Image processing methods for human brain connectivity analysis from in-vivo diffusion MRI

The structural connectivity of the brain is considered to encode species-wise and subject-wise patterns that will unlock large areas of understanding of the human brain. Currently, diffusion MRI of the living brain enables to map the microstructure of tissue, allowing to track the pathways of fiber bundles connecting the cortical regions across the brain. These bundles are summarized in a network representation called connectome that is analyzed using graph theory. The extraction of the connectome from diffusion MRI requires a large processing flow including image enhancement, reconstruction, segmentation, registration, diffusion tracking, etc. Although a concerted effort has been devoted to the definition of standard pipelines for the connectome extraction, it is still crucial to define quality assessment protocols of these workflows. The definition of quality control protocols is hindered by the complexity of the pipelines under test and the absolute lack of gold-standards for diffusion MRI data. Here we characterize the impact on structural connectivity workflows of the geometrical deformation typically shown by diffusion MRI data due to the inhomogeneity of magnetic susceptibility across the imaged object. We propose an evaluation framework to compare the existing methodologies to correct for these artifacts including whole-brain realistic phantoms. Additionally, we design and implement an image segmentation and registration method to avoid performing the correction task and to enable processing in the native space of diffusion data. We release PySDCev, an evaluation framework for the quality control of connectivity pipelines, specialized in the study of susceptibility-derived distortions. In this context, we propose Diffantom, a whole-brain phantom that provides a solution to the lack of gold-standard data. The three correction methodologies under comparison performed reasonably, and it is difficult to determine which method is more advisable. We demonstrate that susceptibility-derived correction is necessary to increase the sensitivity of connectivity pipelines, at the cost of specificity. Finally, with the registration and segmentation tool called regseg we demonstrate how the problem of susceptibility-derived distortion can be overcome allowing data to be used in their original coordinates. This is crucial to increase the sensitivity of the whole pipeline without any loss in specificity.

Análisis de la actividad neuronal y cerebral mediante técnicas de redes complejas

