Non-negative matrix decomposition approaches to frequency domain analysis of music audio signals

On étudie l’application des algorithmes de décomposition matricielles tel que la Factorisation Matricielle Non-négative (FMN), aux représentations fréquentielles de signaux audio musicaux. Ces algorithmes, dirigés par une fonction d’erreur de reconstruction, apprennent un ensemble de fonctions de base et un ensemble de coef- ficients correspondants qui approximent le signal d’entrée. On compare l’utilisation de trois fonctions d’erreur de reconstruction quand la FMN est appliquée à des gammes monophoniques et harmonisées: moindre carré, divergence Kullback-Leibler, et une mesure de divergence dépendente de la phase, introduite récemment. Des nouvelles méthodes pour interpréter les décompositions résultantes sont présentées et sont comparées aux méthodes utilisées précédemment qui nécessitent des connaissances du domaine acoustique. Finalement, on analyse la capacité de généralisation des fonctions de bases apprises par rapport à trois paramètres musicaux: l’amplitude, la durée et le type d’instrument. Pour ce faire, on introduit deux algorithmes d’étiquetage des fonctions de bases qui performent mieux que l’approche précédente dans la majorité de nos tests, la tâche d’instrument avec audio monophonique étant la seule exception importante.

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.

Zoning of the commercial poultry industry in Ontario as a method of avian influenza mitigation

L’Organisation mondiale de la santé animale (OIE) est l’institution internationale responsable de la mise en place des mesures sanitaires associées aux échanges commerciaux d’animaux vivants. Le zonage est une méthode de contrôle recommandée par l’OIE pour certaines maladies infectieuses, dont l’influenza aviaire. Les éclosions d’influenza aviaire été extrêmement coûteuses pour l’industrie avicole partout dans le monde. Afin d’évaluer la possibilité d’user de cette approche en Ontario, les données sur les sites de production avicole ont été fournies par les fédérations d’éleveurs de volailles ce cette province. L’information portant sur les industries associées à la production avicole, soit les meuneries, les abattoirs, les couvoirs, et les usines de classification d’œufs, a été obtenue par l’entremise de plusieurs sources, dont des représentants de l’industrie avicole. Des diagrammes de flux a été crée afin de comprendre les interactions entre les sites de production et les industries associées à ceux-ci. Ces industries constituaient les éléments de bas nécessaires au zonage. Cette analyse a permis de créer une base de données portant sur intrants et extrants de production pour chaque site d’élevage avicole, ainsi que pour les sites de production des industries associées à l’aviculture. À l’aide du logiciel ArcGIS, cette information a été fusionnée à des données géospatiales de Statistique Canada de l’Ontario et du Québec. La base de données résultante a permis de réaliser les essais de zonage. Soixante-douze essais ont été réalisés. Quatre ont été retenus car celles minimisaient de façon similaire les pertes de production de l’industrie. Ces essais montrent que la méthode utilisée pour l’étude du zonage peut démontrer les déficits et les surplus de production de l’industrie avicole commerciale en Ontario. Ceux-ci pourront servir de point de départ lors des discussions des intervenants de l’industrie avicole, étant donné que la coopération et la communication sont essentielles au succès du zonage.

Plasticity of neuroanatomical relationships between cholinergic and dopaminergic axon varicosities and pyramidal cells in the rat medial prefrontal cortex

