Adaptive signal processing for multichannel sound using high performance computing

[EN] The field of audio signal processing has undergone a major development in recent years. Both the consumer and professional marketplaces continue to show growth in audio applications such as immersive audio schemes that offer optimal listening experience, intelligent noise reduction in cars or improvements in audio teleconferencing or hearing aids. The development of these applications has a common interest in increasing or improving the number of discrete audio channels, the quality of the audio or the sophistication of the algorithms. This often gives rise to problems of high computational cost, even when using common signal processing algorithms, mainly due to the application of these algorithms to multiple signals with real-time requirements. The field of High Performance Computing (HPC) based on low cost hardware elements is the bridge needed between the computing problems and the real multimedia signals and systems that lead to user's applications. In this sense, the present thesis goes a step further in the development of these systems by using the computational power of General Purpose Graphics Processing Units (GPGPUs) to exploit the inherent parallelism of signal processing for multichannel audio applications. The increase of the computational capacity of the processing devices has been historically linked to the number of transistors in a chip. However, nowadays the improvements in the computational capacity are mainly given by increasing the number of processing units and using parallel processing. The Graphics Processing Units (GPUs), which have now thousands of computing cores, are a representative example. The GPUs were traditionally used to graphic or image processing, but new releases in the GPU programming environments such as CUDA have allowed the use of GPUS for general processing applications. Hence, the use of GPUs is being extended to a wide variety of intensive-computation applications among which audio processing is included. However, the data transactions between the CPU and the GPU and viceversa have questioned the viability of the use of GPUs for audio applications in which real-time interaction between microphones and loudspeakers is required. This is the case of the adaptive filtering applications, where an efficient use of parallel computation in not straightforward. For these reasons, up to the beginning of this thesis, very few publications had dealt with the GPU implementation of real-time acoustic applications based on adaptive filtering. Therefore, this thesis aims to demonstrate that GPUs are totally valid tools to carry out audio applications based on adaptive filtering that require high computational resources. To this end, different adaptive applications in the field of audio processing are studied and performed using GPUs. This manuscript also analyzes and solves possible limitations in each GPU-based implementation both from the acoustic point of view as from the computational point of view.[ES] El campo de procesado de señales de audio ha experimentado un desarrollo importante en los últimos años. Tanto el mercado de consumo como el profesional siguen mostrando un crecimiento en aplicaciones de audio, tales como: los sistemas de audio inmersivo que ofrecen una experiencia de sonido óptima, los sistemas inteligentes de reducción de ruido en coches o las mejoras en sistemas de teleconferencia o en audífonos. El desarrollo de estas aplicaciones tiene un propósito común de aumentar o mejorar el número de canales de audio, la propia calidad del audio o la sofisticación de los algoritmos. Estas mejoras suelen dar lugar a sistemas de alto coste computacional, incluso usando algoritmos comunes de procesado de señal. Esto se debe principalmente a que los algoritmos se suelen aplicar a sistemas multicanales con requerimientos de procesamiento en tiempo real. El campo de la Computación de Alto Rendimiento basado en elementos hardware de bajo coste es el puente necesario entre los problemas de computación y los sistemas multimedia que dan lugar a aplicaciones de usuario. En este sentido, la presente tesis va un paso más allá en el desarrollo de estos sistemas mediante el uso de la potencia de cálculo de las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU) en aplicaciones de propósito general. Con ello, aprovechamos la inherente capacidad de paralelización que poseen las GPU para procesar señales de audio y obtener aplicaciones de audio multicanal. El aumento de la capacidad computacional de los dispositivos de procesado ha estado vinculado históricamente al número de transistores que había en un chip. Sin embargo, hoy en día, las mejoras en la capacidad computacional se dan principalmente por el aumento del número de unidades de procesado y su uso para el procesado en paralelo. Las GPUs son un ejemplo muy representativo. Hoy en día, las GPUs poseen hasta miles de núcleos de computación. Tradicionalmente, las GPUs se han utilizado para