El cerebro humano es probablemente uno de los sistemas más complejos a los que nos enfrentamos en la actualidad, si bien es también uno de los más fascinantes. Sin embargo, la compresión de cómo el cerebro organiza su actividad para llevar a cabo tareas complejas es un problema plagado de restos y obstáculos. En sus inicios la neuroimagen y la electrofisiología tenían como objetivo la identificación de regiones asociadas a activaciones relacionadas con tareas especificas, o con patrones locales que variaban en el tiempo dada cierta actividad. Sin embargo, actualmente existe un consenso acerca de que la actividad cerebral tiene un carácter temporal multiescala y espacialmente extendido, lo que lleva a considerar el cerebro como una gran red de áreas cerebrales coordinadas, cuyas conexiones funcionales son continuamente creadas y destruidas. Hasta hace poco, el énfasis de los estudios de la actividad cerebral funcional se han centrado en la identidad de los nodos particulares que forman estas redes, y en la caracterización de métricas de conectividad entre ellos: la hipótesis subyacente es que cada nodo, que es una representación mas bien aproximada de una región cerebral dada, ofrece a una única contribución al total de la red. Por tanto, la neuroimagen funcional integra los dos ingredientes básicos de la neuropsicología: la localización de la función cognitiva en módulos cerebrales especializados y el rol de las fibras de conexión en la integración de dichos módulos. Sin embargo, recientemente, la estructura y la función cerebral han empezado a ser investigadas mediante la Ciencia de la Redes, una interpretación mecánico-estadística de una antigua rama de las matemáticas: La teoría de grafos. La Ciencia de las Redes permite dotar a las redes funcionales de una gran cantidad de propiedades cuantitativas (robustez, centralidad, eficiencia, ...), y así enriquecer el conjunto de elementos que describen objetivamente la estructura y la función cerebral a disposición de los neurocientíficos. La conexión entre la Ciencia de las Redes y la Neurociencia ha aportado nuevos puntos de vista en la comprensión de la intrincada anatomía del cerebro, y de cómo las patrones de actividad cerebral se pueden sincronizar para generar las denominadas redes funcionales cerebrales, el principal objeto de estudio de esta Tesis Doctoral. Dentro de este contexto, la complejidad emerge como el puente entre las propiedades topológicas y dinámicas de los sistemas biológicos y, específicamente, en la relación entre la organización y la dinámica de las redes funcionales cerebrales. Esta Tesis Doctoral es, en términos generales, un estudio de cómo la actividad cerebral puede ser entendida como el resultado de una red de un sistema dinámico íntimamente relacionado con los procesos que ocurren en el cerebro. Con este fin, he realizado cinco estudios que tienen en cuenta ambos aspectos de dichas redes funcionales: el topológico y el dinámico. De esta manera, la Tesis está dividida en tres grandes partes: Introducción, Resultados y Discusión. En la primera parte, que comprende los Capítulos 1, 2 y 3, se hace un resumen de los conceptos más importantes de la Ciencia de las Redes relacionados al análisis de imágenes cerebrales. Concretamente, el Capitulo 1 está dedicado a introducir al lector en el mundo de la complejidad, en especial, a la complejidad topológica y dinámica de sistemas acoplados en red. El Capítulo 2 tiene como objetivo desarrollar los fundamentos biológicos, estructurales y funcionales del cerebro, cuando éste es interpretado como una red compleja. En el Capítulo 3, se resumen los objetivos esenciales y tareas que serán desarrolladas a lo largo de la segunda parte de la Tesis. La segunda parte es el núcleo de la Tesis, ya que contiene los resultados obtenidos a lo largo de los últimos cuatro años. Esta parte está dividida en cinco Capítulos, que contienen una versión detallada de las publicaciones llevadas a cabo durante esta Tesis. El Capítulo 4 está relacionado con la topología de las redes funcionales y, específicamente, con la detección y cuantificación de los nodos mas importantes: aquellos denominados “hubs” de la red. En el Capítulo 5 se muestra como las redes funcionales cerebrales pueden ser vistas no como una única red, sino más bien como una red-de-redes donde sus componentes tienen que coexistir en una situación de balance funcional. De esta forma, se investiga cómo los hemisferios cerebrales compiten para adquirir centralidad en la red-de-redes, y cómo esta interacción se mantiene (o no) cuando se introducen fallos deliberadamente en la red funcional. El Capítulo 6 va un paso mas allá al considerar las redes funcionales como sistemas vivos. En este Capítulo se muestra cómo al analizar la evolución de la topología de las redes, en vez de tratarlas como si estas fueran un sistema estático, podemos caracterizar mejor su estructura. Este hecho es especialmente relevante cuando se quiere tratar de encontrar diferencias entre grupos que desempeñan una tarea de memoria, en la que las redes funcionales tienen fuertes fluctuaciones. En el Capítulo 7 defino cómo crear redes parenclíticas a partir de bases de datos de actividad cerebral. Este nuevo tipo de redes, recientemente introducido para estudiar las anormalidades entre grupos de control y grupos anómalos, no ha sido implementado nunca en datos cerebrales y, en este Capítulo explico cómo hacerlo cuando se quiere evaluar la consistencia de la dinámica cerebral. Para concluir esta parte de la Tesis, el Capítulo 8 se centra en la relación entre las propiedades topológicas de los nodos dentro de una red y sus características dinámicas. Como mostraré más adelante, existe una relación entre ellas que revela que la posición de un nodo dentro una red está íntimamente