Landmark Localization, Feature Matching and Biomarker Discovery from Magnetic Resonance Images

The work presented in this thesis proposes several methods that can be roughly divided into three different categories: I) landmark localization in medical images, II) feature matching for image registration, and III) biomarker discovery in neuroimaging. The first part deals with the identification of anatomical landmarks. The motivation stems from the fact that the manual identification and labeling of these landmarks is very time consuming and prone to observer errors, especially when large datasets must be analyzed. In this thesis we present three methods to tackle this challenge: A landmark descriptor based on local self-similarities (SS), a subspace building framework based on manifold learning and a sparse coding landmark descriptor based on data-specific learned dictionary basis. The second part of this thesis deals with finding matching features between a pair of images. These matches can be used to perform a registration between them. Registration is a powerful tool that allows mapping images in a common space in order to aid in their analysis. Accurate registration can be challenging to achieve using intensity based registration algorithms. Here, a framework is proposed for learning correspondences in pairs of images by matching SS features and random sample and consensus (RANSAC) is employed as a robust model estimator to learn a deformation model based on feature matches. Finally, the third part of the thesis deals with biomarker discovery using machine learning. In this section a framework for feature extraction from learned low-dimensional subspaces that represent inter-subject variability is proposed. The manifold subspace is built using data-driven regions of interest (ROI). These regions are learned via sparse regression, with stability selection. Also, probabilistic distribution models for different stages in the disease trajectory are estimated for different class populations in the low-dimensional manifold and used to construct a probabilistic scoring function.Open Acces

Contribution to the design of VANET routing protocols for realistic urban environments

One of the main concerns of the cities' administration is mobility management. In Intelligent Transportation Systems (ITS), pedestrians, vehicles and public transportation systems could share information and react to any situation in the city. The information sensed by vehicles could be useful for other vehicles and for the mobility authorities. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) make possible the communication between vehicles (V2I) and also between vehicles and fixed infrastructure (V2I) managed by the city's authorities. In addition, VANET routing protocols minimize the use of fixed infrastructure since they employ multi-hop V2V communication to reach reporting access points of the city. This thesis aims to contribute in the design of VANET routing protocols to enable reporting services (e.g., vehicular traffic notifications) in urban environments. The first step to achieve this global objective has been the study of components and tools to mimic a realistic VANET scenario. Moreover, we have analyzed the impact of the realism of each one of those components in the simulation results. Then, we have improved the Address Resolution procedure in VANETs by including it in the routing signaling messages. Our approach simplifies the VANET operation and increases the packet delivery ratio as consequence. Afterwards, we have tackled the issue of having duplicate packets in unicast communications and we have proposed routing filters to lower their presence. This way we have been able to increase the available bandwidth and reduce the average packet delay with a slight increase of the packet losses. Besides, we have proposed a Multi-Metric Map aware routing protocol (MMMR) that incorporates four routing metrics (distance, trajectory, vehicle density and available bandwidth) to take the forwarding decisions. With the aim of increasing the number of delivered packets in MMMR, we have developed a Geographical Heuristic Routing (GHR) algorithm. GHR integrates Tabu and Simulated Annealing heuristic optimization techniques to adapt its behavior to the specific scenario characteristics. GHR is generic because it could use any geographical routing protocol to take the forwarding decisions. Additionally, we have designed an easy to implement forwarding strategy based on an extended topology information area of two hops, called 2-hops Geographical Anycast Routing (2hGAR) protocol. Results show that controlled randomness introduced by GHR improves the default operation of MMMR. On the other hand, 2hGAR presents lower delays than GHR and higher packet delivery ratio, especially in high density scenarios. Finally, we have proposed two mixed (integer and linear) optimization models to detect the best positions in the city to locate the Road Side Units (RSUs) which are in charge of gathering all the reporting information generated by vehicles.Una de las principales preocupaciones en la administración de las ciudades es la gestión de la movilidad de sus vehículos, debido a los problemas de tráfico como atascos y accidentes. En los sistemas inteligentes de transporte (SIT), peatones, vehículos y transporte público podrán compartir información y adaptarse a cualquier situación que suceda en la ciudad. La información obtenida por los sensores de los vehículos puede ser útil para otros vehículos y para las autoridades de movilidad. Las redes ad hoc vehiculares (VANETs) hacen posible la comunicación entre los propios vehículos (V2V) y entre vehículos y la infraestructura fija de la red de la ciudad (V2I). Asimismo, los protocolos de encaminamiento para redes vehiculares minimizan el uso de infraestructura fija de red, ya que los protocolos de encaminamiento VANET emplean comunicaciones multisalto entre vehículos para encaminar los mensajes hasta los puntos de acceso de la red en la ciudad. El objetivo de esta tesis doctoral es contribuir en el diseño de protocolos de encaminamiento en redes ad hoc vehiculares para servicios de notificaciones (p.ej. reportes del estado del tráfico) en entornos urbanos. El primer paso para alcanzar este objetivo general ha sido el estudio de componentes y herramientas para simular un escenario realista de red ad hoc vehicular. Además, se ha analizado el impacto del nivel de realismo de cada uno de los componentes de simulación en los resultados obtenidos. Así también, se ha propuesto un mecanismo de resolución de direcciones automático y coherente para redes VANET a través del uso de los propios mensajes de señalización de los protocolos de encaminamiento. Esta mejora simplifica la operación de una red ad hoc vehicular y como consecuencia aumenta la tasa de recepción de paquetes. A continuación, se ha abordado el problema de la aparición inesperada de paquetes de datos duplicados en una comunicación punto a punto. Para ello, se ha propuesto el filtrado de paquetes duplicados a nivel del protocolo de encaminamiento. Esto ha producido un incremento del ancho disponible en el canal y una reducción del retardo medio en la trasmisión de un paquete, a costa de un mínimo aumento de la pérdida de paquetes. Por otra parte, hemos propuesto un protocolo de encaminamiento multi-métrica MMMR (Multi-Metric Map-aware Routing protocol), el cual incorpora cuatro métricas (distancia al destino, trayectoria, densidad de vehículos y ancho de banda) en las decisiones de encaminamiento. Con el objetivo de aumentar la tasa de entrega de paquetes en MMMR, hemos desarrollado un algoritmo heurístico de encaminamiento geográfico denominado GHR (Geographical Heuristic Routing). Esta propuesta integra las técnicas de optimización Tabu y Simulated Annealing, que permiten a GHR adaptarse a las características específicas del escenario. Adicionalmente, hemos propuesto 2hGAR (2-hops Geographical Anycast Routing), un protocolo de encaminamiento anycast que emplea información de la topología de red a dos saltos de distancia para tomar la decisión de encaminamiento de los mensajes. Los resultados muestran que la aleatoriedad controlada de GHR en su operación mejora el rendimiento de MMMR. Asimismo, 2hGAR presenta retardos de paquete menores a los obtenidos por GHR y una mayor tasa de paquetes entregados, especialmente en escenarios con alta densidad de vehículos. Finalmente, se han propuesto dos modelos de optimización mixtos (enteros y lineales) para detectar los mejores lugares de la ciudad donde ubicar los puntos de acceso de la red, los cuales se encargan de recolectar los reportes generados por los vehículos.Postprint (published version

