MBIS: Multivariate Bayesian Image Segmentation Tool

We present MBIS (Multivariate Bayesian Image Segmentation tool), a clustering tool based on the mixture of multivariate normal distributions model. MBIS supports multi-channel bias field correction based on a B-spline model. A second methodological novelty is the inclusion of graph-cuts optimization for the stationary anisotropic hidden Markov random field model. Along with MBIS, we release an evaluation framework that contains three different experiments on multi-site data. We first validate the accuracy of segmentation and the estimated bias field for each channel. MBIS outperforms a widely used segmentation tool in a cross-comparison evaluation. The second experiment demonstrates the robustness of results on atlas-free segmentation of two image sets from scan-rescan protocols on 21 healthy subjects. Multivariate segmentation is more replicable than the monospectral counterpart on T1-weighted images. Finally, we provide a third experiment to illustrate how MBIS can be used in a large-scale study of tissue volume change with increasing age in 584 healthy subjects. This last result is meaningful as multivariate segmentation performs robustly without the need for prior knowledge.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Comparison of different pre-treatments to improve accuracy of total soluble solids.

The applicability of a portable NIR spectrometer for estimating the °Brix content of grapes by non-destructive measurement has been analysed in field. The NIR spectrometer AOTF-NIR Luminar 5030, from Brimrose, was used. The spectrometer worked with a spectral range from 1100 to 2300 nm. A total of 600 samples of Cabernet Sauvignon grapes, belonging to two vintages, were measured in a non-destructive way. The specific objective of this research is to analyse the influence of the statistical treatment of the spectra information in the development of °Brix estimation models. Different data pretreatments have been tested before applying multivariate analysis techniques to generate estimation models. The calibration using PLS regression applied to spectra data pretreated with the MSC method (multiplicative scatter correction) has been the procedure with better results. Considering the models developed with data corresponding to the first campaign, errors near to 1.35 °Brix for calibration (SEC = 1.36) and, about 1.50 °Brix for validation (SECV = 1.52) were obtained. The coefficients of determination were R2 = 0.78 for the calibration, and R2 = 0.77 for the validation. In addition, the great variability in the data of the °Brix content for the tested plots was analysed. The variation of °Brix on the plots was up to 4 °Brix, for all varieties. This deviation was always superior to the calculated errors in the generated models. Therefore, the generated models can be considered to be valid for its application in field. Models were validated with data corresponding to the second campaign. In this sense, the validation results were worse than those obtained in the first campaign. It is possible to conclude in the need to realize an adjustment of the spectrometer for each season, and to develop specific predictive models for every vineyard.

Fenómenos de galope en piezas prismáticas con sección en H

El objetivo de esta Tesis es el estudio sistemático del fenómeno aeroelástico de galope de una viga prismática con sección transversal en H. En particular, se pretende analizar la influencia de determinados parámetros geométricos que definen la geometría de la sección y el efecto del ángulo de ataque de la corriente sobre la estabilidad del fenómeno de oscilación. El interés en el estudio de esta forma de la sección transversal de una viga se basa en el hecho de que, con cierta frecuencia, se sigue utilizando, por su buen comportamiento estructural, en construcciones civiles como tableros y tirantes de puentes de gran longitud, señalizaciones, luminarias y, en general, en grandes estructuras metálicas. Los parámetros geométricos seleccionados para su estudio son tres: el espesor de las dos alas verticales, su porosidad y el espesor de sendas ranuras en la zona de unión entre el alma y las alas de la sección. Inicialmente se han realizado ensayos estáticos en un túnel aerodinámico con objeto de obtener las cargas aerodinámicas y poder aplicar el criterio casi-estático de Glauert - Den Hartog. En estos ensayos, se han medido tanto las fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámicas como las distribuciones de presiones en la superficie de la zona central de la sección. Posteriormente, se han realizado ensayos de visualización de flujo, utilizando un túnel de humos, para poder comprender mejor el comportamiento físico del aire alrededor del cuerpo. El estudio estático se ha completado realizando ensayos con PIV, que permiten realizar una medida precisa de la velocidad del campo fluido. Por último, se han realizado ensayos dinámicos en otro túnel aerodinámico con objeto de contrastar la aplicabilidad del criterio casi-estático, la velocidad de inicio de galope y la amplitud de las oscilaciones producidas. Los resultados muestran que el espesor de las alas verticales, aunque modifica apreciablemente la magnitud de las cargas aerodinámicas, no afecta sustancialmente a la estabilidad a galope, mientras que su porosidad sí ejerce un control efectivo que permite reducir este fenómeno e incluso evitarlo, en determinados casos. En todas las situaciones el criterio de Glauert-Glauert - Den Hartog ha resultado ser aplicable y, en ocasiones, más restrictivo que los resultados obtenidos en ensayos dinámicos. La presencia de una ranura en la zona de unión entre el alma y las dos alas, o su combinación con la porosidad en las alas, reduce la intensidad de galope, incrementando la velocidad crítica de su inicio, pero no logra hacer que desaparezca, como se justificará en el desarrollo del trabajo. ABSTRACT Galloping is a type of aeroelastic instability characterized by a large amplitude oscillation at the natural frequency of the structure, producing normal motion to wind. It usually occurs in slender bodies lightly damped at sufficiently high speeds. In this thesis an experimental study has been developed on the galloping instability of a beam with H cross section, which is inscribed in a rectangle with a slender 1: 2. A systematic study has been carried out of the influence of three different geometric parameters on galloping, in the range of 0 to 90° angle of attack of the incoming stream. These parameters are the thickness of the flanges of the section, the porosity of the flanges, the thickness of two slots along the span, in the area between the flange and the central core of the section, and the combination effect of the last two parameters. First of all, static tests have been performed in a wind tunnel to determine the lift and drag forces by using a balance and then the quasi-static stability criterion due to Glauert-Den Hartog has been determined. Later, to better understand and verify the results previously obtained, it has also been tested the pressure distribution on the surface of the model, flow visualization in a second, smoke, wind tunnel, and Particle Image Velocimetry (PIV) study of the flow around the section, in a third tunnel. Finally, dynamic tests have been performed, on a fourth wind tunnel, for determining the amplitude and frequency of the oscillations in each case. The results have been collected in stability diagrams for each geometric parameter studied. These results show that the more critical angles of attack of the stream for galloping behavior are close to 0 and 90º. It has been found that the thickness of the flanges, although changes the galloping behavior on the section, does not reduce it substantially. However, the porosity in the flanges has been proved to be an efficient control mechanism on galloping, and even above 40% porosity, it disappears. The thickness of the slot studied and its combination with the porosity in the flanges in some cases reduces the aerodynamic forces appreciably but fail to prevent galloping at all angles of attack.

