嵌入式智能图像处理在火灾预警系统的应用

传统的火灾检测方法一般采用感烟、感温、感光探测器等进行探测。本文提出了一种嵌入式基于图像视觉特征的火灾检测方法,以TI公司的数字多媒体处理器TMS320DM642为核心,设计实现智能前端火灾探测与自动报警系统。通过DM642对视频图像进行采集并结合相应的智能图像处理与模式识别算法,对森林火险进行实时监控。实验结果表明,该系统比传统系统更进一步减少了误报率且具有响应快、监控范围广等优点。

Laminar Cortical Dynamics of 3D Surface Perception: Stratification, transparency, and Neon Color Spreading

How does the laminar organization of cortical circuitry in areas VI and V2 give rise to 3D percepts of stratification, transparency, and neon color spreading in response to 2D pictures and 3D scenes? Psychophysical experiments have shown that such 3D percepts are sensitive to whether contiguous image regions have the same relative contrast polarity (dark-light or lightdark), yet long-range perceptual grouping is known to pool over opposite contrast polarities. The ocularity of contiguous regions is also critical for neon color spreading: Having different ocularity despite the contrast relationship that favors neon spreading blocks the spread. In addition, half visible points in a stereogram can induce near-depth transparency if the contrast relationship favors transparency in the half visible areas. It thus seems critical to have the whole contrast relationship in a monocular configuration, since splitting it between two stereogram images cancels the effect. What adaptive functions of perceptual grouping enable it to both preserve sensitivity to monocular contrast and also to pool over opposite contrasts? Aspects of cortical development, grouping, attention, perceptual learning, stereopsis and 3D planar surface perception have previously been analyzed using a 3D LAMINART model of cortical areas VI, V2, and V4. The present work consistently extends this model to show how like-polarity competition between VI simple cells in layer 4 may be combined with other LAMINART grouping mechanisms, such as cooperative pooling of opposite polarities at layer 2/3 complex cells. The model also explains how the Metelli Rules can lead to transparent percepts, how bistable transparency percepts can arise in which either surface can be perceived as transparent, and how such a transparency reversal can be facilitated by an attention shift. The like-polarity inhibition prediction is consistent with lateral masking experiments in which two f1anking Gabor patches with the same contrast polarity as the target increase the target detection threshold when they approach the target. It is also consistent with LAMINART simulations of cortical development. Other model explanations and testable predictions will also be presented.

A Neural Network Architecture for Figure-ground Separation of Connected Scenic Figures

A neural network model, called an FBF network, is proposed for automatic parallel separation of multiple image figures from each other and their backgrounds in noisy grayscale or multi-colored images. The figures can then be processed in parallel by an array of self-organizing Adaptive Resonance Theory (ART) neural networks for automatic target recognition. An FBF network can automatically separate the disconnected but interleaved spirals that Minsky and Papert introduced in their book Perceptrons. The network's design also clarifies why humans cannot rapidly separate interleaved spirals, yet can rapidly detect conjunctions of disparity and color, or of disparity and motion, that distinguish target figures from surrounding distractors. Figure-ground separation is accomplished by iterating operations of a Feature Contour System (FCS) and a Boundary Contour System (BCS) in the order FCS-BCS-FCS, hence the term FBF, that have been derived from an analysis of biological vision. The FCS operations include the use of nonlinear shunting networks to compensate for variable illumination and nonlinear diffusion networks to control filling-in. A key new feature of an FBF network is the use of filling-in for figure-ground separation. The BCS operations include oriented filters joined to competitive and cooperative interactions designed to detect, regularize, and complete boundaries in up to 50 percent noise, while suppressing the noise. A modified CORT-X filter is described which uses both on-cells and off-cells to generate a boundary segmentation from a noisy image.

Digital signal processing and artificial intelligence for the automated classification of food allergy

