An integrated functional mapping and source localization platform for brain research

The premise of this dissertation is to create a highly integrated platform that combines the most current recording technologies for brain research through the development of new algorithms for three-dimensional (3D) functional mapping and 3D source localization. The recording modalities that were integrated include: Electroencephalography (EEG), Optical Topographic Maps (OTM), Magnetic Resonance Imaging (MRI), and Diffusion Tensor Imaging (DTI). This work can be divided into two parts: The first part involves the integration of OTM with MRI, where the topographic maps are mapped to both the skull and cortical surface of the brain. This integration process is made possible through the development of new algorithms that determine the probes location on the MRI head model and warping the 2D topographic maps onto the 3D MRI head/brain model. Dynamic changes of the brain activation can be visualized on the MRI head model through a graphical user interface. The second part of this research involves augmenting a fiber tracking system, by adding the ability to integrate the source localization results generated by commercial software named Curry. This task involved registering the EEG electrodes and the dipole results to the MRI data. Such Integration will allow the visualization of fiber tracts, along with the source of the EEG, in a 3D transparent brain structure. The research findings of this dissertation were tested and validated through the participation of patients from Miami Children Hospital (MCH). Such an integrated platform presented to the medical professionals in the form of a user-friendly graphical interface is viewed as a major contribution of this dissertation. It should be emphasized that there are two main aspects to this research endeavor: (1) if a dipole could be situated in time at its different positions, its trajectory may reveal additional information on the extent and nature of the brain malfunction; (2) situating such a dipole trajectory with respect to the fiber tracks could ensure the preservation of these fiber tracks (axons) during surgical interventions, preserving as a consequence these parts of the brain that are responsible for information transmission.

Análise de tensões integrada a sistema de engenharia reversa para projeto e confecção de próteses

This work consists of the conception, developing and implementation of a Computational Routine CAE which has algorithms suitable for the tension and deformation analysis. The system was integrated to an academic software named as OrtoCAD. The expansion algorithms for the interface CAE genereated by this work were developed in FORTRAN with the objective of increase the applications of two former works of PPGEM-UFRN: project and fabrication of a Electromechanincal reader and Software OrtoCAD. The software OrtoCAD is an interface that, orinally, includes the visualization of prothetic cartridges from the data obtained from a electromechanical reader (LEM). The LEM is basically a tridimensional scanner based on reverse engineering. First, the geometry of a residual limb (i.e., the remaining part of an amputee leg wherein the prothesis is fixed) is obtained from the data generated by LEM by the use of Reverse Engineering concepts. The proposed core FEA uses the Shell's Theory where a 2D surface is generated from a 3D piece form OrtoCAD. The shell's analysis program uses the well-known Finite Elements Method to describe the geometry and the behavior of the material. The program is based square-based Lagragean elements of nine nodes and displacement field of higher order to a better description of the tension field in the thickness. As a result, the new FEA routine provide excellent advantages by providing new features to OrtoCAD: independency of high cost commercial softwares; new routines were added to the OrtoCAD library for more realistic problems by using criteria of fault engineering of composites materials; enhanced the performance of the FEA analysis by using a specific grid element for a higher number of nodes; and finally, it has the advantage of open-source project and offering customized intrinsic versatility and wide possibilities of editing and/or optimization that may be necessary in the future

Modelo para reconstrução 3D de cenas baseado em imagens

3D Reconstruction is the process used to obtain a detailed graphical model in three dimensions that represents some real objectified scene. This process uses sequences of images taken from the scene, so it can automatically extract the information about the depth of feature points. These points are then highlighted using some computational technique on the images that compose the used dataset. Using SURF feature points this work propose a model for obtaining depth information of feature points detected by the system. At the ending, the proposed system extract three important information from the images dataset: the 3D position for feature points; relative rotation and translation matrices between images; the realtion between the baseline for adjacent images and the 3D point accuracy error found.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

A deep learning-based approach for 3D people tracking

Questa tesi si occupa dell’estensione di un framework software finalizzato all'individuazione e al tracciamento di persone in una scena ripresa da telecamera stereoscopica. In primo luogo è rimossa la necessità di una calibrazione manuale offline del sistema sfruttando algoritmi che consentono di individuare, a partire da un fotogramma acquisito dalla camera, il piano su cui i soggetti tracciati si muovono. Inoltre, è introdotto un modulo software basato su deep learning con lo scopo di migliorare la precisione del tracciamento. Questo componente, che è in grado di individuare le teste presenti in un fotogramma, consente ridurre i dati analizzati al solo intorno della posizione effettiva di una persona, escludendo oggetti che l’algoritmo di tracciamento sarebbe portato a individuare come persone.

