817 research outputs found

    Analysis of Mismatched Estimation Errors Using Gradients of Partition Functions

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    We consider the problem of signal estimation (denoising) from a statistical-mechanical perspective, in continuation to a recent work on the analysis of mean-square error (MSE) estimation using a direct relationship between optimum estimation and certain partition functions. The paper consists of essentially two parts. In the first part, using the aforementioned relationship, we derive single-letter expressions of the mismatched MSE of a codeword (from a randomly selected code), corrupted by a Gaussian vector channel. In the second part, we provide several examples to demonstrate phase transitions in the behavior of the MSE. These examples enable us to understand more deeply and to gather intuition regarding the roles of the real and the mismatched probability measures in creating these phase transitions.Comment: 58 pages;Submitted to IEEE Trans. on Information Theor

    Dynamic element matching techniques for data converters

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    Analog to digital converter (ADC) circuit component errors create nonuniform quantization code widths and create harmonic distortion in an ADC\u27s output. In this dissertation, two techniques for estimating an ADC\u27s output spectrum from the ADC\u27s transfer function are determined. These methods are compared to a symmetric power function and asymmetric power function approximations. Standard ADC performance metrics, such as SDR, SNDR, SNR, and SFDR, are also determined as a function of the ADC\u27s transfer function approximations. New dynamic element matching (DEM) flash ADCs are developed. An analysis of these DEM flash ADCs is developed and shows that these DEM algorithms improve an ADC\u27s performance. The analysis is also used to analyze several existing DEM ADC architectures; Digital to analog converter (DAC) circuit component errors create nonuniform quantization code widths and create harmonic distortion in a DAC\u27s output. In this dissertation, an exact relationship between a DAC\u27s integral nonlinearity (INL) and its output spectrum is determined. Using this relationship, standard DAC performance metrics, such as SDR, SNDR, SNR, and SFDR, are calculated from the DAC\u27s transfer function. Furthermore, an iterative method is developed which determines an arbitrary DAC\u27s transfer function from observed output magnitude spectra. An analysis of DEM techniques for DACs, including the determination of several suitable metrics by which DEM techniques can be compared, is derived. The performance of a given DEM technique is related to standard DAC performance metrics, such as SDR, SNDR, and SFDR. Conditions under which DEM techniques can guarantee zero average INL and render the distortion due to mismatched components as white noise are developed. Several DEM circuits proposed in the literature are shown to be equivalent and have hardware efficient implementations based on multistage interconnection networks. Example DEM circuit topologies and their hardware efficient VLSI implementations are also presented

    Métodos discriminativos para la optimización de modelos en la Verificación del Hablante

