Higher-order regularization and morphological techniques for image segmentation

La segmentación de imágenes es un campo importante de la visión computacional y una de las áreas de investigación más activas, con aplicaciones en comprensión de imágenes, detección de objetos, reconocimiento facial, vigilancia de vídeo o procesamiento de imagen médica. La segmentación de imágenes es un problema difícil en general, pero especialmente en entornos científicos y biomédicos, donde las técnicas de adquisición imagen proporcionan imágenes ruidosas. Además, en muchos de estos casos se necesita una precisión casi perfecta. En esta tesis, revisamos y comparamos primero algunas de las técnicas ampliamente usadas para la segmentación de imágenes médicas. Estas técnicas usan clasificadores a nivel de pixel e introducen regularización sobre pares de píxeles que es normalmente insuficiente. Estudiamos las dificultades que presentan para capturar la información de alto nivel sobre los objetos a segmentar. Esta deficiencia da lugar a detecciones erróneas, bordes irregulares, configuraciones con topología errónea y formas inválidas. Para solucionar estos problemas, proponemos un nuevo método de regularización de alto nivel que aprende información topológica y de forma a partir de los datos de entrenamiento de una forma no paramétrica usando potenciales de orden superior. Los potenciales de orden superior se están popularizando en visión por computador, pero la representación exacta de un potencial de orden superior definido sobre muchas variables es computacionalmente inviable. Usamos una representación compacta de los potenciales basada en un conjunto finito de patrones aprendidos de los datos de entrenamiento que, a su vez, depende de las observaciones. Gracias a esta representación, los potenciales de orden superior pueden ser convertidos a potenciales de orden 2 con algunas variables auxiliares añadidas. Experimentos con imágenes reales y sintéticas confirman que nuestro modelo soluciona los errores de aproximaciones más débiles. Incluso con una regularización de alto nivel, una precisión exacta es inalcanzable, y se requeire de edición manual de los resultados de la segmentación automática. La edición manual es tediosa y pesada, y cualquier herramienta de ayuda es muy apreciada. Estas herramientas necesitan ser precisas, pero también lo suficientemente rápidas para ser usadas de forma interactiva. Los contornos activos son una buena solución: son buenos para detecciones precisas de fronteras y, en lugar de buscar una solución global, proporcionan un ajuste fino a resultados que ya existían previamente. Sin embargo, requieren una representación implícita que les permita trabajar con cambios topológicos del contorno, y esto da lugar a ecuaciones en derivadas parciales (EDP) que son costosas de resolver computacionalmente y pueden presentar problemas de estabilidad numérica. Presentamos una aproximación morfológica a la evolución de contornos basada en un nuevo operador morfológico de curvatura que es válido para superficies de cualquier dimensión. Aproximamos la solución numérica de la EDP de la evolución de contorno mediante la aplicación sucesiva de un conjunto de operadores morfológicos aplicados sobre una función de conjuntos de nivel. Estos operadores son muy rápidos, no sufren de problemas de estabilidad numérica y no degradan la función de los conjuntos de nivel, de modo que no hay necesidad de reinicializarlo. Además, su implementación es mucho más sencilla que la de las EDP, ya que no requieren usar sofisticados algoritmos numéricos. Desde un punto de vista teórico, profundizamos en las conexiones entre operadores morfológicos y diferenciales, e introducimos nuevos resultados en este área. Validamos nuestra aproximación proporcionando una implementación morfológica de los contornos geodésicos activos, los contornos activos sin bordes, y los turbopíxeles. En los experimentos realizados, las implementaciones morfológicas convergen a soluciones equivalentes a aquéllas logradas mediante soluciones numéricas tradicionales, pero con ganancias significativas en simplicidad, velocidad y estabilidad. ABSTRACT Image segmentation is an important field in computer vision and one of its most active research areas, with applications in image understanding, object detection, face recognition, video surveillance or medical image processing. Image segmentation is a challenging problem in general, but especially in the biological and medical image fields, where the imaging techniques usually produce cluttered and noisy images and near-perfect accuracy is required in many cases. In this thesis we first review and compare some standard techniques widely used for medical image segmentation. These techniques use pixel-wise classifiers and introduce weak pairwise regularization which is insufficient in many cases. We study their difficulties to capture high-level structural information about the objects to segment. This deficiency leads to many erroneous detections, ragged boundaries, incorrect topological configurations and wrong shapes. To deal with these problems, we propose a new regularization method that learns shape and topological information from training data in a nonparametric way using high-order potentials. High-order potentials are becoming increasingly popular in computer vision. However, the exact representation of a general higher order potential defined over many variables is computationally infeasible. We use a compact representation of the potentials based on a finite set of patterns learned fromtraining data that, in turn, depends on the observations. Thanks to this representation, high-order potentials can be converted into pairwise potentials with some added auxiliary variables and minimized with tree-reweighted message passing (TRW) and belief propagation (BP) techniques. Both synthetic and real experiments confirm that our model fixes the errors of weaker approaches. Even with high-level regularization, perfect accuracy is still unattainable, and human editing of the segmentation results is necessary. The manual edition is tedious and cumbersome, and tools that assist the user are greatly appreciated. These tools need to be precise, but also fast enough to be used in real-time. Active contours are a good solution: they are good for precise boundary detection and, instead of finding a global solution, they provide a fine tuning to previously existing results. However, they require an implicit representation to deal with topological changes of the contour, and this leads to PDEs that are computationally costly to solve and may present numerical stability issues. We present a morphological approach to contour evolution based on a new curvature morphological operator valid for surfaces of any dimension. We approximate the numerical solution of the contour evolution PDE by the successive application of a set of morphological operators defined on a binary level-set. These operators are very fast, do not suffer numerical stability issues, and do not degrade the level set function, so there is no need to reinitialize it. Moreover, their implementation is much easier than their PDE counterpart, since they do not require the use of sophisticated numerical algorithms. From a theoretical point of view, we delve into the connections between differential andmorphological operators, and introduce novel results in this area. We validate the approach providing amorphological implementation of the geodesic active contours, the active contours without borders, and turbopixels. In the experiments conducted, the morphological implementations converge to solutions equivalent to those achieved by traditional numerical solutions, but with significant gains in simplicity, speed, and stability.

