Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.

El tiempo superfluo: una sociología crítica del desempleo : el caso de España (2007-2013)

En esta investigación nos preguntamos por qué el desempleo se da en una división social del tiempo que, mientras produce desocupación masiva, expande e intensifica el trabajo de la población trabajadora. Nuestro objetivo es fundamentar teórica y empíricamente una explicación del desempleo que permita comprender las causas de esta división del tiempo polarizada, y que señale algunas de las vías para su posible superación. Teóricamente, nos centramos en el concepto de tiempo superfluo de Marx, siguiendo la lectura de Moishe Postone. Empíricamente, investigamos las relaciones entre el desempleo y esta paradójica división del tiempo durante la crisis en España en el periodo 2007-2013, cuando se alcanzó un 27% de paro y seis millones de parados. Mediante un enfoque elaborado a partir de categorías sociotemporales, analizamos los datos obtenidos en las Encuestas de Empleo del Tiempo, en 28 entrevistas y seis grupos de discusión realizados con parados y paradas de perfiles diversos. Comenzamos problematizando lo que llamamos la paradoja del tiempo escaso: por un lado, la población ocupada tiende a una escasez objetiva de horas que se explica por el exceso de trabajo; por otro lado, la población parada tiende a una escasez subjetiva de tiempo al tener grandes dificultades para usar significativamente su abundancia objetiva de horas desocupadas. A través de esta paradoja, cuestionamos aquellos enfoques que abordan el desempleo sin problematizar la organización social del tiempo que lo produce. Para teorizar esta paradoja, partimos de una conceptualización del tiempo, el trabajo y el desempleo basada en la interpretación de Postone de la teoría crítica de Marx, y particularmente, de su concepto de tiempo superfluo. Este enfoque permite comprender sociohistóricamente por qué los aumentos constantes de la capacidad productiva de riqueza no han conllevado tanto un ahorro de tiempo de trabajo global, sino sobre todo un ahorro de trabajadores que periódicamente se convierten en superfluos. Según esta perspectiva, la relación de trabajo es el pivote que dinamiza y polariza la división de los tiempos sociales. A partir de estos argumentos, proponemos una definición de ‘paro’ y de ‘parados’ que enlaza diferentes niveles analíticos: el sistémico, el estatal y el de las prácticas. Complementamos este marco teórico con herramientas de la sociología de Pierre Bourdieu, la sociología del tiempo, la sociología del trabajo, el feminismo o el psicoanálisis, entre otras...

Semántica de simulación para relaciones de conformidad

Esta tesis trata de las llamadas relaciones de conformidad que pueden darse entre dos sistemas cualesquiera, especificación e implementación. Como novedad introduce el uso de técnicas coinductivas para la definición de iocos, una relación de conformidad capaz de distinguir el contexto local de ejecución de un proceso. Al constituir iocos la parte central de una nueva teoría de Model Based Testing (MBT), se precisa de una descripción formal de los sistemas en juego; esto se lleva a cabo en primera instancia mediante sistemas de transiciones etiquetadas y posteriormente mediante un enfoque más abstracto, un álgebra de procesos. Las teorías de testing tienen por objeto confirmar las relaciones de conformidad mediante la ejecución de un conjunto de tests sobre un sistema –la implementación– cuya estructura interna se desconoce. Particularmente los beneficios de un enfoque MBT son inmediatos, ya que la generación de los tests puede abordarse de manera sistemática una vez se disponga de un modelo formal de la especificación, lo que contribuye a eliminar el error imputable al factor humano; esto se logra dando un algoritmo generador de tests que toma cono entrada una especificación y produce un conjunto de tests, posiblemente infinito, suficientemente representativo para asegurar la relación de conformidad. Este enfoque inicial, conocido como testing offline o testing estático, es mejorado para ganar en eficiencia evitando un alto consumo en recursos tanto de tiempo como de memoria mediante la técnica de testing online o testing dinámico, donde ambos pasos de generación y ejecución se ejecutan de manera alternada...

Is the date of birth an advantage/ally to excel in handball?

