Visual Tracking, Pose Estimation, and Control for Aerial Vehicles

El principal objetivo de esta tesis es dotar a los vehículos aéreos no tripulados (UAVs, por sus siglas en inglés) de una fuente de información adicional basada en visión. Esta fuente de información proviene de cámaras ubicadas a bordo de los vehículos o en el suelo. Con ella se busca que los UAVs realicen tareas de aterrizaje o inspección guiados por visión, especialmente en aquellas situaciones en las que no haya disponibilidad de estimar la posición del vehículo con base en GPS, cuando las estimaciones de GPS no tengan la suficiente precisión requerida por las tareas a realizar, o cuando restricciones de carga de pago impidan añadir sensores a bordo de los vehículos. Esta tesis trata con tres de las principales áreas de la visión por computador: seguimiento visual y estimación visual de la pose (posición y orientación), que a su vez constituyen la base de la tercera, denominada control servo visual, que en nuestra aplicación se enfoca en el empleo de información visual para controlar los UAVs. Al respecto, esta tesis se ocupa de presentar propuestas novedosas que permitan solucionar problemas relativos al seguimiento de objetos mediante cámaras ubicadas a bordo de los UAVs, se ocupa de la estimación de la pose de los UAVs basada en información visual obtenida por cámaras ubicadas en el suelo o a bordo, y también se ocupa de la aplicación de las técnicas propuestas para solucionar diferentes problemas, como aquellos concernientes al seguimiento visual para tareas de reabastecimiento autónomo en vuelo o al aterrizaje basado en visión, entre otros. Las diversas técnicas de visión por computador presentadas en esta tesis se proponen con el fin de solucionar dificultades que suelen presentarse cuando se realizan tareas basadas en visión con UAVs, como las relativas a la obtención, en tiempo real, de estimaciones robustas, o como problemas generados por vibraciones. Los algoritmos propuestos en esta tesis han sido probados con información de imágenes reales obtenidas realizando pruebas on-line y off-line. Diversos mecanismos de evaluación han sido empleados con el propósito de analizar el desempeño de los algoritmos propuestos, entre los que se incluyen datos simulados, imágenes de vuelos reales, estimaciones precisas de posición empleando el sistema VICON y comparaciones con algoritmos del estado del arte. Los resultados obtenidos indican que los algoritmos de visión por computador propuestos tienen un desempeño que es comparable e incluso mejor al de algoritmos que se encuentran en el estado del arte. Los algoritmos propuestos permiten la obtención de estimaciones robustas en tiempo real, lo cual permite su uso en tareas de control visual. El desempeño de estos algoritmos es apropiado para las exigencias de las distintas aplicaciones examinadas: reabastecimiento autónomo en vuelo, aterrizaje y estimación del estado del UAV. Abstract The main objective of this thesis is to provide Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with an additional vision-based source of information extracted by cameras located either on-board or on the ground, in order to allow UAVs to develop visually guided tasks, such as landing or inspection, especially in situations where GPS information is not available, where GPS-based position estimation is not accurate enough for the task to develop, or where payload restrictions do not allow the incorporation of additional sensors on-board. This thesis covers three of the main computer vision areas: visual tracking and visual pose estimation, which are the bases the third one called visual servoing, which, in this work, focuses on using visual information to control UAVs. In this sense, the thesis focuses on presenting novel solutions for solving the tracking problem of objects when using cameras on-board UAVs, on estimating the pose of the UAVs based on the visual information collected by cameras located either on the ground or on-board, and also focuses on applying these proposed techniques for solving different problems, such as visual tracking for aerial refuelling or vision-based landing, among others. The different computer vision techniques presented in this thesis are proposed to solve some of the frequently problems found when addressing vision-based tasks in UAVs, such as obtaining robust vision-based estimations at real-time frame rates, and problems caused by vibrations, or 3D motion. All the proposed algorithms have been tested with real-image data in on-line and off-line tests. Different evaluation mechanisms have been used to analyze the performance of the proposed algorithms, such as simulated data, images from real-flight tests, publicly available datasets, manually generated ground truth data, accurate position estimations using a VICON system and a robotic cell, and comparison with state of the art algorithms. Results show that the proposed computer vision algorithms obtain performances that are comparable to, or even better than, state of the art algorithms, obtaining robust estimations at real-time frame rates. This proves that the proposed techniques are fast enough for vision-based control tasks. Therefore, the performance of the proposed vision algorithms has shown to be of a standard appropriate to the different explored applications: aerial refuelling and landing, and state estimation. It is noteworthy that they have low computational overheads for vision systems.

Detection and Tracking of Dynamic Objects. A MultiRobot approach to Critical Infrastructures Surveillance.

Despite that Critical Infrastructures (CIs) security and surveillance are a growing concern for many countries and companies, Multi Robot Systems (MRSs) have not been yet broadly used in this type of facilities. This dissertation presents a novel study of the challenges arisen by the implementation of this type of systems and proposes solutions to specific problems. First, a comprehensive analysis of different types of CIs has been carried out, emphasizing the influence of the different characteristics of the facilities in the design of a security and surveillance MRS. One of the most important needs for the surveillance of a CI is the detection of intruders. From a technical point of view this problem can be abstracted as equivalent to the Detection and Tracking of Mobile Objects (DATMO). This dissertation proposes algorithms to solve this specific problem in a CI environment. Using 3D range images of the environment as input data, two detection algorithms for ground robots have been developed. These detection algorithms provide a list of moving objects in the robot detection area. Direct image differentiation and computer vision techniques are used when the robot is static. Alternatively, multi-layer ground reconstructions are compared to detect the dynamic objects when the robot is moving. Since CIs usually spread over large areas, it is very useful to incorporate aerial vehicles in the surveillance MRS. Therefore, a moving object detection algorithm for aerial vehicles has been also developed. This algorithm compares the real optical flow obtained from a down-face oriented camera with an artificial optical flow computed using a RANSAC based homography matrix. Two tracking algorithms have been developed to follow the moving objects trajectories. These algorithms can efficiently handle occlusions and crossings, as well as exchange information among robots. The multirobot tracking can be applied to any type of communication structure: centralized, decentralized or a combination of both. Even more, the developed tracking algorithms are independent of the detection algorithms and could be potentially used with other detection procedures or even with static sensors, such as cameras. In addition, using the 3D point clouds available to the robots, a relative localization algorithm has been developed to improve the position estimation of a given robot with observations from other robots. All the developed algorithms have been extensively tested in different simulated CIs using the Webots robotics simulator. Furthermore, the algorithms have also been validated with real robots operating in real scenarios. In conclusion, this dissertation presents a multirobot approach to Critical Infrastructure Surveillance, mainly focusing on Detecting and Tracking Dynamic Objects.

