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.

Quantified real constraint solving using modal intervals with applications to control

Les restriccions reals quantificades (QRC) formen un formalisme matemàtic utilitzat per modelar un gran nombre de problemes físics dins els quals intervenen sistemes d'equacions no-lineals sobre variables reals, algunes de les quals podent ésser quantificades. Els QRCs apareixen en nombrosos contextos, com l'Enginyeria de Control o la Biologia. La resolució de QRCs és un domini de recerca molt actiu dins el qual es proposen dos enfocaments diferents: l'eliminació simbòlica de quantificadors i els mètodes aproximatius. Tot i això, la resolució de problemes de grans dimensions i del cas general, resten encara problemes oberts. Aquesta tesi proposa una nova metodologia aproximativa basada en l'Anàlisi Intervalar Modal, una teoria matemàtica que permet resoldre problemes en els quals intervenen quantificadors lògics sobre variables reals. Finalment, dues aplicacions a l'Enginyeria de Control són presentades. La primera fa referència al problema de detecció de fallades i la segona consisteix en un controlador per a un vaixell a vela.

Real-Time software control of neural stimulation in a closed loop Animat system

A recent area for investigation into the development of adaptable robot control is the use of living neuronal networks to control a mobile robot. The so-called Animat paradigm comprises a neuronal network (the ‘brain’) connected to an external embodiment (in this case a mobile robot), facilitating potentially robust, adaptable robot control and increased understanding of neural processes. Sensory input from the robot is provided to the neuronal network via stimulation on a number of electrodes embedded in a specialist Petri dish (Multi Electrode Array (MEA)); accurate control of this stimulation is vital. We present software tools allowing precise, near real-time control of electrical stimulation on MEAs, with fast switching between electrodes and the application of custom stimulus waveforms. These Linux-based tools are compatible with the widely used MEABench data acquisition system. Benefits include rapid stimulus modulation in response to neuronal activity (closed loop) and batch processing of stimulation protocols.

Biologically motivated model for object detection and identification in real-world scenes

The classical computer vision methods can only weakly emulate some of the multi-level parallelisms in signal processing and information sharing that takes place in different parts of the primates’ visual system thus enabling it to accomplish many diverse functions of visual perception. One of the main functions of the primates’ vision is to detect and recognise objects in natural scenes despite all the linear and non-linear variations of the objects and their environment. The superior performance of the primates’ visual system compared to what machine vision systems have been able to achieve to date, motivates scientists and researchers to further explore this area in pursuit of more efficient vision systems inspired by natural models. In this paper building blocks for a hierarchical efficient object recognition model are proposed. Incorporating the attention-based processing would lead to a system that will process the visual data in a non-linear way focusing only on the regions of interest and hence reducing the time to achieve real-time performance. Further, it is suggested to modify the visual cortex model for recognizing objects by adding non-linearities in the ventral path consistent with earlier discoveries as reported by researchers in the neuro-physiology of vision.

Autopoiesis vs. social autopoiesis: critical evaluation and implications for understanding firms as autopoietic social systems

The main objective of this study is to revisit the fundamental postulations of autopoietic self-production wrapped within the autopoietic six-point key and to investigate whether or not firms as specific social systems can be treated as autopoietic unities. In order to do so firms have to be defined as simple and composite unities whereupon their boundaries have to be clearly identifiable. The test of social autopoiesis reveals that firms can be viewed as autopoietic social systems that exist in the communicative space with employees' firm-specific communicative sub-domains as their components. Furthermore, it is argued that the social reification of autopoiesis (autokoinopoiesis) in firms is quintessentially interconnected with physical autopoiesis of their employees (autophysiopoiesis). Discontiguous focus on productivity as firms' obvious physical implication may thus be upgraded by a very social nature of ideactivity, firms' only real survival force.

Comparing rice production systems: A challenge for agronomic research and for the dissemination of knowledge-intensive farming practices

This article is a commentary on several research studies conducted on the prospects for aerobic rice production systems that aim at reducing the demand for irrigation water which in certain major rice producing areas of the world is becoming increasingly scarce. The research studies considered, as reported in published articles mainly under the aegis of the International Rice Research Institute (IRRI), have a narrow scope in that they test only 3 or 4 rice varieties under different soil moisture treatments obtained with controlled irrigation, but with other agronomic factors of production held as constant. Consequently, these studies do not permit an assessment of the interactions among agronomic factors that will be of critical significance to the performance of any production system. Varying the production factor of "water" will seriously affect also the levels of the other factors required to optimise the performance of a production system. The major weakness in the studies analysed in this article originates from not taking account of the interactions between experimental and non-experimental factors involved in the comparisons between different production systems. This applies to the experimental field design used for the research studies as well as to the subsequent statistical analyses of the results. The existence of such interactions is a serious complicating element that makes meaningful comparisons between different crop production systems difficult. Consequently, the data and conclusions drawn from such research readily become biased towards proposing standardised solutions for possible introduction to farmers through a linear technology transfer process. Yet, the variability and diversity encountered in the real-world farming environment demand more flexible solutions and approaches in the dissemination of knowledge-intensive production practices through "experiential learning" types of processes, such as those employed by farmer field schools. This article illustrates, based on expertise of the 'system of rice intensification' (SRI), that several cost-effective and environment-friendly agronomic solutions to reduce the demand for irrigation water, other than the asserted need for the introduction of new cultivars, are feasible. Further, these agronomic Solutions can offer immediate benefits of reduced water requirements and increased net returns that Would be readily accessible to a wide range of rice producers, particularly the resource poor smallholders. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Systems biology meets stress ecology: linking molecular and organismal stress responses in Daphnia magna

