Pose-based SLAM with probabilistic scan matching algorithm using a mechanical scanned imaging sonar

This paper proposes a pose-based algorithm to solve the full SLAM problem for an autonomous underwater vehicle (AUV), navigating in an unknown and possibly unstructured environment. The technique incorporate probabilistic scan matching with range scans gathered from a mechanical scanning imaging sonar (MSIS) and the robot dead-reckoning displacements estimated from a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method utilizes two extended Kalman filters (EKF). The first, estimates the local path travelled by the robot while grabbing the scan as well as its uncertainty and provides position estimates for correcting the distortions that the vehicle motion produces in the acoustic images. The second is an augment state EKF that estimates and keeps the registered scans poses. The raw data from the sensors are processed and fused in-line. No priory structural information or initial pose are considered. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within a marina environment, showing the viability of the proposed approach

Visual SLAM for underwater vehicles using video velocity log and natural landmarks

A visual SLAM system has been implemented and optimised for real-time deployment on an AUV equipped with calibrated stereo cameras. The system incorporates a novel approach to landmark description in which landmarks are local sub maps that consist of a cloud of 3D points and their associated SIFT/SURF descriptors. Landmarks are also sparsely distributed which simplifies and accelerates data association and map updates. In addition to landmark-based localisation the system utilises visual odometry to estimate the pose of the vehicle in 6 degrees of freedom by identifying temporal matches between consecutive local sub maps and computing the motion. Both the extended Kalman filter and unscented Kalman filter have been considered for filtering the observations. The output of the filter is also smoothed using the Rauch-Tung-Striebel (RTS) method to obtain a better alignment of the sequence of local sub maps and to deliver a large-scale 3D acquisition of the surveyed area. Synthetic experiments have been performed using a simulation environment in which ray tracing is used to generate synthetic images for the stereo system

Effects of neurotrophins on synaptic protein expression in the visual cortex of dark reared rats.

Total lack of visual experience [dark rearing (DR)] is known to prolong the critical period and delay development of sensory functions in mammalian visual cortex. Recent results show that neurotrophins (NTs) counteract the effects of DR on functional properties of visual cortical cells and exert a strong control on critical period duration. NTs are known to modulate the development and synaptic efficacy of neurotransmitter systems that are affected by DR. However, it is still unknown whether the actions of NTs in dark-reared animals involve interaction with neurotransmitter systems. We have studied the effects of DR on the expression of key molecules in the glutamatergic and GABAergic systems in control and NT-treated animals. We have found that DR reduced the expression of the NMDA receptor 2A subunit and its associated protein PSD-95 (postsynaptic density-95), of GRIP (AMPA glutamate receptor interacting protein), and of the biosynthetic enzyme GAD (glutamic acid decarboxylase). Returning dark-reared animals to light for 2 hr restored normal expression of the above-mentioned proteins almost completely. NT treatment specifically counteracts DR effects; NGF acts primarily on the NMDA system, whereas BDNF acts primarily on the GABAergic system. Finally, the action of NT4 seems to involve both excitatory and inhibitory systems. These data demonstrate that different NTs counteract DR effects by modulating the expression of key molecules of the excitatory and inhibitory neurotransmitter systems

Sensor Fusion of Proprioception, Force and Vision in Estimation and Robot

Sensor-based robot control allows manipulation in dynamic environments with uncertainties. Vision is a versatile low-cost sensory modality, but low sample rate, high sensor delay and uncertain measurements limit its usability, especially in strongly dynamic environments. Force is a complementary sensory modality allowing accurate measurements of local object shape when a tooltip is in contact with the object. In multimodal sensor fusion, several sensors measuring different modalities are combined to give a more accurate estimate of the environment. As force and vision are fundamentally different sensory modalities not sharing a common representation, combining the information from these sensors is not straightforward. In this thesis, methods for fusing proprioception, force and vision together are proposed. Making assumptions of object shape and modeling the uncertainties of the sensors, the measurements can be fused together in an extended Kalman filter. The fusion of force and visual measurements makes it possible to estimate the pose of a moving target with an end-effector mounted moving camera at high rate and accuracy. The proposed approach takes the latency of the vision system into account explicitly, to provide high sample rate estimates. The estimates also allow a smooth transition from vision-based motion control to force control. The velocity of the end-effector can be controlled by estimating the distance to the target by vision and determining the velocity profile giving rapid approach and minimal force overshoot. Experiments with a 5-degree-of-freedom parallel hydraulic manipulator and a 6-degree-of-freedom serial manipulator show that integration of several sensor modalities can increase the accuracy of the measurements significantly.