Nuevas ecuaciones de cubicación para pino silvestre en "aguas vertientes" (El Espinar, Segovia).

El monte "Aguas Vertientes" (El Espinar) es el nº 138 del C.U.P. de Segovia. Se trata de una masa natural de pino silvestre, con abundante melojo en sus cotas inferiores. Su primer Proyecto de Ordenación fue redactado en 1904, estando actualmente redactada y en fase de aprobación la novena revisión. La madera de pino obtenida es elaborada en un aserradero cercano, perteneciente a la misma entidad propietaria. Durante los últimos años los responsables de dicho aserradero vienen manifestando que la cubicación en pie realizada por la administración forestal presenta errores de magnitud suficiente como para ser necesaria su corrección. Este trabajo fin de carrera ha consistido en comprobar la fiabilidad de los valores modulares empleados hasta ahora, y elaborar nuevas ecuaciones de cubicación. Para ello se ha manejado una muestra de 234 pinos repartidos en malla cuadrada y cubicados en pie mediante el método de Pressler-Bitterlich. Como resultado, se propone una ecuación de doble entrada (función de diámetro normal y altura) para todo el monte; y una ecuación de una entrada (función de diámetro normal) para cotas superiores e inferiores a 1.500 m. Los nuevos modelos son validados mediante una muestra independiente.