correlacionada con sus propiedades dinámicas. Finalmente, la última parte de esta Tesis Doctoral está compuesta únicamente por el Capítulo 9, el cual contiene las conclusiones y perspectivas futuras que pueden surgir de los trabajos expuestos. En vista de todo lo anterior, espero que esta Tesis aporte una perspectiva complementaria sobre uno de los más extraordinarios sistemas complejos frente a los que nos encontramos: El cerebro humano. ABSTRACT The human brain is probably one of the most complex systems we are facing, thus being a timely and fascinating object of study. Characterizing how the brain organizes its activity to carry out complex tasks is highly non-trivial. While early neuroimaging and electrophysiological studies typically aimed at identifying patches of task-specific activations or local time-varying patterns of activity, there has now been consensus that task-related brain activity has a temporally multiscale, spatially extended character, as networks of coordinated brain areas are continuously formed and destroyed. Up until recently, though, the emphasis of functional brain activity studies has been on the identity of the particular nodes forming these networks, and on the characterization of connectivity metrics between them, the underlying covert hypothesis being that each node, constituting a coarse-grained representation of a given brain region, provides a unique contribution to the whole. Thus, functional neuroimaging initially integrated the two basic ingredients of early neuropsychology: localization of cognitive function into specialized brain modules and the role of connection fibres in the integration of various modules. Lately, brain structure and function have started being investigated using Network Science, a statistical mechanics understanding of an old branch of pure mathematics: graph theory. Network Science allows endowing networks with a great number of quantitative properties, thus vastly enriching the set of objective descriptors of brain structure and function at neuroscientists’ disposal. The link between Network Science and Neuroscience has shed light about how the entangled anatomy of the brain is, and how cortical activations may synchronize to generate the so-called functional brain networks, the principal object under study along this PhD Thesis. Within this context, complexity appears to be the bridge between the topological and dynamical properties of biological systems and, more specifically, the interplay between the organization and dynamics of functional brain networks. This PhD Thesis is, in general terms, a study of how cortical activations can be understood as the output of a network of dynamical systems that are intimately related with the processes occurring in the brain. In order to do that, I performed five studies that encompass both the topological and the dynamical aspects of such functional brain networks. In this way, the Thesis is divided into three major parts: Introduction, Results and Discussion. In the first part, comprising Chapters 1, 2 and 3, I make an overview of the main concepts of Network Science related to the analysis of brain imaging. More specifically, Chapter 1 is devoted to introducing the reader to the world of complexity, specially to the topological and dynamical complexity of networked systems. Chapter 2 aims to develop the biological, topological and functional fundamentals of the brain when it is seen as a complex network. Next, Chapter 3 summarizes the main objectives and tasks that will be developed along the forthcoming Chapters. The second part of the Thesis is, in turn, its core, since it contains the results obtained along these last four years. This part is divided into five Chapters, containing a detailed version of the publications carried out during the Thesis. Chapter 4 is related to the topology of functional networks and, more specifically, to the detection and quantification of the leading nodes of the network: the hubs. In Chapter 5 I will show that functional brain networks can be viewed not as a single network, but as a network-of-networks, where its components have to co-exist in a trade-off situation. In this way, I investigate how the brain hemispheres compete for acquiring the centrality of the network-of-networks and how this interplay is maintained (or not) when failures are introduced in the functional network. Chapter 6 goes one step beyond by considering functional networks as living systems. In this Chapter I show how analyzing the evolution of the network topology instead of treating it as a static system allows to better characterize functional networks. This fact is especially relevant when trying to find differences between groups performing certain memory tasks, where functional networks have strong fluctuations. In Chapter 7 I define how to create parenclitic networks from brain imaging datasets. This new kind of networks, recently introduced to study abnormalities between control and anomalous groups, have not been implemented with brain datasets and I explain in this Chapter how to do it when evaluating the consistency of brain dynamics. To conclude with this part of the Thesis, Chapter 8 is devoted to the interplay between the topological properties of the nodes within a network and their dynamical features. As I will show, there is an interplay between them which reveals that the position of a node in a network is intimately related with its dynamical properties. Finally, the last part of this PhD Thesis is composed only by Chapter 9, which contains the conclusions and future perspectives that may arise from the exposed results. In view of all, I hope that reading this Thesis will give a complementary perspective of one of the most extraordinary complex systems: The human brain.

