VLSI Design

This book provides some recent advances in design nanometer VLSI chips. The selected topics try to present some open problems and challenges with important topics ranging from design tools, new post-silicon devices, GPU-based parallel computing, emerging 3D integration, and antenna design. The book consists of two parts, with chapters such as: VLSI design for multi-sensor smart systems on a chip, Three-dimensional integrated circuits design for thousand-core processors, Parallel symbolic analysis of large analog circuits on GPU platforms, Algorithms for CAD tools VLSI design, A multilevel memetic algorithm for large SAT-encoded problems, etc

Pattern Recognition

A wealth of advanced pattern recognition algorithms are emerging from the interdiscipline between technologies of effective visual features and the human-brain cognition process. Effective visual features are made possible through the rapid developments in appropriate sensor equipments, novel filter designs, and viable information processing architectures. While the understanding of human-brain cognition process broadens the way in which the computer can perform pattern recognition tasks. The present book is intended to collect representative researches around the globe focusing on low-level vision, filter design, features and image descriptors, data mining and analysis, and biologically inspired algorithms. The 27 chapters coved in this book disclose recent advances and new ideas in promoting the techniques, technology and applications of pattern recognition

Energy efficient enabling technologies for semantic video processing on mobile devices

Semantic object-based processing will play an increasingly important role in future multimedia systems due to the ubiquity of digital multimedia capture/playback technologies and increasing storage capacity. Although the object based paradigm has many undeniable benefits, numerous technical challenges remain before the applications becomes pervasive, particularly on computational constrained mobile devices. A fundamental issue is the ill-posed problem of semantic object segmentation. Furthermore, on battery powered mobile computing devices, the additional algorithmic complexity of semantic object based processing compared to conventional video processing is highly undesirable both from a real-time operation and battery life perspective. This thesis attempts to tackle these issues by firstly constraining the solution space and focusing on the human face as a primary semantic concept of use to users of mobile devices. A novel face detection algorithm is proposed, which from the outset was designed to be amenable to be offloaded from the host microprocessor to dedicated hardware, thereby providing real-time performance and reducing power consumption. The algorithm uses an Artificial Neural Network (ANN), whose topology and weights are evolved via a genetic algorithm (GA). The computational burden of the ANN evaluation is offloaded to a dedicated hardware accelerator, which is capable of processing any evolved network topology. Efficient arithmetic circuitry, which leverages modified Booth recoding, column compressors and carry save adders, is adopted throughout the design. To tackle the increased computational costs associated with object tracking or object based shape encoding, a novel energy efficient binary motion estimation architecture is proposed. Energy is reduced in the proposed motion estimation architecture by minimising the redundant operations inherent in the binary data. Both architectures are shown to compare favourable with the relevant prior art

An Ecological Framework to Assess Sustainability Impacts for an Evolving Consumer Electronic Product System

Consumer electronics have revolutionized the manner in which we work, read, and entertain ourselves. However, this transformation comes at a high cost, with significant energy input and emissions releases across all stages of the electronic product life cycle. The limited success of per product efficiency improvements, often formulated in the field of industrial ecology, does not address the electronic product system as a whole because escalating consumption may actually offset any individual impact reductions. Additionally, existing industrial ecology models fail to effectively capture energy, material, and waste flows associated with real consumption patterns, as consumers purchase, use, and discard a group of interrelated devices such as desktops, laptops, printers, mobile phones, and digital cameras. To address this challenge, this dissertation develops and applies novel industrial ecology methodologies to more effectively characterize changes to rapidly evolving and interrelated product systems. Notably, these approaches borrow heavily from underutilized biological ecology concepts from community ecology and optimal foraging theory, but adapted for use as applied to a complex product system like consumer electronics. These approaches can lead to more effective design, production, green purchasing decisions, and end of life practices and policies, while at the same time expand industrial ecology\u27s traditional focus on the ecosystem metaphor and ‘per product’ approaches and strengthen its connection to the source science: biological ecological roots