As a by-product of the ‘information revolution’ which is currently unfolding, lifetimes of man (and indeed computer) hours are being allocated for the automated and intelligent interpretation of data. This is particularly true in medical and clinical settings, where research into machine-assisted diagnosis of physiological conditions gains momentum daily. Of the conditions which have been addressed, however, automated classification of allergy has not been investigated, even though the numbers of allergic persons are rising, and undiagnosed allergies are most likely to elicit fatal consequences. On the basis of the observations of allergists who conduct oral food challenges (OFCs), activity-based analyses of allergy tests were performed. Algorithms were investigated and validated by a pilot study which verified that accelerometer-based inquiry of human movements is particularly well-suited for objective appraisal of activity. However, when these analyses were applied to OFCs, accelerometer-based investigations were found to provide very poor separation between allergic and non-allergic persons, and it was concluded that the avenues explored in this thesis are inadequate for the classification of allergy. Heart rate variability (HRV) analysis is known to provide very significant diagnostic information for many conditions. Owing to this, electrocardiograms (ECGs) were recorded during OFCs for the purpose of assessing the effect that allergy induces on HRV features. It was found that with appropriate analysis, excellent separation between allergic and nonallergic subjects can be obtained. These results were, however, obtained with manual QRS annotations, and these are not a viable methodology for real-time diagnostic applications. Even so, this was the first work which has categorically correlated changes in HRV features to the onset of allergic events, and manual annotations yield undeniable affirmation of this. Fostered by the successful results which were obtained with manual classifications, automatic QRS detection algorithms were investigated to facilitate the fully automated classification of allergy. The results which were obtained by this process are very promising. Most importantly, the work that is presented in this thesis did not obtain any false positive classifications. This is a most desirable result for OFC classification, as it allows complete confidence to be attributed to classifications of allergy. Furthermore, these results could be particularly advantageous in clinical settings, as machine-based classification can detect the onset of allergy which can allow for early termination of OFCs. Consequently, machine-based monitoring of OFCs has in this work been shown to possess the capacity to significantly and safely advance the current state of clinical art of allergy diagnosis

Intercepting the First Pass:Rapid Categorization is Suppressed for Unseen Stimuli

The operations and processes that the human brain employs to achieve fast visual categorization remain a matter of debate. A first issue concerns the timing and place of rapid visual categorization and to what extent it can be performed with an early feed-forward pass of information through the visual system. A second issue involves the categorization of stimuli that do not reach visual awareness. There is disagreement over the degree to which these stimuli activate the same early mechanisms as stimuli that are consciously perceived. We employed continuous flash suppression (CFS), EEG recordings, and machine learning techniques to study visual categorization of seen and unseen stimuli. Our classifiers were able to predict from the EEG recordings the category of stimuli on seen trials but not on unseen trials. Rapid categorization of conscious images could be detected around 100?ms on the occipital electrodes, consistent with a fast, feed-forward mechanism of target detection. For the invisible stimuli, however, CFS eliminated all traces of early processing. Our results support the idea of a fast mechanism of categorization and suggest that this early categorization process plays an important role in later, more subtle categorizations, and perceptual processes.

Um contributo da análise multivariada na educação da diabetes: metodologia CHAID para a criação de perfis de doentes

Dissertação de mestrado, Gestão Empresarial, Faculdade de Economia, Universidade do Algarve, 2014

Sistemas de automação e manutenção de edifícios: concepção dos sistemas de detecção e protecção contra incêndios de uma unidade industrial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Groundtruth system for underwater benchmarking

Oceans - San Diego, 2013

Quantifying consistency of Event Related Potentials across subjects based on single-trial topographic analysis

Introduction: Non-invasive brain imaging techniques often contrast experimental conditions across a cohort of participants, obfuscating distinctions in individual performance and brain mechanisms that are better characterised by the inter-trial variability. To overcome such limitations, we developed topographic analysis methods for single-trial EEG data [1]. So far this was typically based on time-frequency analysis of single-electrode data or single independent components. The method's efficacy is demonstrated for event-related responses to environmental sounds, hitherto studied at an average event-related potential (ERP) level. Methods: Nine healthy subjects participated to the experiment. Auditory meaningful sounds of common objects were used for a target detection task [2]. On each block, subjects were asked to discriminate target sounds, which were living or man-made auditory objects. Continuous 64-channel EEG was acquired during the task. Two datasets were considered for each subject including single-trial of the two conditions, living and man-made. The analysis comprised two steps. In the first part, a mixture of Gaussians analysis [3] provided representative topographies for each subject. In the second step, conditional probabilities for each Gaussian provided statistical inference on the structure of these topographies across trials, time, and experimental conditions. Similar analysis was conducted at group-level. Results: Results show that the occurrence of each map is structured in time and consistent across trials both at the single-subject and at group level. Conducting separate analyses of ERPs at single-subject and group levels, we could quantify the consistency of identified topographies and their time course of activation within and across participants as well as experimental conditions. A general agreement was found with previous analysis at average ERP level. Conclusions: This novel approach to single-trial analysis promises to have impact on several domains. In clinical research, it gives the possibility to statistically evaluate single-subject data, an essential tool for analysing patients with specific deficits and impairments and their deviation from normative standards. In cognitive neuroscience, it provides a novel tool for understanding behaviour and brain activity interdependencies at both single-subject and at group levels. In basic neurophysiology, it provides a new representation of ERPs and promises to cast light on the mechanisms of its generation and inter-individual variability.