Método para la Construcción Automática de Ontologías Basado en Patrones Lingüísticos

La tesis que se presenta tiene como propósito la construcción automática de ontologías a partir de textos, enmarcándose en el área denominada Ontology Learning. Esta disciplina tiene como objetivo automatizar la elaboración de modelos de dominio a partir de fuentes información estructurada o no estructurada, y tuvo su origen con el comienzo del milenio, a raíz del crecimiento exponencial del volumen de información accesible en Internet. Debido a que la mayoría de información se presenta en la web en forma de texto, el aprendizaje automático de ontologías se ha centrado en el análisis de este tipo de fuente, nutriéndose a lo largo de los años de técnicas muy diversas provenientes de áreas como la Recuperación de Información, Extracción de Información, Sumarización y, en general, de áreas relacionadas con el procesamiento del lenguaje natural. La principal contribución de esta tesis consiste en que, a diferencia de la mayoría de las técnicas actuales, el método que se propone no analiza la estructura sintáctica superficial del lenguaje, sino que estudia su nivel semántico profundo. Su objetivo, por tanto, es tratar de deducir el modelo del dominio a partir de la forma con la que se articulan los significados de las oraciones en lenguaje natural. Debido a que el nivel semántico profundo es independiente de la lengua, el método permitirá operar en escenarios multilingües, en los que es necesario combinar información proveniente de textos en diferentes idiomas. Para acceder a este nivel del lenguaje, el método utiliza el modelo de las interlinguas. Estos formalismos, provenientes del área de la traducción automática, permiten representar el significado de las oraciones de forma independiente de la lengua. Se utilizará en concreto UNL (Universal Networking Language), considerado como la única interlingua de propósito general que está normalizada. La aproximación utilizada en esta tesis supone la continuación de trabajos previos realizados tanto por su autor como por el equipo de investigación del que forma parte, en los que se estudió cómo utilizar el modelo de las interlinguas en las áreas de extracción y recuperación de información multilingüe. Básicamente, el procedimiento definido en el método trata de identificar, en la representación UNL de los textos, ciertas regularidades que permiten deducir las piezas de la ontología del dominio. Debido a que UNL es un formalismo basado en redes semánticas, estas regularidades se presentan en forma de grafos, generalizándose en estructuras denominadas patrones lingüísticos. Por otra parte, UNL aún conserva ciertos mecanismos de cohesión del discurso procedentes de los lenguajes naturales, como el fenómeno de la anáfora. Con el fin de aumentar la efectividad en la comprensión de las expresiones, el método provee, como otra contribución relevante, la definición de un algoritmo para la resolución de la anáfora pronominal circunscrita al modelo de la interlingua, limitada al caso de pronombres personales de tercera persona cuando su antecedente es un nombre propio. El método propuesto se sustenta en la definición de un marco formal, que ha debido elaborarse adaptando ciertas definiciones provenientes de la teoría de grafos e incorporando otras nuevas, con el objetivo de ubicar las nociones de expresión UNL, patrón lingüístico y las operaciones de encaje de patrones, que son la base de los procesos del método. Tanto el marco formal como todos los procesos que define el método se han implementado con el fin de realizar la experimentación, aplicándose sobre un artículo de la colección EOLSS “Encyclopedia of Life Support Systems” de la UNESCO. ABSTRACT The purpose of this thesis is the automatic construction of ontologies from texts. This thesis is set within the area of Ontology Learning. This discipline aims to automatize domain models from structured or unstructured information sources, and had its origin with the beginning of the millennium, as a result of the exponential growth in the volume of information accessible on the Internet. Since most information is presented on the web in the form of text, the automatic ontology learning is focused on the analysis of this type of source, nourished over the years by very different techniques from areas such as Information Retrieval, Information Extraction, Summarization and, in general, by areas related to natural language processing. The main contribution of this thesis consists of, in contrast with the majority of current techniques, the fact that the method proposed does not analyze the syntactic surface structure of the language, but explores his deep semantic level. Its objective, therefore, is trying to infer the domain model from the way the meanings of the sentences are articulated in natural language. Since the deep semantic level does not depend on the language, the method will allow to operate in multilingual scenarios, where it is necessary to combine information from texts in different languages. To access to this level of the language, the method uses the interlingua model. These formalisms, coming from the area of machine translation, allow to represent the meaning of the sentences independently of the language. In this particular case, UNL (Universal Networking Language) will be used, which considered to be the only interlingua of general purpose that is standardized. The approach used in this thesis corresponds to the continuation of previous works carried out both by the author of this thesis and by the research group of which he is part, in which it is studied how to use the interlingua model in the areas of multilingual information extraction and retrieval. Basically, the procedure defined in the method tries to identify certain regularities at the UNL representation of texts that allow the deduction of the parts of the ontology of the domain. Since UNL is a formalism based on semantic networks, these regularities are presented in the form of graphs, generalizing in structures called linguistic patterns. On the other hand, UNL still preserves certain mechanisms of discourse cohesion from natural languages, such as the phenomenon of the anaphora. In order to increase the effectiveness in the understanding of expressions, the method provides, as another significant contribution, the definition of an algorithm for the resolution of pronominal anaphora limited to the model of the interlingua, in the case of third person personal pronouns when its antecedent is a proper noun. The proposed method is based on the definition of a formal framework, adapting some definitions from Graph Theory and incorporating new ones, in order to locate the notions of UNL expression and linguistic pattern, as well as the operations of pattern matching, which are the basis of the method processes. Both the formal framework and all the processes that define the method have been implemented in order to carry out the experimentation, applying on an article of the "Encyclopedia of Life Support Systems" of the UNESCO-EOLSS collection.

