Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure (versión actualizada)

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

Cifrado de imágenes digitales basado en teoría del caos: mapas logísticos

Las nuevas tendencias de compartir archivos multimedia a través de redes abiertas, demanda el uso de mejores técnicas de encriptación que garanticen la integridad, disponibilidad y confidencialidad, manteniendo y/o mejorando la eficiencia del proceso de cifrado sobre estos archivos. Hoy en día es frecuente la transferencia de imágenes a través de medios tecnológicos, siendo necesario la actualización de las técnicas de encriptación existentes y mejor aún, la búsqueda de nuevas alternativas. Actualmente los algoritmos criptográficos clásicos son altamente conocidos en medio de la sociedad informática lo que provoca mayor vulnerabilidad, sin contar los altos tiempos de procesamiento al momento de ser utilizados, elevando la probabilidad de ser descifrados y minimizando la disponibilidad inmediata de los recursos. Para disminuir estas probabilidades, el uso de la teoría de caos surge como una buena opción para ser aplicada en un algoritmo que tome partida del comportamiento caótico de los sistemas dinámicos, y aproveche las propiedades de los mapas logísticos para elevar el nivel de robustez en el cifrado. Es por eso que este trabajo propone la creación de un sistema criptográfico basado sobre una arquitectura dividida en dos etapas de confusión y difusión. Cada una de ellas utiliza una ecuación logística para generar números pseudoaleatorios que permitan desordenar la posición del píxel y cambiar su intensidad en la escala de grises. Este proceso iterativo es determinado por la cantidad total de píxeles de una imagen. Finalmente, toda la lógica de cifrado es ejecutada sobre la tecnología CUDA que permite el procesamiento en paralelo. Como aporte sustancial, se propone una nueva técnica de encriptación vanguardista de alta sensibilidad ante ruidos externos manteniendo no solo la confidencialidad de la imagen, sino también la disponibilidad y la eficiencia en los tiempos de proceso.---ABSTRACT---New trends to share multimedia files over open networks, demand the best use of encryption techniques to ensure the integrity, availability and confidentiality, keeping and/or improving the efficiency of the encryption process on these files. Today it is common to transfer pictures through technological networks, thus, it is necessary to update existing techniques encryption, and even better, the searching of new alternatives. Nowadays, classic cryptographic algorithms are highly known in the midst of the information society which not only causes greater vulnerability, but high processing times when this algorithms are used. It raise the probability of being deciphered and minimizes the immediate availability of resources. To reduce these odds, the use of chaos theory emerged as a good option to be applied on an algorithm that takes advantage of chaotic behavior of dynamic systems, and take logistic maps’ properties to raise the level of robustness in the encryption. That is why this paper proposes the creation of a cryptographic system based on an architecture divided into two stages: confusion and diffusion. Each stage uses a logistic equation to generate pseudorandom numbers that allow mess pixel position and change their intensity in grayscale. This iterative process is determined by the total number of pixels of an image. Finally, the entire encryption logic is executed on the CUDA technology that enables parallel processing. As a substantial contribution, it propose a new encryption technique with high sensitivity on external noise not only keeping the confidentiality of the image, but also the availability and efficiency in processing times.

Implementación de una Support Vector Machine en RVC – CAL para imágenes hiperespectrales