Suivi des changements des utilisations/occupations du sol en milieu urbain par imagerie satellitale de résolution spatiale moyenne : le cas de la région métropolitaine de Montréal

De nos jours les cartes d’utilisation/occupation du sol (USOS) à une échelle régionale sont habituellement générées à partir d’images satellitales de résolution modérée (entre 10 m et 30 m). Le National Land Cover Database aux États-Unis et le programme CORINE (Coordination of information on the environment) Land Cover en Europe, tous deux fondés sur les images LANDSAT, en sont des exemples représentatifs. Cependant ces cartes deviennent rapidement obsolètes, spécialement en environnement dynamique comme les megacités et les territoires métropolitains. Pour nombre d’applications, une mise à jour de ces cartes sur une base annuelle est requise. Depuis 2007, le USGS donne accès gratuitement à des images LANDSAT ortho-rectifiées. Des images archivées (depuis 1984) et des images acquises récemment sont disponibles. Sans aucun doute, une telle disponibilité d’images stimulera la recherche sur des méthodes et techniques rapides et efficaces pour un monitoring continue des changements des USOS à partir d’images à résolution moyenne. Cette recherche visait à évaluer le potentiel de telles images satellitales de résolution moyenne pour obtenir de l’information sur les changements des USOS à une échelle régionale dans le cas de la Communauté Métropolitaine de Montréal (CMM), une métropole nord-américaine typique. Les études précédentes ont démontré que les résultats de détection automatique des changements dépendent de plusieurs facteurs tels : 1) les caractéristiques des images (résolution spatiale, bandes spectrales, etc.); 2) la méthode même utilisée pour la détection automatique des changements; et 3) la complexité du milieu étudié. Dans le cas du milieu étudié, à l’exception du centre-ville et des artères commerciales, les utilisations du sol (industriel, commercial, résidentiel, etc.) sont bien délimitées. Ainsi cette étude s’est concentrée aux autres facteurs pouvant affecter les résultats, nommément, les caractéristiques des images et les méthodes de détection des changements. Nous avons utilisé des images TM/ETM+ de LANDSAT à 30 m de résolution spatiale et avec six bandes spectrales ainsi que des images VNIR-ASTER à 15 m de résolution spatiale et avec trois bandes spectrales afin d’évaluer l’impact des caractéristiques des images sur les résultats de détection des changements. En ce qui a trait à la méthode de détection des changements, nous avons décidé de comparer deux types de techniques automatiques : (1) techniques fournissant des informations principalement sur la localisation des changements et (2)techniques fournissant des informations à la fois sur la localisation des changements et sur les types de changement (classes « de-à »). Les principales conclusions de cette recherche sont les suivantes : Les techniques de détection de changement telles les différences d’image ou l’analyse des vecteurs de changements appliqués aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image exacte des lieux où un changement est survenu d’une façon rapide et efficace. Elles peuvent donc être intégrées dans un système de monitoring continu à des fins d’évaluation rapide du volume des changements. Les cartes des changements peuvent aussi servir de guide pour l’acquisition d’images de haute résolution spatiale si l’identification détaillée du type de changement est nécessaire. Les techniques de détection de changement telles l’analyse en composantes principales et la comparaison post-classification appliquées aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image relativement exacte de classes “de-à” mais à un niveau thématique très général (par exemple, bâti à espace vert et vice-versa, boisés à sol nu et vice-versa, etc.). Les images ASTER-VNIR avec une meilleure résolution spatiale mais avec moins de bandes spectrales que LANDSAT n’offrent pas un niveau thématique plus détaillé (par exemple, boisés à espace commercial ou industriel). Les résultats indiquent que la recherche future sur la détection des changements en milieu urbain devrait se concentrer aux changements du couvert végétal puisque les images à résolution moyenne sont très sensibles aux changements de ce type de couvert. Les cartes indiquant la localisation et le type des changements du couvert végétal sont en soi très utiles pour des applications comme le monitoring environnemental ou l’hydrologie urbaine. Elles peuvent aussi servir comme des indicateurs des changements de l’utilisation du sol. De techniques telles l’analyse des vecteurs de changement ou les indices de végétation son employées à cette fin.

Réponse auditive oscillatoire chez le non-voyant : investigation par magnétoencéphalographie

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales.