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    La creciente necesidad de sistemas de autenticación seguros ha motivado el interés de algoritmos efectivos de Verificación de Hablante (VH). Dicha necesidad de algoritmos de alto rendimiento, capaces de obtener tasas de error bajas, ha abierto varias ramas de investigación. En este trabajo proponemos investigar, desde un punto de vista discriminativo, un conjunto de metodologías para mejorar el desempeño del estado del arte de los sistemas de VH. En un primer enfoque investigamos la optimización de los hiper-parámetros para explícitamente considerar el compromiso entre los errores de falsa aceptación y falso rechazo. El objetivo de la optimización se puede lograr maximizando el área bajo la curva conocida como ROC (Receiver Operating Characteristic) por sus siglas en inglés. Creemos que esta optimización de los parámetros no debe de estar limitada solo a un punto de operación y una estrategia más robusta es optimizar los parámetros para incrementar el área bajo la curva, AUC (Area Under the Curve por sus siglas en inglés) de modo que todos los puntos sean maximizados. Estudiaremos cómo optimizar los parámetros utilizando la representación matemática del área bajo la curva ROC basada en la estadística de Wilcoxon Mann Whitney (WMW) y el cálculo adecuado empleando el algoritmo de descendente probabilístico generalizado. Además, analizamos el efecto y mejoras en métricas como la curva detection error tradeoff (DET), el error conocido como Equal Error Rate (EER) y el valor mínimo de la función de detección de costo, minimum value of the detection cost function (minDCF) todos ellos por sue siglas en inglés. En un segundo enfoque, investigamos la señal de voz como una combinación de atributos que contienen información del hablante, del canal y el ruido. Los sistemas de verificación convencionales entrenan modelos únicos genéricos para todos los casos, y manejan las variaciones de estos atributos ya sea usando análisis de factores o no considerando esas variaciones de manera explícita. Proponemos una nueva metodología para particionar el espacio de los datos de acuerdo a estas carcterísticas y entrenar modelos por separado para cada partición. Las particiones se pueden obtener de acuerdo a cada atributo. En esta investigación mostraremos como entrenar efectivamente los modelos de manera discriminativa para maximizar la separación entre ellos. Además, el diseño de algoritimos robustos a las condiciones de ruido juegan un papel clave que permite a los sistemas de VH operar en condiciones reales. Proponemos extender nuestras metodologías para mitigar los efectos del ruido en esas condiciones. Para nuestro primer enfoque, en una situación donde el ruido se encuentre presente, el punto de operación puede no ser solo un punto, o puede existir un corrimiento de forma impredecible. Mostraremos como nuestra metodología de maximización del área bajo la curva ROC es más robusta que la usada por clasificadores convencionales incluso cuando el ruido no está explícitamente considerado. Además, podemos encontrar ruido a diferentes relación señal a ruido (SNR) que puede degradar el desempeño del sistema. Así, es factible considerar una descomposición eficiente de las señales de voz que tome en cuenta los diferentes atributos como son SNR, el ruido y el tipo de canal. Consideramos que en lugar de abordar el problema con un modelo unificado, una descomposición en particiones del espacio de características basado en atributos especiales puede proporcionar mejores resultados. Esos atributos pueden representar diferentes canales y condiciones de ruido. Hemos analizado el potencial de estas metodologías que permiten mejorar el desempeño del estado del arte de los sistemas reduciendo el error, y por otra parte controlar los puntos de operación y mitigar los efectos del ruido

    An Efficient Quadrature Sequence and Sparsifying Methodology for Mean-Field Variational Inference

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    This work proposes a quasirandom sequence of quadratures for high-dimensional mean-field variational inference and a related sparsifying methodology. Each iterate of the sequence contains two evaluations points that combine to correctly integrate all univariate quadratic functions, as well as univariate cubics if the mean-field factors are symmetric. More importantly, averaging results over short subsequences achieves periodic exactness on a much larger space of multivariate polynomials of quadratic total degree. This framework is devised by first considering stochastic blocked mean-field quadratures, which may be useful in other contexts. By replacing pseudorandom sequences with quasirandom sequences, over half of all multivariate quadratic basis functions integrate exactly with only 4 function evaluations, and the exactness dimension increases for longer subsequences. Analysis shows how these efficient integrals characterize the dominant log-posterior contributions to mean-field variational approximations, including diagonal Hessian approximations, to support a robust sparsifying methodology in deep learning algorithms. A numerical demonstration of this approach on a simple Convolutional Neural Network for MNIST retains high test accuracy, 96.9%, while training over 98.9% of parameters to zero in only 10 epochs, bearing potential to reduce both storage and energy requirements for deep learning models

    An Improved Photometric Calibration of the Sloan Digital Sky Survey Imaging Data

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    We present an algorithm to photometrically calibrate wide field optical imaging surveys, that simultaneously solves for the calibration parameters and relative stellar fluxes using overlapping observations. The algorithm decouples the problem of "relative" calibrations, from that of "absolute" calibrations; the absolute calibration is reduced to determining a few numbers for the entire survey. We pay special attention to the spatial structure of the calibration errors, allowing one to isolate particular error modes in downstream analyses. Applying this to the Sloan Digital Sky Survey imaging data, we achieve ~1% relative calibration errors across 8500 sq.deg. in griz; the errors are ~2% for the u band. These errors are dominated by unmodelled atmospheric variations at Apache Point Observatory. These calibrations, dubbed "ubercalibration", are now public with SDSS Data Release 6, and will be a part of subsequent SDSS data releases.Comment: 16 pages, 17 figures, matches version accepted in ApJ. These calibrations are available at http://www.sdss.org/dr