El análisis de imágenes hiperespectrales permite obtener información con una gran resolución espectral: cientos de bandas repartidas desde el espectro infrarrojo hasta el ultravioleta. El uso de dichas imágenes está teniendo un gran impacto en el campo de la medicina y, en concreto, destaca su utilización en la detección de distintos tipos de cáncer. Dentro de este campo, uno de los principales problemas que existen actualmente es el análisis de dichas imágenes en tiempo real ya que, debido al gran volumen de datos que componen estas imágenes, la capacidad de cómputo requerida es muy elevada. Una de las principales líneas de investigación acerca de la reducción de dicho tiempo de procesado se basa en la idea de repartir su análisis en diversos núcleos trabajando en paralelo. En relación a esta línea de investigación, en el presente trabajo se desarrolla una librería para el lenguaje RVC – CAL – lenguaje que está especialmente pensado para aplicaciones multimedia y que permite realizar la paralelización de una manera intuitiva – donde se recogen las funciones necesarias para implementar el clasificador conocido como Support Vector Machine – SVM. Cabe mencionar que este trabajo complementa el realizado en [1] y [2] donde se desarrollaron las funciones necesarias para implementar una cadena de procesado que utiliza el método unmixing para procesar la imagen hiperespectral. En concreto, este trabajo se encuentra dividido en varias partes. La primera de ellas expone razonadamente los motivos que han llevado a comenzar este Trabajo de Investigación y los objetivos que se pretenden conseguir con él. Tras esto, se hace un amplio estudio del estado del arte actual y, en él, se explican tanto las imágenes hiperespectrales como sus métodos de procesado y, en concreto, se detallará el método que utiliza el clasificador SVM. Una vez expuesta la base teórica, nos centraremos en la explicación del método seguido para convertir una versión en Matlab del clasificador SVM optimizado para analizar imágenes hiperespectrales; un punto importante en este apartado es que se desarrolla la versión secuencial del algoritmo y se asientan las bases para una futura paralelización del clasificador. Tras explicar el método utilizado, se exponen los resultados obtenidos primero comparando ambas versiones y, posteriormente, analizando por etapas la versión adaptada al lenguaje RVC – CAL. Por último, se aportan una serie de conclusiones obtenidas tras analizar las dos versiones del clasificador SVM en cuanto a bondad de resultados y tiempos de procesado y se proponen una serie de posibles líneas de actuación futuras relacionadas con dichos resultados. ABSTRACT. Hyperspectral imaging allows us to collect high resolution spectral information: hundred of bands covering from infrared to ultraviolet spectrum. These images have had strong repercussions in the medical field; in particular, we must highlight its use in cancer detection. In this field, the main problem we have to deal with is the real time analysis, because these images have a great data volume and they require a high computational power. One of the main research lines that deals with this problem is related with the analysis of these images using several cores working at the same time. According to this investigation line, this document describes the development of a RVC – CAL library – this language has been widely used for working with multimedia applications and allows an optimized system parallelization –, which joins all the functions needed to implement the Support Vector Machine – SVM - classifier. This research complements the research conducted in [1] and [2] where the necessary functions to implement the unmixing method to analyze hyperspectral images were developed. The document is divided in several chapters. The first of them introduces the motivation of the Master Thesis and the main objectives to achieve. After that, we study the state of the art of some technologies related with this work, like hyperspectral images, their processing methods and, concretely, the SVM classifier. Once we have exposed the theoretical bases, we will explain the followed methodology to translate a Matlab version of the SVM classifier optimized to process an hyperspectral image to RVC – CAL language; one of the most important issues in this chapter is that a sequential implementation is developed and the bases of a future parallelization of the SVM classifier are set. At this point, we will expose the results obtained in the comparative between versions and then, the results of the different steps that compose the SVM in its RVC – CAL version. Finally, we will extract some conclusions related with algorithm behavior and time processing. In the same way, we propose some future research lines according to the results obtained in this document.

Detectores monolíticos y sensores compatibles con altos campos magnéticos para tomografía por emisión de positrones

