Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Definición e implantación de herramientas avanzadas 3D en el diseño integrado y eficiente de sistemas HVAC en buques, desde el proyecto conceptual hasta la producción

Uno de los aspectos más complicados del diseño de sistemas HVAC en buques es la correcta evaluación de las necesidades de aire fresco y el correcto dimensionado de los conductos que suministran dicho aire y evacuan el calor generado a bordo. Contrariamente a lo que sucede en los sistemas de tuberías, las características particulares del caudal de aire hacen que el dimensionado de los conductos sea muy sensible al trazado y geometría de los mismos, por lo que para obtener un buen diseño es necesaria una relación muy estrecha y una integración bidireccional entre los cálculos y el trazado de los propios conductos en el buque. Asumida la utilización de sistemas CAD/CAM para las tareas de diseño, históricamente, aquellos que permitían modelar conductos HVAC no incluían en su alcance de suministro los aspectos de cálculo, y como consecuencia de ello, el trazado de conductos se reducía a la inclusión en el modelo 3D de circuitos y sistemas previamente calculados y dimensionados, Así, servían únicamente para calcular interferencias con otros elementos del modelo 3D y para obtener posteriormente planos de fabricación y montaje. Esto, que por sí no es poco, dejaba el diseño de sistemas HVAC pendiente de una importante interacción manual y de habituales retrabajos, ya que cualquier modificación en el trazado de los conductos, consecuencia de otras necesidades del diseño, obligaba a los diseñadores a recalcular y redimensionar los conductos en un entorno diferente al del propio sistema CAD/CAM, y volver a realizar el modelado de los mismos, reduciendo significativamente las ventajas de la utilización de un modelo 3D. Partiendo de esta situación real, y con objeto de solucionar el problema que para el diseño y la propia producción del buque se creaba, se concibió una herramienta que permitiera la definición en el modelo 3D de diagramas de ventilación, el cálculo de pérdidas de presión, el dimensionado automático de los conductos, y que toda esta información pudiera estar disponible y reutilizarse en las etapas posteriores del diseño. Con ello, los diseñadores podrían realizar su trabajo en un entorno único, totalmente integrado con el resto de disciplinas. El objeto de esta Tesis Doctoral es analizar en detalle el problema y las ineficiencias actuales del diseño de HVAC, describir la innovadora herramienta concebida para paliar estas ineficiencias, detallando las bases sobre la que se construye, y destacar las ventajas que se obtienen de su uso. La herramienta en cuestión fue concebida como una funcionalidad adicional del sistema CAD/CAM naval FORAN, referente tecnológico en el mundo del diseño y la construcción navales, y como consecuencia de ellos se llevó a cabo el desarrollo correspondiente. En la actualidad, el sistema FORAN incluye en su alcance de suministro una primera versión de esta herramienta, cuya utilidad queda avalada por el uso que de la misma hacen astilleros y oficinas técnicas en todo el mundo. Esta Tesis Doctoral es eminentemente práctica. No es un estudio teórico de dudosa aplicación, sino que tiene por objeto aportar una solución eficiente a un problema real que muchos astilleros y oficinas técnicas, incluidas los más avanzados, padecen hoy en día. No tiene otra motivación que servir de ayuda para lograr diseñar y construir mejores barcos, en un plazo más corto, y a un coste menor. Nada más, pero nada menos. ABSTRACT One of the most complicated aspects of the design of HVAC systems in shipbuilding is the correct evaluation of the fresh air needs, the correct balancing of the ducts that supply this air and evacuate the existing heat on board. In opposition to piping systems, due to the particular characteristics of the air flow, the balancing of the ducts is very sensitive to the routing and the aspect of the ducts, so the correct design requires a close interconnectivity between calculations and routing. Already assumed the use of CAD/CAM systems for design tasks, historically, those CAD/CAM systems capable of modelling HVAC ducts did not cover calculation aspects, with the result that the routing of HVAC ducts was reduced solely to the input of previously balanced circuits into the 3D Product Model for the purpose of interference checking and generation of fabrication and assembly drawings. This situation, not negligible at all, put the design of HVAC ducts very dependent on manual operations and common rework task, as any modification in the routing of the HVAC ducts, derived from design needs, obliged engineers to re-balance the ducts and eventually to re-size them independently of the CAD-CAM environment, thus annulling the advantages of the 3D Product Model. With this situation in mind, and with the objective of filling the gap created in the design and construction of the ship, it was conceived a tool allowing the definition, within the 3D Product model, of HVAC diagrams, the calculation of pressure drops, the automatic dimensioning of ducts. With this, engineers could make the complete HVAC design in a single working environment, fully integrated with the rest of the disciplines. The present Ph. D. thesis analyses in deep the existing problem and the current lack of efficiency in HVAC design, describes the innovative tool conceived to minimize it, details the basis on which the tool is built, and highlights the advantages of its use. This tool was conceived as an additional functionality of the marine CAD/CAM system FORAN, a technological reference in the shipdesign and shipbuilding industry. As a consequence, it was developed, and nowadays FORAN System includes in its scope of supply a first version of the tool, with its usefulness endorsed by the fact that it is used by shipyards and shipdesign offices all over the world. This Ph. D. thesis is on top everything, of practical nature. It is not a theoretical study with doubtful application. On the contrary, its objective is to provide with an efficient solution for solving a real problem that many shipyards and shipdesign offices, including those more advanced, suffer nowadays. It has no other motivation that to help in the process of designing and building better and cheaper ships, within a shorter deliver time. Nothing more, but nothing less.

