Study of OSEM with different subsets in grating-based X-ray differential phase-contrast imaging.

Impressive developments in X-ray imaging are associated with X-ray phase contrast computed tomography based on grating interferometry, a technique that provides increased contrast compared with conventional absorption-based imaging. A new "single-step" method capable of separating phase information from other contributions has been recently proposed. This approach not only simplifies data-acquisition procedures, but, compared with the existing phase step approach, significantly reduces the dose delivered to a sample. However, the image reconstruction procedure is more demanding than for traditional methods and new algorithms have to be developed to take advantage of the "single-step" method. In the work discussed in this paper, a fast iterative image reconstruction method named OSEM (ordered subsets expectation maximization) was applied to experimental data to evaluate its performance and range of applicability. The OSEM algorithm with different subsets was also characterized by comparison of reconstruction image quality and convergence speed. Computer simulations and experimental results confirm the reliability of this new algorithm for phase-contrast computed tomography applications. Compared with the traditional filtered back projection algorithm, in particular in the presence of a noisy acquisition, it furnishes better images at a higher spatial resolution and with lower noise. We emphasize that the method is highly compatible with future X-ray phase contrast imaging clinical applications.

Neural networks complemented with genetic algorithms and fuzzy systems for predicting nitrogenous effluent variables in wastewater treatment plants

This work focuses on the prediction of the two main nitrogenous variables that describe the water quality at the effluent of a Wastewater Treatment Plant. We have developed two kind of Neural Networks architectures based on considering only one output or, in the other hand, the usual five effluent variables that define the water quality: suspended solids, biochemical organic matter, chemical organic matter, total nitrogen and total Kjedhal nitrogen. Two learning techniques based on a classical adaptative gradient and a Kalman filter have been implemented. In order to try to improve generalization and performance we have selected variables by means genetic algorithms and fuzzy systems. The training, testing and validation sets show that the final networks are able to learn enough well the simulated available data specially for the total nitrogen

Minimization of Nyquist ghosting for echo-planar imaging at ultra-high fields based on a "negative readout gradient" strategy.

PURPOSE: To improve the traditional Nyquist ghost correction approach in echo planar imaging (EPI) at high fields, via schemes based on the reversal of the EPI readout gradient polarity for every other volume throughout a functional magnetic resonance imaging (fMRI) acquisition train. MATERIALS AND METHODS: An EPI sequence in which the readout gradient was inverted every other volume was implemented on two ultrahigh-field systems. Phantom images and fMRI data were acquired to evaluate ghost intensities and the presence of false-positive blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal with and without ghost correction. Three different algorithms for ghost correction of alternating readout EPI were compared. RESULTS: Irrespective of the chosen processing approach, ghosting was significantly reduced (up to 70% lower intensity) in both rat brain images acquired on a 9.4T animal scanner and human brain images acquired at 7T, resulting in a reduction of sources of false-positive activation in fMRI data. CONCLUSION: It is concluded that at high B(0) fields, substantial gains in Nyquist ghost correction of echo planar time series are possible by alternating the readout gradient every other volume.

Subjectively adapted high capacity lossless image data hiding based on prediction errors

This article reports on a lossless data hiding scheme for digital images where the data hiding capacity is either determined by minimum acceptable subjective quality or by the demanded capacity. In the proposed method data is hidden within the image prediction errors, where the most well-known prediction algorithms such as the median edge detector (MED), gradient adjacent prediction (GAP) and Jiang prediction are tested for this purpose. In this method, first the histogram of the prediction errors of images are computed and then based on the required capacity or desired image quality, the prediction error values of frequencies larger than this capacity are shifted. The empty space created by such a shift is used for embedding the data. Experimental results show distinct superiority of the image prediction error histogram over the conventional image histogram itself, due to much narrower spectrum of the former over the latter. We have also devised an adaptive method for hiding data, where subjective quality is traded for data hiding capacity. Here the positive and negative error values are chosen such that the sum of their frequencies on the histogram is just above the given capacity or above a certain quality.

Robust power allocation algorithms for MIMO OFDM systems with imperfect CSI

This paper presents a Bayesian approach to the design of transmit prefiltering matrices in closed-loop schemes robust to channel estimation errors. The algorithms are derived for a multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. Two different optimizationcriteria are analyzed: the minimization of the mean square error and the minimization of the bit error rate. In both cases, the transmitter design is based on the singular value decomposition (SVD) of the conditional mean of the channel response, given the channel estimate. The performance of the proposed algorithms is analyzed,and their relationship with existing algorithms is indicated. As withother previously proposed solutions, the minimum bit error rate algorithmconverges to the open-loop transmission scheme for very poor CSI estimates.

