Caracterização e modelação de fissuras em edifícios utilizando 3D laser scanning, com vista à sua reabilitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Visualização e manipulação de informação em ambientes 3D imersivos

Ainda antes da invenção da escrita, o desenho foi utilizado para descrever a realidade, tendo evoluído ao longo dos tempos, ganhando mais qualidade e pormenor e recorrendo a suportes cada vez mais evoluídos que permitissem a perpetuação dessa imagem: dessa informação. Desde as pinturas rupestres, nas paredes de grutas paleolíticas, passando pelos hieróglifos, nos templos egípcios, nas gravuras das escrituras antigas e nos quadros sobre tela, a intenção sempre foi a de transmitir a informação da forma mais directa e perceptível por qualquer indivíduo. Nos dias de hoje as novas tecnologias permitem aceder à informação com uma facilidade nunca antes vista ou imaginada, estando certamente ainda por descobrir outras formas de registar e perpetuar a informação para as gerações vindouras. A fotografia está na origem das grandes evoluções da imagem, permitindo capturar o momento, tornando-o “eterno”. Hoje em dia, na era da imagem digital, além de se mostrar a realidade, é possível incorporar na imagem informação adicional, de modo a enriquecer a experiência de visualização e a maximizar a aquisição do conhecimento. As possibilidades da visualização em três dimensões (3D) vieram dar o realismo que faltava ao formato de fotografia original. O 3D permite a imersão do espectador no ambiente que, a própria imagem retrata, à qual se pode ainda adicionar informação escrita ou até sensorial como, por exemplo, o som. Esta imersão num ambiente tridimensional permite ao utilizador interagir com a própria imagem através da navegação e exploração de detalhes, usando ferramentas como o zoom ou ligações incorporados na imagem. A internet é o local onde, hoje em dia, já se disponibilizam estes ambientes imersivos, tornando esta experiência muita mais acessível a qualquer pessoa. Há poucos anos ainda, esta prática só era possível mediante o recurso a dispositivos especificamente construídos para o efeito e que, por isso, apenas estavam disponíveis a grupos restritos de utilizadores. Esta dissertação visa identificar as características de um ambiente 3D imersivo e as técnicas existentes e possíveis de serem usadas para maximizar a experiência de visualização. Apresentar-se-ão algumas aplicações destes ambientes e sua utilidade no nosso dia-a-dia, antevendo as tendências futuras de evolução nesta área. Serão apresentados exemplos de ferramentas para a composição e produção destes ambientes e serão construídos alguns modelos ilustrativos destas técnicas, como forma de avaliar o esforço de desenvolvimento e o resultado obtido, comparativamente com formas mais convencionais de transmitir e armazenar a informação. Para uma avaliação mais objectiva, submeteram-se os modelos produzidos à apreciação de diversos utilizadores, a partir da qual foram elaboradas as conclusões finais deste trabalho relativamente às potencialidades de utilização de ambientes 3D imersivos e suas mais diversas aplicações.

Avaliação da caracterização de lesões em mamografia com recurso a sistemas CAD (Computer-Aided Diagnosis)

Os sistemas Computer-Aided Diagnosis (CAD) auxiliam a deteção e diferenciação de lesões benignas e malignas, aumentando a performance no diagnóstico do cancro da mama. As lesões da mama estão fortemente correlacionadas com a forma do contorno: lesões benignas apresentam contornos regulares, enquanto as lesões malignas tendem a apresentar contornos irregulares. Desta forma, a utilização de medidas quantitativas, como a dimensão fractal (DF), pode ajudar na caracterização dos contornos regulares ou irregulares de uma lesão. O principal objetivo deste estudo é verificar se a utilização concomitante de 2 (ou mais) medidas de DF – uma tradicionalmente utilizada, a qual foi designada por “DF de contorno”; outra proposta por nós, designada por “DF de área” – e ainda 3 medidas obtidas a partir destas, por operações de dilatação/erosão e por normalização de uma das medidas anteriores, melhoram a capacidade de caracterização de acordo com a escala BIRADS (Breast Imaging Reporting and Data System) e o tipo de lesão. As medidas de DF (DF contorno e DF área) foram calculadas através da aplicação do método box-counting, diretamente em imagens de lesões segmentadas e após a aplicação de um algoritmo de dilatação/erosão. A última medida baseia-se na diferença normalizada entre as duas medidas DF de área antes e após a aplicação do algoritmo de dilatação/erosão. Os resultados demonstram que a medida DF de contorno é uma ferramenta útil na diferenciação de lesões, de acordo com a escala BIRADS e o tipo de lesão; no entanto, em algumas situações, ocorrem alguns erros. O uso combinado desta medida com as quatro medidas propostas pode melhorar a classificação das lesões.

Helical tomotherapy versus 3D conformal radiotherapy in dosimetric planning for patients with localized prostate cancer

Radiotherapy is one of the therapeutics selected for localized prostate cancer, in cases where the tumour is confined to the prostate, penetrates the prostatic capsule or has reached the seminal vesicles (T1 to T3 stages). The radiation therapy can be administered through various modalities, being historically used the 3D conformal radiotherapy (3DCRT). Other modality of radiation administration is the intensity modulated radiotherapy (IMRT), that allows an increase of the total dose through modulation of the treatment beams, enabling a reduction in toxicity. One way to administer IMRT is through helical tomotherapy (TH). With this study we intent to analyze the advantages of helical tomotherapy when compared with 3DCRT, by evaluating the doses in the organs at risk (OAR) and planning target volumes (PTV).