Distributed Estimation of Distribution Algorithms for continuous optimization: how does the exchanged information influence their behavior?

One of the most promising areas in which probabilistic graphical models have shown an incipient activity is the field of heuristic optimization and, in particular, in Estimation of Distribution Algorithms. Due to their inherent parallelism, different research lines have been studied trying to improve Estimation of Distribution Algorithms from the point of view of execution time and/or accuracy. Among these proposals, we focus on the so-called distributed or island-based models. This approach defines several islands (algorithms instances) running independently and exchanging information with a given frequency. The information sent by the islands can be either a set of individuals or a probabilistic model. This paper presents a comparative study for a distributed univariate Estimation of Distribution Algorithm and a multivariate version, paying special attention to the comparison of two alternative methods for exchanging information, over a wide set of parameters and problems ? the standard benchmark developed for the IEEE Workshop on Evolutionary Algorithms and other Metaheuristics for Continuous Optimization Problems of the ISDA 2009 Conference. Several analyses from different points of view have been conducted to analyze both the influence of the parameters and the relationships between them including a characterization of the configurations according to their behavior on the proposed benchmark.

Evolutionary computation of forests with Degree- and Role-Constrained Minimum Spanning Trees

Finding the degree-constrained minimum spanning tree (DCMST) of a graph is a widely studied NP-hard problem. One of its most important applications is network design. Here we deal with a new variant of the DCMST problem, which consists of finding not only the degree- but also the role-constrained minimum spanning tree (DRCMST), i.e., we add constraints to restrict the role of the nodes in the tree to root, intermediate or leaf node. Furthermore, we do not limit the number of root nodes to one, thereby, generally, building a forest of DRCMSTs. The modeling of network design problems can benefit from the possibility of generating more than one tree and determining the role of the nodes in the network. We propose a novel permutation-based representation to encode these forests. In this new representation, one permutation simultaneously encodes all the trees to be built. We simulate a wide variety of DRCMST problems which we optimize using eight different evolutionary computation algorithms encoding individuals of the population using the proposed representation. The algorithms we use are: estimation of distribution algorithm, generational genetic algorithm, steady-state genetic algorithm, covariance matrix adaptation evolution strategy, differential evolution, elitist evolution strategy, non-elitist evolution strategy and particle swarm optimization. The best results are for the estimation of distribution algorithms and both types of genetic algorithms, although the genetic algorithms are significantly faster.

Numerical issues in Lagrangian tracking and topological evolution of fluid particles in wallbounded turbulent flows

The determination of the local Lagrangian evolution of the flow topology in wall-bounded turbulence, and of the Lagrangian evolution associated with entrainment across the turbulent / non-turbulent interface into a turbulent boundary layer, require accurate tracking of a fluid particle and its local velocity gradients. This paper addresses the implementation of fluid-particle tracking in both a turbulent boundary layer direct numerical simulation and in a fully developed channel flow simulation. Determination of the sub-grid particle velocity is performed using both cubic B-spline, four-point Hermite spline and higher-order Hermite spline interpolation. Both wall-bounded flows show similar oscillations in the Lagrangian tracers of both velocity and velocity gradients, corresponding to the movement of particles across the boundaries of computational cells. While these oscillation in the particle velocity are relatively small and have negligible effect on the particle trajectories for time-steps of the order of CFL = 0.1, they appear to be the cause of significant oscillations in the evolution of the invariants of the velocity gradient tensor.

Development and improvement of protection-system algorithms for ground-fault detection and location in synchronous machines

