Vector-Based Integration of Local and Long-Range Information in Visual Cortex

Integration of inputs by cortical neurons provides the basis for the complex information processing performed in the cerebral cortex. Here, we propose a new analytic framework for understanding integration within cortical neuronal receptive fields. Based on the synaptic organization of cortex, we argue that neuronal integration is a systems--level process better studied in terms of local cortical circuitry than at the level of single neurons, and we present a method for constructing self-contained modules which capture (nonlinear) local circuit interactions. In this framework, receptive field elements naturally have dual (rather than the traditional unitary influence since they drive both excitatory and inhibitory cortical neurons. This vector-based analysis, in contrast to scalarsapproaches, greatly simplifies integration by permitting linear summation of inputs from both "classical" and "extraclassical" receptive field regions. We illustrate this by explaining two complex visual cortical phenomena, which are incompatible with scalar notions of neuronal integration.

Modeling and Analysis of Two-Part Type Manufacturing Systems

This paper presents a model and analysis of a synchronous tandem flow line that produces different part types on unreliable machines. The machines operate according to a static priority rule, operating on the highest priority part whenever possible, and operating on lower priority parts only when unable to produce those with higher priorities. We develop a new decomposition method to analyze the behavior of the manufacturing system by decomposing the long production line into small analytically tractable components. As a first step in modeling a production line with more than one part type, we restrict ourselves to the case where there are two part types. Detailed modeling and derivations are presented with a small two-part-type production line that consists of two processing machines and two demand machines. Then, a generalized longer flow line is analyzed. Furthermore, estimates for performance measures, such as average buffer levels and production rates, are presented and compared to extensive discrete event simulation. The quantitative behavior of the two-part type processing line under different demand scenarios is also provided.

Systems Design: Activity and Sequence modelling using Visual Paradigm

This lab follows the lectures 'System Design: http://www.edshare.soton.ac.uk/9653/ and http://www.edshare.soton.ac.uk/6280/ . Students use Visual Paradigm for UML to build Activity and Sequence models through project examples: Library, Plant Nursery and a Health Spa

Systems Design: Class modelling using Visual Paradigm

This lab follows the lectures 'System Design: http://www.edshare.soton.ac.uk/6280/ http://www.edshare.soton.ac.uk/9653/ and http://www.edshare.soton.ac.uk/9713/ Students use Visual Paradigm for UML to build Class models through project examples: Aircraft Manufacturing Company, Library, Plant Nursery.

Estimation of electronic coupling in π -stacked donor-bridge-acceptor systems: correction of the two-state model

Comparison of donor-acceptor electronic couplings calculated within two-state and three-state models suggests that the two-state treatment can provide unreliable estimates of Vda because of neglecting the multistate effects. We show that in most cases accurate values of the electronic coupling in a π stack, where donor and acceptor are separated by a bridging unit, can be obtained as Ṽ da = (E2 - E1) μ12 Rda + (2 E3 - E1 - E2) 2 μ13 μ23 Rda2, where E1, E2, and E3 are adiabatic energies of the ground, charge-transfer, and bridge states, respectively, μij is the transition dipole moments between the states i and j, and Rda is the distance between the planes of donor and acceptor. In this expression based on the generalized Mulliken-Hush approach, the first term corresponds to the coupling derived within a two-state model, whereas the second term is the superexchange correction accounting for the bridge effect. The formula is extended to bridges consisting of several subunits. The influence of the donor-acceptor energy mismatch on the excess charge distribution, adiabatic dipole and transition moments, and electronic couplings is examined. A diagnostic is developed to determine whether the two-state approach can be applied. Based on numerical results, we showed that the superexchange correction considerably improves estimates of the donor-acceptor coupling derived within a two-state approach. In most cases when the two-state scheme fails, the formula gives reliable results which are in good agreement (within 5%) with the data of the three-state generalized Mulliken-Hush model

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.

