Wavelets and multirate filter banks : theory, structure, design, and applications

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering, 2004.Includes bibliographical references (p. 219-230) and index.Wavelets and filter banks have revolutionized signal processing with their ability to process data at multiple temporal and spatial resolutions. Fundamentally, continuous-time wavelets are governed by discrete-time filter banks with properties such as perfect reconstruction, linear phase and regularity. In this thesis, we study multi-channel filter bank factorization and parameterization strategies, which facilitate designs with specified properties that are enforced by the actual factorization structure. For M-channel filter banks (M =/> 2), we develop a complete factorization, M-channel lifting factorization, using simple ladder-like structures as predictions between channels to provide robust and efficient implementation; perfect reconstruction is structurally enforced, even under finite precision arithmetic and quantization of lifting coefficients. With lifting, optimal low-complexity integer wavelet transforms can thus be designed using a simple and fast algorithm that incorporates prescribed limits on hardware operations for power-constrained environments. As filter bank regularity is important for a variety of reasons, an aspect of particular interest is the structural imposition of regularity onto factorizations based on the dyadic form uvt. We derive the corresponding structural conditions for regularity, for which M-channel lifting factorization provides an essential parameterization. As a result, we are able to design filter banks that are exactly regular and amenable to fast implementations with perfect reconstruction, regardless of the choice of free parameters and possible finite precision effects. Further constraining u = v ensures regular orthogonal filter banks,(cont.) whereas a special dyadic form is developed that guarantees linear phase. We achieve superior coding gains within 0.1% of the optimum, and benchmarks conducted on image compression applications show clear improvements in perceptual and objective performance. We also consider the problem of completing an M-channel filter bank, given only its scaling filter. M-channel lifting factorization can efficiently complete such biorthogonal filter banks. On the other hand, an improved scheme for completing paraunitary filter banks is made possible by a novel order-one factorization which allows greater design flexibility, resulting in improved frequency selectivity and energy compaction over existing state of the art methods. In a dual setting, the technique can be applied to transmultiplexer design to achieve higher-rate data transmissions.by Ying-Jui Chen.Ph.D

Scalable video compression with optimized visual performance and random accessibility

This thesis is concerned with maximizing the coding efficiency, random accessibility and visual performance of scalable compressed video. The unifying theme behind this work is the use of finely embedded localized coding structures, which govern the extent to which these goals may be jointly achieved. The first part focuses on scalable volumetric image compression. We investigate 3D transform and coding techniques which exploit inter-slice statistical redundancies without compromising slice accessibility. Our study shows that the motion-compensated temporal discrete wavelet transform (MC-TDWT) practically achieves an upper bound to the compression efficiency of slice transforms. From a video coding perspective, we find that most of the coding gain is attributed to offsetting the learning penalty in adaptive arithmetic coding through 3D code-block extension, rather than inter-frame context modelling. The second aspect of this thesis examines random accessibility. Accessibility refers to the ease with which a region of interest is accessed (subband samples needed for reconstruction are retrieved) from a compressed video bitstream, subject to spatiotemporal code-block constraints. We investigate the fundamental implications of motion compensation for random access efficiency and the compression performance of scalable interactive video. We demonstrate that inclusion of motion compensation operators within the lifting steps of a temporal subband transform incurs a random access penalty which depends on the characteristics of the motion field. The final aspect of this thesis aims to minimize the perceptual impact of visible distortion in scalable reconstructed video. We present a visual optimization strategy based on distortion scaling which raises the distortion-length slope of perceptually significant samples. This alters the codestream embedding order during post-compression rate-distortion optimization, thus allowing visually sensitive sites to be encoded with higher fidelity at a given bit-rate. For visual sensitivity analysis, we propose a contrast perception model that incorporates an adaptive masking slope. This versatile feature provides a context which models perceptual significance. It enables scene structures that otherwise suffer significant degradation to be preserved at lower bit-rates. The novelty in our approach derives from a set of "perceptual mappings" which account for quantization noise shaping effects induced by motion-compensated temporal synthesis. The proposed technique reduces wavelet compression artefacts and improves the perceptual quality of video

On the automatic detection of otolith features for fish species identification and their age estimation