Estructuras I : Ejercicios de diagramas de esfuerzos

Se van a trazar los diagramas de esfuerzos normales, cortantes y flectores (o simplemente diagramas de esfuerzos) de estructuras relativamente simples, y además en orden creciente de complejidad. Los comentarios y explicaciones serán por ello mayores y de aspectos más básicos al comienzo, y poco a poco se irá atendiendo a cuestiones más complejas. Se recomienda por ello que el alumno lea este documento en el orden que está escrito. Se tratará sólo el caso de estructuras isostáticas, de modo que obtener las reacciones no sea un problema en sí mismo. Con ello el problema a resolver se reduce a la aplicación de las ecuaciones de equilibrio. El método a seguir es muy simple, ir dando cortes, y determinar los esfuerzos necesarios en dicho corte para que esa parte de la estructura, aislada por un corte, esté también en equilibrio. Como se verá, las relaciones diferenciales que existen entre la carga, el cortante y el flector permiten reducir notablemente el número necesario de cortes. Los diagramas de esfuerzos son una herramienta tremendamente útil. De un solo vistazo nos dan información sobre el conjunto de la pieza. Es imprescindible tener soltura en este terreno, tanto para el trazado como, quizás más todavía, para su interpretación.

Introducción a las herramientas matemáticas para la formulación de ecuaciones generalmente covariantes

Este documento es una introducción con carácter divulgativo a los fundamentos matemáticos básicos empleados por Albert Einstein para la formulación de la teoría de relatividad general. La mayoría de ellos se pueden emplear en otros campos como la óptica no lineal o la teoría de cuerdas, donde muchas expresiones deben tener el carácter de covarianza general, es decir, sus expresiones no deben depender del sistema de referencia escogido.

Introducción a las herramientas matemáticas para la formulación de ecuaciones generalmente covariantes

Este documento es una introducción con carácter divulgativo a los fundamentos matemáticos básicos empleados por Albert Einstein para la formulación de la teoría de relatividad general. La mayoría de ellos se pueden emplear en otros campos como la óptica no lineal o la teoría de cuerdas, donde muchas expresiones deben tener el carácter de covarianza general, es decir, sus expresiones no deben depender del sistema de referencia escogido.

Métodos diferenciales e interferométricos para la evaluación de deformaciones de la corteza terrestre mediante técnicas GNSS e InSAR = Differential and interferometric methods for evaluation of crustal deformation using GNSS and InSAR techniques

La actividad volcánica interviene en multitud de facetas de la propia actividad humana, no siempre negativas. Sin embargo, son más los motivos de peligrosidad y riesgo que incitan al estudio de la actividad volcánica. Existen razones de seguridad que inciden en el mantenimiento del seguimiento y monitorización de la actividad volcánica para garantizar la vida y la seguridad de los asentamientos antrópicos en las proximidades de los edificios volcánicos. En esta tesis se define e implementa un sistema de monitorización de movimientos de la corteza en las islas de Tenerife y La Palma, donde el impacto social que representa un aumento o variación de la actividad volcánica en las islas es muy severo. Aparte de la alta densidad demográfica del Archipiélago, esta población aumenta significativamente, en diferentes periodos a lo largo del año, debido a la actividad turística que representa la mayor fuente de ingresos de las islas. La población y los centros turísticos se diseminan predominantemente a lo largo de las costas y también a lo largo de los flancos de los edificios volcánicos. Quizá el mantenimiento de estas estructuras sociales y socio-económicas son los motivos más importantes que justifican una monitorización de la actividad volcánica en las Islas Canarias. Recientemente se ha venido trabajando cada vez más en el intento de predecir la actividad volcánica utilizando los nuevos sistemas de monitorización geodésica, puesto que la actividad volcánica se manifiesta anteriormente por deformación de la corteza terrestre y cambios en la fuerza de la gravedad en la zona donde más tarde se registran eventos volcánicos. Los nuevos dispositivos y sensores que se han desarrollado en los últimos años en materias como la geodesia, la observación de la Tierra desde el espacio y el posicionamiento por satélite, han permitido observar y medir tanto la deformación producida en el terreno como los cambios de la fuerza de la gravedad antes, durante y posteriormente a los eventos volcánicos que se producen. Estos nuevos dispositivos y sensores han cambiado las técnicas o metodologías geodésicas que se venían utilizando hasta la aparición de los mismos, renovando métodos clásicos y desarrollando otros nuevos que ya se están afianzando como metodologías probadas y reconocidas para ser usadas en la monitorización volcánica. Desde finales de la década de los noventa del siglo pasado se han venido desarrollando en las Islas Canarias varios proyectos que han tenido como objetivos principales el desarrollo de nuevas técnicas de observación y monitorización por un lado y el diseño de una metodología de monitorización volcánica adecuada, por otro. Se presenta aquí el estudio y desarrollo de técnicas GNSS para la monitorización de deformaciones corticales y su campo de velocidades para las islas de Tenerife y La Palma. En su implementación, se ha tenido en cuenta el uso de la infraestructura geodésica y de monitorización existente en el archipiélago a fin de optimizar costes, además de complementarla con nuevas estaciones para dar una cobertura total a las dos islas. Los resultados obtenidos en los proyectos, que se describen en esta memoria, han dado nuevas perspectivas en la monitorización geodésica de la actividad volcánica y nuevas zonas de interés que anteriormente no se conocían en el entorno de las Islas Canarias. Se ha tenido especial cuidado en el tratamiento y propagación de los errores durante todo el proceso de observación, medida y proceso de los datos registrados, todo ello en aras de cuantificar el grado de fiabilidad de los resultados obtenidos. También en este sentido, los resultados obtenidos han sido verificados con otros procedentes de sistemas de observación radar de satélite, incorporando además a este estudio las implicaciones que el uso conjunto de tecnologías radar y GNSS tendrán en un futuro en la monitorización de deformaciones de la corteza terrestre. ABSTRACT Volcanic activity occurs in many aspects of human activity, and not always in a negative manner. Nonetheless, research into volcanic activity is more likely to be motivated by its danger and risk. There are security reasons that influence the monitoring of volcanic activity in order to guarantee the life and safety of human settlements near volcanic edifices. This thesis defines and implements a monitoring system of movements in the Earth’s crust in the islands of Tenerife and La Palma, where the social impact of an increase (or variation) of volcanic activity is very severe. Aside from the high demographic density of the archipelago, the population increases significantly in different periods throughout the year due to tourism, which represents a major source of revenue for the islands. The population and the tourist centres are mainly spread along the coasts and also along the flanks of the volcanic edifices. Perhaps the preservation of these social and socio-economic structures is the most important reason that justifies monitoring volcanic activity in the Canary Islands. Recently more and more work has been done with the intention of predicting volcanic activity, using new geodesic monitoring systems, since volcanic activity is evident prior to eruption because of a deformation of the Earth’s crust and changes in the force of gravity in the zone where volcanic events will later be recorded. The new devices and sensors that have been developed in recent years in areas such as geodesy, the observation of the Earth from space, and satellite positioning have allowed us to observe and measure the deformation produced in the Earth as well as the changes in the force of gravity before, during, and after the volcanic events occur. The new devices and sensors have changed the geodetic techniques and methodologies that were used previously. The classic methods have been renovated and other newer ones developed that are now vouched for as proven recognised methodologies to be used for volcanic monitoring. Since the end of the 1990s, in the Canary Islands various projects have been developed whose principal aim has been the development of new observation and monitoring techniques on the one hand, and the design of an appropriate volcanic monitoring methodology on the other. The study and development of GNSS techniques for the monitoring of crustal deformations and their velocity field is presented here. To carry out the study, the use of geodetic infrastructure and existing monitoring in the archipelago have been taken into account in order to optimise costs, besides complementing it with new stations for total coverage on both islands. The results obtained in the projects, which are described below, have produced new perspectives in the geodetic monitoring of volcanic activity and new zones of interest which previously were unknown in the environment of the Canary Islands. Special care has been taken with the treatment and propagation of errors during the entire process of observing, measuring, and processing the recorded data. All of this was done in order to quantify the degree of trustworthiness of the results obtained. Also in this sense, the results obtained have been verified with others from satellite radar observation systems, incorporating as well in this study the implications that the joint use of radar technologies and GNSS will have for the future of monitoring deformations in the Earth’s crust.

Introducción a las herramientas matemáticas para la formulación de ecuaciones generalmente covariantes

Este documento es una introducción con carácter divulgativo a los fundamentos matemáticos básicos empleados por Albert Einstein para la formulación de la teoría de relatividad general. La mayoría de ellos se pueden emplear en otros campos como la óptica no lineal o la teoría de cuerdas, donde muchas expresiones deben tener el carácter de covarianza general, es decir, sus expresiones no deben depender del sistema de referencia escogido.

Características diferenciales e interpretación genética de ópalos constituidos en sedimentos biosilíceos y ópalos inorgánicos (Esquivias, Cuenca de Madrid)

En los últimos años, diversos autores han citado la existencia de rocas silíceas de origen orgánico (diatomitas, s.l.) en las proximidades de Esquivias (Toledo, Cuenca de Madrid). En esta zona, dichos materiales se encuentran acompañados también por otros niveles de rocas silíceas de origen inorgánico. Los objetivos del presente trabajo se centran en el estudio comparativo, desde un punto de vista petrológico y geoquímico, de ambos tipos de rocas silíceas, con el fin de establecer su caracterización, así como las posibles diferencias en función de su génesis, origen de la sílice y ambiente de constitución. La columna estratigráfica estudiada presenta tres tipos de niveles opalinos, cada uno de ellos con una génesis diferente de acuerdo con sus características petrológicas y geoquímicas. El nivel inferior se forma por silicificación de una calcreta, siendo la fuente de la sílice externa al ámbito de constitución. La génesis del nivel intermedio es problemática, dada la compleja mineralogía del ámbito de constitución, estando la fuente de la sílice probablemente relacionada con la neoformación y /o desestabilización de minerales de la arcilla. El nivel opalino superior, incluido en sedimentos biosilíceos, se produce por envejecimiento de los organismos silíceos y cementación por sílice. En los sedimentos biosilíceos, los elementos traza se concentran, en general, en las fracciones carbonáticas y/o arcillosas, no estando presentes en los microfósiles silíceos. Por último, la evolución de los elementos traza en el proceso de silicificación es semejante en los tres tipos de ópalos estudiados, observándose una disminución de los contenidos en Sr, Zr, Rb y Zn al aumentar el índice de sílice libre definido en este trabajo (I,1). A su vez, el estudio de las relaciones CaO/MgO y Ca0/Al20 3 pone de manifiesto una posible selectividad en dicho proceso, sustituyéndose preferentemente las fases carbonáticas y posteriormente las arcillas.

Las causas del fracaso escolar en estudiantes de secundaria : validación de un modelo psicosocial con ecuaciones estructurales

Esta tesis de doctorado surge de la preocupación por los bajos niveles de calidad en la educación básica y secundaria colombiana, que encuentra en el fracaso escolar uno de los principales desafíos por resolver. A pesar de que el bajo rendimiento sea uno de los tópicos más analizados en la investigación educativa, a nivel internacional, en Colombia son escasos los programas de investigación sobre el tema y mucho más raras las políticas gubernamentales para disminuirlo. En el contexto estudiado, el fracaso escolar no se encuentra asociado a estudiantes con barreras de aprendizaje ni a situaciones de carencia extrema, tampoco a sistemas familiares o escolares disfuncionales. A pesar de contar con las condiciones básicas para el éxito, los estudiantes no alcanzan sus objetivos académicos, entrando en un ciclo de repetición que antecede al abandono escolar temprano y definitivo. Como objeto de investigación, el fracaso escolar es un fenómeno de alta complejidad ya que es el resultado de la interacción simultanea de un número indeterminado de variables históricas, culturales, sociales, económicas, institucionales e individuales que se afectan recíprocamente; de tal manera que, al cambiar el ángulo de observación, las variables que eran consideradas como el origen de un proceso, se convierten en su consecuencia, generando efectos de causalidad circular y grandes zonas de incertidumbre que impiden la formulación de teorías explicativas de carácter general. Una prueba de esto, son las aproximaciones fragmentarias y contradictorias de las disciplinas encargadas de su estudio. De ahí la necesidad de proponer investigaciones que vayan más allá de la simple descripción del fenómeno, para concentrarse en la formulación de modelos más sensibles a las relaciones causales que se establecen entre un grupo determinado de variables...