The control of deliberate waiting strategies in a stop-signal task

To inhibit an ongoing flow of thoughts or actions has been largely considered to be a crucial executive function, and the stop-signal paradigm makes inhibitory control measurable. Stop-signal tasks usually combine two concurrent tasks, i.e., manual responses to a primary task (go-task) are occasionally countermanded by a stimulus which signals participants to inhibit their response in that trial (stop-task). Participants are always instructed not to wait for the stop-signal, since waiting strategies cause the response times to be unstable, invalidating the data. The aim of the present study was to experimentally control the strategies of waiting deliberately for the stop-signal in a stop-task by means of an algorithm that measured the variation in the reaction times to go-stimuli on-line, and displayed a warning legend urging participants to be faster when their reaction times were more than two standard deviations of the mean. Thirty-four university students performed a stop-task with go- and stop-stimuli, both of which were delivered in the visual modality and were lateralized within the visual field. The participants were divided into two groups (group A, without the algorithm, vs group B, with the algorithm). Group B exhibited lower variability of reaction times to go-stimuli, whereas no significant between-group differences were found in any of the measures of inhibitory control, showing that the algorithm succeeded in controlling the deliberate waiting strategies. Differences between deliberate and unintentional waiting strategies, and anxiety as a probable factor responsible for individual differences in deliberate waiting behavior, are discussed.

L’influence d’un contexte virtuel sur les processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle

L’objectif principal de la présente thèse était de déterminer les facteurs susceptibles d’influencer l’efficacité des processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. De nos jours, les mouvements d’atteinte manuelle réalisés dans un environnement virtuel (déplacer une souris d’ordinateur pour contrôler un curseur à l’écran, par exemple) sont devenus chose commune. Par comparaison aux mouvements réalisés en contexte naturel (appuyer sur le bouton de mise en marche de l’ordinateur), ceux réalisés en contexte virtuel imposent au système nerveux central des contraintes importantes parce que l’information visuelle et proprioceptive définissant la position de l’effecteur n’est pas parfaitement congruente. Par conséquent, la présente thèse s’articule autour des effets d’un contexte virtuel sur le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle. Dans notre premier article, nous avons tenté de déterminer si des facteurs tels que (a) la quantité de pratique, (b) l’orientation du montage virtuel (aligné vs. non-aligné) ou encore (c) l’alternance d’un essai réalisé avec et sans la vision de l’effecteur pouvaient augmenter l’efficacité des processus de contrôle en ligne de mouvement réalisés en contexte virtuel. Ces facteurs n’ont pas influencé l’efficacité des processus de contrôle de mouvements réalisés en contexte virtuel, suggérant qu’il est difficile d’optimiser le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle lorsque ceux-ci sont réalisés dans un contexte virtuel. L’un des résultats les plus surprenants de cette étude est que nous n’avons pas rapporté d’effet concernant l’orientation de l’écran sur la performance des participants, ce qui était en contradiction avec la littérature existante sur ce sujet. L’article 2 avait pour but de pousser plus en avant notre compréhension du contrôle du mouvement réalisé en contexte virtuel et naturel. Dans le deuxième article, nous avons mis en évidence les effets néfastes d’un contexte virtuel sur le contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. Plus précisément, nous avons observé que l’utilisation d’un montage non-aligné (écran vertical/mouvement sur un plan horizontal) pour présenter l’information visuelle résultait en une importante diminution de la performance comparativement à un montage virtuel aligné et un montage naturel. Nous avons aussi observé une diminution de la performance lorsque les mouvements étaient réalisés dans un contexte virtuel aligné comparativement à un contexte naturel. La diminution de la performance notée dans les deux conditions virtuelles s’expliquait largement par une réduction de l’efficacité des processus de contrôle en ligne. Nous avons donc suggéré que l’utilisation d’une représentation virtuelle de la main introduisait de l’incertitude relative à sa position dans l’espace. Dans l’article 3, nous avons donc voulu déterminer l’origine de cette incertitude. Dans ce troisième article, deux hypothèses étaient à l’étude. La première suggérait que l’augmentation de l’incertitude rapportée dans le contexte virtuel de la précédente étude était due à une perte d’information visuelle relative à la configuration du bras. La seconde suggérait plutôt que l’incertitude provenait de l’information visuelle et proprioceptive qui n’est pas parfaitement congruente dans un contexte virtuel comparativement à un contexte naturel (le curseur n’est pas directement aligné avec le bout du doigt, par exemple). Les données n’ont pas supporté notre première hypothèse. Plutôt, il semble que l’incertitude soit causée par la dissociation de l’information visuelle et proprioceptive. Nous avons aussi démontré que l’information relative à la position de la main disponible sur la base de départ influence largement les processus de contrôle en ligne, même lorsque la vision de l’effecteur est disponible durant le mouvement. Ce résultat suggère que des boucles de feedback interne utilisent cette information afin de moduler le mouvement en cours d’exécution.

