On-the-fly synthesizer programming with rule learning

This manuscript explores automatic programming of sound synthesis algorithms within the context of the performative artistic practice known as live coding. Writing source code in an improvised way to create music or visuals became an instrument the moment affordable computers were able to perform real-time sound synthesis with languages that keep their interpreter running. Ever since, live coding has dealt with real time programming of synthesis algorithms. For that purpose, one possibility is an algorithm that automatically creates variations out of a few presets selected by the user. However, the need for real-time feedback and the small size of the data sets (which can even be collected mid-performance) are constraints that make existing automatic sound synthesizer programmers and learning algorithms unfeasible. Also, the design of such algorithms is not oriented to create variations of a sound but rather to find the synthesizer parameters that match a given one. Other approaches create representations of the space of possible sounds, allowing the user to explore it by means of interactive evolution. Even though these systems are exploratory-oriented, they require longer run-times. This thesis investigates inductive rule learning for on-the-fly synthesizer programming. This approach is conceptually different from those found in both synthesizer programming and live coding literature. Rule models offer interpretability and allow working with the parameter values of the synthesis algorithms (even with symbolic data), making preprocessing unnecessary. RuLer, the proposed learning algorithm, receives a dataset containing user labeled combinations of parameter values of a synthesis algorithm. Among those combinations sharing the same label, it analyses the patterns based on dissimilarity. These patterns are described as an IF-THEN rule model. The algorithm parameters provide control to define what is considered a pattern. As patterns are the base for inducting new parameter settings, the algorithm parameters control the degree of consistency of the inducted settings respect to the original input data. An algorithm (named FuzzyRuLer) able to extend IF-THEN rules to hyperrectangles, which in turn are used as the cores of membership functions, is presented. The resulting fuzzy rule model creates a map of the entire input feature space. For such a pursuit, the algorithm generalizes the logical rules solving the contradictions by following a maximum volume heuristics. Across the manuscript it is discussed how, when machine learning algorithms are used as creative tools, glitches, errors or inaccuracies produced by the resulting models are sometimes desirable as they might offer novel, unpredictable results. The evaluation of the algorithms follows two paths. The first focuses on user tests. The second responds to the fact that this work was carried out within the computer science department and is intended to provide a broader, nonspecific domain evaluation of the algorithms performance using extrinsic benchmarks (i.e not belonging to a synthesizer's domain) for cross validation and minority oversampling. In oversampling tasks, using imbalanced datasets, the algorithm yields state-of-the-art results. Moreover, the synthetic points produced are significantly different from those created by the other algorithms and perform (controlled) exploration of more distant regions. Finally, accompanying the research, various performances, concerts and an album were produced with the algorithms and examples of this thesis. The reviews received and collections where the album has been featured show a positive reception within the community. Together, these evaluations suggest that rule learning is both an effective method and a promising path for further research.Aquest manuscrit explora la programació automàtica d’algorismes de síntesi de so dins del context de la pràctica artística performativa coneguda com a live coding. L'escriptura improvisada de codi font per crear música o visuals es va convertir en un instrument en el moment en què els ordinadors van poder realitzar síntesis de so en temps real amb llenguatges que mantenien el seu intèrpret en funcionament. D'aleshores ençà, el live coding comporta la programació en temps real d’algorismes de síntesi de so. Per a aquest propòsit, una possibilitat és tenir un algorisme que creï automàticament variacions a partir d'alguns presets seleccionats. No obstant, la necessitat de retroalimentació en temps real i la petita mida dels conjunts de dades són restriccions que fan que els programadors automàtics de sintetitzadors de so i els algorismes d’aprenentatge no siguin factibles d’utilitzar. A més, el seu disseny no està orientat a crear variacions d'un so, sinó a trobar els paràmetres del sintetitzador que aplicats a l'algorisme de síntesi produeixen un so determinat (target). Altres enfocaments creen representacions de l'espai de sons possibles, per permetre a l'usuari explorar-lo mitjançant l'evolució interactiva, però requereixen temps més llargs. Aquesta tesi investiga l'aprenentatge inductiu de regles per a la programació on-the-fly de sintetitzadors. Aquest enfocament és conceptualment diferent dels que es troben a la literatura. Els models de regles ofereixen interpretabilitat i permeten treballar amb els valors dels paràmetres dels algorismes de síntesi, sense processament previ. RuLer, l'algorisme d'aprenentatge proposat, rep dades amb combinacions etiquetades per l'usuari dels valors dels paràmetres d'un algorisme de síntesi. A continuació, analitza els patrons, basats en la dissimilitud, entre les combinacions de cada etiqueta. Aquests patrons es descriuen com un model de regles IF-THEN. Els paràmetres de l'algorisme proporcionen control per definir el que es considera un