Concurrent library abstraction without information hiding

The commonly accepted approach to specifying libraries of concurrent algorithms is a library abstraction. Its idea is to relate a library to another one that abstracts away from details of its implementation and is simpler to reason about. A library abstraction relation has to validate the Abstraction Theorem: while proving a property of the client of the concurrent library, the library can be soundly replaced with its abstract implementation. Typically a library abstraction relation, such as linearizability, assumes a complete information hiding between a library and its client, which disallows them to communicate by means of shared memory. However, such way of communication may be used in a program, and correctness of interactions on a shared memory depends on the implicit contract between the library and the client. In this work we approach library abstraction without any assumptions about information hiding. To be able to formulate the contract between components of the program, we augment machine states of the program with two abstract states, views, of the client and the library. It enables formalising the contract with the internal safety, which requires components to preserve each other's views whenever their command is executed. We define the library a a correspondence between possible uses of a concrete and an abstract library. For our library abstraction relation and traces of a program, components of which follow their contract, we prove an Abstraction Theorem. RESUMEN. La técnica más aceptada actualmente para la especificación de librerías de algoritmos concurrentes es la abstracción de librerías (library abstraction). La idea subyacente es relacionar la librería original con otra que abstrae los detalles de implementación y conóon que describa dicha abstracción de librerías debe validar el Teorema de Abstracción: durante la prueba de la validez de una propiedad del cliente de la librería concurrente, el reemplazo de esta última por su implementación abstracta es lógicamente correcto. Usualmente, una relación de abstracción de librerías como la linearizabilidad (linearizability), tiene como premisa el ocultamiento de información entre el cliente y la librería (information hiding), es decir, que no se les permite comunicarse mediante la memoria compartida. Sin embargo, dicha comunicación ocurre en la práctica y la correctitud de estas interacciones en una memoria compartida depende de un contrato implícito entre la librería y el cliente. En este trabajo, se propone un nueva definición del concepto de abtracción de librerías que no presupone un ocultamiento de información entre la librería y el cliente. Con el fin de establecer un contrato entre diferentes componentes de un programa, extendemos la máquina de estados subyacente con dos estados abstractos que representan las vistas del cliente y la librería. Esto permite la formalización de la propiedad de seguridad interna (internal safety), que requiere que cada componente preserva la vista del otro durante la ejecuci on de un comando. Consecuentemente, se define la relación de abstracción de librerías mediante una correspondencia entre los usos posibles de una librería abstracta y una concreta. Finalmente, se prueba el Teorema de Abstracción para la relación de abstracción de librerías propuesta, para cualquier traza de un programa y cualquier componente que satisface los contratos apropiados.

Propuesta, implementación y evaluación de la biometría de firma en el aire como sistema de verificación en teléfonos móviles

En esta tesis doctoral se propone una técnica biométrica de verificación en teléfonos móviles consistente en realizar una firma en el aire con la mano que sujeta el teléfono móvil. Los acelerómetros integrados en el dispositivo muestrean las aceleraciones del movimiento de la firma en el aire, generando tres señales temporales que pueden utilizarse para la verificación del usuario. Se proponen varios enfoques para la implementación del sistema de verificación, a partir de los enfoques más utilizados en biometría de firma manuscrita: correspondencia de patrones, con variantes de los algoritmos de Needleman-Wusch (NW) y Dynamic Time Warping (DTW), modelos ocultos de Markov (HMM) y clasificador estadístico basado en Máquinas de Vector Soporte (SVM). Al no existir bases de datos públicas de firmas en el aire y con el fin de evaluar los métodos propuestos en esta tesis doctoral, se han capturado dos con distintas características; una con falsificaciones reales a partir del estudio de las grabaciones de usuarios auténticos y otra con muestras de usuarios obtenidas en diferentes sesiones a lo largo del tiempo. Utilizando estas bases de datos se han evaluado una gran cantidad de algoritmos para implementar un sistema de verificación basado en firma en el aire. Esta evaluación se ha realizado de acuerdo con el estándar ISO/IEC 19795, añadiendo el caso de verificación en mundo abierto no incluido en la norma. Además, se han analizado las características que hacen que una firma sea suficientemente segura. Por otro lado, se ha estudiado la permanencia de las firmas en el aire a lo largo del tiempo, proponiendo distintos métodos de actualización, basados en una adaptación dinámica del patrón, para mejorar su rendimiento. Finalmente, se ha implementado un prototipo de la técnica de firma en el aire para teléfonos Android e iOS. Los resultados de esta tesis doctoral han tenido un gran impacto, generando varias publicaciones en revistas internacionales, congresos y libros. La firma en el aire ha sido nombrada también en varias revistas de divulgación, portales de noticias Web y televisión. Además, se han obtenido varios premios en competiciones de ideas innovadoras y se ha firmado un acuerdo de explotación de la tecnología con una empresa extranjera. ABSTRACT This thesis proposes a biometric verification technique on mobile phones consisting on making a signature in the air with the hand holding a mobile phone. The accelerometers integrated in the device capture the movement accelerations, generating three temporal signals that can be used for verification. This thesis suggests several approaches for implementing the verification system, based on the most widely used approaches in handwritten signature biometrics: template matching, with a lot of variations of the Needleman- Wusch (NW) and Dynamic Time Warping (DTW) algorithms, Hidden Markov Models (HMM) and Supported Vector Machines (SVM). As there are no public databases of in-air signatures and with the aim of assessing the proposed methods, there have been captured two databases; one. with real falsification attempts from the study of recordings captured when genuine users made their signatures in front of a camera, and other, with samples obtained in different sessions over a long period of time. These databases have been used to evaluate a lot of algorithms in order to implement a verification system based on in-air signatures. This evaluation has been conducted according to the standard ISO/IEC 19795, adding the open-set verification scenario not included in the norm. In addition, the characteristics of a secure signature are also investigated, as well as the permanence of in-air signatures over time, proposing several updating strategies to improve its performance. Finally, a prototype of in-air signature has been developed for iOS and Android phones. The results of this thesis have achieved a high impact, publishing several articles in SCI journals, conferences and books. The in-air signature deployed in this thesis has been also referred in numerous media. Additionally, this technique has won several awards in the entrepreneurship field and also an exploitation agreement has been signed with a foreign company.

Análisis de la diversidad de suelos y series vegetales en la provincia de Almería.

En este Proyecto Fin de Máster se realiza un estudio de la diversidad en la Provincia de Almería, analizando los suelos y las series de vegetación en relación con los pisos bioclimáticos de la zona de estudio Objetivos: 1. Definir una metodología que permita obtener un análisis de la diversidad de suelos y series de vegetación en la provincia de Almería, en base a los pisos bioclimáticos presentes como unidades espaciales con vistas a su análisis estadístico. Esta metodología se basa en la creación de modelos y herramientas de geoprocesamiento implementadas con un Sistema de Información Geográfica. 2. Estudio de la vegetación potencial y su correspondencia/correlación con los distintos tipos de suelos presentes en el área de estudio. 3. Análisis cartográfico y geomático de los objetivos precedentes mediante herramientas SIG/GIS (Sistemas de Información Geográfica/Geographic Information Systems, basándose en la creación de modelos y herramientas de geoprocesamiento, para visualizar y comunicar los aspectos más importantes de los estudios realizados. De tal manera, se busca una mayor profundización y experiencia en las tecnologías SIG/GIS.

