Implementação paralela do algoritmo iterativo de busca do parâmetro de regularização ótimo para o funcional de Tikhonov no problema de restauração de imagens

O uso de técnicas com o funcional de Tikhonov em processamento de imagens tem sido amplamente usado nos últimos anos. A ideia básica nesse processo é modificar uma imagem inicial via equação de convolução e encontrar um parâmetro que minimize esse funcional afim de obter uma aproximação da imagem original. Porém, um problema típico neste método consiste na seleção do parâmetro de regularização adequado para o compromisso entre a acurácia e a estabilidade da solução. Um método desenvolvido por pesquisadores do IPRJ e UFRJ, atuantes na área de problemas inversos, consiste em minimizar um funcional de resíduos através do parâmetro de regularização de Tikhonov. Uma estratégia que emprega a busca iterativa deste parâmetro visando obter um valor mínimo para o funcional na iteração seguinte foi adotada recentemente em um algoritmo serial de restauração. Porém, o custo computacional é um fator problema encontrado ao empregar o método iterativo de busca. Com esta abordagem, neste trabalho é feita uma implementação em linguagem C++ que emprega técnicas de computação paralela usando MPI (Message Passing Interface) para a estratégia de minimização do funcional com o método de busca iterativa, reduzindo assim, o tempo de execução requerido pelo algoritmo. Uma versão modificada do método de Jacobi é considerada em duas versões do algoritmo, uma serial e outra em paralelo. Este algoritmo é adequado para implementação paralela por não possuir dependências de dados como de Gauss-Seidel que também é mostrado a convergir. Como indicador de desempenho para avaliação do algoritmo de restauração, além das medidas tradicionais, uma nova métrica que se baseia em critérios subjetivos denominada IWMSE (Information Weighted Mean Square Error) é empregada. Essas métricas foram introduzidas no programa serial de processamento de imagens e permitem fazer a análise da restauração a cada passo de iteração. Os resultados obtidos através das duas versões possibilitou verificar a aceleração e a eficiência da implementação paralela. A método de paralelismo apresentou resultados satisfatórios em um menor tempo de processamento e com desempenho aceitável.

Implementação de um algoritmo numérico para solução da equação de Christoffel generalizada em acustoelasticidade.

Extensos estudos realizados nas últimas décadas sobre a propagação de ondas ultrassônicas em sólidos levaram ao desenvolvimento de técnicas não destrutivas para a avaliação da segurança e integridade de estruturas e componentes industriais. O interesse na aplicação de técnicas ultrassônicas para medição de tensões aplicadas e residuais decorre da mudança mensurável da velocidade das ondas ultrassônicas na presença de um campo de tensões, fenômeno conhecido como efeito acustoelástico. Uma teoria de acustoelasticidade fornece um meio atrativo e não destrutivo de medir a tensão média ao longo do caminho percorrido pela onda. O estudo da propagação das ondas ultrassônicas em meios homogêneos anisotrópicos sob tensão conduz a um problema não linear de autovalores dado pela equação de Christoffel generalizada. A característica não linear deste problema decorre da interdependência entre as constantes elásticas efetivas do material e as tensões atuantes. A medição experimental de tensões por técnicas ultrassônicas é um problema inverso da acustoelasticidade. Esta dissertação apresenta a implementação de um algoritmo numérico, baseado no método proposto por Degtyar e Rokhlin, para solução do problema inverso da acustoelasticidade em sólidos ortotrópicos sujeitos a um estado plano de tensões. A solução da equação de Christoffel generalizada apresenta dificuldades de natureza numérica e prática. A estabilidade e a precisão do algoritmo desenvolvido, bem como a influência das incertezas na medição experimental das velocidades das ondas ultrassônicas, foram então investigadas. Dados sintéticos para as velocidades das ondas ultrassônicas de incidência oblíqua em uma placa sujeita a um estado plano de tensões foram gerados pela solução direta da equação de Christoffel generalizada para ilustrar a aplicação do algoritmo desenvolvido. O objetivo maior desta dissertação é a disponibilização de uma nova ferramenta de cálculo para suporte às atividades experimentais de medição de tensões por ultrassom no país.