Esta tesis recoje un trabajo experimental centrado en profundizar sobre el conocimiento de los bloques detectores monolíticos como alternativa a los detectores segmentados para tomografía por emisión de positrones (Positron Emission Tomography, PET). El trabajo llevado a cabo incluye el desarrollo, la caracterización, la puesta a punto y la evaluación de prototipos demostradores PET utilizando bloques monolíticos de ortosilicato de lutecio ytrio dopado con cerio (Cerium-Doped Lutetium Yttrium Orthosilicate, LYSO:Ce) usando sensores compatibles con altos campos magnéticos, tanto fotodiodos de avalancha (Avalanche Photodiodes, APDs) como fotomultiplicadores de silicio (Silicon Photomultipliers, SiPMs). Los prototipos implementados con APDs se construyeron para estudiar la viabilidad de un prototipo PET de alta sensibilidad previamente simulado, denominado BrainPET. En esta memoria se describe y caracteriza la electrónica frontal integrada utilizada en estos prototipos junto con la electrónica de lectura desarrollada específicamente para los mismos. Se muestran los montajes experimentales para la obtención de las imágenes tomográficas PET y para el entrenamiento de los algoritmos de red neuronal utilizados para la estimación de las posiciones de incidencia de los fotones γ sobre la superficie de los bloques monolíticos. Con el prototipo BrainPET se obtuvieron resultados satisfactorios de resolución energética (13 % FWHM), precisión espacial de los bloques monolíticos (~ 2 mm FWHM) y resolución espacial de la imagen PET de 1,5 - 1,7 mm FWHM. Además se demostró una capacidad resolutiva en la imagen PET de ~ 2 mm al adquirir simultáneamente imágenes de fuentes radiactivas separadas a distancias conocidas. Sin embargo, con este prototipo se detectaron también dos limitaciones importantes. En primer lugar, se constató una falta de flexibilidad a la hora de trabajar con un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) cuyo diseño electrónico no era propio sino comercial, unido al elevado coste que requieren las modificaciones del diseño de un ASIC con tales características. Por otra parte, la caracterización final de la electrónica integrada del BrainPET mostró una resolución temporal con amplio margen de mejora (~ 13 ns FWHM). Tomando en cuenta estas limitaciones obtenidas con los prototipos BrainPET, junto con la evolución tecnológica hacia matrices de SiPM, el conocimiento adquirido con los bloques monolíticos se trasladó a la nueva tecnología de sensores disponible, los SiPMs. A su vez se inició una nueva estrategia para la electrónica frontal, con el ASIC FlexToT, un ASIC de diseño propio basado en un esquema de medida del tiempo sobre umbral (Time over Threshold, ToT), en donde la duración del pulso de salida es proporcional a la energía depositada. Una de las características más interesantes de este esquema es la posibilidad de manejar directamente señales de pulsos digitales, en lugar de procesar la amplitud de las señales analógicas. Con esta arquitectura electrónica se sustituyen los conversores analógicos digitales (Analog to Digital Converter, ADCs) por conversores de tiempo digitales (Time to Digital Converter, TDCs), pudiendo implementar éstos de forma sencilla en matrices de puertas programmable ‘in situ’ (Field Programmable Gate Array, FPGA), reduciendo con ello el consumo y la complejidad del diseño. Se construyó un nuevo prototipo demostrador FlexToT para validar dicho ASIC para bloques monolíticos o segmentados. Se ha llevado a cabo el diseño y caracterización de la electrónica frontal necesaria para la lectura del ASIC FlexToT, evaluando su linealidad y rango dinámico, el comportamiento frente a ruido así como la no linealidad diferencial obtenida con los TDCs implementados en la FPGA. Además, la electrónica presentada en este trabajo es capaz de trabajar con altas tasas de actividad y de discriminar diferentes centelleadores para aplicaciones phoswich. El ASIC FlexToT proporciona una excelente resolución temporal en coincidencia para los eventos correspondientes con el fotopico de 511 keV (128 ps FWHM), solventando las limitaciones de resolución temporal del prototipo BrainPET. Por otra parte, la resolución energética con bloques monolíticos leidos por ASICs FlexToT proporciona una resolución energética de 15,4 % FWHM a 511 keV. Finalmente, se obtuvieron buenos resultados en la calidad de la imagen PET y en la capacidad resolutiva del demostrador FlexToT, proporcionando resoluciones espaciales en el centro del FoV en torno a 1,4 mm FWHM. ABSTRACT This thesis is focused on the development of experimental activities used to deepen the knowledge of monolithic detector blocks as an alternative to segmented detectors for Positron Emission Tomography (PET). It includes the development, characterization, setting up, running and evaluation of PET demonstrator prototypes with monolithic detector blocks of Cerium-doped Lutetium Yttrium Orthosilicate (LYSO:Ce) using magnetically compatible sensors such as Avalanche Photodiodes (APDs) and Silicon Photomultipliers (SiPMs). The prototypes implemented with APDs were constructed to validate the viability of a high-sensitivity PET prototype that had previously been simulated, denominated BrainPET. This work describes and characterizes the integrated front-end electronics used in these prototypes, as well as the electronic readout system developed especially for them. It shows the experimental set-ups to obtain the tomographic PET images and to train neural networks algorithms used for position estimation of photons impinging on the surface of monolithic blocks. Using the BrainPET prototype, satisfactory energy resolution (13 % FWHM), spatial precision of monolithic blocks (~ 2 mm FWHM) and spatial resolution of the PET image (1.5 – 1.7 mm FWHM) in the center of the Field of View (FoV) were obtained. Moreover, we proved the imaging capabilities of this demonstrator with extended sources, considering the acquisition of two simultaneous sources of 1 mm diameter placed at known distances. However, some important limitations were also detected with the BrainPET prototype. In the first place, it was confirmed that there was a lack of flexibility working with an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) whose electronic design was not own but commercial, along with the high cost required to modify an ASIC design with such features. Furthermore, the final characterization of the BrainPET ASIC showed a timing resolution with room for improvement (~ 13 ns FWHM). Taking into consideration the limitations obtained with the BrainPET prototype, along with the technological evolution in magnetically compatible devices, the knowledge acquired with the monolithic blocks were transferred to the new technology available, the SiPMs. Moreover, we opted for a new strategy in the front-end electronics, the FlexToT ASIC, an own design ASIC based on a Time over Threshold (ToT) scheme. One of the most interesting features underlying a ToT architecture is the encoding of the analog input signal amplitude information into the duration of the output signals, delivering directly digital pulses. The electronic architecture helps substitute the Analog to Digital Converters (ADCs) for Time to Digital Converters (TDCs), and they are easily implemented in Field Programmable Gate Arrays (FPGA), reducing the consumption and the complexity of the design. A new prototype demonstrator based on SiPMs was implemented to validate the FlexToT ASIC for monolithic or segmented blocks. The design and characterization of the necessary front-end electronic to read-out the signals from the ASIC was carried out by evaluating its linearity and dynamic range, its performance with an external noise signal, as well as the differential nonlinearity obtained with the TDCs implemented in the FPGA. Furthermore, the electronic presented in this work is capable of working at high count rates and discriminates different phoswich scintillators. The FlexToT ASIC provides an excellent coincidence time resolution for events that correspond to 511 keV photopeak (128 ps FWHM), resolving the limitations of the poor timing resolution of the BrainPET prototype. Furthermore, the energy resolution with monolithic blocks read by FlexToT ASICs provides an energy resolution of 15.4 % FWHM at 511 keV. Finally, good results were obtained in the quality of the PET image and the resolving power of the FlexToT demonstrator, providing spatial resolutions in the centre of the FoV at about 1.4 mm FWHM.