Georges Stephenson [Material gráfico] Ingenieur du chemin de Liverpool, Manchester, père de Robert

Inscripción en al ángulo inferior derecho: "1er. Volume"

Segunda vista del teatro de Sagunto [Material gráfico] = Seconde vue du théâtre de Sagonte = Second view of the theatre of Sagonta

Estampado junto a: "Vista de la Ciudadela"

Methodology of image analysis for study of the vertisols moisture content

The main problem to study vertical drainage from the moisture distribution, on a vertisol profile, is searching for suitable methods using these procedures. Our aim was to design a digital image processing methodology and its analysis to characterize the moisture content distribution of a vertisol profile. In this research, twelve soil pits were excavated on a ba re Mazic Pellic Vertisols ix of them in May 13/2011 and the rest in May 19 /2011 after a moderate rainfall event. Digital RGB images were taken from each vertisol pit using a Kodak? camera selecting a size of 1600x945 pixels. Each soil image was processed to homogenized brightness and then a spatial filter with several window sizes was applied to select the optimum one. The RGB image obtained were divided in each matrix color selecting the best thresholds for each one, maximum and minimum, to be applied and get a digital binary pattern. This one was analyzed by estimating two fractal scaling exponents box counting dimension D BC) and interface fractal dimension (D) In addition, three pre-fractal scaling coefficients were determinate at maximum resolution: total number of boxes intercepting the foreground pattern (A), fractal lacunarity (?1) and Shannon entropy S1). For all the images processed the spatial filter 9x9 was the optimum based on entropy, cluster and histogram criteria. Thresholds for each color were selected based on bimodal histograms.

Evaluación del rendimiento de jugadores y equipos de fútbol de nivel de élite en diferentes contextos situacionales = Evaluation on Match Performances of Professional Football Players and Teams under Different Situational Conditions = 不同情境条件下高水平足球运动员和运动队的比赛表现分析

