Descripción de parámetros glóticos basados en el modelado de los pliegues vocales para la detección de patología de la voz

Las patologías de la voz se han transformado en los últimos tiempos en una problemática social con cierto calado. La contaminación de las ciudades, hábitos como el de fumar, el uso de aparatos de aire acondicionado, etcétera, contribuyen a ello. Esto alcanza más relevancia en profesionales que utilizan su voz de manera frecuente, como, por ejemplo, locutores, cantantes, profesores o teleoperadores. Por todo ello resultan de especial interés las técnicas de ayuda al diagnóstico que son capaces de extraer conclusiones clínicas a partir de una muestra de la voz grabada con un micrófono, frente a otras invasivas que implican la exploración utilizando laringoscopios, fibroscopios o videoendoscopios, técnicas en cualquier caso mucho más molestas para los pacientes al exigir la introducción parcial del instrumental citado por la garganta, en actuaciones consideradas de tipo quirúrgico. Dentro de aquellas técnicas se ha avanzado mucho en un período de tiempo relativamente corto. En lo que se refiere al diagnóstico de patologías, hemos pasado en los últimos quince años de trabajar principalmente con parámetros extraídos de la señal de voz –tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia– y con escalas elaboradas con valoraciones subjetivas realizadas por expertos a hacerlo también con parámetros procedentes de estimaciones de la fuente glótica. La importancia de utilizar la fuente glótica reside, a grandes rasgos, en que se trata de una señal vinculada directamente al estado de la estructura laríngea del locutor y también en que está generalmente menos influida por el tracto vocal que la señal de voz. Es conocido que el tracto vocal guarda más relación con el mensaje hablado, y su presencia dificulta el proceso de detección de patología vocal. Estas estimaciones de la fuente glótica han sido obtenidas a través de técnicas de filtrado inverso desarrolladas por nuestro grupo de investigación. Hemos conseguido, además, profundizar en la naturaleza de la señal glótica: somos capaces de descomponerla y relacionarla con parámetros biomecánicos de los propios pliegues vocales, obteniendo estimaciones de elementos como la masa, la pérdida de energía o la elasticidad del cuerpo y de la cubierta del pliegue, entre otros. De las componentes de la fuente glótica surgen también los denominados parámetros biométricos, relacionados con la forma de la señal, que constituyen por sí mismos una firma biométrica del individuo. También trabajaremos con parámetros temporales, relacionados con las diferentes etapas que se observan dentro de la señal glótica durante un ciclo de fonación. Por último, consideraremos parámetros clásicos de perturbación y energía de la señal. En definitiva, contamos ahora con una considerable cantidad de parámetros glóticos que conforman una base estadística multidimensional, destinada a ser capaz de discriminar personas con voces patológicas o disfónicas de aquellas que no presentan patología en la voz o con voces sanas o normofónicas. Esta tesis doctoral se ocupa de varias cuestiones: en primer lugar, es necesario analizar cuidadosamente estos nuevos parámetros, por lo que ofreceremos una completa descripción estadística de los mismos. También estudiaremos cuestiones como la distribución de los parámetros atendiendo a criterios como el de normalidad estadística de los mismos, ocupándonos especialmente de la diferencia entre las distribuciones que presentan sujetos sanos y sujetos con patología vocal. Para todo ello emplearemos diferentes técnicas estadísticas: generación de elementos y diagramas descriptivos, pruebas de normalidad y diversos contrastes de hipótesis, tanto paramétricos como no paramétricos, que considerarán la diferencia entre los grupos de personas sanas y los grupos de personas con alguna patología relacionada con la voz. Además, nos interesa encontrar relaciones estadísticas entre los parámetros, de cara a eliminar posibles redundancias presentes en el modelo, a reducir la dimensionalidad del problema y a establecer un criterio de importancia relativa en los parámetros en cuanto a su capacidad discriminante para el criterio patológico/sano. Para ello se aplicarán técnicas estadísticas como la Correlación Lineal Bivariada y el Análisis Factorial basado en Componentes Principales. Por último, utilizaremos la conocida técnica de clasificación Análisis Discriminante, aplicada a diferentes combinaciones de parámetros y de factores, para determinar cuáles de ellas son las que ofrecen tasas de acierto más prometedoras. Para llevar a cabo la experimentación se ha utilizado una base de datos equilibrada y robusta formada por doscientos sujetos, cien de ellos pertenecientes al género femenino y los restantes cien al género masculino, con una proporción también equilibrada entre los sujetos que presentan patología vocal y aquellos que no la presentan. Una de las aplicaciones informáticas diseñada para llevar a cabo la recogida de muestras también es presentada en esta tesis. Los distintos estudios estadísticos realizados nos permitirán identificar aquellos parámetros que tienen una mayor contribución a la hora de detectar la presencia de patología vocal. Alguno de los estudios, además, nos permitirá presentar una ordenación de los parámetros en base a su importancia para realizar la detección. Por otra parte, también concluiremos que en ocasiones es conveniente realizar una reducción de la dimensionalidad de los parámetros para mejorar las tasas de detección. Por fin, las propias tasas de detección constituyen quizá la conclusión más importante del trabajo. Todos los análisis presentes en el trabajo serán realizados para cada uno de los dos géneros, de acuerdo con diversos estudios previos que demuestran que los géneros masculino y femenino deben