A virtual reality approach to the study of visually driven postural control in developing and aging humans

L'être humain utilise trois systèmes sensoriels distincts pour réguler le maintien de la station debout: la somesthésie, le système vestibulaire, et le système visuel. Le rôle de la vision dans la régulation posturale demeure peu connu, notamment sa variabilité en fonction de l'âge, du type développemental, et des atteintes neurologiques. Dans notre travail, la régulation posturale induite visuellement a été évaluée chez des participants au développement et vieillissement normaux âgés de 5-85 ans, chez des individus autistes (développement atypique) âgés de 12-33 ans, ainsi que chez des enfants entre 9-18 ans ayant subi un TCC léger. À cet effet, la réactivité posturale des participants en réponse à un tunnel virtuel entièrement immersif, se mouvant à trois niveaux de vélocité, a été mesurée; des conditions contrôles, où le tunnel était statique ou absent, ont été incluses. Les résultats montrent que la réactivité (i.e. instabilité) posturale induite visuellement est plus élevée chez les jeunes enfants; ensuite, elle s'atténue pour rejoindre des valeurs adultes vers 16-19 ans et augmente de façon linéaire en fonction de l'âge après 45 ans jusqu'à redevenir élevée vers 60 ans. De plus, à la plus haute vélocité du tunnel, les plus jeunes participants autistes ont manifesté significativement moins de réactivité posturale comparativement à leurs contrôles; cette différence n'était pas présente chez des participants plus âgés (16-33 ans). Enfin, les enfants ayant subi un TCC léger, et qui étaient initialement modérément symptomatiques, ont montré un niveau plus élevé d'instabilité posturale induite visuellement que les contrôles, et ce jusqu'à 12 semaines post-trauma malgré le fait que la majorité d'entre eux (89%) n'étaient plus symptomatiques à ce stade. En somme, cela suggère la présence d'une importante période de transition dans la maturation des systèmes sous-tendant l'intégration sensorimotrice impliquée dans le contrôle postural vers l'âge de 16 ans, et d'autres changements sensorimoteurs vers l'âge de 60 ans; cette sur-dépendance visuelle pour la régulation posturale chez les enfants et les aînés pourrait guider l'aménagement d'espaces et l'élaboration d'activités ajustés à l'âge des individus. De plus, le fait que l'hypo-réactivité posturale aux informations visuelles chez les autistes dépende des caractéristiques de l'environnement visuel et de l'âge chronologique, affine notre compréhension des anomalies sensorielles propres à l'autisme. Par ailleurs, le fait que les enfants ayant subi un TCC léger montrent des anomalies posturales jusqu'à 3 mois post-trauma, malgré une diminution significative des symptômes rapportés, pourrait être relié à une altération du traitement de l'information visuelle dynamique et pourrait avoir des implications quant à la gestion clinique des patients aux prises avec un TCC léger, puisque la résolution des symptômes est actuellement le principal critère utilisé pour la prise de décision quant au retour aux activités. Enfin, les résultats obtenus chez une population à développement atypique (autisme) et une population avec atteinte neurologique dite transitoire (TCC léger), contribuent non seulement à une meilleure compréhension des mécanismes d'intégration sensorimotrice sous-tendant le contrôle postural mais pourraient aussi servir comme marqueurs sensibles et spécifiques de dysfonction chez ces populations. Mots-clés : posture, équilibre, vision, développement/vieillissement sensorimoteur, autisme, TCC léger symptomatique, réalité virtuelle.

