Semi-supervised subspace clustering and applications to neuroscience

Machine learning techniques are used for extracting valuable knowledge from data. Nowa¬days, these techniques are becoming even more important due to the evolution in data ac¬quisition and storage, which is leading to data with different characteristics that must be exploited. Therefore, advances in data collection must be accompanied with advances in machine learning techniques to solve new challenges that might arise, on both academic and real applications. There are several machine learning techniques depending on both data characteristics and purpose. Unsupervised classification or clustering is one of the most known techniques when data lack of supervision (unlabeled data) and the aim is to discover data groups (clusters) according to their similarity. On the other hand, supervised classification needs data with supervision (labeled data) and its aim is to make predictions about labels of new data. The presence of data labels is a very important characteristic that guides not only the learning task but also other related tasks such as validation. When only some of the available data are labeled whereas the others remain unlabeled (partially labeled data), neither clustering nor supervised classification can be used. This scenario, which is becoming common nowadays because of labeling process ignorance or cost, is tackled with semi-supervised learning techniques. This thesis focuses on the branch of semi-supervised learning closest to clustering, i.e., to discover clusters using available labels as support to guide and improve the clustering process. Another important data characteristic, different from the presence of data labels, is the relevance or not of data features. Data are characterized by features, but it is possible that not all of them are relevant, or equally relevant, for the learning process. A recent clustering tendency, related to data relevance and called subspace clustering, claims that different clusters might be described by different feature subsets. This differs from traditional solutions to data relevance problem, where a single feature subset (usually the complete set of original features) is found and used to perform the clustering process. The proximity of this work to clustering leads to the first goal of this thesis. As commented above, clustering validation is a difficult task due to the absence of data labels. Although there are many indices that can be used to assess the quality of clustering solutions, these validations depend on clustering algorithms and data characteristics. Hence, in the first goal three known clustering algorithms are used to cluster data with outliers and noise, to critically study how some of the most known validation indices behave. The main goal of this work is however to combine semi-supervised clustering with subspace clustering to obtain clustering solutions that can be correctly validated by using either known indices or expert opinions. Two different algorithms are proposed from different points of view to discover clusters characterized by different subspaces. For the first algorithm, available data labels are used for searching for subspaces firstly, before searching for clusters. This algorithm assigns each instance to only one cluster (hard clustering) and is based on mapping known labels to subspaces using supervised classification techniques. Subspaces are then used to find clusters using traditional clustering techniques. The second algorithm uses available data labels to search for subspaces and clusters at the same time in an iterative process. This algorithm assigns each instance to each cluster based on a membership probability (soft clustering) and is based on integrating known labels and the search for subspaces into a model-based clustering approach. The different proposals are tested using different real and synthetic databases, and comparisons to other methods are also included when appropriate. Finally, as an example of real and current application, different machine learning tech¬niques, including one of the proposals of this work (the most sophisticated one) are applied to a task of one of the most challenging biological problems nowadays, the human brain model¬ing. Specifically, expert neuroscientists do not agree with a neuron classification for the brain cortex, which makes impossible not only any modeling attempt but also the day-to-day work without a common way to name neurons. Therefore, machine learning techniques may help to get an accepted solution to this problem, which can be an important milestone for future research in neuroscience. Resumen Las técnicas de aprendizaje automático se usan para extraer información valiosa de datos. Hoy en día, la importancia de estas técnicas está siendo incluso mayor, debido a que la evolución en la adquisición y almacenamiento de datos está llevando a datos con diferentes