tratarse de forma independiente debido a las diferencias orgánicas observadas entre ambos. Sin embargo, en lo referente a la detección de patología vocal contemplaremos también la posibilidad de trabajar con la base de datos unificada, comprobando que las tasas de acierto son también elevadas. Abstract Voice pathologies have become recently in a social problem that has reached a certain concern. Pollution in cities, smoking habits, air conditioning, etc. contributes to it. This problem is more relevant for professionals who use their voice frequently: speakers, singers, teachers, actors, telemarketers, etc. Therefore techniques that are capable of drawing conclusions from a sample of the recorded voice are of particular interest for the diagnosis as opposed to other invasive ones, involving exploration by laryngoscopes, fiber scopes or video endoscopes, which are techniques much less comfortable for patients. Voice quality analysis has come a long way in a relatively short period of time. In regard to the diagnosis of diseases, we have gone in the last fifteen years from working primarily with parameters extracted from the voice signal (both in time and frequency domains) and with scales drawn from subjective assessments by experts to produce more accurate evaluations with estimates derived from the glottal source. The importance of using the glottal source resides broadly in that this signal is linked to the state of the speaker's laryngeal structure. Unlike the voice signal (phonated speech) the glottal source, if conveniently reconstructed using adaptive lattices, may be less influenced by the vocal tract. As it is well known the vocal tract is related to the articulation of the spoken message and its influence complicates the process of voice pathology detection, unlike when using the reconstructed glottal source, where vocal tract influence has been almost completely removed. The estimates of the glottal source have been obtained through inverse filtering techniques developed by our research group. We have also deepened into the nature of the glottal signal, dissecting it and relating it to the biomechanical parameters of the vocal folds, obtaining several estimates of items such as mass, loss or elasticity of cover and body of the vocal fold, among others. From the components of the glottal source also arise the so-called biometric parameters, related to the shape of the signal, which are themselves a biometric signature of the individual. We will also work with temporal parameters related to the different stages that are observed in the glottal signal during a cycle of phonation. Finally, we will take into consideration classical perturbation and energy parameters. In short, we have now a considerable amount of glottal parameters in a multidimensional statistical basis, designed to be able to discriminate people with pathologic or dysphonic voices from those who do not show pathology. This thesis addresses several issues: first, a careful analysis of these new parameters is required, so we will offer a complete statistical description of them. We will also discuss issues such as distribution of the parameters, considering criteria such as their statistical normality. We will take special care in the analysis of the difference between distributions from healthy subjects and the distributions from pathological subjects. To reach these goals we will use different statistical techniques such as: generation of descriptive items and diagramas, tests for normality and hypothesis testing, both parametric and nonparametric. These latter techniques consider the difference between the groups of healthy subjects and groups of people with an illness related to voice. In addition, we are interested in finding statistical relationships between parameters. There are various reasons behind that: eliminate possible redundancies in the model, reduce the dimensionality of the problem and establish a criterion of relative importance in the parameters. The latter reason will be done in terms of discriminatory power for the criterion pathological/healthy. To this end, statistical techniques such as Bivariate Linear Correlation and Factor Analysis based on Principal Components will be applied. Finally, we will use the well-known technique of Discriminant Analysis classification applied to different combinations of parameters and factors to determine which of these combinations offers more promising success rates. To perform the experiments we have used a balanced and robust database, consisting of two hundred speakers, one hundred of them males and one hundred females. We have also used a well-balanced proportion where subjects with vocal pathology as well as subjects who don´t have a vocal pathology are equally represented. A computer application designed to carry out the collection of samples is also presented in this thesis. The different statistical analyses performed will allow us to determine which parameters contribute in a more decisive way in the detection of vocal pathology. Therefore, some of the analyses will even allow us to present a ranking of the parameters based on their importance for the detection of vocal pathology. On the other hand, we will also conclude that it is sometimes desirable to perform a dimensionality reduction in order to improve the detection rates. Finally, detection rates themselves are perhaps the most important conclusion of the work. All the analyses presented in this work have been performed for each of the two genders in agreement with previous studies showing that male and female genders should be treated independently, due to the observed functional differences between them. However, with regard to the detection of vocal pathology we will consider the possibility of working with the unified database, ensuring that the success rates obtained are also high.

