Learning and using taxonomies for visual and olfactory classification

Humans are able of distinguishing more than 5000 visual categories even in complex environments using a variety of different visual systems all working in tandem. We seem to be capable of distinguishing thousands of different odors as well. In the machine learning community, many commonly used multi-class classifiers do not scale well to such large numbers of categories. This thesis demonstrates a method of automatically creating application-specific taxonomies to aid in scaling classification algorithms to more than 100 cate- gories using both visual and olfactory data. The visual data consists of images collected online and pollen slides scanned under a microscope. The olfactory data was acquired by constructing a small portable sniffing apparatus which draws air over 10 carbon black polymer composite sensors. We investigate performance when classifying 256 visual categories, 8 or more species of pollen and 130 olfactory categories sampled from common household items and a standardized scratch-and-sniff test. Taxonomies are employed in a divide-and-conquer classification framework which improves classification time while allowing the end user to trade performance for specificity as needed. Before classification can even take place, the pollen counter and electronic nose must filter out a high volume of background “clutter” to detect the categories of interest. In the case of pollen this is done with an efficient cascade of classifiers that rule out most non-pollen before invoking slower multi-class classifiers. In the case of the electronic nose, much of the extraneous noise encountered in outdoor environments can be filtered using a sniffing strategy which preferentially samples the visensor response at frequencies that are relatively immune to background contributions from ambient water vapor. This combination of efficient background rejection with scalable classification algorithms is tested in detail for three separate projects: 1) the Caltech-256 Image Dataset, 2) the Caltech Automated Pollen Identification and Counting System (CAPICS) and 3) a portable electronic nose specially constructed for outdoor use.

Octopamine neurons mediate flight-induced modulation of visual processing in Drosophila melanogaster

Activity-dependent modulation of sensory systems has been documented in many organisms, and is likely to be essential for appropriate processing of information during different behavioral states. However, the mechanisms underlying these phenomena, and often their functional consequences, remain poorly characterized. I investigated the role of octopamine neurons in the flight-dependent modulation observed in visual interneurons in the fruit fly Drosophila melanogaster. The vertical system (VS) cells exhibit a boost in their response to visual motion during flight compared to quiescence. Pharmacological application of octopamine evokes responses in quiescent flies that mimic those observed during flight, and octopamine neurons that project to the optic lobes increase in activity during flight. Using genetic tools to manipulate the activity of octopamine neurons, I find that they are both necessary and sufficient for the flight-induced visual boost. This work provides the first evidence that endogenous release of octopamine is involved in state-dependent modulation of visual interneurons in flies. Further, I investigated the role of a single pair of octopamine neurons that project to the optic lobes, and found no evidence that chemical synaptic transmission via these neurons is necessary for the flight boost. However, I found some evidence that activation of these neurons may contribute to the flight boost. Wind stimuli alone are sufficient to generate transient increases in the VS cell response to motion vision, but result in no increase in baseline membrane potential. These results suggest that the flight boost originates not from a central command signal during flight, but from mechanosensory stimuli relayed via the octopamine system. Lastly, in an attempt to understand the functional consequences of the flight boost observed in visual interneurons, we measured the effect of inactivating octopamine neurons in freely flying flies. We found that flies whose octopamine neurons we silenced accelerate less than wild-type flies, consistent with the hypothesis that the flight boost we observe in VS cells is indicative of a gain control mechanism mediated by octopamine neurons. Together, this work serves as the basis for a mechanistic and functional understanding of octopaminergic modulation of vision in flying flies.

Análise comparativa in vivo da detecção de lesões de cárie oclusal e proximal por meio de exame visual (ICDAS), exame radiográfico e transiluminação por fibra ótica (FOTI)