patró. Llavors, controlen el grau de consistència dels nous paràmetres de síntesi induïts respecte a les dades d'entrada originals. A continuació, es presenta un algorisme (FuzzyRuLer) capaç d’estendre les regles IF-THEN a hiperrectangles, que al seu torn s’utilitzen com a nuclis de funcions de pertinença. El model de regles difuses resultant crea un mapa complet de l'espai de la funció d'entrada. Per això, l'algorisme generalitza les regles lògiques seguint una heurística de volum màxim. Al llarg del manuscrit es discuteix com, quan s’utilitzen algorismes d’aprenentatge automàtic com a eines creatives, de vegades són desitjables glitches, errors o imprecisions produïdes pels models resultants, ja que poden oferir nous resultats imprevisibles. L'avaluació dels algorismes segueix dos camins. El primer es centra en proves d'usuari. El segon, que respon al fet que aquest treball es va dur a terme dins del departament de ciències de la computació, pretén proporcionar una avaluació més àmplia, no específica d'un domini, del rendiment dels algorismes mitjançant benchmarks extrínsecs utilitzats per cross-validation i minority oversampling. En tasques d'oversampling, mitjançant imbalanced data sets, l'algorisme proporciona resultats equiparables als de l'estat de l'art. A més, els punts sintètics produïts són significativament diferents als creats pels altres algorismes i realitzen exploracions (controlades) de regions més llunyanesEste manuscrito explora la programación automática de algoritmos de síntesis de sonido dentro del contexto de la práctica artística performativa conocida como live coding. La escritura de código fuente de forma improvisada para crear música o imágenes, se convirtió en un instrumento en el momento en que las computadoras asequibles pudieron realizar síntesis de sonido en tiempo real con lenguajes que mantuvieron su interprete en funcionamiento. Desde entonces, el live coding ha implicado la programación en tiempo real de algoritmos de síntesis. Para ese propósito, una posibilidad es tener un algoritmo que cree automáticamente variaciones a partir de unos pocos presets seleccionados. Sin embargo, la necesidad de retroalimentación en tiempo real y el pequeño tamaño de los conjuntos de datos (que incluso pueden recopilarse durante la misma actuación), limitan el uso de los algoritmos existentes, tanto de programación automática de sintetizadores como de aprendizaje de máquina. Además, el diseño de dichos algoritmos no está orientado a crear variaciones de un sonido, sino a encontrar los parámetros del sintetizador que coincidan con un sonido dado. Otros enfoques crean representaciones del espacio de posibles sonidos, para permitir al usuario explorarlo mediante evolución interactiva. Aunque estos sistemas están orientados a la exploración, requieren tiempos más largos. Esta tesis investiga el aprendizaje inductivo de reglas para la programación de sintetizadores on-the-fly. Este enfoque es conceptualmente diferente de los que se encuentran en la literatura, tanto de programación de sintetizadores como de live coding. Los modelos de reglas ofrecen interpretabilidad y permiten trabajar con los valores de los parámetros de los algoritmos de síntesis (incluso con datos simbólicos), haciendo innecesario el preprocesamiento. RuLer, el algoritmo de aprendizaje propuesto, recibe un conjunto de datos que contiene combinaciones, etiquetadas por el usuario, de valores de parámetros de un algoritmo de síntesis. Luego, analiza los patrones, en función de la disimilitud, entre las combinaciones de cada etiqueta. Estos patrones se describen como un modelo de reglas lógicas IF-THEN. Los parámetros del algoritmo proporcionan el control para definir qué se considera un patrón. Como los patrones son la base para inducir nuevas configuraciones de parámetros, los parámetros del algoritmo controlan también el grado de consistencia de las configuraciones inducidas con respecto a los datos de entrada originales. Luego, se presenta un algoritmo (llamado FuzzyRuLer) capaz de extender las reglas lógicas tipo IF-THEN a hiperrectángulos, que a su vez se utilizan como núcleos de funciones de pertenencia. El modelo de reglas difusas resultante crea un mapa completo del espacio de las clases de entrada. Para tal fin, el algoritmo generaliza las reglas lógicas resolviendo las contradicciones utilizando una heurística de máximo volumen. A lo largo del manuscrito se analiza cómo, cuando los algoritmos de aprendizaje automático se utilizan como herramientas creativas, los glitches, errores o inexactitudes producidas por los modelos resultantes son a veces deseables, ya que pueden ofrecer resultados novedosos e impredecibles. La evaluación de los algoritmos sigue dos caminos. El primero se centra en pruebas de usuario. El segundo, responde al hecho de que este trabajo se llevó a cabo dentro del departamento de ciencias de la computación y está destinado a proporcionar una evaluación más amplia, no de dominio específica, del rendimiento de los algoritmos utilizando beanchmarks extrínsecos para cross-validation y oversampling. En estas últimas pruebas, utilizando conjuntos de datos no balanceados, el algoritmo produce resultados equiparables a los del estado del arte. Además, los puntos sintéticos producidos son significativamente diferentes de los creados por los otros algoritmos y realizan una exploración (controlada) de regiones más distantes. Finalmente, acompañando la investigación, realicé diversas presentaciones, conciertos y un ´álbum utilizando los algoritmos y ejemplos de esta tesis. Las críticas recibidas y las listas donde se ha presentado el álbum muestran una recepción positiva de la comunidad. En conjunto, estas evaluaciones sugieren que el aprendizaje de reglas es al mismo tiempo un método eficaz y un camino prometedor para futuras investigaciones.Postprint (published version