A low cost system for the prediagnosis of the human tremor

Human tremor can be defined as a somewhat rhythmic and quick movement of one or more body parts. In some people, it is a symptom of a neurological disorder. From the mathematical point of view, human tremor can be defined as a weighted contribution of different sinusoidal signals which causes oscillations of some parts of the body. This sinusoidal is repeated over time, but its amplitude and frequency change slowly. This is why amplitude and frequency are considered important factors in the tremor characterization, and thus for its diagnosis. In this paper, a tool for the prediagnosis of the human tremor is presented. This tool uses a low cost device (<$40) and allows to compute the main factors of the human tremor accurately. Real cases have been tested using the algorithms developed in this investigation. The patients suffered from different tremor severities, and the components of amplitude and frequency were computed using a series of tests. These additional measures will help the experts to make better diagnoses allowing them to focus on specific stages of the test or get an overview of these tests. From the experimental, we stated that not all tests are valid for every patient to give a diagnosis. Guided by years of experience, the expert will decide which test or set of tests are the most appropriate for a patient.

Evaluación del temblor humano a través de dispositivos de bajo coste

El temblor humano puede definirse como un movimiento rápido y, en cierta manera, rítmico de una o más partes del cuerpo. En algunas personas, este movimiento puede ser un síntoma de alguna alteración a nivel neurológico. Desde el punto de vista matemático, el temblor humano puede ser definido como una suma ponderada de diferentes señales sinusoidales que causan oscilaciones de algunas partes del cuerpo. Esta sinusoide se repite en el tiempo pero su amplitud y frecuencia cambian lentamente. Por esta razón, la amplitud y la frecuencia son consideradas factores importantes en la clasificación del temblor y por tanto útiles en su diagnóstico. En este artículo, se presenta una herramienta de ayuda al diagnóstico del temblor humano. Esta herramienta usa un dispositivo hardware de bajo coste (<$40) y permite calcular las principales componentes de esta sinusoide asociada al temblor de una manera precisa. Como casos de estudio se presentan su aplicación a dos casos reales para probar la bondad de los algoritmos desarrollados. Los casos muestran pacientes que sufrían temblores con distinta severidad y que han realizado una serie de tests con el dispositivo para que el sistema calculara las principales componentes del temblor. Estas medidas aportadas por el sistema ayudarían en un futuro a los expertos a tomar decisiones más precisas permitiéndoles centrarse en determinadas fases del test o la realización de tests más específicos para evaluar mejor las características propias del temblor del paciente. De la experimentación realizada podemos afirmar que no todos los tests son válidos para el diagnóstico para todos los pacientes. Será finalmente la experiencia del profesional el que decidirá finalmente qué test o conjunto de tests son los más apropiados para cada paciente.

Algoritmos de filtrado y control en sistemas con observaciones incompletas mediante las técnicas óptimas de promedio cuadrático, H y modos deslizantes

Tesis (Doctor en Ingeniería Física Industrial) UANL, 2009.

Técnicas de procesado digital de señal aplicadas a acelerómetros

En este proyecto se estudian y analizan las diferentes técnicas de procesado digital de señal aplicadas a acelerómetros. Se hace uso de una tarjeta de prototipado, basada en DSP, para realizar las diferentes pruebas. El proyecto se basa, principalmente, en realizar filtrado digital en señales provenientes de un acelerómetro en concreto, el 1201F, cuyo campo de aplicación es básicamente la automoción. Una vez estudiadas la teoría de procesado y las características de los filtros, diseñamos una aplicación basándonos sobre todo en el entorno en el que se desarrollaría una aplicación de este tipo. A lo largo del diseño, se explican las diferentes fases: diseño por ordenador (Matlab), diseño de los filtros en el DSP (C), pruebas sobre el DSP sin el acelerómetro, calibración del acelerómetro, pruebas finales sobre el acelerómetro... Las herramientas utilizadas son: la plataforma Kit de evaluación 21-161N de Analog Devices (equipado con el entorno de desarrollo Visual DSP 4.5++), el acelerómetro 1201F, el sistema de calibración de acelerómetros CS-18-LF de Spektra y los programas software MATLAB 7.5 y CoolEditPRO 2.0. Se realizan únicamente filtros IIR de 2º orden, de todos los tipos (Butterworth, Chebyshev I y II y Elípticos). Realizamos filtros de banda estrecha, paso-banda y banda eliminada, de varios tipos, dentro del fondo de escala que permite el acelerómetro. Una vez realizadas todas las pruebas, tanto simulaciones como físicas, se seleccionan los filtros que presentan un mejor funcionamiento y se analizan para obtener conclusiones. Como se dispone de un entorno adecuado para ello, se combinan los filtros entre sí de varias maneras, para obtener filtros de mayor orden (estructura paralelo). De esta forma, a partir de filtros paso-banda, podemos obtener otras configuraciones que nos darán mayor flexibilidad. El objetivo de este proyecto no se basa sólo en obtener buenos resultados en el filtrado, sino también de aprovechar las facilidades del entorno y las herramientas de las que disponemos para realizar el diseño más eficiente posible. In this project, we study and analize digital signal processing in order to design an accelerometer-based application. We use a hardware card of evaluation, based on DSP, to make different tests. This project is based in design digital filters for an automotion application. The accelerometer type is 1201F. First, we study digital processing theory and main parameters of real filters, to make a design based on the application environment. Along the application, we comment all the different steps: computer design (Matlab), filter design on the DSP (C language), simulation test on the DSP without the accelerometer, accelerometer calibration, final tests on the accelerometer... Hardware and software tools used are: Kit of Evaluation 21-161-N, based on DSP, of Analog Devices (equiped with software development tool Visual DSP 4.5++), 1201-F accelerometer, CS-18-LF calibration system of SPEKTRA and software tools MATLAB 7.5 and CoolEditPRO 2.0. We only perform 2nd orden IIR filters, all-type : Butterworth, Chebyshev I and II and Ellyptics. We perform bandpass and stopband filters, with very narrow band, taking advantage of the accelerometer's full scale. Once all the evidence, both simulations and physical, are finished, filters having better performance and analyzed and selected to draw conclusions. As there is a suitable environment for it, the filters are combined together in different ways to obtain higher order filters (parallel structure). Thus, from band-pass filters, we can obtain many configurations that will give us greater flexibility. The purpose of this project is not only based on good results in filtering, but also to exploit the facilities of the environment and the available tools to make the most efficient design possible.