características que deben ser explotadas. Por lo tanto, los avances en la recolección de datos deben ir ligados a avances en las técnicas de aprendizaje automático para resolver nuevos retos que pueden aparecer, tanto en aplicaciones académicas como reales. Existen varias técnicas de aprendizaje automático dependiendo de las características de los datos y del propósito. La clasificación no supervisada o clustering es una de las técnicas más conocidas cuando los datos carecen de supervisión (datos sin etiqueta), siendo el objetivo descubrir nuevos grupos (agrupaciones) dependiendo de la similitud de los datos. Por otra parte, la clasificación supervisada necesita datos con supervisión (datos etiquetados) y su objetivo es realizar predicciones sobre las etiquetas de nuevos datos. La presencia de las etiquetas es una característica muy importante que guía no solo el aprendizaje sino también otras tareas relacionadas como la validación. Cuando solo algunos de los datos disponibles están etiquetados, mientras que el resto permanece sin etiqueta (datos parcialmente etiquetados), ni el clustering ni la clasificación supervisada se pueden utilizar. Este escenario, que está llegando a ser común hoy en día debido a la ignorancia o el coste del proceso de etiquetado, es abordado utilizando técnicas de aprendizaje semi-supervisadas. Esta tesis trata la rama del aprendizaje semi-supervisado más cercana al clustering, es decir, descubrir agrupaciones utilizando las etiquetas disponibles como apoyo para guiar y mejorar el proceso de clustering. Otra característica importante de los datos, distinta de la presencia de etiquetas, es la relevancia o no de los atributos de los datos. Los datos se caracterizan por atributos, pero es posible que no todos ellos sean relevantes, o igualmente relevantes, para el proceso de aprendizaje. Una tendencia reciente en clustering, relacionada con la relevancia de los datos y llamada clustering en subespacios, afirma que agrupaciones diferentes pueden estar descritas por subconjuntos de atributos diferentes. Esto difiere de las soluciones tradicionales para el problema de la relevancia de los datos, en las que se busca un único subconjunto de atributos (normalmente el conjunto original de atributos) y se utiliza para realizar el proceso de clustering. La cercanía de este trabajo con el clustering lleva al primer objetivo de la tesis. Como se ha comentado previamente, la validación en clustering es una tarea difícil debido a la ausencia de etiquetas. Aunque existen muchos índices que pueden usarse para evaluar la calidad de las soluciones de clustering, estas validaciones dependen de los algoritmos de clustering utilizados y de las características de los datos. Por lo tanto, en el primer objetivo tres conocidos algoritmos se usan para agrupar datos con valores atípicos y ruido para estudiar de forma crítica cómo se comportan algunos de los índices de validación más conocidos. El objetivo principal de este trabajo sin embargo es combinar clustering semi-supervisado con clustering en subespacios para obtener soluciones de clustering que puedan ser validadas de forma correcta utilizando índices conocidos u opiniones expertas. Se proponen dos algoritmos desde dos puntos de vista diferentes para descubrir agrupaciones caracterizadas por diferentes subespacios. Para el primer algoritmo, las etiquetas disponibles se usan para bus¬car en primer lugar los subespacios antes de buscar las agrupaciones. Este algoritmo asigna cada instancia a un único cluster (hard clustering) y se basa en mapear las etiquetas cono-cidas a subespacios utilizando técnicas de clasificación supervisada. El segundo algoritmo utiliza las etiquetas disponibles para buscar de forma simultánea los subespacios y las agru¬paciones en un proceso iterativo. Este algoritmo asigna cada instancia a cada cluster con una probabilidad de pertenencia (soft clustering) y se basa en integrar las etiquetas conocidas y la búsqueda en subespacios dentro de clustering basado en modelos. Las propuestas son probadas utilizando diferentes bases de datos reales y sintéticas, incluyendo comparaciones con otros métodos cuando resulten apropiadas. Finalmente, a modo de ejemplo de una aplicación real y actual, se aplican diferentes técnicas de aprendizaje automático, incluyendo una de las propuestas de este trabajo (la más sofisticada) a una tarea de uno de los problemas biológicos más desafiantes hoy en día, el modelado del cerebro humano. Específicamente, expertos neurocientíficos no se ponen de acuerdo en una clasificación de neuronas para la corteza cerebral, lo que imposibilita no sólo cualquier intento de modelado sino también el trabajo del día a día al no tener una forma estándar de llamar a las neuronas. Por lo tanto, las técnicas de aprendizaje automático pueden ayudar a conseguir una solución aceptada para este problema, lo cual puede ser un importante hito para investigaciones futuras en neurociencia.