Mejoras y extensiones en el Front-End de un modelo de predicción de acciones de un estudiante en un laboratorio virtual 3D

Este documento presenta las mejoras y las extensiones introducidas en la herramienta de visualización del modelo predictivo del comportamiento del estudiante o Student Behavior Predictor Viewer (SBPV), implementada en un trabajo anterior. El modelo predictivo del comportamiento del estudiante es parte de un sistema inteligente de tutoría, y se construye a partir de los registros de actividad de los estudiantes en un laboratorio virtual 3D, como el Laboratorio Virtual de Biotecnología Agroforestal, implementado en un trabajo anterior, y cuyos registros de actividad de los estudiantes se han utilizado para validar este trabajo fin de grado. El SBPV es una herramienta para visualizar una representación gráfica 2D del grafo extendido asociado con cualquiera de los clusters del modelo predictivo del estudiante. Además de la visualización del grafo extendido, el SBPV controla la navegación a través del grafo por medio del navegador web. Más concretamente, el SBPV permite al usuario moverse a través del grafo, ampliar o reducir el zoom del gráfico o buscar un determinado estado. Además, el SBPV también permite al usuario modificar el diseño predeterminado del grafo en la pantalla al cambiar la posición de los estados con el ratón. Como parte de este trabajo fin de grado, se han corregido errores existentes en la versión anterior y se han introducido una serie de mejoras en el rendimiento y la usabilidad. En este sentido, se han implementado nuevas funcionalidades, tales como la visualización del modelo de comportamiento de cada estudiante individualmente o la posibilidad de elegir el método de clustering para crear el modelo predictivo del estudiante; así como ha sido necesario rediseñar la interfaz de usuario cambiando el tipo de estructuras gráficas con que se muestran los elementos del modelo y mejorando la visualización del grafo al interaccionar el usuario con él. Todas estas mejoras se explican detenidamente en el presente documento.---ABSTRACT---This document presents the improvements and extensions made to the visualization tool Student Behavior Predictor Viewer (SBPV), implemented in a previous job. The student behavior predictive model is part of an intelligent tutoring system, and is built from the records of students activity in a 3D virtual laboratory, like the “Virtual Laboratory of Agroforestry Biotechnology” implemented in a previous work, and whose records of students activity have been used to validate this final degree work. The SBPV is a tool for visualizing a 2D graphical representation of the extended graph associated with any of the clusters of the student predictive model. Apart from visualizing the extended graph, the SBPV supports the navigation across the graph by means of desktop devices. More precisely, the SBPV allows user to move through the graph, to zoom in/out the graphic or to locate a given state. In addition, the SBPV also allows user to modify the default layout of the graph on the screen by changing the position of the states by means of the mouse. As part of this work, some bugs of the previous version have been fixed and some enhancements have been implemented to improve the performance and the usability. In this sense, we have implemented new features, such as the display of the model behavior of only one student or the possibility of selecting the clustering method to create the student predictive model; as well as it was necessary to redesign the user interface changing the type of graphic structures that show model elements and improving the rendering of the graph when the user interacts with it. All these improvements are explained in detail in the next sections.

Criterios técnicos del proyecto con módulos tridimensionales ligeros: las casas del Solar Decathlon 2005 y 2007