Les systèmes cholinergique et dopaminergique jouent un rôle prépondérant dans les fonctions cognitives. Ce rôle est exercé principalement grâce à leur action modulatrice de l’activité des neurones pyramidaux du cortex préfrontal. L’interaction pharmacologique entre ces systèmes est bien documentée mais les études de leurs interactions neuroanatomiques sont rares, étant donné qu’ils sont impliqués dans une transmission diffuse plutôt que synaptique. Ce travail de thèse visait à développer une expertise pour analyser ce type de transmission diffuse en microscopie confocale. Nous avons étudié les relations de microproximité entre ces différents systèmes dans le cortex préfrontal médian (mPFC) de rats et souris. En particulier, la densité des varicosités axonales en passant a été quantifiée dans les segments des fibres cholinergiques et dopaminergiques à une distance mutuelle de moins de 3 µm ou à moins de 3 µm des somas de cellules pyramidales. Cette microproximité était considérée comme une zone d’interaction probable entre les éléments neuronaux. La quantification était effectuée après triple-marquage par immunofluorescence et acquisition des images de 1 µm par microscopie confocale. Afin d’étudier la plasticité de ces relations de microproximité, cette analyse a été effectuée dans des conditions témoins, après une activation du mPFC et dans un modèle de schizophrénie par déplétion des neurones cholinergiques du noyau accumbens. Les résultats démontrent que 1. Les fibres cholinergiques interagissent avec des fibres dopaminergiques et ce sur les mêmes neurones pyramidaux de la couche V du mPFC. Ce résultat suggère différents apports des systèmes cholinergique et dopaminergique dans l’intégration effectuée par une même cellule pyramidale. 2. La densité des varicosités en passant cholinergiques et dopaminergiques sur des segments de fibre en microproximité réciproque est plus élevée comparé aux segments plus distants les uns des autres. Ce résultat suggère un enrichissement du nombre de varicosités axonales dans les zones d’interaction. 3. La densité des varicosités en passant sur des segments de fibre cholinergique en microproximité de cellules pyramidales, immunoúactives pour c-Fos après une stimulation visuelle et une stimulation électrique des noyaux cholinergiques projetant au mPFC est plus élevée que la densité des varicosités de segments en microproximité de cellules pyramidales non-activées. Ce résultat suggère un enrichissement des varicosités axonales dépendant de l’activité neuronale locale au niveau de la zone d'interaction avec d'autres éléments neuronaux. 4. La densité des varicosités en passant des fibres dopaminergiques a été significativement diminuée dans le mPFC de rats ayant subi une déplétion cholinergique dans le noyau accumbens, comparée aux témoins. Ces résultats supportent des interrelations entre la plasticité structurelle des varicosités dopaminergiques et le fonctionnement cortical. L’ensemble des donneès démontre une plasticité de la densité locale des varicosités axonales en fonction de l’activité neuronale locale. Cet enrichissement activité-dépendant contribue vraisemblablement au maintien d’une interaction neurochimique entre deux éléments neuronaux.

Analyse de changements multiples : une approche probabiliste utilisant les réseaux bayésiens

La maintenance du logiciel est une phase très importante du cycle de vie de celui-ci. Après les phases de développement et de déploiement, c’est celle qui dure le plus longtemps et qui accapare la majorité des coûts de l'industrie. Ces coûts sont dus en grande partie à la difficulté d’effectuer des changements dans le logiciel ainsi que de contenir les effets de ces changements. Dans cette perspective, de nombreux travaux ont ciblé l’analyse/prédiction de l’impact des changements sur les logiciels. Les approches existantes nécessitent de nombreuses informations en entrée qui sont difficiles à obtenir. Dans ce mémoire, nous utilisons une approche probabiliste. Des classificateurs bayésiens sont entraînés avec des données historiques sur les changements. Ils considèrent les relations entre les éléments (entrées) et les dépendances entre changements historiques (sorties). Plus spécifiquement, un changement complexe est divisé en des changements élémentaires. Pour chaque type de changement élémentaire, nous créons un classificateur bayésien. Pour prédire l’impact d’un changement complexe décomposé en changements élémentaires, les décisions individuelles des classificateurs sont combinées selon diverses stratégies. Notre hypothèse de travail est que notre approche peut être utilisée selon deux scénarios. Dans le premier scénario, les données d’apprentissage sont extraites des anciennes versions du logiciel sur lequel nous voulons analyser l’impact de changements. Dans le second scénario, les données d’apprentissage proviennent d’autres logiciels. Ce second scénario est intéressant, car il permet d’appliquer notre approche à des logiciels qui ne disposent pas d’historiques de changements. Nous avons réussi à prédire correctement les impacts des changements élémentaires. Les résultats ont montré que l’utilisation des classificateurs conceptuels donne les meilleurs résultats. Pour ce qui est de la prédiction des changements complexes, les méthodes de combinaison "Voting" et OR sont préférables pour prédire l’impact quand le nombre de changements à analyser est grand. En revanche, quand ce nombre est limité, l’utilisation de la méthode Noisy-Or ou de sa version modifiée est recommandée.

Adaptation de la phase de planification et d’initiation du mouvement d’atteinte visuellement guidé à différentes dissociations visuomotrices.

