"Deporte inclusivo en la escuela": diseño y análisis de un programa de intervencion para promover la inclusión del alumnado con discapacidad en Educación Física

La Educación Física se muestra, a priori, como un área idónea para trabajar intervenciones educativas para facilitar la inclusión de alumnos con discapacidad. Sin embargo, poco se conoce sobre el potencial que presentan los deportes adaptados y paralímpicos como contenido para fomentar la sensibilización y concienciación del alumnado sin discapacidad, especialmente en situaciones inclusivas de práctica. Por otro lado, la actitud del docente y su formación se presentan como claves en este contexto, ya que es quien en última instancia selecciona los contenidos a trabajar. Entendemos que en EF disponemos de una ocasión única en el curriculum para fomentar la participación activa y efectiva del alumno con discapacidad en clase (especialmente a nivel de desarrollo de la competencia motriz, entre otras), si bien esto depende de factores relacionados con los dos agentes anteriores. Es por todo ello que la Educación Física, como protagonista y como contenido, se muestra como un contexto adecuado para la investigación de los procesos de inclusión de alumnos con discapacidad en el ámbito educativo. Este trabajo de investigación pretende arrojar luz a los interrogantes que condicionan y limitan este contexto, desde una perspectiva multidisciplinar, con distintas metodologías, sobre los tres agentes indicados. La falta de consenso en la literatura en cuanto a las características y tipo de intervenciones eficaces para facilitar esta sensibilización del alumnado, unido a que es un ámbito relativamente reciente como tema de investigación, nos ha impulsado a trabajar en esta línea. El primer objetivo de este trabajo de investigación fue diseñar e implementar un programa de sensibilización y concienciación hacia la discapacidad basado en los deportes adaptados en el área de Educación Física para alumnos de secundaria y bachillerato. Inicialmente, se realizó una búsqueda bibliográfica tanto a nivel nacional como internacional, con el fin de definir las características principales que aporta la literatura científica en este aspecto. Apoyándonos por un lado, en el programa educativo Paralympic School Day (CPI, 2004) y por otro, en la citada revisión, desarrollamos un planteamiento inicial de estructura y fases. Dicho proyecto, fue presentado al Comité Paralímpico Español y a las federaciones deportivas españolas para personas con discapacidad, con la finalidad de recabar su apoyo institucional en forma de aval y recursos no solo a nivel económico sino también como apoyo logístico y de difusión. Tras su aprobación y gracias también al apoyo de la UPM, la Fundación Sanitas y Liberty Seguros, se procedió a diseñar el programa. Para el desarrollo de los materiales didácticos se contactó con expertos en la materia de EF y Actividad Física Adaptada tanto del ámbito educativo (profesores de educación secundaria y profesorado universitario) como del deportivo a nivel nacional. A su vez, se comenzó a difundir entre el profesorado de los centros con el fin de detectar su interés en participar durante el curso académico (2012-2013) en el programa “Deporte Inclusivo en la Escuela”. Con la finalización del desarrollo de los materiales didácticos, se visitó a los centros educativos para presentar el dossier informativo donde se explicaba el programa, así como las características y fases para su implementación. El programa está fundamentado en la Teoría del Contacto (Allport, 1954) y basado en los deportes adaptados y paralímpicos, planteado con una metodología inclusiva, seleccionando la información, la simulación y el contacto directo como estrategias para el fomento de la sensibilización y concienciación hacia la inclusión. En la reunión celebrada en la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte (INEF-UPM) en febrero de 2013, se coordinó junto con el profesorado la implementación del programa en cada uno de los 13 centros educativos, con acciones concretas como la adecuación de la propuesta didáctica en la planificación anual del profesor, el préstamo de material o la ponencia del deportista paralímpico entre otras cuestiones. Para la consecución del objetivo 2 de este trabajo, analizar el efecto del programa en los distintos agentes implicados en el mismo, alumnos sin discapacidad, profesorado de EF y alumnos con discapacidad, se calendarizó la toma de datos y la administración de las diferentes herramientas metodológicas para antes (pretest) como después de la intervención (posttets). En el caso de los alumnos sin discapacidad (N= 1068), se analizó el efecto de la intervención sobre la actitud hacia la inclusión, utilizando el cuestionario “Children Attitude Integrated Physical Education-Revised” (CAIPE-R; Block, 1995) de carácter cuantitativo tras su validación y adaptación al contexto español. Los resultados mostraron cambios significativos positivos en la actitud el grupo que mantuvo un contacto no estructurado con alumnos con discapacidad. En esta muestra también se midió la actitud hacia el juego cooperativo con compañeros con discapacidad en clases de EF usando el cuestionario “Children's Beliefs Toward Cooperative Playing With Peers With Disabilities in Physical Education” (CBIPPD-MPE; Obrusnikova, Block, y Dillon, 2010). El desarrollo de un sistema de categorías fundamentado en la Teoría del