El análisis del rendimiento en deportes juega un papel esencial en el fútbol profesional. Aunque el estudio del análisis del juego en fútbol se ha utilizado desde diferentes ámbitos y situaciones, todavía existen diferentes aspectos y componentes del juego que siguen sin estar estudiados. En este sentido existen diferentes aspectos que deben de superar los estudios previos centrados en el componente descriptivo tales como el uso de variables/ indicadores de rendimiento que no se han definido ni estudiado, la validez de los métodos observaciones que no han sido testados con los softwares específicos en fútbol, la aplicación y utilidad de los resultados, así como las limitaciones del estudio de las variables situacionales/contextuales. Con el objetivo de cubrir las citadas limitaciones se han diseñado 6 estudios independientes e inter-relacionados que tratan de estudiar los aspectos anteriormente referidos. El primer estudio evalua la fiabilidad inter-observadores de las estadísticas de juego de la empresa privada OPTA Sportsdata, estos datos son la muestra de estudio de la presente tesis doctoral. Dos grupos de observadores experimentados se requieren para analizar un partido de la liga española de manera independiente. Los resultados muestran que los eventos de equipos y porteros codificados por los inter-operadores alcanzan un acuerdo muy bueno (valores kappa entre 0.86 y 0.94). La validez inter-observadores de las acciones de juego y los datos de jugadores individuales se evaluó con elevados niveles de acuerdo (valores del coeficiente de correlación intraclase entre 0.88 hasta 1.00, el error típico estandarizado variaba entre 0.00 hasta 0.37). Los resultados sugieren que las estadísticas de juego registradas por los operadores de la empresa OPTA Sportsdata están bien entrenados y son fiables. El segundo, tercer y cuarto estudio se centran en resaltar la aplicabilidad del análisis de rendimiento en el fútbol así como para explicar en profundidad las influencias de las variables situacionales. Utilizando la técnica de los perfiles de rendimiento de jugadores y equipos de fútbol se puede evaluar y comparar de manera gráfica, fácil y visual. Así mismo, mediante esta técnica se puede controlar el efecto de las variables situacionales (localización del partido, nivel del equipo y del oponente, y el resultado final del partido). Los perfiles de rendimiento de porteros (n = 46 porteros, 744 observaciones) y jugadores de campo (n = 409 jugadores, 5288 observaciones) de la primera division professional de fútbol Española (La Liga, temporada 2012-13), los equipos (n = 496 partidos, 992 observaciones) de la UEFA Champions League (temporadas 2009-10 a 2012-13) fueron analizados registrando la media, desviación típica, mediana, cuartiles superior e inferior y el recuento de valores de cada indicador de rendimiento y evento, los cuales se presentaron en su forma tipificada y normalizada. Los valores medios de los porteros de los equipos de diferentes niveles de La Liga y de los equipos de diferente nivel de la UEFA Champions League cuando jugaban en diferentes contextos de juego y situaciones (variables situacionales) fueron comparados utilizando el ANOVA de un factor y la prueba t para muestras independientes (localización del partido, diferencias entre casa y fuera), y fueron establecidos en los perfiles de red después de unificar todos los registros en la misma escala derivada con valores estandarizados. Mientras que las diferencias de rendimiento entre los jugadores de los mejores equipos (Top3) y los peores (Bottom3) fueron comparados mediante el uso de diferencias en la magnitud del tamaño del efecto. El quinto y el sexto estudio analizaban el rendimiento del fútbol desde un punto de vista de predicción del rendimiento. El modelo linear general y el modelo lineal general mixto fue empleado para analizar la magnitud de las relaciones de los indicadores y estadísticas de juego con el resultado final del partido en función del tipo de partido (partidos ajustados o todos los partidos) en la fase de grupos de la Copa del Mundo 2014 de Brasil (n = 48 partidos, 38 partidos ajustados) y La Liga 2012-13 (n = 320 partidos ajustados). Las relaciones fueron evaluadas mediante las inferencias en la magnitud de las diferencias y se expresaron como partidos extra ganados o perdidos por cada 10 partidos mediante la variable calculada en 2 desviaciones típicas. Los resultados mostraron que, para los 48 partidos de la fase de grupos de la Copa del Mundo 2014, nueve variables tuvieron un efecto positive en la probabilidad de ganar (tiros, tiros a puerta, tiros de contraataque, tiros dentro del área, posesión de balón, pases en corto, media de secuencia de pases, duelos aéreos y entradas), cuatro tuvieron efectos negativos (tiros bloqueados, centros, regates y tarjetas amarillas), y otras 12 variables tenían efectos triviales o poco claros. Mientras que los 38 partidos ajustados, el efecto de duelos aéreos y tarjetas amarillas fueron triviales y claramente negativos respectivamente. En la La Liga, existió un efecto moderado positive para cada equipo para los tiros a puerta (3.4 victorias extras por cada 10 partidos; 99% IC ±1.0), y un efecto positivo reducido para tiros totales (1.7 victorias extrsa; ±1.0). Los efectos de la mayoría de los eventos se han relacionado con la posesión del balón, la cual obtuvo efectos negativos entre equipos (1.2 derrotas extras; ±1.0) pero un efecto positivo pequeño entra equipos (1.7 victorias extras; ±1.4). La localización del partido mostró un efecto positive reducido dentro de los equipos (1.9 victorias extras; ±0.9). Los resultados obtenidos en los perfiles y el modelado del rendimiento permiten ofrecer una información detallada y avanzada para el entrenamiento, la preparación previa a los partidos, el control de la competición y el análisis post-partido, así como la evaluación e identificación del talento de los jugadores. ABSTRACT Match performance analysis plays an important role in the modern professional football. Although the research in football match analysis is well-developed, there are still some issues and problems remaining in this field, which mainly include the lack of operational definitions of variables, reliability issues, applicability of the findings, the lack of contextual/situational variables, and focusing too much on descriptive and comparative analysis. In order to address these issues, six independent but related studies were conducted in the current thesis. The first study evaluated the inter-operator reliability of football match statistics from OPTA Sportsdata Company which is the data resourse of the thesis. Two groups of experienced operators were required to analyse a Spanish league match independently in the experiment. Results showed that team events and goalkeeper actions coded by independent operators reached a very good agreement (kappa values between 0.86 and 0.94). The inter-operator reliability of match actions and events of individual outfield players was also tested to be at a high level (intra-class correlation coefficients ranged from 0.88 to 1.00, standardised typical error varied from 0.00 to 0.37). These results suggest that the football match statistics collected by well-trained operators from OPTA Sportsdata Company are reliable. The second, third and fourth study aims to enhance the applicability of football match performance analysis and to explore deeply the influences of situational variables. By using a profiling technique, technical and tactical performances of football players and teams can be interpreted, evaluated and compared more easily and straightforwardly, meanwhile, influences and effects from situational variables (match location, strength of team and opposition, and match outcome) on the performances can be properly incorporated. Performance profiles of goalkeepers (n = 46 goalkeepers, 744 full match observations) and outfield players (n = 409 players, 5288 full match observations) from the Spanish First Division Professional Football League (La Liga, season 2012-13), teams (n = 496 matches, 992 observations) from UEFA Champions League (seasons 2009-10 to 2012-13) were set up by presenting the mean, standard deviation, median, lower and upper quartiles of the count values of each performance-related match action and event to represent their typical performances and spreads. Means of goalkeeper from different levels of team in La Liga and teams of different strength in UEFA Champions League when playing under different situational conditions were compared by using one-way ANOVA and independent sample t test (for match location, home and away differences), and were plotted into the same radar charts after unifying all the event counts by standardised score. While differences between the performances of outfield players from Top3 and from Bottom3 teams were compared by magnitude-based inferences. The fifth and sixth study aims to move from the descriptive and comparative football match analysis to a more predictive one. Generalised linear modelling and generalised mixed linear modelling were undertaken to quantify relationships of the performance-related match events, actions and variables with the match outcome in different types of games (close games and all games) in the group stage of 2014 Brazil FIFA World Cup (n = 48 games, 38 close games) and La Liga 2012-13 (n = 320 close games). Relationships were evaluated with magnitude-based inferences and were expressed as extra matches won or lost per 10 matches for an increase of two standard deviations of a variable. Results showed that, for all the 48 games in the group stage of 2014 FIFA World Cup, nine variables had clearly positive effects on the probability of winning (shot, shot on target, shot from counter attack, shot from inside area, ball possession, short pass, average pass streak, aerial advantage, and tackle), four had clearly negative effects (shot blocked, cross, dribble and red card), other 12 variabless had either trivial or unclear effects. While for the 38 close games, the effects of aerial advantage and yellow card turned to trivial and clearly negative, respectively. In the La Liga, there was a moderate positive within-team effect from shots on target (3.4 extra wins per 10 matches; 99% confidence limits ±1.0), and a small positive within-team effect from total shots (1.7 extra wins; ±1.0). Effects of most other match events were related to ball possession, which had a small negative within-team effect (1.2 extra losses; ±1.0) but a small positive between-team effect (1.7 extra wins; ±1.4). Game location showed a small positive within-team effect (1.9 extra wins; ±0.9). Results from the established performance profiles and modelling can provide detailed and straightforward information for training, pre-match preparations, in-match tactical approaches and post-match evaluations, as well as for player identification and development. 摘要 比赛表现分析在现代足球中起着举足轻重的作用。尽管如今对足球比赛表现分析的研究已经相对完善，但仍有很多不足之处。这些不足主要体现在：研究中缺乏对研究变量的清晰定义、数据信效度缺失、研究结果的实用性受限、比赛情境因素缺失以及过于集中在描述性和对比性分析等。针对这些问题，本论文通过六个独立而又相互联系的研究，进一步对足球比赛表现分析进行完善。 第一个研究对本论文的数据源--OPTA Sportsdata公司的足球比赛数据的信效度进行了实验检验。实验中，两组数据收集人员被要求对同一场西班牙足球甲级联赛的比赛进行分析。研究结果显示，两组收集人员记录下的球队比赛事件和守门员比赛行为具有高度的一致性(卡帕系数介于0.86和0.94)。收集人员输出的外场球员的比赛行为和比赛事件也具有很高的组间一致性(ICC相关系数介于0.88和1.00，标准化典型误差介于0.00和0.37)。实验结果证明了OPTA Sportsdata公司收集的足球比赛数据具有足够高的信效度。 第二、三、四个研究旨在提升足球比赛表现分析研究结果的实用性以及深度探讨比赛情境因素对足球比赛表现的影响。通过对足球运动员和运动队的比赛技战术表现进行档案创建，可以对运动员和运动队的比赛表现进行简直接而直观的呈现、评价和对比，同时，情境变量(比赛场地、球队和对手实力、比赛结果)对比赛表现的影响也可以被整合到表现档案中。本部分对2012-13赛季西班牙足球甲级联赛的参赛守门员(n = 46球员人次，744比赛场次)和外场球员(n = 409球员人次, 5288比赛场次)以及2009-10至2012-13赛季欧洲足球冠军联赛的参赛球队(n = 496比赛场次)的比赛技战术表现进行了档案创建。在表现档案中，各项比赛技战术指标的均值、标准差、中位数和大小四分位数被用来展现守门员、外场球员和球队的普遍表现和表现浮动性。方差分析(ANOVA)被用来对西甲不同水平球队的守门员、欧冠中不同水平球队在不同比赛情境下的普遍表现(各项指标的均值)进行对比，独立样本t检验被用来对比主客场比赛普遍表现的差异。数据量级推断(magnitude-based inferences)的方法则被用来对西甲前三名和最后三名球队外场球员的普遍表现进行对比分析。所有来自不同水平球队的运动员和不同水平运动队的各项比赛指标皆被转换成了标准分数，从而能把他们在各种不同比赛情境下的普遍表现(各项比赛指标的均值)投到相同的雷达图中进行直观的对比。 第五和第六个研究目的在于进行预测性足球比赛表现分析，从而跨越之前固有的描述性和对比性分析。广义线性模型和广义混合线性模型被用来对2014年巴西世界杯小组赛(n = 48 比赛场次，38小分差场次)和2012-13赛季西甲联赛(n = 320小分差场次)的比赛中各表现相关比赛事件、行为和变量与比赛结果(胜、平、负)的关系进行建模。模型中的关系通过数据量级推断(magnitude-based inferences)的方法来界定，具体表现为某个变量增加两个标准差对比赛结果的影响(每10场比赛中额外取胜或失利的场数)。研究结果显示，在2014年巴西世界杯小组赛的所有48场比赛中，9个变量(射门、射正、反击中射门、禁区内射门、控球、短传、连续传球平均次数、高空球争抢成功率和抢断)与赢球概率有清晰的正相关关系，4个变量(射门被封堵、传中、过人和红牌)与赢球概率有清晰的负相关关系，其他12个被分析的变量与赢球概率的相关关系微小或不清晰。而在38场小分差比赛中，高空球争抢成功率由正相关变为微小关系，黄牌则由微小关系变为清晰的负相关。在西甲联赛中，每一支球队增加两个标准差的“射正球门”可以给每10场比赛带来3.4场额外胜利(99%置信区间±1.0场)，而所有球队作为一个整体，每增加两个标准差的“射正球门”可以给每10场比赛带来1.7场额外胜利(99%置信区间±1.0场)。其他大多数比赛相关事件与比赛结果的相关关系与“控球”相关联。每一支球队增加两个标准差的“控球”将会给每10场比赛带来1.2场额外失利(99%置信区间±1.0场)，而所有球队作为一个整体，每增加两个标准差的“控球”可以给每10场比赛带来1.7场额外胜利(99%置信区间±1.4场)。与客场比赛相对，主场能给球队带来1.9 /10场额外胜利(99%置信区间±0.9场)。 比赛表现档案和模型中得出的研究结果可以为俱乐部、足球队、教练组、表现分析师和运动员提供详细而直接的参考信息。这些信息可用于训练指导、赛前备战、赛中技战术调整和赛后技战术表现分析，也可运用于足球运动员选材、培养和发展。