Atlas y topología del error como un sistema productivo en la arquitectura

En nuestra cultura, asumimos el error como algo vergonzoso, como un resultado ajeno a nuestra consciente autoría. Normalmente queremos desentendernos de él, pues se suele asociar a que ha sido el resultado de un accidente involuntario. Sin embargo, también es cierto que se suele usar como un mecanismo que despierta nuestro humor, la curiosidad, el extrañamiento y la sorpresa. El error en nuestra cultura se esconde en inverosímiles mensajes que nos rodean. Si se toma como ejemplo los errores que se encierran en la serie humorística de dibujos animados "El-coyote-y-el-correcaminos"1, se puede descubrir las numerosas consecuencias y actitudes encriptadas donde el error participa. A modo resumen estos son cinco de los mensajes capturados donde los errores participan. 1- El Coyote, siempre hambriento, y con ganas de atrapar al Correcaminos, tiene una gran variedad de modos acercamiento y decisiones de caza. Las tácticas parecen perfectas pero siempre tienen un error que, aunque hacen que no lleguen a su fin, cada vez son más divertidas y locas. El Coyote se enfrenta continuamente al cómo hacerlo con una creatividad, tan abierta como errada. 2- El Correcaminos en cambio, inconscientemente es capaz de usar las trampas que construye el Coyote sin que estás funcionen. Sin saber que pueden atraparle, las usa como si supiera que el no va a errar. El Coyote en cambio es incapaz de hacer esto, y las trampas siempre se vuelven contra él. 3- El Coyote en ocasiones se ve inmiscuido en un proceso de construcción de trampas laborioso. Este proceso, a su vez, también suele estar cargado de errores. A pesar de que por ensayo y error termina haciendo las cosas como preveía, todo acaba saltando por los aires y no funciona. 4- Más allá de los fallos constructivos de las trampas de caza, el Coyote erra a menudo cuando piensa que es “normal”, es decir se da cuenta que no puede hacer unas series de cosas y finalmente no las hace. Por ejemplo, unas veces en medio del aire cae porque piensa que le afecta la gravedad, otras, justo cuando va a atrapar el Correcaminos se extraña por ser más rápido y al final no lo consigue. 5- Por último, el Coyote cansado de artilugios, recurre a la estrategia. Asume que el Correcaminos es más rápido que él y por ello le dibuja en una pared un túnel con una carretera. El Correcaminos entonces, utiliza el túnel o la carretera como uno ya existente se tratara. Mientras, el Coyote sorprendido intenta seguirlo pero no puede, se choca con la pared, cae en su propia trampa. De estos lugares que se encuentran en la cultura y donde campa el error, se sirve la tesis para localizar su correspondencia con la arquitectura. Por lo que se plantean estos contextos de estudio: 1- La historia de la arquitectura está llena de diferentes modos de hacer y tomar decisiones, de proyecto. Existen diversos planteamientos para enfrentarse a una teoría y una práctica. Todos parecen seguros y certeros, en cambio se tiene la convicción de que no es así. La historia de la arquitectura siempre ha sido tan caótica, divertida y llena de errores como son los autores que la construyen. De ahí que se plantee la búsqueda de los errores en el estudio de la teoría de los conocimientos y procesos lógicos que han guiado a la ciencia hasta donde estamos hoy, la búsqueda del error en la arquitectura a través del error en la epistemología. 2- En la cotidianidad de la arquitectura se "juntan" dibujos hechos en planta con los hechos en sección, se viaja por los planos buscando referencias de secciones, se buscan entradas o salidas, se llevan parcialidades de una planta a otra, se leen pies de plano para interpretar lo que ocurre, se dialoga sobre un proyecto buscando un concepto, se montan volúmenes de documentos que te lo dan en planta, se intentan comprender situaciones volumétricas de dibujos en hechos en "2d" o se intenta comprender un montaje gravitatorio. Situaciones donde somos conscientes y otras no, donde se pone en marcha un ejercicio mental de acoplamiento estructural de todas las partes que se “juntan”, a pesar de que estas entre sí no estén realmente relacionadas y sí llenas de errores. Aprovechándose de la confianza del intercambio de información, los errores se cuelan hasta el final y no llegamos a reconocerlos. 3- En la arquitectura uno de los modos más habituales de enfrentarse al proyecto es a través del método de ensayo y error, a través del cual se hacen continuos dibujos o maquetas, una y otra vez. En arquitectura es común necesitar de la insistencia para localizar algo, reiterar la búsqueda de un deseo. Cada una de ellas con modificaciones de la anterior, con nuevas posibilidades y tanteos. Afrontar este proceso más allá de lo que es enfrentarse a un error, encierra actitudes, voluntades, potencialidades y afecciones diferentes entre sí. A la vez, este ejercicio, suele ser personal, por lo que cada acción de ensayo y error es difícil que se deba a un sólo nivel de funcionamiento, hay factores que se escapan del control o de la previsibilidad. Aunque a priori parece que el proceso por ensayo y error en el hacer arquitectónico intenta eliminar el error, hay ocasiones donde éste desvela nuevas posibilidades. 4- Las fichas de patologías de los edificios en arquitectura suelen ser documentos técnicos que aluden a los problemas constructivos de manera directa; humedades, grietas, fisuras, desprendimientos. Errores constructivos que sin embargo se olvidan de lo que pueden ser “errores arquitectónicos”. Es decir, el proceso de construcción, la espacialidad, el programa, el contexto o la iluminación se pueden trabar erróneamente, pero no necesariamente con fallos constructivos. Errores arquitectónicos que no se suelen registrar como tal. Se cree que hay un mundo de arquitectura patológica que va más allá de la situación de la normalidad edificatoria que se suele tratar. Errores integrados en el hacer arquitectónico que han terminado por generar una arquitectura singular pero no excéntrica, anormal y difícilmente genérica. Arquitecturas creadas bajo un “error de vida”, las cuales demuestran que se pueden alcanzar equilibrios ajenos a los que la razón habitual impone en el hacer. 5- Es también común en la arquitectura, la capacidad de proyectar futuro a través de los diferentes campos de oportunidad que se generan. Las oportunidades unas veces las ofrecen las normativas, pero otras son los errores que estas tienen las que se convierten en resquicios para construir realidades que se escapan a sus rigideces. Alturas máximas, edificaciones límites, espacios libres, alineaciones de fachada, programa permitido…, normalmente leyes de control que se imponen en la ciudad y que a veces se convierten en un modo de dominación. Reglas que antes de su puesta en funcionamiento se creen cerradas y lógicas e infranqueables, pero en su puesta en uso, empiezan a errar. Los resultados no salen como debían, y las palabras son interpretadas de forma diferente, por lo que el usuario empieza a aprovecharse de estos errores como vía de escape sobre ellas. Una vez planteados estos cinco lugares vinculados a sistemas arquitectónicos y que a la vez encierran de alguna forma la mirada positiva que en ocasiones la cultura ofrece, cabría ser más específicos y plantearse la pregunta: .Como el error ha sido y puede ser productivo en la arquitectura? Para responder en estos cinco contextos descritos y habituales en el hacer arquitectónico, se crean cinco “planos secuencia” como respuesta. Que usados como técnica de planificación de un pensamiento, permiten responder sin cortes y durante un tiempo prolongado reflexiones concatenadas entre sí. De este modo, los cinco planos secuencias son respuestas a la pregunta pero desde distintos ámbitos. Respuestas donde los resultados del error no avergüenzan a la arquitectura, sino que animan a usarlo, a experimentar con ello. Los planos secuencias son una cantera que contiene las marcas de los errores, tanto de un pasado como de un futuro inmanente. Un modo de ordenar la información, donde el tiempo no es una marca de linealidad cronológica, sino la búsqueda hacia delante y hacia atrás de la maduración de un concepto.

El vidrio y la luz en la envolvente contemporánea

Los arquitectos se han sentido progresivamente inclinados a incorporar superficies de vidrio cada vez mayores en sus proyectos de arquitectura, en correspondencia con una percepción socio-cultural del vidrio vinculada al progreso, la contemporaneidad y el bienestar, así como por la versatilidad de este material para expresar aspectos de la identidad del proyecto, establecer comunicación con el entorno y actuar como un escaparate para las tecnologías emergentes. A pesar de esta receptividad para acoger los sistemas tecnológicos más avanzados, la envolvente de vidrio contemporánea muy raramente integra tecnología avanzada para el control de la luz natural. Desde la arquitectura, el proyecto de la luz natural a través de la superficie de vidrio se ha explorado muy escasamente, aún cuando en las últimas tres décadas se haya producido una gran diversidad de soluciones tecnológicas para este propósito. Uno de los motivos principales para esta falta de sinergia es la inconsistencia conceptual que impulsa a los procesos proyectuales de la arquitectura y a los desarrollos tecnológicos para la sostenibilidad. Por un lado, las especificaciones de las tecnologías del control de la luz natural se determinan fundamentalmente desde una perspectiva científica de la eficiencia, que no tiene en consideración otros intereses y preocupaciones arquitectónicos. Por otro lado, la práctica arquitectónica no ha asimilado un pensamiento técnico en torno a la luz natural que lo determine como un agente clave del proceso proyectual, incluso cuando la sostenibilidad se perfile como la fuerza que ha de liderar la arquitectura del futuro y, en este sentido, sea una prioridad absoluta minimizar las consecuencias económicas y ecológicas del impacto negativo del vidrio. Por medio del escrutinio de valores culturales, proyectuales, funcionales y ecológicos, esta tesis aborda el estudio del precario diálogo transdisciplinar entre la evolución de la envolvente de vidrio en la arquitectura contemporánea y el desarrollo de soluciones tecnológicas para el proyecto de la luz natural, e identifica sus principales puntos de divergencia como los temas centrales desde los que proyectar con vidrio en una arquitectura sostenible futura. Desde una perspectiva energética, este ejercicio es un paso crítico para concienciar sobre la gravedad de la situación presente y establecer los cimientos para líneas de intervención esenciales para hacer a ambos mundos converger. Desde la óptica arquitectónica, este estudio representa además de una oportunidad para entender los potenciales proyectuales de estas tecnologías y reflexionar sobre la relación vidrio-luz, un escenario desde el que comprender el estatus incongruente de la sostenibilidad tecnológica en la arquitectura actual, contribuyendo a que se genere una contextualización recíproca entre la investigación en energía y la práctica de la arquitectura futura. ABSTRACT Architects are increasingly demanded to incorporate extensive glazed areas in buildings in correspondence with a socio-cultural perception of glass linked with progress, contemporaneity and welfare, as well as for this material’s versatility to express identity features, establish communication with its environment, and perform as a showroom for emergent technologies. Despite this disposition to take cutting-edge technology in, the contemporary glass envelope very scarcely integrates advanced daylight control technology. From an architectural standpoint, the exploration of the manipulation of natural light through the glass surface has been very swallow, even though a wide range of technical solutions has being produced in the last three decades for this purpose. One of the core issues behind this inconsistency is the lack of established synergy between architectural design processes and sustainable technological developments. From one side, the specifications of daylighting technologies are primarily determined by a scientific perspective of efficiency and disregard fundamental architectural concerns and interests. From another, architectural practice does not conceive sustainable technologies as key active agents in the design process, despite the fact the concept of sustainability is constantly regarded as the driving force of the leading-edge architecture of the future, and in this sense, it becomes an absolute priority to minimize the ecological and economical consequences of glass decisive impact in buildings. Through the scrutiny of cultural, functional and ecological values, this thesis analyses the precarious transdisciplinary dialogue between the evolution of the glass envelope in contemporary architecture and the development of daylighting technological solutions, and identifies the core affairs necessary to a sustainable integration of glass facades into future architecture. From an energy point of view, this exercise is a critical step to raise awareness about the severity of the present situation, and to establish the underpinnings for new lines of intervention essential to make both worlds efficiently converge. Architecturally speaking, in addition to the opportunity to understand the design potentials of these technologies and reflect on the relationship glasslight, this study contributes with a scenario from which generate the reciprocal contextualization of energy building research to future architectural practices.

