Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.

Polynomial approximation using particle swarm optimization of lineal enhanced neural networks with no hidden layers.

This paper presents some ideas about a new neural network architecture that can be compared to a Taylor analysis when dealing with patterns. Such architecture is based on lineal activation functions with an axo-axonic architecture. A biological axo-axonic connection between two neurons is defined as the weight in a connection in given by the output of another third neuron. This idea can be implemented in the so called Enhanced Neural Networks in which two Multilayer Perceptrons are used; the first one will output the weights that the second MLP uses to computed the desired output. This kind of neural network has universal approximation properties even with lineal activation functions. There exists a clear difference between cooperative and competitive strategies. The former ones are based on the swarm colonies, in which all individuals share its knowledge about the goal in order to pass such information to other individuals to get optimum solution. The latter ones are based on genetic models, that is, individuals can die and new individuals are created combining information of alive one; or are based on molecular/celular behaviour passing information from one structure to another. A swarm-based model is applied to obtain the Neural Network, training the net with a Particle Swarm algorithm.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

DCE@urLAB: a dynamic contrast-enhanced MRI pharmacokinetic analysis tool for preclinical data

Background DCE@urLAB is a software application for analysis of dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging data (DCE-MRI). The tool incorporates a friendly graphical user interface (GUI) to interactively select and analyze a region of interest (ROI) within the image set, taking into account the tissue concentration of the contrast agent (CA) and its effect on pixel intensity. Results Pixel-wise model-based quantitative parameters are estimated by fitting DCE-MRI data to several pharmacokinetic models using the Levenberg-Marquardt algorithm (LMA). DCE@urLAB also includes the semi-quantitative parametric and heuristic analysis approaches commonly used in practice. This software application has been programmed in the Interactive Data Language (IDL) and tested both with publicly available simulated data and preclinical studies from tumor-bearing mouse brains. Conclusions A user-friendly solution for applying pharmacokinetic and non-quantitative analysis DCE-MRI in preclinical studies has been implemented and tested. The proposed tool has been specially designed for easy selection of multi-pixel ROIs. A public release of DCE@urLAB, together with the open source code and sample datasets, is available at http://www.die.upm.es/im/archives/DCEurLAB/ webcite.

Data Mining with Enhanced Neural Networks-CMMSE

Abstract This paper presents a new method to extract knowledge from existing data sets, that is, to extract symbolic rules using the weights of an Artificial Neural Network. The method has been applied to a neural network with special architecture named Enhanced Neural Network (ENN). This architecture improves the results that have been obtained with multilayer perceptron (MLP). The relationship among the knowledge stored in the weights, the performance of the network and the new implemented algorithm to acquire rules from the weights is explained. The method itself gives a model to follow in the knowledge acquisition with ENN.

Registration and fusion of contrast-enhanced MRI myocardial substrate maps and X-ray angiograms

The aim of this work is to provide the necessary methods to register and fuse the endo-epicardial signal intensity (SI) maps extracted from contrast-enhanced magnetic resonance imaging (ceMRI) with X-ray coronary ngiograms using an intrinsic registrationbased algorithm to help pre-planning and guidance of catheterization procedures. Fusion of angiograms with SI maps was treated as a 2D-3D pose estimation, where each image point is projected to a Plücker line, and the screw representation for rigid motions is minimized using a gradient descent method. The resultant transformation is applied to the SI map that is then projected and fused on each angiogram. The proposed method was tested in clinical datasets from 6 patients with prior myocardial infarction. The registration procedure is optionally combined with an iterative closest point algorithm (ICP) that aligns the ventricular contours segmented from two ventriculograms.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Mapping Dynamics into Graphs. The Visibility Algorithm