El proyecto de vivienda como laboratorio de estrategias para Sejima y Nishizawa de 1987 a 2010

Como indica el título, esta tesis plantea el estudio de la arquitectura doméstica elaborada por los arquitectos japoneses Kazuyo Sejima y Ryue Nishizawa. Más concretamente, la investigación se ciñe a un conjunto integrado por veinticinco casas que los arquitectos proyectaron entre 1987, momento en el que Sejima establece su propia oficina, y 2010, fecha en la que el reconocimiento del trabajo que ambos venían desarrollando queda certificado a nivel internacional, ya que ese año son galardonados con el premio Pritzker y comisarían la Bienal deVenecia. Del estudio conjunto y sistemático de estos proyectos, y de sus distintas versiones se espera poder obtener una serie de criterios exegéticos que permitan comprenderlos y explicarlos mejor, relacionándolos entre sí de manera coherente. A estos criterios es a lo que hemos denominado estrategias. En el momento en el que se inicia esta investigación se detectó un vacío editorial respecto al tema tratado, apenas había textos, propios o ajenos que abordaran esta faceta de la obra de Sejima y Nishizawa en profundidad. No en vano, algunos críticos han acuñado el apelativo de "arquitectos sin palabras" para referirse, tanto a ellos como a la generación de arquitectos que la pareja encabeza, dando a entender que se trata de una arquitectura carente de explicación.1 Sin embargo, esta investigación sostiene que el hecho de que los arquitectos no hablen en exceso de su obra y mantengan una actitud centrada en desarrollar de forma práctica su trabajo no quiere decir que prescindan de realizar operaciones compositivas altamente idealizadas y abstractas, refrendadas por un marco cultural y teórico que se pueda describir. Tras recopilar, ordenar y analizar un número lo suficientemente amplio como para ser significativo de las manifestaciones verbales que los arquitectos han realizado a lo largo del periodo estudiado, se ha observado que de entre todos los términos que los dos socios que integran SANAA emplean para describir sus proyectos, uno de los más relevantes y quizás también el más general resulta la palabra “sistema”.2 El modo en el que ambos describen los principios de su arquitectura, diferenciando entre los componentes del programa, y las relaciones que se establecen entre éstos, y entre ellos y el exterior permiten sostener que no se trata de un uso accidental término. Paralelamente, al mismo tiempo que se indaga sobre el corpus intelectual de esta teoría se intenta detallar las circunstancias que favorecieron tal trasvase de ideas entre Occidente y Japón y como acabaron llegando al ámbito de estos arquitectos. Al amparo de este marco teórico y tras redibujar las viviendas documentadas, se intentará describir los rasgos de la estructura material de las viviendas analizadas, así como cartografiar los patrones organizativos que las caracterizan. Para ello se empleará el rigor instrumental que aporta la teoría de grafos como método habitual para la representación, estudio y caracterización de sistemas. Los resultados de la investigación evidencian que hay una serie de estrategias — tanto materiales como organizativas— que enunciadas en sus primeros proyectos se van desarrollando en obras posteriores, conformado sistemas que están paulatinamente más organizados. Y que llegado un punto en la trayectoria de estos arquitectos, se observa que tales estrategias, se van superponiendo de distinta forma en diversos proyectos, por lo que es posible agruparlos y hablar de ellos atendiendo a características comunes. Finalmente, el estudio concluye que tanto a nivel material como reladonal, bien podría decirse que en el periodo estudiado, las estrategias empleadas por Sejima y Nishizawa para elaborar su arquitectura doméstica persiguen un objetivo común que se fundamenta en la elaboración de planteamientos sintéticos que les permiten explorar y responder creativamente ante las disyuntivas previamente establecidas, precisamente explotando el potencial de las paradojas que las originan. ABSTRACT As the title suggest itself, this thesis deals about the study of domestic architecture developed by Japanese architects Kazuyo Sejima and Ryue Nishizawa. More specifically, research focus its attention on a group of twenty five houses that both architects projected from 1987, when Sejima establishes her own practice, and 2010, as the moment in which their work obtains international acknowledgment, since this year they are awarded the Pritzker prize and cúrate the Venice Biennale. From the combined and systematic study of all these projects, and their different versions are expected to obtain a series of exegetical criteria to relate to each other, understand and explain better. These criteria are what we cali strategies. By the time when this research began, an editorial emptiness about the treaty issue was detected; there were barely texts that addressed this aspect of the work of Sejima and Nishizawa in depth, neither the ones written by the architects themselves ñor by other authors. Some critics have coined the ñame "wordless generation" to refer to both them as to the generation of architects that the couple leads, implying that it is an architecture devoid of explanation.3 However, this study argües that the fact that architects do not speak too much about his work and keep themselves focused on developing practical work attitude does not mean that dispense perform highly idealized and abstract compositional operations, fueled by a frame cultural and theoretical that can be described. After collect, sort and analyze a large enough number of verbal statements done by the architects about their work as to be meaningful, it was observed that of all the terms that the two partners that intégrate SANAA used to describe their projects, one of the most important and, perhaps one of the most general, is the word "system".4 The way in which both describe the principies of their architecture distinguishing between program components and the relationships established between them, and between them and the outside allow us the view that it is not accidental use of a term. Similarly, while it investigates the intellectual corpus of this theory it attempts to explain some of the circumstances that favored such transfer of ideas between the West and Japan and how eventually reaching the scope of these architects. Under this framework and after redraw the documented houses we attempt to describe the characteristics of the material structure of the projects tested, as well as mapping the organizational patterns that characterize them. For this, we use the instrumental rigor that brings graph theory, as a regular method of representation, study and characterization of systems used. The research results show that there are a number of strategies -both material and organizational level- that once they are set out in its first projects are developed in later works. Bringing up systems that are gradually more and more organized. And at one point in the career of these architects, such strategies are observed, they are superimposed differently on various projects, making it possible to group them and discuss them according to common characteristics. Finally, the study condueles that both materially and organizational it could be said that in the period studied, the strategies employed by Sejima and Nishizawa to develop its domestic architecture pursue a common goal, which is based on the development of synthetic approaches that allow them explore and respond creatively to the previously established dilemmas precisely exploiting the paradoxical potential that originates them.