Análisis y modelización de la dinámica emergente durante el proceso de difusión de información en las redes sociales de internet

Durante la actividad diaria, la sociedad actual interactúa constantemente por medio de dispositivos electrónicos y servicios de telecomunicaciones, tales como el teléfono, correo electrónico, transacciones bancarias o redes sociales de Internet. Sin saberlo, masivamente dejamos rastros de nuestra actividad en las bases de datos de empresas proveedoras de servicios. Estas nuevas fuentes de datos tienen las dimensiones necesarias para que se puedan observar patrones de comportamiento humano a grandes escalas. Como resultado, ha surgido una reciente explosión sin precedentes de estudios de sistemas sociales, dirigidos por el análisis de datos y procesos computacionales. En esta tesis desarrollamos métodos computacionales y matemáticos para analizar sistemas sociales por medio del estudio combinado de datos derivados de la actividad humana y la teoría de redes complejas. Nuestro objetivo es caracterizar y entender los sistemas emergentes de interacciones sociales en los nuevos espacios tecnológicos, tales como la red social Twitter y la telefonía móvil. Analizamos los sistemas por medio de la construcción de redes complejas y series temporales, estudiando su estructura, funcionamiento y evolución en el tiempo. También, investigamos la naturaleza de los patrones observados por medio de los mecanismos que rigen las interacciones entre individuos, así como medimos el impacto de eventos críticos en el comportamiento del sistema. Para ello, hemos propuesto modelos que explican las estructuras globales y la dinámica emergente con que fluye la información en el sistema. Para los estudios de la red social Twitter, hemos basado nuestros análisis en conversaciones puntuales, tales como protestas políticas, grandes acontecimientos o procesos electorales. A partir de los mensajes de las conversaciones, identificamos a los usuarios que participan y construimos redes de interacciones entre los mismos. Específicamente, construimos una red para representar quién recibe los mensajes de quién y otra red para representar quién propaga los mensajes de quién. En general, hemos encontrado que estas estructuras tienen propiedades complejas, tales como crecimiento explosivo y distribuciones de grado libres de escala. En base a la topología de estas redes, hemos indentificado tres tipos de usuarios que determinan el flujo de información según su actividad e influencia. Para medir la influencia de los usuarios en las conversaciones, hemos introducido una nueva medida llamada eficiencia de usuario. La eficiencia se define como el número de retransmisiones obtenidas por mensaje enviado, y mide los efectos que tienen los esfuerzos individuales sobre la reacción colectiva. Hemos observado que la distribución de esta propiedad es ubicua en varias conversaciones de Twitter, sin importar sus dimensiones ni contextos. Con lo cual, sugerimos que existe universalidad en la relación entre esfuerzos individuales y reacciones colectivas en Twitter. Para explicar los factores que determinan la emergencia de la distribución de eficiencia, hemos desarrollado un modelo computacional que simula la propagación de mensajes en la red social de Twitter, basado en el mecanismo de cascadas independientes. Este modelo nos permite medir el efecto que tienen sobre la distribución de eficiencia, tanto la topología de la red social subyacente, como la forma en que los usuarios envían mensajes. Los resultados indican que la emergencia de un grupo selecto de usuarios altamente eficientes depende de la heterogeneidad de la red subyacente y no del comportamiento individual. Por otro lado, hemos desarrollado técnicas para inferir el grado de polarización política en redes sociales. Proponemos una metodología para estimar opiniones en redes sociales y medir el grado de polarización en las opiniones obtenidas. Hemos diseñado un modelo donde estudiamos el efecto que tiene la opinión de un pequeño grupo de usuarios influyentes, llamado élite, sobre las opiniones de la mayoría de usuarios. El modelo da como resultado una distribución de opiniones sobre la cual medimos el grado de polarización. Aplicamos nuestra metodología para medir la polarización en redes de difusión de mensajes, durante una conversación en Twitter de una sociedad políticamente polarizada. Los resultados obtenidos presentan una alta correspondencia con los datos offline. Con este estudio, hemos demostrado que la metodología propuesta es capaz de determinar diferentes grados de polarización dependiendo de la estructura de la red. Finalmente, hemos estudiado el comportamiento humano a partir de datos de telefonía móvil. Por una parte, hemos caracterizado el impacto que tienen desastres naturales, como innundaciones, sobre el comportamiento colectivo. Encontramos que los patrones de comunicación se alteran de forma abrupta en las áreas afectadas por la catástofre. Con lo cual, demostramos que se podría medir el impacto en la región casi en tiempo real y sin necesidad de desplegar esfuerzos en el terreno. Por otra parte, hemos estudiado los patrones de actividad y movilidad humana para caracterizar las interacciones entre regiones de un país en desarrollo. Encontramos que las redes de llamadas y trayectorias humanas tienen estructuras de comunidades asociadas a regiones y centros urbanos. En resumen, hemos mostrado que es posible entender procesos sociales complejos por medio del análisis de datos de actividad humana y la teoría de redes complejas. A lo largo de la tesis, hemos comprobado que fenómenos sociales como la influencia, polarización política o reacción a eventos críticos quedan reflejados en los patrones estructurales y dinámicos que presentan la redes construidas a partir de datos de conversaciones en redes sociales de Internet o telefonía móvil. ABSTRACT During daily routines, we are constantly interacting with electronic devices and telecommunication services. Unconsciously, we are massively leaving traces of our activity in the service providers’ databases. These new data sources have the dimensions required to enable the observation of human behavioral patterns at large scales. As a result, there has been an unprecedented explosion of data-driven social research. In this thesis, we develop computational and mathematical methods to analyze social systems by means of the combined study of human activity data and the theory of complex networks. Our goal is to characterize and understand the emergent systems from human interactions on the new technological spaces, such as the online social network Twitter and mobile phones. We analyze systems by means of the construction of complex networks and temporal series, studying their structure, functioning and temporal evolution. We also investigate on the nature of the observed patterns, by means of the mechanisms that rule the interactions among individuals, as well as on the impact of critical events on the system’s behavior. For this purpose, we have proposed models that explain the global structures and the emergent dynamics of information flow in the system. In the studies of the online social network Twitter, we have based our analysis on specific conversations, such as political protests, important announcements and electoral processes. From the messages related to the conversations, we identify the participant users and build networks of interactions with them. We specifically build one network to represent whoreceives- whose-messages and another to represent who-propagates-whose-messages. In general, we have found that these structures have complex properties, such as explosive growth and scale-free degree distributions. Based on the topological properties of these networks, we have identified three types of user behavior that determine the information flow dynamics due to their influence. In order to measure the users’ influence on the conversations, we have introduced a new measure called user efficiency. It is defined as the number of retransmissions obtained by message posted, and it measures the effects of the individual activity on the collective reacixtions. We have observed that the probability distribution of this property is ubiquitous across several Twitter conversation, regardlessly of their dimension or social context. Therefore, we suggest that there is a universal behavior in the relationship between individual efforts and collective reactions on Twitter. In order to explain the different factors that determine the user efficiency distribution, we have developed a computational model to simulate the diffusion of messages on Twitter, based on the mechanism of independent cascades. This model, allows us to measure the impact on the emergent efficiency distribution of the underlying network topology, as well as the way that users post messages. The results indicate that the emergence of an exclusive group of highly efficient users depends upon the heterogeneity of the underlying network instead of the individual behavior. Moreover, we have also developed techniques to infer the degree of polarization in social networks. We propose a methodology to estimate opinions in social networks and to measure the degree of polarization in the obtained opinions. We have designed a model to study the effects of the opinions of a small group of influential users, called elite, on the opinions of the majority of users. The model results in an opinions distribution to which we measure the degree of polarization. We apply our methodology to measure the polarization on graphs from the messages diffusion process, during a conversation on Twitter from a polarized society. The results are in very good agreement with offline and contextual data. With this study, we have shown that our methodology is capable of detecting several degrees of polarization depending on the structure of the networks. Finally, we have also inferred the human behavior from mobile phones’ data. On the one hand, we have characterized the impact of natural disasters, like flooding, on the collective behavior. We found that the communication patterns are abruptly altered in the areas affected by the catastrophe. Therefore, we demonstrate that we could measure the impact of the disaster on the region, almost in real-time and without needing to deploy further efforts. On the other hand, we have studied human activity and mobility patterns in order to characterize regional interactions on a developing country. We found that the calls and trajectories networks present community structure associated to regional and urban areas. In summary, we have shown that it is possible to understand complex social processes by means of analyzing human activity data and the theory of complex networks. Along the thesis, we have demonstrated that social phenomena, like influence, polarization and reaction to critical events, are reflected in the structural and dynamical patterns of the networks constructed from data regarding conversations on online social networks and mobile phones.