Manipulating Transverse Modes of Photons for Quantum Cryptography

Several schemes have been proposed to extend Quantum Key Distribution protocols aiming at improving their security or at providing new physical substrates for qubit implementation. We present a toolbox to jointly create, manipulate and measure qubits stored in polarization and transverse-modes degrees of freedom of single photons. The toolbox includes local operations on single qubits, controlled operations between the two qubits and projective measurements over a wide variety of non-local bases in the four dimensional space of states. We describe how to implement the toolbox to perform an extended version of the BB84 protocol for this Hilbert space (ideally transmitting two key bits per photon). We present the experimental implementation of the measurement scheme both in the regimes of intense light beams and with single photons. Thus, we show the feasibility of implementing the protocol providing an interesting example of a new method for quantum information processing using the polarization and transverse modes of light as qubits.Comment: 9 pages, 7 figures, 5 table

Vialidad, conectividad y fractales

La morfología urbana es posible analizarla mediante ecuaciones no lineales que aparentemente reflejan el comportamiento del hombre. La teoría del caos, la incertidumbre y los fractales, aportan nuevas posibilidades al planificador urbano. El estudio es descriptivo y analítico, siguiendo pautas fenomenológicas, combinando teoría y práctica urbanística, con matemática sencilla. La parroquia Olegario Villalobos de Maracaibo es el caso de estudio. La investigación abordó la dimensión longitudinal, representada por la Vialidad. Se aplicó a las vías principales, teoría y factor de escala para develar posibles patrones fractales que indiquen conectividad. Este método es el primer paso de un proceso de indagación que permitirá aplicar en próximas investigaciones, la ley de potencias mediante ecuaciones diferenciales y el uso del computador. Estas teorías no demostradas aún, pueden verificarse, comparando la realidad observada con los resultados cuantitativos. Es un método distinto para planificar, diseñar y realizar intervenciones urbanísticas.Urban morphology is apparently possible by analyzing human behavior reflect nonlinear equations. Chaos theory , the uncertainty and fractals , bring new opportunities to the urban planner. The study is descriptive and analytical, phenomenological following patterns , combining theory and practice of urban development , with simple mathematics. The parish Olegario Villalobos from Maracaibo is the case study. The research addressed the longitudinal dimension , represented by the Roads . Was applied to the main roads , and scale factor theory to uncover possible fractal patterns that indicate connectivity. This method is the first step in a process of inquiry that will apply in future research , the power law with differential equations and computer use . Have not yet proven , theories can be verified by comparing the observed reality with the quantitative results . It is a different approach to plan, design and carry out urban interventions method.Peer Reviewe

Spike-based control monitoring and analysis with Address Event Representation

Neuromorphic engineering tries to mimic biological information processing. Address-Event Representation (AER) is a neuromorphic communication protocol for spiking neurons between different chips. We present a new way to drive robotic platforms using spiking neurons. We have simulated spiking control models for DC motors, and developed a mobile robot (Eddie) controlled only by spikes. We apply AER to the robot control, monitoring and measuring the spike activity inside the robot. The mobile robot is controlled by the AER-Robot tool, and the AER information is sent to a PC using the USBAERmini2 interface.Junta de Andalucía P06-TIC-01417Ministerio de Educación y Ciencia TEC2006-11730-C03-0