Generación de historias centradas en el usuario en entornos 3D

En la actualidad, los videojuegos han ido adquiriendo cada vez más protagonismo en el sector de la tecnología, considerándose un arte para muchos y más que un entretenimiento para otros. Ha supuesto una de las principales fuentes de ingresos en las últimos años superando incluso al cine. A día de hoy, hay muchas herramientas que permiten y facilitan su implementación. Concretamente encontramos programas software que ejercen de motores de desarrollo de videojuegos, como por ejemplo Unreal Engine o Unity3D, que brindan todo lo necesario para llevar a cabo esos juegos que tanto nos gustan. Existen innumerables géneros, como los de aventura gráfica, que cobran más importancia porque intentan darle al usuario un mayor control intentando, cada vez más, simular la realidad. Por esta razón, surge el concepto de generación de historias en tiempo real, con el fin de diferenciarse de aquellas que están predefinidas y dar al usuario la posibilidad de crear una infinidad de historias que dependerán de los movimientos y decisiones que tome a lo largo del juego. Este proyecto se centra en implementar esta idea, partiendo de un entorno gráfico que es el edificio de nuestra facultad. Sobre él desarrollaremos un sistema que permita al usuario moverse libremente por todo el edificio, generando distintas historias en función de los caminos que tome dentro de él. Existe la figura del narrador que le guiará y le aconsejará para completar los objetivos que vayan apareciendo. El usuario puede optar por hacerle caso y seguir sus indicaciones o ignorarlo.

Codificação compatível de vídeo 3D com o algoritmo HEVC

Esta dissertação apresenta um trabalho sobre codificação de vídeo 3D compatível com vídeo 2D. Tem por base o desenvolvimento de um método para melhorar, no descodificador, a reconstrução de uma vista subamostrada resultante de uma transmissão simulcast usando a norma de codificação de vídeo H.265 (informalmente denominada de High Efficiency Video Coding (HEVC)). Apesar de manter a compatibilidade com vídeo 2D a transmissão simulcast normalmente requer uma taxa de transmissão elevada. Na ausência de ferramentas de codificação 3D adequadas é possível reduzir a taxa de transmissão utilizando compressão assimétrica do vídeo, onde a vista base é codificada com a resolução espacial original, enquanto que a vista auxiliar é codificada com uma resolução espacial menor, sendo sobreamostrada no descodificador. O método desenvolvido visa melhorar a vista auxiliar sobreamostrada no descodificador utilizando informação dos detalhes da vista base, ou seja, as componentes de alta frequência. Este processo depende de transformadas Afim para realizar um mapeamento geométrico entre a informação de alta frequência da vista base de resolução completa e a vista auxiliar de menor resolução. Adicionalmente, de modo a manter a continuidade do conteúdo da imagem entre regiões, evitando artefatos de blocos, o mapeamento utiliza uma malha de triangulação da vista auxiliar aplicado à imagem de detalhes obtida a partir da vista base. A técnica proposta é comparada com um método de estimação de disparidade por correspondência de blocos, sendo que os resultados mostram que para algumas sequências a técnica desenvolvida melhora não só a qualidade objetiva (PSNR) até 2.2 dB, mas também a qualidade subjetiva, para a mesma taxa de compressão global.

Towards Mapping of Rock Walls Using a UAV-Mounted 2D Laser Scanner in GPS Denied Environments