Contribution to the quality improvement of the antenna measurement using post-processing techniques = Contribución a la mejora de la calidad de medida de antena usando técnicas de post-procesado

One important task in the design of an antenna is to carry out an analysis to find out the characteristics of the antenna that best fulfills the specifications fixed by the application. After that, a prototype is manufactured and the next stage in design process is to check if the radiation pattern differs from the designed one. Besides the radiation pattern, other radiation parameters like directivity, gain, impedance, beamwidth, efficiency, polarization, etc. must be also evaluated. For this purpose, accurate antenna measurement techniques are needed in order to know exactly the actual electromagnetic behavior of the antenna under test. Due to this fact, most of the measurements are performed in anechoic chambers, which are closed areas, normally shielded, covered by electromagnetic absorbing material, that simulate free space propagation conditions, due to the absorption of the radiation absorbing material. Moreover, these facilities can be employed independently of the weather conditions and allow measurements free from interferences. Despite all the advantages of the anechoic chambers, the results obtained both from far-field measurements and near-field measurements are inevitably affected by errors. Thus, the main objective of this Thesis is to propose algorithms to improve the quality of the results obtained in antenna measurements by using post-processing techniques and without requiring additional measurements. First, a deep revision work of the state of the art has been made in order to give a general vision of the possibilities to characterize or to reduce the effects of errors in antenna measurements. Later, new methods to reduce the unwanted effects of four of the most commons errors in antenna measurements are described and theoretical and numerically validated. The basis of all them is the same, to perform a transformation from the measurement surface to another domain where there is enough information to easily remove the contribution of the errors. The four errors analyzed are noise, reflections, truncation errors and leakage and the tools used to suppress them are mainly source reconstruction techniques, spatial and modal filtering and iterative algorithms to extrapolate functions. Therefore, the main idea of all the methods is to modify the classical near-field-to-far-field transformations by including additional steps with which errors can be greatly suppressed. Moreover, the proposed methods are not computationally complex and, because they are applied in post-processing, additional measurements are not required. The noise is the most widely studied error in this Thesis, proposing a total of three alternatives to filter out an important noise contribution before obtaining the far-field pattern. The first one is based on a modal filtering. The second alternative uses a source reconstruction technique to obtain the extreme near-field where it is possible to apply a spatial filtering. The last one is to back-propagate the measured field to a surface with the same geometry than the measurement surface but closer to the AUT and then to apply also a spatial filtering. All the alternatives are analyzed in the three most common near-field systems, including comprehensive noise statistical analyses in order to deduce the signal-to-noise ratio improvement achieved in each case. The method to suppress reflections in antenna measurements is also based on a source reconstruction technique and the main idea is to reconstruct the field over a surface larger than the antenna aperture in order to be able to identify and later suppress the virtual sources related to the reflective waves. The truncation error presents in the results obtained from planar, cylindrical and partial spherical near-field measurements is the third error analyzed in this Thesis. The method to reduce this error is based on an iterative algorithm to extrapolate the reliable region of the far-field pattern from the knowledge of the field distribution on the AUT plane. The proper termination point of this iterative algorithm as well as other critical aspects of the method are also studied. The last part of this work is dedicated to the detection and suppression of the two most common leakage sources in antenna measurements. A first method tries to estimate the leakage bias constant added by the receiver’s quadrature detector to every near-field data and then suppress its effect on the far-field pattern. The second method can be divided into two parts; the first one to find the position of the faulty component that radiates or receives unwanted radiation, making easier its identification within the measurement environment and its later substitution; and the second part of this method is able to computationally remove the leakage effect without requiring the substitution of the faulty component. Resumen Una tarea importante en el diseño de una antena es llevar a cabo un análisis para averiguar las características de la antena que mejor cumple las especificaciones fijadas por la aplicación. Después de esto, se fabrica un prototipo de la antena y el siguiente paso en el proceso de diseño es comprobar si el patrón de radiación difiere del diseñado. Además del patrón de radiación, otros parámetros de radiación como la directividad, la ganancia, impedancia, ancho de haz, eficiencia, polarización, etc. deben ser también evaluados. Para lograr este propósito, se necesitan técnicas de medida de antenas muy precisas con el fin de saber exactamente el comportamiento electromagnético real de la antena bajo prueba. Debido a esto, la mayoría de las medidas se realizan en cámaras anecoicas, que son áreas cerradas, normalmente revestidas, cubiertas con material absorbente electromagnético. Además, estas instalaciones se pueden emplear independientemente de las condiciones climatológicas y permiten realizar medidas libres de interferencias. A pesar de todas las ventajas de las cámaras anecoicas, los resultados obtenidos tanto en medidas en campo lejano como en medidas en campo próximo están inevitablemente afectados por errores. Así, el principal objetivo de esta Tesis es proponer algoritmos para mejorar la calidad de los resultados obtenidos en medida de antenas mediante el uso de técnicas de post-procesado. Primeramente, se ha realizado un profundo trabajo de revisión del estado del arte con el fin de dar una visión general de las posibilidades para caracterizar o reducir los efectos de errores en medida de antenas. Después, se han descrito y validado tanto teórica como numéricamente nuevos métodos para reducir el efecto indeseado de cuatro de los errores más comunes en medida de antenas. La base de todos ellos es la misma, realizar una transformación de la superficie de medida a otro dominio donde hay suficiente información para eliminar fácilmente la contribución de los errores. Los cuatro errores analizados son ruido, reflexiones, errores de truncamiento y leakage y las herramientas usadas para suprimirlos son principalmente técnicas de reconstrucción de fuentes, filtrado espacial y modal y algoritmos iterativos para extrapolar funciones. Por lo tanto, la principal idea de todos los métodos es modificar las transformaciones clásicas de campo cercano a campo lejano incluyendo pasos adicionales con los que los errores pueden ser enormemente suprimidos. Además, los métodos propuestos no son computacionalmente complejos y dado que se aplican en post-procesado, no se necesitan medidas adicionales. El ruido es el error más ampliamente estudiado en esta Tesis, proponiéndose un total de tres alternativas para filtrar una importante contribución de ruido antes de obtener el patrón de campo lejano. La primera está basada en un filtrado modal. La segunda alternativa usa una técnica de reconstrucción de fuentes para obtener el campo sobre el plano de la antena donde es posible aplicar un filtrado espacial. La última es propagar el campo medido a una superficie con la misma geometría que la superficie de medida pero más próxima a la antena y luego aplicar también un filtrado espacial. Todas las alternativas han sido analizadas en los sistemas de campo próximos más comunes, incluyendo detallados análisis estadísticos del ruido con el fin de deducir la mejora de la relación señal a ruido lograda en cada caso. El método para suprimir reflexiones en medida de antenas está también basado en una técnica de reconstrucción de fuentes y la principal idea es reconstruir el campo sobre una superficie mayor que la apertura de la antena con el fin de ser capaces de identificar y después suprimir fuentes virtuales relacionadas con las ondas reflejadas. El error de truncamiento que aparece en los resultados obtenidos a partir de medidas en un plano, cilindro o en la porción de una esfera es el tercer error analizado en esta Tesis. El método para reducir este error está basado en un algoritmo iterativo para extrapolar la región fiable del patrón de campo lejano a partir de información de la distribución del campo sobre el plano de la antena. Además, se ha estudiado el punto apropiado de terminación de este algoritmo iterativo así como otros aspectos críticos del método. La última parte de este trabajo está dedicado a la detección y supresión de dos de las fuentes de leakage más comunes en medida de antenas. El primer método intenta realizar una estimación de la constante de fuga del leakage añadido por el detector en cuadratura del receptor a todos los datos en campo próximo y después suprimir su efecto en el patrón de campo lejano. El segundo método se puede dividir en dos partes; la primera de ellas para encontrar la posición de elementos defectuosos que radian o reciben radiación indeseada, haciendo más fácil su identificación dentro del entorno de medida y su posterior substitución. La segunda parte del método es capaz de eliminar computacionalmente el efector del leakage sin necesidad de la substitución del elemento defectuoso.