    Advances in Binary and Multiclass Audio Segmentation with Deep Learning Techniques

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    Los avances tecnológicos acaecidos en la última década han cambiado completamente la forma en la que la población interactúa con el contenido multimedia. Esto ha propiciado un aumento significativo tanto en la generación como el consumo de dicho contenido. El análisis y la anotación manual de toda esta información no son factibles dado el gran volumen actual, lo que releva la necesidad de herramientas automáticas que ayuden en la transición hacia flujos de trabajo asistidos o parcialmente automáticos. En los últimos años, la mayoría de estas herramientas están basadas en el uso de redes neuronales y deep learning. En este contexto, el trabajo que se describe en esta tesis se centra en el ámbito de la extracción de información a partir de señales de audio. Particularmente, se estudia la tarea de segmentación de audio, cuyo principal objetivo es obtener una secuencia de etiquetas que aíslen diferentes regiones en una señal de entrada de acuerdo con una serie de características descritas en un conjunto predefinido de clases, como por ejemplo voz, música o ruido.La primera parte de esta memoria esta centrada en la tarea de detección de actividad de voz. Recientemente, diferentes campañas de evaluación internacionales han propuesto esta tarea como uno de sus retos. Entre ellas se encuentra el reto Fearless steps, que trabaja con audios de las grabaciones de las misiones Apollo de la NASA. Para este reto, se propone una solución basada en aprendizaje supervisado usando una red convolucional recurrente como clasificador. La principal contribución es un método que combina información de filtros de 1D y 2D en la etapa convolucional para que sea procesada posteriormente por la etapa recurrente. Motivado por la introducción de los datos del reto Fearless steps, se plantea una evaluación de diferentes técnicas de adaptación de dominio, con el objetivo de comprobar las prestaciones de un sistema entrenado con datos de dominios habituales y evaluado en este nuevo dominio presentado en el reto. Los métodos descritos no requieren de etiquetas en el dominio objetivo, lo que facilita su uso en aplicaciones prácticas. En términos generales, se observa que los métodos que buscan minimizar el cambio en las distribuciones estadísticas entre los dominios fuente y objetivo obtienen los resultados mas prometedores. Los avances recientes en técnicas de representación obtenidas mediante aprendizaje auto-supervisado han demostrado grandes mejoras en prestaciones en varias tareas relacionadas con el procesado de voz. Siguiendo esta línea, se plantea la incorporación de dichas representaciones en la tarea de detección de actividad de voz. Las ediciones más recientes del reto Fearless steps modificaron su propósito, buscando ahora evaluar las capacidades de generalización de los sistemas. El objetivo entonces con las técnicas introducidas es poder beneficiarse de grandes cantidades de datos no etiquetados para mejorar la robustez del sistema. Los resultados experimentales sugieren que el aprendizaje auto-supervisado de representaciones permite obtener sistemas que son mucho menos sensibles al cambio de dominio.En la segunda parte de este documento se analiza una tarea de segmentación de audio más genérica que busca clasificar de manera simultanea una señal de audio como voz, música, ruido o una combinación de estas. En el contexto de los datos propuesto para el reto de segmentación de audio Albayzín 2010, se presenta un enfoque basado en el uso de redes neuronales recurrentes como clasificador principal, y un modelo de postprocesado integrado por modelos ocultos de Markov. Se introduce un nuevo bloque en la arquitectura neuronal con el objetivo de eliminar la información temporal redundante, mejorando las prestaciones y reduciendo el numero de operaciones por segundo al mismo tiempo. Esta propuesta obtuvo mejores prestaciones que soluciones presentadas anteriormenteen la literatura, y que aproximaciones similares basadas en redes neuronales profundas. Mientras que los resultados con aprendizaje auto-supervisado de representaciones eran prometedores en tareas de segmentación binaria, si se aplican en tareas de segmentación multiclase surgen una serie de cuestiones. Las técnicas habituales de aumento de datos que se aplican en el entrenamiento fuerzan al modelo a compensar el ruido de fondo o la música. En estas condiciones las características obtenidas podrían no representar de manera precisa aquellas clases generadas de manera similar a las versiones aumentadas vistas en el entrenamiento. Este hecho limita la mejora global de prestaciones observada al aplicar estas técnicas en tareas como la propuesta en la evaluación Albayzín 2010.La última parte de este trabajo ha investigado la aplicación de nuevas funciones de coste en la tarea de segmentación de audio, con el principal objetivo de mitigar los problemas que se derivan de utilizar un conjunto de datos de entrenamiento limitado. Se ha demostrado que nuevas técnicas de optimización basadas en las métricas AUC y AUC parcial pueden mejorar objetivos de entrenamiento tradicionales como la entropía cruzada en varias tareas de detección. Con esta idea en mente, en esta tesis se introducen dichas técnicas en la tarea de detección de música. Considerando que la cantidad de datos etiquetados para esta tarea es limitada comparado con otras tareas, las funciones de coste basadas en la métrica AUC se aplican con el objetivo de mejorar las prestaciones cuando el conjunto de datos de entrenamiento es relativamente pequeño. La mayoría de los sistemas que utilizan las técnicas de optimización basadas en métricas AUC se limitan a tareas binarias ya que ese el ámbito de aplicación habitual de la métrica AUC. Además, el etiquetado de audios con taxonomías más detalladas en las que hay múltiples opciones posibles es más complejo, por lo que la cantidad de audio etiquetada en algunas tareas de segmentación multiclase es limitada. Como una extensión natural, se propone una generalización de las técnicas de optimización basadas en la métrica AUC binaria, de tal manera que se puedan aplicar con un número arbitrario de clases. Dos funciones de coste distintas se introducen, usando como base para su formulación las variaciones multiclase de la métrica AUC propuestas en la literatura: una basada en un enfoque uno contra uno, y otra basada en un enfoque uno contra el resto.<br /

