Desenvolupament d'una plataforma informàtica per al tractament, manipulació i visualització de dades cardíaques

El processament de dades cardíaques és, sinó el que més, un dels més complexes de tractar. El problema principal és que a diferència d’altres parts de l’organisme, el cor del pacient està en moviment continu. Aquest moviment queda representat en les imatges generades pels aparells de captació en forma de soroll. Aquest soroll no només dificulta la detecció de les patologies per part dels cardiòlegs i els especialistes sinó que també en moltes ocasions limita l’aplicació de certes tècniques i mètodes. Així per exemple, l’aplicació de mètodes de visualització 3D (mètodes que permeten generar una representació 3D d’un òrgan) que poden aplicar-se fàcilment en visualització de dades del cervell no són aplicables sobre dades de cor. El Grup d’Informàtica Gràfica de la Universitat de Girona, juntament amb l’Institut de Diagnòstic per la Imatge (IDI) de l'hospital Dr. Josep Trueta, està col·laborant en el desenvolupament de noves eines informàtiques que donin suport al diagnòstic. Una de les prioritats actuals de l'IDI és el tractament de malalties cardíaques. Es disposa d’una plataforma anomenada Starviewer que integra les operacions bàsiques de manipulació i visualització de dades mèdiques. L’objectiu d’aquest projecte és el de desenvolupar i integrar en la plataforma Starviewer els mòduls necessaris per poder tractar, manipular i visualitzar dades cardíaques provinents de ressònancies magnètiques

Optimització de la tècnica del miralls màgics a partir de mesures de teoria de la informació

La visualització científica estudia i defineix algorismes i estructures de dades que permeten fer comprensibles conjunts de dades a través d’imatges. En el cas de les aplicacions mèdiques les dades que cal interpretar provenen de diferents dispositius de captació i es representen en un model de vòxels. La utilitat d’aquest model de vòxels depèn de poder-lo veure des del punt de vista ideal, és a dir el que aporti més informació. D’altra banda, existeix la tècnica dels Miralls Màgics que permet veure el model de vòxels des de diferents punts de vista alhora i mostrant diferents valors de propietat a cada mirall. En aquest projecte implementarem un algorisme que permetrà determinar el punt de vista ideal per visualitzar un model de vòxels així com també els punts de vista ideals per als miralls per tal d’aconseguir el màxim d’informació possible del model de vòxels. Aquest algorisme es basa en la teoria de la informació per saber quina és la millor visualització. L’algorisme també permetrà determinar l’assignació de colors òptima per al model de vòxels

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Integration of knowledge-based, qualitative and numeric tools for real time dynamic systems supervision

The proposal presented in this thesis is to provide designers of knowledge based supervisory systems of dynamic systems with a framework to facilitate their tasks avoiding interface problems among tools, data flow and management. The approach is thought to be useful to both control and process engineers in assisting their tasks. The use of AI technologies to diagnose and perform control loops and, of course, assist process supervisory tasks such as fault detection and diagnose, are in the scope of this work. Special effort has been put in integration of tools for assisting expert supervisory systems design. With this aim the experience of Computer Aided Control Systems Design (CACSD) frameworks have been analysed and used to design a Computer Aided Supervisory Systems (CASSD) framework. In this sense, some basic facilities are required to be available in this proposed framework: ·

Avaliação de Riscos : Estimação Qualitativa da Probabilidade e da Gravidade em Contexto de Risco Elevado