Auditory and visual event-related potential alterations in fragile X syndrome

Le syndrome du X fragile (SXF) est la première cause héréditaire de déficience intellectuelle et également la première cause monogénique d’autisme. Le SXF est causé par l'expansion de la répétition du nucléotide CGG sur le gène FMR1, ce qui empêche l’expression de la protéine FMRP. L’absence du FMRP mène à une altération du développement structurel et fonctionnel de la synapse, ce qui empêche la maturation des synapses induite par l’activité et l’élagage synaptique, qui sont essentiels pour le développement cérébral et cognitif. Nous avons investigué les potentiels reliés aux événements (PRE) évoqués par des stimulations fondamentales auditives et visuelles dans douze adolescents et jeunes adultes (10-22) atteints du SXF, ainsi que des participants contrôles appariés en âge chronologique et développemental. Les résultats indiquent un profil des PRE altéré, notamment l’augmentation de l’amplitude de N1 auditive, par rapport aux deux groupes contrôle, ainsi que l’augmentation des amplitudes de P2 et N2 auditifs et de la latence de N2 auditif. Chez les patients SXF, le traitement sensoriel semble être davantage perturbé qu’immature. En outre, la modalité auditive semble être plus perturbée que la modalité visuelle. En combinaison avec des résultats anatomique du cerveau, des mécanismes biochimiques et du comportement, nos résultats suggèrent une hyperexcitabilité du système nerveux dans le SXF.

Practicas Experimentales en Percepción Visual

Las prácticas obligatorias de la materia Percepción Visual constituyen un complemento de trabajo en el que deben integrarse los conocimientos informativos y los de índole formativa (técnicas, procedimientos, metodología, etc.). De acuerdo con ello, hemos seleccionado cinco cuestiones que en el pasado han sido objeto de verificación experimental, considerando, por un lado, la pertenencia al temario de las asignaturas y, por otro lado, la viabilidad de las experimentaciones, habida cuenta de la infraestructura material requerida (equipo, aparatos, material, etc.) y los condicionantes académicos (relación: número de alumnos / clase; espacios disponibles [aulas y laboratorios], condiciones ambientales, tiempo disponible, etc.). Las practicas experimentales en percepción visual ofrecen la posibilidad de que los estudiantes puedan aplicar los procedimientos experimentales adecuados, operativizando las variables (medición), estableciendo relaciones entre ellas (hipótesis) y planteando predicciones que se someterán a prueba a partir de los datos registrados. Llevan a los estudiantes a confrontar el modelo o las teorías con la realidad (verificación) y a buscar interpretaciones plausibles de las relaciones evidenciadas empíricamente entre las variables. Introducen al alumno en el rigor, la precisión, el control, la sistematicidad y la objetividad, frente a la especulación gratuita.