Estimación eficiente de atributos demográficos del rostro humano en imágenes

Sin duda, el rostro humano ofrece mucha más información de la que pensamos. La cara transmite sin nuestro consentimiento señales no verbales, a partir de las interacciones faciales, que dejan al descubierto nuestro estado afectivo, actividad cognitiva, personalidad y enfermedades. Estudios recientes [OFT14, TODMS15] demuestran que muchas de nuestras decisiones sociales e interpersonales derivan de un previo análisis facial de la cara que nos permite establecer si esa persona es confiable, trabajadora, inteligente, etc. Esta interpretación, propensa a errores, deriva de la capacidad innata de los seres humanas de encontrar estas señales e interpretarlas. Esta capacidad es motivo de estudio, con un especial interés en desarrollar métodos que tengan la habilidad de calcular de manera automática estas señales o atributos asociados a la cara. Así, el interés por la estimación de atributos faciales ha crecido rápidamente en los últimos años por las diversas aplicaciones en que estos métodos pueden ser utilizados: marketing dirigido, sistemas de seguridad, interacción hombre-máquina, etc. Sin embargo, éstos están lejos de ser perfectos y robustos en cualquier dominio de problemas. La principal dificultad encontrada es causada por la alta variabilidad intra-clase debida a los cambios en la condición de la imagen: cambios de iluminación, oclusiones, expresiones faciales, edad, género, etnia, etc.; encontradas frecuentemente en imágenes adquiridas en entornos no controlados. Este de trabajo de investigación estudia técnicas de análisis de imágenes para estimar atributos faciales como el género, la edad y la postura, empleando métodos lineales y explotando las dependencias estadísticas entre estos atributos. Adicionalmente, nuestra propuesta se centrará en la construcción de estimadores que tengan una fuerte relación entre rendimiento y coste computacional. Con respecto a éste último punto, estudiamos un conjunto de estrategias para la clasificación de género y las comparamos con una propuesta basada en un clasificador Bayesiano y una adecuada extracción de características. Analizamos en profundidad el motivo de porqué las técnicas lineales no han logrado resultados competitivos hasta la fecha y mostramos cómo obtener rendimientos similares a las mejores técnicas no-lineales. Se propone un segundo algoritmo para la estimación de edad, basado en un regresor K-NN y una adecuada selección de características tal como se propuso para la clasificación de género. A partir de los experimentos desarrollados, observamos que el rendimiento de los clasificadores se reduce significativamente si los ´estos han sido entrenados y probados sobre diferentes bases de datos. Hemos encontrado que una de las causas es la existencia de dependencias entre atributos faciales que no han sido consideradas en la construcción de los clasificadores. Nuestro resultados demuestran que la variabilidad intra-clase puede ser reducida cuando se consideran las dependencias estadísticas entre los atributos faciales de el género, la edad y la pose; mejorando el rendimiento de nuestros clasificadores de atributos faciales con un coste computacional pequeño. Abstract Surely the human face provides much more information than we think. The face provides without our consent nonverbal cues from facial interactions that reveal our emotional state, cognitive activity, personality and disease. Recent studies [OFT14, TODMS15] show that many of our social and interpersonal decisions derive from a previous facial analysis that allows us to establish whether that person is trustworthy, hardworking, intelligent, etc. This error-prone interpretation derives from the innate ability of human beings to find and interpret these signals. This capability is being studied, with a special interest in developing methods that have the ability to automatically calculate these signs or attributes associated with the face. Thus, the interest in the estimation of facial attributes has grown rapidly in recent years by the various applications in which these methods can be used: targeted marketing, security systems, human-computer interaction, etc. However, these are far from being perfect and robust in any domain of problems. The main difficulty encountered is caused by the high intra-class variability due to changes in the condition of the image: lighting changes, occlusions, facial expressions, age, gender, ethnicity, etc.; often found in images acquired in uncontrolled environments. This research work studies image analysis techniques to estimate facial attributes such as gender, age and pose, using linear methods, and exploiting the statistical dependencies between these attributes. In addition, our proposal will focus on the construction of classifiers that have a good balance between performance and computational cost. We studied a set of strategies for gender classification and we compare them with a proposal based on a Bayesian classifier and a suitable feature extraction based on Linear Discriminant Analysis. We study in depth why linear techniques have failed to provide competitive results to date and show how to obtain similar performances to the best non-linear techniques. A second algorithm is proposed for estimating age, which is based on a K-NN regressor and proper selection of features such as those proposed for the classification of gender. From our experiments we note that performance estimates are significantly reduced if they have been trained and tested on different databases. We have found that one of the causes is the existence of dependencies between facial features that have not been considered in the construction of classifiers. Our results demonstrate that intra-class variability can be reduced when considering the statistical dependencies between facial attributes gender, age and pose, thus improving the performance of our classifiers with a reduced computational cost.

Estudio dinámico de las aceleraciones en pasos inferiores de líneas de alta velocidad

El comportamiento dinámico de los puentes de ferrocarril, tanto convencional como de alta velocidad, constituye uno de los criterios de diseño más relevantes en la actualidad, puesto que bajo situaciones resonantes la amplificación dinámica que se produce puede llegar a ser muy elevada, no resultando válidas las metodologías utilizadas tradicionalmente. De igual forma, la amplificación dinámica suele llevar asociada la aparición de inestabilidades de la vía relacionadas con vibraciones excesivas de la capa de balasto, las cuales comprometen los estados límite de servicio de la estructura y por lo tanto no permiten garantizar el confort de los pasajeros. Para analizar el comportamiento dinámico de estructuras semi-enterradas en líneas de alta velocidad se decide llevar a cabo el presente Trabajo Fin de Máster en colaboración con la Subdirección de Ingeniería e Innovación de Adif. En este contexto, los objetivos principales de esta investigación comprenden la revisión del estado actual de conocimiento relativo a cálculo y evaluación dinámica, el análisis de tipologías de estructuras semi-enterradas de alguna de las líneas de alta velocidad gestionadas por Adif, así como la elaboración de distintos modelos numéricos de Elementos Finitos que permitan contrastar las medidas experimentales obtenidas en la campaña de instrumentación realizada. Por tanto, se realiza un estudio detallado del paso inferior seleccionado como representativo de la LAV Madrid - Barcelona - Frontera Francesa por medio de modelos numéricos en 2 y 3 dimensiones, desarrollados en FEAP v8.1 (2007). Estos modelos son calibrados en base a las aceleraciones máximas registradas en la campaña instrumental, así como al estudio del contenido frecuencial de cada uno de los sensores dispuestos. La resolución de los modelos se lleva a cabo por medio de una descomposición modal. Por último, en lo que se refiere a resultados obtenidos, destacar que los modelos desarrollados tras la calibración reproducen de forma fiel el comportamiento dinámico del paso inferior seleccionado bajo el eje activo de circulación. Así, se puede concluir que este tipo de estructuras semi-enterradas no se ven comprometidas ante la acción dinámica de las composiciones ferroviarias consideradas, tanto para las velocidades actuales de circulación como para previsibles incrementos de estas.

Modelo para la medición con máquinas de visión e iluminación episcópica mediante la aplicación de técnicas de resolución subpíxel y aproximación bayesiana

En esta tesis se desarrolla un modelo físico-matemático, original, que permite simular el comportamiento de las máquinas de visión, en particular las máquinas ópticas digitales, cuando reciben información a través de la luz reflejada por los mensurandos. El modelo desarrollado se lia aplicado para la determinación de los parámetros que intervienen en el proceso de caracterización de formas geométricas básicas, tales como líneas, círculos y elipses. También se analizan las fuentes de error que intervienen a lo largo de la cadena metrológica y se proponen modelos de estimación de las incertidumbres de medida a través un nuevo enfoque basado en estadística bayesiana y resolución subpíxel. La validez del modelo se ha comprobado por comparación de los resultados teóricos, obtenidos a partir de modelos virtuales y simulaciones informáticas, y los reales, obtenidos mediante la realización de medidas de diferentes mensurandos del ámbito electromecánico y de dimensiones submilimétricas. Utilizando el modelo propuesto, es posible caracterizar adecuadamente mensurandos a partir del filtrado, segmentación y tratamiento matemático de las imágenes. El estudio experimental y validación definitiva de los resultados se ha realizado en el Laboratorio de Metrología Dimensional de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Los modelos desarrollados se han implementado sobre imágenes obtenidas con la máquina de visión marca TESA, modelo VISIO 300. Abstract In this PhD Thesis an original mathematic-physic model has been developed. It allows simulating the behaviour of the vision measuring machines, in particular the optical digital machines, where they receive information through the light reflected by the measurands. The developed model has been applied to determine the parameters involved in the process of characterization of basic geometrical features such as lines, circles and ellipses. The error sources involved along the metrological chain also are analyzed and new models for estimating measurement uncertainties through a new approach based on Bayesian statistics and subpixel resolution are proposed. The validity of the model has been verified by comparing the theoretical results obtained from virtual models and computer simulations, with actual ones, obtained by measuring of various measurands belonging to the electromechanical field and of submillimeter dimensions. Using the proposed model, it is possible to properly characterize measurands from filtering, segmentation and mathematical processing of images. The experimental study and final validation of the results has been carried out in the "Laboratorio de Metrología Dimensional" (Dimensional Metrology Laboratory) at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) (School of Engineering and Industrial Design) at Universidad Politécnica de Madrid (UPM). The developed models have been implemented on images obtained with the vision measuring machine of the brand TESA, model VISIO 300.

Diseño e implementación de un sistema de intercambio de imágenes ecográficas basado en OpenMRS y adaptado a las necesidades de las zonas rurales de Guatemala

Este trabajo fin de grado forma parte del proyecto Embarazo Saludable que la Fundación EHAS desarrolla con la colaboración de TulaSalud en los departamentos de Alta Verapaz y San Marcos en Guatemala. El proyecto Embarazo Saludable tiene como principal objetivo reducir la mortalidad materna de mujeres gestantes en zonas rurales de Guatemala. Para conseguirlo se han centrado los esfuerzos en mejorar los controles sanitarios en comunidades con pocos recursos y alejadas del centro de salud. En este documento se presenta el estudio e implementación de un mecanismo de sincronización en el Sistema de Información en Salud empleado en el proyecto que está basado en OpenMRS. Este mecanismo de sincronización debe permitir el intercambio de información entre los ordenadores de las brigadas itinerantes de atención y un servidor central. Para empezar, se analizaron los datos recogidos en las citas médicas y se especificaron que tipo de información se quiere conservar en la base de datos y una vez identificada la información a sincronizar, con el objetivo de sincronizar las bases de datos de todas las brigadas, se implementaron los cambios necesarios en el módulo de sincronización de OpenMRS. Además se estudiaron y definieron los roles de usuario dentro de la plataforma y se creó un sistema de alertas entre el enfermero que realiza las consultas y el ginecólogo que supervisa a los enfermeros. Una vez modificado el módulo de sincronización se realizaron pruebas del sistema y se probó el correcto funcionamiento de la sincronización de: imágenes, texto, números, usuarios y formularios entre dispositivos. Estas pruebas se realizaron primero en local y luego en remoto con el servidor central. El trabajo fin de grado se empezó en Madrid hasta alcanzar una versión inicial del programa y posteriormente en Cobán se realizaron tareas de mejora e implementación, así como capacitaciones dirigidas al personal técnico encargado de la plataforma. El uso de OpenMRS como Sistema de Información Sanitaria ha supuesto una importante mejora en la calidad del seguimiento de mujeres gestantes. La posibilidad de sincronizar información entre brigadas permite a todos los facilitadores (enfermeros) disponer de la información de consultas a todas las mujeres gestantes de una comunidad. No obstante, el éxito del proyecto dependerá del mantenimiento y actualización de la plataforma por parte de los técnicos capacitados.

Reconocimiento óptico de caracteres mediante imágenes en contadores de gas

La gran evolución a lo largo de este tiempo sobre dispositivos móviles y sus características, así como las vías de conexión de alta velocidad 3G/4G, han logrado dar un giro a los planteamientos económicos empresariales consiguiendo que se replanteen los costes de sus infraestructuras tradicionales, involucrando las nuevas tecnologías en su nueva estructura económica y consiguiendo invertir menos recursos humanos en el proceso de producción. Este proyecto propone una solución real para la empresa Madrileña Red de Gas. Mientras el proyecto de contadores inteligentes se termina de concretar y desarrollar, es necesario disponer de un método que automatice la lectura de los contadores analógicos mediante el procesamiento de una imagen digital a través de una aplicación informática que sea capaz de determinar el código de identificación del contador así como la lectura del consumo actual. Para la elaboración del método desarrollado se han utilizado conceptos propios de Visión por Computador y de Aprendizaje Automático, más específicamente tratamiento de imágenes y reconocimiento óptico de caracteres, mediante la aplicación de métodos en el ámbito de dichas disciplinas.

Aspectos de la poliédrica influencia de los clásicos: nuevas imágenes clave de la influencia de san Vicente Ferrer en Italia

Este artículo analiza la función de la figura de san Vicente Ferrer en la política de afianzamiento y expansión de la Corona de Aragón en la Italia de mediados del siglo XV y hasta el siglo XVIII. San Vicente Ferrer, clásico innegable de la cultura de la Corona de Aragón, ejerció una extraordinaria influencia en el pensamiento, la predicación y la ortodoxia católicas, así como también, en el tablero de ajedrez de la alta política de fines del siglo XIV y principios del XV. Su influencia fue prácticamente ubicua y omnímoda: predicaba a las masas de casi toda Europa occidental, enfervorizadas por sus dotes oratorias y su dominio de las artes de la predicación, al mismo tiempo que ejercía de consejero de máxima confianza de papas, reyes y gobernantes, escribía densos tratados de teología y filosofía moral, y obraba milagros (más de 900 registrados en su Causa de Canonización). Caló muy hondo, también después de su muerte y durante siglos, en toda Italia, que era el gran escenario de la política y de la cultura humanística y del Renacimiento. Ello se aprovechó por parte de la Corona de Aragón para su expansión en Italia, desde la conquista de Nápoles por Alfonso el Magnánimo. Todo ello se analiza en este estudio a partir de obras de arte (capillas, cuadros, retablos, frescos y mosaicos), nunca tenidas en cuenta en este sentido, pero que, como queda demostrado, son muestra y prueba de esa influencia tanto religiosa como también política de la “figura” de este santo valenciano. Se trata en definitiva del análisis de la poliédrica función de los clásicos.

Discreta regente, la austriaca o Doña Virtudes. Las imágenes de María Cristina de Habsburgo

Más allá del mito de la discreta regente de España, María Cristina de Habsburgo ofrece una imagen poliédrica que puede contribuir a calibrar la importancia política, cultural y social de la representación simbólica de la corona. Las imágenes —oficial, de la oposición y populares— de María Cristina son analizadas desde diversas perspectivas: la consolidación de una monarquía en crisis tras el fallecimiento de Alfonso XII pocos años después de la República, la creación de una identidad nacional todavía no afirmada y la conformación de los estereotipos de género en torno al discurso de la separación de esferas. Imágenes que daban respuestas muchas veces divergentes a las circunstancias que distinguían a Maria Cristina de otros monarcas: era regente y no reina por derecho propio, era extranjera pero ocupaba el trono español y era mujer pero desempeñaba la más alta magistratura del país.

Implementación sobre FPGA de un algoritmo de compresión de imágenes hiperespectrales bajo el estándar CCSDS 123.0-B-1

A lo largo de la historia, nuestro planeta ha atravesado numerosas y diferentes etapas. Sin embargo, desde finales del cretácico no se vivía un cambio tan rápido como el actual. Y a la cabeza del cambio, nosotros, el ser humano. De igual manera que somos la causa, debemos ser también la solución, y el análisis a gran escala de la tierra está siendo un punto de interés para la comunidad científica en los últimos años. Prueba de ello es que, cada vez con más frecuencia, se lanzan gran cantidad de satélites cuya finalidad es el análisis, mediante fotografías, de la superficie terrestre. Una de las técnicas más versátiles para este análisis es la toma de imágenes hiperespectrales, donde no solo se captura el espectro visible, sino numerosas longitudes de onda. Suponen, eso sí un reto tecnológico, pues los sensores consumen más energía y las imágenes más memoria, ambos recursos escasos en el espacio. Dado que el análisis se hace en tierra firme, es importante una transmisión de datos eficaz y rápida. Por ello creemos que la compresión en tiempo real mediante FPGAs es la solución idónea, combinando un bajo consumo con una alta tasa de compresión, posibilitando el análisis ininterrumpido del astro en el que vivimos. En este trabajo de fin de grado se ha realizado una implementación sobre FPGA, utilizando VHDL, del estándar CCSDS 123. Este está diseñado para la compresión sin pérdida de imágenes hiperespectrales, y permite una amplia gama de configuraciones para adaptarse de manera óptima a cualquier tipo de imagen. Se ha comprobado exitosamente la validez de la implementación comparando los resultados obtenidos con otras implementaciones (software) existentes. Las principales ventajas que presentamos aquí es que se posibilita la compresión en tiempo real, obteniendo además un rendimiento energético muy prometedor. Estos resultados mejoran notablemente los de una implementación software del algoritmo, y permitirán la compresión de las imágenes a bordo de los satélites que las toman.

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.

Aportaciones al hardware para sensores táctiles inteligentes basados en FPGAs

En esta tesis doctoral se presentan distintas soluciones para la adquisición de datos provenientes de matrices de sensores resistivos, y en concreto de sensores táctiles piezorresistivos. Los circuitos propuestos reducen el hardware de acondicionamiento y adquisición clásico, implementado una conexión directa entre el sensor y el dispositivo digital (FPGA) que recibe los datos. El objetivo es la adquisición en paralelo y con bajo coste y consumo de área de grandes cantidades de datos provenientes de los sensores matriciales, aprovechando las capacidades de las FPGAs para llevar a cabo medidas simultáneas de varios sensores. Dependiendo del tipo de direccionamiento que pueda ser empleado, dos soluciones son propuestas. En el caso donde el número de unidades sensoriales de la matriz no sea excesivamente alto y el direccionamiento pueda ser realizado sin compartir conexionado, el valor de resistencia de los distintos elementos de la matriz se obtiene a partir del tiempo de descarga de una red RC o integrador pasivo que incluye al sensor. Por otro lado, para matrices con un gran número de elementos o donde el direccionamiento de los mismos haga uso de conexiones compartidas, el uso de un circuito integrador activo reduce la diafonía entre los elementos medidos simultáneamente. El análisis y caracterización de los circuitos propuestos para un rango de resistencias de un sensor táctil piezorresistivo da lugar a una resolución efectiva en la conversión analógico-digital de 10 bits y 8 bits para los circuitos de conexión directa basados en el integrador pasivo y activo, respectivamente. En cuanto a la exactitud en la medida del valor de resistencia, se alcanzan errores relativos del 0,066% (integrador pasivo) y del 0,77% (integrador activo), empleando una novedosa técnica de calibración que hace uso de un único elemento de referencia. Por último, se propone una arquitectura para un sistema táctil basada en los circuitos anteriormente citados. Dos implementaciones se han desarrollado: un prototipo para caracterización y pruebas de laboratorio, y otro para un demostrador en una mano robótica comercial (mano de Barrett). Con estas realizaciones se comprueba que el sistema táctil es capaz de realizar el refresco del conjunto de sensores con una tasa lo suficientemente alta para aplicaciones que requieran una rápida respuesta dinámica (por ejemplo, detección de deslizamiento de objetos en tareas de manipulación con manos robóticas). Además, el paralelismo de las FPGAs no sólo se explota en la adquisición de datos, sino que el pre-procesado que puede realizarse en el sensor inteligente resultante tiene un gran potencial. Como ejemplo, en este trabajo se extraen los momentos geométricos y la elipse asociados a las imágenes táctiles adquiridas por cada uno de los sensores que conforman el sistema.

PREVENCIÓN Y RESOLUCIÓN DE POTENCIALES CONFLICTOS SOCIOAMBIENTALES EN LA CUENCA DEL RÍO TÉRRABA: EL CASO DEL PROYECTO HIDROELÉCTRICO BORUCA

La microcuenca del río Poás (ubicada entre el volcán Barva y el volcán Poás, hasta la confluencia con el río Grande cerca de la ciudad de Alajuela) posee un alto potencial para la formación de acuíferos de alta calidad. Por este motivo sus recursos naturales deben utilizarse adecuadamente. La mejor manera de lograr lo anterior es mediante la planificación del uso de la tierra. En esta investigación se plantea para ello el ordenamiento territorial y el manejo de cuencas. Para este propósito se realiza una zonificación mediante la cual se identifican las siguientes zonas: sin restricción de uso, uso restringido y uso muy restringido. La mayor parte de la m icrocuenca (64,6%) se encuentra en la categoría de “sin restricción de uso”. Sin embargo. se hace necesaria la intervención con rapidez en sectores ubicados en la parte alta de la microcuenca que se clasifican de “uso muy restringido”. En relación con el recurso hídrico, en la microcuenca en los últimos 14 años y de acuerdo con la metodología aplicada, se ha elevado la producción hídrica, específicamente en la escorrentía y la ganancia. En general aumentó en 1,6%.Abstract:The Poas river micro watershed (located between the Barva and Poas volcanoes reaching the confluence of the Grande river near the city of Alajuela) has high potential for developing high quality aquifers, thus, its natural resnurces should be utilized adequately. This is best done by proper land use planning. In this study guidelines are presented for land use planning and watershed management. Land use is zoned or classified for the following uses:unrestricted use, restricted use, and highly restricted use. Most of the micro watershed (64.6 percent) is classified or zoned as ‘unrestricted use.’ However, urgent intervention is needed in demand and the possibility to export it. However, it is also possible to see the negative impaci of the project, such as: indigenous territories and a pan of the Interamerican Road being flooding, population displacement and the environmental ¡mpact on the Terraba-Sierpe mangrove. This diversity and incompatibility of factors and interest make a complex scenario that potentializes diverse conflicts.