Background: Ibuprofen and other nonsteroidal anti-inflammatory drugs have been designed to interrupt eicosanoid metabolism in mammals, but little is known of how they affect nontarget organisms. Here we report a systems biology study that simultaneously describes the transcriptomic and phenotypic stress responses of the model crustacean Daphnia magna after exposure to ibuprofen. Results: Our findings reveal intriguing similarities in the mode of action of ibuprofen between vertebrates and invertebrates, and they suggest that ibuprofen has a targeted impact on reproduction at the molecular, organismal, and population level in daphnids. Microarray expression and temporal real-time quantitative PCR profiles of key genes suggest early ibuprofen interruption of crustacean eicosanoid metabolism, which appears to disrupt signal transduction affecting juvenile hormone metabolism and oogenesis. Conclusion: Combining molecular and organismal stress responses provides a guide to possible chronic consequences of environmental stress for population health. This could improve current environmental risk assessment by providing an early indication of the need for higher tier testing. Our study demonstrates the advantages of a systems approach to stress ecology, in which Daphnia will probably play a major role.

Preliminary results from a real time control system using optical information

Successful results from training an adaptive controller to use optical information to balance an inverted pendulum are presented in comparison to the training requirements using traditional controller inputs. Results from research into the psychology of the sense of balance in humans are presented as the motivation for the investigation of this new type of controller. The simulated model of the inverted pendulum and the virtual reality environments used to provide the optical input are described The successful introduction of optical information is found to require the preservation of at least two of the traditional input types and entail increased training time for the adaptive controller and reduced performance (measured as the time the pendulum remains upright).

Real-time context-aware network security policy enforcement system (RC-NSPES)

The major technical objectives of the RC-NSPES are to provide a framework for the concurrent operation of reactive and pro-active security functions to deliver efficient and optimised intrusion detection schemes as well as enhanced and highly correlated rule sets for more effective alerts management and root-cause analysis. The design and implementation of the RC-NSPES solution includes a number of innovative features in terms of real-time programmable embedded hardware (FPGA) deployment as well as in the integrated management station. These have been devised so as to deliver enhanced detection of attacks and contextualised alerts against threats that can arise from both the network layer and the application layer protocols. The resulting architecture represents an efficient and effective framework for the future deployment of network security systems.

Modeling the effects of node heterogeneity on the performance of a real grid application

The performance benefit when using Grid systems comes from different strategies, among which partitioning the applications into parallel tasks is the most important. However, in most cases the enhancement coming from partitioning is smoothed by the effect of the synchronization overhead, mainly due to the high variability of completion times of the different tasks, which, in turn, is due to the large heterogeneity of Grid nodes. For this reason, it is important to have models which capture the performance of such systems. In this paper we describe a queueing-network-based performance model able to accurately analyze Grid architectures, and we use the model to study a real parallel application executed in a Grid. The proposed model improves the classical modelling techniques and highlights the impact of resource heterogeneity and network latency on the application performance.

Evaluation of probabilistic occupancy map people detection for surveillance systems

In this paper, we evaluate the Probabilistic Occupancy Map (POM) pedestrian detection algorithm on the PETS 2009 benchmark dataset. POM is a multi-camera generative detection method, which estimates ground plane occupancy from multiple background subtraction views. Occupancy probabilities are iteratively estimated by fitting a synthetic model of the background subtraction to the binary foreground motion. Furthermore, we test the integration of this algorithm into a larger framework designed for understanding human activities in real environments. We demonstrate accurate detection and localization on the PETS dataset, despite suboptimal calibration and foreground motion segmentation input.

Identification of nonlinear systems using generalized kernel models

Nonlinear system identification is considered using a generalized kernel regression model. Unlike the standard kernel model, which employs a fixed common variance for all the kernel regressors, each kernel regressor in the generalized kernel model has an individually tuned diagonal covariance matrix that is determined by maximizing the correlation between the training data and the regressor using a repeated guided random search based on boosting optimization. An efficient construction algorithm based on orthogonal forward regression with leave-one-out (LOO) test statistic and local regularization (LR) is then used to select a parsimonious generalized kernel regression model from the resulting full regression matrix. The proposed modeling algorithm is fully automatic and the user is not required to specify any criterion to terminate the construction procedure. Experimental results involving two real data sets demonstrate the effectiveness of the proposed nonlinear system identification approach.

Cybernetics – the modern science of systems

This article has been written in memory of Norbert Wiener and is dedicated to him. Takes a look at how cybernetics provides an extremely useful framework for the control and operation of real-world systems. With the true advent of computers and simple communications, many more processes can and will be viewed from a systems standpoint. Examples are given of how cybernetics can be applied to industrial processes and how it is seen as an important, integral part of future systems science.

Real-time expert system for fault location on high voltage underground distribution cables

To ensure minimum loss of system security and revenue it is essential that faults on underground cable systems be located and repaired rapidly. Currently in the UK, the impulse current method is used to prelocate faults, prior to using acoustic methods to pinpoint the fault location. The impulse current method is heavily dependent on the engineer's knowledge and experience in recognising/interpreting the transient waveforms produced by the fault. The development of a prototype real-time expert system aid for the prelocation of cable faults is described. Results from the prototype demonstrate the feasibility and benefits of the expert system as an aid for the diagnosis and location of faults on underground cable systems.