L’hypothèse générale de ce projet soutient que le système moteur doit performer des transformations sensorimotrices afin de convertir les entrées sensorielles, concernant la position de la cible à atteindre, en commande motrice, afin de produire un mouvement du bras et de la main vers la cible à atteindre. Ce type de conversion doit être fait autant au niveau de la planification du mouvement que pour une éventuelle correction d’erreur de planification ou d’un changement inopiné de la position de la cible. La question de recherche du présent mémoire porte sur le ou les mécanismes, circuits neuronaux, impliqués dans ce type de transformation. Y a-t-il un seul circuit neuronal qui produit l’ensemble des transformations visuomotrices entre les entrées sensorielles et les sorties motrices, avant l’initiation du mouvement et la correction en temps réel du mouvement, lorsqu’une erreur ou un changement inattendu survient suite à l’initiation, ou sont-ils minimalement partiellement indépendants sur le plan fonctionnel? L’hypothèse de travail suppose qu’il n’y ait qu’un seul circuit responsable des transformations sensorimotrices, alors l’analyse des résultats obtenus par les participants devrait démontrer des changements identiques dans la performance pendant la phase de planification du mouvement d’atteinte et la phase de correction en temps réel après l’adaptation à des dissociations sensorimotrices arbitraires. L’approche expérimentale : Dans la perspective d’examiner cette question et vérifier notre hypothèse, nous avons jumelé deux paradigmes expérimentaux. En effet, les mouvements d’atteinte étaient soumis à une dissociation visuomotrice ainsi qu’à de rares essais composés de saut de cible. L’utilisation de dissociation visuomotrice permettait d’évaluer le degré d’adaptation des mécanismes impliqués dans le mouvement atteint. Les sauts de cible avaient l’avantage de permettre d’examiner la capacité d’adaptation à une dissociation visuomotrice des mécanismes impliqués dans la correction du mouvement (miroir : sur l’axe y, ou complète : inversion sur les axes x et y). Les résultats obtenus lors des analyses effectuées dans ce mémoire portent exclusivement sur l’habileté des participants à s’adapter aux deux dissociations visuomotrices à la première phase de planification du mouvement. Les résultats suggèrent que les mécanismes de planification du mouvement possèdent une grande capacité d’adaptation aux deux différentes dissociations visuomotrices. Les conclusions liées aux analyses présentées dans ce mémoire suggèrent que les mécanismes impliqués dans la phase de planification et d’initiation du mouvement parviennent relativement bien à s’adapter aux dissociations visuomotrices, miroir et inverse. Bien que les résultats démontrent une certaine distinction, entre les deux groupes à l’étude, quant aux délais nécessaires à cette adaptation, ils illustrent aussi un taux d’adaptation finale relativement similaire. L’analyse des réponses aux sauts de cible pourra être comparée aux résultats présentés dans ce mémoire afin de répondre à l’hypothèse de travail proposée par l’objectif initial de l’étude.

Analysis of a New Compact Microstrip Antenna

A new compact micro strip antenna element is analyzed. The analysis can accurately predict the resonant frequency, input impedance, and radiation patterns. The predicted results are compared with experimental results and excellent agreement is observed . These antenna elements are more suitable in applications where limited antenna real estate is available

Analysis and Testing of a Novel Oadm Based on FBG and Machzehnder Interferometer

A novel optical add-drop multiplexer (OADM) based on the Mach-Zelauler interferometer (MZI) and the fiber Bragg grating (FBG) is proposed for the first tittle to the authors ' knowledge. In the structure, the Mach-Zehnder interferometer acts as an optical switch. The principle of the OADM is analyzed in this paper. The OADM can add/drop one of the multi-input channels or pass the channel directly by adjusting the difference of the two arms of the interferometer. The channel isolation is more than 20 dB

An Alternative Approach To Computer System Security Monitoring And Enhancement Through System Call Sequence Analysis

Modern computer systems are plagued with stability and security problems: applications lose data, web servers are hacked, and systems crash under heavy load. Many of these problems or anomalies arise from rare program behavior caused by attacks or errors. A substantial percentage of the web-based attacks are due to buffer overflows. Many methods have been devised to detect and prevent anomalous situations that arise from buffer overflows. The current state-of-art of anomaly detection systems is relatively primitive and mainly depend on static code checking to take care of buffer overflow attacks. For protection, Stack Guards and I-leap Guards are also used in wide varieties.This dissertation proposes an anomaly detection system, based on frequencies of system calls in the system call trace. System call traces represented as frequency sequences are profiled using sequence sets. A sequence set is identified by the starting sequence and frequencies of specific system calls. The deviations of the current input sequence from the corresponding normal profile in the frequency pattern of system calls is computed and expressed as an anomaly score. A simple Bayesian model is used for an accurate detection.Experimental results are reported which show that frequency of system calls represented using sequence sets, captures the normal behavior of programs under normal conditions of usage. This captured behavior allows the system to detect anomalies with a low rate of false positives. Data are presented which show that Bayesian Network on frequency variations responds effectively to induced buffer overflows. It can also help administrators to detect deviations in program flow introduced due to errors.

Acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and analysis of transducer arrays

New mathematical methods to analytically investigate linear acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and transducer arrays are presented. Three problems of interest involving cylinders in an infinite fluid are studied. In all the three problems, the Helmholtz equation is used to model propagation through the fluid and the beam patterns of arrays of transducers are studied. In the first problem, a method is presented to determine the omni-directional and directional far-field pressures radiated by a cylindrical transducer array in an infinite rigid cylindrical baffle. The solution to the Helmholtz equation and the displacement continuity condition at the interface between the array and the surrounding water are used to determine the pressure. The displacement of the surface of each transducer is in the direction of the normal to the array and is assumed to be uniform. Expressions are derived for the pressure radiated by a sector of the array vibrating in-phase, the entire array vibrating in-phase, and a sector of the array phase-shaded to simulate radiation from a rectangular piston. It is shown that the uniform displacement required for generating a source level of 220 dB ref. μPa @ 1m that is omni directional in the azimuthal plane is in the order of 1 micron for typical arrays. Numerical results are presented to show that there is only a small difference between the on-axis pressures radiated by phased cylindrical arrays and planar arrays. The problem is of interest because cylindrical arrays of projectors are often used to search for underwater objects. In the second problem, the errors, when using data-independent, classical, energy and split beam correlation methods, in finding the direction of arrival (DOA) of a plane acoustic wave, caused by the presence of a solid circular elastic cylindrical stiffener near a linear array of hydrophones, are investigated. Scattering from the effectively infinite cylinder is modeled using the exact axisymmetric equations of motion and the total pressures at the hydrophone locations are computed. The effect of the radius of the cylinder, a, the distance between the cylinder and the array, b, the number of hydrophones in the array, 2H, and the angle of incidence of the wave, α, on the error in finding the DOA are illustrated using numerical results. For an array that is about 30 times the wavelength and for small angles of incidence (α<10), the error in finding the DOA using the energy method is less than that using the split beam correlation method with beam steered to α; and in some cases, the error increases when b increases; and the errors in finding the DOA using the energy method and the split beam correlation method with beam steered to α vary approximately as a7 / 4 . The problem is of interest because elastic stiffeners – in nearly acoustically transparent sonar domes that are used to protect arrays of transducers – scatter waves that are incident on it and cause an error in the estimated direction of arrival of the wave. In the third problem, a high-frequency ray-acoustics method is presented and used to determine the interior pressure field when a plane wave is normally incident on a fluid cylinder embedded in another infinite fluid. The pressure field is determined by using geometrical and physical acoustics. The interior pressure is expressed as the sum of the pressures due to all rays that pass through a point. Numerical results are presented for ka = 20 to 100 where k is the acoustic wavenumber of the exterior fluid and a is the radius of the cylinder. The results are in good agreement with those obtained using field theory. The directional responses, to the plane wave, of sectors of a circular array of uniformly distributed hydrophones in the embedded cylinder are then computed. The sectors are used to simulate linear arrays with uniformly distributed normals by using delays. The directional responses are compared with the output from an array in an infinite homogenous fluid. These outputs are of interest as they are used to determine the direction of arrival of the plane wave. Numerical results are presented for a circular array with 32 hydrophones and 12 hydrophones in each sector. The problem is of interest because arrays of hydrophones are housed inside sonar domes and acoustic plane waves from distant sources are scattered by the dome filled with fresh water and cause deterioration in the performance of the array.

Design and Development of re configurable compact cross patch antenna for switchable polarization