Diseño, optimización y análisis de sistemas basados en técnicas láser, para el modelado geométrico, registro y documentación, aplicados a entidades de interés patrimonial.

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo e implementación de un sistema para mejorar la metodología de extracción de la información geométrica necesaria asociada a los procesos de documentación de entidades de interés patrimonial, a partir de la información proporcionada por el empleo de sensores láser, tanto aéreos como terrestres. Para ello, inicialmente se realiza una presentación y justificación de los antecedentes y la problemática en el registro de información geométrica para el patrimonio, detallando todos aquellos sistemas de registro y análisis de la información geométrica utilizados en la actualidad. Este análisis permitirá realizar la comparación con los sistemas de registro basados en técnicas láser, aportando sugerencias de utilización para cada caso concreto. Posteriormente, se detallan los sistemas de registro basados en técnicas láser, comenzando por los sensores aerotransportados y concluyendo con el análisis pormenorizado de los sensores terrestres, tanto en su aplicación en modo estático como móvil. Se exponen las características técnicas y funcionamiento de cada uno de ellos, así como los ámbitos de aplicación y productos generados. Se analizan las fuentes de error que determinan la precisión que puede alcanzar el sistema. Tras la exposición de las características de los sistemas LiDAR, se detallan los procesos a realizar con los datos extraídos para poder generar la información necesaria para los diferentes tipos de objetos analizados. En esta exposición, se hace hincapié en los posibles riesgos que pueden ocurrir en algunas fases delicadas y se analizarán los diferentes algoritmos de filtrado y clasificación de los puntos, fundamentales en el procesamiento de la información LiDAR. Seguidamente, se propone una alternativa para optimizar los modelos de procesamiento existentes, basándose en el desarrollo de algoritmos nuevos y herramientas informáticas que mejoran el rendimiento en la gestión de la información LiDAR. En la implementación, se han tenido en cuenta características y necesidades particulares de la documentación de entidades de interés patrimonial, así como los diferentes ámbitos de utilización del LiDAR, tanto aéreo como terrestre. El resultado es un organigrama de las tareas a realizar desde la nube de puntos LiDAR hasta el cálculo de los modelos digitales del terreno y de superficies. Para llevar a cabo esta propuesta, se han desarrollado hasta 19 algoritmos diferentes que comprenden implementaciones para el modelado en 2.5D y 3D, visualización, edición, filtrado y clasificación de datos LiDAR, incorporación de información de sensores pasivos y cálculo de mapas derivados, tanto raster como vectoriales, como pueden ser mapas de curvas de nivel y ortofotos. Finalmente, para dar validez y consistencia a los desarrollos propuestos, se han realizado ensayos en diferentes escenarios posibles en un proceso de documentación del patrimonio y que abarcan desde proyectos con sensores aerotransportados, proyectos con sensores terrestres estáticos a media y corta distancia, así como un proyecto con un sensor terrestre móvil. Estos ensayos han permitido definir los diferentes parámetros necesarios para el adecuado funcionamiento de los algoritmos propuestos. Asimismo, se han realizado pruebas objetivas expuestas por la ISPRS para la evaluación y comparación del funcionamiento de algoritmos de clasificación LiDAR. Estas pruebas han permitido extraer datos de rendimiento y efectividad del algoritmo de clasificación presentado, permitiendo su comparación con otros algoritmos de prestigio existentes. Los resultados obtenidos han constatado el funcionamiento satisfactorio de la herramienta. Esta tesis está enmarcada dentro del proyecto Consolider-Ingenio 2010: “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) realizado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad Politécnica de Madrid. ABSTRACT: The goal of this thesis is the design, development and implementation of a system to improve the extraction of useful geometric information in Heritage documentation processes. This system is based on information provided by laser sensors, both aerial and terrestrial. Firstly, a presentation of recording geometric information for Heritage processes is done. Then, a justification of the background and problems is done too. Here, current systems for recording and analyzing the geometric information are studied. This analysis will perform the comparison with the laser system techniques, providing suggestions of use for each specific case. Next, recording systems based on laser techniques are detailed. This study starts with airborne sensors and ends with terrestrial ones, both in static and mobile application. The technical characteristics and operation of each of them are described, as well as the areas of application and generated products. Error sources are also analyzed in order to know the precision this technology can achieve. Following the presentation of the LiDAR system characteristics, the processes to generate the required information for different types of scanned objects are