An approach to automatic learning assessment based on the computational theory of perceptions

E-learning systems output a huge quantity of data on a learning process. However, it takes a lot of specialist human resources to manually process these data and generate an assessment report. Additionally, for formative assessment, the report should state the attainment level of the learning goals defined by the instructor. This paper describes the use of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of an assessment report. GLMP is based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions. This technique is useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules. Apart from the grade, the model also generates a detailed natural language progress report on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. This is illustrated by applying the model to the assessment of Dijkstra’s algorithm learning using a visual simulation-based graph algorithm learning environment, called GRAPHs

Uniformly Reweighted Belief Propagation: A Factor Graph Approach

Tree-reweighted belief propagation is a message passing method that has certain advantages compared to traditional belief propagation (BP). However, it fails to outperform BP in a consistent manner, does not lend itself well to distributed implementation, and has not been applied to distributions with higher-order interactions. We propose a method called uniformly-reweighted belief propagation that mitigates these drawbacks. After having shown in previous works that this method can substantially outperform BP in distributed inference with pairwise interaction models, in this paper we extend it to higher-order interactions and apply it to LDPC decoding, leading performance gains over BP.

Application of Decision Theory methods for a Community of Madrid Soil classification case

A land classification method was designed for the Community of Madrid (CM), which has lands suitable for either agriculture use or natural spaces. The process started from an extensive previous CM study that contains sets of land attributes with data for 122 types and a minimum-requirements method providing a land quality classification (SQ) for each land. Borrowing some tools from Operations Research (OR) and from Decision Science, that SQ has been complemented by an additive valuation method that involves a more restricted set of 13 representative attributes analysed using Attribute Valuation Functions to obtain a quality index, QI, and by an original composite method that uses a fuzzy set procedure to obtain a combined quality index, CQI, that contains relevant information from both the SQ and the QI methods.