Uno de los defectos más frecuentes en los generadores síncronos son los defectos a tierra tanto en el devanado estatórico, como de excitación. Se produce un defecto cuando el aislamiento eléctrico entre las partes activas de cualquiera de estos devanados y tierra se reduce considerablemente o desaparece. La detección de los defectos a tierra en ambos devanados es un tema ampliamente estudiado a nivel industrial. Tras la detección y confirmación de la existencia del defecto, dicha falta debe ser localizada a lo largo del devanado para su reparación, para lo que habitualmente el rotor debe ser extraído del estator. Esta operación resulta especialmente compleja y cara. Además, el hecho de limitar la corriente de defecto en ambos devanados provoca que el defecto no sea localizable visualmente, pues apenas existe daño en el generador. Por ello, se deben aplicar técnicas muy laboriosas para localizar exactamente el defecto y poder así reparar el devanado. De cara a reducir el tiempo de reparación, y con ello el tiempo en que el generador esta fuera de servicio, cualquier información por parte del relé de protección acerca de la localización del defecto resultaría de gran utilidad. El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo de nuevos algoritmos que permitan la estimación de la localización de los defectos a tierra tanto en el devanado rotórico como estatórico de máquinas síncronas. Respecto al devanado de excitación, se ha presentado un nuevo método de localización de defectos a tierra para generadores con excitación estática. Este método permite incluso distinguir si el defecto se ha producido en el devanado de excitación, o en cualquiera de los componentes del sistema de excitación, esto es, transformador de excitación, conductores de alimentación del rectificador controlado, etc. En caso de defecto a tierra en del devanado rotórico, este método proporciona una estimación de su localización. Sin embargo, para poder obtener la localización del defecto, se precisa conocer el valor de resistencia de defecto. Por ello, en este trabajo se presenta además un nuevo método para la estimación de este parámetro de forma precisa. Finalmente, se presenta un nuevo método de detección de defectos a tierra, basado en el criterio direccional, que complementa el método de localización, permitiendo tener en cuenta la influencia de las capacidades a tierra del sistema. Estas capacidades resultan determinantes a la hora de localizar el defecto de forma adecuada. En relación con el devanado estatórico, en esta tesis doctoral se presenta un nuevo algoritmo de localización de defectos a tierra para generadores que dispongan de la protección de faltas a tierra basada en la inyección de baja frecuencia. Se ha propuesto un método general, que tiene en cuenta todos los parámetros del sistema, así como una versión simplificada del método para generadores con capacidades a tierra muy reducida, que podría resultar de fácil implementación en relés de protección comercial. Los algoritmos y métodos presentados se han validado mediante ensayos experimentales en un generador de laboratorio de 5 kVA, así como en un generador comercial de 106 MVA con resultados satisfactorios y prometedores. ABSTRACT One of the most common faults in synchronous generators is the ground fault in both the stator winding and the excitation winding. In case of fault, the insulation level between the active part of any of these windings and ground lowers considerably, or even disappears. The detection of ground faults in both windings is a very researched topic. The fault current is typically limited intentionally to a reduced level. This allows to detect easily the ground faults, and therefore to avoid damage in the generator. After the detection and confirmation of the existence of a ground fault, it should be located along the winding in order to repair of the machine. Then, the rotor has to be extracted, which is a very complex and expensive operation. Moreover, the fact of limiting the fault current makes that the insulation failure is not visually detectable, because there is no visible damage in the generator. Therefore, some laborious techniques have to apply to locate accurately the fault. In order to reduce the repair time, and therefore the time that the generator is out of service, any information about the approximate location of the fault would be very useful. The main objective of this doctoral thesis has been the development of new algorithms and methods to estimate the location of ground faults in the stator and in the rotor winding of synchronous generators. Regarding the excitation winding, a new location method of ground faults in excitation winding of synchronous machines with static excitation has been presented. This method allows even to detect if the fault is at the excitation winding, or in any other component of the excitation system: controlled rectifier, excitation transformer, etc. In case of ground fault in the rotor winding, this method provides an estimation of the fault location. However, in order to calculate the location, the value of fault resistance is necessary. Therefore, a new fault-resistance estimation algorithm is presented in this text. Finally, a new fault detection algorithm based on directional criterion is described to complement the fault location method. This algorithm takes into account the influence of the capacitance-to-ground of the system, which has a remarkable impact in the accuracy of the fault location. Regarding the stator winding, a new fault-location algorithm has been presented for stator winding of synchronous generators. This algorithm is applicable to generators with ground-fault protection based in low-frequency injection. A general algorithm, which takes every parameter of the system into account, has been presented. Moreover, a simplified version of the algorithm has been proposed for generators with especially low value of capacitance to ground. This simplified algorithm might be easily implementable in protective relays. The proposed methods and algorithms have been tested in a 5 kVA laboratory generator, as well as in a 106 MVA synchronous generator with satisfactory and promising results.

Biometric authentication of users through iris by using key binding and similarity preserving hash functions = Autenticación biométrica de usuarios a través del iris mediante la ocultación de claves y funciones resumen que preservan la similitud