    Computerized Analysis of Magnetic Resonance Images to Study Cerebral Anatomy in Developing Neonates

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    The study of cerebral anatomy in developing neonates is of great importance for the understanding of brain development during the early period of life. This dissertation therefore focuses on three challenges in the modelling of cerebral anatomy in neonates during brain development. The methods that have been developed all use Magnetic Resonance Images (MRI) as source data. To facilitate study of vascular development in the neonatal period, a set of image analysis algorithms are developed to automatically extract and model cerebral vessel trees. The whole process consists of cerebral vessel tracking from automatically placed seed points, vessel tree generation, and vasculature registration and matching. These algorithms have been tested on clinical Time-of- Flight (TOF) MR angiographic datasets. To facilitate study of the neonatal cortex a complete cerebral cortex segmentation and reconstruction pipeline has been developed. Segmentation of the neonatal cortex is not effectively done by existing algorithms designed for the adult brain because the contrast between grey and white matter is reversed. This causes pixels containing tissue mixtures to be incorrectly labelled by conventional methods. The neonatal cortical segmentation method that has been developed is based on a novel expectation-maximization (EM) method with explicit correction for mislabelled partial volume voxels. Based on the resulting cortical segmentation, an implicit surface evolution technique is adopted for the reconstruction of the cortex in neonates. The performance of the method is investigated by performing a detailed landmark study. To facilitate study of cortical development, a cortical surface registration algorithm for aligning the cortical surface is developed. The method first inflates extracted cortical surfaces and then performs a non-rigid surface registration using free-form deformations (FFDs) to remove residual alignment. Validation experiments using data labelled by an expert observer demonstrate that the method can capture local changes and follow the growth of specific sulcus
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    corecore