A study of feature combination for vehicle detection based on image processing

Video analytics play a critical role in most recent traffic monitoring and driver assistance systems. In this context, the correct detection and classification of surrounding vehicles through image analysis has been the focus of extensive research in the last years. Most of the pieces of work reported for image-based vehicle verification make use of supervised classification approaches and resort to techniques, such as histograms of oriented gradients (HOG), principal component analysis (PCA), and Gabor filters, among others. Unfortunately, existing approaches are lacking in two respects: first, comparison between methods using a common body of work has not been addressed; second, no study of the combination potentiality of popular features for vehicle classification has been reported. In this study the performance of the different techniques is first reviewed and compared using a common public database. Then, the combination capabilities of these techniques are explored and a methodology is presented for the fusion of classifiers built upon them, taking into account also the vehicle pose. The study unveils the limitations of single-feature based classification and makes clear that fusion of classifiers is highly beneficial for vehicle verification.

Logarithmical hopping encoding: a low computational complexity algorithm for image compression

LHE (logarithmical hopping encoding) is a computationally efficient image compression algorithm that exploits the Weber–Fechner law to encode the error between colour component predictions and the actual value of such components. More concretely, for each pixel, luminance and chrominance predictions are calculated as a function of the surrounding pixels and then the error between the predictions and the actual values are logarithmically quantised. The main advantage of LHE is that although it is capable of achieving a low-bit rate encoding with high quality results in terms of peak signal-to-noise ratio (PSNR) and image quality metrics with full-reference (FSIM) and non-reference (blind/referenceless image spatial quality evaluator), its time complexity is O( n) and its memory complexity is O(1). Furthermore, an enhanced version of the algorithm is proposed, where the output codes provided by the logarithmical quantiser are used in a pre-processing stage to estimate the perceptual relevance of the image blocks. This allows the algorithm to downsample the blocks with low perceptual relevance, thus improving the compression rate. The performance of LHE is especially remarkable when the bit per pixel rate is low, showing much better quality, in terms of PSNR and FSIM, than JPEG and slightly lower quality than JPEG-2000 but being more computationally efficient.