Bideratze arazoen ebazpenerako aplikatutako algoritmo metaheuristikoen diseinu, inplementazio eta konparaketa.

[EU]Proiektu honen helburua sare ezberdinetan algoritmo metaheuristikoen erabileraren bitartez bideratze arazoak ebaztea eta aztertzea da. Helburu honetarako erabiliko diren algoritmoak Coral Reefs Optimization eta Firefly Algorithm dira. Bi algoritmoak Python erabiliz inplementatuko dira, baita sareak simulatzen dituen programa ere. Modu honetan, algoritmo bakoitzaren gaitasuna aztertuko da sareko bi punturen arteko bide bideragarri bat, zeinek ezarritako murrizketak betetzen dituen, aurkitzeko; prozesu hau ausaz sortutako simulatutako sare batean oinarrituz garatuko da. Honen bitartez, arazo honen ebazpenerako algoritmo bakoitza egokia den eta bietariko zein den egokiena ondorioztatu ahalko da.

Implementación y evaluación de un algoritmo de ocultación de datos para la señal de voz.

[ES]El objetivo de este proyecto es la implementación de un algoritmo de ocultación de datos para la señal de voz mediante el uso de su información de fase espectral. Cuando se trabaja con señales de voz lo más habitual es utilizar el módulo debido a su sencillez a la hora de manipularlo y porque está relacionado con la percepción. En este caso, se busca que la información oculta sea perceptualmente y estadísticamente indetectable y que a su vez degrade lo menos posible la calidad de la señal, por lo que modificar el módulo produciría efectos no deseados. Por lo tanto, el método más eficaz de conseguirlo es trabajando con la fase espectral, precisamente por el hecho de que el sistema auditivo humano es menos sensible ante modificaciones de fase. Esta característica es la que se aprovechará para introducir la información que se desea ocultar. Por último, se evaluará la técnica desarrollada de acuerdo a diferentes criterios. Mediante pruebas en las que se modificarán los valores de algunos parámetros se obtendrán resultados relacionados con la perceptibilidad, la robustez, el rendimiento o la capacidad entre otros, determinando así la configuración óptima del algoritmo.

Reconhecimento de padrão na biodisponibilidade do ferro utilizando o Algoritmo Fuzzy C-Means

Este trabalho apresenta um método para reconhecimento do padrão na biodisponibilidade do ferro, através da interação com substâncias que auxiliam a absorção como vitamina C e vitamina A e nutrientes inibidores como cálcio, fitato, oxalato, tanino e cafeína. Os dados foram obtidos através de inquérito alimentar, almoço e jantar, em crianças de 2 a 5 anos da única Creche Municipal de Paraty-RJ entre 2007 e 2008. A Análise de Componentes Principais (ACP) foi aplicada na seleção dos nutrientes e utilizou-se o Algoritmo Fuzzy C-Means (FCM) para criar os agrupamentos classificados de acordo com a biodisponibilidade do ferro. Uma análise de sensibilidade foi desenvolvida na tentativa de buscar quantidades limítrofes de cálcio a serem consumidas nas refeições. A ACP mostrou que no almoço os nutrientes que explicavam melhor a variabilidade do modelo foram ferro, vitamina C, fitato e oxalato, enquanto no jantar o cálcio se mostrou eficaz na determinação da variabilidade do modelo devido ao elevado consumo de leite e derivados. Para o almoço, a aplicação do FCM na interação dos nutrientes, notou-se que a ingestão de vitamina C foi determinante na classificação dos grupos. No jantar, a classificação de grupos foi determinada pela quantidade de ferro heme na interação com o cálcio. Na análise de sensibilidade realizada no almoço e no jantar, duas iterações do algoritmo determinaram a interferência total do cálcio na biodisponibilidade do ferro.