el procesado de gráficos o imágenes. Sin embargo, la aparición de entornos sencillos de programación GPU, como por ejemplo CUDA, han permitido el uso de las GPU para aplicaciones de procesado general. De ese modo, el uso de las GPU se ha extendido a una amplia variedad de aplicaciones que requieren cálculo intensivo. Entre esta gama de aplicaciones, se incluye el procesado de señales de audio. No obstante, las transferencias de datos entre la CPU y la GPU y viceversa pusieron en duda la viabilidad de las GPUs para aplicaciones de audio en las que se requiere una interacción en tiempo real entre micrófonos y altavoces. Este es el caso de las aplicaciones basadas en filtrado adaptativo, donde el uso eficiente de la computación en paralelo no es sencillo. Por estas razones, hasta el comienzo de esta tesis, había muy pocas publicaciones que utilizaran la GPU para implementaciones en tiempo real de aplicaciones acústicas basadas en filtrado adaptativo. A pesar de todo, esta tesis pretende demostrar que las GPU son herramientas totalmente válidas para llevar a cabo aplicaciones de audio basadas en filtrado adaptativo que requieran elevados recursos computacionales. Con este fin, la presente tesis ha estudiado y desarrollado varias aplicaciones adaptativas de procesado de audio utilizando una GPU como procesador. Además, también analiza y resuelve las posibles limitaciones de cada aplicación tanto desde el punto de vista acústico como desde el punto de vista computacional.[CA] El camp del processament de senyals d'àudio ha experimentat un desenvolupament important als últims anys. Tant el mercat de consum com el professional segueixen mostrant un creixement en aplicacions d'àudio, com ara: els sistemes d'àudio immersiu que ofereixen una experiència de so òptima, els sistemes intel·ligents de reducció de soroll en els cotxes o les millores en sistemes de teleconferència o en audiòfons. El desenvolupament d'aquestes aplicacions té un propòsit comú d'augmentar o millorar el nombre de canals d'àudio, la pròpia qualitat de l'àudio o la sofisticació dels algorismes que s'utilitzen. Això, sovint dóna lloc a sistemes d'alt cost computacional, fins i tot quan es fan servir algorismes comuns de processat de senyal. Això es deu principalment al fet que els algorismes se solen aplicar a sistemes multicanals amb requeriments de processat en temps real. El camp de la Computació d'Alt Rendiment basat en elements hardware de baix cost és el pont necessari entre els problemes de computació i els sistemes multimèdia que donen lloc a aplicacions d'usuari. En aquest sentit, aquesta tesi va un pas més enllà en el desenvolupament d'aquests sistemes mitjançant l'ús de la potència de càlcul de les Unitats de Processament Gràfic (GPU) en aplicacions de propòsit general. Amb això, s'aprofita la inherent capacitat de paral·lelització que posseeixen les GPUs per processar senyals d'àudio i obtenir aplicacions d'àudio multicanal. L'augment de la capacitat computacional dels dispositius de processat ha estat històricament vinculada al nombre de transistors que hi havia en un xip. No obstant, avui en dia, les millores en la capacitat computacional es donen principalment per l'augment del nombre d'unitats de processat i el seu ús per al processament en paral·lel. Un exemple molt representatiu són les GPU, que avui en dia posseeixen milers de nuclis de computació. Tradicionalment, les GPUs s'han utilitzat per al processat de gràfics o imatges. No obstant, l'aparició d'entorns senzills de programació de la GPU com és CUDA, han permès l'ús de les GPUs per a aplicacions de processat general. D'aquesta manera, l'ús de les GPUs s'ha estès a una àmplia varietat d'aplicacions que requereixen càlcul intensiu. Entre aquesta gamma d'aplicacions, s'inclou el processat de senyals d'àudio. No obstant, les transferències de dades entre la CPU i la GPU i viceversa van posar en dubte la viabilitat de les GPUs per a aplicacions d'àudio en què es requereix la interacció en temps real de micròfons i altaveus. Aquest és el cas de les aplicacions basades en filtrat adaptatiu, on l'ús eficient de la computació en paral·lel no és senzilla. Per aquestes raons, fins al començament d'aquesta tesi, hi havia molt poques publicacions que utilitzessin la GPU per implementar en temps real aplicacions acústiques basades en filtrat adaptatiu. Malgrat tot, aquesta tesi pretén demostrar que les GPU són eines totalment vàlides per dur a terme aplicacions d'àudio basades en filtrat adaptatiu que requereixen alts recursos computacionals. Amb aquesta finalitat, en la present tesi s'han estudiat i desenvolupat diverses aplicacions adaptatives de processament d'àudio utilitzant una GPU com a processador. A més, aquest manuscrit també analitza i resol les possibles limitacions de cada aplicació, tant des del punt de vista acústic, com des del punt de vista computacional.Lorente Giner, J. (2015). Adaptive signal processing for multichannel sound using high performance computing [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58427TESI