Modelo para la gestión de la ordenación territorial en el Ecuador en el marco de su Constitución

Ecuador, país sudamericano, aprobó en el año 2008 una Constitución en la que subyace un modelo de desarrollo humano multidimensional y alternativo al vigente. Sus dimensiones sociales, económicas, políticas, culturales y ambientales se encuentran en los textos correspondientes a los “Derechos”, “Régimen de Desarrollo” y “Régimen del Buen Vivir”; en tanto que las dimensiones territoriales se hallan expuestas en la “Organización Territorial del Estado”, conformada por regiones, provincias, cantones y parroquias rurales, con sus respectivos gobiernos autónomos descentralizados, a los que la misma Constitución les atribuye, entre otras, las competencias exclusivas de “planificar el desarrollo” y “formular los correspondientes planes de ordenamiento territorial”, y al Estado central la “planificación nacional”. No obstante, el marco legal dictado posteriormente -que otorga al Estado central la competencia de ordenación territorial, mediante la “Estrategia Territorial Nacional”-, no logra regular con eficacia, efectividad y eficiencia este ejercicio competencial, incluyendo en esta condición a los lineamientos técnicos dictados por el organismo nacional de planificación; volviendo urgente la vigencia de una ley que lo asuma, pero que demanda previamente el diseño de un modelo de gestión de estas competencias, propósito al cual procura contribuir el presente trabajo. Su estructura es la siguiente: Capítulo 1: “La problemática, objetivos y antecedentes”, en cuya formulación se destaca el estudio del marco jurídico y técnico vigente en relación a la ordenación territorial, partiendo de una breve visión sobre los empeños previos en Ecuador por adoptarla, y que se complementa con una evaluación preliminar de la experiencia vivida por los gobiernos autónomos descentralizados al formular y gestionar sus primeros planes de desarrollo y de ordenación territorial, en acatamiento del mandato constitucional. Luego se avanza en la definición del objetivo general del trabajo y de un conjunto coherente de objetivos específicos. Concluye este capítulo con el análisis del estado de la cuestión: los antecedentes sobre la ordenación territorial en América Latina, en el marco de sus predecesoras históricas. Capítulo 2: “Diseño del modelo de gestión”, que se inicia con el planteamiento de la metodología a seguir, condicionada especialmente por los propios textos constitucionales que vinculan en la relación de “correspondencia” a la ordenación territorial con la planificación del desarrollo y en consecuencia con el ejercicio de las competencias sectoriales asignadas por ella misma a los diferentes niveles de gobierno. Efectivamente, tal relación supone básicamente que la planificación del desarrollo adquiera el carácter de global, total, vale decir integral, en el sentido de que igualmente contemple sus dimensiones territoriales y que la planificación de éstas se integre a la de las dimensiones sociales, económicas, políticas, culturales y ambientales, de manera tal que en cada uno de los niveles la planificación del desarrollo sea un proceso único y un todo. Por estas condiciones, el diseño en cuestión demanda el tratamiento previo de los aspectos contemplados por la metodología en relación con la conceptualización y ordenamiento de la planificación y gestión del modelo de desarrollo humano previsto por la Constitución para los distintos niveles territoriales, seguido del análisis y evaluación del reparto competencial. En este marco se diseña el modelo de gestión en siete componentes específicos que definen los objetivos estratégicos generales a los cuales apuntará la ordenación territorial, estructuran con sus figuras –los planes–, un sistema integrado de alcance nacional, entienden al propio territorio bajo una visión sistémica y proponen un esquema metodológico general para la redacción de tales instrumentos. Luego se aborda en calidad de tema clave, la articulación con la planificación del desarrollo, el establecimiento de las dimensiones territoriales sectoriales y globales de ordenación en cada nivel territorial, que posibilita a su vez la formulación de los contenidos de las determinaciones de los planes y la definición de un conjunto de lineamientos para su gestión. Capítulo 3. “Verificación”, que se ha concretado en la puesta a consideración de un selecto grupo de expertos nacionales en ordenación territorial, el modelo propuesto siguiendo los procedimientos recomendados para este tipo de consultas. Capítulo 4. “Conclusiones Generales”, esto es, un conjunto coherente de proposiciones que condensan los resultados alcanzados en los diferentes capítulos precedentes y que demuestran la validez del modelo propuesto. ABSTRACT Ecuador approved a constitution, by 2008, where a multidimensional human development model, different to the one in force, underlies. Its social, economic, political, cultural and environmental dimensions are at the entries for "Rights", "Development Scheme" and "Rules of Good Living"; while the territorial dimensions are given by the "Territorial Organization of the State" section, consisting of regions, provinces, cantons and rural parishes, with their respective autonomous governments, to which the Constitution conferred, inter alia, the exclusive powers of "development planning" and "land use plan formulation," while the central state has the "national planning" competence. However, the subsequent issued legal framework - which gives the central state competences over land planning, using the "National Spatial Strategy" - fails to effectively regulate this exercise of jurisdiction, including in this condition the technical guidelines dictated by the national planning agency; thus becoming urgent to put in force a law that assume it, which demands the previous design of a management model of these competences, which is the aim that seeks to contribute the present work. Its structure is as follows: Chapter 1: "The problem, objectives and background" that includes the study of the legal and technical framework in force in relation to land planning, starts with a brief overview of previous efforts to adopt it in Ecuador. The chapter is complemented with a preliminary assessment of the experience of the autonomous governments to formulate and manage their early development plans and land planning, in compliance with the constitutional mandate. Subsequently the overall objective of the work and a coherent set of objectives are defined. This chapter concludes with an analysis of the state of art: the history of land use planning in Latin America in the context of their historical predecessors. Chapter 2, "Design of a management model", which begins with the methodological approach to follow, conditioned by the constitutional texts linking the relationship of "correspondence" land planning with development planning and with the exercise of the sectorial competences assigned by itself to different levels of government. Indeed, such a relationship basically means that development planning should acquire a global, comprehensive, complete, total, character in the sense that it also provides for their territorial dimensions and that their planning is integrated to social, economic, political, cultural and environmental factors, so that in each of the levels, development planning is a unique process and a whole. For these conditions, the design in question demands pretreatment of the aspects covered by the methodology in relation to the conceptualization and management of the planning and management of human development model envisaged by the Constitution to the various territorial levels, followed by analysis and evaluation of the distribution of powers. In this framework a management model is designed into seven specific components that define the overall strategic objectives which aim to land planning, structure plans, and an integrated nationwide system, that understand the territory under a systemic vision and propose a general methodological framework to draft these instruments. Then a key issue is addressed, the coordination with development planning, the establishment of sectorial and regional and global dimensions of management at each territorial level, which in turn allows the formulation of the contents of the plans determinations and defining a set of management guidelines. Chapter 3, "Verification", It has traduced into asking for the revision of the proposed model by a select group of national experts in spatial planning by following recommended procedures for such queries. Chapter 4, "General Conclusions", a coherent set of propositions that summarize the results obtained in the different preceding chapters, which demonstrates the validity of the proposed model.