Game Theory Models for Multi-Robot Patrolling of Infraestructures

Abstract This work is focused on the problem of performing multi‐robot patrolling for infrastructure security applications in order to protect a known environment at critical facilities. Thus, given a set of robots and a set of points of interest, the patrolling task consists of constantly visiting these points at irregular time intervals for security purposes. Current existing solutions for these types of applications are predictable and inflexible. Moreover, most of the previous centralized and deterministic solutions and only few efforts have been made to integrate dynamic methods. Therefore, the development of new dynamic and decentralized collaborative approaches in order to solve the aforementioned problem by implementing learning models from Game Theory. The model selected in this work that includes belief‐based and reinforcement models as special cases is called Experience‐Weighted Attraction. The problem has been defined using concepts of Graph Theory to represent the environment in order to work with such Game Theory techniques. Finally, the proposed methods have been evaluated experimentally by using a patrolling simulator. The results obtained have been compared with previous available

Modelo para el tratamiento de conjuntos complejos con datos ausentes de variables categóricas en un contexto de e-democracia. Aplicación a encuestas de opinión

La falta de información es un escenario más que habitual en la utilización de conjuntos de datos. En las aplicaciones del mundo real existen múltiples causas – errores o fallos de los sensores cuando se trabaja con equipos automáticos, desconocimiento o falta de interés por parte de los responsables de introducir la información, negativas por parte de los informantes a responder a preguntas sobre temas comprometidos en encuestas … – que pueden originarlo. Como consecuencia de ello, el procesamiento de los valores ausentes es, en la práctica, uno de los trabajos que más tiempo consumen en los proyectos de minería de datos y aprendizaje automático [109] y se estima que alrededor del 60% de los esfuerzos se destinan al mismo [23]. Aunque la ausencia puede producirse en cualquier tipo de datos, sean éstos numéricos o categóricos, nos vamos a centrar en los últimos a causa de algunas peculiaridades que merece la pena estudiar. Y hablaremos indistintamente de ausencia de información, valores ausentes, falta de respuesta, datos parcialmente observados o falta de datos, pues en cualquiera de estas formas aparece citado el problema. Las técnicas para afrontarlo se vienen desarrollando ya desde hace tiempo [135], [6] y existen numerosas referencias en la literatura, sobre todo acerca de la falta de respuesta 6 en encuestas [32], [79]. Sin embargo, en el ámbito del aprendizaje automático es en los últimos años cuando se ha convertido en un área de investigación dinámica, con frecuentes aportaciones [94]. Los dos puntos de vista, el estadístico y el del aprendizaje automático, consideran el problema en formas bien diferentes y tienen distintos objetivos, lo que origina, a su vez, discrepancias en la clasificación de las técnicas y en los criterios para su evaluación. Por un lado, el enfoque estadístico paramétrico tradicional considera el conjunto de datos como una muestra, resultado de la extracción aleatoria de una población con una distribución probabilística. Bajo este supuesto, el objetivo es obtener algunos de los parámetros que caracterizan esa distribución – la media, la moda, la correlación entre variables, etc. – calculándose los correspondientes estimadores como funciones de los datos de la muestra. La ausencia de datos es, aquí, un problema de estimación que se afronta desde diferentes perspectivas. Por su parte, en el ámbito de los procedimientos de aprendizaje automático existen múltiples técnicas que pueden utilizarse para tratar los datos ausentes mediante su sustitución por valores obtenidos a partir de los datos observados: redes neuronales, árboles de decisión, etc. Cuando los datos que faltan son categóricos, se pueden utilizar técnicas específicas como los procedimientos de clasificación: las categorías a asignar coinciden con los distintos valores posibles del atributo que tiene falta de información. Pueden utilizarse métodos supervisados y no supervisados. En el primer caso, cuando existe más de un atributo con falta de datos, el aprendizaje se realiza sucesiva y separadamente para cada uno, lo que significa que la tarea ha de repetirse tantas veces como atributos con valores ausentes hay en el conjunto de datos [72]. El inicio de los trabajos de esta tesis ha estado principalmente motivado en la necesidad de mejorar los resultados obtenidos al tratar de resolver problemas de falta de 7 información de variables categóricas en sondeos de opinión utilizando los procedimientos que la literatura considera como el estado del arte en ese ámbito. Se ha encontrado, así, que muchos de los métodos que se proponen tienen hipótesis de funcionamiento que están muy lejos de las situaciones reales que se encuentran en la práctica y, además, las soluciones existentes han avanzado frecuentemente en direcciones no adecuadas, sin replantear los fundamentos básicos. Esto ha conducido de una forma natural a probar métodos propios de otro ámbito como es el aprendizaje automático, para lo que ha sido necesario, en ocasiones, proponer modificaciones de algunos procedimientos ya existentes de modo que pudieran aceptar como entradas el tipo de datos que estos sondeos de opinión manejan. Como resultado, y en el caso concreto de un tipo específico de redes neuronales, se ha diseñado una nueva arquitectura y un nuevo algoritmo de funcionamiento que se presentan aquí como aportación más novedosa de este estudio.

3D Wavelet-based Fusion Techniques for Biomedical Imaging

Hoy en día las técnicas de adquisición de imágenes tridimensionales son comunes en diversas áreas, pero cabe destacar la relevancia que han adquirido en el ámbito de la imagen biomédica, dentro del cual encontramos una amplia gama de técnicas como la microscopía confocal, microscopía de dos fotones, microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, resonancia magnética nuclear, tomografía por emisión de positrones, tomografía de coherencia óptica, ecografía 3D y un largo etcétera. Un denominador común de todas esas aplicaciones es la constante necesidad por aumentar la resolución y la calidad de las imágenes adquiridas. En algunas de dichas técnicas de imagen tridimensional se da una interesante situación: aunque que cada volumen adquirido no contiene información suficiente para representar el objeto bajo estudio dentro de los parámetros de calidad requeridos por algunas aplicaciones finales, el esquema de adquisición permite la obtención de varios volúmenes que representan diferentes vistas de dicho objeto, de tal forma que cada una de las vistas proporciona información complementaria acerca del mismo. En este tipo de situación es posible, mediante la combinación de varias de esas vistas, obtener una mejor comprensión del objeto que a partir de cada una de ellas por separado. En el contexto de esta Tesis Doctoral se ha propuesto, desarrollado y validado una nueva metodología de proceso de imágenes basada en la transformada wavelet disc¬reta para la combinación, o fusión, de varias vistas con información complementaria de un mismo objeto. El método de fusión propuesto aprovecha la capacidad de descom¬posición en escalas y orientaciones de la transformada wavelet discreta para integrar en un solo volumen toda la información distribuida entre el conjunto de vistas adquiridas. El trabajo se centra en dos modalidades diferentes de imagen biomédica que per¬miten obtener tales adquisiciones multi-vista. La primera es una variante de la micro¬scopía de fluorescencia, la microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, que se utiliza para el estudio del desarrollo temprano de embriones vivos en diferentes modelos animales, como el pez cebra o el erizo de mar. La segunda modalidad es la resonancia magnética nuclear con realce tardío, que constituye una valiosa herramienta para evaluar la viabilidad del tejido miocárdico en pacientes con diversas miocardiopatías. Como parte de este trabajo, el método propuesto ha sido aplicado y validado en am¬bas modalidades de imagen. En el caso de la aplicación a microscopía de fluorescencia, los resultados de la fusión muestran un mejor contraste y nivel de detalle en comparación con cualquiera de las vistas individuales y el método no requiere de conocimiento previo acerca la función de dispersión puntual del sistema de imagen. Además, los resultados se han comparado con otros métodos existentes. Con respecto a la aplicación a imagen de resonancia magnética con realce tardío, los volúmenes fusionados resultantes pre-sentan una mejora cuantitativa en la nitidez de las estructuras relevantes y permiten una interpretación más sencilla y completa de la compleja estructura tridimensional del tejido miocárdico en pacientes con cardiopatía isquémica. Para ambas aplicaciones los resultados de esta tesis se encuentran actualmente en uso en los centros clínicos y de investigación con los que el autor ha colaborado durante este trabajo. Además se ha puesto a libre disposición de la comunidad científica la implementación del método de fusión propuesto. Por último, se ha tramitado también una solicitud de patente internacional que cubre el método de visualización desarrollado para la aplicación de Resonancia Magnética Nuclear. Abstract Nowadays three dimensional imaging techniques are common in several fields, but es-pecially in biomedical imaging, where we can find a wide range of techniques including: Laser Scanning Confocal Microscopy, Laser Scanning Two Photon Microscopy, Light Sheet Fluorescence Microscopy, Magnetic Resonance Imaging, Positron Emission To-mography, Optical Coherence Tomography, 3D Ultrasound Imaging, etc. A common denominator of all those applications being the constant need for further increasing resolution and quality of the acquired images. Interestingly, in some of the mentioned three-dimensional imaging techniques a remarkable situation arises: while a single volume does not contain enough information to represent the object being imaged within the quality parameters required by the final application, the acquisition scheme allows recording several volumes which represent different views of a given object, with each of the views providing complementary information. In this kind of situation one can get a better understanding of the object by combining several views instead of looking at each of them separately. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and test new image processing methodologies based on the discrete wavelet transform for the combination, or fusion, of several views containing complementary information of a given object. The proposed fusion method exploits the scale and orientation decomposition capabil¬ities of the discrete wavelet transform to integrate in a single volume all the available information distributed among the set of acquired views. The work focuses in two different biomedical imaging modalities which provide such multi-view datasets. The first one is a particular fluorescence microscopy technique, Light-Sheet Fluorescence Microscopy, used for imaging and gaining understanding of the early development of live embryos from different animal models (like zebrafish or sea urchin). The second is Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, which is a valuable tool for assessing the viability of myocardial tissue on patients suffering from different cardiomyopathies. As part of this work, the proposed method was implemented and then validated on both imaging modalities. For the fluorescence microscopy application, the fusion results show improved contrast and detail discrimination when compared to any of the individual views and the method does not rely on prior knowledge of the system’s point spread function (PSF). Moreover, the results have shown improved performance with respect to previous PSF independent methods. With respect to its application to Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, the resulting fused volumes show a quantitative sharpness improvement and enable an easier and more complete interpretation of complex three-dimensional scar and heterogeneous tissue information in ischemic cardiomyopathy patients. In both applications, the results of this thesis are currently in use in the clinical and research centers with which the author collaborated during his work. An imple¬mentation of the fusion method has also been made freely available to the scientific community. Finally, an international patent application has been filed covering the visualization method developed for the Magnetic Resonance Imaging application.

Diseño y Desarrollo de un Robot de Inspección de Tuberías

El siguiente trabajo presenta un desarrollo innovador de un Robot de Inspección de Tuberías, el cual fue diseñado para operación de Tuberías Verticales (RETOV Robot de operación en tuberías Verticales (siglas en Español)). Cuando RETOV es usado para inspeccionar pozos petroleros, puede ser controlado desde la superficie, esto permite al operador la inspección y monitoreo del pozo. Esto es efectuado a través de una interfaz de usuario que controla el Robot. RETOV fue diseñado con anillos articulados que abrazan la tubería, un nuevo sistema de amortiguación y ruedas móviles brinda la posibilidad de navegar y evitar obstáculos en la tubería realizando tres tipos de movimientos: rotación, traslación y helicoidal. Adicionalmente RETOV fue diseñado para realizar inspección entre dos tuberías(la tubería de producción y el pozo petrolero), con un sistema de seguridad y una estructura liviana, RETOV puede ser equipado con sensores para medir las variables de interés en el pozo. El diseño de la mecánica y el programa de control, la instrumentación, los modelos matemáticos y resultados de las pruebas han sido descritos en esta Tesis. The following Doctoral Thesis presents an innovative application of a Pipe Inspection Robot, which was designed especially as Operation Robot in Vertical Pipes (RETOV) (Robot for operation vertical pipes (Spanish acronyms)). When RETOV is used to inspect Oil Well, can be controlled from the surface, it´s allow the operator the well inspection and monitoring. This is done through our interface that controls the robot. The RETOV was designed with an articulated ring systems that embrace the pipe, a new damping systems and mobile wheels bring the possibility to navigate and avoid obstacles into the well, performing three types of movement: Rotational, translational and screw. Additional, RETOV was designed to perform the inspection between two pipes (pipe and oil well production), with a security braking systems and lightweight structure; RETOV can be equipment with sensors to measure the variables of interest in the well. The hardware and Software design, the instrumentation, the mathematical models, and the test results have been described in this thesis.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Tractor PT: A traction prediction software for agricultural tractor

Traction prediction modelling, a key factor in farm tractor design, has been driven by the need to find the answer to this question without having to build physical prototypes. A wide range of theories and their respective algorithms can be used in such predictions. The “Tractors and Tillage” research team at the Polytechnic University of Madrid, which engages, among others, in traction prediction for farm tractors, has developed a series of programs based on the cone index as the parameter representative of the terrain. With the software introduced in the present paper, written in Visual Basic, slip can be predicted in two- and four-wheel drive tractors using any one of four models. It includes databases for tractors, front tyres, rear tyres and working conditions (soil cone index and drawbar pull exerted). The results can be exported in spreadsheet format.

LiDAR simulation in modelled orchards to optimise the use of terretrial laser scanners and derived vegetative measures

Light detection and ranging (LiDAR) technology is beginning to have an impact on agriculture. Canopy volume and/or fruit tree leaf area can be estimated using terrestrial laser sensors based on this technology. However, the use of these devices may have different options depending on the resolution and scanning mode. As a consequence, data accuracy and LiDAR derived parameters are affected by sensor configuration, and may vary according to vegetative characteristics of tree crops. Given this scenario, users and suppliers of these devices need to know how to use the sensor in each case. This paper presents a computer program to determine the best configuration, allowing simulation and evaluation of different LiDAR configurations in various tree structures (or training systems). The ultimate goal is to optimise the use of laser scanners in field operations. The software presented generates a virtual orchard, and then allows the scanning simulation with a laser sensor. Trees are created using a hidden Markov tree (HMT) model. Varying the foliar structure of the orchard the LiDAR simulation was applied to twenty different artificially created orchards with or without leaves from two positions (lateral and zenith). To validate the laser sensor configuration, leaf surface of simulated trees was compared with the parameters obtained by LiDAR measurements: the impacted leaf area, the impacted total area (leaves and wood), and th impacted area in the three outer layers of leaves.

SIMLIDAR Simulation of LiDAR performance in artificially simulate orchards

SIMLIDAR is an application developed in Cþþ that generates an artificial orchard using a Lindenmayer system. The application simulates the lateral interaction between the artificial orchard and a laser scanner or LIDAR (Light Detection and Ranging). To best highlight the unique qualities of the LIDAR simulation, this work focuses on apple trees without leaves, i.e. the woody structure. The objective is to simulate a terrestrial laser sensor (LIDAR) when applied to different artificially created orchards and compare the simulated characteristics of trees with the parameters obtained with the LIDAR. The scanner is mounted on a virtual tractor and measures the distance between the origin of the laser beam and the nearby plant object. This measurement is taken with an angular scan in a plane which is perpendicular to the route of the virtual tractor. SIMLIDAR determines the distance measured in a bi-dimensional matrix N M, where N is the number of angular scans and M is the number of steps in the tractor route. In order to test the data and performance of SIMLIDAR, the simulation has been applied to 42 different artificial orchards. After previously defining and calculating two vegetative parameters (wood area and wood projected area) of the simulated trees, a good correlation (R2 ¼ 0.70e0.80) was found between these characteristics and the wood area detected (impacted) by the laser beam. The designed software can be valuable in horticulture for estimating biomass and optimising the pesticide treatments that are performed in winter.

Un programa de ordenador para el cálculo de las características dinámicas en puentes de doble vía

En la actual norma ministerial para la determinación de las acciones en puentes de ferrocarril se presta una gran importancia a la fijación de las características dinámicas de la estructura, a partir de las cuales se determina el coeficiente de impacto. Entre los casos peor estudiados se encuentra el de los puentes de vía doble, para los que se recomiennda una frecuencia de cálculo igual a la de un puente de la misma luz y vía simple. En el artículo se pretende analizar esta norma mediante el estudio de las frecuencias de vibración del sistema.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Impacto del vehículo eléctrico sobre las redes de distribución

Es objeto del presente proyecto definir red inteligente (Smart Grid) como parte fundamental de un futuro sistema de generación, distribución y transporte de la energía, utilizando como medio principal de desplazamiento el Vehículo Eléctrico. El desarrollo del proyecto se lleva a cabo a través de un análisis exhaustivo del impacto de la introducción masiva del Vehículo Eléctrico en las redes de distribución. Para evaluar las simulaciones se han creado unos niveles de penetración de vehículos, así como el despliegue de dispositivos de recarga y hora óptima de conexión a la red para que la curva de demanda se suavice lo máximo posible y las infraestructuras eléctricas no sufran una sobrecarga provocando una caída del sistema eléctrico. Con un software específico, se ha obtenido un porcentaje de pérdidas y se han sacado unas conclusiones para los distintos casos de penetración del vehículo eléctrico. Asimismo, se ha analizado la implementación de un sistema que estudie los intercambios energéticos que se producen entre los diferentes sistemas del vehículo, y entre éste y su entorno para poder disminuir las pérdidas. ABSTRACT The objective of this project is to define Smart Grid as an essential part of a future generation system, distribution and transmission of energy, using Electric Vehicle as primary mean of moving. The development of this project was carried out through a comprehensive analysis of the impact of the massive introduction of electric vehicles in distribution networks. To evaluate the simulations, different indicators for vehicle´s penetration were created, as well as the deployment of charging devices and optimal time to get network connection in order to smooth the demand curve as much as possible and to avoid electrical infrastructure being overloaded and thus causing the electrical system to stop working. For each of the different cases of electric vehicles’ penetration a percentage of losses and conclusions were drawn using specific software. The implementation of a system that studies the exchanges of energy that occur between different vehicle systems and between itself and its environment to reduce losses was also analyzed.

Soft-computing based visual control for unmanned vehicles

El objetivo principal de esta Tesis es extender la utilización del “Soft- Computing” para el control de vehículos sin piloto utilizando visión. Este trabajo va más allá de los típicos sistemas de control utilizados en entornos altamente controlados, demonstrando la fuerza y versatilidad de la lógica difusa (Fuzzy Logic) para controlar vehículos aéreos y terrestres en un abanico de applicaciones diferentes. Para esta Tesis se ha realizado un gran número de pruebas reales en las cuales los controladores difusos han manejado una plataforma visual “pan-and-tilt”, un helicoptero, un coche comercial y hasta dos tipos de quadrirotores. El uso del método de optimización “Cross-Entropy” ha sido utilizado para mejorar el comportamiento de algunos de los controladores borrosos. Todos los controladores difusos presentados en ésta Tesis han sido implementados utilizando un código desarrollado por el candidato para tal efecto, llamado MOFS (Miguel Olivares’ Fuzzy Software). Diferentes algoritmos visuales han sido utilizados para adquirir la informaci´on visual del entorno, “Cmashift”, descomposición de la homografía y detección de marcas de realidad aumentada, entre otros. Dicha información visual ha sido utilizada como entrada de los controladores difusos para comandar los vehículos en las diferentes applicaciones autonomas. El volante de un vehículo comercial ha sido controlado para realizar pruebas de conducción autónoma en condiciones de tráfico similares a las de una ciudad. El sistema ha llegado a completar con éxito pruebas de más de 6 km sin ninguna interacción humana, mediante el seguimiento de una línea pintada en el suelo. El limitado campo visual del sistema no ha sido impedimento para alcanzar velocidades de hasta 48 km/h y ser guiado autonomamente en curvas de radio reducido. Objetos estáticos y móviles han sido seguidos desde un helicoptero no tripulado, mediante el control de una plataforma visual “pan-and-tilt”. ´Éste mismo helicoptero ha sido controlado completamente para su aterrizaje autonomo, mediante el control del movimiento lateral (roll), horizontal (pitch) y de altitud. El seguimiento de objetos volantes ha sido resulto mediante el control horizontal (pitch) y de orientación (heading) de un quadrirotor. Para tareas de evitación de obstáculos se ha implementado un controlador difuso para el manejo de la orientación (heading) de un quadrirotor. En el campo de la optimización de controladores se ha aportado al estado del arte una extensión del uso del método “Cross-Entropy”. Está Tesis presenta una novedosa implementación de dicho método para la optimización de las ganancias, la posición y medida de los conjuntos de las funciones de pertenecia y el peso de las reglas para mejorar el comportamiento de un controlador difuso. Dichos procesos de optimización se han realizado utilizando “ROS” y “Matlab Simulink” para obtener mejores resultados para la evitación de colisiones con vehículos aéreos no tripulados. Ésta Tesis demuestra que los controladores implementados con lógica difusa son altamente capaces de controlador sistemas sin tener en cuenta el modelo del vehículo a controlador en entornos altamente perturbables con un sensor de bajo coste como es una cámara. El ruido presentes causado por los cambios de iluminación en la adquisición de imágenes y la alta incertidumbre en la detección visual han sido manejados satisfactoriamente por ésta técnica de de “Soft-Computing” para distintas aplicaciones tanto con vehículos aéreos como terrestres.

3D + t Morphological Processing: Applications to Embryogenesis Image Analysis

We propose to directly process 3D + t image sequences with mathematical morphology operators, using a new classi?cation of the 3D+t structuring elements. Several methods (?ltering, tracking, segmentation) dedicated to the analysis of 3D + t datasets of zebra?sh embryogenesis are introduced and validated through a synthetic dataset. Then, we illustrate the application of these methods to the analysis of datasets of zebra?sh early development acquired with various microscopy techniques. This processing paradigm produces spatio-temporal coherent results as it bene?ts from the intrinsic redundancy of the temporal dimension, and minimizes the needs for human intervention in semi-automatic algorithms.

Modelado de Cadenas Cinemáticas mediante Matrices de Desplazamiento. Una alternativa al método de Denavit-Hartenberg

En este trabajo se presenta un método para el modelado de cadenas cinemáticas de robots que salva las dificultades asociadas a la elección de los sistemas de coordenadas y obtención de los parámetros de Denavit-Hartenberg. El método propuesto parte del conocimiento de la posición y orientación del extremo del robot en su configuración de reposo, para ir obteniendo en qué se transforman éstas tras los sucesivos movimientos de sus grados de libertad en secuencia descendente, desde el más alejado al más cercano a su base. Los movimientos son calculados en base a las Matrices de Desplazamiento, que permiten conocer en que se transforma un punto cuando éste es desplazado (trasladado o rotado) con respecto a un eje que no pasa por el origen. A diferencia del método de Denavit-Hartenberg, que precisa ubicar para cada eslabón el origen y las direcciones de los vectores directores de los sistemas de referencia asociados, el método basado en las Matrices de Desplazamiento precisa solo identificar el eje de cada articulación, lo que le hace más simple e intuitivo que aquel. La obtención de las Matrices de Desplazamiento y con ellas del Modelo Cinemático Directo a partir de los ejes de la articulación, puede hacerse mediante algunas simples operaciones, fácilmente programables.