described; the emphasis is on the potential risks that some steps can produce. Moreover different filtering and classification algorithms are analyzed, because of their main role in LiDAR processing. Then, an alternative to optimize existing processing models is proposed. It is based on the development of new algorithms and tools that improve the performance in LiDAR data management. In this implementation, characteristics and needs of the documentation of Heritage entities have been taken into account. Besides, different areas of use of LiDAR are considered, both air and terrestrial. The result is a flowchart of tasks from the LiDAR point cloud to the calculation of digital terrain models and digital surface models. Up to 19 different algorithms have been developed to implement this proposal. These algorithms include implementations for 2.5D and 3D modeling, viewing, editing, filtering and classification of LiDAR data, incorporating information from passive sensors and calculation of derived maps, both raster and vector, such as contour maps and orthophotos. Finally, in order to validate and give consistency to the proposed developments, tests in different cases have been executed. These tests have been selected to cover different possible scenarios in the Heritage documentation process. They include from projects with airborne sensors, static terrestrial sensors (medium and short distances) to mobile terrestrial sensor projects. These tests have helped to define the different parameters necessary for the appropriate functioning of the proposed algorithms. Furthermore, proposed tests from ISPRS have been tested. These tests have allowed evaluating the LiDAR classification algorithm performance and comparing it to others. Therefore, they have made feasible to obtain performance data and effectiveness of the developed classification algorithm. The results have confirmed the reliability of the tool. This investigation is framed within Consolider-Ingenio 2010 project titled “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) by Consejo Superior de Investigaciones Científicas and Universidad Politécnica de Madrid.

Modelo para la medición con máquinas de visión e iluminación episcópica mediante la aplicación de técnicas de resolución subpíxel y aproximación bayesiana

En esta tesis se desarrolla un modelo físico-matemático, original, que permite simular el comportamiento de las máquinas de visión, en particular las máquinas ópticas digitales, cuando reciben información a través de la luz reflejada por los mensurandos. El modelo desarrollado se lia aplicado para la determinación de los parámetros que intervienen en el proceso de caracterización de formas geométricas básicas, tales como líneas, círculos y elipses. También se analizan las fuentes de error que intervienen a lo largo de la cadena metrológica y se proponen modelos de estimación de las incertidumbres de medida a través un nuevo enfoque basado en estadística bayesiana y resolución subpíxel. La validez del modelo se ha comprobado por comparación de los resultados teóricos, obtenidos a partir de modelos virtuales y simulaciones informáticas, y los reales, obtenidos mediante la realización de medidas de diferentes mensurandos del ámbito electromecánico y de dimensiones submilimétricas. Utilizando el modelo propuesto, es posible caracterizar adecuadamente mensurandos a partir del filtrado, segmentación y tratamiento matemático de las imágenes. El estudio experimental y validación definitiva de los resultados se ha realizado en el Laboratorio de Metrología Dimensional de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Los modelos desarrollados se han implementado sobre imágenes obtenidas con la máquina de visión marca TESA, modelo VISIO 300. Abstract In this PhD Thesis an original mathematic-physic model has been developed. It allows simulating the behaviour of the vision measuring machines, in particular the optical digital machines, where they receive information through the light reflected by the measurands. The developed model has been applied to determine the parameters involved in the process of characterization of basic geometrical features such as lines, circles and ellipses. The error sources involved along the metrological chain also are analyzed and new models for estimating measurement uncertainties through a new approach based on Bayesian statistics and subpixel resolution are proposed. The validity of the model has been verified by comparing the theoretical results obtained from virtual models and computer simulations, with actual ones, obtained by measuring of various measurands belonging to the electromechanical field and of submillimeter dimensions. Using the proposed model, it is possible to properly characterize measurands from filtering, segmentation and mathematical processing of images. The experimental study and final validation of the results has been carried out in the "Laboratorio de Metrología Dimensional" (Dimensional Metrology Laboratory) at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) (School of Engineering and Industrial Design) at Universidad Politécnica de Madrid (UPM). The developed models have been implemented on images obtained with the vision measuring machine of the brand TESA, model VISIO 300.