Semantic-level Visual Content Descriptor combining visual and textual cues as collaterals

In this paper, we introduce a novel high-level visual content descriptor which is devised for performing semantic-based image classification and retrieval. The work can be treated as an attempt to bridge the so called “semantic gap”. The proposed image feature vector model is fundamentally underpinned by the image labelling framework, called Collaterally Confirmed Labelling (CCL), which incorporates the collateral knowledge extracted from the collateral texts of the images with the state-of-the-art low-level image processing and visual feature extraction techniques for automatically assigning linguistic keywords to image regions. Two different high-level image feature vector models are developed based on the CCL labelling of results for the purposes of image data clustering and retrieval respectively. A subset of the Corel image collection has been used for evaluating our proposed method. The experimental results to-date already indicates that our proposed semantic-based visual content descriptors outperform both traditional visual and textual image feature models.

Typification of farming systems for constructing representative farm models: two illustrations of the application of multi-variate analyses in Chile and Pakistan

If the fundamental precepts of Farming Systems Research were to be taken literally then it would imply that for each farm 'unique' solutions should be sought. This is an unrealistic expectation, but it has led to the idea of a recommendation domain, implying creating a taxonomy of farms, in order to increase the general applicability of recommendations. Mathematical programming models are an established means of generating recommended solutions, but for such models to be effective they have to be constructed for 'truly' typical or representative situations. The multi-variate statistical techniques provide a means of creating the required typologies, particularly when an exhaustive database is available. This paper illustrates the application of this methodology in two different studies that shared the common purpose of identifying types of farming systems in their respective study areas. The issues related with the use of factor and cluster analyses for farm typification prior to building representative mathematical programming models for Chile and Pakistan are highlighted. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Investigation of air quality, comfort parameters and effectiveness for two floor-level air supply systems in classrooms

The method of distributing the outdoor air in classrooms has a major impact on indoor air quality and thermal comfort of pupils. In a previous study, ([11] Karimipanah T, Sandberg M, Awbi HB. A comparative study of different air distribution systems in a classroom. In: Proceedings of Roomvent 2000, vol. II, Reading, UK, 2000. p. 1013-18; [13] Karimipanah T, Sandberg M, Awbi HB, Blomqvist C. Effectiveness of confluent jets ventilation system for classrooms. In: Idoor Air 2005, Beijing, China, 2005 (to be presented).) presented results for four and two types of air distribution systems tested in a purpose built classroom with simulated occupancy as well as computational fluid dynamics (CFD) modelling. In this paper, the same experimental setup has been used to investigate the indoor environment in the classroom using confluent jet ventilation, see also ([12]Cho YJ, Awbi HB, Karimipanah T. The characteristics of wall confluent jets for ventilated enclosures. In: Proceedings of Roomvent 2004, Coimbra, Portugal, 2004.) Measurements of air speed, air temperature and tracer gas concentrations have been carried out for different thermal conditions. In addition, 56 cases of CFD simulations have been carried to provide additional information on the indoor air quality and comfort conditions throughout the classroom, such as ventilation effectiveness, air exchange effectiveness, effect of flow rate, effect of radiation, effect of supply temperature, etc., and these are compared with measured data.

Designing hospital bedside systems for use by patients with a visual impairments

This paper describes the development of an interface to a hospital portal system for information, communication and entertainment such that it can be used easily and effectively by all patients regardless of their age, disability, computer experience or native language. Specifically, this paper reports on the work conducted to ensure that the interface design took into account the needs of visually impaired users.

Neural systems in the visual control of steering

Visual control of locomotion is essential for most mammals and requires coordination between perceptual processes and action systems. Previous research on the neural systems engaged by self-motion has focused on heading perception, which is only one perceptual subcomponent. For effective steering, it is necessary to perceive an appropriate future path and then bring about the required change to heading. Using function magnetic resonance imaging in humans, we reveal a role for the parietal eye fields (PEFs) in directing spatially selective processes relating to future path information. A parietal area close to PEFs appears to be specialized for processing the future path information itself. Furthermore, a separate parietal area responds to visual position error signals, which occur when steering adjustments are imprecise. A network of three areas, the cerebellum, the supplementary eye fields, and dorsal premotor cortex, was found to be involved in generating appropriate motor responses for steering adjustments. This may reflect the demands of integrating visual inputs with the output response for the control device.