Si no tenemos en cuenta posibles procesos subyacentes con significado físico, químico, económico, etc., podemos considerar una serie temporal como un mero conjunto ordenado de valores y jugar con él algún inocente juego matemático como transformar dicho conjunto en otro objeto con la ayuda de una operación matemática para ver qué sucede: qué propiedades del conjunto original se conservan, cuáles se transforman y cómo, qué podemos decir de alguna de las dos representaciones matemáticas del objeto con sólo atender a la otra... Este ejercicio sería de cierto interés matemático por sí solo. Ocurre, además, que las series temporales son un método universal de extraer información de sistemas dinámicos en cualquier campo de la ciencia. Esto hace ganar un inesperado interés práctico al juego matemático anteriormente descrito, ya que abre la posibilidad de analizar las series temporales (vistas ahora como evolución temporal de procesos dinámicos) desde una nueva perspectiva. Hemos para esto de asumir la hipótesis de que la información codificada en la serie original se conserva de algún modo en la transformación (al menos una parte de ella). El interés resulta completo cuando la nueva representación del objeto pertencece a un campo de la matemáticas relativamente maduro, en el cual la información codificada en dicha representación puede ser descodificada y procesada de manera efectiva. ABSTRACT Disregarding any underlying process (and therefore any physical, chemical, economical or whichever meaning of its mere numeric values), we can consider a time series just as an ordered set of values and play the naive mathematical game of turning this set into a different mathematical object with the aids of an abstract mapping, and see what happens: which properties of the original set are conserved, which are transformed and how, what can we say about one of the mathematical representations just by looking at the other... This exercise is of mathematical interest by itself. In addition, it turns out that time series or signals is a universal method of extracting information from dynamical systems in any field of science. Therefore, the preceding mathematical game gains some unexpected practical interest as it opens the possibility of analyzing a time series (i.e. the outcome of a dynamical process) from an alternative angle. Of course, the information stored in the original time series should be somehow conserved in the mapping. The motivation is completed when the new representation belongs to a relatively mature mathematical field, where information encoded in such a representation can be effectively disentangled and processed. This is, in a nutshell, a first motivation to map time series into networks.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

Energy-based Fair Queuing: Energy-centric Processor Scheduling Algorithm for Battery-limited Mobile Systems