Volume Haptics and Dendritic Spine Editing

Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del proyecto Cajal Blue Brain, una iniciativa europea dedicada al estudio del cerebro. Uno de los objetivos de esta iniciativa es desarrollar nuevos métodos y nuevas tecnologías que simplifiquen el análisis de datos en el campo neurocientífico. El presente trabajo se ha centrado en diseñar herramientas que combinen información proveniente de distintos canales sensoriales con el fin de acelerar la interacción y análisis de imágenes neurocientíficas. En concreto se estudiará la posibilidad de combinar información visual con información háptica. Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias que recubren la superficie dendrítica de muchas neuronas del cerebro. A día de hoy, se cree que tienen un papel clave en la transmisión de señales neuronales. Motivo por el cual, el interés por parte de la comunidad científica por estas estructuras ha ido en aumento a medida que las técnicas de adquisición de imágenes mejoraban hasta alcanzar una calidad suficiente para analizar dichas estructuras. A menudo, los neurocientíficos utilizan técnicas de microscopía con luz para obtener los datos que les permitan analizar estructuras neuronales tales como neuronas, dendritas y espinas dendríticas. A pesar de que estas técnicas ofrezcan ciertas ventajas frente a su equivalente electrónico, las técnicas basadas en luz permiten una menor resolución. En particular, estructuras pequeñas como las espinas dendríticas pueden capturarse de forma incorrecta en las imágenes obtenidas, impidiendo su análisis. En este trabajo, se presenta una nueva técnica, que permite editar imágenes volumétricas, mediante un dispositivo háptico, con el fin de reconstruir de los cuellos de las espinas dendríticas. Con este objetivo, en un primer momento se desarrolló un algoritmo que proporciona retroalimentación háptica en datos volumétricos, completando la información que provine del canal visual. Dicho algoritmo de renderizado háptico permite a los usuarios tocar y percibir una isosuperficie en el volumen de datos. El algoritmo asegura un renderizado robusto y eficiente. Se utiliza un método basado en las técnicas de “marching tetrahedra” para la extracción local de una isosuperficie continua, lineal y definida por intervalos. La robustez deriva tanto de una etapa de detección de colisiones continua de la isosuperficie extraída, como del uso de técnicas eficientes de renderizado basadas en un proxy puntual. El método de “marching tetrahedra” propuesto garantiza que la topología de la isosuperficie extraída coincida con la topología de una isosuperficie equivalente determinada utilizando una interpolación trilineal. Además, con el objetivo de mejorar la coherencia entre la información háptica y la información visual, el algoritmo de renderizado háptico calcula un segundo proxy en la isosuperficie pintada en la pantalla. En este trabajo se demuestra experimentalmente las mejoras en, primero, la etapa de extracción de isosuperficie, segundo, la robustez a la hora de mantener el proxy en la isosuperficie deseada y finalmente la eficiencia del algoritmo. En segundo lugar, a partir del algoritmo de renderizado háptico propuesto, se desarrolló un procedimiento, en cuatro etapas, para la reconstrucción de espinas dendríticas. Este procedimiento, se puede integrar en los cauces de segmentación automática y semiautomática existentes como una etapa de pre-proceso previa. El procedimiento está diseñando para que tanto la navegación como el proceso de edición en sí mismo estén controlados utilizando un dispositivo háptico. Se han diseñado dos experimentos para evaluar esta técnica. El primero evalúa la aportación de la retroalimentación háptica y el segundo se centra en evaluar la idoneidad del uso de un háptico como dispositivo de entrada. En ambos casos, los resultados demuestran que nuestro procedimiento mejora la precisión de la reconstrucción. En este trabajo se describen también dos casos de uso de nuestro procedimiento en el ámbito de la neurociencia: el primero aplicado a neuronas situadas en la corteza cerebral humana y el segundo aplicado a espinas dendríticas situadas a lo largo de neuronas piramidales de la corteza del cerebro de una rata. Por último, presentamos el programa, Neuro Haptic Editor, desarrollado a lo largo de esta tesis junto con los diferentes algoritmos ya mencionados. ABSTRACT This thesis took place within the Cajal Blue Brain project, a European initiative dedicated to the study of the brain. One of the main goals of this project is the development of new methods and technologies simplifying data analysis in neuroscience. This thesis focused on the development of tools combining information originating from distinct sensory channels with the aim of accelerating both the interaction with neuroscience images and their analysis. In concrete terms, the objective is to study the possibility of combining visual information with haptic information. Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The interest of the neuroscience community toward those structures kept increasing as and when acquisition methods improved, eventually to the point that the produced datasets enabled their analysis. Quite often, neuroscientists use light microscopy techniques to produce the dataset that will allow them to analyse neuronal structures such as neurons, dendrites and dendritic spines. While offering some advantages compared to their electronic counterpart, light microscopy techniques achieve lower resolutions. Particularly, small structures such as dendritic spines might suffer from a very low level of fluorescence in the final dataset, preventing further analysis. This thesis introduces a new technique enabling the edition of volumetric datasets in order to recreate dendritic spine necks using a haptic device. In order to fulfil this objective, we first presented an algorithm to provide haptic feedback directly from volumetric datasets, as an aid to regular visualization. The haptic rendering algorithm lets users perceive isosurfaces in volumetric datasets, and it relies on several design features that ensure a robust and efficient rendering. A marching tetrahedra approach enables the dynamic extraction of a piecewise linear continuous isosurface. Robustness is derived using a Continuous Collision Detection step coupled with acknowledged proxy-based rendering methods over the extracted isosurface. The introduced marching tetrahedra approach guarantees that the extracted isosurface will match the topology of an equivalent isosurface computed using trilinear interpolation. The proposed haptic rendering algorithm improves the coherence between haptic and visual cues computing a second proxy on the isosurface displayed on screen. Three experiments demonstrate the improvements on the isosurface extraction stage as well as the robustness and the efficiency of the complete algorithm. We then introduce our four-steps procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. Based on our haptic rendering algorithm, this procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. We evaluated our procedure through two experiments. The first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy. We also report two concrete cases where our procedure was employed in the neuroscience field, the first one concerning dendritic spines in the human cortex, the second one referring to an ongoing experiment studying dendritic spines along dendrites of mouse cortical pyramidal neurons. Finally, we present the software program, Neuro Haptic Editor, that was built along the development of the different algorithms implemented during this thesis, and used by neuroscientists to use our procedure.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Materialidad poética: arquitectura suiza en el entorno de los Grisones 1992-2004