A pressure-stabilized formulation of incompressible flow problems on anisotropic finite-element meshes

We consider a pressure stabilized, finite element approximation of incompressible flow problems in primitive velocity--pressure variables, which is based on a projection of the gradient of the discrete pressure onto the space of discrete functions. Equal order interpolation for the velocity and the pressure can be employed with this formulation. The method introduced here is specially developed to be used on anisotropic finite element meshes with large element aspect ratios

Repetición de la medición de creatinina sérica en atención primaria: no todos tienen insuficiencia renal crónica

ResumenObjetivoEvaluar la prevalencia de la insuficiencia renal en los pacientes de un centro médico de un área básica de salud que disponen de determinaciones analíticas de creatinina sérica.DiseñoEstudio descriptivo observacional transversal.Fuentes de datosÁrea básica de salud con 23.807 usuarios de ≥18 años de edad.ResultadosLa prevalencia de la insuficiencia renal entre los 17.240 pacientes que disponían de, al menos, una analítica fue del 8,5%, con una media de edad de 77,6±12,05 años. Un 33,2% de los afectados presentaba una insuficiencia renal oculta, siendo un 98,8% mujeres.La prevalencia de la insuficiencia renal crónica entre los 10.011 pacientes que disponían de al menos 2 analíticas separadas por ≥ de 3 meses fue del 5,5%, siendo su media de edad de 80,1±10,0 años (el grupo más afectado fue el de 75 a 84 años), un 59,7% hombres, y un 76,3% de los casos con estadio 3. Un 5,3% de los afectados presentaban una insuficiencia renal oculta, el 86,2% de estos eran mujeres (se calculaba un filtrado glomerular < 60ml/min ya con niveles de creatinina plasmática de 0,9mg/dl).ConclusionesLa comparación de los resultados actuales con los previos reportados pone de manifiesto la necesidad de realizar nuevos estudios de prevalencia de la insuficiencia renal global, crónica y oculta en España para poder valorar el alcance real de la enfermedad. El médico de atención primaria juega un papel fundamental en la detección, tratamiento, control y registro de la enfermedad (en la historia clínica). La fórmula MDRD resulta útil y práctica para estimar el filtrado glomerular.AbstractObjectiveTo assess the prevalence of kidney failure in patients from a primary care centre in a basic healthcare district with laboratory availability allowing serum creatinine measurements.DesignAn observational descriptive cross-sectional study.Data sourcesA basic healthcare district serving 23,807 people aged ≥ 18 years.ResultsPrevalence of kidney failure among 17,240 patients having at least one laboratory measurement available was 8.5% (mean age 77.6±12.05 years). In 33.2% of such patients an occult kidney failure was found (98.8% were women).Prevalence of chronic kidney failure among 10,011 patients having at least 2 laboratory measurements available (≥ 3 months apart) was 5.5% with mean age being 80.1±10.0 years (most severely affected patients were those aged 75 to 84); 59.7% were men and 76.3% of cases were in stage 3. An occult kidney failure was found in 5.3% of patients with women being 86.2% of them (a glomerular filtration rate<60ml/min was estimated for plasma creatinine levels of 0.9mg/dl or higher).ConclusionsComparison of present findings to those previously reported demonstrates the need for further studies on the prevalence of overall (chronic and acute) kidney failure in Spain in order to estimate the real scope of the disease. Primary care physicians play a critical role in disease detection, therapy, control and recording (in medical records). MDRD equation is useful and practical to estimate glomerular filtration rate

Space and time error estimates for a first order, pressure stabilized finite element method for the incompressible Navier-Stokes equations

In this paper we analyse a pressure stabilized, finite element method for the unsteady, incompressible Navier-Stokes equations in primitive variables; for the time discretization we focus on a fully implicit, monolithic scheme. We provide some error estimates for the fully discrete solution which show that the velocity is first order accurate in the time step and attains optimal order accuracy in the mesh size for the given spatial interpolation, both in the spaces L^2(W) and H(W) the pressure solution is shown to be order 1/2 accurate in the time step and also optimal in the mesh size. These estimates are proved assuming only a weak compatibility condition on the approximating spaces of velocity and pressure, which is satisfied by equal order interpolations

Extendable orthogonal sets of integral vectors

Motivated by a model in quantum computation, we study orthogonal sets of integral vectors of the same norm that can be extended with new vectors keeping the norm and the orthogonality. Our approach involves some arithmetic properties of the quaternions and other hypercomplex numbersFernando Chamizo is partially supported by the PID2020-113350GB-I00 Grant of the MICINN (Spain) and by “Severo Ochoa Programme for Centres of Excellence in R&D” (SEV-2015-0554). This latter grant supported the visit of Jorge Jiménez-Urroz to the ICMAT where this work was completed. He is partially supported by the PID2019-110224RB-I00 Grant of the MICINN (Spain

Primes represented by quadratic polynomials via exceptional characters

This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in Archiv der Mathematik. The final authenticated version is available online at: http://dx.doi.org/10.1007/s00013-021-01602-3We estimate the number of primes represented by a general quadratic polynomial with discriminant ¿, assuming that the corresponding real character is exceptional.Peer ReviewedPreprin

