Applications of image-based, multi-view stereo reconstruction methods = (Aplicaciones de los métodos de reconstrucción estéreo multivista)

These slides present several 3-D reconstruction methods to obtain the geometric structure of a scene that is viewed by multiple cameras. We focus on the combination of the geometric modeling in the image formation process with the use of standard optimization tools to estimate the characteristic parameters that describe the geometry of the 3-D scene. In particular, linear, non-linear and robust methods to estimate the monocular and epipolar geometry are introduced as cornerstones to generate 3-D reconstructions with multiple cameras. Some examples of systems that use this constructive strategy are Bundler, PhotoSynth, VideoSurfing, etc., which are able to obtain 3-D reconstructions with several hundreds or thousands of cameras. En esta presentación se tratan varios métodos de reconstrucción 3-D para la obtención de la estructura geométrica de una escena que es visualizada por varias cámaras. Se enfatiza la combinación de modelado geométrico del proceso de formación de la imagen con el uso de herramientas estándar de optimización para estimar los parámetros característicos que describen la geometría de la escena 3-D. En concreto, se presentan métodos de estimación lineales, no lineales y robustos de las geometrías monocular y epipolar como punto de partida para generar reconstrucciones con tres o más cámaras. Algunos ejemplos de sistemas que utilizan este enfoque constructivo son Bundler, PhotoSynth, VideoSurfing, etc., los cuales, en la práctica pueden llegar a reconstruir una escena con varios cientos o miles de cámaras.

Reduced order adaptive models for systems of PDEs using POD

In this work we propose a method to accelerate time dependent numerical solvers of systems of PDEs that require a high cost in computational time and memory. The method is based on the combined use of such numerical solver with a proper orthogonal decomposition, from which we identify modes, a Galerkin projection (that provides a reduced system of equations) and the integration of the reduced system, studying the evolution of the modal amplitudes. We integrate the reduced model until our a priori error estimator indicates that our approximation in not accurate. At this point we use again our original numerical code in a short time interval to adapt the POD manifold and continue then with the integration of the reduced model. Application will be made to two model problems: the Ginzburg-Landau equation in transient chaos conditions and the two-dimensional pulsating cavity problem, which describes the motion of liquid in a box whose upper wall is moving back and forth in a quasi-periodic fashion. Finally, we will discuss a way of improving the performance of the method using experimental data or information from numerical simulations

A modelling language for the resilience assessment of networked systems of systems

Systems of Systems (SoS) present challenging features and existing tools result often inadequate for their analysis, especially for heteregeneous networked infrastructures. Most accident scenarios in networked systems cannot be addressed by a simplistic black or white (i.e. functioning or failed) approach. Slow deviations from nominal operation conditions may cause degraded behaviours that suddenly end up into unexpected malfunctioning, with large portions of the network affected. In this paper,we present a language for modelling networked SoS. The language makes it possible to represent interdependencies of various natures, e.g. technical, organizational and human. The representation of interdependencies is based on control relationships that exchange physical quantities and related information. The language also makes it possible the identification of accident scenarios, by representing the propagation of failure events throughout the network. The results can be used for assessing the effectiveness of those mechanisms and measures that contribute to the overall resilience, both in qualitative and quantitative terms. The presented modelling methodology is general enough to be applied in combination with already existing system analysis techniques, such as risk assessment, dependability and performance evaluation

Resilience analysis of networked systems-of-systems based on structural and dynamic interdependencies

Critical infrastructures support everyday activities in modern societies, facilitating the exchange of services and quantities of various nature. Their functioning is the result of the integration of diverse technologies, systems and organizations into a complex network of interconnections. Benefits from networking are accompanied by new threats and risks. In particular, because of the increased interdependency, disturbances and failures may propagate and render unstable the whole infrastructure network. This paper presents a methodology of resilience analysis of networked systems of systems. Resilience generalizes the concept of stability of a system around a state of equilibrium, with respect to a disturbance and its ability of preventing, resisting and recovery. The methodology provides a tool for the analysis of off-equilibrium conditions that may occur in a single system and propagate through the network of dependencies. The analysis is conducted in two stages. The first stage of the analysis is qualitative. It identifies the resilience scenarios, i.e. the sequence of events, triggered by an initial disturbance, which include failures and the system response. The second stage is quantitative. The most critical scenarios can be simulated, for the desired parameter settings, in order to check if they are successfully handled, i.e recovered to nominal conditions, or they end into the network failure. The proposed methodology aims at providing an effective support to resilience-informed design.