El extraordinario auge de las nuevas tecnologías de la información, el desarrollo de la Internet de las Cosas, el comercio electrónico, las redes sociales, la telefonía móvil y la computación y almacenamiento en la nube, han proporcionado grandes beneficios en todos los ámbitos de la sociedad. Junto a éstos, se presentan nuevos retos para la protección y privacidad de la información y su contenido, como la suplantación de personalidad y la pérdida de la confidencialidad e integridad de los documentos o las comunicaciones electrónicas. Este hecho puede verse agravado por la falta de una frontera clara que delimite el mundo personal del mundo laboral en cuanto al acceso de la información. En todos estos campos de la actividad personal y laboral, la Criptografía ha jugado un papel fundamental aportando las herramientas necesarias para garantizar la confidencialidad, integridad y disponibilidad tanto de la privacidad de los datos personales como de la información. Por otro lado, la Biometría ha propuesto y ofrecido diferentes técnicas con el fin de garantizar la autentificación de individuos a través del uso de determinadas características personales como las huellas dáctilares, el iris, la geometría de la mano, la voz, la forma de caminar, etc. Cada una de estas dos ciencias, Criptografía y Biometría, aportan soluciones a campos específicos de la protección de datos y autentificación de usuarios, que se verían enormemente potenciados si determinadas características de ambas ciencias se unieran con vistas a objetivos comunes. Por ello es imperativo intensificar la investigación en estos ámbitos combinando los algoritmos y primitivas matemáticas de la Criptografía con la Biometría para dar respuesta a la demanda creciente de nuevas soluciones más técnicas, seguras y fáciles de usar que potencien de modo simultáneo la protección de datos y la identificacíón de usuarios. En esta combinación el concepto de biometría cancelable ha supuesto una piedra angular en el proceso de autentificación e identificación de usuarios al proporcionar propiedades de revocación y cancelación a los ragos biométricos. La contribución de esta tesis se basa en el principal aspecto de la Biometría, es decir, la autentificación segura y eficiente de usuarios a través de sus rasgos biométricos, utilizando tres aproximaciones distintas: 1. Diseño de un esquema criptobiométrico borroso que implemente los principios de la biometría cancelable para identificar usuarios lidiando con los problemas acaecidos de la variabilidad intra e inter-usuarios. 2. Diseño de una nueva función hash que preserva la similitud (SPHF por sus siglas en inglés). Actualmente estas funciones se usan en el campo del análisis forense digital con el objetivo de buscar similitudes en el contenido de archivos distintos pero similares de modo que se pueda precisar hasta qué punto estos archivos pudieran ser considerados iguales. La función definida en este trabajo de investigación, además de mejorar los resultados de las principales funciones desarrolladas hasta el momento, intenta extender su uso a la comparación entre patrones de iris. 3. Desarrollando un nuevo mecanismo de comparación de patrones de iris que considera tales patrones como si fueran señales para compararlos posteriormente utilizando la transformada de Walsh-Hadarmard. Los resultados obtenidos son excelentes teniendo en cuenta los requerimientos de seguridad y privacidad mencionados anteriormente. Cada uno de los tres esquemas diseñados han sido implementados para poder realizar experimentos y probar su eficacia operativa en escenarios que simulan situaciones reales: El esquema criptobiométrico borroso y la función SPHF han sido implementados en lenguaje Java mientras que el proceso basado en la transformada de Walsh-Hadamard en Matlab. En los experimentos se ha utilizado una base de datos de imágenes de iris (CASIA) para simular una población de usuarios del sistema. En el caso particular de la función de SPHF, además se han realizado experimentos para comprobar su utilidad en el campo de análisis forense comparando archivos e imágenes con contenido similar y distinto. En este sentido, para cada uno de los esquemas se han calculado los ratios de falso negativo y falso positivo. ABSTRACT The extraordinary increase of new information technologies, the development of Internet of Things, the electronic commerce, the social networks, mobile or smart telephony and cloud computing and storage, have provided great benefits in all areas of society. Besides this fact, there are new challenges for the protection and privacy of information and its content, such as the loss of confidentiality and integrity of electronic documents and communications. This is exarcebated by the lack of a clear boundary between the personal world and the business world as their differences are becoming narrower. In both worlds, i.e the personal and the business one, Cryptography has played a key role by providing the necessary tools to ensure the confidentiality, integrity and availability both of the privacy of the personal data and information. On the other hand, Biometrics has offered and proposed different techniques with the aim to assure the authentication of individuals through their biometric traits, such as fingerprints, iris, hand geometry, voice, gait, etc. Each of these sciences, Cryptography and Biometrics, provides tools to specific problems of the data protection and user authentication, which would be widely strengthen if determined characteristics of both sciences would be combined in order to achieve common objectives. Therefore, it is imperative to intensify the research in this area by combining the basics mathematical algorithms and primitives of Cryptography with Biometrics to meet the growing demand for more secure and usability techniques which would improve the data protection and the user authentication. In this combination, the use of cancelable biometrics makes a cornerstone in the user authentication and identification process since it provides revocable or cancelation properties to the biometric traits. The contributions in this thesis involve the main aspect of Biometrics, i.e. the secure and efficient authentication of users through their biometric templates, considered from three different approaches. The first one is designing a fuzzy crypto-biometric scheme using the cancelable biometric principles to take advantage of the fuzziness of the biometric templates at the same time that it deals with the intra- and inter-user variability among users without compromising the biometric templates extracted from the legitimate users. The second one is designing a new Similarity Preserving Hash Function (SPHF), currently widely used in the Digital Forensics field to find similarities among different files to calculate their similarity level. The function designed in this research work, besides the fact of improving the results of the two main functions of this field currently in place, it tries to expand its use to the iris template comparison. Finally, the last approach of this thesis is developing a new mechanism of handling the iris templates, considering them as signals, to use the Walsh-Hadamard transform (complemented with three other algorithms) to compare them. The results obtained are excellent taking into account the security and privacy requirements mentioned previously. Every one of the three schemes designed have been implemented to test their operational efficacy in situations that simulate real scenarios: The fuzzy crypto-biometric scheme and the SPHF have been implemented in Java language, while the process based on the Walsh-Hadamard transform in Matlab. The experiments have been performed using a database of iris templates (CASIA-IrisV2) to simulate a user population. The case of the new SPHF designed is special since previous to be applied i to the Biometrics field, it has been also tested to determine its applicability in the Digital Forensic field comparing similar and dissimilar files and images. The ratios of efficiency and effectiveness regarding user authentication, i.e. False Non Match and False Match Rate, for the schemes designed have been calculated with different parameters and cases to analyse their behaviour.

Energy-entropy-momentum time integration methods for coupled smooth dissipative problems