Distributed computer-controlled systems: the DEAR-COTS approach

This paper proposes a new architecture targeting real-time and reliable Distributed Computer-Controlled Systems (DCCS). This architecture provides a structured approach for the integration of soft and/or hard real-time applications with Commercial O -The-Shelf (COTS) components. The Timely Computing Base model is used as the reference model to deal with the heterogeneity of system components with respect to guaranteeing the timeliness of applications. The reliability and availability requirements of hard real-time applications are guaranteed by a software-based fault-tolerance approach.

Supporting real-time distributed computer-controlled systems with multi-hop P-NET networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within process control applications. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time distributed computer-controlled systems can be implemented. P-NET is a fieldbus communication standard, which uses a virtual token-passing medium-access-control mechanism. In this paper pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET networks are established. Essentially, formulae to evaluate the upper bound of the end-to-end communication delay in P-NET messages are provided. Using this upper bound, a feasibility test is then provided to check the timing requirements for accessing remote process variables. This paper also shows how P-NET network segmentation can significantly reduce the end-to-end communication delays for messages with stringent timing requirements.

Sistema de visão para aterragem automática de UAV

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

An architecture for reliable distributed computer-controlled systems

In Distributed Computer-Controlled Systems (DCCS), both real-time and reliability requirements are of major concern. Architectures for DCCS must be designed considering the integration of processing nodes and the underlying communication infrastructure. Such integration must be provided by appropriate software support services. In this paper, an architecture for DCCS is presented, its structure is outlined, and the services provided by the support software are presented. These are considered in order to guarantee the real-time and reliability requirements placed by current and future systems.

A communication support for real-time distributed computer controlled systems

In this paper, we analyse the ability of P-NET [1] fieldbus to cope with the timing requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events should be made available within a maximum bound time. The main objective of this work is to analyse how the network access and queueing delays, imposed by P-NET’s virtual token Medium Access Control (MAC) mechanism, affect the realtime behaviour of the supported DCCS.

Using a prioritized MAC protocol to execute the database operation join in networked embedded computer systems

Database query languages on relations (for example SQL) make it possible to join two relations. This operation is very common in desktop/server database systems but unfortunately query processing systems in networked embedded computer systems currently do not support this operation; specifically, the query processing systems TAG, TinyDB, Cougar do not support this. We show how a prioritized medium access control (MAC) protocol can be used to efficiently execute the database operation join for networked embedded computer systems where all computer nodes are in a single broadcast domain.

Is multidimensional scaling suitable for mapping the input respiratory impedance in subjects and patients?

This paper presents the application of multidimensional scaling (MDS) analysis to data emerging from noninvasive lung function tests, namely the input respiratory impedance. The aim is to obtain a geometrical mapping of the diseases in a 3D space representation, allowing analysis of (dis)similarities between subjects within the same pathology groups, as well as between the various groups. The adult patient groups investigated were healthy, diagnosed chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and diagnosed kyphoscoliosis, respectively. The children patient groups were healthy, asthma and cystic fibrosis. The results suggest that MDS can be successfully employed for mapping purposes of restrictive (kyphoscoliosis) and obstructive (COPD) pathologies. Hence, MDS tools can be further examined to define clear limits between pools of patients for clinical classification, and used as a training aid for medical traineeship.

Logarithmically proportional objective function for planar surfaces recognition in 3D point cloud

3D laser scanning is becoming a standard technology to generate building models of a facility's as-is condition. Since most constructions are constructed upon planar surfaces, recognition of them paves the way for automation of generating building models. This paper introduces a new logarithmically proportional objective function that can be used in both heuristic and metaheuristic (MH) algorithms to discover planar surfaces in a point cloud without exploiting any prior knowledge about those surfaces. It can also adopt itself to the structural density of a scanned construction. In this paper, a metaheuristic method, genetic algorithm (GA), is used to test this introduced objective function on a synthetic point cloud. The results obtained show the proposed method is capable to find all plane configurations of planar surfaces (with a wide variety of sizes) in the point cloud with a minor distance to the actual configurations. © 2014 IEEE.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Numerical 3D modeling of heat transfer in human tissues for microwave radiometry monitoring of Brown fat metabolismo

Background: Brown adipose tissue (BAT) plays an important role in whole body metabolism and could potentially mediate weight gain and insulin sensitivity. Although some imaging techniques allow BAT detection, there are currently no viable methods for continuous acquisition of BAT energy expenditure. We present a non-invasive technique for long term monitoring of BAT metabolism using microwave radiometry. Methods: A multilayer 3D computational model was created in HFSS™ with 1.5 mm skin, 3-10 mm subcutaneous fat, 200 mm muscle and a BAT region (2-6 cm3) located between fat and muscle. Based on this model, a log-spiral antenna was designed and optimized to maximize reception of thermal emissions from the target (BAT). The power absorption patterns calculated in HFSS™ were combined with simulated thermal distributions computed in COMSOL® to predict radiometric signal measured from an ultra-low-noise microwave radiometer. The power received by the antenna was characterized as a function of different levels of BAT metabolism under cold and noradrenergic stimulation. Results: The optimized frequency band was 1.5-2.2 GHz, with averaged antenna efficiency of 19%. The simulated power received by the radiometric antenna increased 2-9 mdBm (noradrenergic stimulus) and 4-15 mdBm (cold stimulus) corresponding to increased 15-fold BAT metabolism. Conclusions: Results demonstrated the ability to detect thermal radiation from small volumes (2-6 cm3) of BAT located up to 12 mm deep and to monitor small changes (0.5°C) in BAT metabolism. As such, the developed miniature radiometric antenna sensor appears suitable for non-invasive long term monitoring of BAT metabolism.

Modelação 3D de um subsector das mineralizações auríferas de casas novas, Montemor-o-Novo

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Geológica (Georrecursos)