Strategies for Power Line Communications Smart Metering Network Deployment

Smart Grids are becoming a reality all over the world. Nowadays, the research efforts for the introduction and deployment of these grids are mainly focused on the development of the field of Smart Metering. This emerging application requires the use of technologies to access the significant number of points of supply (PoS) existing in the grid, covering the Low Voltage (LV) segment with the lowest possible costs. Power Line Communications (PLC) have been extensively used in electricity grids for a variety of purposes and, of late, have been the focus of renewed interest. PLC are really well suited for quick and inexpensive pervasive deployments. However, no LV grid is the same in any electricity company (utility), and the particularities of each grid evolution, architecture, circumstances and materials, makes it a challenge to deploy Smart Metering networks with PLC technologies, with the Smart Grid as an ultimate goal. This paper covers the evolution of Smart Metering networks, together with the evolution of PLC technologies until both worlds have converged to project PLC-enabled Smart Metering networks towards Smart Grid. This paper develops guidelines over a set of strategic aspects of PLC Smart Metering network deployment based on the knowledge gathered on real field; and introduces the future challenges of these networks in their evolution towards the Smart Grid.

BotCam: a baited camera system for nonextractive monitoring of bottomfish species

A stereo-video baited camera system (BotCam) has been developed as a fishery-independent tool to monitor and study deepwater fish species and their habitat. During testing, BotCam was deployed primarily in water depths between 100 and 300 m for an assessment of its use in monitoring and studying Hawaiian bottomfish species. Details of the video analyses and data from the pilot study with BotCam in Hawai`i are presented. Multibeam bathymetry and backscatter data were used to delineate bottomfish habitat strata, and a stratified random sampling design was used for BotCam deployment locations. Video data were analyzed to assess relative fish abundance and to measure f ish size composition. Results corroborate published depth ranges and zones of the target species, as well as their habitat preferences. The results indicate that BotCam is a promising tool for monitoring and studying demersal fish populations associated with deepwater habitats to a depth of 300 m, at mesohabitat scales. BotCam is a flexible, nonextractive, and economical means to better understand deepwater ecosystems and improve science-based ecosystem approaches to management.

Use of stereo camera systems for assessment of rockfish abundance in untrawlable areas and for recording pollock behavior during midwater trawls

We describe the application of two types of stereo camera systems in fisheries research, including the design, calibration, analysis techniques, and precision of the data obtained with these systems. The first is a stereo video system deployed by using a quick-responding winch with a live feed to provide species- and size- composition data adequate to produce acoustically based biomass estimates of rockfish. This system was tested on the eastern Bering Sea slope where rockfish were measured. Rockfish sizes were similar to those sampled with a bottom trawl and the relative error in multiple measurements of the same rockfish in multiple still-frame images was small. Measurement errors of up to 5.5% were found on a calibration target of known size. The second system consisted of a pair of still-image digital cameras mounted inside a midwater trawl. Processing of the stereo images allowed fish length, fish orientation in relation to the camera platform, and relative distance of the fish to the trawl netting to be determined. The video system was useful for surveying fish in Alaska, but it could also be used broadly in other situations where it is difficult to obtain species-composition or size-composition information. Likewise, the still-image system could be used for fisheries research to obtain data on size, position, and orientation of fish.

Um algoritmo em paralelo para solução de equações diferenciais evolutivas

Este trabalho que envolve matemática aplicada e processamento paralelo: seu objetivo é avaliar uma estratégia de implementação em paralelo para algoritmos de diferenças finitas que aproximam a solução de equações diferenciais de evolução. A alternativa proposta é a substituição dos produtos matriz-vetor efetuados sequencialmente por multiplicações matriz-matriz aceleradas pelo método de Strassen em paralelo. O trabalho desenvolve testes visando verificar o ganho computacional relacionado a essa estratégia de paralelização, pois as aplicacações computacionais, que empregam a estratégia sequencial, possuem como característica o longo período de computação causado pelo grande volume de cálculo. Inclusive como alternativa, nós usamos o algoritmo em paralelo convencional para solução de algoritmos explícitos para solução de equações diferenciais parciais evolutivas no tempo. Portanto, de acordo com os resultados obtidos, nós observamos as características de cada estratégia em paralelo, tendo como principal objetivo diminuir o esforço computacional despendido.