Comportamiento Planificado (Azjen, 1991) sirvió como base para el análisis de las creencias del alumnado sin discapacidad. Tras la intervención, las creencias conductuales emergentes se mantuvieron, excepto en el caso de los factores identificados como obstáculos de la inclusión. En el caso de las creencias normativas también se mantuvieron tras la intervención y respecto a las creencias de control, los alumnos identificaron al profesor como principal agente facilitador de la inclusión. En el caso de los profesores de EF participantes en el programa (N=18), se analizó el efecto del programa en su actitud hacia la inclusión de alumnos con discapacidad en EF con el cuestionario “Attitud toward inclusion of individual with physical disabilities in Physical Education” (ATISDPE-R; Kudláèek, Válková, Sherrill, Myers, y French, 2002). Los resultados mostraron que no se produjeron diferencias significativas tras la intervención en la actitud general, encontrando algunas diferencias en determinados ítems relacionados con los beneficios de la inclusión en los alumnos sin discapacidad relacionados con los docentes con experiencia previa con discapacidad y en EF antes de la intervención. La otra dimensión analizada fue el efecto de la intervención en la autoeficacia del profesor en la enseñanza de la EF en condiciones inclusivas, habiendo utilizado el cuestionario "Self-efficacy in teaching PE under inclusive conditions" (SEIPE; Hutzler, Zach, y Gafni, 2005). Los resultados en este caso muestran diferencias significativas positivas en cuestiones relacionadas como sentirse capaces de mejorar las condiciones óptimas de enseñanza con alumnos con discapacidad física como movilidad reducida severa y amputación y discapacidad visual tanto en situaciones deportivas, como juegos o actividades fuera del centro educativo a favor de los docentes. En cuanto al género, los hombres obtuvieron valores superiores a las mujeres en relación a sentirse más capaces de incluir a alumnos con discapacidad física tanto en juegos durante el recreo como en la enseñanza de técnica deportiva. Los profesores con menos de 10 años de docencia mostraron valores más positivos en cuanto a sentirse capaces de incluir a un alumno con discapacidad fisica en deportes durante su tiempo libre. El análisis del diario del profesor muestra por un lado, las tendencias emergentes como principales elementos facilitadores u obstaculizadores de la inclusión en EF, identificando al propio alumno sin discapacidad, el propio profesor, los contenidos, los materiales y la organización. Por otro lado, el análisis de los contenidos propuestos en el programa. En el caso de los alumnos con discapacidad (N=22), se analizó el impacto del programa de intervención en el autoconcepto, con el cuestionario "Autoconcepto forma 5" (AF5; F. García y Musitu, 2001). Se encontraron diferencias significativas a favor de las mujeres antes de la intervención en la dimensión familiar, mientras que los hombres obtuvieron valores más altos en las dimensiones social y físico. En cuanto a la edad, se encontraron diferencias significativas antes de la intervención, con valores superiores en los alumnos más jóvenes (12-14 años) en la dimensión físico, mientras que los alumnos mayores (15-17 años) mostraron valores más altos en la dimensión social del cuestionario. Respeto al tipo de discapacidad, los alumnos con discapacidad motórica mostraron mejores valores que los que tienen discapacidad auditiva para la dimensión físico antes de la intervención. En cuanto al autoconcepto general, las diferencias significativas positivas se producen en la dimensión académica. En cuanto al efecto del programa en la autoestima de los alumnos con discapacidad, se utilizó la Escala de "Autoestima de Rosenberg" (Rosenberg, 1989), no obteniendo diferencias significativas en cuanto el género. Apareciendo diferencias significativas antes de la intervención en el caso de la variable edad en los alumnos más jóvenes, en cuanto a que desearían valorarse más, y en los alumnos con discapacidad auditiva en que no se sienten muy orgullosos de ellos mismos. Se produce una mejora en la autoestima general en cuanto a que se sienten menos inútiles tras la intervención. En relación al objetivo 3 de este trabajo, tras el análisis de los resultados y haber discutido los mismos con los autores de referencia, emergió la propuesta de orientaciones tanto para los programa de intervención en EF para la sensibilización y concienciación del alumnado hacia la inclusión como de cara a la formación específica del profesorado, como clave en este tipo de intervenciones. Creemos que el programa “Deporte Inclusivo Escuela” se convierte en un elemento transformador de la realidad, ya que responde a las necesidades detectadas a la luz de esta investigación y que vienen a dar respuesta a los distintos agentes implicados en su desarrollo. Por un lado, atiende la demanda del ámbito educativo en cuanto a las necesidades de formación del profesorado, sensibilización y concienciación del alumnado sin discapacidad, además de facilitar oportunidades de participación activa al alumno con discapacidad en las sesiones de EF. Por otro lado, satisface la demanda por parte de las instituciones deportivas del ámbito de la discapacidad en cuanto a la promoción y difusión de los deportes adaptados y paralímpicos. Por último, desde el ámbito universitario, se muestra como un recurso en la formación del alumnado del grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, por su participación directa con la discapacidad. Por estos motivos, este trabajo se muestra como un punto de partida adecuado para seguir avanzando en la investigación en esta área. ABSTRACT Physical Education (PE) seems a priori, as a suitable area to work educational interventions to facilitate the inclusion of students with disabilities. However, little is known about the potential that have adapted and Paralympic sports as content to raise awareness of students without disabilities, especially in inclusive practice context. On the other hand, teachers’ attitude and their training are presented as key in this context because it is who selects the content to work. We understand that PE have a unique opportunity in the curriculum to encourage active and effective participation of students with disabilities in class (especially at motor competence development, etc.), although this depends on factors related to the two agents. For these reasons that the PE, as actors and as content is displayed as a context for investigating the processes of inclusion of students with disabilities in education. This research aims to shed light on the questions that condition and limit this context, from a multidisciplinary perspective, with different methodologies on the three agents mentioned. The lack of accord in the literature regarding the characteristics and type of effective facilitators of awareness of students, and that is a new area as a research topic, has prompted us to work in this topic research. The first aim of this research was to design and implement a program of awareness towards disability based on adapted sports in the area of physical education for middle and high school students. Initially, a literature search was performed both nationally and internationally, in order to define the main features that brings the scientific literature in this area. On the one hand, we supported in the Paralympic School Day (IPC, 2004) educative program and on the other hand, in that review, we developed an initial approach to structure and phases. The project was presented to the Spanish Paralympic Committee and the Spanish Sports Federations for people with disabilities, in order to obtain institutional support in the form of guarantees and resources not only in economic terms but also as logistical support and dissemination. Thanks to the support of Fundación Sanitas, Liberty Seguros and Politechnical University of Madrid, we proceeded to design the program. For the development of teaching resources it was contacted experts in the field of Adapted Physical Activity and physical education and both the field of education (high school teachers and university professors) as the adapted sport national. In turn, it began to spread among the teachers of the schools in order to identify their interest in participating in the academic year (2012-2013) in the "Inclusive Sport in School" program. With the completion of the development of educational materials to schools he was visited to present the briefing where the program, as well as features and steps for its implementation are explained. The program is based on the Contact Theory (Allport, 1954) and based on adapted and Paralympic sports, raised with an inclusive approach, selecting strategies for promoting awareness and awareness to inclusion like information, contact and simulation of disability. At the meeting held at the Faculty of Sciences of Physical Activity and Sport (INEF-UPM) in February 2013, it was coordinated with the teachers implementing the program in each of the 13 schools with concrete actions such as adequacy of methodological approach in the annual planning of the teacher, the loan or the presentation of materials Paralympian among other issues. To achieve the objective 2 of this paper, to analyze the effect of the program on the various actions involved it, students without disabilities, PE teachers and students with disabilities, the date for management of the different methodological tools for before (pretest) and after the intervention (posttets). For students without disabilities (N= 1068), the effect of the intervention on the attitude towards inclusion was analyzed, using the quantitative questionnaire "Integrated Physical Education Attitude Children-Revised" (CAIPE-R; Block, 1995), after validation and adaptation to the Spanish context. The results showed significant positive changes in the attitude of the group with no structured contact with students with disabilities. This shows the beliefs towards the cooperative play was with peers with disabilities in PE classes also measured, using the questionnaire "Children's Beliefs Toward Cooperative Playing With Peers With Disabilities in Physical Education" (CBIPPD-MPE; Obrusnikova, Block, and Dillon, 2010). The development of a system of categories based on the Theory of Planned Behavior (Azjen, 1991) served as the basis for analysis of the beliefs of students without disabilities. After surgery, emerging behavioral beliefs remained, except in the case of the factors identified as barriers to inclusion. In the case of normative beliefs also they remained after surgery and regarding control beliefs, students identified the teacher as the main facilitator of inclusion. Regarding PE teachers participating in the program (N = 18), the effect of the program was analyzed their