Human-robot interaction for telemanipulation in large workspaces

Independientemente de la existencia de técnicas altamente sofisticadas y capacidades de cómputo cada vez más elevadas, los problemas asociados a los robots que interactúan con entornos no estructurados siguen siendo un desafío abierto en robótica. A pesar de los grandes avances de los sistemas robóticos autónomos, hay algunas situaciones en las que una persona en el bucle sigue siendo necesaria. Ejemplos de esto son, tareas en entornos de fusión nuclear, misiones espaciales, operaciones submarinas y cirugía robótica. Esta necesidad se debe a que las tecnologías actuales no pueden realizar de forma fiable y autónoma cualquier tipo de tarea. Esta tesis presenta métodos para la teleoperación de robots abarcando distintos niveles de abstracción que van desde el control supervisado, en el que un operador da instrucciones de alto nivel en la forma de acciones, hasta el control bilateral, donde los comandos toman la forma de señales de control de bajo nivel. En primer lugar, se presenta un enfoque para llevar a cabo la teleoperación supervisada de robots humanoides. El objetivo es controlar robots terrestres capaces de ejecutar tareas complejas en entornos de búsqueda y rescate utilizando enlaces de comunicación limitados. Esta propuesta incorpora comportamientos autónomos que el operador puede utilizar para realizar tareas de navegación y manipulación mientras se permite cubrir grandes áreas de entornos remotos diseñados para el acceso de personas. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de los métodos propuestos. En segundo lugar, se investiga el uso de dispositivos rentables para telemanipulación guiada. Se presenta una aplicación que involucra un robot humanoide bimanual y un traje de captura de movimiento basado en sensores inerciales. En esta aplicación, se estudian las capacidades de adaptación introducidas por el factor humano y cómo estas pueden compensar la falta de sistemas robóticos de alta precisión. Este trabajo es el resultado de una colaboración entre investigadores del Biorobotics Laboratory de la Universidad de Harvard y el Centro de Automática y Robótica UPM-CSIC. En tercer lugar, se presenta un nuevo controlador háptico que combina velocidad y posición. Este controlador bilateral híbrido hace frente a los problemas relacionados con la teleoperación de un robot esclavo con un gran espacio de trabajo usando un dispositivo háptico pequeño como maestro. Se pueden cubrir amplias áreas de trabajo al cambiar automáticamente entre los modos de control de velocidad y posición. Este controlador háptico es ideal para sistemas maestro-esclavo con cinemáticas diferentes, donde los comandos se transmiten en el espacio de la tarea del entorno remoto. El método es validado para realizar telemanipulación hábil de objetos con un robot industrial. Por último, se introducen dos contribuciones en el campo de la manipulación robótica. Por un lado, se presenta un nuevo algoritmo de cinemática inversa, llamado método iterativo de desacoplamiento cinemático. Este método se ha desarrollado para resolver el problema cinemático inverso de un tipo de robot de seis grados de libertad donde una solución cerrada no está disponible. La eficacia del método se compara con métodos numéricos convencionales. Además, se ha diseñado una taxonomía robusta de agarres que permite controlar diferentes manos robóticas utilizando una correspondencia, basada en gestos, entre los espacios de trabajo de la mano humana y de la mano robótica. El gesto de la mano humana se identifica mediante la lectura de los movimientos relativos del índice, el pulgar y el dedo medio del usuario durante las primeras etapas del agarre. ABSTRACT Regardless of the availability of highly sophisticated techniques and ever increasing computing capabilities, the problems associated with robots interacting with unstructured environments remains an open challenge. Despite great advances in autonomous robotics, there are some situations where a humanin- the-loop is still required, such as, nuclear, space, subsea and robotic surgery operations. This is because the current technologies cannot reliably perform all kinds of task autonomously. This thesis presents methods for robot teleoperation strategies at different levels of abstraction ranging from supervisory control, where the operator gives high-level task actions, to bilateral teleoperation, where the commands take the form of low-level control inputs. These strategies contribute to improve the current human-robot interfaces specially in the case of slave robots deployed at large workspaces. First, an approach to perform supervisory teleoperation of humanoid robots is presented. The goal is to control ground robots capable of executing complex tasks in disaster relief environments under constrained communication links. This proposal incorporates autonomous behaviors that the operator can use to perform navigation and manipulation tasks which allow covering large human engineered areas of the remote environment. The experimental results demonstrate the efficiency of the proposed methods. Second, the use of cost-effective devices for guided telemanipulation is investigated. A case study involving a bimanual humanoid robot and an Inertial Measurement Unit (IMU) Motion Capture (MoCap) suit is introduced. Herein, it is corroborated how the adaptation capabilities offered by the human-in-the-loop factor can compensate for the lack of high-precision robotic systems. This work is the result of collaboration between researchers from the Harvard Biorobotics Laboratory and the Centre for Automation and Robotics UPM-CSIC. Thirdly, a new haptic rate-position controller is presented. This hybrid bilateral controller copes with the problems related to the teleoperation of a slave robot with large workspace using a small haptic device as master. Large workspaces can be covered by automatically switching between rate and position control modes. This haptic controller is ideal to couple kinematic dissimilar master-slave systems where the commands are transmitted in the task space of the remote environment. The method is validated to perform dexterous telemanipulation of objects with a robotic manipulator. Finally, two contributions for robotic manipulation are introduced. First, a new algorithm, the Iterative Kinematic Decoupling method, is presented. It is a numeric method developed to solve the Inverse Kinematics (IK) problem of a type of six-DoF robotic arms where a close-form solution is not available. The effectiveness of this IK method is compared against conventional numerical methods. Second, a robust grasp mapping has been conceived. It allows to control a wide range of different robotic hands using a gesture based correspondence between the human hand space and the robotic hand space. The human hand gesture is identified by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of grasping.

Desarrollo de un sistema de estimación de mapas de profundidad densos a partir de secuencias reales de vídeo 3D.

Este proyecto fín de carrera describe el desarrollo de un sistema de estimación de mapas de profundidad densos a partir de secuencias reales de vídeo 3D. Está motivado por la necesidad de utilizar la información de profundidad de un vídeo estéreo para calcular las oclusiones en el módulo de inserción de objetos sintéticos interactivos desarrollado en el proyecto ImmersiveTV. En el receptor 3DTV, el sistema debe procesar en tiempo real secuencias estéreo de escenas reales en alta resolución con formato Side-by-Side. Se analizan las características del contenido para conocer los problemas a enfrentar. Obtener un mapa de profundidad denso mediante correspondencia estéreo (stereo matching) permite calcular las oclusiones del objeto sintético con la escena. No es necesario que el valor de disparidad asignado a cada píxel sea preciso, basta con distinguir los distintos planos de profundidad ya que se trabaja con distancias relativas. La correspondencia estéreo exige que las dos vistas de entrada estén alineadas. Primero se comprueba si se deben rectificar y se realiza un repaso teórico de calibración y rectificación, resumiendo algunos métodos a considerar en la resolución del problema. Para estimar la profundidad, se revisan técnicas de correspondencia estéreo densa habituales, seleccionando un conjunto de implementaciones con el fin de valorar cuáles son adecuadas para resolver el problema, incluyendo técnicas locales, globales y semiglobales, algunas sobre CPU y otras para GPU; modificando algunas para soportar valores negativos de disparidad. No disponer de ground truth de los mapas de disparidad del contenido real supone un reto que obliga a buscar métodos indirectos de comparación de resultados. Para una evaluación objetiva, se han revisado trabajos relacionados con la comparación de técnicas de correspondencia y entornos de evaluación existentes. Se considera el mapa de disparidad como error de predicción entre vistas desplazadas. A partir de la vista derecha y la disparidad de cada píxel, puede reconstruirse la vista izquierda y, comparando la imagen reconstruida con la original, se calculan estadísticas de error y las tasas de píxeles con disparidad inválida y errónea. Además, hay que tener en cuenta la eficiencia de los algoritmos midiendo la tasa de cuadros por segundo que pueden procesar. Observando los resultados, atendiendo a los criterios de maximización de PSNR y minimización de la tasa de píxeles incorrectos, se puede elegir el algoritmo con mejor comportamiento. Como resultado, se ha implementado una herramienta que integra el sistema de estimación de mapas de disparidad y la utilidad de evaluación de resultados. Trabaja sobre una imagen, una secuencia o un vídeo estereoscópico. Para realizar la correspondencia, permite escoger entre un conjunto de algoritmos que han sido adaptados o modificados para soportar valores negativos de disparidad. Para la evaluación, se ha implementado la reconstrucción de la vista de referencia y la comparación con la original mediante el cálculo de la RMS y PSNR, como medidas de error, además de las tasas de píxeles inválidos e incorrectos y de la eficiencia en cuadros por segundo. Finalmente, se puede guardar las imágenes (o vídeos) generados como resultado, junto con un archivo de texto en formato csv con las estadísticas para su posterior comparación.

Redes de información y conocimiento climatológico en el mundo hispánico del siglo XVIII

