Semi-physical neural modeling for linear signal restoration

International audienceThis paper deals with the design methodology of an Inverse Neural Network (INN) model. The basic idea is to carry out a semi-physical model gathering two types of information: the a priori knowledge of the deterministic rules which govern the studied system and the observation of the actual conduct of this system obtained from experimental data. This hybrid model is elaborated by being inspired by the mechanisms of a neuromimetic network whose structure is constrained by the discrete reverse-time state-space equations. In order to validate the approach, some tests are performed on two dynamic models. The first suggested model is a dynamic system characterized by an unspecified r-order Ordinary Differential Equation (ODE). The second one concerns in particular the mass balance equation for a dispersion phenomenon governed by a Partial Differential Equation (PDE) discretized on a basic mesh. The performances are numerically analyzed in terms of generalization, regularization and training effort

Impact Ionization and Hot-Electron Injection Derived Consistently from Boltzmann Transport

We develop a quantitative model of the impact-ionizationand hot-electron–injection processes in MOS devices from first principles. We begin by modeling hot-electron transport in the drain-to-channel depletion region using the spatially varying Boltzmann transport equation, and we analytically find a self consistent distribution function in a two step process. From the electron distribution function, we calculate the probabilities of impact ionization and hot-electron injection as functions of channel current, drain voltage, and floating-gate voltage. We compare our analytical model results to measurements in long-channel devices. The model simultaneously fits both the hot-electron- injection and impact-ionization data. These analytical results yield an energydependent impact-ionization collision rate that is consistent with numerically calculated collision rates reported in the literature

Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

Inverse Modeling for MEG/EEG data

We provide an overview of the state-of-the-art for mathematical methods that are used to reconstruct brain activity from neurophysiological data. After a brief introduction on the mathematics of the forward problem, we discuss standard and recently proposed regularization methods, as well as Monte Carlo techniques for Bayesian inference. We classify the inverse methods based on the underlying source model, and discuss advantages and disadvantages. Finally we describe an application to the pre-surgical evaluation of epileptic patients.Comment: 15 pages, 1 figur

Sparse Modeling for Image and Vision Processing

In recent years, a large amount of multi-disciplinary research has been conducted on sparse models and their applications. In statistics and machine learning, the sparsity principle is used to perform model selection---that is, automatically selecting a simple model among a large collection of them. In signal processing, sparse coding consists of representing data with linear combinations of a few dictionary elements. Subsequently, the corresponding tools have been widely adopted by several scientific communities such as neuroscience, bioinformatics, or computer vision. The goal of this monograph is to offer a self-contained view of sparse modeling for visual recognition and image processing. More specifically, we focus on applications where the dictionary is learned and adapted to data, yielding a compact representation that has been successful in various contexts.Comment: 205 pages, to appear in Foundations and Trends in Computer Graphics and Visio

Recent Progress in Image Deblurring

This paper comprehensively reviews the recent development of image deblurring, including non-blind/blind, spatially invariant/variant deblurring techniques. Indeed, these techniques share the same objective of inferring a latent sharp image from one or several corresponding blurry images, while the blind deblurring techniques are also required to derive an accurate blur kernel. Considering the critical role of image restoration in modern imaging systems to provide high-quality images under complex environments such as motion, undesirable lighting conditions, and imperfect system components, image deblurring has attracted growing attention in recent years. From the viewpoint of how to handle the ill-posedness which is a crucial issue in deblurring tasks, existing methods can be grouped into five categories: Bayesian inference framework, variational methods, sparse representation-based methods, homography-based modeling, and region-based methods. In spite of achieving a certain level of development, image deblurring, especially the blind case, is limited in its success by complex application conditions which make the blur kernel hard to obtain and be spatially variant. We provide a holistic understanding and deep insight into image deblurring in this review. An analysis of the empirical evidence for representative methods, practical issues, as well as a discussion of promising future directions are also presented.Comment: 53 pages, 17 figure

Interpretable Hyperspectral AI: When Non-Convex Modeling meets Hyperspectral Remote Sensing

Hyperspectral imaging, also known as image spectrometry, is a landmark technique in geoscience and remote sensing (RS). In the past decade, enormous efforts have been made to process and analyze these hyperspectral (HS) products mainly by means of seasoned experts. However, with the ever-growing volume of data, the bulk of costs in manpower and material resources poses new challenges on reducing the burden of manual labor and improving efficiency. For this reason, it is, therefore, urgent to develop more intelligent and automatic approaches for various HS RS applications. Machine learning (ML) tools with convex optimization have successfully undertaken the tasks of numerous artificial intelligence (AI)-related applications. However, their ability in handling complex practical problems remains limited, particularly for HS data, due to the effects of various spectral variabilities in the process of HS imaging and the complexity and redundancy of higher dimensional HS signals. Compared to the convex models, non-convex modeling, which is capable of characterizing more complex real scenes and providing the model interpretability technically and theoretically, has been proven to be a feasible solution to reduce the gap between challenging HS vision tasks and currently advanced intelligent data processing models