An Experimental Multimedia Process Control Room

The centralised control rooms of large industrial plants have separated people from the processes they should control. Perception is restricted mainly to the visual sense. Only telephone or radio links provide narrow-band voice communication with maintenance personnel down in the plant. Multimedia equipment can perceptionally bring back the operator into the plant while bodily keeping him the comfortable and safe control room. This involves video and audio transmission from process components as well as sights and sounds artificially generated from measurements. Groupware systems support inter-action between operators, engineers, and managers in different plants. With support from the German government, the state of Hessen, and industrial companies the Laboratory for Systems Engineering and Human-Machine Systems at the University of Kassel establishes an Experimental Multimedia Process Control Room. Core of this set-up are two high-performance graphics workstations linked to one of several process or vehicle simulators. Multimedia periphery includes video and teleconferencing equipment and a vibration and sound generation system.

Sensor-based Control of Chewing and Rumination Behavior of Dairy Cows

The measurement of feed intake, feeding time and rumination time, summarized by the term feeding behavior, are helpful indicators for early recognition of animals which show deviations in their behavior. The overall objective of this work was the development of an early warning system for inadequate feeding rations and digestive and metabolic disorders, which prevention constitutes the basis for health, performance, and reproduction. In a literature review, the current state of the art and the suitability of different measurement tools to determine feeding behavior of ruminants was discussed. Five measurement methods based on different methodological approaches (visual observance, pressure transducer, electrical switches, electrical deformation sensors and acoustic biotelemetry), and three selected measurement techniques (the IGER Behavior Recorder, the Hi-Tag rumination monitoring system and RumiWatchSystem) were described, assessed and compared to each other within this review. In the second study, the new system for measuring feeding behavior of dairy cows was evaluated. The measurement of feeding behavior ensues through electromyography (EMG). For validation, the feeding behavior of 14 cows was determined by both the EMG system and by visual observation. The high correlation coefficients indicate that the current system is a reliable and suitable tool for monitoring the feeding behavior of dairy cows. The aim of a further study was to compare the DairyCheck (DC) system and two additional measurement systems for measuring rumination behavior in relation to efficiency, reliability and reproducibility, with respect to each other. The two additional systems were labeled as the Lely Qwes HR (HR) sensor, and the RumiWatchSystem (RW). Results of accordance of RW and DC to each other were high. The last study examined whether rumination time (RT) is affected by the onset of calving and if it might be a useful indicator for the prediction of imminent birth. Data analysis referred to the final 72h before the onset of calving, which were divided into twelve 6h-blocks. The results showed that RT was significantly reduced in the final 6h before imminent birth.

Stereo-Based Head Pose Tracking Using Iterative Closest Point and Normal Flow Constraint

In this text, we present two stereo-based head tracking techniques along with a fast 3D model acquisition system. The first tracking technique is a robust implementation of stereo-based head tracking designed for interactive environments with uncontrolled lighting. We integrate fast face detection and drift reduction algorithms with a gradient-based stereo rigid motion tracking technique. Our system can automatically segment and track a user's head under large rotation and illumination variations. Precision and usability of this approach are compared with previous tracking methods for cursor control and target selection in both desktop and interactive room environments. The second tracking technique is designed to improve the robustness of head pose tracking for fast movements. Our iterative hybrid tracker combines constraints from the ICP (Iterative Closest Point) algorithm and normal flow constraint. This new technique is more precise for small movements and noisy depth than ICP alone, and more robust for large movements than the normal flow constraint alone. We present experiments which test the accuracy of our approach on sequences of real and synthetic stereo images. The 3D model acquisition system we present quickly aligns intensity and depth images, and reconstructs a textured 3D mesh. 3D views are registered with shape alignment based on our iterative hybrid tracker. We reconstruct the 3D model using a new Cubic Ray Projection merging algorithm which takes advantage of a novel data structure: the linked voxel space. We present experiments to test the accuracy of our approach on 3D face modelling using real-time stereo images.

