Efficient 3D scene modeling and mosaicing

El modelat d'escenes és clau en un gran ventall d'aplicacions que van des de la generació mapes fins a la realitat augmentada. Aquesta tesis presenta una solució completa per a la creació de models 3D amb textura. En primer lloc es presenta un mètode de Structure from Motion seqüencial, a on el model 3D de l'entorn s'actualitza a mesura que s'adquireix nova informació visual. La proposta és més precisa i robusta que l'estat de l'art. També s'ha desenvolupat un mètode online, basat en visual bag-of-words, per a la detecció eficient de llaços. Essent una tècnica completament seqüencial i automàtica, permet la reducció de deriva, millorant la navegació i construcció de mapes. Per tal de construir mapes en àrees extenses, es proposa un algorisme de simplificació de models 3D, orientat a aplicacions online. L'eficiència de les propostes s'ha comparat amb altres mètodes utilitzant diversos conjunts de dades submarines i terrestres.

Efficient topology estimation for large scale optical mapping

Large scale image mosaicing methods are in great demand among scientists who study different aspects of the seabed, and have been fostered by impressive advances in the capabilities of underwater robots in gathering optical data from the seafloor. Cost and weight constraints mean that lowcost Remotely operated vehicles (ROVs) usually have a very limited number of sensors. When a low-cost robot carries out a seafloor survey using a down-looking camera, it usually follows a predetermined trajectory that provides several non time-consecutive overlapping image pairs. Finding these pairs (a process known as topology estimation) is indispensable to obtaining globally consistent mosaics and accurate trajectory estimates, which are necessary for a global view of the surveyed area, especially when optical sensors are the only data source. This thesis presents a set of consistent methods aimed at creating large area image mosaics from optical data obtained during surveys with low-cost underwater vehicles. First, a global alignment method developed within a Feature-based image mosaicing (FIM) framework, where nonlinear minimisation is substituted by two linear steps, is discussed. Then, a simple four-point mosaic rectifying method is proposed to reduce distortions that might occur due to lens distortions, error accumulation and the difficulties of optical imaging in an underwater medium. The topology estimation problem is addressed by means of an augmented state and extended Kalman filter combined framework, aimed at minimising the total number of matching attempts and simultaneously obtaining the best possible trajectory. Potential image pairs are predicted by taking into account the uncertainty in the trajectory. The contribution of matching an image pair is investigated using information theory principles. Lastly, a different solution to the topology estimation problem is proposed in a bundle adjustment framework. Innovative aspects include the use of fast image similarity criterion combined with a Minimum spanning tree (MST) solution, to obtain a tentative topology. This topology is improved by attempting image matching with the pairs for which there is the most overlap evidence. Unlike previous approaches for large-area mosaicing, our framework is able to deal naturally with cases where time-consecutive images cannot be matched successfully, such as completely unordered sets. Finally, the efficiency of the proposed methods is discussed and a comparison made with other state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets in underwater scenarios

Image classification for a large number of object categories

L'increment de bases de dades que cada vegada contenen imatges més difícils i amb un nombre més elevat de categories, està forçant el desenvolupament de tècniques de representació d'imatges que siguin discriminatives quan es vol treballar amb múltiples classes i d'algorismes que siguin eficients en l'aprenentatge i classificació. Aquesta tesi explora el problema de classificar les imatges segons l'objecte que contenen quan es disposa d'un gran nombre de categories. Primerament s'investiga com un sistema híbrid format per un model generatiu i un model discriminatiu pot beneficiar la tasca de classificació d'imatges on el nivell d'anotació humà sigui mínim. Per aquesta tasca introduïm un nou vocabulari utilitzant una representació densa de descriptors color-SIFT, i desprès s'investiga com els diferents paràmetres afecten la classificació final. Tot seguit es proposa un mètode par tal d'incorporar informació espacial amb el sistema híbrid, mostrant que la informació de context es de gran ajuda per la classificació d'imatges. Desprès introduïm un nou descriptor de forma que representa la imatge segons la seva forma local i la seva forma espacial, tot junt amb un kernel que incorpora aquesta informació espacial en forma piramidal. La forma es representada per un vector compacte obtenint un descriptor molt adequat per ésser utilitzat amb algorismes d'aprenentatge amb kernels. Els experiments realitzats postren que aquesta informació de forma te uns resultats semblants (i a vegades millors) als descriptors basats en aparença. També s'investiga com diferents característiques es poden combinar per ésser utilitzades en la classificació d'imatges i es mostra com el descriptor de forma proposat juntament amb un descriptor d'aparença millora substancialment la classificació. Finalment es descriu un algoritme que detecta les regions d'interès automàticament durant l'entrenament i la classificació. Això proporciona un mètode per inhibir el fons de la imatge i afegeix invariança a la posició dels objectes dins les imatges. S'ensenya que la forma i l'aparença sobre aquesta regió d'interès i utilitzant els classificadors random forests millora la classificació i el temps computacional. Es comparen els postres resultats amb resultats de la literatura utilitzant les mateixes bases de dades que els autors Aixa com els mateixos protocols d'aprenentatge i classificació. Es veu com totes les innovacions introduïdes incrementen la classificació final de les imatges.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Differentiation and coordination within a composite training policy providing efficient support namely to isolated museum professionals

In Portugal, namely in municipal museums, the reduced percentage of museum professionals that have a stable administrative position imposes a high degree of polyvalence allowing them to coordinate, often by themselves, the quotidian activities at the museum(s) they run.