Probabilistic algorithms for blind adaptive multiuser detection

In this paper, two probabilistic adaptive algorithmsfor jointly detecting active users in a DS-CDMA system arereported. The first one, which is based on the theory of hiddenMarkov models (HMM’s) and the Baum–Wech (BW) algorithm,is proposed within the CDMA scenario and compared withthe second one, which is a previously developed Viterbi-basedalgorithm. Both techniques are completely blind in the sense thatno knowledge of the signatures, channel state information, ortraining sequences is required for any user. Once convergencehas been achieved, an estimate of the signature of each userconvolved with its physical channel response (CR) and estimateddata sequences are provided. This CR estimate can be used toswitch to any decision-directed (DD) adaptation scheme. Performanceof the algorithms is verified via simulations as well as onexperimental data obtained in an underwater acoustics (UWA)environment. In both cases, performance is found to be highlysatisfactory, showing the near–far resistance of the analyzed algorithms.

Methods for Region Based Paper Surface Roughness Measurement

Paperin pinnan karheus on yksi paperin laatukriteereistä. Sitä mitataan fyysisestipaperin pintaa mittaavien laitteiden ja optisten laitteiden avulla. Mittaukset vaativat laboratorioolosuhteita, mutta nopeammille, suoraan linjalla tapahtuville mittauksilla olisi tarvetta paperiteollisuudessa. Paperin pinnan karheus voidaan ilmaista yhtenä näytteelle kohdistuvana karheusarvona. Tässä työssä näyte on jaettu merkitseviin alueisiin, ja jokaiselle alueelle on laskettu erillinen karheusarvo. Karheuden mittaukseen on käytetty useita menetelmiä. Yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää on käytetty tässä työssä etäisyysmuunnoksen lisäksi. Paperin pinnan karheudenmittauksessa on ollut tarvetta jakaa analysoitava näyte karheuden perusteella alueisiin. Aluejaon avulla voidaan rajata näytteestä selvästi karheampana esiintyvät alueet. Etäisyysmuunnos tuottaa alueita, joita on analysoitu. Näistä alueista on muodostettu yhtenäisiä alueita erilaisilla segmentointimenetelmillä. PNN -menetelmään (Pairwise Nearest Neighbor) ja naapurialueiden yhdistämiseen perustuvia algoritmeja on käytetty.Alueiden jakamiseen ja yhdistämiseen perustuvaa lähestymistapaa on myös tarkasteltu. Segmentoitujen kuvien validointi on yleensä tapahtunut ihmisen tarkastelemana. Tämän työn lähestymistapa on verrata yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää segmentoinnin tuloksiin. Korkea korrelaatio näiden tulosten välillä osoittaa onnistunutta segmentointia. Eri kokeiden tuloksia on verrattu keskenään hypoteesin testauksella. Työssä on analysoitu kahta näytesarjaa, joidenmittaukset on suoritettu OptiTopolla ja profilometrillä. Etäisyysmuunnoksen aloitusparametrit, joita muutettiin kokeiden aikana, olivat aloituspisteiden määrä ja sijainti. Samat parametrimuutokset tehtiin kaikille algoritmeille, joita käytettiin alueiden yhdistämiseen. Etäisyysmuunnoksen jälkeen korrelaatio oli voimakkaampaa profilometrillä mitatuille näytteille kuin OptiTopolla mitatuille näytteille. Segmentoiduilla OptiTopo -näytteillä korrelaatio parantui voimakkaammin kuin profilometrinäytteillä. PNN -menetelmän tuottamilla tuloksilla korrelaatio oli paras.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Converter-flux-based current control of voltage source PWM rectifiers - analysis and implementation

Pulsewidth-modulated (PWM) rectifier technology is increasingly used in industrial applications like variable-speed motor drives, since it offers several desired features such as sinusoidal input currents, controllable power factor, bidirectional power flow and high quality DC output voltage. To achieve these features,however, an effective control system with fast and accurate current and DC voltage responses is required. From various control strategies proposed to meet these control objectives, in most cases the commonly known principle of the synchronous-frame current vector control along with some space-vector PWM scheme have been applied. Recently, however, new control approaches analogous to the well-established direct torque control (DTC) method for electrical machines have also emerged to implement a high-performance PWM rectifier. In this thesis the concepts of classical synchronous-frame current control and DTC-based PWM rectifier control are combined and a new converter-flux-based current control (CFCC) scheme is introduced. To achieve sufficient dynamic performance and to ensure a stable operation, the proposed control system is thoroughly analysed and simple rules for the controller design are suggested. Special attention is paid to the estimationof the converter flux, which is the key element of converter-flux-based control. Discrete-time implementation is also discussed. Line-voltage-sensorless reactive reactive power control methods for the L- and LCL-type line filters are presented. For the L-filter an open-loop control law for the d-axis current referenceis proposed. In the case of the LCL-filter the combined open-loop control and feedback control is proposed. The influence of the erroneous filter parameter estimates on the accuracy of the developed control schemes is also discussed. A newzero vector selection rule for suppressing the zero-sequence current in parallel-connected PWM rectifiers is proposed. With this method a truly standalone and independent control of the converter units is allowed and traditional transformer isolation and synchronised-control-based solutions are avoided. The implementation requires only one additional current sensor. The proposed schemes are evaluated by the simulations and laboratory experiments. A satisfactory performance and good agreement between the theory and practice are demonstrated.