Differential resultants of super essential systems of linear OD-polynomials

The sparse differential resultant dres(P) of an overdetermined system P of generic nonhomogeneous ordinary differential polynomials, was formally defined recently by Li, Gao and Yuan (2011). In this note, a differential resultant formula dfres(P) is defined and proved to be nonzero for linear "super essential" systems. In the linear case, dres(P) is proved to be equal, up to a nonzero constant, to dfres(P*) for the supper essential subsystem P* of P.

Methodology of image analysis for study of the vertisols moisture content

The main problem to study vertical drainage from the moisture distribution, on a vertisol profile, is searching for suitable methods using these procedures. Our aim was to design a digital image processing methodology and its analysis to characterize the moisture content distribution of a vertisol profile. In this research, twelve soil pits were excavated on a ba re Mazic Pellic Vertisols ix of them in May 13/2011 and the rest in May 19 /2011 after a moderate rainfall event. Digital RGB images were taken from each vertisol pit using a Kodak? camera selecting a size of 1600x945 pixels. Each soil image was processed to homogenized brightness and then a spatial filter with several window sizes was applied to select the optimum one. The RGB image obtained were divided in each matrix color selecting the best thresholds for each one, maximum and minimum, to be applied and get a digital binary pattern. This one was analyzed by estimating two fractal scaling exponents box counting dimension D BC) and interface fractal dimension (D) In addition, three pre-fractal scaling coefficients were determinate at maximum resolution: total number of boxes intercepting the foreground pattern (A), fractal lacunarity (?1) and Shannon entropy S1). For all the images processed the spatial filter 9x9 was the optimum based on entropy, cluster and histogram criteria. Thresholds for each color were selected based on bimodal histograms.

New systems of management to improve the health and welfare of rabbits in farm conditions = Nuevos sistemas de cría y manejo para mejorar la salud y bienestar de conejos de granja