attitude toward inclusion of students with disability in PE with the questionnaire "Toward Attitude inclusion of Individual with in Physical Education "(ATISDPE-R; Kudláèek, Válková, Sherrill, Myers, and French, 2002). The results showed no significant difference occurred after surgery in the general attitude, finding some differences in certain related benefits of inclusion in students without disability relating to teachers with previous experience with disability in PE before intervention. The other dimension was analyzed the effect of the intervention on self-efficacy of teachers in the teaching of PE in inclusive terms, having used the questionnaire "Self-efficacy in PE teaching even under conditions" (SEIPE; Hutzler, Zach, and Gafni, 2005). The results showed significant differences positive in issues like being able to enhance the optimal conditions for teaching students with physical disabilities as amputation and severe visual impairment in both sports situations, such as games or activities outside the school to for teachers. Regard to gender, men earned higher values regarding women about feel more able to include students with physical disabilities in both games during recess and teaching sports technique. Teachers with less than 10 years of teaching showed more positive values as you feel able to include a student with physical disabilities in sports during their leisure time. The analysis of daily teacher shows on the one hand, emerging trends as key facilitators or barrier of the inclusion elements in PE, identifying the students without disabilities themselves, the professor, contents, materials and organization. Furthermore, the analysis of daily teacher about the contents proposed in the program. In the case of students with disabilities (N=22), the impact of the intervention program on self-concept was analyzed, with the questionnaire "Self-concept form 5" (AF5, F. Garcia and Musitu, 2001). The women showed significant differences before the intervention in family dimension, while men scored higher values in the social and physical dimensions were found. In terms of age, significant differences were found before the intervention, with higher values in younger students (12-14 years) in the physical dimension, while older children (15-17 years) showed higher values the social dimension of the questionnaire. Respect disabilities, students with motor disabilities showed better values than those with hearing impairment to the physical dimension before surgery. As for the general self-concept, positive significant differences occur in the academic dimension. As for the effect of the program on self-esteem of students with disabilities Scale "Rosenberg Self-Esteem" (Rosenberg, 1989) was used, not getting significant differences in gender. Only appear significant difference before the intervention in the case of younger students as they wish to be valued more, and students with hearing disabilities who do not feel very proud of themselves. Improved self-esteem generally occurs in that they feel less useless after surgery. With regard to the aim 3 of this research, after analyzing the results and have discussed them with the authors, it emerged the proposal of guidelines for both intervention program EF for sensitization and awareness of students towards inclusion as in the face of specific training for teachers, as key in such interventions. We believe that "Inclusive Sport Schools" program becomes a transforming element of reality, as it responds to the needs identified in the light of this research and come to respond to the various elements involved in its development. On the one hand, it meets the demand of the education sector in terms of the needs of teacher training, awareness of students without disability, and facilitates opportunities for students with disabilities for active participation in PE class. On the other hand, it meets the demand of sports institutions in the field of disability regarding the promotion and dissemination of adapted and Paralympic sports. Finally, it is shown as a resource from the university level for the training of degree in Physical Activity and Sport Science students, by its direct involvement with disability. For these reasons, this work is shown as a good starting point to further advance research in this area.

Novel application for exergy and thermoeconomic analysis of processes simulated with Aspen Plus

A visual basic application for Microsoft® Excel 2007 has been developed as a helpful tool to perform mass, energy, exergy and thermoeconomic (MHBT) calculations during the systematic analysis of energy processes simulated with Aspen Plus®. The application reads an Excel workbook containing three sheets with the matter, work and heat streams results of an Aspen Plus® simulation. The required information from the Aspen Plus® simulation and the algorithm/calculations of the application are described and applied to an Air Separation Unit (ASU). This application helps the designer when MHBT analyses are performed, as it increases the knowledge of the process simulated with Aspen Plus®. It’s a valuable tool not only because of the calculations performed, but also because it creates a new Excel workbook where the results and the formulae written on the cells are fully visible and editable. There is free access to the application and it has no protection allowing changes and improvements to be done.

Visual Tracking, Pose Estimation, and Control for Aerial Vehicles

El principal objetivo de esta tesis es dotar a los vehículos aéreos no tripulados (UAVs, por sus siglas en inglés) de una fuente de información adicional basada en visión. Esta fuente de información proviene de cámaras ubicadas a bordo de los vehículos o en el suelo. Con ella se busca que los UAVs realicen tareas de aterrizaje o inspección guiados por visión, especialmente en aquellas situaciones en las que no haya disponibilidad de estimar la posición del vehículo con base en GPS, cuando las estimaciones de GPS no tengan la suficiente precisión requerida por las tareas a realizar, o cuando restricciones de carga de pago impidan añadir sensores a bordo de los vehículos. Esta tesis trata con tres de las principales áreas de la visión por computador: seguimiento visual y estimación visual de la pose (posición y orientación), que a su vez constituyen la base de la tercera, denominada control servo visual, que en nuestra aplicación se enfoca en el empleo de información visual para controlar los UAVs. Al respecto, esta tesis se ocupa de presentar propuestas novedosas que permitan solucionar problemas relativos al seguimiento de objetos mediante cámaras ubicadas a bordo de los UAVs, se ocupa de la estimación de la pose de los UAVs basada en información visual obtenida por cámaras ubicadas en el suelo o a bordo, y también se ocupa de la aplicación de las técnicas propuestas para solucionar diferentes problemas, como aquellos concernientes al seguimiento visual para tareas de reabastecimiento autónomo en vuelo o al aterrizaje basado en visión, entre otros. Las diversas técnicas de visión por computador presentadas en esta tesis se proponen con el fin de solucionar dificultades que suelen presentarse cuando se realizan tareas basadas en visión con UAVs, como las relativas a la obtención, en tiempo real, de estimaciones robustas, o como problemas generados por vibraciones. Los algoritmos propuestos en esta tesis han sido probados con información de imágenes reales obtenidas realizando pruebas on-line y off-line. Diversos mecanismos de evaluación han sido empleados con el propósito de analizar el desempeño de los algoritmos propuestos, entre los que se incluyen datos simulados, imágenes de vuelos reales, estimaciones precisas de posición empleando el sistema VICON y comparaciones con algoritmos del estado del arte. Los resultados obtenidos indican que los algoritmos de visión por computador propuestos tienen un desempeño que es comparable e incluso mejor al de algoritmos que se encuentran en el estado del arte. Los algoritmos propuestos permiten la obtención de estimaciones robustas en tiempo real, lo cual permite su uso en tareas de control visual. El desempeño de estos algoritmos es apropiado para las exigencias de las distintas aplicaciones examinadas: reabastecimiento autónomo en vuelo, aterrizaje y estimación del estado del UAV. Abstract The main objective of this thesis is to provide Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with an additional vision-based source of information extracted by cameras located either on-board or on the ground, in order to allow UAVs to develop visually guided tasks, such as landing or inspection, especially in situations where GPS information is not available, where GPS-based position estimation is not accurate enough for the task to develop, or where payload restrictions do not allow the incorporation of additional sensors on-board. This thesis covers three of the main computer vision areas: visual tracking and visual pose estimation, which are the bases the third one called visual servoing, which, in this work, focuses on using visual information to control UAVs. In this sense, the thesis focuses on presenting novel solutions for solving the tracking problem of objects when using cameras on-board UAVs, on estimating the pose of the UAVs based on the visual information collected by cameras located either on the ground or on-board, and also focuses on applying these proposed techniques for solving different problems, such as visual tracking for aerial refuelling or vision-based landing, among others. The different computer vision techniques presented in this thesis are proposed to solve some of the frequently problems found when addressing vision-based tasks in UAVs, such as obtaining robust vision-based estimations at real-time frame rates, and problems caused by vibrations, or 3D motion. All the proposed algorithms have been tested with real-image data in on-line and off-line tests. Different evaluation mechanisms have been used to analyze the performance of the proposed algorithms, such as simulated data, images from real-flight tests, publicly available datasets, manually generated ground truth data, accurate position estimations using a VICON system and a robotic cell, and comparison with state of the art algorithms. Results show that the proposed computer vision algorithms obtain performances that are comparable to, or even better than, state of the art algorithms, obtaining robust estimations at real-time frame rates. This proves that the proposed techniques are fast enough for vision-based control tasks. Therefore, the performance of the proposed vision algorithms has shown to be of a standard appropriate to the different explored applications: aerial refuelling and landing, and state estimation. It is noteworthy that they have low computational overheads for vision systems.

An approach to visual cortex operation: optical neuron model

Several works have been published in the last years concerning the modelling and implementation of the visual cortex operation. Most of them present simple neurons with just two different responses, namely inhibitory and excitatory. Some of the different types of visual cortex cells are simulated in these configurations.

Color uniformity in spotligths - visual perception and system design

La iluminación con diodos emisores de luz (LED) está reemplazando cada vez en mayor medida a las fuentes de luz tradicionales. La iluminación LED ofrece ventajas en eficiencia, consumo de energía, diseño, tamaño y calidad de la luz. Durante más de 50 años, los investigadores han estado trabajando en mejoras LED. Su principal relevancia para la iluminación está aumentando rápidamente. Esta tesis se centra en un campo de aplicación importante, como son los focos. Se utilizan para enfocar la luz en áreas definidas, en objetos sobresalientes en condiciones profesionales. Esta iluminación de alto rendimiento requiere una calidad de luz definida, que incluya temperaturas ajustables de color correlacionadas (CCT), de alto índice de reproducción cromática (CRI), altas eficiencias, y colores vivos y brillantes. En el paquete LED varios chips de diferentes colores (rojo, azul, fósforo convertido) se combinan para cumplir con la distribución de energía espectral con alto CRI. Para colimar la luz en los puntos concretos deseados con un ángulo de emisión determinado, se utilizan blancos sintonizables y diversos colores de luz y ópticas secundarias. La combinación de una fuente LED de varios colores con elementos ópticos puede causar falta de homogeneidad cromática en la distribución espacial y angular de la luz, que debe resolverse en el diseño óptico. Sin embargo, no hay necesidad de uniformidad perfecta en el punto de luz debido al umbral en la percepción visual del ojo humano. Por lo tanto, se requiere una descripción matemática del nivel de uniformidad del color con respecto a la percepción visual. Esta tesis está organizada en siete capítulos. Después de un capítulo inicial que presenta la motivación que ha guiado la investigación de esta tesis, en el capítulo 2 se presentan los fundamentos científicos de la uniformidad del color en luces concentradas, como son: el espacio de color aplicado CIELAB, la percepción visual del color, los fundamentos de diseño de focos respecto a los motores de luz y ópticas no formadoras de imágenes, y los últimos avances en la evaluación de la uniformidad del color en el campo de los focos. El capítulo 3 desarrolla diferentes métodos para la descripción matemática de la distribución espacial del color en un área definida, como son la diferencia de color máxima, la desviación media del color, el gradiente de la distribución espacial de color, así como la suavidad radial y axial. Cada función se refiere a los diferentes factores que influyen en la visión, los cuales necesitan un tratamiento distinto que el de los datos que se tendrán en cuenta, además de funciones de ponderación que pre- y post-procesan los datos simulados o medidos para la reducción del ruido, la luminancia de corte, la aplicación de la ponderación de luminancia, la función de sensibilidad de contraste, y la función de distribución acumulativa. En el capítulo 4, se obtiene la función de mérito Usl para la estimación de la uniformidad del color percibida en focos. Se basó en los resultados de dos conjuntos de experimentos con factor humano realizados para evaluar la percepción visual de los sujetos de los patrones de focos típicos. El primer experimento con factor humano dio lugar al orden de importancia percibida de los focos. El orden de rango percibido se utilizó para correlacionar las descripciones matemáticas de las funciones básicas y la función ponderada sobre la distribución espacial del color, que condujo a la función Usl. El segundo experimento con factor humano probó la percepción de los focos bajo condiciones ambientales diversas, con el objetivo de proporcionar una escala absoluta para Usl, para poder así sustituir la opinión subjetiva personal de los individuos por una función de mérito estandarizada. La validación de la función Usl se presenta en relación con el alcance de la aplicación y condiciones, así como las limitaciones y restricciones que se realizan en el capítulo 5. Se compararon los datos medidos y simulados de varios sistemas ópticos. Se discuten los campos de aplicación , así como validaciones y restricciones de la función. El capítulo 6 presenta el diseño del sistema de focos y su optimización. Una evaluación muestra el análisis de sistemas basados en el reflector y la lente TIR. Los