Augmenting Mobility Simulation by Public Transport: A Case Study for the ONE Simulator

The Opportunistic Network Environment (ONE) simulator is an extensible tool for evaluating Delay-Tolerent Networking (DTN) protocols and applications under different types of mobility patterns. To further increase the reality of the public transportation system modeling, we enable the modeling for metro system by extending the ONE simulator into a multi-plane structure as a first order approximation for a 3-dimensional (3D) world modeling. As there are more and more public transit agencies open their timetable data to public, it is possible to utilize those open data and make the public transportation vehicles follow the real-world schedules. To achieve that, we developed tools for converting timetable data into the compatible format for the ONE simulator, and extended the movement model for public transport vehicles so that they can follow the provisioned schedule. This master’s thesis presents how the new features were designed, implemented and verified. In addition, we show sample simulations to demonstrate the impact of the new supported scenarios

Design and validation of decision and control systems in automated driving

xxvi, 148 p.En la última década ha surgido una tendencia creciente hacia la automatización de los vehículos, generando un cambio significativo en la movilidad, que afectará profundamente el modo de vida de las personas, la logística de mercancías y otros sectores dependientes del transporte. En el desarrollo de la conducción automatizada en entornos estructurados, la seguridad y el confort, como parte de las nuevas funcionalidades de la conducción, aún no se describen de forma estandarizada. Dado que los métodos de prueba utilizan cada vez más las técnicas de simulación, los desarrollos existentes deben adaptarse a este proceso. Por ejemplo, dado que las tecnologías de seguimiento de trayectorias son habilitadores esenciales, se deben aplicar verificaciones exhaustivas en aplicaciones relacionadas como el control de movimiento del vehículo y la estimación de parámetros. Además, las tecnologías en el vehículo deben ser lo suficientemente robustas para cumplir con los requisitos de seguridad, mejorando la redundancia y respaldar una operación a prueba de fallos. Considerando las premisas mencionadas, esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el diseño y la implementación de un marco para lograr Sistemas de Conducción Automatizados (ADS) considerando aspectos cruciales, como la ejecución en tiempo real, la robustez, el rango operativo y el ajuste sencillo de parámetros. Para desarrollar las aportaciones relacionadas con este trabajo, se lleva a cabo un estudio del estado del arte actual en tecnologías de alta automatización de conducción. Luego, se propone un método de dos pasos que aborda la validación de ambos modelos de vehículos de simulación y ADS. Se introducen nuevas formulaciones predictivas basadas en modelos para mejorar la seguridad y el confort en el proceso de seguimiento de trayectorias. Por último, se evalúan escenarios de mal funcionamiento para mejorar la seguridad en entornos urbanos, proponiendo una estrategia alternativa de estimación de posicionamiento para minimizar las condiciones de riesgo