The Relative Age Effect (RAE) has been analyzed in a population of Spanish international handball players (n=161) divided into four different levels: Senior, Junior, Juvenile and Promising Talents. The variables registered were quarter, half year and year of birth using the initial information of their date of birth. The data were collected from the Royal Spanish Handball Federation on-line data base. The statistical method used was the χ2 and the minimum level of significance was set at p<0.05. The total results on distribution by quarter show a significant difference (χ2= 21.68; p<0.01) with a greater frequency of players born in the first quarter (40.37%) compared to those born in the second (22.36%), third (16.15%) and fourth quarter (21.12%). The total results on the distribution of birth date by half year show a significant difference (χ2= 10.44; p<0.01) with a greater frequency of players born in the first half of the year (62.73%). With regard to the rate of births registered in an even numbered or odd numbered year there are significant differences when the rates for an even numbered year (64.60%) and an odd numbered year (35.40%) are compared with those of the general population (χ2= 13.72; p<0.001). Based on the data collected and analyzed it can be concluded that there is a RAE in the basic categories of the Spanish national men’s handball teams according to quarter, half year and year of birth (even or odd numbered), but there exists little knowledge about the causes and consequence which may be produced by, or derive from, this effect.

Dyakonons in hyperbolic metamaterials

We have analyzed surface-wave propagation that takes place at the boundary between an isotropic medium and a semi-infinite metal-dielectric periodic medium cut normally to the layers. In the range of frequencies where the periodic medium shows hyperbolic space dispersion, hybridization of surface waves (dyakonons) occurs. At low to moderate frequencies, dyakonons enable tighter confinement near the interface in comparison with pure SPPs. On the other hand, a distinct regime governs dispersion of dyakonons at higher frequencies.

Considerations on the electromagnetic flow in Airy beams based on the Gouy phase

We reexamine the Gouy phase in ballistic Airy beams (AiBs). A physical interpretation of our analysis is derived in terms of the local phase velocity and the Poynting vector streamlines. Recent experiments employing AiBs are consistent with our results. We provide an approach which potentially applies to any finite-energy paraxial wave field that lacks a beam axis.

Engineered surface waves in hyperbolic metamaterials

We analyzed surface-wave propagation that takes place at the boundary between a semi-infinite dielectric and a multilayered metamaterial, the latter with indefinite permittivity and cut normally to the layers. Known hyperbolization of the dispersion curve is discussed within distinct spectral regimes, including the role of the surrounding material. Hybridization of surface waves enable tighter confinement near the interface in comparison with pure-TM surface-plasmon polaritons. We demonstrate that the effective-medium approach deviates severely in practical implementations. By using the finite-element method, we predict the existence of long-range oblique surface waves.

Nondiffracting Bessel plasmons

We report on the existence of nondiffracting Bessel surface plasmon polaritons (SPPs), advancing at either superluminal or subluminal phase velocities. These wave fields feature deep subwavelength FWHM, but are supported by high-order homogeneous SPPs of a metal/dielectric (MD) superlattice. The beam axis can be relocated to any MD interface, by interfering multiple converging SPPs with controlled phase matching. Dissipative effects in metals lead to a diffraction-free regime that is limited by the energy attenuation length. However, the ultra-localization of the diffracted wave field might still be maintained by more than one order of magnitude.

Left-handed metamaterial coatings for subwavelength-resolution imaging

We report on a procedure to improve the resolution of far-field imaging by using a neighboring high-index medium that is coated with a left-handed metamaterial. The resulting plot can also exhibit an enhanced transmission by considering proper conditions to retract backscattering. Based on negative refraction, geometrical aberrations are considered in detail since they may cause a great impact in this sort of diffraction-unlimited imaging by reducing its resolution power. We employ a standard aberration analysis to refine the asymmetric configuration of metamaterial superlenses. We demonstrate that low-order centrosymmetric aberrations can be fully corrected for a given object plane. For subwavelength-resolution imaging, however, high-order aberrations become of relevance, which may be balanced with defocus. Not only the point spread function but also numerical simulations based on the finite-element method support our theoretical analysis, and subwavelength resolution is verified in the image plane.