Unsupervised video indexing on audiovisual characterization of persons

Cette thèse consiste à proposer une méthode de caractérisation non-supervisée des intervenants dans les documents audiovisuels, en exploitant des données liées à leur apparence physique et à leur voix. De manière générale, les méthodes d'identification automatique, que ce soit en vidéo ou en audio, nécessitent une quantité importante de connaissances a priori sur le contenu. Dans ce travail, le but est d'étudier les deux modes de façon corrélée et d'exploiter leur propriété respective de manière collaborative et robuste, afin de produire un résultat fiable aussi indépendant que possible de toute connaissance a priori. Plus particulièrement, nous avons étudié les caractéristiques du flux audio et nous avons proposé plusieurs méthodes pour la segmentation et le regroupement en locuteurs que nous avons évaluées dans le cadre d'une campagne d'évaluation. Ensuite, nous avons mené une étude approfondie sur les descripteurs visuels (visage, costume) qui nous ont servis à proposer de nouvelles approches pour la détection, le suivi et le regroupement des personnes. Enfin, le travail s'est focalisé sur la fusion des données audio et vidéo en proposant une approche basée sur le calcul d'une matrice de cooccurrence qui nous a permis d'établir une association entre l'index audio et l'index vidéo et d'effectuer leur correction. Nous pouvons ainsi produire un modèle audiovisuel dynamique des intervenants.This thesis consists to propose a method for an unsupervised characterization of persons within audiovisual documents, by exploring the data related for their physical appearance and their voice. From a general manner, the automatic recognition methods, either in video or audio, need a huge amount of a priori knowledge about their content. In this work, the goal is to study the two modes in a correlated way and to explore their properties in a collaborative and robust way, in order to produce a reliable result as independent as possible from any a priori knowledge. More particularly, we have studied the characteristics of the audio stream and we have proposed many methods for speaker segmentation and clustering and that we have evaluated in a french competition. Then, we have carried a deep study on visual descriptors (face, clothing) that helped us to propose novel approches for detecting, tracking, and clustering of people within the document. Finally, the work was focused on the audiovisual fusion by proposing a method based on computing the cooccurrence matrix that allowed us to establish an association between audio and video indexes, and to correct them. That will enable us to produce a dynamic audiovisual model for each speaker

Optimization Methods Applied to Power Systems Ⅱ

Electrical power systems are complex networks that include a set of electrical components that allow distributing the electricity generated in the conventional and renewable power plants to distribution systems so it can be received by final consumers (businesses and homes). In practice, power system management requires solving different design, operation, and control problems. Bearing in mind that computers are used to solve these complex optimization problems, this book includes some recent contributions to this field that cover a large variety of problems. More specifically, the book includes contributions about topics such as controllers for the frequency response of microgrids, post-contingency overflow analysis, line overloads after line and generation contingences, power quality disturbances, earthing system touch voltages, security-constrained optimal power flow, voltage regulation planning, intermittent generation in power systems, location of partial discharge source in gas-insulated switchgear, electric vehicle charging stations, optimal power flow with photovoltaic generation, hydroelectric plant location selection, cold-thermal-electric integrated energy systems, high-efficiency resonant devices for microwave power generation, security-constrained unit commitment, and economic dispatch problems

Ultrasound Imaging

This book provides an overview of ultrafast ultrasound imaging, 3D high-quality ultrasonic imaging, correction of phase aberrations in medical ultrasound images, etc. Several interesting medical and clinical applications areas are also discussed in the book, like the use of three dimensional ultrasound imaging in evaluation of Asherman's syndrome, the role of 3D ultrasound in assessment of endometrial receptivity and follicular vascularity to predict the quality oocyte, ultrasound imaging in vascular diseases and the fetal palate, clinical application of ultrasound molecular imaging, Doppler abdominal ultrasound in small animals and so on

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño