Branching angles of pyramidal cell dendrites follow common geometrical design principles in different cortical areas

Unraveling pyramidal cell structure is crucial to understanding cortical circuit computations. Although it is well known that pyramidal cell branching structure differs in the various cortical areas, the principles that determine the geometric shapes of these cells are not fully understood. Here we analyzed and modeled with a von Mises distribution the branching angles in 3D reconstructed basal dendritic arbors of hundreds of intracellularly injected cortical pyramidal cells in seven different cortical regions of the frontal, parietal, and occipital cortex of the mouse. We found that, despite the differences in the structure of the pyramidal cells in these distinct functional and cytoarchitectonic cortical areas, there are common design principles that govern the geometry of dendritic branching angles of pyramidal cells in all cortical areas.

A digital framework to build, visualize and analyze a gene expression atlas with cellular resolution in zebrafish early embryogenesis

A gene expression atlas is an essential resource to quantify and understand the multiscale processes of embryogenesis in time and space. The automated reconstruction of a prototypic 4D atlas for vertebrate early embryos, using multicolor fluorescence in situ hybridization with nuclear counterstain, requires dedicated computational strategies. To this goal, we designed an original methodological framework implemented in a software tool called Match-IT. With only minimal human supervision, our system is able to gather gene expression patterns observed in different analyzed embryos with phenotypic variability and map them onto a series of common 3D templates over time, creating a 4D atlas. This framework was used to construct an atlas composed of 6 gene expression templates from a cohort of zebrafish early embryos spanning 6 developmental stages from 4 to 6.3 hpf (hours post fertilization). They included 53 specimens, 181,415 detected cell nuclei and the segmentation of 98 gene expression patterns observed in 3D for 9 different genes. In addition, an interactive visualization software, Atlas-IT, was developed to inspect, supervise and analyze the atlas. Match-IT and Atlas-IT, including user manuals, representative datasets and video tutorials, are publicly and freely available online. We also propose computational methods and tools for the quantitative assessment of the gene expression templates at the cellular scale, with the identification, visualization and analysis of coexpression patterns, synexpression groups and their dynamics through developmental stages.

Hybridization Processes: The case of the urban game: Hybrid Hunt: Petrified

The proposal highlights certain design strategies and a case study that can link the material urban space to digital emerging realms. The composite nature of urban spaces ?material/ digital- is understood as an opportunity to reconfigure public urban spaces without high-cost, difficult to apply interventions and, furthermore, to reactivate them by inserting dynamic, interactive and playful conditions that engage people and re-establish their relations to the cities. The structuring of coexisting and interconnected material and digital aspects in public urban spaces is proposed through the implementation of hybridization processes. Hybrid spaces can fascinate and provoke the public and especially younger people to get involved and interact with physical aspects of urban public spaces as well as digital representations or interpretations of those. Digital game?s design in urban public spaces can be comprehended as a tool that allows architects to understand and to configure hybrids of material and digital conceptions and project all in one, as an inseparable totality. Digital technologies have for a long time now intervened in our perception of traditional dipoles such as subject - environment. Architects, especially in the past, have been responsible for material mediations and tangible interfaces that permit subjects to relate to their physical environments in a controlled and regulated manner; but, nowadays, architects are compelled to embody in design, the transition that is happening in all aspects of everyday life, that is, from material to digital realities. In addition, the disjunctive relation of material and digital realms is ceding and architects are now faced with the challenge that supposes the merging of both in a single, all-inclusive reality. The case study is a design project for a game implemented simultaneously in a specific urban space and on the internet. This project developed as the spring semester course New Media in Architecture at the Department of Architecture, Democritus University of Thrace, Greece is situated at the city of Xanthi. Composite cities can use design strategies and technological tools to configure augmented and appealing urban spaces that articulate and connect different realms in a single engaging reality.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Hacia un análisis cuantitativo de la Ciudad Informal: una aproximación desde la Habitabilidad Básica y la experiencia en Makeni (Sierra Leona)

La importantísima expansión urbana que sufren las principales ciudades de los países en vías de desarrollo, es el mayor reto que afronta la habitabilidad a nivel mundial. Dentro de la teoría general de la Habitabilidad Básica (HaB-ETSAM-UPM, 1995) la ordenación del territorio y el planeamiento urbanístico son las herramientas determinantes para orientar coherentemente los procesos de urbanización, como se reconoce también desde las principales esferas técnicas a nivel internacional. Pero tales herramientas deben enfocarse a una construcción eficiente del territorio, actuando desde una aproximación multidisciplinar, flexible y directa, que incida en las prioridades específicas de cada contexto. Para ello, resulta fundamental comprender a fondo las realidades específicas de estos ámbitos. La ciudad es un fenómeno complejo en esencia. El tejido construido, en constante proceso de cambio, es el caparazón visible que alberga una maravillosa mezcla entrelazada de espacios, funciones, flujos, personas.... Cada ciudad, diferente y única, se integra en su medio, se adapta a geografías, contextos y climas distintos, evoluciona según dinámicas propias, en incomprensibles (o casi) procesos evolutivos. El estudio de la ciudad, supone siempre una simplificación de la misma. La realidad urbana, por detallado que sea nuestro análisis, siempre contendrá indescifrables relaciones que se nos escapan. En cambio, necesitamos de métodos analíticos que nos ayuden a comprender algo esa complejidad. Acercarnos en ese análisis, es un paso previo fundamental para la formulación de respuestas. En este plano, de avance en la comprensión del hecho urbano, se sitúa este trabajo. Se pone el acento en el enfoque cuantitativo, profundizando en datos básicos concretos, siempre aceptando de partida que esta información es una componente mínima, pero esperamos que sustantiva, de un fenómeno inabordable. Y es esta búsqueda de comprensión material y cuantitativa de la ciudad, el objetivo esencial de la investigación. Se pretende proporcionar una base detallada de aquéllos aspectos fundamentales, que pueden ser medidos en los entornos urbanos y que nos proporcionan información útil para el diagnóstico y las propuestas. Para ello, se aportan rangos y referencias deseables, a través de una herramienta para la comprensión y la valoración de cada contexto, la Matriz de Indicadores. Esta herramienta se concibe desde la reflexión a la aplicación práctica, a la utilidad directa, al aporte concreto para quien pueda servir. Ésta es la voluntad decidida con la que se aborda este trabajo, centrado en los entornos urbanos donde el aporte técnico es prioritario: la Ciudad Informal. La Ciudad Informal, entendida aquí como aquélla que se desarrolla sin los medios suficientes (técnicos, económicos e institucionales) que proporciona la planificación, aquélla por donde la habitabilidad precaria se extiende. Es la ciudad que predomina en los países en vías de desarrollo, en los contextos de bajos recursos, allí donde, precisamente, se concentran los principales déficits y necesidades a nivel global. El enfoque nace de la teoría de la Habitabilidad Básica, de la definición de mínimos posibles para, desde allí, construir el espacio necesario para el desarrollo humano. Éste es el ámbito genérico objeto del trabajo que, a su vez, se nutre, de forma muy importante, de la experiencia directa en la ciudad de Makeni, en Sierra Leona. Esta ciudad nos sirve de prototipo experimental en un doble sentido. Por un lado, sirve como espacio empírico en el que chequear la metodología de valoración cuantitativa; y, por otro, el conocimiento de esta ciudad de tamaño medio africana, que se ha ido adquiriendo en los últimos cinco años, es una base directa para el desarrollo teórico de la propia metodología, que ayuda a atisbar lo esencial en contextos similares. El encaje de todo este recorrido se ha articulado desde una experiencia académica que, como docente, he coordinado directa e intensamente. Experiencia muy enriquecedora, que ha sumado muchas manos y mucho aprendizaje en este tiempo. Teoría y práctica en planeamiento urbano se alternan en el trabajo, nutriéndose la una de la otra y a la inversa. Trabajo que nace desde la pasión por la ciudad y el urbanismo. Desde la búsqueda por comprender y desde la vocación de actuar, de intentar mejorar y hacer más habitables los entornos urbanos. Especialmente allí donde las dificultades se agolpan y el camino se alarga, se llena de polvo. Acumular preguntas a cada paso. Cada vez más preguntas. Las respuestas, si existen, aparecen entrelazadas en dinámicas indescifrables de las que queremos formar parte. Fundirnos por momentos en la misma búsqueda, acompañarla. Sentirnos cerca de quiénes comienzan de cero casi cada día. Y otra vez, arrancar. Y compartir, desde el conocimiento, si acaso es que se puede. Y la ciudad. Brutal, imponente, asfixiante, maravillosa, imposible. Creación colectiva insuperable, de energías sumadas que se cosen sin patrón aparente. O sin más razón que la del propio pulso de la vida. Así se siente Makeni. ABSTRACT The important urban growth suffering major cities of developing countries, is the biggest challenge facing the global habitability. Within the general theory of