On Infinitely Many Rational Approximants to ζ(3)

A set of second order holonomic difference equations was deduced from a set of simultaneous rational approximation problems. Some orthogonal forms involved in the approximation were used to compute the Casorati determinants for its linearly independent solutions. These solutions constitute the numerator and denominator sequences of rational approximants to ζ(3) . A correspondence from the set of parameters involved in the holonomic difference equation to the set of holonomic bi-sequences formed by these numerators and denominators appears. Infinitely many rational approximants can be generated.The research of J.A. was funded by Agencia Estatal de Investigación of Spain, grant number PGC-2018-096504-B-C33 and Comunidad Autónoma de Madrid, grant number CC-G08-UC3M/ESP-4516

Diseño de un escáner low cost basado en sensor RGB

[ES] Se ha diseñado e implementado un dispositivo de bajo coste para el análisis fotométrico de muestras químicas a partir de un sensor RGB así como el software de Arduino necesario para su control y una interfaz gráfica en MATLAB para el usuario. El sistema permite extraer las coordenadas RGB de las muestras, graficar los resultados y realizar la extracción de los datos necesarios para la determinación de concentraciones químicas. Los datos se transmiten por conexión USB a un ordenador que tenga instalado el software diseñado.[EN] A low cost device based on a RGB sensor intended for the photometric analysis of chemical samples as well as the Arduino software necessary for its control and a graphical interface in MATLAB for the end-user have been designed and implemented. The system allows the extraction of the RGB coordinates of the samples, plotting the results and extracting the necessary data for the determination of chemical concentrations. The data is transmitted via USB connection to a computer that is running the software designed.Lorente Benítez, J. (2018). Diseño de un escáner low cost basado en sensor RGB. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/99336TFG

Proyecto de Instalación eléctrica en una industria química con una potencia instalada de 275 kVA, aplicando la Directiva 2012/27/UE para la mejora de la eficiencia energética

[ES] El presente TFM consiste en el proyecto de la instalación eléctrica de una industria química en el que se aplican diversas medidas orientadas a la consecución de los objetivos 20/20/20 de la Unión Europea, mediante la aplicación de la Directiva 2012/27/UE y la norma UNE-EN 60364, parte 8-1. Para ello se aborda el diseño de la instalación eléctrica en la industria bajo criterios de eficiencia energética, tanto en la distribución de la instalación como en el dimensionado del cableado. El proyecto incluye además el diseño de una instalación fotovoltaica para la obtención de energía renovable en régimen de autoconsumo. El TFM incluye un análisis detallado del impacto de las medidas de eficiencia energética implementadas, desde una perspectiva energética y económica. Para ello se toma como punto de partida la instalación diseñada bajo criterios convencionales y se compara con el diseño final obtenido tras la aplicación de las medidas de mejora de la eficiencia energética.[EN] This master Thesis consists on the project of the electrical installation of a chemical industry in which various measures are applied aimed at achieving the 20/20/20 objectives of the European Union, through the application of Directive 2012/27 / UE and standard UNE-EN 60364, part 8-1. For this, the design of the electrical installation in the industry is addressed under criteria of energy efficiency, both in the distribution of the installation and in the dimensioning of the wiring. The project also includes the design of a photovoltaic installation to obtain renewable energy in self-consumption regime. The TFM includes a detailed analysis of the impact of the energy efficiency measures implemented, from an energy and economic perspective. For this, the installation designed according to conventional criteria is taken as a starting point and compared with the final design obtained after the application of measures to improve energy efficiency.[CA] El present TFM consisteix en el projecte de la instal·lació elèctrica d’ una industria química en la qual s’ apliquen diverses mesures orientades a la consecució del objectius 20/20/20 de l’ Unió Europea, mitjançant l’ aplicació de la Directiva 2012/27/UE y la norma UNE-EN 60364, part 8-1. S’ aborda el disseny de l’ instal·lació elèctrica aplicant criteris d’ eficiència energètica, tant en la distribució de l’ instal·lació com en el dimensionat del cablejat. El projecte inclou el disseny d’ una instal·lació fotovoltaica per a l’ obtenció d’ energia renovable en règim d’ autoconsum. El TFM inclou un anàlisis detallat de l’ impacte de les mesures implementades, tenint en compte tant l’ aspecte econòmic com l’ energètic. Per al projecte s’ utilitza com a punt de partida la instal·lació projectada utilitzant criteris convencionals per a comparar-la amb el disseny final.Lorente Peiró, J. (2019). Proyecto de Instalación eléctrica en una industria química con una potencia instalada de 275 kVA, aplicando la Directiva 2012/27/UE para la mejora de la eficiencia energética. http://hdl.handle.net/10251/128942TFG