El objetivo general de esta Tesis Doctoral fue evaluar nuevos sistemas de alojamiento y cría de conejos de granja, estudiando tanto parámetros comportamentales (experimento 1) como productivos y reproductivos (experimento 3). Además, se evaluaron diferentes técnicas de muestreo con el fin de optimizar el tiempo empleado para el estudio del comportamiento animal (experimento 2). En el experimento 1, se estudió el comportamiento de conejas alojadas en dos tipos de jaulas (TJ), convencionales vs. alternativas con una plataforma elevada, en distintos estados fisiológicos (EF), lactantes y gestantes. Se observó el comportamiento de 12 conejas reproductoras con grabaciones de una duración de 24 h continuas. Independientemente del EF y TJ, las conejas pasaron gran parte de su tiempo sobre el reposapatas (57,7 %, de media). Sin embargo, debido al uso de la plataforma (23,0% del tiempo, de media), las conejas lactantes permanecieron un 36,6 % menos de tiempo (P<0,001) sobre el reposapatas y las gestantes un 27,0% menos (P<0,001) sobre el enrejillado en jaulas alternativas que en convencionales. En las jaulas alternativas, las conejas podían adoptar la postura “levantada”, sin embargo ésta fue observada solamente en conejas gestantes una media de 4,6 veces al día. Las conejas bebieron con mas frecuencia en jaulas convencionales que en alternativas (24,6 vs 19,1 veces al día; P<0,05). Se observó una mayor duración y frecuencia del comportamiento “interactuando con compañeras” en conejas gestantes alojadas en jaulas convencionales (276 s/d y 4,6 veces/d; P<0,05). La frecuencia de “interactuando con gazapos” fue menor en jaulas alternativas que en convencionales (2,4 vs 8,6 veces al día; P<0,01). La hora del día afectó al comportamiento de las conejas, teniendo un comportamiento menos activo durante las horas centrales del día. Durante las horas de oscuridad, las conejas estuvieron más inquietas realizando comportamientos como ‘encabritarse’ o amamantar, coincidiendo éstos en el tiempo en el cual las conejas pasaron más tiempo en la plataforma. Las conejas utilizaron frecuentemente la plataforma, independientemente del estado fisiológico. En la fase de lactación, las conejas utilizaron la plataforma para huir de los intentos de mamar por parte de los gazapos cuando éstas no estaban receptivas. El uso de la plataforma puede dar lugar a problemas higiénicos debidos tanto por la acumulación de heces sobre ella como por la caída de heces y orina sobre los animales que están en la parte inferior. La ausencia de estereotipias por parte de las conejas tanto en jaulas alternativas como en convencionales no sugiere una falta de bienestar debida al sistema de alojamiento. En el experimento 2, se compararon distintos métodos de observación simplificada con respecto un método de referencia usando grabaciones continuas de 24 h para la evaluación del comportamiento de conejas en distintos estados fisiológicos (gestantes y lactantes) alojadas en dos tipos de jaulas (convencionales y alternativas). Se analizaron un total de 576 h de grabaciones continuas de 24 h en 12 conejas reproductoras al final del periodo de lactación y en las mismas conejas después del destete. Los comportamientos observados se clasificaron en tres categorías independientes (localización en la jaula, postura y comportamientos funcionales). Se utilizaron grabaciones continuas de 24 h como método de referencia para validar otros cuatro métodos de observación simplificados, utilizando grabaciones de distinta duración y frecuencia a lo largo del día. Métodos regulares: corto y largo con 2.4 y 8 h de observación respectivamente, y métodos irregulares: corto y largo con 6 y 8 h de observación, respectivamente. Como resultado, se observó que independientemente del sistema de alojamiento, el mejor método para reducir el tiempo de observación necesario para evaluar el comportamiento de conejas reproductoras depende del tipo de variable a estudiar y del estado fisiológico de las conejas. En gestantes, los métodos irregulares no fueron adecuados para estimar comportamientos de larga duración tales como tumbada, sentada, descansando y acicalándose. Sin embargo, en ambos estados fisiológicos, los métodos regulares fueron precisos para los comportamientos de los grupos localización y postura y para comportamientos funcionales de larga duración. Por otro lado, los coeficientes de variación de los comportamientos poco frecuentes realizados principalmente durante el periodo de oscuridad fueron muy altos, y el método irregular largo obtuvo los menores errores de estimación para éstos comportamientos. En el experimento 3, se estudió el efecto de un uso combinado de lactaciones largas (hasta 46 días) con jaulas alternativas sobre los parámetros productivos y reproductivos de 104 conejas y sus camadas durante cinco ciclos reproductivos. La mitad de las conejas fueron alojadas en jaulas polivalentes convencionales (39 cm x 100 cm x 30 cm) y la otra mitad en jaulas polivalentes alternativas (39 cm x 100 cm x 60 cm), con una plataforma elevada. Dentro de cada grupo de alojamiento, la mitad de las conejas se destetaron a 32 días y la otra mitad a 46 días tras el parto. Las lactaciones más largas afectaron negativamente al peso (P<0,001), contenido en grasa y energía (P<0,05) de las conejas al final del periodo de lactación, pero éste efecto disminuyó con el número de partos. La fertilidad, prolificidad y la mortalidad de las conejas no fue afectada por la duración de la lactación. El destete tardío dio lugar a un mayor tamaño y peso de la camada al final del periodo de crecimiento (8,9 y 11,3 %, respectivamente) y a un menor índice de conversión por jaula durante el todo el periodo experimental (13,5 %) con respecto al destete convencional (P<0,001). Éstos resultados fueron paralelos a la menor mortalidad global (12,6 vs 17,6 %; P<0,05) observada en gazapos con destete tardío. Las diferencias en los parámetros productivos con las distintas edades al destete sólo fueron observadas en los ciclos con peor estado sanitario (tercer y quinto ciclo), en los cuales el destete tardío redujo la mortalidad. El tipo de jaula no afectó al peso de la coneja, condición corporal, mortalidad, fertilidad ni tamaño de camada durante los cinco primeros ciclos reproductivos. Sin embargo, el peso de la camada y el índice de conversión a los 21 días de edad fueron 4,2% mayor (P<0,001) y 5,0% menor (P<0,005) en animales alojados en jaulas alternativas que en jaulas convencionales. A día 59 las jaulas alternativas dieron lugar a camadas más pesadas (P<0,01); sin embargo, éste efecto fue influenciado por la densidad alcanzada en cada ciclo, ya que cuando la densidad de los animales