Which economic model for a water-efficient Europe? Report of a CEPS Task Force. CEPS Task Force Report, 27 November 2012

This CEPS Task Force Report focuses on how to improve water efficiency in Europe, notably in public supply, households, agriculture, energy and manufacturing as well as across sectors. It presents a number of recommendations on how to make better use of economic policy instruments to sustainably manage the EU’s water resources. Published in the run-up to the European Commission’s “Blueprint to Safeguard Europe’s Waters”, the report contributes to the policy deliberations in two ways. First, by assessing the viability of economic policy instruments, it addresses a major shortcoming that has so far prevented the 2000 EU Water Framework Directive (WFD) from becoming fully effective in practice: the lack of appropriate, coherent and effective instruments in (some) member states. Second, as the Task Force report is the result of an interactive process involving a variety of stakeholders, it is able to point to the key differences in interpreting and applying WFD principles that have led to a lack of policy coherence across the EU and to offer some pragmatic advice on moving forward.

Efficient evaluation of highly oscillatory acoustic scattering surface integrals

We consider the approximation of some highly oscillatory weakly singular surface integrals, arising from boundary integral methods with smooth global basis functions for solving problems of high frequency acoustic scattering by three-dimensional convex obstacles, described globally in spherical coordinates. As the frequency of the incident wave increases, the performance of standard quadrature schemes deteriorates. Naive application of asymptotic schemes also fails due to the weak singularity. We propose here a new scheme based on a combination of an asymptotic approach and exact treatment of singularities in an appropriate coordinate system. For the case of a spherical scatterer we demonstrate via error analysis and numerical results that, provided the observation point is sufficiently far from the shadow boundary, a high level of accuracy can be achieved with a minimal computational cost.

Fusion of motion segmentation algorithms

Many algorithms have been developed to achieve motion segmentation for video surveillance. The algorithms produce varying performances under the infinite amount of changing conditions. It has been recognised that individually these algorithms have useful properties. Fusing the statistical result of these algorithms is investigated, with robust motion segmentation in mind.

Tripleclouds: an efficient method for representing horizontal cloud inhomogeneity in 1D radiation schemes by using three regions at each height

Radiation schemes in general circulation models currently make a number of simplifications when accounting for clouds, one of the most important being the removal of horizontal inhomogeneity. A new scheme is presented that attempts to account for the neglected inhomogeneity by using two regions of cloud in each vertical level of the model as opposed to one. One of these regions is used to represent the optically thinner cloud in the level, and the other represents the optically thicker cloud. So, along with the clear-sky region, the scheme has three regions in each model level and is referred to as “Tripleclouds.” In addition, the scheme has the capability to represent arbitrary vertical overlap between the three regions in pairs of adjacent levels. This scheme is implemented in the Edwards–Slingo radiation code and tested on 250 h of data from 12 different days. The data are derived from cloud retrievals using radar, lidar, and a microwave radiometer at Chilbolton, southern United Kingdom. When the data are grouped into periods equivalent in size to general circulation model grid boxes, the shortwave plane-parallel albedo bias is found to be 8%, while the corresponding bias is found to be less than 1% using Tripleclouds. Similar results are found for the longwave biases. Tripleclouds is then compared to a more conventional method of accounting for inhomogeneity that multiplies optical depths by a constant scaling factor, and Tripleclouds is seen to improve on this method both in terms of top-of-atmosphere radiative flux biases and internal heating rates.

Scalability of efficient parallel K-Means

Clustering is defined as the grouping of similar items in a set, and is an important process within the field of data mining. As the amount of data for various applications continues to increase, in terms of its size and dimensionality, it is necessary to have efficient clustering methods. A popular clustering algorithm is K-Means, which adopts a greedy approach to produce a set of K-clusters with associated centres of mass, and uses a squared error distortion measure to determine convergence. Methods for improving the efficiency of K-Means have been largely explored in two main directions. The amount of computation can be significantly reduced by adopting a more efficient data structure, notably a multi-dimensional binary search tree (KD-Tree) to store either centroids or data points. A second direction is parallel processing, where data and computation loads are distributed over many processing nodes. However, little work has been done to provide a parallel formulation of the efficient sequential techniques based on KD-Trees. Such approaches are expected to have an irregular distribution of computation load and can suffer from load imbalance. This issue has so far limited the adoption of these efficient K-Means techniques in parallel computational environments. In this work, we provide a parallel formulation for the KD-Tree based K-Means algorithm and address its load balancing issues.

Space-efficient Indexing of Chess Endgame Tables

Chess endgame tables should provide efficiently the value and depth of any required position during play. The indexing of an endgame’s positions is crucial to meeting this objective. This paper updates Heinz’ previous review of approaches to indexing and describes the latest approach by the first and third authors. Heinz’ and Nalimov’s endgame tables (EGTs) encompass the en passant rule and have the most compact index schemes to date. Nalimov’s EGTs, to the Distance-to-Mate (DTM) metric, require only 30.6 × 10^9 elements in total for all the 3-to-5-man endgames and are individually more compact than previous tables. His new index scheme has proved itself while generating the tables and in the 1999 World Computer Chess Championship where many of the top programs used the new suite of EGTs.

Space-efficient indexing of endgame tables for chess

Chess endgame tables should provide efficiently the value and depth of any required position during play. The indexing of an endgame’s positions is crucial to meeting this objective. This paper updates Heinz’ previous review of approaches to indexing and describes the latest approach by the first and third authors. Heinz’ and Nalimov’s endgame tables (EGTs) encompass the en passant rule and have the most compact index schemes to date. Nalimov’s EGTs, to the Distance-to-Mate (DTM) metric, require only 30.6 × 109 elements in total for all the 3-to-5-man endgames and are individually more compact than previous tables. His new index scheme has proved itself while generating the tables and in the 1999 World Computer Chess Championship where many of the top programs used the new suite of EGTs.