Este trabajo se ocupa de la construcción modular ligera de viviendas unifamiliares, más concretamente aborda el problema de la definición constructiva de las mismas, habida cuenta de lo poco conocido y publicado de este aspecto en particular. Dado que la construcción es fruto de la evolución, resulta de gran importancia el estudio de los antecedentes para comprender la situación actual, por ello para documentar como corresponde el estado de la técnica y de la investigación se estudiaron los antecedentes desde sus primeras manifestaciones a finales del siglo XIX hasta nuestros días. Contrariamente a las profecías de Le Corbusier y otros, la industrialización no ha llegado a la construcción ni en la forma ni en la medida que era de esperar a principios del siglo XX. Sin embargo y a pesar del relativo “fracaso” de la industrialización en convertirse en la forma mayoritaria de producir edificios, lo cierto es que algunos sistemas altamente industrializados, como lo es la construcción modular ligera, han logrado un lugar en el mercado, que en algunos países resulta cuanto menos significativo. Delimitar el estado de la técnica y la situación actual es crucial en este trabajo, toda vez que la construcción industrializada la realizan empresas, y situarse al margen de las mismas y de su producción, nos guste o no, resulta contrario al sentido común. De este modo se han identificado y documentado ejemplos como el de EE.UU. y Japón, entre otros, que resultan muy ilustrativos tanto desde la evolución como del estado actual. Del estado de la técnica y la investigación también resulta la escasez de publicación de detalles constructivos específicos de la construcción modular ligera. Es obvio que los fabricantes intentan blindarse mediante el secreto industrial, logrando que las soluciones constructivas más interesantes queden fuertemente protegidas dentro del conocimiento reservado de la empresa. De este modo un sistema que alcanza grados de prefabricación del 95%, tan atractivo e interesante para el arquitecto queda reservado al conocimiento de unos pocos dentro de las empresas. La búsqueda de mayor información sobre estos sistemas encuentra un filón indiscutible en los proyectos de las casas del concurso Solar Decathlon. En efecto, debido a las condiciones particulares de este concurso, las casas que compiten deben ser instaladas en un plazo corto, por lo que en su mayoría recurren al método de construcción modular ligera, para lograr correctamente este objetivo. Adicionalmente todos los planos de proyecto incluidos los de detalle, así como memorias de especificaciones técnicas, quedan colgadas en la Web, a libre disposición del público. De este modo se ha considerado interesante, conveniente y útil, aprovechar como fuente documental de este trabajo, aparte de lo obtenido en el estado de la técnica y la investigación, los proyectos de las casas de los concursos 2005 y 2007, que fueron las dos últimas ediciones celebradas cuando se inició esta tesis. De modo similar a esta carencia de detalles publicados se observa igualmente una falta de investigación y de metodologías adecuadas a la misma sobre soluciones y detalles constructivos propios de la construcción modular ligera. Por eso y ante la dificultad de manejar adecuadamente una información disponible pero farragosa, este trabajo ha dedicado una parte importante de su esfuerzo a la creación de una metodología adecuada a este tipo de situación. Hay que destacar que cada proyecto puede constar fácilmente de 60 a casi 200 planos, sin contar las memorias técnicas y otros documentos, tales como galerías de imágenes, etc. Por otra parte resulta útil establecer esta metodología, no solo para esta tesis, sino para futuros trabajos de investigación sobre el tema, toda vez que con posterioridad a 2007 se han celebrado nuevas ediciones del concurso con su correspondiente volumen de información disponible. La metodología del análisis de los proyectos se basa en el diseño y creación de siete fichas tipo que resumen los aspectos fundamentales del proyecto desde el punto de vista constructivo, permitiendo de este modo su rápida visualización y comprensión sin pretender exhaustividad, ya que en caso de querer profundizar en el detalle de la información siempre está el proyecto original para ello. Tras estudiar la información obtenida de los proyectos de las casas de concurso, se contrastan y discuten los resultados para obtener conocimientos de interés para el objetivo propuesto en la tesis. Se comparan los resultados procedentes del estado de la técnica y de la investigación y se obtienen las conclusiones correspondientes. De este modo ha sido posible identificar una serie de criterios técnicos de proyecto de viviendas unifamiliares realizadas mediante construcción modular ligera, que además se organizan en varios niveles, por lo que el resultado es un conjunto de criterios como germen de una futura guía o manual. Como conclusiones fundamentales de la tesis hay que destacar las metodológicas, que habilitan la extensión de este estudio a otros trabajos y la aportación original al conocimiento con la definición de una serie de criterios técnicos de proyecto de viviendas realizadas mediante construcción modular ligera, que además de mejorar esta parte del saber constructivo serán de gran ayuda a los arquitectos de cara a la reducción de errores, que a menudo derivan en mayores costes y plazos, cuando no directamente al abandono del sistema constructivo. El trabajo de la tesis se estructura en siete capítulos a saber: Capítulo 1: Introducción, donde se explica el tema de la tesis, el objetivo principal, las limitaciones y se aportan algunas definiciones. Capítulo 2: Estado de la técnica y la investigación, dentro del cual se presentan los antecedentes desde sus inicios pasando por la primera y segunda mitad del siglo XX y finalizando con el estado actual que recorre los sistemas de EE.UU, Japón, Europa, Escandinavia, centro Europa, Francia, España y algunos ejemplos de Latinoamérica. En el estado de la investigación se presentan las publicaciones tanto en revistas científicas indexadas en el JCR, como publicaciones no indexadas en las que se muestran artículos científicos, comunicaciones a congresos, documentación sobre el concurso Solar Decathlon, libros específicos y libros genéricos sobre construcción modular ligera, tesis doctorales tanto generales como específicas sobre el concurso Solar Decathlon, documentos de idoneidad técnica, páginas Web del concurso Solar Decathlon y finalmente páginas Web de empresas de construcción modular ligera y patentes. También se expresan las conclusiones parciales del capítulo así también como la justificación y los objetivos particulares. Capítulo 3: Metodología, se expone en primer lugar el planteamiento del problema, para luego desarrollar los métodos utilizados para el estudio y clasificación del transporte y de la organización modular, la relación entre la organización modular y distribución espacial, el diseño y contenido de las fichas resumen de los 38 proyectos presentados al SD2005 y SD2007, así también como la información consultada para su realización. Se explica asimismo como se realizaron las tablas comparativas partiendo de la información de las fichas. Finalmente se expresa la manera en que se trató el estudio particular de la junta entre módulos. Capítulo 4: Discusión de resultados, dónde en primer lugar se presenta la clasificación y las estrategias del transporte así también como una clasificación de la organización modular, en segundo lugar se estudian las relaciones que existen entre el sistema modular y la organización espacial. A partir de aquí se muestra el estudio de la estructura de todas las casas del SD2005 y SD2007, según el tipo y material de las zapatas, mostrando tanto tablas cuantitativas como tablas gráficas con fotos. De la misma manera se tratan los forjados, los pilares y las vigas y las cubiertas. Se estudia además el cerramiento opaco y acristalado, la cubierta y el forjado según las capas que lo componen. En el caso de las instalaciones se estudian las que son especiales, descartando las normales en este tipo de casas, como son los paneles fotovoltaicos, placas térmicas o tubos de vacío y los sistemas de almacenamiento de energía, como las baterías, presentando tablas numéricas y gráficas con fotos. El transporte se analiza según corresponda al traslado de la vivienda o al transporte de apoyo, según el tipo y la cantidad utilizado. Con respecto al montaje se diferencia en si se usó grúa o no, y en el caso de no utilizarse se muestran los métodos alternativos. Con respecto a la exploración de la organización modular se presentan la cantidad de módulos que utilizó cada casa, así como también la cuantificación de los sistemas híbridos como son elementos lineales 1D, paneles 2D. Por último se muestra el estudio detallado de la junta entre módulos 3D. Finalmente se realiza la propuesta de un conjunto de criterios técnicos de proyecto organizado en cuatro niveles: 1º nivel de criterios generales, 2º nivel sobre sistemas constructivos, 3º nivel de detalles constructivos y el 4º nivel llamado logística obras previas, transporte y montaje. Capítulo 5: Conclusiones y líneas futuras de investigación, se exponen las conclusiones generales, metodológicas, documentales y por último las de construcción modular. Finalmente se realiza una propuesta de líneas futuras de investigación. Capítulo 6: Bibliografía. Capítulo 7: Anexos, en el que se presentan todas las fichas resumen de las casas realizadas por el autor de esta tesis. Además se incluyen los casos concretos de Voisin en Francia y la TVA (Tennessee Valley Authority) en EE.UU., así como referencias de manuales genéricos de construcción ligera, medidas de transporte en España e información sobre estadísticas de viviendas en la Unión Europea. ABSTRACT This paper deals with Light Modular Construction of houses, and specifically addresses the problem of the constructive definition of the same, given how little known and published this subject has been. Since building construction is the result of evolution, it is of great importance to study its background for understanding the current situation, therefore to document the state of the art and research, its history was studied from its origins dating to the end nineteenth century to our days. Contrary to the prophecies of Le Corbusier and others, industrialization has not reached the construction neither in the form nor to the extent that it was expected in the early twentieth century. However, despite the relative "failure" of industrialization to become the major form of production for buildings, the fact is that some highly industrialized systems, such as the so called Lightweight Modular Construction, have achieved a place in the market, which in some countries is at least significant. To outline the state of the art and the current situation is crucial in this work, since industrialized construction is carried out by companies, and to step away from them and their production, whether we like it or not, it is contrary to common sense. So that, several cases have been identified and documented, such as the US and Japan examples, among others, which are very illustrative both from evolution and the current status. The state of the art and research shows also a shortage of publication of specific construction details of light modular construction. Obviously, manufacturers try to shield themselves by trade secret, making the most interesting constructive solutions remain heavily protected within the reserved knowledge of the company, so a system that reaches levels of 95% prefabrication, so attractive and interesting for the architect It is reserved to the knowledge of a few people inside the companies. The search for more information on these systems finds an invaluable reef in the projects of the Solar Decathlon houses. Indeed, due to the particular conditions of this contest, houses competing must be installed in a short time, so mostly turn to modular construction methods for this purpose to achieve properly this goal. Additionally all levels of project, including detailed and technical specifications reports are published on the Web, freely available to the general public. Thus it was considered interesting, convenient and useful to take advantage as a documentary source of this work, apart from what it were obtained in the state of the art and research, the projects of the houses of the 2005 and 2007 contests, which were the last two editions already held before this thesis was started. Similar to this lack of published details it is also observed a lack of research and methodologies adapted to the solutions and construction details of lightweight modular construction. So that, and facing the difficulty of adequately manage the available but bulky information, this work has devoted a significant part of its effort to create an appropriate methodology for this type of situation. It is noteworthy that each project can easily consist of 60 to almost 200 blueprints, not including technical reports and other documents, such as photo galleries, etc. The methodology of the analysis of the projects is based on the design and creation of seven record sheets that summarize key aspects of the project from a construction point of view, thus allowing quick watching and understanding of the project, without claiming completeness, always keeping for further information the blueprints themselves. After studying the information obtained from the projects of the competition houses, the results are compared and discussed to obtain relevant knowledge according to the objective proposed in the thesis. The results from the state of the art and research are also compared and the conclusions so obtained make possible to identify a number of technical design criteria for single family homes made using lightweight modular construction, which also have been organized at various levels, so the result is a set of criteria as a seed for a future guide or manual. Among the main conclusions of the thesis must be noted the methodological ones, that enable the extension of this study to other works and are an original contribution to knowledge with the definition of a number of technical criteria for housing projects made by light modular construction, what in addition to improving this part of the constructive knowledge will be of great help for the architects to reduce errors that often result in higher costs and delays, if not in abandonment of the construction system itself. The work of the thesis is divided into seven chapters as follows: Chapter 1: Introduction, where the topic of the thesis, the main objective, limitations and the provided definitions is explained. Chapter 2: State of the art and research, within which history is presented from the beginning through the first and second half of the twentieth century and ending with the current systems, that spans from the USA to Japan, Europe, Scandinavia, Central Europe, France, Spain and some Latin American examples. In the state of research publications are presented both on scientific journals indexed in the JCR, and non-indexed publications in which scientific articles, conference papers, information about the Solar Decathlon competition, generic and specific books on light modular construction, articles both general and specific on the Solar Decathlon competition, technical approval documents, dissertations, the Solar Decathlon Web pages and finally lightweight modular construction companies Web pages and patents. The partial conclusions of the chapter as well as the rationale and specific objectives are also expressed. Chapter 3: Methodology first of all exposes the problem statement and then develops the methods used for the study and classification of transportation and modular organization, the relationship between the modular organization and spatial distribution, design and content summary records of the 38 projects submitted to the SD2005 and SD2007, as well as information consulted for its realization. It explains equally how the comparative tables based on information from the chips were made. Finally, the way the particular study of the joint between modules is carried out is also treated. Chapter 4: Discussion, first sorting a classification of transport strategies as well as of modular organization, secondly the relationship between the modular system and the spatial organization studied is presented. From then on, the study of the structure of every house Moreover, to establish this methodology is useful not only for this thesis, but for future research on the subject, since after 2007 there have been held new editions of the contest with a corresponding volume of information available. shown in the SD2005 and SD2007 contests, depending on the type and material of the shoe, showing both quantitative tables as graphic boards with pictures is carried out. Similarly slabs, columns and beams and roofs are treated. Furthermore, the opaque and transparent façades, as well as roof and floor enclosure, according to the layers that compose them are studied. In the case of facilities there have been only addressed that which are of a special type, discarding that considered usual in this type of houses such as photovoltaic panels, thermal panels or vacuum tubes and energy storage systems such as batteries, presenting numerical and graphical tables with photos .The transportation is analyzed depending on it is used to move the house or for additional support, depending on the type and quantity of items used. Regarding assembly it has been made a difference if crane is or not used and if not, what the alternative methods are. With respect to the exploration of the modular organization, the amount of modules used in each house is presented, as well as the quantification of hybrid systems such as linear members as well as 1D, 2D panels. Finally, it has been carried out the detailed study of the joint between 3D modules. Finally it is proposed a set of technical criteria organized into four levels, 1st level of general criteria, 2nd level on building systems, 3rd level construction details and 4th level called previous works and logistics, transportation and assembly. Chapter 5: Conclusions and future research, where general, methodological, documentary and finally modular construction findings are presented. A proposal for further research is done. Chapter 6: Bibliography. Chapter 7: Annexes, in which all the record sheets of houses made by the author of this thesis are presented. Besides the specific cases of Voisin in France and TVA (Tennessee Valley Authority) in the USA, as well as general reference manuals on lightweight construction, transportation dimensions in Spain, and information on housing statistics in the European Union are included.