See-and-avoid quadcopter using fuzzy control optimized by cross-entropy

In this work we present an optimized fuzzy visual servoing system for obstacle avoidance using an unmanned aerial vehicle. The cross-entropy theory is used to optimise the gains of our controllers. The optimization process was made using the ROS-Gazebo 3D simulation with purposeful extensions developed for our experiments. Visual servoing is achieved through an image processing front-end that uses the Camshift algorithm to detect and track objects in the scene. Experimental flight trials using a small quadrotor were performed to validate the parameters estimated from simulation. The integration of crossentropy methods is a straightforward way to estimate optimal gains achieving excellent results when tested in real flights.

Especificaciones eMathTeacher, creación del Modelo Granular Lingüístico de la evaluación del aprendizaje humano, y diseño de sistemas que implementan estos conceptos

El concepto de algoritmo es básico en informática, por lo que es crucial que los alumnos profundicen en él desde el inicio de su formación. Por tanto, contar con una herramienta que guíe a los estudiantes en su aprendizaje puede suponer una gran ayuda en su formación. La mayoría de los autores coinciden en que, para determinar la eficacia de una herramienta de visualización de algoritmos, es esencial cómo se utiliza. Así, los estudiantes que participan activamente en la visualización superan claramente a los que la contemplan de forma pasiva. Por ello, pensamos que uno de los mejores ejercicios para un alumno consiste en simular la ejecución del algoritmo que desea aprender mediante el uso de una herramienta de visualización, i. e. consiste en realizar una simulación visual de dicho algoritmo. La primera parte de esta tesis presenta los resultados de una profunda investigación sobre las características que debe reunir una herramienta de ayuda al aprendizaje de algoritmos y conceptos matemáticos para optimizar su efectividad: el conjunto de especificaciones eMathTeacher, además de un entorno de aprendizaje que integra herramientas que las cumplen: GRAPHs. Hemos estudiado cuáles son las cualidades esenciales para potenciar la eficacia de un sistema e-learning de este tipo. Esto nos ha llevado a la definición del concepto eMathTeacher, que se ha materializado en el conjunto de especificaciones eMathTeacher. Una herramienta e-learning cumple las especificaciones eMathTeacher si actúa como un profesor virtual de matemáticas, i. e. si es una herramienta de autoevaluación que ayuda a los alumnos a aprender de forma activa y autónoma conceptos o algoritmos matemáticos, corrigiendo sus errores y proporcionando pistas para encontrar la respuesta correcta, pero sin dársela explícitamente. En estas herramientas, la simulación del algoritmo no continúa hasta que el usuario introduce la respuesta correcta. Para poder reunir en un único entorno una colección de herramientas que cumplan las especificaciones eMathTeacher hemos creado GRAPHs, un entorno ampliable, basado en simulación visual, diseñado para el aprendizaje activo e independiente de los algoritmos de grafos y creado para que en él se integren simuladores de diferentes algoritmos. Además de las opciones de creación y edición del grafo y la visualización de los cambios producidos en él durante la simulación, el entorno incluye corrección paso a paso, animación del pseudocódigo del algoritmo, preguntas emergentes, manejo de las estructuras de datos del algoritmo y creación de un log de interacción en XML. Otro problema que nos planteamos en este trabajo, por su importancia en el proceso de aprendizaje, es el de la evaluación formativa. El uso de ciertos entornos e-learning genera gran cantidad de datos que deben ser interpretados para llegar a una evaluación que no se limite a un recuento de errores. Esto incluye el establecimiento de relaciones entre los datos disponibles y la generación de descripciones lingüísticas que informen al alumno sobre la evolución de su aprendizaje. Hasta ahora sólo un experto humano era capaz de hacer este tipo de evaluación. Nuestro objetivo ha sido crear un modelo computacional que simule el razonamiento del profesor y genere un informe sobre la evolución del aprendizaje que especifique el nivel de logro de cada uno de los objetivos definidos por el profesor. Como resultado del trabajo realizado, la segunda parte de esta tesis presenta el modelo granular lingüístico de la evaluación del aprendizaje, capaz de modelizar la evaluación y generar automáticamente informes de evaluación formativa. Este modelo es una particularización del modelo granular lingüístico de un fenómeno (GLMP), en cuyo desarrollo y formalización colaboramos, basado en la lógica borrosa y en la teoría computacional de las percepciones. Esta técnica, que utiliza sistemas de inferencia basados en reglas lingüísticas y es capaz de implementar criterios de evaluación complejos, se ha aplicado a dos casos: la evaluación, basada