Simulated systems optimization through response surface techniques [Optimización de sistemas simulados a través de técnicas de superficie de respuesta]

The purpose of this article is to show the applicability and benefits of the techniques of design of experiments as an optimization tool for discrete simulation models. The simulated systems are computational representations of real-life systems; its characteristics include a constant evolution that follows the occurrence of discrete events along the time. In this study, a production system, designed with the business philosophy JIT (Just in Time) is used, which seeks to achieve excellence in organizations through waste reduction in all the operational aspects. The most typical tool of JIT systems is the KANBAN production control that seeks to synchronize demand with flow of materials, minimize work in process, and define production metrics. Using experimental design techniques for stochastic optimization, the impact of the operational factors on the efficiency of the KANBAN / CONWIP simulation model is analyzed. The results show the effectiveness of the integration of experimental design techniques and discrete simulation models in the calculation of the operational parameters. Furthermore, the reliability of the methodologies found was improved with a new statistical consideration.

Composición florística, estado silvicultural, fitosanitario y consideraciones técnicas para el manejo del arbolado en los Parques Las Piedrecitas y Japonés de la ciudad de Managua

Con el objetivo de aportar conocimientos para el manejo eficiente del recurso arbóreo urbano público, se realizó el presente estudio en dos de los principales parques de Managua "Las Piedrecitas" y "Japonés" en este se presenta información sobre el estado actual del arbolado, como estado silvicultura! y fitosanitario al igual que conocer los gustos y preferencias de los usuarios en relación a la situación del estado del arbolado, por medio de la aplicación de un cuestionario. Para describir el arbolado y determinar su condición, se realizó el inventario de la vegetación y se tomaron algunos parámetros dasométricos. Obteniendo como resultados 466 árboles, agrupados en 24 familias y 50 especies arbóreas, de los cuales el 82% se consideran como regular, de porte bajo, con escaso desarrollo de la copa, fustes inclinados, la mayoría con presencia de daños mecánicos, quiebres de ramas y heridas en el fuste. En base a estas condiciones silviculturales y fitosanitarias, se formularon algunas propuestas técnicas para el cuido y manejo estético de los árboles presentes en el parque, lo cual traerá beneficios ambientales como por ejemplo, reducir la contaminación del aire y ruido, la modificación del microclima y un realce del paisaje con impactos positivos en la psique humana, además de beneficios sociales y económicos a los usuarios de la zona, haciendo del ambiente un lugar más agradable, placentero para disfrutar, y utilizar el tiempo libre; generando a la vez fuentes de empleo, así como permitirá el desarrollo de una ciudad más verde, propiciando mínimos impactos negativos al ambiente urbano.

Evaluación del uso y manejo de las técnicas impulsadas por PRODES (Proyecto de Desarrollo Rural) en crianza de gallinas de patio en el municipio de Nueva Guinea, Nicaragua

El presente trabajo se realizó en el municipio de Nueva Guinea, departamento de la Región Autónoma Atlántico Sur (RAAS). Los objetivos fueron: Evaluar el nivel de adopción de las técnicas impulsadas por el Proyecto de Desarrollo Rural (PRODES), tales como; uso y manejo de las técnicas de alimentación; sanidad animal; e infraestructura, en la crianza de gallinas de patio. Determinar el aporte de la familia. Identificar los mecanismos de difusión de tecnología más utilizados en dicho proyecto. El trabajo contempló las siguientes fases: coordinación con PRODES, Definición del grupo de evaluación y tamaño de la muestra (27% de los productores, equivalente a 200 encuestas). Muestreo aleatorio con los productores beneficiarios del proyecto (fincas de referencia y miembros de grupo). La encuesta contenía los siguientes componentes: información general del productor, Inventario de aves, Alimentación, Salud, Infraestructura y, Difusión de tecnologías. Las variables se clasificaron en cualitativas, referidas al uso o no uso de las técnicas. Dichas variables fueron: uso de lombrices de tierra en la alimentación, uso de concentrados caseros, uso de minerales y, uso de pastoreo en las aves. Variables medidas mediante la cuantificación del número de productores que utilizaron las diferentes tecnologías en relación con la muestra, expresadas en porcentajes. El manejo de la tecnología de alimentación, se evaluó a través de: Frecuencias de uso de concentrado casero, y/o de minerales, tipos de ingredientes y de minerales. El componente salud consideró las variables; usos de desparasitantes, vitaminas, vacunas (Newcastle y, Viruela aviar). El manejo de tecnología en salud se evaluó mediante: Frecuencias de uso de desparasitantes, y/o vitaminas, frecuencia de vacunación (Newcastle y Viruela aviar), tipos de desparasitantes y de vitaminas. El componente de infraestructura referido al gallinero consideró: uso de gallinero, de cercas en gallinero y, de caseta. El manejo de tecnologías incluyó las variables: tipos de materiales usados en las cercas y de casetas. El componente difusión de tecnología, se evaluó mediante el número de aves prestadas, regaladas o vendidas, entre los productores, el componente participación de género cuantificó los miembro de la familia que participan en la crianza, expresadas en porcentajes. Las variables cuantitativas contemplaron el inventario del hato. El nivel de uso y manejo de las diferentes tecnologías, se analizó a través de frecuencias que permitieron medir el número de veces de ocurrencia de un suceso. Los resultados muestran que hubo un alto nivel de uso de concentrados caseros, desparasitantes, vacunas contra Newcastle y uso de infraestructura, no así, en cuanto al uso del pastoreo, minerales, vitaminas y vacuna (Viruela aviar). Con relación al manejo, se observaron deficiencias en la frecuencia de uso recomendadas por el proyecto. Las encuestas revelaron de forma significativa, la participación de la mujer. De los mecanismos de difusión de estas tecnologías el más común fue el regalo de huevo.