El entorno alpino de los Grisones ha sido un laboratorio donde experimentar un método arquitectónico procedente de diversas fuentes durante los años 70 en la ETHZ. Este método ha producido durante las últimas tres décadas un discurso teórico propiamente suizo alemán. La tradición continúa siendo un valor cultural para la comunidad alpina de los Grisones, que apuesta por seguir relacionando la arquitectura con su historia y su paisaje. La especificidad de cada entorno suizo alemán es un hecho obvio pero, por encima de sus rasgos característicos, hay un denominador común que les da unidad en silencio: se trata de una idea de la construcción. El fenómeno de los Grisones es territorial en su localización concreta, pero comparte el trasfondo teórico del resto de la arquitectura suizo alemana reciente. La tesis recorre transversalmente las condiciones que han dado lugar a esa trayectoria común hasta la actualidad, en que la arquitectura suizo alemana se halla precisamente en un momento de cambio generacional. La obra de Peter Märkli constituye en esta tesis un paradigma de la voluntad suizo alemana por formar parte de la continuidad cultural de la arquitectura, como una actitud de resistencia compartida frente al mundo globalizado. La tesis se articula a partir de ocho proyectos recientes, realizados por arquitectos suizo alemanes en el entorno del territorio alpino de los Grisones. Estos proyectos condensan la trayectoria arquitectónica suizo alemana durante el siglo XX, así como el fenómeno arquitectónico que ha tenido lugar en el entorno de los Grisones durante las últimas tres décadas. La tesis analiza a través de cada pareja de proyectos los episodios teóricos, artísticos y filosóficos más relevantes que se sintetizan en estas obras, así como sus referentes arquitectónicos y la dimensión trascendente de los materiales en los que la cultura suiza hunde sus raíces: la madera, la piedra y el hormigón. Las vanguardias pictóricas, el Movimiento Moderno y las corrientes humanistas y regionalistas que se fueron sucediendo durante el pasado siglo, configuran el escenario en el que tomó cuerpo la sensibilidad arquitectónica suizo alemana reciente, que emerge a través de la compleja red de relaciones establecidas entre el panorama suizo y el internacional. El mismo bagaje teórico subyace al territorio suizo alemán a nivel general, por lo que asociarlo a través de esta tesis a proyectos realizados en un entorno característico, permite acceder a una realización concreta de ese debate en un entorno tan particular como son los Grisones. La aproximación a los proyectos es de carácter fenomenológico: la experiencia directa de los mismos ha sido el sustrato fundamental del enfoque de la tesis. El trabajo de campo no se limitó a visitar los proyectos que vertebran la tesis, sino que trató de abarcar las obras más relevantes de la producción suizo alemana reciente en los Grisones, con el fin de adquirir cierto grado de sensibilidad perceptiva hacia la singularidad de su identidad territorial. La tesis hace especial hincapié en las obras de Peter Märkli y Peter Zumthor, representantes de los dos extremos del discurso suizo alemán reciente, respecto a la materialidad y al carácter de la secuencia espacial, sistemático o fluido respectivamente, pero que asimismo comparten el clasicismo formalista que subyace al fenómeno suizo alemán. Los dos proyectos que establecen el periodo 1992-2004 explorado por esta investigación constituyen dos hitos fundamentales. El Museo de La Congiunta en Giornico de Peter Märkli se construyó en 1992 y se erige a partir de entonces como un icono arquitectónico de la condensación típicamente suizo alemana de base reductiva. Este paradigma de síntesis conceptual y constructiva comenzó a forjarse en la década de 1930 de la mano del Konkrete Kunst formulado por Max Bill, que es la única manifestación artística genuinamente suiza del siglo XX y que desarrolló pictóricamente los valores de precisión, rigor, racionalismo y abstracción afines a la sensibilidad suizo alemana. En segundo lugar, el proyecto para la rehabilitación de la Villa Garbald y la construcción de la Torre Roccolo en Castasegna llevado a cabo por Miller & Maranta en 2004, supuso la consumación de la Analoge Architektur, que fue la primera corriente arquitectónica propiamente suiza, desarrollada durante la década de 1980 por Miroslav Sik. La Deutscher Tendenza es un periodo de la trayectoria suizo alemana reciente poco conocido, representado por una figura tan relevante como es Peter Zumthor. Las obras que proyectó Zumthor entre 1979 y 1985 forman parte de un periodo en que el arquitecto se encontraba profundamente influido por el neorracionalismo italiano, como ilustra la escuela de Churwalden de 1983. La arquitectura suizo alemana reciente exploró sistemáticamente los sistemas compositivos de las vanguardias pictóricas y del Movimiento Moderno, por encima de su formalismo concreto. La segunda fase de la obra de Zumthor entre 1985 y 1996 se caracteriza por la transfiguración del plano libre del sistema compositivo neoplasticista desarrollado por De Stijl, plano que adquirió grosor hasta convertirse en la caja articuladora de la fluidez de la secuencia espacial. El formalismo de Zumthor en esta fase implica la prioridad del esquema compositivo, compuesto por un perímetro regular en el que se reúnen las cajas que, como las superficies de color de las composiciones de Mondrian, articulan el espacio a su alrededor. La Residencia de Masans de Zumthor de 1993 es un proyecto canónico de este sistema compositivo, que culmina en el esquema radial de las Termas de Vals de 1996. La imagen poética se convirtió en el lenguaje propio del pensamiento de la arquitectura suizo alemana, que permitía una reflexión no verbal, a partir de unos pocos arquetipos fundamentales. Los arquitectos del Ticino buscaron en la Tendenza italiana durante la década de 1970 una alternativa al insostenible modelo territorial que estaba destruyendo su paisaje cultural. Algunos de estos arquitectos comenzaron a dar clase durante esa década en la ETHZ, por lo que transmitieron sus inquietudes al alumnado e introdujeron a Aldo Rossi en la facultad, que era uno de los máximos representantes de la Tendenza. El método analógico de Rossi, basado en la psicología analítica de Carl Jung, fue una influencia fundamental en la ETHZ durante los años 70. Rossi partía de una teoría afín al colectivo intelectual suizo que los arquitectos de la ETHZ pronto comprendieron que debían independizar del contexto italiano, desarrollando su propio método a partir de 1985 con la Analoge Architektur. El valor de la preexistencia de acuerdo a este método incipiente se hallaba en su papel articulador de la continuidad cultural de una comunidad, que Miroslav Sik definió a partir de su concepto de Altneue (literalmente, lo Nuevo-Viejo). La fusión entre lo nuevo y lo viejo era la base de la espontaneidad con la que habían crecido los asentamientos históricamente. Sik consideraba que la continuidad dependía de la comprensión de los patrones preexistentes, con el objeto de mantener su vigencia mediante la incorporación de estrategias contemporáneas, que renovarían su significado sin perder su esencia. La Casa Gugalun en Versam de Zumthor de 1994 supone una aproximación a escala doméstica a este planteamiento. La arquitectura suizo alemana reciente a menudo busca en sus referentes plásticos una manera de explorar ámbitos poco accesibles para la disciplina arquitectónica. El pensamiento arquitectónico basado en la imagen poética se implementa a partir de la tectónica de la construcción, que es el medio para comunicar una idea vertebradora del proyecto de principio a fin. La construcción como medio introduce el concepto clave de la apariencia de la arquitectura, estrechamente relacionado con la filosofía idealista de Friedrich Schiller. La apariencia debe expresar el sentido conceptual de la obra, que los arquitectos suizo alemanes denominan idea, por lo que la construcción no tiene un valor por sí misma, sino en cuanto a la apariencia. La Capilla de Oberrealta de Christian Kerez de 1993 puede ser considerada una obra escultórica en el paisaje, más próxima a las artes plásticas que a la arquitectura. La tensión que surge entre la figura ideal y la pieza sometida a una sutil deformación confiere un carácter dinámico a la composición, que intensifica el efecto perceptivo, de acuerdo a la teoría del pensamiento visual de Rudolph Arnheim. La deformación al servicio de la psicología de la percepción es un fenómeno que caracteriza la arquitectura suizo alemana reciente. El concepto de Forme Forte (forma fuerte) fue introducido por Martin Steinmann para caracterizar el objeto arquitectónico denominado internacionalmente Swiss Box. Este concepto se caracteriza por una predilección por lo monolítico, lo unitario y lo arquetípico. La condición más sustancial de una Forme Forte es, sin embargo, la de configurar un elemento estructurador del entorno. Tanto la base morfológica de una Forme Forte, como su capacidad para estructurar el lugar, se corresponden con los conceptos de arquetipo y monumento de la teoría de Rossi. La tesis explora el sentido de la deformación en la producción suizo alemana reciente, a partir de la Escuela de Paspels de Valerio Olgiati de 1998 y la Torre Roccolo de Villa Garbald de Miller&Maranta de 1998. La teoría tectónica de Gottfried Semper y la razón de la forma de Adolf Loos constituyen el sustrato teórico, que relaciona la actividad existencial de habitar con la materialidad de la arquitectura suizo alemana reciente. La teoría tectónica de Semper fundamenta las revisiones posteriores de los sistemas constructivos tradicionales suizo alemanes. Esta influencia sirvió como base a la vanguardia suiza de la Neues Bauen, que desarrolló un racionalismo funcionalista durante las décadas de 1920 y 1930, que constituye una gramática de base no simbólica. Esta gramática constituye el fundamento de la transición del orden clásico a la materialidad como instrumento compositivo durante la segunda mitad del siglo XX, consolidando el concepto de la base material de la forma. La revisión de la tradición regionalista y racionalista llevada a cabo por la generación de arquitectos suizo alemanes de la década de 1950 y 1960, constituyó una investigación lingüística sustancial. Rudolph Olgiati es la figura determinante de este periodo. La revisión de esta investigación se codificó en clave estructuralista durante los años 70 en la ETHZ, influenciada por la presencia de Roland Barthes como profesor invitado. Esta revisión constituyó la base de la articulación tectónica propiamente suizo alemana todavía vigente, como ilustra expresamente la obra de Burkhalter&Sumi en esta tesis. La obra de Gion Caminada en Vrin entre 1995 y 2002 aporta una intensa investigación sobre el Strickbau, que implementa una y otra vez variaciones sobre un sistema tradicional, ilustrando las infinitas posibilidades que ofrece un lenguaje, paradójicamente limitado por los medios disponibles en un entorno alpino aislado. Para terminar Jürg Conzett es el ingeniero con el que han desarrollado sus proyectos la mayoría