Esta tesis aborda la formulación, análisis e implementación de métodos numéricos de integración temporal para la solución de sistemas disipativos suaves de dimensión finita o infinita de manera que su estructura continua sea conservada. Se entiende por dichos sistemas aquellos que involucran acoplamiento termo-mecánico y/o efectos disipativos internos modelados por variables internas que siguen leyes continuas, de modo que su evolución es considerada suave. La dinámica de estos sistemas está gobernada por las leyes de la termodinámica y simetrías, las cuales constituyen la estructura que se pretende conservar de forma discreta. Para ello, los sistemas disipativos se describen geométricamente mediante estructuras metriplécticas que identifican claramente las partes reversible e irreversible de la evolución del sistema. Así, usando una de estas estructuras conocida por las siglas (en inglés) de GENERIC, la estructura disipativa de los sistemas es identificada del mismo modo que lo es la Hamiltoniana para sistemas conservativos. Con esto, métodos (EEM) con precisión de segundo orden que conservan la energía, producen entropía y conservan los impulsos lineal y angular son formulados mediante el uso del operador derivada discreta introducido para asegurar la conservación de la Hamiltoniana y las simetrías de sistemas conservativos. Siguiendo estas directrices, se formulan dos tipos de métodos EEM basados en el uso de la temperatura o de la entropía como variable de estado termodinámica, lo que presenta importantes implicaciones que se discuten a lo largo de esta tesis. Entre las cuales cabe destacar que las condiciones de contorno de Dirichlet son naturalmente impuestas con la formulación basada en la temperatura. Por último, se validan dichos métodos y se comprueban sus mejores prestaciones en términos de la estabilidad y robustez en comparación con métodos estándar. This dissertation is concerned with the formulation, analysis and implementation of structure-preserving time integration methods for the solution of the initial(-boundary) value problems describing the dynamics of smooth dissipative systems, either finite- or infinite-dimensional ones. Such systems are understood as those involving thermo-mechanical coupling and/or internal dissipative effects modeled by internal state variables considered to be smooth in the sense that their evolutions follow continuos laws. The dynamics of such systems are ruled by the laws of thermodynamics and symmetries which constitutes the structure meant to be preserved in the numerical setting. For that, dissipative systems are geometrically described by metriplectic structures which clearly identify the reversible and irreversible parts of their dynamical evolution. In particular, the framework known by the acronym GENERIC is used to reveal the systems' dissipative structure in the same way as the Hamiltonian is for conserving systems. Given that, energy-preserving, entropy-producing and momentum-preserving (EEM) second-order accurate methods are formulated using the discrete derivative operator that enabled the formulation of Energy-Momentum methods ensuring the preservation of the Hamiltonian and symmetries for conservative systems. Following these guidelines, two kind of EEM methods are formulated in terms of entropy and temperature as a thermodynamical state variable, involving important implications discussed throughout the dissertation. Remarkably, the formulation in temperature becomes central to accommodate Dirichlet boundary conditions. EEM methods are finally validated and proved to exhibit enhanced numerical stability and robustness properties compared to standard ones.

Analysis and optimization of trajectories for Ballistic Missiles Interception

Intercontinental Ballistic Missiles are capable of placing a nuclear warhead at more than 5,000 km away from its launching base. With the lethal power of a nuclear warhead a whole city could be wiped out by a single weapon causing millions of deaths. This means that the threat posed to any country from a single ICBM captured by a terrorist group or launched by a 'rogue' state is huge. This threat is increasing as more countries are achieving nuclear and advanced launcher capabilities. In order to suppress or at least reduce this threat the United States created the National Missile Defense System which involved, among other systems, the development of long-range interceptors whose aim is to destroy incoming ballistic missiles in their midcourse phase. The Ballistic Missile Defense is a high-profile topic that has been the focus of political controversy lately when the U.S. decided to expand the Ballistic Missile system to Europe, with the opposition of Russia. However the technical characteristics of this system are mostly unknown by the general public. The Interception of an ICBM using a long range Interceptor Missile as intended within the Ground-Based Missile Defense System by the American National Missile Defense (NMD) implies a series of problems of incredible complexity: - The incoming missile has to be detected almost immediately after launch. - The incoming missile has to be tracked along its trajectory with a great accuracy. - The Interceptor Missile has to implement a fast and accurate guidance algorithm in order to reach the incoming missile as soon as possible. - The Kinetic Kill Vehicle deployed by the interceptor boost vehicle has to be able to detect the reentry vehicle once it has been deployed by ICBM, when it offers a very low infrared signature, in order to perform a final rendezvous manoeuvre. - The Kinetic Kill Vehicle has to be able to discriminate the reentry vehicle from the surrounding debris and decoys. - The Kinetic Kill Vehicle has to be able to implement an accurate guidance algorithm in order to perform a kinetic interception (direct collision) of the reentry vehicle, at relative speeds of more than 10 km/s. All these problems are being dealt simultaneously by the Ground-Based Missile Defense System that is developing very complex and expensive sensors, communications and control centers and long-range interceptors (Ground-Based Interceptor Missile) including a Kinetic Kill Vehicle. Among all the technical challenges involved in this interception scenario, this thesis focuses on the algorithms required for the guidance of the Interceptor Missile and the Kinetic Kill Vehicle in order to perform the direct collision with the ICBM. The involved guidance algorithms are deeply analysed in this thesis in part III where conventional guidance strategies are reviewed and optimal guidance algorithms are developed for this interception problem. The generation of a realistic simulation of the interception scenario between an ICBM and a Ground Based Interceptor designed to destroy it was considered as necessary in order to be able to compare different guidance strategies with meaningful results. As a consequence, a highly representative simulator for an ICBM and a Kill Vehicle has been implemented, as detailed in part II, and the generation of these simulators has also become one of the purposes of this thesis. In summary, the main purposes of this thesis are: - To develop a highly representative simulator of an interception scenario between an ICBM and a Kill Vehicle launched from a Ground Based Interceptor. -To analyse the main existing guidance algorithms both for the ascent phase and the terminal phase of the missiles. Novel conclusions of these analyses are obtained. - To develop original optimal guidance algorithms for the interception problem. - To compare the results obtained using the different guidance strategies, assess the behaviour of the optimal guidance algorithms, and analyse the feasibility of the Ballistic Missile Defense system in terms of guidance (part IV). As a secondary objective, a general overview of the state of the art in terms of ballistic missiles and anti-ballistic missile defence is provided (part I).