Basic Habitability (HAB-ETSAM-UPM, 1995) spatial planning and urban planning are the crucial tools to consistently guide the urbanization process, as also recognized from the main technical areas worldwide. But such tools should focus on an efficient construction of the territory, working from a multidisciplinary, flexible and direct approach, that affects the specific priorities of each context. To do this, it is essential to thoroughly understand the specific realities of these areas. The city is essentially a complex phenomenon. The urban fabric in constant flux, is the visible shell that houses a wonderful mixture interlocking spaces, functions, flows, people.... Every city, different and unique, is integrated into its environment, adapted to geographies, contexts and climates, it evolves according to its own dynamics, along (almost) incomprehensible evolutionary processes. The study of the city, is always a simplification of it. The urban reality, even studied from a detailed analysis, always contain undecipherable relationships that escape us. Instead, we need analytical methods that help us understand something that complexity. Moving forward in this analysis is an essential first step in formulating responses. At this level, progressing in understand the urban reality, is where this work is located. The emphasis on the quantitative approach is placed, delving into specific basic data, starting always accepting that this information is just a minimal component, but we hope that substantive, of an intractable phenomenon. And it is this search for materials and quantitative understanding of the city, the main objective of the research. It is intended to provide a detailed basis of those fundamental aspects that can be measured in urban environments that provide us useful information for the diagnosis and proposals. To do this, desirable ranges and references are provided, through a tool for understanding and appreciation of each context, the Indicator Matrix. This tool is conceived from reflection to practical application, to a direct utility, concrete contribution to who can serve. This is the firm resolve with which this work is addressed, centered in urban environments where the technical contribution is a priority: the Informal City. The Informal City, understood here as the urban areas developed without the sufficient resources (technical, economic and institutional) which planning provides, where it is extended the precarious habitability. It is the city that prevails in developing countries, in low-resource settings, where, precisely, the main gaps and needs in the global context are concentrated. The approach stems from the theory of Basic Habitability, the definition of possible minimum, to build the necessary space for human development. This is the generic scope of the work object, that is also based in the direct experience in the town of Makeni, Sierra Leone. This city serves as an experimental prototype in two ways. On the one hand, it serves as a space where empirically check the quantitative assessment methodology; and, secondly, the knowledge of this African city of medium size, which has been acquired in the last five years, is a direct basis for the theoretical development of the methodology itself, which helps to glimpse the essence in similar contexts. The engagement of this whole journey has been articulated from an academic experience, directly and intensely coordinated as teacher. Enriching experience that has added many hands and much learning at this time. Theory and practice in urban planning are mixed at work, enriching the one of the other and vice versa. Work is born from the passion for the city and urbanism. From the search for understanding and from the vocation of acting, trying to improve and make more livable urban environments. Especially where the difficulties are crowded and the road is so long, full of dust. To accumulate questions at every turn. More and more questions. The answers, if do exist, appears inside indecipherable dynamics in which we want to be involved. Merge at times in the same search. Feel close to those who start from scratch almost every day. And again, move forward. And share, from knowledge, if possible. And the city. Brutal, impressive, suffocating, wonderful, impossible. Unsurpassed collective creation, combined energy mix that are sewn with no apparent pattern. Or for no reason other than the pulse of life itself. As it feels the city of Makeni.

Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.

The temporal evolution of the energy flux across scales in homogeneous turbulence

A temporal study of energy transfer across length scales is performed in 3D numerical simulations of homogeneous shear flow and isotropic turbulence. The average time taken by perturbations in the energy flux to travel between scales is measured and shown to be additive. Our data suggests that the propagation of disturbances in the energy flux is independent of the forcing and that it defines a ‘velocity’ that determines the energy flux itself. These results support that the cascade is, on average, a scale-local process where energy is continuously transmitted from one scale to the next in order of decreasing size.