraints make the tracking algorithm more flexible than the original algorithm (which used fixed tracking parameters) and provide greater confidence in the tracking results. The result of applying the new algorithm to high-resolution ECMWF reanalysis data is shown as an example of its effectiveness.

Review of computer vision in intelligent environment design

This paper discusses and compares the use of vision based and non-vision based technologies in developing intelligent environments. By reviewing the related projects that use vision based techniques in intelligent environment design, the achieved functions, technical issues and drawbacks of those projects are discussed and summarized, and the potential solutions for future improvement are proposed, which leads to the prospective direction of my PhD research.

Characteristics and variability of storm tracks in the north Pacific, Bering Sea, and Alaska

The North Pacific and Bering Sea regions represent loci of cyclogenesis and storm track activity. In this paper climatological properties of extratropical storms in the North Pacific/Bering Sea are presented based upon aggregate statistics of individual storm tracks calculated by means of a feature-tracking algorithm run using NCEP–NCAR reanalysis data from 1948/49 to 2008, provided by the NOAA/Earth System Research Laboratory and the Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, Climate Diagnostics Center. Storm identification is based on the 850-hPa relative vorticity field (ζ) instead of the often-used mean sea level pressure; ζ is a prognostic field, a good indicator of synoptic-scale dynamics, and is directly related to the wind speed. Emphasis extends beyond winter to provide detailed consideration of all seasons. Results show that the interseasonal variability is not as large during the spring and autumn seasons. Most of the storm variables—genesis, intensity, track density—exhibited a maxima pattern that was oriented along a zonal axis. From season to season this axis underwent a north–south shift and, in some cases, a rotation to the northeast. This was determined to be a result of zonal heating variations and midtropospheric moisture patterns. Barotropic processes have an influence in shaping the downstream end of storm tracks and, together with the blocking influence of the coastal orography of northwest North America, result in high lysis concentrations, effectively making the Gulf of Alaska the “graveyard” of Pacific storms. Summer storms tended to be longest in duration. Temporal trends tended to be weak over the study area. SST did not emerge as a major cyclogenesis control in the Gulf of Alaska.

Unsupervised genetic algorithm deployed for intrusion detection

This paper represents the first step in an on-going work for designing an unsupervised method based on genetic algorithm for intrusion detection. Its main role in a broader system is to notify of an unusual traffic and in that way provide the possibility of detecting unknown attacks. Most of the machine-learning techniques deployed for intrusion detection are supervised as these techniques are generally more accurate, but this implies the need of labeling the data for training and testing which is time-consuming and error-prone. Hence, our goal is to devise an anomaly detector which would be unsupervised, but at the same time robust and accurate. Genetic algorithms are robust and able to avoid getting stuck in local optima, unlike the rest of clustering techniques. The model is verified on KDD99 benchmark dataset, generating a solution competitive with the solutions of the state-of-the-art which demonstrates high possibilities of the proposed method.

Neural network basis function center selection using cluster analysis

This paper deals with the selection of centres for radial basis function (RBF) networks. A novel mean-tracking clustering algorithm is described as a way in which centers can be chosen based on a batch of collected data. A direct comparison is made between the mean-tracking algorithm and k-means clustering and it is shown how mean-tracking clustering is significantly better in terms of achieving an RBF network which performs accurate function modelling.

Investigating global tropical cyclone activity with a hierarchy of AGCMs: the role of model resolution