de los arquitectos en el entorno de los Grisones, formado durante 8 años con Zumthor y colaborador habitual de Caminada entre otros. Conzett es el referente que relaciona la ingeniería con la arquitectura en el ámbito de esta tesis, imprescindible en el contexto de esta investigación. ABSTRACT The Alpine setting of Grisons has been a laboratory for architectural experimentation with an approach forged in the 1970s from various sources in the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich (ETHZ). This method has produced a uniquely German-Swiss theoretical discourse over the past three decades. Tradition continues to be a cultural value for Grisons, a region committed to continue linking its architecture with the region’s history and landscape. The specificity of the German-Swiss environment is obvious, but beyond its characteristic features, there is a common denominator that gives these settings a silent unity: it is an idea of building. The phenomenon of Grisons is geographic in its specific location, but it shares the theoretical basis of the rest of the new German-Swiss architecture. This thesis transversely delves into the conditions that have shaped this common path up to the present, just as German-Swiss architecture is going through a time of generational change. In this thesis, Märkli Peter's work constitutes a paradigm of the German-Swiss will to uphold the cultural and architectural continuity of the region, exemplifying an attitude of shared resistance to the globalized world. The thesis is structured around eight recent projects carried out by German-Swiss architects in the Alpine region of Grisons. These projects represent the trajectory of twentieth century German-Swiss architectural history, as well as the architectural phenomenon that has taken place in the environs of Grisons over the past three decades. Through these projects the thesis analyzes the most relevant theoretical, artistic and philosophical references that are synthesized in the works, as well as their architectural references and the transcendental dimension of the materials in which Swiss culture is rooted: wood, stone and concrete. The artistic avant-garde, together with Modernism and the humanistic and regional movements that occurred during the last century, set the stage for present-day German-Swiss architectural sensitivity, which emerges from a complex web of relationships established between the Swiss and international panorama. This same theoretical background and experience underlies all of the German-Swiss territory in general, so associating it through this thesis to a particular context allows the description of a specific embodiment of this debate, within the unique environment of Grisons. The methodological approach to analyzing the projects was phenomenological: direct experience is the main substrate underpinning the focus of the thesis. Field work was not limited to visiting the projects featured in the thesis, but rather encompassed the most important works of recent German-Swiss construction in the Grisons in order to gain some degree of perceptual sensitivity to the uniqueness of its territorial identity. The present paper puts special emphasis on the works of Peter Märkli and Peter Zumthor, who share the formal classicist perspective of the German-Swiss context but stand on opposite sides of the philosophical spectrum with regard to the notion of materiality and the nature of space, which they conceive as systematic or fluid, respectively. The two projects that establish the boundaries of the time period 1992–2004 explored by this research represent two key milestones. The Museum La Congiunta in Giornico, by Peter Märkli, was built in 1992 and quickly established itself as an architectural icon of German-Swiss reductionism. This paradigm of conceptual and constructive synthesis began to take shape in the 1930s under the banner of Konkrete Kunst (Concrete Art), led by Max Bill. The only genuinely Swiss artistic movement of the twentieth century, Konkrete Kunst was characterized by the artistic values of precision, rigor, rationalism and abstraction, sentiments that were very close to the German-Swiss tradition. Secondly, the project for the rehabilitation of Villa Garbald and the construction of the Roccolo Tower in Castasegna, conducted by Miller&Maranta in 2004, represented the consummation of the Analoge Architektur, which was the first truly Swiss architectural movement, spearheaded in the 1980s by Miroslav Sik. The Deutscher Tendenza is a little-known period of recent German-Swiss history, represented by the important figure of Peter Zumthor. The projects that Zumthor led between 1979 and 1985 are part of a period when Italian Neo-Rationalism exercised a profound influence on the architect, as illustrated by the Churwalden School, circa 1983. Recent German-Swiss architecture systematically explored the compositional systems of the artistic avant-garde and Modernism, beyond its specific formal aspects. The second phase of Zumthor's work, between 1985 and 1996, is characterized by the transfiguration of the free plane, neoplastic compositional system developed by De Stijl, a plane that thickened until it became the box articulating fluidity from the spatial sequence. Zumthor's formalism in this phase prioritizes the compositional scheme, consisting of a regular perimeter in which the boxes that -like Mondrian’s colored surfaces- arrange the space around it. Zumthor’s Masans Residence, circa 1993, is a canonical project of this compositional system, which culminates in the radial pattern of the Therme Vals, circa 1996. The poetic image became the appropriate language of thought for German-Swiss architecture, which invited a nonverbal reflection inspired by a few fundamental archetypes. The architects of Ticino sought, through the Italian Tendenza of the 1970s, an alternative to the unsustainable territorial model that was destroying their cultural landscape. Some of these architects began to teach during that decade at ETHZ, and naturally they transmitted their unease to their students. These architects also introduced Aldo Rossi, one of the leading representatives of the Tendenza, to the school. Rossi’s analogue method, based on the analytical psychology of Carl Jung, was a major influence on the ETHZ during the 1970s. Rossi’s theoretical grounding was very much in tune with Swiss intellectualism, and it did not take long for architects from ETHZ to realize that they should break away from the Italian context, developing their own method from 1985 on with the Analoge Architektur. The value of the pre-existing conformity of this emerging method, stemmed from its role in facilitating the cultural continuity of a community, which Miroslav Sik defined in his concept of Altneue (literally, Old-new). This fusion of old and new was the basis for the spontaneity with which settlements had historically grown. Sik considered that continuity depended on understanding the existing patterns and sustaining their relevance through the incorporation of contemporary strategies, which would renew their meaning without losing their essence. Zumthor’s Gugalun House in Versam, circa 1994, is a domestic-scale approach to this philosophy. Modern German-Swiss architecture often looks to its references in visual art for a way to explore areas that are normally inaccessible to the architectural discipline. Architectural thinking based on the poetic image is achieved through a building’s tectonics, which communicate the core idea of a project from start to finish. The understanding of construction as a medium introduces the key concept of the appearance in architecture, closely related to the idealistic philosophy of Friedrich Schiller. The appearance should express the conceptual meaning of the work, which German-Swiss architects call the idea, so that the building does not have value in and of itself, but only in terms of its appearance. The Oberrealta Chapel by Christian Kerez, circa 1993, can be considered a sculpture in the landscape, closer to the visual arts than to architecture. The tension that arises between the ideal figure and the piece subjected to a subtle deformation confers a dynamic character onto the composition, intensifying the perceptual effect, according to Rudolf Arnheim’s theory of visual thought. The deformation in the service of the psychology of perception is a phenomenon that characterizes recent German-Swiss architecture. Martin Steinmann introduced the Forme Forte (Strong Form) concept to describe the architectural object known internationally as the Swiss Box. This concept is characterized by a predilection for all things monolithic, unitary and archetypal. The most substantial condition of a Forme Forte, however, is the configuration of a structuring element in the environment. Both the morphological basis of a Forme Forte and its ability to frame the place, correspond to the concepts of archetype and monument put forward by Rossi’s theory. The present thesis explores the sense of deformation in recent German-Swiss production, based on the School of Paspels by Valerio Olgiati, circa 1998 and the Roccolo Tower in Villa Garbald, by Miller&Maranta, circa 1998. Gottfried Semper’s tectonic theory and Adolf Loos’s reason for form constitute the theoretical foundation that links the existential activity of dwelling to the materiality of recent German-Swiss architecture. Semper’s tectonic theory laid the foundation for subsequent revisions of the German-Swiss traditional building systems. This influence was the basis for the Swiss avant-garde of Neues Bauen, which developed a functional rationalism during the 1920s and 30s that served as a non-symbolic grammatical foundation for the transition from classical order to materiality as a compositional tool. During the second half of the twentieth century, this architectural grammar helped consolidate the concept of the material base of the form. The revision of the regionalist and rationalist tradition, carried out by the generation of German-Swiss architects of the 1950s and 60s, constituted a substantial linguistic investigation. Rudolph Olgiati is the key figure of this period. The research was codified in terms of structuralism in the 1970s in ETHZ and influenced by the presence of Roland Barthes as a visiting professor. This revision was the basis of the uniquely German-Swiss tectonic design still in use today, as specifically illustrated by the work of Burkhalter & Sumi in this thesis. Gion Caminada's work in Vrin between 1995 and 2002 offers an extensive study on the Strickbau, which implements variations on a traditional system again and again, illustrating the endless possibilities of a language that paradoxically seems limited by the available resources in a remote Alpine setting. Finally, Jürg Conzett is the engineer with whom most architects in the Grisons region have developed their projects. Trained under Zumthor for 8 years, and a regular collaborator of Caminada, among others, Conzett is the reference point linking engineering with architecture in this thesis, essential in the context of this research.