Strong Connectivity in Directed Hypergraphs and its Application to the Atomic Decomposition of Ontologies

Los hipergrafos dirigidos se han empleado en problemas relacionados con lógica proposicional, bases de datos relacionales, linguística computacional y aprendizaje automático. Los hipergrafos dirigidos han sido también utilizados como alternativa a los grafos (bipartitos) dirigidos para facilitar el estudio de las interacciones entre componentes de sistemas complejos que no pueden ser fácilmente modelados usando exclusivamente relaciones binarias. En este contexto, este tipo de representación es conocida como hiper-redes. Un hipergrafo dirigido es una generalización de un grafo dirigido especialmente adecuado para la representación de relaciones de muchos a muchos. Mientras que una arista en un grafo dirigido define una relación entre dos de sus nodos, una hiperarista en un hipergrafo dirigido define una relación entre dos conjuntos de sus nodos. La conexión fuerte es una relación de equivalencia que divide el conjunto de nodos de un hipergrafo dirigido en particiones y cada partición define una clase de equivalencia conocida como componente fuertemente conexo. El estudio de los componentes fuertemente conexos de un hipergrafo dirigido puede ayudar a conseguir una mejor comprensión de la estructura de este tipo de hipergrafos cuando su tamaño es considerable. En el caso de grafo dirigidos, existen algoritmos muy eficientes para el cálculo de los componentes fuertemente conexos en grafos de gran tamaño. Gracias a estos algoritmos, se ha podido averiguar que la estructura de la WWW tiene forma de “pajarita”, donde más del 70% del los nodos están distribuidos en tres grandes conjuntos y uno de ellos es un componente fuertemente conexo. Este tipo de estructura ha sido también observada en redes complejas en otras áreas como la biología. Estudios de naturaleza similar no han podido ser realizados en hipergrafos dirigidos porque no existe algoritmos capaces de calcular los componentes fuertemente conexos de este tipo de hipergrafos. En esta tesis doctoral, hemos investigado como calcular los componentes fuertemente conexos de un hipergrafo dirigido. En concreto, hemos desarrollado dos algoritmos para este problema y hemos determinado que son correctos y cuál es su complejidad computacional. Ambos algoritmos han sido evaluados empíricamente para comparar sus tiempos de ejecución. Para la evaluación, hemos producido una selección de hipergrafos dirigidos generados de forma aleatoria inspirados en modelos muy conocidos de grafos aleatorios como Erdos-Renyi, Newman-Watts-Strogatz and Barabasi-Albert. Varias optimizaciones para ambos algoritmos han sido implementadas y analizadas en la tesis. En concreto, colapsar los componentes fuertemente conexos del grafo dirigido que se puede construir eliminando ciertas hiperaristas complejas del hipergrafo dirigido original, mejora notablemente los tiempos de ejecucion de los algoritmos para varios de los hipergrafos utilizados en la evaluación. Aparte de los ejemplos de aplicación mencionados anteriormente, los hipergrafos dirigidos han sido también empleados en el área de representación de conocimiento. En concreto, este tipo de hipergrafos se han usado para el cálculo de módulos de ontologías. Una ontología puede ser definida como un conjunto de axiomas que especifican formalmente un conjunto de símbolos y sus relaciones, mientras que un modulo puede ser entendido como un subconjunto de axiomas de la ontología que recoge todo el conocimiento que almacena la ontología sobre un conjunto especifico de símbolos y sus relaciones. En la tesis nos hemos centrado solamente en módulos que han sido calculados usando la técnica de localidad sintáctica. Debido a que las ontologías pueden ser muy grandes, el cálculo de módulos puede facilitar las tareas de re-utilización y mantenimiento de dichas ontologías. Sin embargo, analizar todos los posibles módulos de una ontología es, en general, muy costoso porque el numero de módulos crece de forma exponencial con respecto al número de símbolos y de axiomas de la ontología. Afortunadamente, los axiomas de una ontología pueden ser divididos en particiones conocidas como átomos. Cada átomo representa un conjunto máximo de axiomas que siempre aparecen juntos en un modulo. La decomposición atómica de una ontología es definida como un grafo dirigido de tal forma que cada nodo del grafo corresponde con un átomo y cada arista define una dependencia entre una pareja de átomos. En esta tesis introducimos el concepto de“axiom dependency hypergraph” que generaliza el concepto de descomposición atómica de una ontología. Un modulo en una ontología correspondería con un componente conexo en este tipo de hipergrafos y un átomo de una ontología con un componente fuertemente conexo. Hemos adaptado la implementación de nuestros algoritmos para que funcionen también con axiom dependency hypergraphs y poder de esa forma calcular los átomos de una ontología. Para demostrar la viabilidad de esta idea, hemos incorporado nuestros algoritmos en una aplicación que hemos desarrollado para la extracción de módulos y la descomposición atómica de ontologías. A la aplicación la hemos llamado