O objetivo do presente trabalho foi avaliar in vivo a detecção de cárie através do exame visual ICDAS, transiluminação por fibra ótica combinado ao ICDAS e exame radiográfico. Um total de 2.279 superfícies proximais e cicatrículas e fissuras em incisivos superiores, pré-molares e molares permanentes e 272 superfícies em molares decíduos em72 escolares (8 a 18 anos) foram avaliadas por um examinador treinado. Os sete escores para detecção de cárie primária do sistema visual ICDAS foram aplicados. Dois equipamentos de transiluminação por fibra ótica foram avaliados: FOTI Schott (SCH), com ponta de fibra ótica com 0,5mm de diâmetro, e FOTI Microlux (MIC), com diâmetro da ponta 3 mm. Durante o exame combinado FOTI/ICDAS, a fibra ótica era utilizada tanto para iluminar quanto para transiluminar a superfície sob avaliação. O exame radiográfico (RX) consistiu de radiografias interproximais posteriores e periapicais anteriores. Os exames foram realizados em consultório odontológico após escovação supervisionada. No primeiro dia de exame, o exame visual utilizando o ICDAS era realizado e em seguida, o exame combinado ao MIC ou SCH. Logo após era realizado o exame radiográfico. Após uma semana, novamente o ICDAS era realizado, e em seguida o exame combinado com o equipamento de FOTI não utilizado na semana anterior. Os exames foram repetidos em 10 pacientes após intervalo mínimo de uma semana para avaliação da reprodutibilidade intra-examinador, a qual apresentou valores de 0,95 (ICDAS), 0,94 (MIC), 0,95 (SCH) e 0,99 (RX) pelo kappa ponderado. Em cicatrículas e fissuras de permanentes, o RX julgou que um número maior de superfícies apresentava lesão em dentina (53) do que os outros métodos (34 a 36); porém não detectou nenhuma lesão em esmalte, as quais foram identificadas pelo ICDAS (94), SCH (107) e MIC (91). Em proximais permanentes, a transiluminação por fibra ótica identificou maior número de proximais como lesão em esmalte - 150 (SCH) e 139 (MIC) - do que o exame visual (106), enquanto o RX identificou somente 43. Em oclusais de decíduos, os quatro métodos julgaram um número aproximadamente similar de superfícies sem lesão (52 a 59) ou com lesão em dentina (21 a 26), assim como para lesões proximais em dentina (31 a 36). Entretanto um número reduzido de lesões proximais decíduas em esmalte foi julgado pelo exame radiográfico (3) em comparação com os outros métodos (15 a 16). Em decíduos, o ICDAS e o FOTI combinado ao exame visual julgaram maior número de lesões proximais em esmalte que o exame radiográfico, sendo que número similar de lesões em dentina foram classificadas pelos quatro métodos em oclusais e proximais de molares decíduos. Em cicatrículas e fissuras de permanentes, tanto o exame visual ICDAS quanto sua combinação aos dois equipamentos de transiluminação apresentaram maior similaridade de superfícies julgadas como lesão em esmalte ou como lesão em dentina, enquanto o exame radiográfico classificou mais superfícies como lesão em dentina e nenhuma como lesão em esmalte. A adição da transiluminação por fibra ótica ao exame visual aumentou em um terço a detecção das lesões cariosas proximais julgadas em dentina pelo ICDAS isoladamente e aproximadamente quadruplicou o número daquelas assim classificadas pela avaliação radiográfica em permanentes.

Visual pattern recognition network: Its training algorithm and its optoelectronic architecture

A visual pattern recognition network and its training algorithm are proposed. The network constructed of a one-layer morphology network and a two-layer modified Hamming net. This visual network can implement invariant pattern recognition with respect to image translation and size projection. After supervised learning takes place, the visual network extracts image features and classifies patterns much the same as living beings do. Moreover we set up its optoelectronic architecture for real-time pattern recognition. (C) 1996 Optical Society of America

Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro e a expansão dos riscos ambientais, ações preventivas e catástrofes: o caso de Petrópolis

O município de Petrópolis, palco de recorrente de problemas ambientais envolvendo movimentos de massa concentrados historicamente na sua área mais urbanizada, os distritos Sede e Cascatinha, vive nas últimas décadas um crescimento populacional que se orienta basicamente para antigas áreas rurais de Itaipava, Pedro do Rio e Posse. O objetivo geral da pesquisa é investigar como este crescimento vem ocorrendo, analisando as características geológico-geomorfológicas dos novos espaços ocupados, os fatores predisponentes às novas condições de risco envolvendo os movimentos de massa e as inundações. Assim, foi elaborado um panorama sócio-evolutivo do processo de ocupação do solo em Petrópolis, considerando especialmente a dinâmica demográfica registrada nos distritos através dos censos demográficos a partir da década de 1940. Utilizando o geoprocessamento como ferramenta e a classificação visual de segmentação de OrtofotosCarta IBGE na escala 1: 25.000, foram produzidos mapas de uso do solo para o município e distritos detalhando a área ocupada. Com o fim de atender ao diagnóstico das situações de risco foi realizado o levantamento da situação atual da ocorrência dos movimentos de massa e inundações no município, comparando levantamentos anteriores e verificando a distribuição das ocorrências e a população atingida. Por fim, a avaliação da execução da política de desenvolvimento e expansão urbana definida no Plano Diretor de Petrópolis e na Lei de Uso, Parcelamento e Ocupação do Solo, analisando o zoneamento e seus usos (rural, rururbano, urbano e zona de proteção especial) resultando no entendimento de como os aspectos normativos vem sendo tratados, naquilo que são respeitados e naquilo que não são cumpridos na dinâmica da ocupação do espaço, levantando as ações de prevenção, ou não, dos problemas ambientais. Contudo, a definição dos objetivos do trabalho teve dois momentos. O primeiro com a análise da expansão urbana construindo novas condições de risco e o segundo momento, lamentavelmente, aquele no qual as evidências ganharam contorno de realidade com o ocorrido em dezembro de 2010 e em janeiro de 2011, principalmente quando inundações bruscas associadas aos deslizamentos de terra nas encostas atingiram áreas de Petrópolis e de outros municípios da região Serrana do Estado do Rio de Janeiro, certamente, a maior tragédia ambiental ocorrida no Centro-Sul do país até então. Com mais de 900 mortos, centenas de desaparecidos e milhares de desabrigados e desalojados, os eventos suplantaram os objetivos do trabalho, colocando novas questões, ao mesmo tempo em que a realidade demonstrou a coerência e pertinência daqueles objetivos com os problemas apresentados. Assim, dentre os objetivos passou a constar também a verificação in loco das conseqüências de movimentos de massa e inundações nas áreas apontadas anteriormente, como foi o caso do vale do Rio Santo Antônio em Itaipava. O trabalho, assim, se pautou por indicar a necessidade ter-se maior atenção às novas áreas de ocupação no município, considerando a natureza do território, contribuindo como um subsídio na prevenção ao risco.