fue menor que 40kg/m2 (tercer y quinto ciclo), el efecto del tipo de jaula sobre el peso de la camada no fue significativo. De los resultados obtenidos se puede concluir que el uso combinado de lactaciones más largas y jaulas con mayor superficie disponible con una plataforma elevada podría ser una alternativa para mejorar el bienestar animal en determinadas situaciones productivas. ABSTRACT The general aim of this PhD Thesis was to evaluate new housing and husbandry systems of farmed rabbits, studying behavioral (experiment 1), productive and reproductive (experiment 3) parameters. Moreover, different sampling techniques were evaluated in order to optimize the assessment of rabbit behaviour (experiment 2). In experiment 1, the behaviour of rabbit does housed in two different types of cage (TC), conventional vs. alternative with an elevated platform, at different physiological stages (PS), lactation and gestation was to study. Behavioural observations were carried out on 12 commercial rabbit does using continuous 24 hour video recording. Independently of PS and TC, rabbit does spent most of their time on foot mats (57.7 %, as average). However, due to the use of platforms (23.0% of time, as average), lactating does spent 36.6% less time (P<0.001) on foot mats and gestating does spent 27.0% less (P<0.001) time on wire mesh in alternative cages than in conventional cages. Alternative cages allowed for standing posture but this behaviour was only observed in gestating does (4.6 times a day, as average). Frequency of drinking was higher in conventional than in alternative cages (24.6 vs. 19.1 times a day; P<0.05). Gestating does housed in conventional cages reached the highest duration and frequency of interacting with neighbours (276 s/d and 4.6 times/d; P<0.05). The frequency of interacting with kits was lower in alternative than in conventional cages (2.4 vs. 8.6 times a day; P<0.01). Does’ behaviour was influenced by hour of day, being less active at the midday hours. During dark hours rabbit does more frequently performed restless behaviour such as hyperactivity or nursing, matching the time at which rabbit does spent more time on the platform. The platform was frequently used by rabbit does, independent of their physiological state, and during late lactation phase, when mothers were not receptive to nursing, does housed in alternative cages used the platform as a mean to flee from kids trying to suckle. The use of the platform might lead to hygienic problems due to retained faeces on the platform and faeces and urine falling onto animals located in the lower part of the cage. Stereotypies were not observed in any housing system, therefore conventional cages do not suggest lack of animal welfare. In experiment 2, it was compared the results of different simplified sampling methods of behavioural data with respect to reference records of 24-h in order to assess rabbit does behaviours at different physiological stages (gestation and lactation) in animals housed in two types of cages (conventional and alternative). A total of 576 h of continuous video of 12 rabbit does at the end of lactation and on the same females after weaning were analysed. The behavioural observations were studied using three independent categories of classification (location in the cage, posture and functional behaviours). Continuous behavioural recordings of 24 h were considered as the reference method to validate another 4 sampling methods of data collection by aggregated video recordings of different frequency and duration (regular short and long methods with 2.4 and 8 h of observation respectively, and irregular short and long methods with 6 and 8 h of observation, respectively). The current results showed that, independently of housing system, the best method to reduce the total observation time required to assess rabbit does behaviour depends on the trait studied and physiological stage of does. In gestating does, irregular methods were not suitable to estimate behaviours of long duration such as lying, sitting, resting and grooming. However, in both physiological stages, regular methods were accurate for location behaviours, postures and functional behaviours of long duration. Instead, for the study of infrequent behaviours performed mainly during dark period, where coefficients of variation were high, the irregular long method led to the lowest mean estimation errors. In experiment 3, the effects of the combined use of long lactation periods (46 days) with alternative cages on the reproductive and growth performance of 104 rabbit does and their litters during five consecutive reproductive cycles were studied. Half of does were housed in conventional polyvalent cages (39 cm x 100 cm x 30 cm) and the other half in alternative polyvalent cages (39 cm x 100 cm x 60 cm), with a raised platform. Half of the rabbit does in each type of cages were weaned at 32 and the other half at 46 days after parturition. Longer lactations affected negatively to body weight (P<0.001), fat and energy content (P<0.05) of rabbit does at the end of the lactation period, but this effect decreased with the number of parturitions. Fertility, prolificacy and doe mortality were not affected by lactation length. Late weaning led to higher litter size (by 8.9 %) and litter weight (by 11.3 %) at the end of growing period and lower feed conversion ratio per cage during the overall experimental period (13.5 %) than standard weaning (P<0.001). These results were parallels to a lower mortality (12.6 vs 17.6 %; P<0.05) of young rabbit weaned later during the overall experimental period. Differences in performances at different weaning ages were only observed during cycles with worst health status (third and fifth cycles) in which late weaning decreased mortality. Type of cage did not affect doe body weight and body condition, mortality, fertility, prolificacy and litter size during the five firsts reproductive cycles. Nevertheless, at day 21 litter weight and feed conversion ratio were 4.2 % higher (P<0.001) and 5.0 % lower (P<0.005) in animals housed in alternative than in conventional cages. Alternative cages also led to heavier litters at 59 days (P<0.01); however, this effect was influenced by density reached in each cycle, as when the density of animals was lower than 40 kg/m2 (cycles three and five), the difference of litter weight between alternative and conventional cages was not significant. From the results obtained it can be concluded that the combined use of longer lactations and cages with higher available surface with a raised platform could be an alternative to improve animal welfare in some productive situations.