The ability to run General Circulation Models (GCMs) at ever-higher horizontal resolutions has meant that tropical cyclone simulations are increasingly credible. A hierarchy of atmosphere-only GCMs, based on the Hadley Centre Global Environmental Model (HadGEM1), with horizontal resolution increasing from approximately 270km to 60km (at 50N), is used to systematically investigate the impact of spatial resolution on the simulation of global tropical cyclone activity, independent of model formulation. Tropical cyclones are extracted from ensemble simulations and reanalyses of comparable resolutions using a feature-tracking algorithm. Resolution is critical for simulating storm intensity and convergence to observed storm intensities is not achieved with the model hierarchy. Resolution is less critical for simulating the annual number of tropical cyclones and their geographical distribution, which are well captured at resolutions of 135km or higher, particularly for Northern Hemisphere basins. Simulating the interannual variability of storm occurrence requires resolutions of 100km or higher; however, the level of skill is basin dependent. Higher resolution GCMs are increasingly able to capture the interannual variability of the large-scale environmental conditions that contribute to tropical cyclogenesis. Different environmental factors contribute to the interannual variability of tropical cyclones in the different basins: in the North Atlantic basin the vertical wind shear, potential intensity and low-level absolute vorticity are dominant, while in the North Pacific basins mid-level relative humidity and low-level absolute vorticity are dominant. Model resolution is crucial for a realistic simulation of tropical cyclone behaviour, and high-resolution GCMs are found to be valuable tools for investigating the global location and frequency of tropical cyclones.

Analysis of frequency and intensity of European winter storm events from a multi-model perspective, at synoptic and regional scales

This study focuses on the analysis of winter (October-November-December-January-February-March; ONDJFM) storm events and their changes due to increased anthropogenic greenhouse gas concentrations over Europe. In order to assess uncertainties that are due to model formulation, 4 regional climate models (RCMs) with 5 high resolution experiments, and 4 global general circulation models (GCMs) are considered. Firstly, cyclone systems as synoptic scale processes in winter are investigated, as they are a principal cause of the occurrence of extreme, damage-causing wind speeds. This is achieved by use of an objective cyclone identification and tracking algorithm applied to GCMs. Secondly, changes in extreme near-surface wind speeds are analysed. Based on percentile thresholds, the studied extreme wind speed indices allow a consistent analysis over Europe that takes systematic deviations of the models into account. Relative changes in both intensity and frequency of extreme winds and their related uncertainties are assessed and related to changing patterns of extreme cyclones. A common feature of all investigated GCMs is a reduced track density over central Europe under climate change conditions, if all systems are considered. If only extreme (i.e. the strongest 5%) cyclones are taken into account, an increasing cyclone activity for western parts of central Europe is apparent; however, the climate change signal reveals a reduced spatial coherency when compared to all systems, which exposes partially contrary results. With respect to extreme wind speeds, significant positive changes in intensity and frequency are obtained over at least 3 and 20% of the European domain under study (35–72°N and 15°W–43°E), respectively. Location and extension of the affected areas (up to 60 and 50% of the domain for intensity and frequency, respectively), as well as levels of changes (up to +15 and +200% for intensity and frequency, respectively) are shown to be highly dependent on the driving GCM, whereas differences between RCMs when driven by the same GCM are relatively small.

Can polar lows be objectively identified and tracked in the ECMWF operational analysis and the ERA-Interim reanalysis?

Polar lows are maritime meso-cyclones associated with intense surface wind speeds and oceanic heat fluxes at high latitudes. The ability of the ERA-Interim (ERAI) reanalysis to represent polar lows in the North Atlantic is assessed by comparing ERAI and the ECMWF operational analysis for the period 2008-2011. First, the representation of a set of satellite observed polar lows over the Norwegian and Barents Seas in the operational analysis and ERAI is analysed. Then, the possibility of directly identifying and tracking the polar lows in the operational analysis and ERAI is explored using a tracking algorithm based on 850 hPa vorticity with objective identification criteria on cyclone dynamical intensity and atmospheric static stability. All but one of the satellite observed polar lows with a lifetime of at least 6 hours have an 850 hPa vorticity signature of a co-located mesocyclone in both the operational analysis and ERAI for most of their life cycles. However, the operational analysis has vorticity structures that better resemble the observed cloud patterns and stronger surface wind speed intensities compared to those in ERAI. By applying the objective identification criteria, about 55% of the satellite observed polar lows are identified and tracked in ERAI, while this fraction increases to about 70% in the operational analysis. Particularly in ERAI, the remaining observed polar lows are mainly not identified because they have too weak wind speed and vorticity intensity compared to the tested criteria. The implications of the tendency of ERAI to underestimate the polar low dynamical intensity for future studies of polar lows is discussed.