Los dispositivos móviles modernos disponen cada vez de más funcionalidad debido al rápido avance de las tecnologías de las comunicaciones y computaciones móviles. Sin embargo, la capacidad de la batería no ha experimentado un aumento equivalente. Por ello, la experiencia de usuario en los sistemas móviles modernos se ve muy afectada por la vida de la batería, que es un factor inestable de difícil de control. Para abordar este problema, investigaciones anteriores han propuesto un esquema de gestion del consumo (PM) centrada en la energía y que proporciona una garantía sobre la vida operativa de la batería mediante la gestión de la energía como un recurso de primera clase en el sistema. Como el planificador juega un papel fundamental en la administración del consumo de energía y en la garantía del rendimiento de las aplicaciones, esta tesis explora la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada desde la perspectiva de un planificador que tiene en cuenta el consumo de energía en un contexto en el que ésta es un recurso de primera clase. En esta tesis se analiza en primer lugar los factores que contribuyen de forma general a la experiencia de usuario en un sistema móvil. Después se determinan los requisitos esenciales que afectan a la experiencia de usuario en la planificación centrada en el consumo de energía, que son el reparto proporcional de la potencia, el cumplimiento de las restricciones temporales, y cuando sea necesario, el compromiso entre la cuota de potencia y las restricciones temporales. Para cumplir con los requisitos, el algoritmo clásico de fair queueing y su modelo de referencia se extienden desde los dominios de las comunicaciones y ancho de banda de CPU hacia el dominio de la energía, y en base a ésto, se propone el algoritmo energy-based fair queueing (EFQ) para proporcionar una planificación basada en la energía. El algoritmo EFQ está diseñado para compartir la potencia consumida entre las tareas mediante su planificación en función de la energía consumida y de la cuota reservada. La cuota de consumo de cada tarea con restricciones temporales está protegida frente a diversos cambios que puedan ocurrir en el sistema. Además, para dar mejor soporte a las tareas en tiempo real y multimedia, se propone un mecanismo para combinar con el algoritmo EFQ para dar preferencia en la planificación durante breves intervalos de tiempo a las tareas más urgentes con restricciones temporales.Las propiedades del algoritmo EFQ se evaluan a través del modelado de alto nivel y la simulación. Los resultados de las simulaciones indican que los requisitos esenciales de la planificación centrada en la energía pueden lograrse. El algoritmo EFQ se implementa más tarde en el kernel de Linux. Para evaluar las propiedades del planificador EFQ basado en Linux, se desarrolló un banco de pruebas experimental basado en una sitema empotrado, un programa de banco de pruebas multihilo, y un conjunto de pruebas de código abierto. A través de experimentos específicamente diseñados, esta tesis verifica primero las propiedades de EFQ en la gestión de la cuota de consumo de potencia y la planificación en tiempo real y, a continuación, explora los beneficios potenciales de emplear la planificación EFQ en la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada. Los resultados experimentales sobre la gestión de la cuota de energía muestran que EFQ es más eficaz que el planificador de Linux-CFS en la gestión de energía, logrando un reparto proporcional de la energía del sistema independientemente de en qué dispositivo se consume la energía. Los resultados experimentales en la planificación en tiempo real demuestran que EFQ puede lograr de forma eficaz, flexible y robusta el cumplimiento de las restricciones temporales aunque se dé el caso de aumento del el número de tareas o del error en la estimación de energía. Por último, un análisis comparativo de los resultados experimentales sobre la optimización de la experiencia del usuario demuestra que, primero, EFQ es más eficaz y flexible que los algoritmos tradicionales de planificación del procesador, como el que se encuentra por defecto en el planificador de Linux y, segundo, que proporciona la posibilidad de optimizar y preservar la experiencia de usuario para los sistemas móviles con energía limitada. Abstract Modern mobiledevices have been becoming increasingly powerful in functionality and entertainment as the next-generation mobile computing and communication technologies are rapidly advanced. However, the battery capacity has not experienced anequivalent increase. The user experience of modern mobile systems is therefore greatly affected by the battery lifetime,which is an unstable factor that is hard to control. To address this problem, previous works proposed energy-centric power management (PM) schemes to provide strong guarantee on the battery lifetime by globally managing energy as the first-class resource in the system. As the processor scheduler plays a pivotal role in power management and application performance guarantee, this thesis explores the user experience optimization of energy-limited mobile systemsfrom the perspective of energy-centric processor scheduling in an energy-centric context. This thesis first analyzes the general contributing factors of the mobile system user experience.Then itdetermines the essential requirements on the energy-centric processor scheduling for user experience optimization, which are proportional power sharing, time-constraint compliance, and when necessary, a tradeoff between the power share and the time-constraint compliance. To meet the requirements, the classical fair queuing algorithm and its reference model are extended from the network and CPU bandwidth sharing domain to the energy sharing domain, and based on that, the energy-based fair queuing (EFQ) algorithm is proposed for performing energy-centric processor scheduling. The EFQ algorithm is designed to provide proportional power shares to tasks by scheduling the tasks based on their energy consumption and weights. The power share of each time-sensitive task is protected upon the change of the scheduling environment to guarantee a stable performance, and any instantaneous power share that is overly allocated to one time-sensitive task can be fairly re-allocated to the other tasks. In addition, to better support real-time and multimedia scheduling, certain real-time friendly mechanism is combined into the EFQ algorithm to give time-limited scheduling preference to the time-sensitive tasks. Through high-level modelling and simulation, the properties of the EFQ algorithm are evaluated. The simulation results indicate that the essential requirements of energy-centric processor scheduling can be achieved. The EFQ algorithm is later implemented in the Linux kernel. To assess the properties of the Linux-based EFQ scheduler, an experimental test-bench based on an embedded platform, a multithreading test-bench program, and an open-source benchmark suite is developed. Through specifically-designed experiments, this thesis first verifies the properties of EFQ in power share management and real-time scheduling, and then, explores the potential benefits of employing EFQ scheduling in the user experience optimization for energy-limited mobile systems. Experimental results on power share management show that EFQ is more effective than the Linux-CFS scheduler in managing power shares and it can achieve a proportional sharing of the system power regardless of on which device the energy is spent. Experimental results on real-time scheduling demonstrate that EFQ can achieve effective, flexible and robust time-constraint compliance upon the increase of energy estimation error and task number. Finally, a comparative analysis of the experimental results on user experience optimization demonstrates that EFQ is more effective and flexible than traditional processor scheduling algorithms, such as those of the default Linux scheduler, in optimizing and preserving the user experience of energy-limited mobile systems.

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.