Phosphoinositide Signaling Pathways in Nuclei Are Associated with Nuclear Speckles Containing Pre-mRNA Processing Factors

Phosphoinositide signal transduction pathways in nuclei use enzymes that are indistinguishable from their cytosolic analogues. We demonstrate that distinct phosphatidylinositol phosphate kinases (PIPKs), the type I and type II isoforms, are concentrated in nuclei of mammalian cells. The cytosolic and nuclear PIPKs display comparable activities toward the substrates phosphatidylinositol 4-phosphate and phosphatidylinositol 3-phosphate. Indirect immunofluorescence revealed that these kinases were associated with distinct subnuclear domains, identified as “nuclear speckles,” which also contained pre-mRNA processing factors. A pool of nuclear phosphatidylinositol bisphosphate (PIP2), the product of these kinases, was also detected at these same sites by monoclonal antibody staining. The localization of PIPKs and PIP2 to speckles is dynamic in that both PIPKs and PIP2 reorganize along with other speckle components upon inhibition of mRNA transcription. Because PIPKs have roles in the production of most phosphatidylinositol second messengers, these findings demonstrate that phosphatidylinositol signaling pathways are localized at nuclear speckles. Surprisingly, the PIPKs and PIP2 are not associated with invaginations of the nuclear envelope or any nuclear membrane structure. The putative absence of membranes at these sites suggests novel mechanisms for the generation of phosphoinositides within these structures.

Molecular cloning and characterization of a murine pre-B-cell growth-stimulating factor/stromal cell-derived factor 1 receptor, a murine homolog of the human immunodeficiency virus 1 entry coreceptor fusin

Pre-B-cell growth-stimulating factor/stromal cell-derived factor 1 (PBSF/SDF-1) is a member of the CXC group of chemokines that is initially identified as a bone marrow stromal cell-derived factor and as a pre-B-cell stimulatory factor. Although most chemokines are thought to be inducible inflammatory mediators, PBSF/SDF-1 is essential for perinatal viability, B lymphopoiesis, bone marrow myelopoiesis, and cardiac ventricular septal formation, and it has chemotactic activities on resting lymphocytes and monocytes. In this paper, we have isolated a cDNA that encodes a seven transmembrane-spanning-domain receptor, designated pre-B-cell-derived chemokine receptor (PB-CKR) from a murine pre-B-cell clone, DW34. The deduced amino acid sequence has 90% identity with that of a HUMSTSR/fusin, a human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) entry coreceptor. However, the second extracellular region has lower identity (67%) compared with HUMSTSR/fusin. PB-CKR is expressed during embryo genesis and in many organs and T cells of adult mice. Murine PBSF/SDF-1 induced an increase in intracellular free Ca2+ in DW34 cells and PB-CKR-transfected Chinese hamster ovary (CHO) cells, suggesting that PB-CKR is a functional receptor for murine PBSF/SDF-1. Murine PBSF/SDF-1 also induced Ca2+ influx in fusin-transfected CHO cells. On the other hand, considering previous results that HIV-1 does not enter murine T cells that expressed human CD4, PB-CKR may not support HIV-1 infection. Thus, PB-CKR will be an important tool for functional mapping of HIV-1 entry coreceptor fusin and for understanding the function of PBSF/SDF-1 further.