Development of Time - Frequency Techniques for Sonar Applications

Sonar signal processing comprises of a large number of signal processing algorithms for implementing functions such as Target Detection, Localisation, Classification, Tracking and Parameter estimation. Current implementations of these functions rely on conventional techniques largely based on Fourier Techniques, primarily meant for stationary signals. Interestingly enough, the signals received by the sonar sensors are often non-stationary and hence processing methods capable of handling the non-stationarity will definitely fare better than Fourier transform based methods.Time-frequency methods(TFMs) are known as one of the best DSP tools for nonstationary signal processing, with which one can analyze signals in time and frequency domains simultaneously. But, other than STFT, TFMs have been largely limited to academic research because of the complexity of the algorithms and the limitations of computing power. With the availability of fast processors, many applications of TFMs have been reported in the fields of speech and image processing and biomedical applications, but not many in sonar processing. A structured effort, to fill these lacunae by exploring the potential of TFMs in sonar applications, is the net outcome of this thesis. To this end, four TFMs have been explored in detail viz. Wavelet Transform, Fractional Fourier Transfonn, Wigner Ville Distribution and Ambiguity Function and their potential in implementing five major sonar functions has been demonstrated with very promising results. What has been conclusively brought out in this thesis, is that there is no "one best TFM" for all applications, but there is "one best TFM" for each application. Accordingly, the TFM has to be adapted and tailored in many ways in order to develop specific algorithms for each of the applications.

OTHR impulsive interference suppression in strong clutter background

External interferences can severely degrade the performance of an Over-the-horizon radar (OTHR), so suppression of external interferences in strong clutter environment is the prerequisite for the target detection. The traditional suppression solutions usually began with clutter suppression in either time or frequency domain, followed by the interference detection and suppression. Based on this traditional solution, this paper proposes a method characterized by joint clutter suppression and interference detection: by analyzing eigenvalues in a short-time moving window centered at different time position, Clutter is suppressed by discarding the maximum three eigenvalues at every time position and meanwhile detection is achieved by analyzing the remained eigenvalues at different position. Then, restoration is achieved by forward-backward linear prediction using interference-free data surrounding the interference position. In the numeric computation, the eigenvalue decomposition (EVD) is replaced by values decomposition (SVD) based on the equivalence of these two processing. Data processing and experimental results show its efficiency of noise floor falling down about 10-20 dB.

Searching for happiness across cultures

Three experiments examined the cultural relativity of emotion recognition using the visual search task. Caucasian-English and Japanese participants were required to search for an angry or happy discrepant face target against an array of competing distractor faces. Both cultural groups performed the task with displays that consisted of Caucasian and Japanese faces in order to investigate the effects of racial congruence on emotion detection performance. Under high perceptual load conditions, both cultural groups detected the happy face more efficiently than the angry face. When perceptual load was reduced such that target detection could be achieved by feature-matching, the English group continued to show a happiness advantage in search performance that was more strongly pronounced for other race faces. Japanese participants showed search time equivalence for happy and angry targets. Experiment 3 encouraged participants to adopt a perceptual based strategy for target detection by removing the term 'emotion' from the instructions. Whilst this manipulation did not alter the happiness advantage displayed by our English group, it reinstated it for our Japanese group, who showed a detection advantage for happiness only for other race faces. The results demonstrate cultural and linguistic modifiers on the perceptual saliency of the emotional signal and provide new converging evidence from cognitive psychology for the interactionist perspective on emotional expression recognition.

Environmental factors and features that influence visual search in a 3D WIMP interface

The challenge of moving past the classic Window Icons Menus Pointer (WIMP) interface, i.e. by turning it ‘3D’, has resulted in much research and development. To evaluate the impact of 3D on the ‘finding a target picture in a folder’ task, we built a 3D WIMP interface that allowed the systematic manipulation of visual depth, visual aides, semantic category distribution of targets versus non-targets; and the detailed measurement of lower-level stimuli features. Across two separate experiments, one large sample web-based experiment, to understand associations, and one controlled lab environment, using eye tracking to understand user focus, we investigated how visual depth, use of visual aides, use of semantic categories, and lower-level stimuli features (i.e. contrast, colour and luminance) impact how successfully participants are able to search for, and detect, the target image. Moreover in the lab-based experiment, we captured pupillometry measurements to allow consideration of the influence of increasing cognitive load as a result of either an increasing number of items on the screen, or due to the inclusion of visual depth. Our findings showed that increasing the visible layers of depth, and inclusion of converging lines, did not impact target detection times, errors, or failure rates. Low-level features, including colour, luminance, and number of edges, did correlate with differences in target detection times, errors, and failure rates. Our results also revealed that semantic sorting algorithms significantly decreased target detection times. Increased semantic contrasts between a target and its neighbours correlated with an increase in detection errors. Finally, pupillometric data did not provide evidence of any correlation between the number of visible layers of depth and pupil size, however, using structural equation modelling, we demonstrated that cognitive load does influence detection failure rates when there is luminance contrasts between the target and its surrounding neighbours. Results suggest that WIMP interaction designers should consider stimulus-driven factors, which were shown to influence the efficiency with which a target icon can be found in a 3D WIMP interface.