sistemas ópticos simulados se comparan en la uniformidad del color Usl, sensibilidad a las sombras coloreadas, eficiencia e intensidad luminosa máxima. Se ha comprobado que no hay un sistema único que obtenga los mejores resultados en todas las categorías, y que una excelente uniformidad de color se pudo alcanzar por la conjunción de dos sistemas diferentes. Finalmente, el capítulo 7 presenta el resumen de esta tesis y la perspectiva para investigar otros aspectos. ABSTRACT Illumination with light-emitting diodes (LED) is more and more replacing traditional light sources. They provide advantages in efficiency, energy consumption, design, size and light quality. For more than 50 years, researchers have been working on LED improvements. Their main relevance for illumination is rapidly increasing. This thesis is focused on one important field of application which are spotlights. They are used to focus light on defined areas, outstanding objects in professional conditions. This high performance illumination required a defined light quality including tunable correlated color temperatures (CCT), high color rendering index (CRI), high efficiencies and bright, vivid colors. Several differently colored chips (red, blue, phosphor converted) in the LED package are combined to meet spectral power distribution with high CRI, tunable white and several light colors and secondary optics are used to collimate the light into the desired narrow spots with defined angle of emission. The combination of multi-color LED source and optical elements may cause chromatic inhomogeneities in spatial and angular light distribution which needs to solved at the optical design. However, there is no need for perfect uniformity in the spot light due to threshold in visual perception of human eye. Therefore, a mathematical description of color uniformity level with regard to visual perception is required. This thesis is organized seven seven chapters. After an initial one presenting the motivation that has guided the research of this thesis, Chapter 2 introduces the scientific basics of color uniformity in spot lights including: the applied color space CIELAB, the visual color perception, the spotlight design fundamentals with regards to light engines and nonimaging optics, and the state of the art for the evaluation of color uniformity in the far field of spotlights. Chapter 3 develops different methods for mathematical description of spatial color distribution in a defined area, which are the maximum color difference, the average color deviation, the gradient of spatial color distribution as well as the radial and axial smoothness. Each function refers to different visual influencing factors, and they need different handling of data be taken into account, along with weighting functions which pre- and post-process the simulated or measured data for noise reduction, luminance cutoff, the implementation of luminance weighting, contrast sensitivity function, and cumulative distribution function. In chapter 4, the merit function Usl for the estimation of the perceived color uniformity in spotlights is derived. It was based on the results of two sets of human factor experiments performed to evaluate the visual perception of typical spotlight patterns by subjects. The first human factor experiment resulted in the perceived rank order of the spotlights. The perceived rank order was used to correlate the mathematical descriptions of basic functions and weighted function concerning the spatial color distribution, which lead to the Usl function. The second human factor experiment tested the perception of spotlights under varied environmental conditions, with to objective to provide an absolute scale for Usl, so the subjective personal opinion of individuals could be replaced by a standardized merit function. The validation of the Usl function is presented concerning the application range and conditions as well as limitations and restrictions in carried out in chapter 5. Measured and simulated data of various optical several systems were compared. Fields of applications are discussed as well as validations and restrictions of the function. Chapter 6 presents spotlight system design and their optimization. An evaluation shows the analysis of reflector-based and TIR lens systems. The simulated optical systems are compared in color uniformity Usl , sensitivity to colored shadows, efficiency, and peak luminous intensity. It has been found that no single system which performed best in all categories, and that excellent color uniformity could be reached by two different system assemblies. Finally, chapter 7 summarizes the conclusions of the present thesis and an outlook for further investigation topics.