Bio-inspired FPGA Architecture for Self-Calibration of an Image Compression Core based on Wavelet Transforms in Embedded Systems

A generic bio-inspired adaptive architecture for image compression suitable to be implemented in embedded systems is presented. The architecture allows the system to be tuned during its calibration phase. An evolutionary algorithm is responsible of making the system evolve towards the required performance. A prototype has been implemented in a Xilinx Virtex-5 FPGA featuring an adaptive wavelet transform core directed at improving image compression for specific types of images. An Evolution Strategy has been chosen as the search algorithm and its typical genetic operators adapted to allow for a hardware friendly implementation. HW/SW partitioning issues are also considered after a high level description of the algorithm is profiled which validates the proposed resource allocation in the device fabric. To check the robustness of the system and its adaptation capabilities, different types of images have been selected as validation patterns. A direct application of such a system is its deployment in an unknown environment during design time, letting the calibration phase adjust the system parameters so that it performs efcient image compression. Also, this prototype implementation may serve as an accelerator for the automatic design of evolved transform coefficients which are later on synthesized and implemented in a non-adaptive system in the final implementation device, whether it is a HW or SW based computing device. The architecture has been built in a modular way so that it can be easily extended to adapt other types of image processing cores. Details on this pluggable component point of view are also given in the paper.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

A set of canonical problems in sloshing. Part 0: Experimental setup and data processing

In a series of attempts to research and document relevant sloshing type phenomena, a series of experiments have been conducted. The aim of this paper is to describe the setup and data processing of such experiments. A sloshing tank is subjected to angular motion. As a result pressure registers are obtained at several locations, together with the motion data, torque and a collection of image and video information. The experimental rig and the data acquisition systems are described. Useful information for experimental sloshing research practitioners is provided. This information is related to the liquids used in the experiments, the dying techniques, tank building processes, synchronization of acquisition systems, etc. A new procedure for reconstructing experimental data, that takes into account experimental uncertainties, is presented. This procedure is based on a least squares spline approximation of the data. Based on a deterministic approach to the first sloshing wave impact event in a sloshing experiment, an uncertainty analysis procedure of the associated first pressure peak value is described.