Condensados de Bose-Einstein em redes óticas: a transição superfluido-isolante de Mott em redes hexagonais e a classe de universalidade superfluido-vidro de Bose em 3D

Estudamos transições de fases quânticas em gases bosônicos ultrafrios aprisionados em redes óticas. A física desses sistemas é capturada por um modelo do tipo Bose-Hubbard que, no caso de um sistema sem desordem, em que os átomos têm interação de curto alcance e o tunelamento é apenas entre sítios primeiros vizinhos, prevê a transição de fases quântica superfluido-isolante de Mott (SF-MI) quando a profundidade do potencial da rede ótica é variado. Num primeiro estudo, verificamos como o diagrama de fases dessa transição muda quando passamos de uma rede quadrada para uma hexagonal. Num segundo, investigamos como a desordem modifica essa transição. No estudo com rede hexagonal, apresentamos o diagrama de fases da transição SF-MI e uma estimativa para o ponto crítico do primeiro lobo de Mott. Esses resultados foram obtidos usando o algoritmo de Monte Carlo quântico denominado Worm. Comparamos nossos resultados com os obtidos a partir de uma aproximação de campo médio e com os de um sistema com uma rede ótica quadrada. Ao introduzir desordem no sistema, uma nova fase emerge no diagrama de fases do estado fundamental intermediando a fase superfluida e a isolante de Mott. Essa nova fase é conhecida como vidro de Bose (BG) e a transição de fases quântica SF-BG que ocorre nesse sistema gerou muitas controvérsias desde seus primeiros estudos iniciados no fim dos anos 80. Apesar dos avanços em direção ao entendimento completo desta transição, a caracterização básica das suas propriedades críticas ainda é debatida. O que motivou nosso estudo, foi a publicação de resultados experimentais e numéricos em sistemas tridimensionais [Yu et al. Nature 489, 379 (2012), Yu et al. PRB 86, 134421 (2012)] que violam a lei de escala $\\phi= u z$, em que $\\phi$ é o expoente da temperatura crítica, $z$ é o expoente crítico dinâmico e $ u$ é o expoente do comprimento de correlação. Abordamos essa controvérsia numericamente fazendo uma análise de escalonamento finito usando o algoritmo Worm nas suas versões quântica e clássica. Nossos resultados demonstram que trabalhos anteriores sobre a dependência da temperatura de transição superfluido-líquido normal com o potencial químico (ou campo magnético, em sistemas de spin), $T_c \\propto (\\mu-\\mu_c)^\\phi$, estavam equivocados na interpretação de um comportamento transiente na aproximação da região crítica genuína. Quando os parâmetros do modelo são modificados de maneira a ampliar a região crítica quântica, simulações com ambos os modelos clássico e quântico revelam que a lei de escala $\\phi= u z$ [com $\\phi=2.7(2)$, $z=3$ e $ u = 0.88(5)$] é válida. Também estimamos o expoente crítico do parâmetro de ordem, encontrando $\\beta=1.5(2)$.