An AER-Based Actuator Interface for Controlling an Anthropomorphic Robotic Hand

Bio-Inspired and Neuro-Inspired systems or circuits are a relatively novel approaches to solve real problems by mimicking the biology in its efficient solutions. Robotic also tries to mimic the biology and more particularly the human body structure and efficiency of the muscles, bones, articulations, etc. Address-Event-Representation (AER) is a communication protocol for transferring asynchronous events between VLSI chips, originally developed for neuro-inspired processing systems (for example, image processing). Such systems may consist of a complicated hierarchical structure with many chips that transmit data among them in real time, while performing some processing (for example, convolutions). The information transmitted is a sequence of spikes coded using high speed digital buses. These multi-layer and multi-chip AER systems perform actually not only image processing, but also audio processing, filtering, learning, locomotion, etc. This paper present an AER interface for controlling an anthropomorphic robotic hand with a neuro-inspired system.Unión Europea IST-2001-34124 (CAVIAR)Ministerio de Ciencia y Tecnología TIC-2003-08164-C03-0

Terciarización y nuevas formas de comercio en Asturias

El objetivo de este artículo es analizar el reciente fenómeno de terciarización de una economía y un espacio regionales de fuerte tradición industrial como es Asturias en relación con el proceso de reestructuración de su base productiva. Dicho proceso de cambio tiene origen en la crisis del modelo industrial de tipo fordista, dominante hasta la década de los años ochenta, y en los efectos inducidos por el avance del capitalismo global, entre los que se cuenta la importancia creciente de las actividades comerciales y de las nuevas formas de comercio minorista, en particular las grandes superficies, cuyo impacto interesa en términos de organización y dinamismo territorial.L'objectiu d'aquest article és analitzar el fenomen recent de la terciarització d'una economia i un espai regionals de forta tradició industrial com és Astúries en relació amb el procés de reestructuració de la seva base productiva. Aquest procés de canvi té el seu origen en la crisi del model industrial de tipus fordista, dominant fins a la dècada dels anys vuitanta, i en els efectes induïts per l'avenç del capitalisme global, entre els quals cal tenir present la importància creixent de les activitats comercials i de les noves formes de comerç a la menuda, en particular les grans superfícies, l'impacte de les quals interessa en termes d'organització i dinamisme territorial. Cet article a comme objectif d'analyser le phénomène récent de troisième labour d'une économie et d'un espace régional à forte tradition industrielle comme c'est le cas des Asturies par rapport au processus de restructuration de la base de production régionale. Ce processus de changement découle de la crise du modèle industriel de type fordiste, modèle dominant jusqu'aux années quatre-vingts et dans les effets induits (amenés) par l'avance du capitalisme global. L'intérêt se centre sur l'étude de l'importance croissante des activités commerciales et les nouvelles formes de commerce au détail, avec une attention spéciale sur l'impact des grandes superficies en termes d'organisation et de dynamique territoriale.This paper intends to analyse the recent phenomenon of tertiarisation in the traditionally industrial region of Asturias (Spain) in connection with the restructuring process of the economic base of this region. This process of change originated as a result both of the crisis of the Fordist industrial model, prevailing until the 1980's, and of the effects of the rise of global capitalism. We focus on the study of the growing importance of retail activities and the new forms of retail commerce, paying attention to the impact of shopping malls in terms of organisation and territorial dynamics

Building Blocks for Spikes Signals Processing

Neuromorphic engineers study models and implementations of systems that mimic neurons behavior in the brain. Neuro-inspired systems commonly use spikes to represent information. This representation has several advantages: its robustness to noise thanks to repetition, its continuous and analog information representation using digital pulses, its capacity of pre-processing during transmission time, ... , Furthermore, spikes is an efficient way, found by nature, to codify, transmit and process information. In this paper we propose, design, and analyze neuro-inspired building blocks that can perform spike-based analog filters used in signal processing. We present a VHDL implementation for FPGA. Presented building blocks take advantages of the spike rate coded representation to perform a massively parallel processing without complex hardware units, like floating point arithmetic units, or a large memory. Those low requirements of hardware allow the integration of a high number of blocks inside a FPGA, allowing to process fully in parallel several spikes coded signals.Junta de Andalucía P06-TIC-O1417Ministerio de Ciencia e Innovación TEC2009-10639-C04-02Ministerio de Ciencia e Innovación TEC2006-11730-C03-0

Synthetic retina for AER systems development

Neuromorphic engineering tries to mimic biology in information processing. Address-Event Representation (AER) is a neuromorphic communication protocol for spiking neurons between different layers. AER bio-inspired image sensor are called “retina”. This kind of sensors measure visual information not based on frames from real life and generates corresponding events. In this paper we provide an alternative, based on cheap FPGA, to this image sensors that takes images provided by an analog video source (video composite signal), digitalizes it and generates AER streams for testing purposes.Junta de Andalucía P06-TIC-01417Ministerio de Educación y Ciencia TEC2006-11730-C03-0