In geotechnical engineering, the stability of rock excavations and walls is estimated by using tools that include a map of the orientations of exposed rock faces. However, measuring these orientations by using conventional methods can be time consuming, sometimes dangerous, and is limited to regions of the exposed rock that are reachable by a human. This thesis introduces a 2D, simulated, quadcopter-based rock wall mapping algorithm for GPS denied environments such as underground mines or near high walls on surface. The proposed algorithm employs techniques from the field of robotics known as simultaneous localization and mapping (SLAM) and is a step towards 3D rock wall mapping. Not only are quadcopters agile, but they can hover. This is very useful for confined spaces such as underground or near rock walls. The quadcopter requires sensors to enable self localization and mapping in dark, confined and GPS denied environments. However, these sensors are limited by the quadcopter payload and power restrictions. Because of these restrictions, a light weight 2D laser scanner is proposed. As a first step towards a 3D mapping algorithm, this thesis proposes a simplified scenario in which a simulated 1D laser range finder and 2D IMU are mounted on a quadcopter that is moving on a plane. Because the 1D laser does not provide enough information to map the 2D world from a single measurement, many measurements are combined over the trajectory of the quadcopter. Least Squares Optimization (LSO) is used to optimize the estimated trajectory and rock face for all data collected over the length of a light. Simulation results show that the mapping algorithm developed is a good first step. It shows that by combining measurements over a trajectory, the scanned rock face can be estimated using a lower-dimensional range sensor. A swathing manoeuvre is introduced as a way to promote loop closures within a short time period, thus reducing accumulated error. Some suggestions on how to improve the algorithm are also provided.

Aerodynamic optimization using Adjoint methods and parametric CAD models

This paper describes an implementation of a method capable of integrating parametric, feature based, CAD models based on commercial software (CATIA) with the SU2 software framework. To exploit the adjoint based methods for aerodynamic optimisation within the SU2, a formulation to obtain geometric sensitivities directly from the commercial CAD parameterisation is introduced, enabling the calculation of gradients with respect to CAD based design variables. To assess the accuracy and efficiency of the alternative approach, two aerodynamic optimisation problems are investigated: an inviscid, 3D, problem with multiple constraints, and a 2D high-lift aerofoil, viscous problem without any constraints. Initial results show the new parameterisation obtaining reliable optimums, with similar levels of performance of the software native parameterisations. In the final paper, details of computing CAD sensitivities will be provided, including accuracy as well as linking geometric sensitivities to aerodynamic objective functions and constraints; the impact in the robustness of the overall method will be assessed and alternative parameterisations will be included.

Advances in an emergency management software for the Canary Islands

[EN]Capaware is a free software platform to develop 3D multilayer geographical applications. The project has been developed by the Technological Institute of the Canary Islands and the University of Las Palmas de Gran Canaria during the last years.

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

A Finite Element to Perform 3D Shakedown Analysis for Limited Kinematic Hardening Materials

The use of the Design by Analysis (DBA) route is a modern trend in pressure vessel and piping international codes in mechanical engineering. However, to apply the DBA to structures under variable mechanical and thermal loads, it is necessary to assure that the plastic collapse modes, alternate plasticity and incremental collapse (with instantaneous plastic collapse as a particular case), be precluded. The tool available to achieve this target is the shakedown theory. Unfortunately, the practical numerical applications of the shakedown theory result in very large nonlinear optimization problems with nonlinear constraints. Precise, robust and efficient algorithms and finite elements to solve this problem in finite dimension has been a more recent achievements. However, to solve real problems in an industrial level, it is necessary also to consider more realistic material properties as well as to accomplish 3D analysis. Limited kinematic hardening, is a typical property of the usual steels and it should be considered in realistic applications. In this paper, a new finite element with internal thermodynamical variables to model kinematic hardening materials is developed and tested. This element is a mixed ten nodes tetrahedron and through an appropriate change of variables is possible to embed it in a shakedown analysis software developed by Zouain and co-workers for elastic ideally-plastic materials, and then use it to perform 3D shakedown analysis in cases with limited kinematic hardening materials

Creazione di una costmap 2D per la navigazione di un rover terrestre

L’obiettivo di questa tesi è riuscire ad elaborare una point cloud 3D proveniente dal laser scanner per individuare possibili ostacoli e creare con essa, successivamente, una mappa che permetta la navigazione di un rover.

Modellazione 3D e analisi dello stato tenso-deformativo di una calandra per la produzione di tubi di acciaio a saldatura elicoidale

Il lavoro di indagine che è stato sviluppato nella presente tesi è volto a valutare, attraverso metodi FEM, ossia tecniche numeriche computazionali, le sollecitazioni e le deformazioni che agiscono sul telaio di uno "Stampo", macchina che realizza l'operazione di calandratura della lamiera nella produzione di tubi di acciaio a saldatura elicoidale. In particolare l’analisi riportata in questo documento può ritenersi uno studio preliminare che ha lo scopo di creare un simulatore tenso-deformativo che permetta di realizzare un futuro lavoro di validazione del modello, quindi esso è stato realizzato nel modo più flessibile possibile, in modo che sia agevole, anche in un secondo tempo, introdurvi delle modifiche. Il Software utilizzato per la realizzazione dell'analisi FEM è Salomé-Meca accompagnato dal risolutore Code Aster. Oltre all'analisi sul Telaio dello Stampo si è effettuato uno studio preliminare, di validità generale, in cui si riportano in dettaglio le operazioni da effettuare per lo studio degli Assembly. In particolare è stato utilizzato il software Efficient per la creazione del file di comando.