3D plane-based egomotion for SLAM on semi-structured environment

Several works deal with 3D data in SLAM problem. Data come from a 3D laser sweeping unit or a stereo camera, both providing a huge amount of data. In this paper, we detail an efficient method to extract planar patches from 3D raw data. Then, we use these patches in an ICP-like method in order to address the SLAM problem. Using ICP with planes is not a trivial task. It needs some adaptation from the original ICP. Some promising results are shown for outdoor environment.

Using GNG to improve 3D feature extraction—Application to 6DoF egomotion

Several recent works deal with 3D data in mobile robotic problems, e.g. mapping or egomotion. Data comes from any kind of sensor such as stereo vision systems, time of flight cameras or 3D lasers, providing a huge amount of unorganized 3D data. In this paper, we describe an efficient method to build complete 3D models from a Growing Neural Gas (GNG). The GNG is applied to the 3D raw data and it reduces both the subjacent error and the number of points, keeping the topology of the 3D data. The GNG output is then used in a 3D feature extraction method. We have performed a deep study in which we quantitatively show that the use of GNG improves the 3D feature extraction method. We also show that our method can be applied to any kind of 3D data. The 3D features obtained are used as input in an Iterative Closest Point (ICP)-like method to compute the 6DoF movement performed by a mobile robot. A comparison with standard ICP is performed, showing that the use of GNG improves the results. Final results of 3D mapping from the egomotion calculated are also shown.

Real-time 3D semi-local surface patch extraction using GPGPU

Feature vectors can be anything from simple surface normals to more complex feature descriptors. Feature extraction is important to solve various computer vision problems: e.g. registration, object recognition and scene understanding. Most of these techniques cannot be computed online due to their complexity and the context where they are applied. Therefore, computing these features in real-time for many points in the scene is impossible. In this work, a hardware-based implementation of 3D feature extraction and 3D object recognition is proposed to accelerate these methods and therefore the entire pipeline of RGBD based computer vision systems where such features are typically used. The use of a GPU as a general purpose processor can achieve considerable speed-ups compared with a CPU implementation. In this work, advantageous results are obtained using the GPU to accelerate the computation of a 3D descriptor based on the calculation of 3D semi-local surface patches of partial views. This allows descriptor computation at several points of a scene in real-time. Benefits of the accelerated descriptor have been demonstrated in object recognition tasks. Source code will be made publicly available as contribution to the Open Source Point Cloud Library.

3D-based reconstruction using growing neural gas landmark: application to rapid prototyping in shoe last manufacturing

Customizing shoe manufacturing is one of the great challenges in the footwear industry. It is a production model change where design adopts not only the main role, but also the main bottleneck. It is therefore necessary to accelerate this process by improving the accuracy of current methods. Rapid prototyping techniques are based on the reuse of manufactured footwear lasts so that they can be modified with CAD systems leading rapidly to new shoe models. In this work, we present a shoe last fast reconstruction method that fits current design and manufacturing processes. The method is based on the scanning of shoe last obtaining sections and establishing a fixed number of landmarks onto those sections to reconstruct the shoe last 3D surface. Automated landmark extraction is accomplished through the use of the self-organizing network, the growing neural gas (GNG), which is able to topographically map the low dimensionality of the network to the high dimensionality of the contour manifold without requiring a priori knowledge of the input space structure. Moreover, our GNG landmark method is tolerant to noise and eliminates outliers. Our method accelerates up to 12 times the surface reconstruction and filtering processes used by the current shoe last design software. The proposed method offers higher accuracy compared with methods with similar efficiency as voxel grid.

Towards a real-time 3D object recognition pipeline on mobile GPGPU computing platforms using low-cost RGB-D sensors

In this project, we propose the implementation of a 3D object recognition system which will be optimized to operate under demanding time constraints. The system must be robust so that objects can be recognized properly in poor light conditions and cluttered scenes with significant levels of occlusion. An important requirement must be met: the system must exhibit a reasonable performance running on a low power consumption mobile GPU computing platform (NVIDIA Jetson TK1) so that it can be integrated in mobile robotics systems, ambient intelligence or ambient assisted living applications. The acquisition system is based on the use of color and depth (RGB-D) data streams provided by low-cost 3D sensors like Microsoft Kinect or PrimeSense Carmine. The range of algorithms and applications to be implemented and integrated will be quite broad, ranging from the acquisition, outlier removal or filtering of the input data and the segmentation or characterization of regions of interest in the scene to the very object recognition and pose estimation. Furthermore, in order to validate the proposed system, we will create a 3D object dataset. It will be composed by a set of 3D models, reconstructed from common household objects, as well as a handful of test scenes in which those objects appear. The scenes will be characterized by different levels of occlusion, diverse distances from the elements to the sensor and variations on the pose of the target objects. The creation of this dataset implies the additional development of 3D data acquisition and 3D object reconstruction applications. The resulting system has many possible applications, ranging from mobile robot navigation and semantic scene labeling to human-computer interaction (HCI) systems based on visual information.

μ-MAR: Multiplane 3D Marker based Registration for depth-sensing cameras

Many applications including object reconstruction, robot guidance, and. scene mapping require the registration of multiple views from a scene to generate a complete geometric and appearance model of it. In real situations, transformations between views are unknown and it is necessary to apply expert inference to estimate them. In the last few years, the emergence of low-cost depth-sensing cameras has strengthened the research on this topic, motivating a plethora of new applications. Although they have enough resolution and accuracy for many applications, some situations may not be solved with general state-of-the-art registration methods due to the signal-to-noise ratio (SNR) and the resolution of the data provided. The problem of working with low SNR data, in general terms, may appear in any 3D system, then it is necessary to propose novel solutions in this aspect. In this paper, we propose a method, μ-MAR, able to both coarse and fine register sets of 3D points provided by low-cost depth-sensing cameras, despite it is not restricted to these sensors, into a common coordinate system. The method is able to overcome the noisy data problem by means of using a model-based solution of multiplane registration. Specifically, it iteratively registers 3D markers composed by multiple planes extracted from points of multiple views of the scene. As the markers and the object of interest are static in the scenario, the transformations obtained for the markers are applied to the object in order to reconstruct it. Experiments have been performed using synthetic and real data. The synthetic data allows a qualitative and quantitative evaluation by means of visual inspection and Hausdorff distance respectively. The real data experiments show the performance of the proposal using data acquired by a Primesense Carmine RGB-D sensor. The method has been compared to several state-of-the-art methods. The results show the good performance of the μ-MAR to register objects with high accuracy in presence of noisy data outperforming the existing methods.

3DCOMET: 3D compression methods test dataset

The use of 3D data in mobile robotics applications provides valuable information about the robot’s environment. However usually the huge amount of 3D information is difficult to manage due to the fact that the robot storage system and computing capabilities are insufficient. Therefore, a data compression method is necessary to store and process this information while preserving as much information as possible. A few methods have been proposed to compress 3D information. Nevertheless, there does not exist a consistent public benchmark for comparing the results (compression level, distance reconstructed error, etc.) obtained with different methods. In this paper, we propose a dataset composed of a set of 3D point clouds with different structure and texture variability to evaluate the results obtained from 3D data compression methods. We also provide useful tools for comparing compression methods, using as a baseline the results obtained by existing relevant compression methods.

Characterization of rock slopes through slope mass rating using 3D point clouds

Rock mass classification systems are widely used tools for assessing the stability of rock slopes. Their calculation requires the prior quantification of several parameters during conventional fieldwork campaigns, such as the orientation of the discontinuity sets, the main properties of the existing discontinuities and the geo-mechanical characterization of the intact rock mass, which can be time-consuming and an often risky task. Conversely, the use of relatively new remote sensing data for modelling the rock mass surface by means of 3D point clouds is changing the current investigation strategies in different rock slope engineering applications. In this paper, the main practical issues affecting the application of Slope Mass Rating (SMR) for the characterization of rock slopes from 3D point clouds are reviewed, using three case studies from an end-user point of view. To this end, the SMR adjustment factors, which were calculated from different sources of information and processes, using the different softwares, are compared with those calculated using conventional fieldwork data. In the presented analysis, special attention is paid to the differences between the SMR indexes derived from the 3D point cloud and conventional field work approaches, the main factors that determine the quality of the data and some recognized practical issues. Finally, the reliability of Slope Mass Rating for the characterization of rocky slopes is highlighted.

Estudio y mejora de métodos de registro 3D: aceleración sobre unidades de procesamiento gráfico y caracterización del espacio de transformaciones iniciales