A structural model of cognitive-motivational variables as explanatory factors of academic achievement in Spanish Language and Mathematics

In recent years, several explanatory models have been developed which attempt to analyse the predictive worth of various factors in relation to academic achievement, as well as the direct and indirect effects that they produce. The aim of this study was to examine a structural model incorporating various cognitive and motivational variables which influence student achievement in the two basic core skills in the Spanish curriculum: Spanish Language and Mathematics. These variables included differential aptitudes, specific self-concept, goal orientations, effort and learning strategies. The sample comprised 341 Spanish students in their first year of Compulsory Secondary Education. Various tests and questionnaires were used to assess each student, and Structural Equation Modelling (SEM) was employed to study the relationships in the initial model. The proposed model obtained a satisfactory fit for the two subjects studied, and all the relationships hypothesised were significant. The variable with the most explanatory power regarding academic achievement was mathematical and verbal aptitude. Also notable was the direct influence of specific self-concept on achievement, goal-orientation and effort, as was the mediatory effect that effort and learning strategies had between academic goals and final achievement.

Un estudio cualitativo sobre los diferenciales de género en la educación superior: percepciones de las académicas en contextos masculinizados

El contexto universitario refleja, al igual que la sociedad en general, la falta de equidad y equilibrio en la representación de mujeres y hombres. En la academia aún encontramos una alta presencia de hombres, especialmente, en lo que respecta a las cátedras universitarias. En este estudio presentamos y analizamos resultados de un proyecto de investigación desarrollado en la Universidad de Alicante (España). Del análisis realizado en los siete centros o unidades académicas de esta universidad, en el que aún las académicas conviven en contextos masculinizados, emergen las diferencias de oportunidades percibidas por las profesoras universitarias en su desarrollo profesional docente e investigador, aunque muchas de ellas no las relacionan con la discriminación por género. Cuando las académicas se han encontrado en situaciones discriminatorias manifiestan una actitud activa y reivindicativa, excepto en los centros altamente masculinizados donde mantienen una actitud pasiva para que el ambiente de trabajo sea óptimo. Consideramos que es necesario continuar indagando en estos espacios donde la presencia de las académicas sigue siendo minoritaria a pesar de las reformas universitarias en materia de igualdad desarrolladas en la Educación Superior.

[Determinar los caracteres diferenciales de la locura y de la pasión] : Discurso leido ante el Claustro de la Universidad Central en el acto solemne de recibir la investidura de doctor en Medicina y Cirugía /

Tesis Univ. Central, 1868.

[Cuales son los caracteres diferenciales de la monomanía y la pasión] : discurso que al recibir la investidura de Doctor en Medicina pronunció en la Universidad Central el Licenciado Don José Ruíz Gutíerrez el día 17 de abril de 1860.

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[¿Cuáles son los caracteres diferenciales de la monomanía y de la pasión?] : discurso pronunciado ante el claustro de la Universidad Central por el Licenciado en Medicina y Cirujía Don Santiago López Argüeta y Landete, en el acto de recibir la investidura de Doctor en la misma Facultad.

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[¿Cuáles son los caracteres diferenciales de la monomanía y de la pasión?] : discurso leído en la Universidad Central por el Licenciado en Medicina y Cirugía D. Calletano del Toro y Quartiellers, en el acto solemne de recibir la investidura de Doctor en la misma facultad.

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