O ser negro à vista: construção verbo-visual do negro na propaganda impressa

Esta tese destina-se a desenvolver estudo semiótico de propagandas impressas em que a pessoa negra é posta em presença. Investiga-se como a propaganda veiculada em revista, mediante seleção e combinação sígnicas, efetiva a construção da imagem verbo-visual do negro, tendo em vista o produto anunciado e os projetos comunicativos do enunciador e, assim, como finda por ratificar ou (re)elaborar significados sociais acerca desse sujeito. Pautando-se na Semiótica de Charles Sanders Peirce e tendo por suporte, fundamentalmente, a Teoria da Iconicidade Verbal de Simões (2009), a pesquisa aborda todos os signos verbais e não verbais em diálogo, como dotados de potencial icônico, não só revelador dos projetos de texto, como também ativador de interpretações/leituras e, ainda, delineador de sentidos, posteriormente cristalizados e convertidos em significados imanentes aos signos e aos objetos reportados. Por ter, como material constitutivo do corpus, textos elaborados em linguagem mista, a pesquisa propõe a aplicação da Teoria da Iconicidade Verbal ao universo dos signos lato sensu. O debate apresenta o texto de propaganda como excelente material, não só para implementar os estudos de História e Cultura Afro-brasileiras, como prevê a Lei 10.639/03, como também para subsidiar o ensino de língua portuguesa, com ênfase para os estudos sobre leitura e produção textual, para que se forme sujeito dotado de habilidades que lhe permitam reconhecer no verbal e no não verbal a revelação e a geração de sentidos sociais

Herpetofaunal Inventories of the National Parks of South Florida and the Caribbean: Volume II. Virgin Islands National Park

Amphibian declines and extinctions have been documented around the world, often in protected natural areas. Concern for this alarming trend has focused attention on the need to document all species of amphibians that occur within U.S. National Parks and to search for any signs that amphibians may be declining. This study, an inventory of amphibian species in Virgin Islands National Park, was conducted from 2001 to 2003. The goals of the project were to create a georeferenced inventory of amphibian species, use new analytical techniques to estimate proportion of sites occupied by each species, look for any signs of amphibian decline (missing species, disease, die-offs, etc.), and to establish a protocol that could be used for future monitoring efforts. Several sampling methods were used to accomplish these goals. Visual encounter surveys and anuran vocalization surveys were conducted in all habitats throughout the park to estimate the proportion of sites or proportion of area occupied (PAO) by amphibian species in each habitat. Line transect methods were used to estimate density of some amphibian species and double observer analysis was used to refine counts based on detection probabilities. Opportunistic collections were used to augment the visual encounter methods for rare species. Data were collected during four sampling periods and every major trail system throughout the park was surveyed. All of the amphibian species believed to occur on St. John were detected during these surveys. One species not previously reported, the Cuban treefrog (Osteopilus septentrionalis), was also added to the species list. That species and two others (Eleutherodactylus coqui and Eleutherodactylus lentus) bring the total number of introduced amphibians on St. John to three. We detected most of the reptile species thought to occur on St. John, but our methods were less suitable for reptiles compared to amphibians. No amphibian species appear to be in decline at this time. We found no evidence of disease or of malformations. Our surveys provide a snapshot picture of the status of the amphibian species, so continued monitoring would be necessary to determine long-term trends, but several potential threats to amphibians were identified. Invasive species, especially the Cuban treefrog, have the potential to decrease populations of native amphibians. Introduced mammalian predators are also a potential threat, especially to the reptiles of St. John, and mammalian grazers might have indirect effects on amphibians and reptiles through habitat modification. Finally, loss of habitat to development outside the park boundary could harm some important populations of amphibians and reptiles on the island.