Durante los últimos años ha sido creciente el uso de las unidades de procesamiento gráfico, más conocidas como GPU (Graphic Processing Unit), en aplicaciones de propósito general, dejando a un lado el objetivo para el que fueron creadas y que no era otro que el renderizado de gráficos por computador. Este crecimiento se debe en parte a la evolución que han experimentado estos dispositivos durante este tiempo y que les ha dotado de gran potencia de cálculo, consiguiendo que su uso se extienda desde ordenadores personales a grandes cluster. Este hecho unido a la proliferación de sensores RGB-D de bajo coste ha hecho que crezca el número de aplicaciones de visión que hacen uso de esta tecnología para la resolución de problemas, así como también para el desarrollo de nuevas aplicaciones. Todas estas mejoras no solamente se han realizado en la parte hardware, es decir en los dispositivos, sino también en la parte software con la aparición de nuevas herramientas de desarrollo que facilitan la programación de estos dispositivos GPU. Este nuevo paradigma se acuñó como Computación de Propósito General sobre Unidades de Proceso Gráfico (General-Purpose computation on Graphics Processing Units, GPGPU). Los dispositivos GPU se clasifican en diferentes familias, en función de las distintas características hardware que poseen. Cada nueva familia que aparece incorpora nuevas mejoras tecnológicas que le permite conseguir mejor rendimiento que las anteriores. No obstante, para sacar un rendimiento óptimo a un dispositivo GPU es necesario configurarlo correctamente antes de usarlo. Esta configuración viene determinada por los valores asignados a una serie de parámetros del dispositivo. Por tanto, muchas de las implementaciones que hoy en día hacen uso de los dispositivos GPU para el registro denso de nubes de puntos 3D, podrían ver mejorado su rendimiento con una configuración óptima de dichos parámetros, en función del dispositivo utilizado. Es por ello que, ante la falta de un estudio detallado del grado de afectación de los parámetros GPU sobre el rendimiento final de una implementación, se consideró muy conveniente la realización de este estudio. Este estudio no sólo se realizó con distintas configuraciones de parámetros GPU, sino también con diferentes arquitecturas de dispositivos GPU. El objetivo de este estudio es proporcionar una herramienta de decisión que ayude a los desarrolladores a la hora implementar aplicaciones para dispositivos GPU. Uno de los campos de investigación en los que más prolifera el uso de estas tecnologías es el campo de la robótica ya que tradicionalmente en robótica, sobre todo en la robótica móvil, se utilizaban combinaciones de sensores de distinta naturaleza con un alto coste económico, como el láser, el sónar o el sensor de contacto, para obtener datos del entorno. Más tarde, estos datos eran utilizados en aplicaciones de visión por computador con un coste computacional muy alto. Todo este coste, tanto el económico de los sensores utilizados como el coste computacional, se ha visto reducido notablemente gracias a estas nuevas tecnologías. Dentro de las aplicaciones de visión por computador más utilizadas está el registro de nubes de puntos. Este proceso es, en general, la transformación de diferentes nubes de puntos a un sistema de coordenadas conocido. Los datos pueden proceder de fotografías, de diferentes sensores, etc. Se utiliza en diferentes campos como son la visión artificial, la imagen médica, el reconocimiento de objetos y el análisis de imágenes y datos de satélites. El registro se utiliza para poder comparar o integrar los datos obtenidos en diferentes mediciones. En este trabajo se realiza un repaso del estado del arte de los métodos de registro 3D. Al mismo tiempo, se presenta un profundo estudio sobre el método de registro 3D más utilizado, Iterative Closest Point (ICP), y una de sus variantes más conocidas, Expectation-Maximization ICP (EMICP). Este estudio contempla tanto su implementación secuencial como su implementación paralela en dispositivos GPU, centrándose en cómo afectan a su rendimiento las distintas configuraciones de parámetros GPU. Como consecuencia de este estudio, también se presenta una propuesta para mejorar el aprovechamiento de la memoria de los dispositivos GPU, permitiendo el trabajo con nubes de puntos más grandes, reduciendo el problema de la limitación de memoria impuesta por el dispositivo. El funcionamiento de los métodos de registro 3D utilizados en este trabajo depende en gran medida de la inicialización del problema. En este caso, esa inicialización del problema consiste en la correcta elección de la matriz de transformación con la que se iniciará el algoritmo. Debido a que este aspecto es muy importante en este tipo de algoritmos, ya que de él depende llegar antes o no a la solución o, incluso, no llegar nunca a la solución, en este trabajo se presenta un estudio sobre el espacio de transformaciones con el objetivo de caracterizarlo y facilitar la elección de la transformación inicial a utilizar en estos algoritmos.

3D Visual Data-Driven Spatiotemporal Deformations for Non-Rigid Object Grasping Using Robot Hands

Sensing techniques are important for solving problems of uncertainty inherent to intelligent grasping tasks. The main goal here is to present a visual sensing system based on range imaging technology for robot manipulation of non-rigid objects. Our proposal provides a suitable visual perception system of complex grasping tasks to support a robot controller when other sensor systems, such as tactile and force, are not able to obtain useful data relevant to the grasping manipulation task. In particular, a new visual approach based on RGBD data was implemented to help a robot controller carry out intelligent manipulation tasks with flexible objects. The proposed method supervises the interaction between the grasped object and the robot hand in order to avoid poor contact between the fingertips and an object when there is neither force nor pressure data. This new approach is also used to measure changes to the shape of an object’s surfaces and so allows us to find deformations caused by inappropriate pressure being applied by the hand’s fingers. Test was carried out for grasping tasks involving several flexible household objects with a multi-fingered robot hand working in real time. Our approach generates pulses from the deformation detection method and sends an event message to the robot controller when surface deformation is detected. In comparison with other methods, the obtained results reveal that our visual pipeline does not use deformations models of objects and materials, as well as the approach works well both planar and 3D household objects in real time. In addition, our method does not depend on the pose of the robot hand because the location of the reference system is computed from a recognition process of a pattern located place at the robot forearm. The presented experiments demonstrate that the proposed method accomplishes a good monitoring of grasping task with several objects and different grasping configurations in indoor environments.