O processo de gestão de risco consiste, no estudo estruturado de todos os aspetos inerentes ao trabalho e é composto pela análise de risco, avaliação de risco e controlo de risco. Na análise de risco, é efetuada a identificação de todos os perigos presentes e a estimação da probabilidade e da gravidade, de acordo com o método de avaliação de risco escolhido. Este estudo centra-se na primeira etapa do processo de avaliação de risco, mais especificamente na análise de risco e nos marcadores de informação necessários para se efetuar a estimação de risco na industria extrativa a céu aberto (atividade de risco elevado). Considerando que o nível de risco obtido, depende fundamentalmente da estimação da probabilidade e da gravidade, ajustada a cada situação de risco, procurou-se identificar os marcadores e compreender a sua influência nos resultados da avaliação de risco (magnitude). O plano de trabalhos de investigação foi sustentado por uma metodologia qualitativa de recolha, registo e análise dos dados. Neste estudo, a recolha de informação foi feita com recurso às seguintes técnicas de investigação: - Observação estruturada e planeada do desmonte da rocha com recurso a explosivos; - Entrevista individual de formadores e gestores de risco (amostragem de casos típicos); Na análise e discussão qualitativa dos dados das entrevistas recorreu-se às seguintes técnicas: - Triangulação de analistas e tratamento de dados cognitiva (técnicas complementares); - Aposição dos marcadores de informação, versus, três métodos de avaliação de risco validados. Os resultados obtidos apontam no sentido das hipóteses de investigação formuladas, ou seja, o tipo de risco influi da seleção da informação e, existem diferenças significativas no nível de risco obtido, quando na estimação da probabilidade e da gravidade são utilizados marcadores de informação distintos.

Filter for Car Tracking Based on Acceleration and Steering Angle

The motion of a car is described using a stochastic model in which the driving processes are the steering angle and the tangential acceleration. The model incorporates exactly the kinematic constraint that the wheels do not slip sideways. Two filters based on this model have been implemented, namely the standard EKF, and a new filter (the CUF) in which the expectation and the covariance of the system state are propagated accurately. Experiments show that i) the CUF is better than the EKF at predicting future positions of the car; and ii) the filter outputs can be used to control the measurement process, leading to improved ability to recover from errors in predictive tracking.

The effectiveness of assessment learning objects produced using pair programming

Pair Programming is a technique from the software development method eXtreme Programming (XP) whereby two programmers work closely together to develop a piece of software. A similar approach has been used to develop a set of Assessment Learning Objects (ALO). Three members of academic staff have developed a set of ALOs for a total of three different modules (two with overlapping content). In each case a pair programming approach was taken to the development of the ALO. In addition to demonstrating the efficiency of this approach in terms of staff time spent developing the ALOs, a statistical analysis of the outcomes for students who made use of the ALOs is used to demonstrate the effectiveness of the ALOs produced via this method.

Digitisation, representation, and formalisation - Digital libraries of mathematics

One of the main tasks of the mathematical knowledge management community must surely be to enhance access to mathematics on digital systems. In this paper we present a spectrum of approaches to solving the various problems inherent in this task, arguing that a variety of approaches is both necessary and useful. The main ideas presented are about the differences between digitised mathematics, digitally represented mathematics and formalised mathematics. Each has its part to play in managing mathematical information in a connected world. Digitised material is that which is embodied in a computer file, accessible and displayable locally or globally. Represented material is digital material in which there is some structure (usually syntactic in nature) which maps to the mathematics contained in the digitised information. Formalised material is that in which both the syntax and semantics of the represented material, is automatically accessible. Given the range of mathematical information to which access is desired, and the limited resources available for managing that information, we must ensure that these resources are applied to digitise, form representations of or formalise, existing and new mathematical information in such a way as to extract the most benefit from the least expenditure of resources. We also analyse some of the various social and legal issues which surround the practical tasks.

Advances in Model-Based Traffic Vision

Model based vision allows use of prior knowledge of the shape and appearance of specific objects to be used in the interpretation of a visual scene; it provides a powerful and natural way to enforce the view consistency constraint. A model based vision system has been developed within ESPRIT VIEWS: P2152 which is able to classify and track moving objects (cars and other vehicles) in complex, cluttered traffic scenes. The fundamental basis of the method has been previously reported. This paper presents recent developments which have extended the scope of the system to include (i) multiple cameras, (ii) variable camera geometry, and (iii) articulated objects. All three enhancements have easily been accommodated within the original model-based approach

Pose Refinement of Active Models using Forces in 3D

A new algorithm is described for refining the pose of a model of a rigid object, to conform more accurately to the image structure. Elemental 3D forces are considered to act on the model. These are derived from directional derivatives of the image local to the projected model features. The convergence properties of the algorithm is investigated and compared to a previous technique. Its use in a video sequence of a cluttered outdoor traffic scene is also illustrated and assessed.