HyS y hemos estudiado sus tiempos de ejecución usando una selección de ontologías muy conocidas del área biomédica, la mayoría disponibles en el portal de Internet NCBO. Los resultados de la evaluación muestran que los tiempos de ejecución de HyS son mucho mejores que las aplicaciones más rápidas conocidas. ABSTRACT Directed hypergraphs are an intuitive modelling formalism that have been used in problems related to propositional logic, relational databases, computational linguistic and machine learning. Directed hypergraphs are also presented as an alternative to directed (bipartite) graphs to facilitate the study of the interactions between components of complex systems that cannot naturally be modelled as binary relations. In this context, they are known as hyper-networks. A directed hypergraph is a generalization of a directed graph suitable for representing many-to-many relationships. While an edge in a directed graph defines a relation between two nodes of the graph, a hyperedge in a directed hypergraph defines a relation between two sets of nodes. Strong-connectivity is an equivalence relation that induces a partition of the set of nodes of a directed hypergraph into strongly-connected components. These components can be collapsed into single nodes. As result, the size of the original hypergraph can significantly be reduced if the strongly-connected components have many nodes. This approach might contribute to better understand how the nodes of a hypergraph are connected, in particular when the hypergraphs are large. In the case of directed graphs, there are efficient algorithms that can be used to compute the strongly-connected components of large graphs. For instance, it has been shown that the macroscopic structure of the World Wide Web can be represented as a “bow-tie” diagram where more than 70% of the nodes are distributed into three large sets and one of these sets is a large strongly-connected component. This particular structure has been also observed in complex networks in other fields such as, e.g., biology. Similar studies cannot be conducted in a directed hypergraph because there does not exist any algorithm for computing the strongly-connected components of the hypergraph. In this thesis, we investigate ways to compute the strongly-connected components of directed hypergraphs. We present two new algorithms and we show their correctness and computational complexity. One of these algorithms is inspired by Tarjan’s algorithm for directed graphs. The second algorithm follows a simple approach to compute the stronglyconnected components. This approach is based on the fact that two nodes of a graph that are strongly-connected can also reach the same nodes. In other words, the connected component of each node is the same. Both algorithms are empirically evaluated to compare their performances. To this end, we have produced a selection of random directed hypergraphs inspired by existent and well-known random graphs models like Erd˝os-Renyi and Newman-Watts-Strogatz. Besides the application examples that we mentioned earlier, directed hypergraphs have also been employed in the field of knowledge representation. In particular, they have been used to compute the modules of an ontology. An ontology is defined as a collection of axioms that provides a formal specification of a set of terms and their relationships; and a module is a subset of an ontology that completely captures the meaning of certain terms as defined in the ontology. In particular, we focus on the modules computed using the notion of syntactic locality. As ontologies can be very large, the computation of modules facilitates the reuse and maintenance of these ontologies. Analysing all modules of an ontology, however, is in general not feasible as the number of modules grows exponentially in the number of terms and axioms of the ontology. Nevertheless, the modules can succinctly be represented using the Atomic Decomposition of an ontology. Using this representation, an ontology can be partitioned into atoms, which are maximal sets of axioms that co-occur in every module. The Atomic Decomposition is then defined as a directed graph such that each node correspond to an atom and each edge represents a dependency relation between two atoms. In this thesis, we introduce the notion of an axiom dependency hypergraph which is a generalization of the atomic decomposition of an ontology. A module in the ontology corresponds to a connected component in the hypergraph, and the atoms of the ontology to the strongly-connected components. We apply our algorithms for directed hypergraphs to axiom dependency hypergraphs and in this manner, we compute the atoms of an ontology. To demonstrate the viability of this approach, we have implemented the algorithms in the application HyS which computes the modules of ontologies and calculate their atomic decomposition. In the thesis, we provide an experimental evaluation of HyS with a selection of large and prominent biomedical ontologies, most of which are available in the NCBO Bioportal. HyS outperforms state-of-the-art implementations in the tasks of extracting modules and computing the atomic decomposition of these ontologies.