The use of multibeam sonar mapping techniques to refine population estimates of the endangered white abalone (Haliotis sorenseni)

Multibeam sonar mapping techniques provide detailed benthic habitat information that can be combined with the data on species-specific habitat preferences to provide highly accurate calculations of populations in a particular area. The amount of suitable habitat available for the endangered white abalone (Haliotis sorenseni) was quantified to aid in obtaining an accurate estimate of the number of remaining individuals at two offshore banks and one island site off the coast of southern California. Habitat was mapped by using multibeam sonar survey techniques and categorized by using rugosity and topographic position analysis. Abalone densities were evaluated by using a remotely operated vehicle and video transect methods. The total amount of suitable habitat at these three sites was far greater than that previously estimated. Therefore, although present estimates of white abalone densities are several orders of magnitude lower than historic estimates, the total population is likely larger than previously reported because of the additional amount of habitat surveyed in this study.

Aperfeiçoamento do algoritmo algébrico sequencial para a identificação de variações abruptas de impedância acústica via otimização

Neste trabalho são utilizados a técnica baseada na propagação de ondas acústicas e o método de otimização estocástica Luus-Jaakola (LJ) para solucionar o problema inverso relacionado à identificação de danos em barras. São apresentados o algoritmo algébrico sequencial (AAS) e o algoritmo algébrico sequencial aperfeiçoado (AASA) que modelam o problema direto de propagação de ondas acústicas em uma barra. O AASA consiste nas modificações introduzidas no AAS. O uso do AASA resolve com vantagens o problema de identificação de danos com variações abruptas de impedância. Neste trabalho são obtidos, usando-se o AAS-LJ e o AASA-LJ, os resultados de identificação de cinco cenários de danos. Três deles com perfil suave de impedância acústica generalizada e os outros dois abruptos. Além disso, com o objetivo de simular sinais reais de um experimento, foram introduzidos variados níveis de ruído. Os resultados alcançados mostram que o uso do AASA-LJ na resolução de problemas de identificação de danos em barras é bastante promissor, superando o AAS-LJ para perfis abruptos de impedância.

Solução de problemas inversos de transferência radiativa em meios heterogêneos unidimensionais e uma e duas camadas utilizando o algoritmo dos vagalumes

Esta tese apresenta um estudo sobre modelagem computacional onde são aplicadas meta-heurísticas de otimização na solução de problemas inversos de transferência radiativa em meios unidimensionais com albedo dependente da variável óptica, e meios unidimensionais de duas camadas onde o problema inverso é tratado como um problema de otimização. O trabalho aplica uma meta-heurística baseada em comportamentos da natureza conhecida como algoritmo dos vagalumes. Inicialmente, foram feitos estudos comparativos de desempenho com dois outros algoritmos estocásticos clássicos. Os resultados encontrados indicaram que a escolha do algoritmo dos vagalumes era apropriada. Em seguida, foram propostas outras estratégias que foram inseridas no algoritmo dos vagalumes canônico. Foi proposto um caso onde se testou e investigou todas as potenciais estratégias. As que apresentaram os melhores resultados foram, então, testadas em mais dois casos distintos. Todos os três casos testados foram em um ambiente de uma camada, com albedo de espalhamento dependente da posição espacial. As estratégias que apresentaram os resultados mais competitivos foram testadas em um meio de duas camadas. Para este novo cenário foram propostos cinco novos casos de testes. Os resultados obtidos, pelas novas variantes do algoritmo dos vagalumes, foram criticamente analisados.