Paire stéréoscopique Panomorphe pour la reconstruction 3D d’objets d’intérêt dans une scène

Il existe désormais une grande variété de lentilles panoramiques disponibles sur le marché dont certaines présentant des caractéristiques étonnantes. Faisant partie de cette dernière catégorie, les lentilles Panomorphes sont des lentilles panoramiques anamorphiques dont le profil de distorsion est fortement non-uniforme, ce qui cause la présence de zones de grandissement augmenté dans le champ de vue. Dans un contexte de robotique mobile, ces particularités peuvent être exploitées dans des systèmes stéréoscopiques pour la reconstruction 3D d’objets d’intérêt qui permettent à la fois une bonne connaissance de l’environnement, mais également l’accès à des détails plus fins en raison des zones de grandissement augmenté. Cependant, à cause de leur complexité, ces lentilles sont difficiles à calibrer et, à notre connaissance, aucune étude n’a réellement été menée à ce propos. L’objectif principal de cette thèse est la conception, l’élaboration et l’évaluation des performances de systèmes stéréoscopiques Panomorphes. Le calibrage a été effectué à l’aide d’une technique établie utilisant des cibles planes et d’une boîte à outils de calibrage dont l’usage est répandu. De plus, des techniques mathématiques nouvelles visant à rétablir la symétrie de révolution dans l’image (cercle) et à uniformiser la longueur focale (cercle uniforme) ont été développées pour voir s’il était possible d’ainsi faciliter le calibrage. Dans un premier temps, le champ de vue a été divisé en zones à l’intérieur desquelles la longueur focale instantanée varie peu et le calibrage a été effectué pour chacune d’entre elles. Puis, le calibrage général des systèmes a aussi été réalisé pour tout le champ de vue simultanément. Les résultats ont montré que la technique de calibrage par zone ne produit pas de gain significatif quant à la qualité des reconstructions 3D d’objet d’intérêt par rapport au calibrage général. Cependant, l’étude de cette nouvelle approche a permis de réaliser une évaluation des performances des systèmes stéréoscopiques Panomorphes sur tout le champ de vue et de montrer qu’il est possible d’effectuer des reconstructions 3D de qualité dans toutes les zones. De plus, la technique mathématique du cercle a produit des résultats de reconstructions 3D en général équivalents à l’utilisation des coordonnées originales. Puisqu’il existe des outils de calibrage qui, contrairement à celui utilisé dans ce travail, ne disposent que d’un seul degré de liberté sur la longueur focale, cette technique pourrait rendre possible le calibrage de lentilles Panomorphes à l’aide de ceux-ci. Finalement, certaines conclusions ont pu être dégagées quant aux facteurs déterminants influençant la qualité de la reconstruction 3D à l’aide de systèmes stéréoscopiques Panomorphes et aux caractéristiques à privilégier dans le choix des lentilles. La difficulté à calibrer les optiques Panomorphes en laboratoire a mené à l’élaboration d’une technique de calibrage virtuel utilisant un logiciel de conception optique et une boîte à outils de calibrage. Cette approche a permis d’effectuer des simulations en lien avec l’impact des conditions d’opération sur les paramètres de calibrage et avec l’effet des conditions de calibrage sur la qualité de la reconstruction. Des expérimentations de ce type sont pratiquement impossibles à réaliser en laboratoire mais représentent un intérêt certain pour les utilisateurs. Le calibrage virtuel d’une lentille traditionnelle a aussi montré que l’erreur de reprojection moyenne, couramment utilisée comme façon d’évaluer la qualité d’un calibrage, n’est pas nécessairement un indicateur fiable de la qualité de la reconstruction 3D. Il est alors nécessaire de disposer de données supplémentaires pour juger adéquatement de la qualité d’un calibrage.