Visual attention and perception models for assessing quality in 2D and 3D stereoscopic video

La medida de calidad de vídeo sigue siendo necesaria para definir los criterios que caracterizan una señal que cumpla los requisitos de visionado impuestos por el usuario. Las nuevas tecnologías, como el vídeo 3D estereoscópico o formatos más allá de la alta definición, imponen nuevos criterios que deben ser analizadas para obtener la mayor satisfacción posible del usuario. Entre los problemas detectados durante el desarrollo de esta tesis doctoral se han determinado fenómenos que afectan a distintas fases de la cadena de producción audiovisual y tipo de contenido variado. En primer lugar, el proceso de generación de contenidos debe encontrarse controlado mediante parámetros que eviten que se produzca el disconfort visual y, consecuentemente, fatiga visual, especialmente en lo relativo a contenidos de 3D estereoscópico, tanto de animación como de acción real. Por otro lado, la medida de calidad relativa a la fase de compresión de vídeo emplea métricas que en ocasiones no se encuentran adaptadas a la percepción del usuario. El empleo de modelos psicovisuales y diagramas de atención visual permitirían ponderar las áreas de la imagen de manera que se preste mayor importancia a los píxeles que el usuario enfocará con mayor probabilidad. Estos dos bloques se relacionan a través de la definición del término saliencia. Saliencia es la capacidad del sistema visual para caracterizar una imagen visualizada ponderando las áreas que más atractivas resultan al ojo humano. La saliencia en generación de contenidos estereoscópicos se refiere principalmente a la profundidad simulada mediante la ilusión óptica, medida en términos de distancia del objeto virtual al ojo humano. Sin embargo, en vídeo bidimensional, la saliencia no se basa en la profundidad, sino en otros elementos adicionales, como el movimiento, el nivel de detalle, la posición de los píxeles o la aparición de caras, que serán los factores básicos que compondrán el modelo de atención visual desarrollado. Con el objetivo de detectar las características de una secuencia de vídeo estereoscópico que, con mayor probabilidad, pueden generar disconfort visual, se consultó la extensa literatura relativa a este tema y se realizaron unas pruebas subjetivas preliminares con usuarios. De esta forma, se llegó a la conclusión de que se producía disconfort en los casos en que se producía un cambio abrupto en la distribución de profundidades simuladas de la imagen, aparte de otras degradaciones como la denominada “violación de ventana”. A través de nuevas pruebas subjetivas centradas en analizar estos efectos con diferentes distribuciones de profundidades, se trataron de concretar los parámetros que definían esta imagen. Los resultados de las pruebas demuestran que los cambios abruptos en imágenes se producen en entornos con movimientos y disparidades negativas elevadas que producen interferencias en los procesos de acomodación y vergencia del ojo humano, así como una necesidad en el aumento de los tiempos de enfoque del cristalino. En la mejora de las métricas de calidad a través de modelos que se adaptan al sistema visual humano, se realizaron también pruebas subjetivas que ayudaron a determinar la importancia de cada uno de los factores a la hora de enmascarar una determinada degradación. Los resultados demuestran una ligera mejora en los resultados obtenidos al aplicar máscaras de ponderación y atención visual, los cuales aproximan los parámetros de calidad objetiva a la respuesta del ojo humano. ABSTRACT Video quality assessment is still a necessary tool for defining the criteria to characterize a signal with the viewing requirements imposed by the final user. New technologies, such as 3D stereoscopic video and formats of HD and beyond HD oblige to develop new analysis of video features for obtaining the highest user’s satisfaction. Among the problems detected during the process of this doctoral thesis, it has been determined that some phenomena affect to different phases in the audiovisual production chain, apart from the type of content. On first instance, the generation of contents process should be enough controlled through parameters that avoid the occurrence of visual discomfort in observer’s eye, and consequently, visual fatigue. It is especially necessary controlling sequences of stereoscopic 3D, with both animation and live-action contents. On the other hand, video quality assessment, related to compression processes, should be improved because some objective metrics are adapted to user’s perception. The use of psychovisual models and visual attention diagrams allow the weighting of image regions of interest, giving more importance to the areas which the user will focus most probably. These two work fields are related together through the definition of the term saliency. Saliency is the capacity of human visual system for characterizing an image, highlighting the areas which result more attractive to the human eye. Saliency in generation of 3DTV contents refers mainly to the simulated depth of the optic illusion, i.e. the distance from the virtual object to the human eye. On the other hand, saliency is not based on virtual depth, but on other features, such as motion, level of detail, position of pixels in the frame or face detection, which are the basic features that are part of the developed visual attention model, as demonstrated with tests. Extensive literature involving visual comfort assessment was looked up, and the development of new preliminary subjective assessment with users was performed, in order to detect the features that increase the probability of discomfort to occur. With this methodology, the conclusions drawn confirmed that one common source of visual discomfort was when an abrupt change of disparity happened in video transitions, apart from other degradations, such as window violation. New quality assessment was performed to quantify the distribution of disparities over different sequences. The results confirmed that abrupt changes in negative parallax environment produce accommodation-vergence mismatches derived from the increasing time for human crystalline to focus the virtual objects. On the other side, for developing metrics that adapt to human visual system, additional subjective tests were developed to determine the importance of each factor, which masks a concrete distortion. Results demonstrated slight improvement after applying visual attention to objective metrics. This process of weighing pixels approximates the quality results to human eye’s response.