A subgrid viscosity Lagrance-Galerkin method for convection-diffusion problems

We present and analyze a subgrid viscosity Lagrange-Galerk in method that combines the subgrid eddy viscosity method proposed in W. Layton, A connection between subgrid scale eddy viscosity and mixed methods. Appl. Math. Comp., 133: 14 7-157, 2002, and a conventional Lagrange-Galerkin method in the framework of P1⊕ cubic bubble finite elements. This results in an efficient and easy to implement stabilized method for convection dominated convection diffusion reaction problems. Numerical experiments support the numerical analysis results and show that the new method is more accurate than the conventional Lagrange-Galerkin one.

Estudio de una metodología de software para la predicción y análisis del balance paramétrico de buques para su aplicación en los criterios de estabilidad de segunda generación

El objetivo de ésta tesis es estudiar cómo desarrollar una aplicación informática que implemente algoritmos numéricos de evaluación de características hidrodinámicas de modelos geométricos representativos de carenas de buques. Se trata de especificar los requisitos necesarios que debe cumplir un programa para informático orientado a dar solución a un determinado problema hidródinámico, como es simular el comportamiento en balance de un buque sometido a oleaje, de popa o proa. una vez especificada la aplicación se realizará un diseño del programa; se estudiarán alternativas para implementar la aplicación; se explicará el proceso que ha de seguirse para obtener la aplicación en funcionamiento y se contrastarán los resultados obtenidos en la medida que sea posible. Se pretende sistematizar y sintetizar todo el proceso de desarrollo de software, orientado a la simulación del comportamiento hidrodinámico de un buque, en una metodología que se pondrá a disposición de la comunidad académica y científica en la forma que se considere más adecuada. Se trata, por tanto, de proponer una metodología de desarrollo de software para obetener una aplicación que facilite la evaluación de diferentes alternativas de estudio variando parámetros relativos al problema en estudio y que sea capaz de proporcionar resultados para su análisis. Así mismo se incide en cómo ha de conducirse en el proceso para que dicha aplicación pueda crecer, incorporando soluciones existentes no implementadas o nuevas soluciones que aparezcan en este ámbito de conocimiento. Como aplicación concreta de la aplicación se ha elegido implementar los algoritmos necesarios para evaluar la aparición del balance paramétrico en un buque. En el análisis de éste problema se considera de interés la representación geométrica que se hace de la carena del buque. Además de la carena aparecen otros elementos que tienen influencia determinante en éste estudio, como son las situación de mar y las situaciones de carga. Idealmente, el problema sería resuelto si se consiguiera determinar el ángulo de balance que se produce al enfrentar un buque a las diferentes condiciones de mar. Se pretende preparar un programa utilizando el paradigma de la orientación a objetos. Considero que es la más adecuada forma de modularizar el programa para poder utilizar diferentes modelos de una misma carena y así comparar los resultados de la evaluación del balance paramétrico entre sí. En una etapa posterior se podrían comparar los resultados con otros obtenidos empíricamente. Hablo de una nueva metodología porque pretendo indicar cómo se ha de construir una aplicación de software que sea usable y sobre la que se pueda seguir desarrollando. Esto justifica la selección del lenguaje de programación C++. Se seleccionará un núcleo geométrico de software que permita acoplar de forma versátil los distintos componentes de software que van a construir el programa. Este trabajo pretende aplicar el desarrollo de software a un aspecto concreto del área de conocimiento de la hidrodinámica. No se pretende aportar nuevos algoritmos para resolver problemas de hidrodinámica, sino diseñar un conjunto de objetos de software que implementen soluciones existentes a conocidas soluciones numéricas a dichos problemas. Se trata fundamentalmente de un trabajo de software, más que de hidrodinámica. Lo que aporta de novedad es una nueva forma de realizar un programa aplicado a los cálculos hidrodinámicos relativos a la determinación del balance paramétrico, que pueda crecer e incorporar cualquier novedad que pueda surgir más adelante. Esto será posible por la programación modular utilizada y los objetos que representan cada uno de los elementos que intervienen en la determinación del balance paramétrico. La elección de aplicar la metodología a la predicción del balance paramétrico se debe a que este concepto es uno de los elementos que intervienen en la evaluación de criterios de estabilidad de segunda generación que estan en estudio para su futura aplicación en el ámbito de la construcción naval. Es por tanto un estudio que despierta interés por su próxima utilidad. ABSTRACT The aim of this thesis is to study how to develop a computer application implementing numerical algorithms to assess hydrodynamic features of geometrical models of vessels. It is therefore to propose a methodology for software development applied to an hydrodynamic problem, in order to evaluate different study alternatives by varying different parameters related to the problem and to be capable of providing results for analysis. As a concrete application of the program it has been chosen to implement the algorithms necessary for evaluating the appearance of parametric rolling in a vessel. In the analysis of this problem it is considered of interest the geometrical representation of the hull of the ship and other elements which have decisive influence in this phenomena, such as the sea situation and the loading condition. Ideally, the application would determine the roll angle that occurs when a ship is on waves of different characteristics. It aims to prepare a program by using the paradigm of object oriented programming. I think it is the best methodology to modularize the program. My intention is to show how face the global process of developing an application from the initial specification until the final release of the program. The process will keep in mind the spefici objetives of usability and the possibility of growing in the scope of the software. This work intends to apply software development to a particular aspect the area of knowledge of hydrodynamics. It is not intended to provide new algorithms for solving problems of hydrodynamics, but designing a set of software objects that implement existing solutions to these problems. This is essentially a job software rather than hydrodynamic. The novelty of this thesis stands in this work focuses in describing how to apply the whole proccess of software engineering to hydrodinamics problems. The choice of the prediction of parametric balance as the main objetive to be applied to is because this concept is one of the elements involved in the evaluation of the intact stability criteria of second generation. Therefore, I consider this study as relevant usefull for the future application in the field of shipbuilding.

Nonlinear normal modes in mechanical systems: concept and computation with numerical continuation

The purpose of this Project is, first and foremost, to disclose the topic of nonlinear vibrations and oscillations in mechanical systems and, namely, nonlinear normal modes NNMs to a greater audience of researchers and technicians. To do so, first of all, the dynamical behavior and properties of nonlinear mechanical systems is outlined from the analysis of a pair of exemplary models with the harmonic balanced method. The conclusions drawn are contrasted with the Linear Vibration Theory. Then, it is argued how the nonlinear normal modes could, in spite of their limitations, predict the frequency response of a mechanical system. After discussing those introductory concepts, I present a Matlab package called 'NNMcont' developed by a group of researchers from the University of Liege. This package allows the analysis of nonlinear normal modes of vibration in a range of mechanical systems as extensions of the linear modes. This package relies on numerical methods and a 'continuation algorithm' for the computation of the nonlinear normal modes of a conservative mechanical system. In order to prove its functionality, a two degrees of freedom mechanical system with elastic nonlinearities is analized. This model comprises a mass suspended on a foundation by means of a spring-viscous damper mechanism -analogous to a very simplified model of most suspended structures and machines- that has attached a mass damper as a passive vibration control system. The results of the computation are displayed on frequency energy plots showing the NNMs branches along with modal curves and time-series plots for each normal mode. Finally, a critical analysis of the results obtained is carried out with an eye on devising what they can tell the researcher about the dynamical properties of the system.

Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.

Approximation algorithms

Increasing global competition, rapidly changing markets, and greater consumer awareness have altered the way in which corporations do business. To become more efficient, many industries have sought to model some operational aspects by gigantic optimization problems. It is not atypical to encounter models that capture 106 separate “yes” or “no” decisions to be made. Although one could, in principle, try all 2106 possible solutions to find the optimal one, such a method would be impractically slow. Unfortunately, for most of these models, no algorithms are known that find optimal solutions with reasonable computation times. Typically, industry must rely on solutions of unguaranteed quality that are constructed in an ad hoc manner. Fortunately, for some of these models there are good approximation algorithms: algorithms that produce solutions quickly that are provably close to optimal. Over the past 6 years, there has been a sequence of major breakthroughs in our understanding of the design of approximation algorithms and of limits to obtaining such performance guarantees; this area has been one of the most flourishing areas of discrete mathematics and theoretical computer science.