Desarrollo de arquitecturas para procesamiento de control de la mirada en sistemas de visión activa con resolución espacial variable

En esta tesis se aborda la implementación de un sistema completo de visión activa, en el que se capturan y generan imágenes de resolución espacial variable. Todo el sistema se integra en un sólo dispositivo del tipo AP SoC (All Programmable System on Chip), lo que nos permite llevar a cabo el codiseño hardware-software del mismo, implementando en la parte lógica los bloques de preprocesado intensivo, y en la parte software los algoritmos de procesado de control más complejo. El objetivo es que, trabajando con un campo visual del orden de Megapíxeles, se pueda procesar una tasa moderada de imágenes por segundo. Las imágenes multiresolución se generan a partir de sensores de resolución uniforme con una latencia nula, lo que permite tener preparada la imagen de resolución variable en el mismo instante en que se ha terminado de capturar la imagen original. Como innovación con respecto a las primeras contribuciones relacionadas con esta Tesis, se procesan imágenes con toda la información de color. Esto implica la necesidad de diseñar conversores entre espacios de color distintos, para adecuar la información al tipo de procesado que se va a realizar con ella. Estos bloques se integran sin alterar la latencia de entrega de los sucesivos fotogramas. El procesamiento de estas imágenes multirresolución genera un mapa de saliencia que permite mover la fóvea hacía la región considerada como más relevante en la escena. El contenido de la imagen se estructura en una jerarquía de niveles de abstracción. A diferencia de otras arquitecturas de este tipo, como son la pirámide regular y el polígono foveal, en las que se trabaja con imágenes de resolución uniforme en los distintos niveles de la jerarquía, la pirámide irregular foveal que se propone en esta tesis combina las ideas de trabajar con una imagen realmente multirresolución, que incluya el campo de visión completo que abarcan sensor y óptica, con el procesamiento jerárquico propio de las pirámides irregulares. Para ello en esta tesis se propone la implementación de un algoritmo de diezmado irregular que, tomando como base la imagen multirresolución, dará como resultado una estructura piramidal donde los distintos niveles no son imágenes sino grafos orientados a la resolución del problema de segmentación y estimación de saliencia. Todo el sistema se integra en torno a la arquitectura de bus AXI, que permite conectar entre si todos los cores desarrollados en la parte lógica, así como el acceso a la memoria compartida con los algoritmos implementados en la parte software. Esto es posible gracias a los bloques de acceso directo a memoria AXI-VDMA, en una propuesta de configuración que permite tanto la integración perfectamente coordinada de la transferencia de la imagen multirresolución generada a la zona de trabajo del algoritmo de segmentación como su recuperación para la posterior visualización del resultado del proceso, y todo ello con una tasa de trabajo que mejora los resultados de plataformas similares.

Conexiones de Galois y técnicas de tratamiento de la información

En el ámbito de las estructuras ordenadas, Ø. Ore introdujo en 1944 el concepto de conexión de Galois como un par de funciones antítonas entre dos conjuntos parcialmente ordenados, generalizando así la teoría de polaridades entre retículos completos. Este concepto supone una generalización de la correspondencia subgrupo-subcuerpo que se describe en el clásico Teorema Fundamental de la Teoría de Galois, de ahí el origen del término. Años más tarde, J. Schmidt mantuvo la terminología de conexión de Galois, pero cambió las funciones antítonas por funciones isótonas, lo cual favoreció la aplicabilidad de este concepto a Computación. El término adjunción fue introducido en 1958 por D. M. Kan. Originalmente fueron definidas en un contexto categórico y tal vez debido a esto, pueden encontrarse gran cantidad de ejemplos de adjunciones en varias áreas de investigación, que van desde las más teóricas a las más aplicadas. En 1965, Lotfi Zadeh introduce la Teoría de Conjuntos Difusos. En su trabajo se aborda definitivamente el problema del modelado matemático de la ambigüedad, con la definición de conjunto difuso X en un universo U como una aplicación X: U→ [0,1] que asocia a cada elemento u del conjunto U un valor del intervalo real [0,1] y donde X(u) representa el grado de pertenencia de u al conjunto difuso X. El término conexión de Galois difusa fue introducido por R. Belohlávek como un par de aplicaciones definidas entre los conjuntos de conjuntos difusos definidos sobre dos universos. Desde entonces, en el ámbito de la lógica difusa, se pueden encontrar numerosos artículos en los cuales se estudian las conexiones de Galois difusas desde un punto de vista algebraico y abstracto. El objetivo principal de este trabajo es estudiar y caracterizar, a partir de una aplicación f: A→ B desde un conjunto A dotado con una determinada estructura hasta un conjunto B no necesariamente dotado de estructura, las situaciones en las cuales se pueda definir una estructura en B similar a la de A, de forma que además se pueda construir una aplicación g: B→ A tal que el par (f,g) sea una adjunción (conexión de Galois isótona). Se considera el conjunto A dotado con un orden parcial y se realiza la descomposición canónica de la función f a través del conjunto cociente de A con respecto a la relación núcleo. Partiendo del problema inicial de deducir las condiciones necesarias y suficientes para la existencia de un orden parcial en B y para la definición de un adjunto por la derecha de f, con esta descomposición canónica se pretende dividir la cuestión en tres problemas más simples, a saber, la construcción de un orden en el codominio y un adjunto por la derecha para cada una de las aplicaciones que forman parte de la citada descomposición. Esto resuelve la cuestión planteada para el caso de funciones que son sobreyectivas. Para el caso general, es necesario analizar previamente cómo extender una relación de preorden definida sobre un subconjunto de un conjunto dado a dicho conjunto, así como la definición de un adjunto por la derecha para la inclusión natural del subconjunto dentro del conjunto. Se continua la investigación considerando el conjunto A dotado con un preorden, en este caso la ausencia de la propiedad antisimétrica hace necesario utilizar la denominada relación p-núcleo, que es el cierre transitivo de la unión de la relación núcleo y la relación de equivalencia núcleo simétrico. Asimismo, el hecho de que no se tenga unicidad para el máximo o el mínimo de un subconjunto, conduce a trabajar con relaciones definidas en el conjunto de partes de un conjunto (concretamente, con el preorden de Hoare). Todo ello hace aumentar la dificultad en la búsqueda de las condiciones necesarias y suficientes para la existencia de una relación de preorden en el codominio y la existencia de un adjunto por la derecha. Se finaliza esta sección con el análisis de la unicidad del adjunto por la derecha y del orden parcial (preorden) definido sobre el codominio. Después del estudio anterior, se introducen los denominados operadores y sistemas de ≈-cierre en conjuntos preordenados y se analiza la relación existente entre ambos (que deja de ser biunívoca, como sucede en el caso de órdenes parciales). Se trabaja con la noción de compatibilidad respecto a una relación de equivalencia y se caracteriza la construcción de adjunciones entre conjuntos preordenados en términos de la existencia de un sistema de ≈-cierre compatible con la relación núcleo. En una segunda parte de la tesis, se aportan las definiciones de las nociones de adjunción difusa, co-adjunción difusa y conexiones de Galois difusas por la derecha y por la izquierda entre conjuntos con preórdenes difusos. Además se presentan las distintas caracterizaciones de los conceptos anteriormente señalados, así como las relaciones entre ellos. Se aborda la construcción de adjunciones entre conjuntos con órdenes difusos, utilizando de nuevo la relación núcleo, en su versión difusa, y la descomposición canónica de la función de partida respecto a ella. El teorema principal de esta sección recoge una caracterización para la definición de una relación difusa de orden sobre el codominio B y un adjunto por la derecha para f:(A, ρA) → B donde (A, ρA) es un conjunto con un orden difuso. El estudio del problema anterior entre conjuntos con preórdenes difusos, hace necesario trabajar con la relación difusa denominada p-núcleo. También es preciso definir un preorden difuso en el conjunto de partes de un conjunto para describir las condiciones bajo las que es posible la construcción de una adjunción. Se finaliza proponiendo la definición de sistema de cierre en un conjunto con un preorden difuso y algunas caracterizaciones más manejables. También se trabaja con los operadores de cierre definidos en un conjunto con un preorden difuso y se analiza la relación con los sistemas de cierre. Todo ello encaminado a caracterizar la construcción de un adjunto por la derecha y un preorden difuso sobre el codominio B de una de una aplicación f:(A, ρA) → B, donde ρA es un preorden difuso sobre A.

Evaluación del estado de eutrofización del mar Alborán mediante el empleo combinado de imágenes de satélite y de muestreos in situ

La eutrofización marina es un problema que afecta a los mares europeos y particularmente a sus aguas costeras. Se trata del enriquecimiento anómalo en nutrientes de las aguas marinas, generalmente compuestos del nitrógeno y fósforo aportados por la actividad del ser humano, y que tiene como resultado consecuencias nocivas para la calidad de las aguas y la biodiversidad. La Directiva Marco de las Estrategias Marinas, que entró en vigor en 2010, recoge esta problemática y emplaza a los estados miembros para su evaluación y en su caso para la remediación de sus efectos nocivos identificando el origen de los aportes de nutrientes. Esta tarea requiere metodologías y procedimientos operativos que permitan ser implementados de forma coordinada por los estados miembros a nivel regional. En el primer capítulo de esta tesis se presenta una metodología para realizar la zonación del norte del mar Alborán a partir de imágenes de satélite de clorofila a tal que permite delimitar las áreas con características de productividad diferenciadas que pueden ser propuestas como unidades de gestión de la eutrofización y que se puedan emplear tanto en el diseño de los programas de seguimiento como en el aprovechamiento de los datos oceanográficos medidos in situ. En este capítulo se describe la metodología analítica utilizada, que está basada en la aplicación del análisis clúster de las k-medias a las imágenes de satélite de clorofila, así como su validez a partir del análisis de las series temporales de datos tomados in situ. El segundo capítulo se hace una evaluación de los indicadores de la eutrofización en una zona reducida de Alborán, donde existen multitud de datos oceanográficos, meteorológicos y ambientales. Para llevarla a cabo, se adaptó la metodología empleada en el capítulo 1 a la región ECOMALAGA. Una vez realizada la zonación, se agregaron los datos oceanográficos, meteorológicos y ambientales potencialmente relacionados con la eutrofización en cada área, y posteriormente se evaluaron las diferencias estadísticas a lo largo del ciclo estacional y entre las diferentes zonas. Con esta finalidad, se estiman las tendencias temporales de las variables ambientales en cada zona. A partir de los resultados obtenidos se infirió qué variables y/o mecanismos podrían estar influyendo sobre la concentración superficial de la clorofila a. En el tercer capítulo se ensayaron modelos aditivos generalizados (GAM) con el fin de identificar las variables más importantes que afectan a los indicadores de la eutrofización. Como variable respuesta del modelo se usó la clorofila a, pues se trata del indicador directo de la eutrofización más empleado. Las variables explicativas se componen de variables oceanográficas, meteorológicas y ambientales. En el cuarto capítulo se desarrolla un algoritmo regional para el mar de Alborán que permite obtener valores de clorofila a a partir de imágenes de satélite más ajustados a los valores que proporcionan los algoritmos disponibles que la sobreestiman considerablemente. En la discusión final y conclusiones se hace énfasis en el enfoque práctico de esta tesis doctoral, detallando la potencialidad de la metodología presentada para la evaluación de la eutrofización. Para esto, se detallan los resultados de la evaluación obtenidos para el mar Alborán empleando dicha metodología, definiendo su estado actual y las tendencias registradas, así como las causas de los problemas encontrados. Finalmente se evalúan y proponen posibles medidas para su remediación y control.

Arquitectura de Comportamientos Reactivos para Agentes Robóticos basada en CBR

En los últimos tiempos se ha demostrado la importancia del aprendizaje en la Inteligencia humana, tanto en su vertiente de aprendizaje por observación como a través de la experiencia, como medio de identificar situaciones y predecir acciones o respuestas a partir de la información adquirida. Dado este esquema general de la Inteligencia Humana, parece razonable imitar su estructura y características en un intento por diseñar una arquitectura general de inteligencia aplicada a la Robótica. En este trabajo, inspirados por las teorías de Hawkins en su obra On Intelligence, hemos propuesto una arquitectura jerárquica de inteligencia en el que los diversos módulos se implementan a partir de Razonamiento basado en Casos ¿Case Based Reasoning (CBR)¿, una herramienta de IA especialmente apta para la adquisición de conocimiento a través del aprendizaje y para la predicción basada en similitud de información. Dentro de esta arquitectura la presente tesis se centra en las capas inferiores, las de tipo reactivo, expresadas en forma de comportamientos básicos, que implementan conductas sencillas pero indispensables para el funcionamiento de un robot. Estos comportamientos han sido tradicionalmente diseñados de forma algorítmica, con la dificultad que esto entraña en muchos casos por el desconocimiento de sus aspectos intrínsecos. Además, carecen de la capacidad de adaptarse ante nuevas situaciones no previstas y adquirir nuevos conocimientos a través del funcionamiento del robot, algo indispensable si se pretende que éste se desenvuelva en ambientes dinámicos y no estructurados. El trabajo de esta tesis considera la implementación de comportamientos reactivos con capacidad de aprendizaje, como forma de superar los inconvenientes anteriormente mencionados consiguiendo al mismo tiempo una mejor integración en la arquitectura general de Inteligencia considerada, en la cual el aprendizaje ocupa el papel principal. Así, se proponen y analizan diversas alternativas de diseño de comportamientos reactivos, construidos a través de sistemas CBR con capacidad de aprendizaje. En particular se estudia i) la problemática de selección, organización, y representación de la información como recipiente del conocimiento de los comportamientos;ii) los problemas asociados a la escalabilidad de esta información; iii) los aspectos que acompañan al proceso de predicción mediante la recuperación de la respuesta de experiencias previas similares a la presentada; iv) la identificación de la respuesta no solo con la acción a tomar por parte del comportamiento sino con un concepto que represente la situación presentada; y v) la adaptación y evaluación de la respuesta para incorporar nuevas situaciones como nuevo conocimiento del sistema. También se analiza la organización de comportamientos básicos que permite obtener, a través de sus interacciones, comportamientos emergentes de nivel superior aún dentro de un alcance reactivo. Todo ello se prueba con un robot real y con un simulador, en una variante de un escenario de aplicación clásico en Robótica, como es la competición Robocup. La elaboración de esta tesis ha supuesto, además de los aspectos puramente investigadores, un esfuerzo adicional en el desarrollo de las herramientas y metodología de pruebas necesarias para su realización. En este sentido, se ha programado un primer prototipo de marco de implementación de comportamientos reactivos con aprendizaje, basados en CBR, para la plataforma de desarrollo robótico Tekkotsu.