This thesis deals with the automatic detection of features in signals, either extracted from photographs or captured by means of electronic sensors, and its possible application in the detection of morphological structures in fish otoliths so as to identify species and estimate their age at death. From a more biological perspective, otoliths, which are calcified structures located in the auditory system of all teleostean fish, constitute one of the main elements employed in the study and management of marine ecology. In this sense, the application of Fourier descriptors to otolith images, combined with component analysis, is habitually a first and a key step towards characterizing their morphology and identifying fish species. However, some of the main limitations arise from the poor interpretation that can be obtained with this representation and the use that is made of the coefficients, as generally they are selected manually for classification purposes, both in quantity and representativity. The automatic detection of irregularities in signals, and their interpretation, was first addressed in the so-called Best-Basis paradigm. In this sense, Saito's Local discriminant Bases algorithm (LDB) uses the Discrete Wavelet Packet Transform (DWPT) as the main descriptive tool for positioning the irregularities in the time-frequency space, and an energy-based discriminant measure to guide the automatic search of relevant features in this domain. Current density-based proposals have tried to overcome the limitations of the energy-based functions with relatively little success. However, other measure strategies more consistent with the true classification capability, and which can provide generalization while reducing the dimensionality of features, are yet to be developed. The proposal of this work focuses on a new framework for one-dimensional signals. An important conclusion extracted therein is that such generalization involves a mesure system of bounded values representing the density where no class overlaps. This determines severely the selection of features and the vector size that is needed for proper class identification, which must be implemented not only based on global discriminant values but also on the complementary information regarding the provision of samples in the domain. The new tools have been used in the biological study of different hake species, yielding good classification results. However, a major contribution lies on the further interpretation of features the tool performs, including the structure of irregularities, time-frequency position, extension support and degree of importance, which is highlighted automatically on the same images or signals. As for aging applications, a new demodulation strategy for compensating the nonlinear growth effect on the intensity profile has been developed. Although the method is, in principle, able to adapt automatically to the specific growth of individual specimens, preliminary results with LDB-based techniques suggest to study the effect of lighting conditions on the otoliths in order to design more reliable techniques for reducing image contrast variation. In the meantime, a new theoretic framework for otolith-based fish age estimation has been presented. This theory suggests that if the true fish growth curve is known, the regular periodicity of age structures in the demodulated profile is related to the radial length the original intensity profile is extracted from. Therefore, if this periodicity can be measured, it is possible to infer the exact fish age omitting feature extractors and classifiers. This could have important implications in the use of computational resources anc current aging approaches.El eje principal de esta tesis trata sobre la detección automática de singularidades en señales, tanto si se extraen de imágenes fotográ cas como si se capturan de sensores electrónicos, así como su posible aplicación en la detección de estructuras morfológicas en otolitos de peces para identi car especies, y realizar una estimación de la edad en el momento de su muerte. Desde una vertiente más biológica, los otolitos, que son estructuras calcáreas alojadas en el sistema auditivo de todos los peces teleósteos, constituyen uno de los elementos principales en el estudio y la gestión de la ecología marina. En este sentido, el uso combinado de descriptores de Fourier y el análisis de componentes es el primer paso y la clave para caracterizar su morfología e identi car especies marinas. Sin embargo, una de las limitaciones principales de este sistema de representación subyace en la interpretación limitada que se puede obtener de las irregularidades, así como el uso que se hace de los coe cientes en tareas de clasi cación que, por lo general, acostumbra a seleccionarse manualmente tanto por lo que respecta a la cantidad y a su importancia. La detección automática de irregularidades en señales, y su interpretación, se abordó por primera bajo el marco del Best-Basis paradigm. En este sentido, el algoritmo Local Discriminant Bases (LDB) de N. Saito utiliza la Transformada Wavelet Discreta (DWT) para describir el posicionamiento de características en el espacio tiempo-frecuencia, y una medida discriminante basada en la energía para guiar la búsqueda automática de características en dicho dominio. Propuestas recientes basadas en funciones de densidad han tratado de superar las limitaciones que presentaban las medidas de energía con un éxito relativo. No obstante, todavía están por desarrollar nuevas estrategias más consistentes con la capacidad real de clasi cación y que ofrezcan mayor generalización al reducir la dimensión de los datos de entrada. La propuesta de este trabajo se centra en un nuevo marco para señales unidimensionales. Una conclusión principal que se extrae es que dicha generalización pasa por un marco de medidas de valores acotados que re ejen la densidad donde las clases no se solapan. Esto condiciona severamente el proceso de selección de características y el tamaño del vector necesario para identi car las clases correctamente, que se ha de establecer no sólo en base a valores discriminantes globales sino también en la información complementaria sobre la disposición de las muestras en el dominio. Las nuevas herramientas han sido utilizadas en el estudio biológico de diferentes especies de merluza, donde se han conseguido buenos resultados de identi cación. No obstante, la contribución principal subyace en la interpretación