Design and validation of decision and control systems in automated driving

xxvi, 148 p.En la última década ha surgido una tendencia creciente hacia la automatización de los vehículos, generando un cambio significativo en la movilidad, que afectará profundamente el modo de vida de las personas, la logística de mercancías y otros sectores dependientes del transporte. En el desarrollo de la conducción automatizada en entornos estructurados, la seguridad y el confort, como parte de las nuevas funcionalidades de la conducción, aún no se describen de forma estandarizada. Dado que los métodos de prueba utilizan cada vez más las técnicas de simulación, los desarrollos existentes deben adaptarse a este proceso. Por ejemplo, dado que las tecnologías de seguimiento de trayectorias son habilitadores esenciales, se deben aplicar verificaciones exhaustivas en aplicaciones relacionadas como el control de movimiento del vehículo y la estimación de parámetros. Además, las tecnologías en el vehículo deben ser lo suficientemente robustas para cumplir con los requisitos de seguridad, mejorando la redundancia y respaldar una operación a prueba de fallos. Considerando las premisas mencionadas, esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el diseño y la implementación de un marco para lograr Sistemas de Conducción Automatizados (ADS) considerando aspectos cruciales, como la ejecución en tiempo real, la robustez, el rango operativo y el ajuste sencillo de parámetros. Para desarrollar las aportaciones relacionadas con este trabajo, se lleva a cabo un estudio del estado del arte actual en tecnologías de alta automatización de conducción. Luego, se propone un método de dos pasos que aborda la validación de ambos modelos de vehículos de simulación y ADS. Se introducen nuevas formulaciones predictivas basadas en modelos para mejorar la seguridad y el confort en el proceso de seguimiento de trayectorias. Por último, se evalúan escenarios de mal funcionamiento para mejorar la seguridad en entornos urbanos, proponiendo una estrategia alternativa de estimación de posicionamiento para minimizar las condiciones de riesgo

Design and performance evaluation of Wireless Multi-Protocol Label Switching (WMPLS)

Scope and Method of Study: The research presented in this document focuses on the design of a new protocol for high-speed wireless data communications. The primary goal of this new design is to overcome the limitations of its predecessors, while minimizing the needed resources and maximizing throughput and efficiency in its operations. Another important goal of the study is to provide a homogeneous protocol for wired and wireless networks in order to provide complete interoperability for overlay models and other protocols that can be designed on the basis of this work. The performance evaluation part of this document shows the areas in which improvement has been achieved over previous protocol implementations, and it also shows the areas in which further research is needed in order to improve the performance at least to the levels set by previous protocols.Findings and Conclusions: This study shows that a native wireless design and implementation of the Multi-Protocol Label Switching (MPLS) protocol provides improvements in the field of wireless data communications, providing a homogeneous platform for voice and data communication networks. The research is open for further improvements and modifications for services not contemplated in this document, and continuous developments should be conducted in order to obtain a working prototype of this proposal

Performance analysis for wireless G (IEEE 802.11G) and wireless N (IEEE 802.11N) in outdoor environment

This paper described an analysis the different capabilities and limitation of both IEEE technologies that has been utilized for data transmission directed to mobile device. In this work, we have compared an IEEE 802.11/g/n outdoor environment to know what technology is better. The comparison consider on coverage area (mobility), throughput and measuring the interferences. The work presented here is to help the researchers to select the best technology depending of their deploying case, and investigate the best variant for outdoor. The tool used is Iperf software which is to measure the data transmission performance of IEEE 802.11n and IEEE 802.11g

Performance Analysis For Wireless G (IEEE 802.11 G) And Wireless N (IEEE 802.11 N) In Outdoor Environment

This paper described an analysis the different capabilities and limitation of both IEEE technologies that has been utilized for data transmission directed to mobile device. In this work, we have compared an IEEE 802.11/g/n outdoor environment to know what technology is better. the comparison consider on coverage area (mobility), through put and measuring the interferences. The work presented here is to help the researchers to select the best technology depending of their deploying case, and investigate the best variant for outdoor. The tool used is Iperf software which is to measure the data transmission performance of IEEE 802.11n and IEEE 802.11g