Development of a sensorimotor algorithm able to deal with unforeseen pushes and its implementation based on VHDL

Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL is the title of my thesis which concludes my Bachelor Degree in the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación of the Universidad Politécnica de Madrid. It encloses the overall work I did in the Neurorobotics Research Laboratory from the Beuth Hochschule für Technik Berlin during my ERASMUS year in 2015. This thesis is focused on the field of robotics, specifically an electronic circuit called Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) and its control algorithm based on VHDL hardware description language. The reason that makes the CSL special resides in its ability to operate a motor both as a sensor and an actuator. This way, it is possible to achieve a balanced position in any of the robot joints (e.g. the robot manages to stand) without needing any conventional sensor. In other words, the back electromotive force (EMF) induced by the motor coils is measured and the control algorithm responds depending on its magnitude. The CSL circuit contains mainly an analog-to-digital converter (ADC) and a driver. The ADC consists on a delta-sigma modulation which generates a series of bits with a certain percentage of 1's and 0's, proportional to the back EMF. The control algorithm, running in a FPGA, processes the bit frame and outputs a signal for the driver. This driver, which has an H bridge topology, gives the motor the ability to rotate in both directions while it's supplied with the power needed. The objective of this thesis is to document the experiments and overall work done on push ignoring contractive sensorimotor algorithms, meaning sensorimotor algorithms that ignore large magnitude forces (compared to gravity) applied in a short time interval on a pendulum system. This main objective is divided in two sub-objectives: (1) developing a system based on parameterized thresholds and (2) developing a system based on a push bypassing filter. System (1) contains a module that outputs a signal which blocks the main Sensorimotor algorithm when a push is detected. This module has several different parameters as inputs e.g. the back EMF increment to consider a force as a push or the time interval between samples. System (2) consists on a low-pass Infinite Impulse Response digital filter. It cuts any frequency considered faster than a certain push oscillation. This filter required an intensive study on how to implement some functions and data types (fixed or floating point data) not supported by standard VHDL packages. Once this was achieved, the next challenge was to simplify the solution as much as possible, without using non-official user made packages. Both systems behaved with a series of interesting advantages and disadvantages for the elaboration of the document. Stability, reaction time, simplicity or computational load are one of the many factors to be studied in the designed systems. RESUMEN. Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL es un Proyecto de Fin de Grado (PFG) que concluye mis estudios en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid. En él se documenta el trabajo de investigación que realicé en el Neurorobotics Research Laboratory de la Beuth Hochschule für Technik Berlin durante el año 2015 mediante el programa de intercambio ERASMUS. Este PFG se centra en el campo de la robótica y en concreto en un circuito electrónico llamado Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) y su algoritmo de control basado en lenguaje de modelado hardware VHDL. La particularidad del CSL reside en que se consigue que un motor haga las veces tanto de sensor como de actuador. De esta manera es posible que las articulaciones de un robot alcancen una posición de equilibrio (p.ej. el robot se coloca erguido) sin la necesidad de sensores en el sentido estricto de la palabra. Es decir, se mide la propia fuerza electromotriz (FEM) inducida sobre el motor y el algoritmo responde de acuerdo a su magnitud. El circuito CSL se compone de un convertidor analógico-digital (ADC) y un driver. El ADC consiste en un modulador sigma-delta, que genera una serie de bits con un porcentaje de 1's y 0's determinado, en proporción a la magnitud de la FEM inducida. El algoritmo de control, que se ejecuta en una FPGA, procesa esta cadena de bits y genera una señal para el driver. El driver, que posee una topología en puente H, provee al motor de la potencia necesaria y le otorga la capacidad de rotar en cualquiera de las dos direcciones. El objetivo de este PFG es documentar los experimentos y en general el trabajo realizado en algoritmos Sensorimotor que puedan ignorar fuerzas de gran magnitud (en comparación con la gravedad) y aplicadas en una corta ventana de tiempo. En otras palabras, ignorar empujones conservando el comportamiento original frente a la gravedad. Para ello se han desarrollado dos sistemas: uno basado en umbrales parametrizados (1) y otro basado en un filtro de corte ajustable (2). El sistema (1) contiene un módulo que, en el caso de detectar un empujón, genera una señal que bloquea el algoritmo Sensorimotor. Este módulo recibe diferentes parámetros como el incremento necesario de la FEM para que se considere un empujón o la ventana de tiempo para que se considere la existencia de un empujón. El sistema (2) consiste en un filtro digital paso-bajo de respuesta infinita que corta cualquier variación que considere un empujón. Para crear este filtro se requirió un estudio sobre como implementar ciertas funciones y tipos de datos (coma fija o flotante) no soportados por las librerías básicas de VHDL. Tras esto, el objetivo fue simplificar al máximo la solución del problema, sin utilizar paquetes de librerías añadidos. En ambos sistemas aparecen una serie de ventajas e inconvenientes de interés para el documento. La estabilidad, el tiempo de reacción, la simplicidad o la carga computacional son algunas de las muchos factores a estudiar en los sistemas diseñados. Para concluir, también han sido documentadas algunas incorporaciones a los sistemas: una interfaz visual en VGA, un módulo que compensa el offset del ADC o la implementación de una batería de faders MIDI entre otras.