Impacts of projected maximum temperature extremes for C21 by an ensemble of regional climate models on cereal cropping systems in the Iberian Peninsula

Crops growing in the Iberian Peninsula may be subjected to damagingly high temperatures during the sensitive development periods of flowering and grain filling. Such episodes are considered important hazards and farmers may take insurance to offset their impact. Increases in value and frequency of maximum temperature have been observed in the Iberian Peninsula during the 20th century, and studies on climate change indicate the possibility of further increase by the end of the 21st century. Here, impacts of current and future high temperatures on cereal cropping systems of the Iberian Peninsula are evaluated, focusing on vulnerable development periods of winter and summer crops. Climate change scenarios obtained from an ensemble of ten Regional Climate Models (multimodel ensemble) combined with crop simulation models were used for this purpose and related uncertainty was estimated. Results reveal that higher extremes of maximum temperature represent a threat to summer-grown but not to winter-grown crops in the Iberian Peninsula. The study highlights the different vulnerability of crops in the two growing seasons and the need to account for changes in extreme temperatures in developing adaptations in cereal cropping systems. Finally, this work contributes to clarifying the causes of high-uncertainty impact projections from previous studies.

Overview of the SMS design method applied to imaging optics

The Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) was developed as a design method in Nonimaging Optics during the 90s. Later, the method was extended for designing Imaging Optics. We present an overview of the method applied to imaging optics in planar (2D) geometry and compare the results with more classical designs based on achieving aplanatism of different orders. These classical designs are also viewed as particular cases of SMS designs. Systems with up to 4 aspheric surfaces are shown. The SMS design strategy is shown to perform always better than the classical design (in terms of image quality). Moreover, the SMS method is a direct method, i.e., it is not based in multi-parametric optimization techniques. This gives the SMS method an additional interest since it can be used for exploring solutions where the multiparameter techniques can get lost because of the multiple local minima

Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.

Perfect imaging analysis of the spherical geodesic waveguide

Negative Refractive Lens (NRL) has shown that an optical system can produce images with details below the classic Abbe diffraction limit. This optical system transmits the electromagnetic fields, emitted by an object plane, towards an image plane producing the same field distribution in both planes. In particular, a Dirac delta electric field in the object plane is focused without diffraction limit to the Dirac delta electric field in the image plane. Two devices with positive refraction, the Maxwell Fish Eye lens (MFE) and the Spherical Geodesic Waveguide (SGW) have been claimed to break the diffraction limit using positive refraction with a different meaning. In these cases, it has been considered the power transmission from a point source to a point receptor, which falls drastically when the receptor is displaced from the focus by a distance much smaller than the wavelength. Although these systems can detect displacements up to ?/3000, they cannot be compared to the NRL, since the concept of image is different. The SGW deals only with point source and drain, while in the case of the NRL, there is an object and an image surface. Here, it is presented an analysis of the SGW with defined object and image surfaces (both are conical surfaces), similarly as in the case of the NRL. The results show that a Dirac delta electric field on the object surface produces an image below the diffraction limit on the image surface.