que dicha herramienta hace de las características seleccionadas, y que incluye la estructura de las irregularidades, su posición temporal-frecuencial, extensión en el eje y grado de relevancia, el cual, se resalta automáticamente sobre la misma imagen o señal. Por lo que respecta a la determinación de la edad, se ha planteado una nueva estrategia de demodulación para compensar el efecto del crecimiento no lineal en los per les de intensidad. Inicialmente, aunque el método implementa un proceso de optimización capaz de adaptarse al crecimiento individual de cada pez automáticamente, resultados preliminares obtenidos con técnicas basadas en el LDB sugieren estudiar el efecto de las condiciones lumínicas sobre los otolitos con el n de diseñar algoritmos que reduzcan la variación del contraste de la imagen más ablemente. Mientras tanto, se ha planteado una nueva teoría para estimar la edad de los peces en base a otolitos. Esta teoría sugiere que si la curva de crecimiento real del pez se conoce, el período regular de los anillos en el per l demodulado está relacionado con la longitud total del radio donde se extrae el per l original. Por tanto, si dicha periodicidad es medible, es posible determinar la edad exacta sin necesidad de utilizar extractores de características o clasi cadores, lo cual tendría implicaciones importantes en el uso de recursos computacionales y en las técnicas actuales de estimación de la edad.L'eix principal d'aquesta tesi tracta sobre la detecció automàtica d'irregularitats en senyals, tant si s'extreuen de les imatges fotogrà ques com si es capturen de sensors electrònics, així com la seva possible aplicació en la detecció d'estructures morfològiques en otòlits de peixos per identi car espècies, i realitzar una estimació de l'edat en el moment de la seva mort. Des de la vesant més biològica, els otòlits, que son estructures calcàries que es troben en el sistema auditiu de tots els peixos teleostis, constitueixen un dels elements principals en l'estudi i la gestió de l'ecologia marina. En aquest sentit, l'ús combinat de descriptors de Fourier i l'anàlisi de components es el primer pas i la clau per caracteritzar la seva morfologia i identi car espècies marines. No obstant, una de les limitacions principals d'aquest sistema de representació consisteix en la interpretació limitada de les irregularitats que pot desenvolupar, així com l'ús que es realitza dels coe cients en tasques de classi cació, els quals, acostumen a ser seleccionats manualment tant pel que respecta a la quantitat com la seva importància. La detecció automàtica d'irregularitats en senyals, així com la seva interpretació, es va tractar per primera vegada sota el marc del Best-Basis paradigm. En aquest sentit, l'algorisme Local Discriminant Bases (LDB) de N. Saito es basa en la Transformada Wavelet Discreta (DWT) per descriure el posicionament de característiques dintre de l'espai temporal-freqüencial, i en una mesura discriminant basada en l'energia per guiar la cerca automàtica de característiques dintre d'aquest domini. Propostes més recents basades en funcions de densitat han tractat de superar les limitacions de les mesures d'energia amb un èxit relatiu. No obstant, encara s'han de desenvolupar noves estratègies que siguin més consistents amb la capacitat real de classi cació i ofereixin més generalització al reduir la dimensió de les dades d'entrada. La proposta d'aquest treball es centra en un nou marc per senyals unidimensionals. Una de las conclusions principals que s'extreu es que aquesta generalització passa per establir un marc de mesures acotades on els valors re ecteixin la densitat on cap classe es solapa. Això condiciona bastant el procés de selecció de característiques i la mida del vector necessari per identi car les classes correctament, que s'han d'establir no només en base a valors discriminants globals si no també en informació complementària sobre la disposició de les mostres en el domini. Les noves eines s'han utilitzat en diferents estudis d'espècies de lluç, on s'han obtingut bons resultats d'identi cació. No obstant, l'aportació principal consisteix en la interpretació que l'eina extreu de les característiques seleccionades, i que inclou l'estructura de les irregularitats, la seva posició temporal-freqüencial, extensió en l'eix i grau de rellevància, el qual, es ressalta automàticament sobre les mateixa imatge o senyal. En quan a l'àmbit de determinació de l'edat, s'ha plantejat una nova estratègia de demodulació de senyals per compensar l'efecte del creixement no lineal en els per ls d'intensitat. Tot i que inicialment aquesta tècnica desenvolupa un procés d'optimització capaç d'adaptar-se automàticament al creixement individual de cada peix, els resultats amb el LDB suggereixen estudiar l'efecte de les condicions lumíniques sobre els otòlits amb la nalitat de dissenyar algorismes que redueixin la variació del contrast de les imatges més ablement. Mentrestant s'ha plantejat una nova teoria per realitzar estimacions d'edat en peixos en base als otòlits. Aquesta teoria suggereix que si la corba de creixement és coneguda, el període regular dels anells en el per l d'intensitat demodulat està relacionat amb la longitud total de radi d'on s'agafa el per l original. Per tant, si la periodicitat es pot mesurar, es possible conèixer l'edat exacta del peix sense usar extractors de característiques o classi cadors, la qual cosa tindria implicacions importants en l'ús de recursos computacionals i en les tècniques actuals d'estimació de l'edat.Postprint (published version

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 292)

This bibliography lists 675 reports, articles, and other documents recently introduced into the NASA scientific and technical information system database. Subject coverage includes the following: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment, and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

Social work with airports passengers

Social work at the airport is in to offer to passengers social services. The main methodological position is that people are under stress, which characterized by a particular set of characteristics in appearance and behavior. In such circumstances passenger attracts in his actions some attention. Only person whom he trusts can help him with the documents or psychologically

The HBP1 tumor suppressor is a negative epigenetic regulator of MYCN driven neuroblastoma through interaction with the PRC2 complex

C