Visual Recognition and Categorization on the Basis of Similarities to Multiple Class Prototypes

To recognize a previously seen object, the visual system must overcome the variability in the object's appearance caused by factors such as illumination and pose. Developments in computer vision suggest that it may be possible to counter the influence of these factors, by learning to interpolate between stored views of the target object, taken under representative combinations of viewing conditions. Daily life situations, however, typically require categorization, rather than recognition, of objects. Due to the open-ended character both of natural kinds and of artificial categories, categorization cannot rely on interpolation between stored examples. Nonetheless, knowledge of several representative members, or prototypes, of each of the categories of interest can still provide the necessary computational substrate for the categorization of new instances. The resulting representational scheme based on similarities to prototypes appears to be computationally viable, and is readily mapped onto the mechanisms of biological vision revealed by recent psychophysical and physiological studies.

Pose Determination of a Grasped Object Using Limited Sensing

This report explores methods for determining the pose of a grasped object using only limited sensor information. The problem of pose determination is to find the position of an object relative to the hand. The information is useful when grasped objects are being manipulated. The problem is hard because of the large space of grasp configurations and the large amount of uncertainty inherent in dexterous hand control. By studying limited sensing approaches, the problem's inherent constraints can be better understood. This understanding helps to show how additional sensor data can be used to make recognition methods more effective and robust.

Movimientos oculares y etapas iniciales del procesamiento de la información visual en lectores normales, retrasados y disléxicos.

1. Conocer el papel que desempeña el control de los movimientos oculares en los trastornos de la lectura. 2. Determinar si algunos componentes del procesamiento inicial de la información visual, como la persistencia visual o la rapidez de procesamiento de esta información, son variables que permiten discriminar entre sujetos disléxicos y aquellos otros que no padecen tal tipo de tratorno. 3. Averiguar si realmente la dislexia puede distinguirse de otros tipos de retraso lector. 4. Examinar la evolución de la alteración a distintos niveles de edad, en función de las variables estudiadas. 5. Emplear el mismo grupo de sujetos a lo largo de los diversos estudios con el fin de conocer su ejecución diferencial en las distintas variables. 90 alumnos de seis colegios de EGB de Granada, tres estatales y tres privados. Los alumnos se dividen en tres grupos con 30 sujetos cada uno: sujetos disléxicos, lectores retrasados y lectores normales. Los estudios experimentales se aplican de forma individualizada. Las pruebas realizadas se dividen en cinco grupos o estudios: 1. Estudio del registro de los movimientos oculares durante la lectura de dos textos de diferente nivel de dificultad. 2. Estudio del registro de los movimientos de los ojos durante una tarea de rastreo ocular. 3. Diferencias en persistencia visual entre disléxicos, lectores retrasados y lectores normales. 4. Diferencias entre los 'soas' de disléxicos, lectores retrasados y normales en una tarea de enmascaramiento retroactivo. 5. Diferencias en la velocidad de decodificación y acceso léxico. Se hacen estudios comparativos entre los tres grupos de la muestra. Escala de inteligencia de Wisc; prueba EDIL-1 (exploración de las dificultades en lectura); prueba de lectura; test de análisis de lectoescritura (TALE). Medias y desviaciones típicas; análisis de varianza; análisis de Newman-keuls; tratamiento informático de datos. 1. En el primer y segundo estudio se pone de manifiesto la existencia de diferencias significativas en todos los parámetros de los movimientos oculares entre lectores normales y disléxicos independientemente de la dificultad del texto. En lo que respecta a los lectores retrasados las diferncias encontradas son una consecuencia de su ineficacia lectora. 2. Existe una fuerte relación entre la dislexia y la presencia de pautas alteradas de los movimientos oculares. 3. Los disléxicos presentan una mayor duración de la persistencia visual que los normales y esta diferencia se mantiene independientemente del método de medida empleado. 4. En el estudio cuarto y quinto se demuestra que existen diferencias entre disléxicos y normales en cuanto a la velocidad de procesamiento de la información. Algunas formas de dislexia estan ligadas a la existencia de alteraciones en los movimientos oculares y resultaría conveniente la realización de nuevos estudios con métodos más precisos y fiables para su diagnóstico.