An inter-hemispheric comparison of the tropical storm response to global warming

Model studies do not agree on future changes in tropical cyclone (TC) activity on regional scales. We aim to shed further light on the distribution, frequency, intensity, and seasonality of TCs that society can expect at the end of the twenty-first century in the Southern hemisphere (SH). Therefore, we investigate TC changes simulated by the atmospheric model ECHAM5 with T213 (~60 km) horizontal resolution. We identify TCs in present-day (20C; 1969–1990) and future (21C; 2069–2100) time slice simulations, using a tracking algorithm based on vorticity at 850 hPa. In contrast to the Northern hemisphere (NH), where tropical storm numbers reduce by 6 %, there is a more dramatic 22 % reduction in the SH, mainly in the South Indian Ocean. While an increase of static stability in 21C may partly explain the reduction in tropical storm numbers, stabilization cannot alone explain the larger SH drop. Large-scale circulation changes associated with a weakening of the Tropical Walker Circulation are hypothesized to cause the strong decrease of cyclones in the South Indian Ocean. In contrast the decrease found over the South Pacific appears to be partly related to increased vertical wind shear, which is possibly associated with an enhanced meridional sea surface temperature gradient. We find the main difference between the hemispheres in changes of the tropical cyclones of intermediate strength with an increase in the NH and a decrease in the SH. In both hemispheres the frequency of the strongest storms increases and the frequency of the weakest storms decreases, although the increase in SH intense storms is marginal.

Projected changes in medicanes in the HadGEM3 N512 high-resolution global climate model

Medicanes or “Mediterranean hurricanes” represent a rare and physically unique type of Mediterranean mesoscale cyclone. There are similarities with tropical cyclones with regard to their development (based on the thermodynamical disequilibrium between the warm sea and the overlying troposphere) and their kinematic and thermodynamical properties (medicanes are intense vortices with a warm core and even a cloud-free eye). Although medicanes are smaller and their wind speeds are lower than in tropical cyclones, the severity of their winds can cause substantial damage to islands and coastal areas. Concern about how human-induced climate change will affect extreme events is increasing. This includes the future impacts on medicanes due to the warming of the Mediterranean waters and the projected changes in regional atmospheric circulation. However, most global climate models do not have high enough spatial resolution to adequately represent small features such as medicanes. In this study, a cyclone tracking algorithm is applied to high resolution global climate model data with a horizontal grid resolution of approximately 25 km over the Mediterranean region. After a validation of the climatology of general Mediterranean mesoscale cyclones, changes in medicanes are determined using climate model experiments with present and future forcing. The magnitude of the changes in the winds, frequency and location of medicanes is assessed. While no significant changes in the total number of Mediterranean mesoscale cyclones are found, medicanes tend to decrease in number but increase in intensity. The model simulation suggests that medicanes tend to form more frequently in the Gulf of Lion–Genoa and South of Sicily.

The SARS algorithm: detrending CoRoT light curves with Sysrem using simultaneous external parameters

Surveys for exoplanetary transits are usually limited not by photon noise but rather by the amount of red noise in their data. In particular, although the CoRoT space-based survey data are being carefully scrutinized, significant new sources of systematic noises are still being discovered. Recently, a magnitude-dependant systematic effect was discovered in the CoRoT data by Mazeh et al. and a phenomenological correction was proposed. Here we tie the observed effect to a particular type of effect, and in the process generalize the popular Sysrem algorithm to include external parameters in a simultaneous solution with the unknown effects. We show that a post-processing scheme based on this algorithm performs well and indeed allows for the detection of new transit-like signals that were not previously detected.