Similarity measure based classification

Luokittelujärjestelmää suunniteltaessa tarkoituksena on rakentaa systeemi, joka pystyy ratkaisemaan mahdollisimman tarkasti tutkittavan ongelma-alueen. Hahmontunnistuksessa tunnistusjärjestelmän ydin on luokitin. Luokittelun sovellusaluekenttä on varsin laaja. Luokitinta tarvitaan mm. hahmontunnistusjärjestelmissä, joista kuvankäsittely toimii hyvänä esimerkkinä. Myös lääketieteen parissa tarkkaa luokittelua tarvitaan paljon. Esimerkiksi potilaan oireiden diagnosointiin tarvitaan luokitin, joka pystyy mittaustuloksista päättelemään mahdollisimman tarkasti, onko potilaalla kyseinen oire vai ei. Väitöskirjassa on tehty similaarisuusmittoihin perustuva luokitin ja sen toimintaa on tarkasteltu mm. lääketieteen paristatulevilla data-aineistoilla, joissa luokittelutehtävänä on tunnistaa potilaan oireen laatu. Väitöskirjassa esitetyn luokittimen etuna on sen yksinkertainen rakenne, josta johtuen se on helppo tehdä sekä ymmärtää. Toinen etu on luokittimentarkkuus. Luokitin saadaan luokittelemaan useita eri ongelmia hyvin tarkasti. Tämä on tärkeää varsinkin lääketieteen parissa, missä jo pieni tarkkuuden parannus luokittelutuloksessa on erittäin tärkeää. Väitöskirjassa ontutkittu useita eri mittoja, joilla voidaan mitata samankaltaisuutta. Mitoille löytyy myös useita parametreja, joille voidaan etsiä juuri kyseiseen luokitteluongelmaan sopivat arvot. Tämä parametrien optimointi ongelma-alueeseen sopivaksi voidaan suorittaa mm. evoluutionääri- algoritmeja käyttäen. Kyseisessä työssä tähän on käytetty geneettistä algoritmia ja differentiaali-evoluutioalgoritmia. Luokittimen etuna on sen joustavuus. Ongelma-alueelle on helppo vaihtaa similaarisuusmitta, jos kyseinen mitta ei ole sopiva tutkittavaan ongelma-alueeseen. Myös eri mittojen parametrien optimointi voi parantaa tuloksia huomattavasti. Kun käytetään eri esikäsittelymenetelmiä ennen luokittelua, tuloksia pystytään parantamaan.

Algorithms and cryptographic protocols using elliptic curves

En els darrers anys, la criptografia amb corbes el.líptiques ha adquirit una importància creixent, fins a arribar a formar part en la actualitat de diferents estàndards industrials. Tot i que s'han dissenyat variants amb corbes el.líptiques de criptosistemes clàssics, com el RSA, el seu màxim interès rau en la seva aplicació en criptosistemes basats en el Problema del Logaritme Discret, com els de tipus ElGamal. En aquest cas, els criptosistemes el.líptics garanteixen la mateixa seguretat que els construïts sobre el grup multiplicatiu d'un cos finit primer, però amb longituds de clau molt menor. Mostrarem, doncs, les bones propietats d'aquests criptosistemes, així com els requeriments bàsics per a que una corba sigui criptogràficament útil, estretament relacionat amb la seva cardinalitat. Revisarem alguns mètodes que permetin descartar corbes no criptogràficament útils, així com altres que permetin obtenir corbes bones a partir d'una de donada. Finalment, descriurem algunes aplicacions, com són el seu ús en Targes Intel.ligents i sistemes RFID, per concloure amb alguns avenços recents en aquest camp.