Antennas are necessary and vital components of communication and radar systems, but sometimes their inability to adjust to new operating scenarios can limit system performance. Reconfigurable antennas can adjust with changing system requirements or environmental conditions and provide additional levels of functionality that may result in wider instantaneous frequency bandwidths, more extensive scan volumes, and radiation patterns with more desirable side lobe distributions. Their agility and diversity created new horizons for different types of applications especially in cognitive radio, Multiple Input Multiple Output Systems, satellites and many other applications. Reconfigurable antennas satisfy the requirements for increased functionality, such as direction finding, beam steering, radar, control and command, within a confined volume. The intelligence associated with the reconfigurable antennas revolved around switching mechanisms utilized. In the present work, we have investigated frequency reconfigurable polarization diversity antennas using two methods: 1. By using low-loss, high-isolation switches such as PIN diode, the antenna can be structurally reconfigured to maintain the elements near their resonant dimensions for different frequency bands and/or polarization. 2. Secondly, the incorporation of variable capacitors or varactors, to overcome many problems faced in using switches and their biasing. The performances of these designs have been studied using standard simulation tools used in industry/academia and they have been experimentally verified. Antenna design guidelines are also deduced by accounting the resonances. One of the major contributions of the thesis lies in the analysis of the designed antennas using FDTD based numerical computation to validate their performance.

Spectral clustering independent component analysis for tissue classification from brain MRI

A spectral angle based feature extraction method, Spectral Clustering Independent Component Analysis (SC-ICA), is proposed in this work to improve the brain tissue classification from Magnetic Resonance Images (MRI). SC-ICA provides equal priority to global and local features; thereby it tries to resolve the inefficiency of conventional approaches in abnormal tissue extraction. First, input multispectral MRI is divided into different clusters by a spectral distance based clustering. Then, Independent Component Analysis (ICA) is applied on the clustered data, in conjunction with Support Vector Machines (SVM) for brain tissue analysis. Normal and abnormal datasets, consisting of real and synthetic T1-weighted, T2-weighted and proton density/fluid-attenuated inversion recovery images, were used to evaluate the performance of the new method. Comparative analysis with ICA based SVM and other conventional classifiers established the stability and efficiency of SC-ICA based classification, especially in reproduction of small abnormalities. Clinical abnormal case analysis demonstrated it through the highest Tanimoto Index/accuracy values, 0.75/98.8%, observed against ICA based SVM results, 0.17/96.1%, for reproduced lesions. Experimental results recommend the proposed method as a promising approach in clinical and pathological studies of brain diseases

Brain Tissue Classification from Multispectral MRI by Wavelet based Principal Component Analysis

In this paper, we propose a multispectral analysis system using wavelet based Principal Component Analysis (PCA), to improve the brain tissue classification from MRI images. Global transforms like PCA often neglects significant small abnormality details, while dealing with a massive amount of multispectral data. In order to resolve this issue, input dataset is expanded by detail coefficients from multisignal wavelet analysis. Then, PCA is applied on the new dataset to perform feature analysis. Finally, an unsupervised classification with Fuzzy C-Means clustering algorithm is used to measure the improvement in reproducibility and accuracy of the results. A detailed comparative analysis of classified tissues with those from conventional PCA is also carried out. Proposed method yielded good improvement in classification of small abnormalities with high sensitivity/accuracy values, 98.9/98.3, for clinical analysis. Experimental results from synthetic and clinical data recommend the new method as a promising approach in brain tissue analysis.

Wavelet based Independent Component Analysis for Multispectral Brain Tissue Classification

Multispectral analysis is a promising approach in tissue classification and abnormality detection from Magnetic Resonance (MR) images. But instability in accuracy and reproducibility of the classification results from conventional techniques keeps it far from clinical applications. Recent studies proposed Independent Component Analysis (ICA) as an effective method for source signals separation from multispectral MR data. However, it often fails to extract the local features like small abnormalities, especially from dependent real data. A multisignal wavelet analysis prior to ICA is proposed in this work to resolve these issues. Best de-correlated detail coefficients are combined with input images to give better classification results. Performance improvement of the proposed method over conventional ICA is effectively demonstrated by segmentation and classification using k-means clustering. Experimental results from synthetic and real data strongly confirm the positive effect of the new method with an improved Tanimoto index/Sensitivity values, 0.884/93.605, for reproduced small white matter lesions

Video Object Tracking And Analysis For Computer Assisted Surgery

Pedicle screw insertion technique has made revolution in the surgical treatment of spinal fractures and spinal disorders. Although X- ray fluoroscopy based navigation is popular, there is risk of prolonged exposure to X- ray radiation. Systems that have lower radiation risk are generally quite expensive. The position and orientation of the drill is clinically very important in pedicle screw fixation. In this paper, the position and orientation of the marker on the drill is determined using pattern recognition based methods, using geometric features, obtained from the input video sequence taken from CCD camera. A search is then performed on the video frames after preprocessing, to obtain the exact position and orientation of the drill. An animated graphics, showing the instantaneous position and orientation of the drill is then overlaid on the processed video for real time drill control and navigation