Durante la Ilustración, el imperio español alcanzó su máxima amplitud y las instituciones oficiales incrementaron su apoyo a las ciencias. Para defender sus fronteras y ejercer con eficacia el poder político, económico y religioso, la Corona y la Iglesia necesitaban obtener información precisa --incluida la climatológica-- de las posesiones españolas y de los pobladores de éstas. Fueron varios los procedimientos empleados para ello: sistema de cuestionarios y relaciones geográficas, estudios medico-topográficos, visitas e inspecciones oficiales, expediciones político-científicas, correspondencia epistolar, artículos periodísticos, etc. Dichos procedimientos fueron aplicados por redes de informadores cuyas actuaciones se basaban en la división del trabajo, el reparto de colaboradores en diferentes lugares, el uso de códigos de comunicación comprensibles, el envío de los resultados a los superiores jerárquicos y la toma de decisiones por las autoridades competentes. Las redes de información estaban sometidas a dictámenes que normalizaban su creación y continuidad temporal, daban forma a su estructura interna, especificaban sus cometidos y obligaban a cumplir protocolos y plazos. En su seno se idearon planes de investigación integrados en el estudio general de la Tierra, el ser humano y la cultura. El beneficio de las actuaciones de sus miembros se plasmó en cubrir grandes ámbitos geográficos con el consiguiente ahorro de tiempo, esfuerzos y medios. En sus correspondientes contextos, los miembros de las redes efectuaron estudios climatológicos conforme a intereses, imposiciones y circunstancias específicas. Así, los médicos se interesaron por las condiciones climáticas que influían en la salud humana; los funcionarios reales y los ingenieros militares describieron los climas locales y regionales aptos para el fomento y el control político, jurídico y educativo de los habitantes de los territorios hispánicos; los expedicionarios estudiaron las interacciones entre los fenómenos naturales y las influencias de los accidentes geográficos en los climas; los clérigos se interesaron por los aspectos estéticos, apologéticos y contemplativos de los climas; finalmente, en la prensa de la época se publicaron registros meteorológicos periódicos y trabajos climatológicos varios. En definitiva, el saber climatológico en el mundo hispánico ilustrado aportó algunos rasgos esenciales a la climatología en una etapa pre-fundacional de esta disciplina. Dichos rasgos se desarrollaron generalmente en una escala local o regional y se refirieron a los siguientes asuntos: el calor como principal agente de las modificaciones atmosféricas, de la formación de vapor acuoso y de las precipitaciones; la influencia del suelo en el aumento de humedad y calor en el aire; el poder de los vientos para trasladar de un lugar a otro el frío o el calor, el vapor de agua, los fenómenos atmosféricos y los agentes responsables de las enfermedades contagiosas; las propiedades del aire atmosférico y su capacidad para interaccionar con el medio ambiente; la condición estática y repetitiva de los climas, si bien se admitió que dichos fenómenos podían sufrir modificaciones; la corroboración experimental de las diferencias climáticas entre las zonas tropicales y medias del planeta; la refutación de que la naturaleza americana y sus habitantes eran inferiores a los europeos; y la demostración de que los principios rectores de los fenómenos físicos del Viejo y el Nuevo Mundo eran idénticos. Desde el último tercio del siglo XVIII, los documentos producidos por los componentes de las redes de información incluyeron datos meteorológicos. Pero no siempre se emplearon los mismos instrumentos de medida ni se siguieron los mismos protocolos de indagación en idénticas condiciones. Además, y salvo excepciones, los períodos durante los cuales se recabaron datos atmosféricos fueron relativamente cortos, y los expertos no efectuaron las mismas operaciones aritméticas con los parámetros. Por esta razón, y por la orientación utilitaria de los ilustrados hispánicos, el saber climatológico no obtuvo en el período y en el ámbito geográfico considerados resultados teóricos apreciables; en cambio, dio lugar a una gran cantidad de actividades prácticas con aplicaciones a la medicina, la agricultura, la náutica, el fomento, la prevención de riesgos naturales, etc. La principal utilidad de este trabajo consiste en servir de complemento a los procedimientos actualmente en uso en historia de la hidrología y en climatología histórica. ABSTRACT During the Enlightenment, the Spanish Empire achieved its highest length and State institutions increased their support to sciences. In order to defend their frontiers and to exercise political, economical and religious power, the Crown and the Church needed exact information --including the climatologic one-- about its possessions and its habitants. Some of the procedures employed to get that objective were: system of questionnaires and geographic relations, medical-topographic studies, official visits and inspections, political-scientific expeditions, direct mail, journalistic articles, etc. Those procedures were applied by informers´ networks which obtained, manned and transmitted every kind of data about the natural and moral reality of the Hispanic territories; their actions were based on the division of tasks, the distribution of collaborators at several places, the use of understandable communication codes and the sending of results to the hierarchical superiors; after, the competent authorities took decisions. The information networks were subjected to rules witch regulated its creation, temporary continuity, interior structure, objectives, protocols and periods. Their memberships invented plans about the general research of the Earth, the human beings and the culture; and they contributed to get benefits because of covering large geographic frames and economizing time, effort and means. According to their specifics contexts, concerns, impositions and circumstances, the informers performed climatologic tasks. Thus, the physicians were interested in the climatic conditions which affected to human health; the royal officers and military engineers described the most propitious climates to patronage and political, lawful and educative control of inhabitants of Hispanic territories; the participants in politic-scientific expeditions studied the interactions among natural phenomena and the influence of geographic aspects on the climate; the clergymen underlined the esthetic, apologetic and contemplative face of climates; finally, in the newspapers were published a lot of meteorological data and climatologic works. So, the climatologic knowledge in the Hispanic enlightened world added these essential aspects --referred in a local and regional area-- during the pre-foundational epoch of the climatology: the heat as first agent of atmospheric modifications, aqueous vapor and precipitations; the influx of the land in the increment of humidity and heat of the air; the power of the winds to convey the cold, the heat, the aqueous vapor, the atmospheric phenomena and the agents which caused contagious maladies; the properties of the air and its faculty to mediate with the environs; the static and repetitive condition of the climate and its possibility to experience change; the experimental confirmation of climatic varieties between tropical and central areas of the planet; the negation of the inferiority of the American nature and inhabitants; the demonstration about the equality of the rules which conducted physical phenomena in the Old and the New world. Since the last third part of the eighteenth century, the documents produced by the members of the networks included meteorological data. But the informers were not used to employ the same measure instruments and homogeneous protocols completion in the same conditions. Exceptions besides, the times of taking atmospheric data, usually were very short; and the experts did not carry out the same arithmetical operations with parameters. Because of this reason and the utilitarian guidance of the informers, during the Hispanic Enlightenment, it was not possible to obtain theoretic conclusions about climatologic knowledge; but there were a lot of practical activities applied to Medicine, Agriculture, Navigation, patronage, prevention of natural risks, etc. The main utility of this work consist in favoring the present procedures of the History of Hydrology and Historic Climatology.

A proposal for a modular and application-aware autonomic manager of private cloud infrastructures

Recientemente, el paradigma de la computación en la nube ha recibido mucho interés por parte tanto de la industria como del mundo académico. Las infraestructuras cloud públicas están posibilitando nuevos modelos de negocio y ayudando a reducir costes. Sin embargo, una compañía podría desear ubicar sus datos y servicios en sus propias instalaciones, o tener que atenerse a leyes de protección de datos. Estas circunstancias hacen a las infraestructuras cloud privadas ciertamente deseables, ya sea para complementar a las públicas o para sustituirlas por completo. Por desgracia, las carencias en materia de estándares han impedido que las soluciones para la gestión de infraestructuras privadas se hayan desarrollado adecuadamente. Además, la multitud de opciones disponibles ha creado en los clientes el miedo a depender de una tecnología concreta (technology lock-in). Una de las causas de este problema es la falta de alineación entre la investigación académica y los productos comerciales, ya que aquella está centrada en el estudio de escenarios idealizados sin correspondencia con el mundo real, mientras que éstos consisten en soluciones desarrolladas sin tener en cuenta cómo van a encajar con los estándares más comunes o sin preocuparse de hacer públicos sus resultados. Con objeto de resolver este problema, propongo un sistema de gestión modular para infraestructuras cloud privadas enfocado en tratar con las aplicaciones en lugar de centrarse únicamente en los recursos hardware. Este sistema de gestión sigue el paradigma de la computación autónoma y está diseñado en torno a un modelo de información sencillo, desarrollado para ser compatible con los estándares más comunes. Este modelo divide el entorno en dos vistas, que sirven para separar aquello que debe preocupar a cada actor involucrado del resto de información, pero al mismo tiempo permitiendo relacionar el entorno físico con las máquinas virtuales que se despliegan encima de él. En dicho modelo, las aplicaciones cloud están divididas en tres tipos genéricos (Servicios, Trabajos de Big Data y Reservas de Instancias), para que así el sistema de gestión pueda sacar partido de las características propias de cada tipo. El modelo de información está complementado por un conjunto de acciones de gestión atómicas, reversibles e independientes, que determinan las operaciones que se pueden llevar a cabo sobre el entorno y que es usado para hacer posible la escalabilidad en el entorno. También describo un motor de gestión encargado de, a partir del estado del entorno y usando el ya mencionado conjunto de acciones, la colocación de recursos. Está dividido en dos niveles: la capa de Gestores de Aplicación, encargada de tratar sólo con las aplicaciones; y la capa del Gestor de Infraestructura, responsable de los recursos físicos. Dicho motor de gestión obedece un ciclo de vida con dos fases, para así modelar mejor el comportamiento de una infraestructura real. El problema de la colocación de recursos es atacado durante una de las fases (la de consolidación) por un resolutor de programación entera, y durante la otra (la online) por un heurístico hecho ex-profeso. Varias pruebas han demostrado que este acercamiento combinado es superior a otras estrategias. Para terminar, el sistema de gestión está acoplado a arquitecturas de monitorización y de actuadores. Aquella estando encargada de recolectar información del entorno, y ésta siendo modular en su diseño y capaz de conectarse con varias tecnologías y ofrecer varios modos de acceso. ABSTRACT The cloud computing paradigm has raised in popularity within the industry and the academia. Public cloud infrastructures are enabling new business models and helping to reduce costs. However, the desire to host company’s data and services on premises, and the need to abide to data protection laws, make private cloud infrastructures desirable, either to complement or even fully substitute public oferings. Unfortunately, a lack of standardization has precluded private infrastructure management solutions to be developed to a certain level, and a myriad of diferent options have induced the fear of lock-in in customers. One of the causes of this problem is the misalignment between academic research and industry ofering, with the former focusing in studying idealized scenarios dissimilar from real-world situations, and the latter developing solutions without taking care about how they f t with common standards, or even not disseminating their results. With the aim to solve this problem I propose a modular management system for private cloud infrastructures that is focused on the applications instead of just the hardware resources. This management system follows the autonomic system paradigm, and is designed around a simple information model developed to be compatible with common standards. This model splits the environment in two views that serve to separate the concerns of the stakeholders while at the same time enabling the traceability between the physical environment and the virtual machines deployed onto it. In it, cloud applications are classifed in three broad types (Services, Big Data Jobs and Instance Reservations), in order for the management system to take advantage of each type’s features. The information model is paired with a set of atomic, reversible and independent management actions which determine the operations that can be performed over the environment and is used to realize the cloud environment’s scalability. From the environment’s state and using the aforementioned set of actions, I also describe a management engine tasked with the resource placement. It is divided in two tiers: the Application Managers layer, concerned just with applications; and the Infrastructure Manager layer, responsible of the actual physical resources. This management engine follows a lifecycle with two phases, to better model the behavior of a real infrastructure. The placement problem is tackled during one phase (consolidation) by using an integer programming solver, and during the other (online) with a custom heuristic. Tests have demonstrated that this combined approach is superior to other strategies. Finally, the management system is paired with monitoring and actuators architectures. The former able to collect the necessary information from the environment, and the later modular in design and capable of interfacing with several technologies and ofering several access interfaces.