Adding similarity-based reasoning capabilities to a Horn fragment of possibilistic logic with fuzzy constants

PLFC is a first-order possibilistic logic dealing with fuzzy constants and fuzzily restricted quantifiers. The refutation proof method in PLFC is mainly based on a generalized resolution rule which allows an implicit graded unification among fuzzy constants. However, unification for precise object constants is classical. In order to use PLFC for similarity-based reasoning, in this paper we extend a Horn-rule sublogic of PLFC with similarity-based unification of object constants. The Horn-rule sublogic of PLFC we consider deals only with disjunctive fuzzy constants and it is equipped with a simple and efficient version of PLFC proof method. At the semantic level, it is extended by equipping each sort with a fuzzy similarity relation, and at the syntactic level, by fuzzily “enlarging” each non-fuzzy object constant in the antecedent of a Horn-rule by means of a fuzzy similarity relation.

Statistical modelling of CSP solving algorithms performance

The goal of this work is to try to create a statistical model, based only on easily computable parameters from the CSP problem to predict runtime behaviour of the solving algorithms, and let us choose the best algorithm to solve the problem. Although it seems that the obvious choice should be MAC, experimental results obtained so far show, that with big numbers of variables, other algorithms perfom much better, specially for hard problems in the transition phase.

All-sky search algorithms for monochromatic signals in bar gravitational wave detector data

In this paper we design and develop several filtering strategies for the analysis of data generated by a resonant bar gravitational wave (GW) antenna, with the goal of assessing the presence (or absence) therein of long-duration monochromatic GW signals, as well as the eventual amplitude and frequency of the signals, within the sensitivity band of the detector. Such signals are most likely generated in the fast rotation of slightly asymmetric spinning stars. We develop practical procedures, together with a study of their statistical properties, which will provide us with useful information on the performance of each technique. The selection of candidate events will then be established according to threshold-crossing probabilities, based on the Neyman-Pearson criterion. In particular, it will be shown that our approach, based on phase estimation, presents a better signal-to-noise ratio than does pure spectral analysis, the most common approach.

Single breath-hold 3D measurement of left atrial volume using compressed sensing cardiovascular magnetic resonance and a non-model-based reconstruction approach.

BACKGROUND: Left atrial (LA) dilatation is associated with a large variety of cardiac diseases. Current cardiovascular magnetic resonance (CMR) strategies to measure LA volumes are based on multi-breath-hold multi-slice acquisitions, which are time-consuming and susceptible to misregistration. AIM: To develop a time-efficient single breath-hold 3D CMR acquisition and reconstruction method to precisely measure LA volumes and function. METHODS: A highly accelerated compressed-sensing multi-slice cine sequence (CS-cineCMR) was combined with a non-model-based 3D reconstruction method to measure LA volumes with high temporal and spatial resolution during a single breath-hold. This approach was validated in LA phantoms of different shapes and applied in 3 patients. In addition, the influence of slice orientations on accuracy was evaluated in the LA phantoms for the new approach in comparison with a conventional model-based biplane area-length reconstruction. As a reference in patients, a self-navigated high-resolution whole-heart 3D dataset (3D-HR-CMR) was acquired during mid-diastole to yield accurate LA volumes. RESULTS: Phantom studies. LA volumes were accurately measured by CS-cineCMR with a mean difference of -4.73 ± 1.75 ml (-8.67 ± 3.54%, r2 = 0.94). For the new method the calculated volumes were not significantly different when different orientations of the CS-cineCMR slices were applied to cover the LA phantoms. Long-axis "aligned" vs "not aligned" with the phantom long-axis yielded similar differences vs the reference volume (-4.87 ± 1.73 ml vs. -4.45 ± 1.97 ml, p = 0.67) and short-axis "perpendicular" vs. "not-perpendicular" with the LA long-axis (-4.72 ± 1.66 ml vs. -4.75 ± 2.13 ml; p = 0.98). The conventional bi-plane area-length method was susceptible for slice orientations (p = 0.0085 for the interaction of "slice orientation" and "reconstruction technique", 2-way ANOVA for repeated measures). To use the 3D-HR-CMR as the reference for LA volumes in patients, it was validated in the LA phantoms (mean difference: -1.37 ± 1.35 ml, -2.38 ± 2.44%, r2 = 0.97). Patient study: The CS-cineCMR LA volumes of the mid-diastolic frame matched closely with the reference LA volume (measured by 3D-HR-CMR) with a difference of -2.66 ± 6.5 ml (3.0% underestimation; true LA volumes: 63 ml, 62 ml, and 395 ml). Finally, a high intra- and inter-observer agreement for maximal and minimal LA volume measurement is also shown. CONCLUSIONS: The proposed method combines a highly accelerated single-breathhold compressed-sensing multi-slice CMR technique with a non-model-based 3D reconstruction to accurately and reproducibly measure LA volumes and function.