Optical systems design using the SMS method and optimizations

Resumen El diseño de sistemas ópticos, entendido como un arte por algunos, como una ciencia por otros, se ha realizado durante siglos. Desde los egipcios hasta nuestros días los sistemas de formación de imagen han ido evolucionando así como las técnicas de diseño asociadas. Sin embargo ha sido en los últimos 50 años cuando las técnicas de diseño han experimentado su mayor desarrollo y evolución, debido, en parte, a la aparición de nuevas técnicas de fabricación y al desarrollo de ordenadores cada vez más potentes que han permitido el cálculo y análisis del trazado de rayos a través de los sistemas ópticos de forma rápida y eficiente. Esto ha propiciado que el diseño de sistemas ópticos evolucione desde los diseños desarrollados únicamente a partir de la óptica paraxial hasta lo modernos diseños realizados mediante la utilización de diferentes técnicas de optimización multiparamétrica. El principal problema con el que se encuentra el diseñador es que las diferentes técnicas de optimización necesitan partir de un diseño inicial el cual puede fijar las posibles soluciones. Dicho de otra forma, si el punto de inicio está lejos del mínimo global, o diseño óptimo para las condiciones establecidas, el diseño final puede ser un mínimo local cerca del punto de inicio y lejos del mínimo global. Este tipo de problemática ha llevado al desarrollo de sistemas globales de optimización que cada vez sean menos sensibles al punto de inicio de la optimización. Aunque si bien es cierto que es posible obtener buenos diseños a partir de este tipo de técnicas, se requiere de muchos intentos hasta llegar a la solución deseada, habiendo un entorno de incertidumbre durante todo el proceso, puesto que no está asegurado el que se llegue a la solución óptima. El método de las Superficies Múltiples Simultaneas (SMS), que nació como una herramienta de cálculo de concentradores anidólicos, se ha demostrado como una herramienta también capaz utilizarse para el diseño de sistemas ópticos formadores de imagen, aunque hasta la fecha se ha utilizado para el diseño puntual de sistemas de formación de imagen. Esta tesis tiene por objeto presentar el SMS como un método que puede ser utilizado de forma general para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija o v afocal con un aumento definido así como una herramienta que puede industrializarse para ayudar al diseñador a afrontar de forma sencilla el diseño de sistemas ópticos complejos. Esta tesis está estructurada en cinco capítulos: El capítulo 1, es un capítulo de fundamentos donde se presentan los conceptos fundamentales necesarios para que el lector, aunque no posea una gran base en óptica formadora de imagen, pueda entender los planteamientos y resultados que se presentan en el resto de capítulos El capitulo 2 aborda el problema de la optimización de sistemas ópticos, donde se presenta el método SMS como una herramienta idónea para obtener un punto de partida para el proceso de optimización. Mediante un ejemplo aplicado se demuestra la importancia del punto de partida utilizado en la solución final encontrada. Además en este capítulo se presentan diferentes técnicas que permiten la interpolación y optimización de las superficies obtenidas a partir de la aplicación del SMS. Aunque en esta tesis se trabajará únicamente utilizando el SMS2D, se presenta además un método para la interpolación y optimización de las nubes de puntos obtenidas a partir del SMS3D basado en funciones de base radial (RBF). En el capítulo 3 se presenta el diseño, fabricación y medidas de un objetivo catadióptrico panorámico diseñado para trabajar en la banda del infrarrojo lejano (8-12 μm) para aplicaciones de vigilancia perimetral. El objetivo presentado se diseña utilizando el método SMS para tres frentes de onda de entrada utilizando cuatro superficies. La potencia del método de diseño utilizado se hace evidente en la sencillez con la que este complejo sistema se diseña. Las imágenes presentadas demuestran cómo el prototipo desarrollado cumple a la perfección su propósito. El capítulo 4 aborda el problema del diseño de sistemas ópticos ultra compactos, se introduce el concepto de sistemas multicanal, como aquellos sistemas ópticos compuestos por una serie de canales que trabajan en paralelo. Este tipo de sistemas resultan particularmente idóneos para él diseño de sistemas afocales. Se presentan estrategias de diseño para sistemas multicanal tanto monocromáticos como policromáticos. Utilizando la novedosa técnica de diseño que en este capítulo se presenta el diseño de un telescopio de seis aumentos y medio. En el capítulo 5 se presenta una generalización del método SMS para rayos meridianos. En este capítulo se presenta el algoritmo que debe utilizarse para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija. La denominada optimización fase 1 se vi introduce en el algoritmo presentado de forma que mediante el cambio de las condiciones iníciales del diseño SMS que, aunque el diseño se realice para rayos meridianos, los rayos