A simple, intuitive camera calibration tool for natural images

The paper reports an interactive tool for calibrating a camera, suitable for use in outdoor scenes. The motivation for the tool was the need to obtain an approximate calibration for images taken with no explicit calibration data. Such images are frequently presented to research laboratories, especially in surveillance applications, with a request to demonstrate algorithms. The method decomposes the calibration parameters into intuitively simple components, and relies on the operator interactively adjusting the parameter settings to achieve a visually acceptable agreement between a rectilinear calibration model and his own perception of the scene. Using the tool, we have been able to calibrate images of unknown scenes, taken with unknown cameras, in a matter of minutes. The standard of calibration has proved to be sufficient for model-based pose recovery and tracking of vehicles.

Visual Object Recognition Using Deformable Models of Vehicles

This workshop paper reports recent developments to a vision system for traffic interpretation which relies extensively on the use of geometrical and scene context. Firstly, a new approach to pose refinement is reported, based on forces derived from prominent image derivatives found close to an initial hypothesis. Secondly, a parameterised vehicle model is reported, able to represent different vehicle classes. This general vehicle model has been fitted to sample data, and subjected to a Principal Component Analysis to create a deformable model of common car types having 6 parameters. We show that the new pose recovery technique is also able to operate on the PCA model, to allow the structure of an initial vehicle hypothesis to be adapted to fit the prevailing context. We report initial experiments with the model, which demonstrate significant improvements to pose recovery.

A Generic Deformable Model for Vehicle Recognition

This paper reports the development of a highly parameterised 3-D model able to adopt the shapes of a wide variety of different classes of vehicles (cars, vans, buses, etc), and its subsequent specialisation to a generic car class which accounts for most commonly encountered types of car (includng saloon, hatchback and estate cars). An interactive tool has been developed to obtain sample data for vehicles from video images. A PCA description of the manually sampled data provides a deformable model in which a single instance is described as a 6 parameter vector. Both the pose and the structure of a car can be recovered by fitting the PCA model to an image. The recovered description is sufficiently accurate to discriminate between vehicle sub-classes.

Pose and Structure Recovery using Active Models

A new formulation of a pose refinement technique using ``active'' models is described. An error term derived from the detection of image derivatives close to an initial object hypothesis is linearised and solved by least squares. The method is particularly well suited to problems involving external geometrical constraints (such as the ground-plane constraint). We show that the method is able to recover both the pose of a rigid model, and the structure of a deformable model. We report an initial assessment of the performance and cost of pose and structure recovery using the active model in comparison with our previously reported ``passive'' model-based techniques in the context of traffic surveillance. The new method is more stable, and requires fewer iterations, especially when the number of free parameters increases, but shows somewhat poorer convergence.

Model-based vehicle detection and classification using orthographic approximations

This paper reports the current state of work to simplify our previous model-based methods for visual tracking of vehicles for use in a real-time system intended to provide continuous monitoring and classification of traffic from a fixed camera on a busy multi-lane motorway. The main constraints of the system design were: (i) all low level processing to be carried out by low-cost auxiliary hardware, (ii) all 3-D reasoning to be carried out automatically off-line, at set-up time. The system developed uses three main stages: (i) pose and model hypothesis using 1-D templates, (ii) hypothesis tracking, and (iii) hypothesis verification, using 2-D templates. Stages (i) & (iii) have radically different computing performance and computational costs, and need to be carefully balanced for efficiency. Together, they provide an effective way to locate, track and classify vehicles.