Diffraction-managed superlensing using metallodielectric heterostructures

We show that subwavelength diffracted wave fields may be managed inside multilayered plasmonic devices to achieve ultra-resolving lensing. For that purpose we first transform both homogeneous waves and a broad band of evanescent waves into propagating Bloch modes by means of a metal/dielectric (MD) superlattice. Beam spreading is subsequently compensated by means of negative refraction in a plasmon-induced anisotropic effective-medium that is cemented behind. A precise design of the superlens doublet may lead to nearly aberration-free images with subwavelength resolution in spite of using optical paths longer than a wavelength.

Oblique surface waves at an interface between a metal–dielectric superlattice and an isotropic dielectric

We investigate the existence and dispersion characteristics of surface waves that propagate at an interface between a metal–dielectric superlattice and an isotropic dielectric. Within the long-wavelength limit, when the effective-medium (EM) approximation is valid, the superlattice behaves like a uniaxial plasmonic crystal with the main optical axes perpendicular to the metal–dielectric interfaces. We demonstrate that if such a semi-infinite plasmonic crystal is cut normally to the layer interfaces and brought into contact with a semi-infinite dielectric, a new type of surface mode can appear. Such modes can propagate obliquely to the optical axes if favorable conditions regarding the thickness of the layers and the dielectric permittivities of the constituent materials are met. We show that losses within the metallic layers can be substantially reduced by making the layers sufficiently thin. At the same time, a dramatic enlargement of the range of angles for oblique propagation of the new surface modes is observed. This can lead, however, to field non-locality and consequently to failure of the EM approximation.

Substantial enlargement of angular existence range for Dyakonov-like surface waves at semi-infinite metal-dielectric superlattice

We investigated surface waves guided by the boundary of a semi-infinite layered metal-dielectric nanostructure cut normally to the layers and a semi-infinite dielectric material. Using the Floquet-Bloch formalism, we found that Dyakonov-like surface waves with hybrid polarization can propagate in dramatically enhanced angular range compared to conventional birefringent materials. Our numerical simulations for an Ag-GaAs stack in contact with glass show a low to moderate influence of losses.

Propagation of Dyakonon Wave-Packets at the Boundary of Metallodielectric Lattices

We rigorously analyze the propagation of localized surface waves that takes place at the boundary between a semi-infinite layered metal-dielectric (MD) nanostructure cut normally to the layers and a isotropic medium. It is demonstrated that Dyakonov-like surface waves (also coined dyakonons) with hybrid polarization may propagate in a wide angular range. As a consequence, dyakonon-based wave-packets (DWPs) may feature sub-wavelength beamwidths. Due to the hyperbolic-dispersion regime in plasmonic crystals, supported DWPs are still in the canalization regime. The apparent quadratic beam spreading, however, is driven by dissipation effects in metal.

Congreso de Estudiantes de Química de la Comunidad Valenciana. Otra forma de aprender es posible

En abril de 2013 se celebró en la Universidad de Alicante el I Congreso de Estudiantes de Química de la Comunidad Valenciana. Estas jornadas presentan como principal novedad que la totalidad del comité organizador está compuesto por estudiantes de Química (cinco de la Universidad de Alicante y dos de la Universidad de Valencia) apoyados por un comité científico formado por profesores de ambas universidades. Estos estudiantes habían participado en años anteriores en redes de innovación docente o proyectos similares, mostrando interés por proponer alternativas a las clases magistrales para la adquisición de competencias, tanto de tipo transversal como específicas de la titulación. El congreso se enfocó teniendo en cuenta tres puntos básicos que son de especial interés para estudiantes de Química: (i) Salidas profesionales; (ii) Búsqueda activa de empleo y como enfrentarse a una entrevista de trabajo; (iii) Estudios de postgrado. Además, los más de 100 estudiantes que participaron en las jornadas ya sea mediante una comunicación oral, un póster o una actividad de divulgación científica se mostraron muy satisfechos con la experiencia. Actividades de este tipo y su gran acogida son capaces de mostrarnos, tanto a estudiantes como profesores, que existen formas de aprendizaje fuera de las aulas que permiten la adquisición de competencias transversales y específicas.