Perceptual cues for orientation in a two finger haptic grasp task

Single point interaction haptic devices do not provide the natural grasp and manipulations found in the real world, as afforded by multi-fingered haptics. The present study investigates a two-fingered grasp manipulation involving rotation with and without force feedback. There were three visual cue conditions: monocular, binocular and projective lighting. Performance metrics of time and positional accuracy were assessed. The results indicate that adding haptics to an object manipulation task increases the positional accuracy but slightly increases the overall time taken.

Designing Hospital Bedside Systems for use by Patients with Visual Impairments

This paper describes the development of an interface to a hospital portal system for information, communication and entertainment such that it can be used easily and effectively by all patients regardless of their age, disability, computer experience or native language. Specifically, this paper reports on the work conducted to ensure that the interface design took into account the needs of visually impaired users.

Endocannabinoids, FOXO and the metabolic syndrome: redox, function and tipping point--the view from two systems

The endocannabinoid system (ECS) was only 'discovered' in the 1990s. Since then, many new ligands have been identified, as well as many new intracellular targets--ranging from the PPARs, to mitochondria, to lipid rafts. It was thought that blocking the CB-1 receptor might reverse obesity and the metabolic syndrome. This was based on the idea that the ECS was dysfunctional in these conditions. This has met with limited success. The reason may be that the ECS is a homeostatic system, which integrates energy seeking and storage behaviour with resistance to oxidative stress. It could be viewed as having thrifty actions. Thriftiness is an innate property of life, which is programmed to a set point by both environment and genetics, resulting in an epigenotype perfectly adapted to its environment. This thrifty set point can be modulated by hormetic stimuli, such as exercise, cold and plant micronutrients. We have proposed that the physiological and protective insulin resistance that underlies thriftiness encapsulates something called 'redox thriftiness', whereby insulin resistance is determined by the ability to resist oxidative stress. Modern man has removed most hormetic stimuli and replaced them with a calorific sedentary lifestyle, leading to increased risk of metabolic inflexibility. We suggest that there is a tipping point where lipotoxicity in adipose and hepatic cells induces mild inflammation, which switches thrifty insulin resistance to inflammation-driven insulin resistance. To understand this, we propose that the metabolic syndrome could be seen from the viewpoint of the ECS, the mitochondrion and the FOXO group of transcription factors. FOXO has many thrifty actions, including increasing insulin resistance and appetite, suppressing oxidative stress and shifting the organism towards using fatty acids. In concert with factors such as PGC-1, they also modify mitochondrial function and biogenesis. Hence, the ECS and FOXO may interact at many points; one of which may be via intracellular redox signalling. As cannabinoids have been shown to modulate reactive oxygen species production, it is possible that they can upregulate anti-oxidant defences. This suggests they may have an 'endohormetic' signalling function. The tipping point into the metabolic syndrome may be the result of a chronic lack of hormetic stimuli (in particular, physical activity), and thus, stimulus for PGC-1, with a resultant reduction in mitochondrial function and a reduced lipid capacitance. This, in the context of a positive calorie environment, will result in increased visceral adipose tissue volume, abnormal ectopic fat content and systemic inflammation. This would worsen the inflammatory-driven pathological insulin resistance and inability to deal with lipids. The resultant oxidative stress may therefore drive a compensatory anti-oxidative response epitomised by the ECS and FOXO. Thus, although blocking the ECS (e.g. via rimonabant) may induce temporary weight loss, it may compromise long-term stress resistance. Clues about how to modulate the system more safely are emerging from observations that some polyphenols, such as resveratrol and possibly, some phytocannabinoids, can modulate mitochondrial function and might improve resistance to a modern lifestyle.