Elaboración de una herramienta en Matlab para el análisis de las estrategias de estimación y compensación de movimiento empleadas en codificadores de vídeo

El presente trabajo parte con la intención de crear un entorno gráfico cómodo y amigable con el cual desarrollar la práctica relacionada con el estudio de las estrategias de estimación y compensación de movimiento aplicadas en los estándares de codificación de vídeo, y que forma parte de la asignatura “Televisión” de 4º de grado. Hasta ahora, se viene utilizado un entorno conocido como Cantata, proporcionado por Khoros, basado en la conexión de estructuras denominadas glifos a través de las cuales circula un flujo de datos (en nuestro caso, relacionado con el tratamiento de imágenes y vídeo). El presente trabajo adapta dicha estructura a las posibilidades gráficas de Matlab, incorporando, además, funcionalidades adicionales. En primer lugar, se expondrán los métodos de estimación y compensación que han sido programados en la herramienta desarrollada, así como las ventajas e inconvenientes asociados a cada uno de ellos. Dichos métodos de estimación y compensación de movimiento tratan de reducir la información a transmitir aprovechando la redundancia temporal presente entre las imágenes de una secuencia. El objetivo será establecer una correspondencia entre dos imágenes de una secuencia entre las que se ha producido un movimiento, calculando un conjunto de vectores en que representan dicho movimiento. Acto seguido, se describirán las claves de la interfaz gráfica desarrollada. En primer lugar se definirá el entorno gráfico habilitado por Khoros en el cual se ha desarrollado hasta ahora la práctica ya mencionada. Más tarde, introduciremos los aspectos más importantes para la creación de interfaces gráficas en Matlab, y se describirá brevemente una interfaz gráfica desarrollada anteriormente en el Grupo de Tratamiento de Imágenes (GTI) que ha sido tomada como referencia para el presente trabajo. Una vez presentado el entorno gráfico se describirán detalladamente los módulos elaborados para llevar a cabo la estimación y compensación de movimiento, además de otras funciones relacionadas con el tratamiento de imágenes y vídeo y la visualización de resultados. Por último, se propone un nuevo enunciado para la citada práctica, adaptado a la herramienta desarrollada y respetando, hasta donde ha sido posible, la estructura y objetivos docentes del enunciado original.

Polymer interaction with macroscopic carbon nanotube fibres and fabrication of nanostructured composites

El ensamblado de nanotubos de carbono (CNT) como una fibra macroscópica en la cual están orientados preferentemente paralelos entre sí y al eje de la fibra, ha dado como resultado un nuevo tipo de fibra de altas prestaciones derivadas de la explotación eficiente de las propiedades axiales de los CNTs, y que tiene un gran número de aplicaciones potenciales. Fibras continuas de CNTs se produjeron en el Instituto IMDEA Materiales mediante el proceso de hilado directo durante la reacción de síntesis por deposición química de vapores. Uno de los objetivos de esta tesis es el estudio de la estructura de estas fibras mediante técnicas del estado del arte de difracción de rayos X de sincrotrón y la elaboración de un modelo estructural de dicho material. Mediciones texturales de adsorción de gases, análisis de micrografías de electrones y dispersión de rayos X de ángulo alto y bajo (WAXS/SAXS) indican que el material tiene una estructura mesoporosa con una distribución de tamaño de poros ancha derivada del amplio rango de separaciones entre manojos de CNTs, así como una superficie específica de 170m2/g. Los valores de dimensión fractal obtenidos mediante SAXS y análisis Barrett-Joyner-Halenda (BJH) de mediciones texturales coinciden en 2.4 y 2.5, respectivamente, resaltando el carácter de red de la estructura de dichas fibras. La estructura mesoporosa y tipo hilo de las fibra de CNT es accesible a la infiltración de moléculas externas (líquidos o polímeros). En este trabajo se estudian los cambios en la estructura multiescala de las fibras de CNTs al interactuar con líquidos y polímeros. Los efectos de la densificación en la estructura de fibras secas de CNT son estudiados mediante WAXS/SAXS. El tratamiento de densificación junta los manojos de la fibra (los poros disminuyen de tamaño), resultando en un incremento de la densidad de la fibra. Sin embargo, los dominios estructurales correspondientes a la transferencia de esfuerzo mecánica y carga eléctrica en los nanotubos no son afectados durante este proceso de densificación; como consecuencia no se produce un efecto sustancial en las propiedades mecánicas y eléctricas. Mediciones de SAXS and fibra de CNT antes y después de infiltración de líquidos confirman la penetración de una gran cantidad de líquidos que llena los poros internos de la fibra pero no se intercalan entre capas de nanotubos adyacentes. La infiltración de cadenas poliméricas de bajo peso molecular tiende a expandir los manojos en la fibra e incrementar el ángulo de apertura de los poros. Los resultados de SAXS indican que la estructura interna de la fibra en términos de la organización de las capas de tubos y su orientación no es afectada cuando las muestras consisten en fibras infiltradas con polímeros de alto peso molecular. La cristalización de varios polímeros semicristalinos es acelerada por la presencia de fibras de CNTs alineados y produce el crecimiento de una capa transcristalina normal a la superficie de la fibra. Esto es observado directamente mediante microscopía óptica polarizada, y detectado mediante calorimetría DSC. Las lamelas en la capa transcristalina tienen orientación de la cadena polimérica paralela a la fibra y por lo tanto a los nanotubos, de acuerdo con los patrones de WAXS. Esta orientación preferencial se sugiere como parte de la fuerza impulsora en la nucleación. La nucleación del dominio cristalino polimérico en la superficie de los CNT no es epitaxial. Ocurre sin haber correspondencia entre las estructuras cristalinas del polímero y los nanotubos. Estas observaciones contribuyen a la compresión del fenómeno de nucleación en CNTs y otros nanocarbonos, y sientan las bases para el desarrollo de composites poliméricos de gran escala basados en fibra larga de CNTs alineados. ABSTRACT The assembly of carbon nanotubes into a macroscopic fibre material where they are preferentially aligned parallel to each other and to the fibre axis has resulted in a new class of high-performance fibres, which efficiently exploits the axial properties of the building blocks and has numerous applications. Long, continuous CNT fibres were produced in IMDEA Materials Institute by direct fibre spinning from a chemical vapour deposition reaction. These fibres have a complex hierarchical structure covering multiple length scales. One objective of this thesis is to reveal this structure by means of state-of-the-art techniques such as synchrotron X-ray diffraction, and to build a model to link the fibre structural elements. Texture and gas absorption measurements, using electron microscopy, wide angle and small angle X-ray scattering (WAXS/SAXS), and pore size distribution analysis by Barrett-Joyner-Halenda (BJH), indicate that the material has a mesoporous structure with a wide pore size distribution arising from the range of fibre bundle separation, and a high surface area _170m2/g. Fractal dimension values of 2.4_2.5 obtained from the SAXS and BJH measurements highlight the network structure of the fibre. Mesoporous and yarn-like structure of CNT fibres make them accessible to the infiltration of foreign molecules (liquid or polymer). This work studies multiscale structural changes when CNT fibres interact with liquids and polymers. The effects of densification on the structure of dry CNT fibres were measured by WAXS/SAXS. The densification treatment brings the fibre bundles closer (pores become smaller), leading to an increase in fibre density. However, structural domains made of the load and charge carrying nanotubes are not affected; consequently, it has no substantial effect on mechanical and electrical properties. SAXS measurements on the CNT fibres before and after liquid infiltration imply that most liquids are able to fill the internal pores but not to intercalate between nanotubes. Successful infiltration of low molecular weight polymer chains tends to expand the fibre bundles and increases the pore-opening angle. SAXS results indicate that the inner structure of the fibre, in terms of the nanotube layer arrangement and the fibre alignment, are not largely affected when infiltrated with polymers of relatively high molecular weight. The crystallisation of a variety of semicrystalline polymers is accelerated by the presence of aligned fibres of CNTs and results in the growth of a transcrystalline layer perpendicular to the fibre surface. This can be observed directly under polarised optical microscope, and detected by the exothermic peaks during differential scanning calorimetry. The discussion on the driving forces for the enhanced nucleation points out the preferential chain orientation of polymer lamella with the chain axis parallel to the fibre and thus to the nanotubes, which is confirmed by two-dimensional WAXS patterns. A non-epitaxial polymer crystal growth habit at the CNT-polymer interface is proposed, which is independent of lattice matching between the polymer and nanotubes. These findings contribute to the discussion on polymer nucleation on CNTs and other nanocarbons, and their implication for the development of large polymer composites based on long and aligned fibres of CNTs.