Enhanced detection-guided NLMS estimation of sparse FIR-modeled signal channels

In various signal-channel-estimation problems, the channel being estimated may be well approximated by a discrete finite impulse response (FIR) model with sparsely separated active or nonzero taps. A common approach to estimating such channels involves a discrete normalized least-mean-square (NLMS) adaptive FIR filter, every tap of which is adapted at each sample interval. Such an approach suffers from slow convergence rates and poor tracking when the required FIR filter is "long." Recently, NLMS-based algorithms have been proposed that employ least-squares-based structural detection techniques to exploit possible sparse channel structure and subsequently provide improved estimation performance. However, these algorithms perform poorly when there is a large dynamic range amongst the active taps. In this paper, we propose two modifications to the previous algorithms, which essentially remove this limitation. The modifications also significantly improve the applicability of the detection technique to structurally time varying channels. Importantly, for sparse channels, the computational cost of the newly proposed detection-guided NLMS estimator is only marginally greater than that of the standard NLMS estimator. Simulations demonstrate the favourable performance of the newly proposed algorithm. © 2006 IEEE.

Neural network enhanced self tuning adaptive control application for non-linear control of dynamic systems

The main theme of research of this project concerns the study of neutral networks to control uncertain and non-linear control systems. This involves the control of continuous time, discrete time, hybrid and stochastic systems with input, state or output constraints by ensuring good performances. A great part of this project is devoted to the opening of frontiers between several mathematical and engineering approaches in order to tackle complex but very common non-linear control problems. The objectives are: 1. Design and develop procedures for neutral network enhanced self-tuning adaptive non-linear control systems; 2. To design, as a general procedure, neural network generalised minimum variance self-tuning controller for non-linear dynamic plants (Integration of neural network mapping with generalised minimum variance self-tuning controller strategies); 3. To develop a software package to evaluate control system performances using Matlab, Simulink and Neural Network toolbox. An adaptive control algorithm utilising a recurrent network as a model of a partial unknown non-linear plant with unmeasurable state is proposed. Appropriately, it appears that structured recurrent neural networks can provide conveniently parameterised dynamic models for many non-linear systems for use in adaptive control. Properties of static neural networks, which enabled successful design of stable adaptive control in the state feedback case, are also identified. A survey of the existing results is presented which puts them in a systematic framework showing their relation to classical self-tuning adaptive control application of neural control to a SISO/MIMO control. Simulation results demonstrate that the self-tuning design methods may be practically applicable to a reasonably large class of unknown linear and non-linear dynamic control systems.

A new scheduling method for enhanced quality of experience in LTE systems

In this paper a new approach to the resource allocation and scheduling mechanism that reflects the effect of user's Quality of Experience is presented. The proposed scheduling algorithm is examined in the context of 3GPP Long Term Evolution (LTE) system. Pause Intensity (PI) as an objective and no-reference quality assessment metric is employed to represent user's satisfaction in the scheduler of eNodeB. PI is in fact a measurement of discontinuity in the service. The performance of the scheduling method proposed is compared with two extreme cases: maxCI and Round Robin scheduling schemes which correspond to the efficiency and fairness oriented mechanisms, respectively. Our work reveals that the proposed method is able to perform between fairness and efficiency requirements, in favor of higher satisfaction for the users to the desired level. © VDE VERLAG GMBH.