en criterios, de logs de interacción generados por GRAPHs y de cuestionarios de Moodle. Como consecuencia, se han implementado, probado y utilizado en el aula sistemas expertos que evalúan ambos tipos de ejercicios. Además de la calificación numérica, los sistemas generan informes de evaluación, en lenguaje natural, sobre los niveles de competencia alcanzados, usando sólo datos objetivos de respuestas correctas e incorrectas. Además, se han desarrollado dos aplicaciones capaces de ser configuradas para implementar los sistemas expertos mencionados. Una procesa los archivos producidos por GRAPHs y la otra, integrable en Moodle, evalúa basándose en los resultados de los cuestionarios. ABSTRACT The concept of algorithm is one of the core subjects in computer science. It is extremely important, then, for students to get a good grasp of this concept from the very start of their training. In this respect, having a tool that helps and shepherds students through the process of learning this concept can make a huge difference to their instruction. Much has been written about how helpful algorithm visualization tools can be. Most authors agree that the most important part of the learning process is how students use the visualization tool. Learners who are actively involved in visualization consistently outperform other learners who view the algorithms passively. Therefore we think that one of the best exercises to learn an algorithm is for the user to simulate the algorithm execution while using a visualization tool, thus performing a visual algorithm simulation. The first part of this thesis presents the eMathTeacher set of requirements together with an eMathTeacher-compliant tool called GRAPHs. For some years, we have been developing a theory about what the key features of an effective e-learning system for teaching mathematical concepts and algorithms are. This led to the definition of eMathTeacher concept, which has materialized in the eMathTeacher set of requirements. An e-learning tool is eMathTeacher compliant if it works as a virtual math trainer. In other words, it has to be an on-line self-assessment tool that helps students to actively and autonomously learn math concepts or algorithms, correcting their mistakes and providing them with clues to find the right answer. In an eMathTeacher-compliant tool, algorithm simulation does not continue until the user enters the correct answer. GRAPHs is an extendible environment designed for active and independent visual simulation-based learning of graph algorithms, set up to integrate tools to help the user simulate the execution of different algorithms. Apart from the options of creating and editing the graph, and visualizing the changes made to the graph during simulation, the environment also includes step-by-step correction, algorithm pseudo-code animation, pop-up questions, data structure handling and XML-based interaction log creation features. On the other hand, assessment is a key part of any learning process. Through the use of e-learning environments huge amounts of data can be output about this process. Nevertheless, this information has to be interpreted and represented in a practical way to arrive at a sound assessment that is not confined to merely counting mistakes. This includes establishing relationships between the available data and also providing instructive linguistic descriptions about learning evolution. Additionally, formative assessment should specify the level of attainment of the learning goals defined by the instructor. Till now, only human experts were capable of making such assessments. While facing this problem, our goal has been to create a computational model that simulates the instructor’s reasoning and generates an enlightening learning evolution report in natural language. The second part of this thesis presents the granular linguistic model of learning assessment to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of a formative assessment report. The model is a particularization of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) paradigm, based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions, to the assessment phenomenon. This technique, useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules, has been applied to two particular cases: the assessment of the interaction logs generated by GRAPHs and the criterion-based assessment of Moodle quizzes. As a consequence, several expert systems to assess different algorithm simulations and Moodle quizzes have been implemented, tested and used in the classroom. Apart from the grade, the designed expert systems also generate natural language progress reports on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. In addition, two applications, capable of being configured to implement the expert systems, have been developed. One is geared up to process the files output by GRAPHs and the other one is a Moodle plug-in set up to perform the assessment based on the quizzes results.