Development and implementation of an air quality integrated assessment modelling system for the Iberian Peninsula

La mejora de la calidad del aire es una tarea eminentemente interdisciplinaria. Dada la gran variedad de ciencias y partes involucradas, dicha mejora requiere de herramientas de evaluación simples y completamente integradas. La modelización para la evaluación integrada (integrated assessment modeling) ha demostrado ser una solución adecuada para la descripción de los sistemas de contaminación atmosférica puesto que considera cada una de las etapas involucradas: emisiones, química y dispersión atmosférica, impactos ambientales asociados y potencial de disminución. Varios modelos de evaluación integrada ya están disponibles a escala continental, cubriendo cada una de las etapas antesmencionadas, siendo el modelo GAINS (Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies) el más reconocido y usado en el contexto europeo de toma de decisiones medioambientales. Sin embargo, el manejo de la calidad del aire a escala nacional/regional dentro del marco de la evaluación integrada es deseable. Esto sin embargo, no se lleva a cabo de manera satisfactoria con modelos a escala europea debido a la falta de resolución espacial o de detalle en los datos auxiliares, principalmente los inventarios de emisión y los patrones meteorológicos, entre otros. El objetivo de esta tesis es presentar los desarrollos en el diseño y aplicación de un modelo de evaluación integrada especialmente concebido para España y Portugal. El modelo AERIS (Atmospheric Evaluation and Research Integrated system for Spain) es capaz de cuantificar perfiles de concentración para varios contaminantes (NO2, SO2, PM10, PM2,5, NH3 y O3), el depósito atmosférico de especies de azufre y nitrógeno así como sus impactos en cultivos, vegetación, ecosistemas y salud como respuesta a cambios porcentuales en las emisiones de sectores relevantes. La versión actual de AERIS considera 20 sectores de emisión, ya sea equivalentes a sectores individuales SNAP o macrosectores, cuya contribución a los niveles de calidad del aire, depósito e impactos han sido modelados a través de matrices fuentereceptor (SRMs). Estas matrices son constantes de proporcionalidad que relacionan cambios en emisiones con diferentes indicadores de calidad del aire y han sido obtenidas a través de parametrizaciones estadísticas de un modelo de calidad del aire (AQM). Para el caso concreto de AERIS, su modelo de calidad del aire “de origen” consistió en el modelo WRF para la meteorología y en el modelo CMAQ para los procesos químico-atmosféricos. La cuantificación del depósito atmosférico, de los impactos en ecosistemas, cultivos, vegetación y salud humana se ha realizado siguiendo las metodologías estándar establecidas bajo los marcos internacionales de negociación, tales como CLRTAP. La estructura de programación está basada en MATLAB®, permitiendo gran compatibilidad con software típico de escritorio comoMicrosoft Excel® o ArcGIS®. En relación con los niveles de calidad del aire, AERIS es capaz de proveer datos de media anual y media mensual, así como el 19o valor horario más alto paraNO2, el 25o valor horario y el 4o valor diario más altos para SO2, el 36o valor diario más alto para PM10, el 26o valor octohorario más alto, SOMO35 y AOT40 para O3. En relación al depósito atmosférico, el depósito acumulado anual por unidad de area de especies de nitrógeno oxidado y reducido al igual que de azufre pueden ser determinados. Cuando los valores anteriormente mencionados se relacionan con características del dominio modelado tales como uso de suelo, cubiertas vegetales y forestales, censos poblacionales o estudios epidemiológicos, un gran número de impactos puede ser calculado. Centrándose en los impactos a ecosistemas y suelos, AERIS es capaz de estimar las superaciones de cargas críticas y las superaciones medias acumuladas para especies de nitrógeno y azufre. Los daños a bosques se calculan como una superación de los niveles críticos de NO2 y SO2 establecidos. Además, AERIS es capaz de cuantificar daños causados por O3 y SO2 en vid, maíz, patata, arroz, girasol, tabaco, tomate, sandía y trigo. Los impactos en salud humana han sido modelados como consecuencia de la exposición a PM2,5 y O3 y cuantificados como pérdidas en la esperanza de vida estadística e indicadores de mortalidad prematura. La exactitud del modelo de evaluación integrada ha sido contrastada estadísticamente con los resultados obtenidos por el modelo de calidad del aire convencional, exhibiendo en la mayoría de los casos un buen nivel de correspondencia. Debido a que la cuantificación de los impactos no es llevada a cabo directamente por el modelo de calidad del aire, un análisis de credibilidad ha sido realizado mediante la comparación de los resultados de AERIS con los de GAINS para un escenario de emisiones determinado. El análisis reveló un buen nivel de correspondencia en las medias y en las distribuciones probabilísticas de los conjuntos de datos. Las pruebas de verificación que fueron aplicadas a AERIS sugieren que los resultados son suficientemente consistentes para ser considerados como razonables y realistas. En conclusión, la principal motivación para la creación del modelo fue el producir una herramienta confiable y a la vez simple para el soporte de las partes involucradas en la toma de decisiones, de cara a analizar diferentes escenarios “y si” con un bajo coste computacional. La interacción con políticos y otros actores dictó encontrar un compromiso entre la complejidad del modeladomedioambiental con el carácter conciso de las políticas, siendo esto algo que AERIS refleja en sus estructuras conceptual y computacional. Finalmente, cabe decir que AERIS ha sido creado para su uso exclusivo dentro de un marco de evaluación y de ninguna manera debe ser considerado como un sustituto de los modelos de calidad del aire ordinarios. ABSTRACT Improving air quality is an eminently inter-disciplinary task. The wide variety of sciences and stakeholders that are involved call for having simple yet fully-integrated and reliable evaluation tools available. Integrated AssessmentModeling has proved to be a suitable solution for the description of air pollution systems due to the fact that it considers each of the involved stages: emissions, atmospheric chemistry, dispersion, environmental impacts and abatement potentials. Some integrated assessment models are available at European scale that cover each of the before mentioned stages, being the Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies (GAINS) model the most recognized and widely-used within a European policy-making context. However, addressing air quality at the national/regional scale under an integrated assessment framework is desirable. To do so, European-scale models do not provide enough spatial resolution or detail in their ancillary data sources, mainly emission inventories and local meteorology patterns as well as associated results. The objective of this dissertation is to present the developments in the design and application of an Integrated Assessment Model especially conceived for Spain and Portugal. The Atmospheric Evaluation and Research Integrated system for Spain (AERIS) is able to quantify concentration profiles for several pollutants (NO2, SO2, PM10, PM2.5, NH3 and O3), the atmospheric deposition of sulfur and nitrogen species and their related impacts on crops, vegetation, ecosystems and health as a response to percentual changes in the emissions of relevant sectors. The current version of AERIS considers 20 emission sectors, either corresponding to individual SNAP sectors or macrosectors, whose contribution to air quality levels, deposition and impacts have been modeled through the use of source-receptor matrices (SRMs). Thesematrices are proportionality constants that relate emission changes with different air quality indicators and have been derived through statistical parameterizations of an air qualitymodeling system (AQM). For the concrete case of AERIS, its parent AQM relied on the WRF model for meteorology and on the CMAQ model for atmospheric chemical processes. The quantification of atmospheric deposition, impacts on ecosystems, crops, vegetation and human health has been carried out following the standard methodologies established under international negotiation frameworks such as CLRTAP. The programming structure isMATLAB ® -based, allowing great compatibility with typical software such as Microsoft Excel ® or ArcGIS ® Regarding air quality levels, AERIS is able to provide mean annual andmean monthly concentration values, as well as the indicators established in Directive 2008/50/EC, namely the 19th highest hourly value for NO2, the 25th highest daily value and the 4th highest hourly value for SO2, the 36th highest daily value of PM10, the 26th highest maximum 8-hour daily value, SOMO35 and AOT40 for O3. Regarding atmospheric deposition, the annual accumulated deposition per unit of area of species of oxidized and reduced nitrogen as well as sulfur can be estimated. When relating the before mentioned values with specific characteristics of the modeling domain such as land use, forest and crops covers, population counts and epidemiological studies, a wide array of impacts can be calculated. When focusing on impacts on ecosystems and soils, AERIS is able to estimate critical load exceedances and accumulated average exceedances for nitrogen and sulfur species. Damage on forests is estimated as an exceedance of established critical levels of NO2 and SO2. Additionally, AERIS is able to quantify damage caused by O3 and SO2 on grapes, maize, potato, rice, sunflower, tobacco, tomato, watermelon and wheat. Impacts on human health aremodeled as a consequence of exposure to PM2.5 and O3 and quantified as losses in statistical life expectancy and premature mortality indicators. The accuracy of the IAM has been tested by statistically contrasting the obtained results with those yielded by the conventional AQM, exhibiting in most cases a good agreement level. Due to the fact that impacts cannot be directly produced by the AQM, a credibility analysis was carried out for the outputs of AERIS for a given emission scenario by comparing them through probability tests against the performance of GAINS for the same scenario. This analysis revealed a good correspondence in the mean behavior and the probabilistic distributions of the datasets. The verification tests that were applied to AERIS suggest that results are consistent enough to be credited as reasonable and realistic. In conclusion, the main reason thatmotivated the creation of this model was to produce a reliable yet simple screening tool that would provide decision and policy making support for different “what-if” scenarios at a low computing cost. The interaction with politicians and other stakeholders dictated that reconciling the complexity of modeling with the conciseness of policies should be reflected by AERIS in both, its conceptual and computational structures. It should be noted however, that AERIS has been created under a policy-driven framework and by no means should be considered as a substitute of the ordinary AQM.

Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.