skew tengan un comportamiento similar. Para probar la potencia del algoritmo desarrollado se presenta un conjunto de diseños con diferente número de superficies. La estabilidad y potencia del algoritmo se hace evidente al conseguirse por primera vez el diseño de un sistema de seis superficies diseñado por SMS. vii Abstract The design of optical systems, considered an art by some and a science by others, has been developed for centuries. Imaging optical systems have been evolving since Ancient Egyptian times, as have design techniques. Nevertheless, the most important developments in design techniques have taken place over the past 50 years, in part due to the advances in manufacturing techniques and the development of increasingly powerful computers, which have enabled the fast and efficient calculation and analysis of ray tracing through optical systems. This has led to the design of optical systems evolving from designs developed solely from paraxial optics to modern designs created by using different multiparametric optimization techniques. The main problem the designer faces is that the different optimization techniques require an initial design which can set possible solutions as a starting point. In other words, if the starting point is far from the global minimum or optimal design for the set conditions, the final design may be a local minimum close to the starting point and far from the global minimum. This type of problem has led to the development of global optimization systems which are increasingly less sensitive to the starting point of the optimization process. Even though it is possible to obtain good designs from these types of techniques, many attempts are necessary to reach the desired solution. This is because of the uncertain environment due to the fact that there is no guarantee that the optimal solution will be obtained. The Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) method, designed as a tool to calculate anidolic concentrators, has also proved useful for the design of image-forming optical systems, although until now it has occasionally been used for the design of imaging systems. This thesis aims to present the SMS method as a technique that can be used in general for the design of any optical system, whether with a fixed focal or an afocal with a defined magnification, and also as a tool that can be commercialized to help designers in the design of complex optical systems. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 establishes the basics by presenting the fundamental concepts which the reader needs to acquire, even if he/she doesn‟t have extensive knowledge in the field viii of image-forming optics, in order to understand the steps taken and the results obtained in the following chapters. Chapter 2 addresses the problem of optimizing optical systems. Here the SMS method is presented as an ideal tool to obtain a starting point for the optimization process. The importance of the starting point for the final solution is demonstrated through an example. Additionally, this chapter introduces various techniques for the interpolation and optimization of the surfaces obtained through the application of the SMS method. Even though in this thesis only the SMS2D method is used, we present a method for the interpolation and optimization of clouds of points obtained though the SMS3D method, based on radial basis functions (RBF). Chapter 3 presents the design, manufacturing and measurement processes of a catadioptric panoramic lens designed to work in the Long Wavelength Infrared (LWIR) (8-12 microns) for perimeter surveillance applications. The lens presented is designed by using the SMS method for three input wavefronts using four surfaces. The powerfulness of the design method used is revealed through the ease with which this complex system is designed. The images presented show how the prototype perfectly fulfills its purpose. Chapter 4 addresses the problem of designing ultra-compact optical systems. The concept of multi-channel systems, such as optical systems composed of a series of channels that work in parallel, is introduced. Such systems are especially suitable for the design of afocal systems. We present design strategies for multichannel systems, both monochromatic and polychromatic. A telescope designed with a magnification of six-and-a-half through the innovative technique exposed in this chapter is presented. Chapter 5 presents a generalization of the SMS method for meridian rays. The algorithm to be used for the design of any fixed focal optics is revealed. The optimization known as phase 1 optimization is inserted into the algorithm so that, by changing the initial conditions of the SMS design, the skew rays have a similar behavior, despite the design being carried out for meridian rays. To test the power of the developed algorithm, a set of designs with a different number of surfaces is presented. The stability and strength of the algorithm become apparent when the first design of a system with six surfaces if obtained through the SMS method.