Determinación de la actividad radicular del Lima tahiti citrus aurantifolia (christm,) swing, mediante la variación de almacenamiento del agua del suelo, utilizando técnicas nucleares

Con el objetivo de determinar la actividad radicular y el patrón de distribución de las raíces activas del lima Tahití Citrus aurantifolia (Christm.) Swing., mediante la variación de almacenamiento de agua del suelo utilizando técnicas nucleares, se condujo un experimento en la finca San Bernardo, municipio de Masatepe, Departamento de Masaya. Se escogieron plantas de la misma edad, pureza varietal, características vegetativas uniformes y se establecieron en cada unidad experimental 4 tratamientos (50, 100, 150,200 cm de distancia del tronco), por 2 repeticiones para un total de 16 observaciones y se cubrió con plástico de polietileno negro en un área de 19.63 m2 que corresponde a un circulo de radio igual a 250 cm del tronco a cada árbol. En la época seca se tomaron lecturas, y la información obtenida y analizada permite concluir que en árboles de limón Tahití de 6 años de edad, y en las condiciones edafoclimáticas y de manejo del cultivo en que se llevó el experimento, presenta su actividad radicular directamente proporcional a las distancias horizontales del tronco del árbol, mediante el consumo total de agua en el volumen de suelo (O - 90 cm de profundidad), y a la vez directamente proporcional cada 30 cm de profundidad para un perfil de suelo de (O - 90 cm de profundidad), lo que indica presencia de un sistema radicular extenso y profundo.

Evaluación agronómica de cuatro variedades de tomate Lycopersicon esculentum (Mill) con dos técnicas diferentes para el manejo del complejo mosca blanca Bemisia tabaci (Genn) y Geminivirus

Con el objetivo de evaluar la adaptabilidad y rendimiento de Cuatro variedades de tomate Lycopersicum esculentum, en Santa Lucía municipio del departamento de Boaco. Se establecieron dos parcelas, una MIP y otra tradicional en la finca de los productores Holmán bravo y Miguel Álvarez. A cada parcela se le realizó diferente manejo técnico para el complejo mosca blanca Bemisia tabaci­ Geminivirus. Se evaluaron 4 variedades de tomate (UC-82, Peto-95, Río Grande y Pacesetter-502) y se tomaron los siguientes variables fitosanitarias: fluctuaciones de mosca blanca, incidencia de virosis e incidencia de gusanos de fruto, también se evaluaron algunas variables agronómicas para conocer la adaptabilidad de las variables como: Número de racimos florales por planta, altura del primer racimo floral, número de racimos frutales y diámetro horizontal y vertical del fruto.La incidencia de mosca blanca en semillero fue mínima y no alcanzó el nivel de aplicación (10 moscas blancas en 50 plantas) y rolo se encontró un máximo de 9 insectos en el semillero tradicional que fue donde se encontró más. Pero después del trasplante las fluctuaciones aumentaron tanto en la parcela MIP como tradicional y a partir de los 17 días después del trasplante las fluctuaciones superaron el nivel de aplicación (12 moscas blancas en 30 plantas) y así se mantuvieron en todo el periodo del ensayo. Las fluctuaciones de gusanos de fruto fueron bajas y no alcanzaron el nivel de aplicación en la parcela MIP, en la parcela tradicional a los 39 DDT alcanzaron el nivel de aplicación. Las variables agronómicas evaluadas en la parcela MIP, superaron a las de la parcela tradicional exceptuando el número de racimos frutales por planta y en el diámetro horizontal del fruto de la variedad Río Grande que fueron superiores en la parcela tradicional; se obtuvo mayor rendimiento en las cuatro variedades en la parcela MIP que en la parcela tradicional y la variedad UC-82 Y Río Grande presentaron el mayor rendimiento en comparación con las otras variedades evaluadas en las dos parcelas. Las condiciones climáticas presentes durante el ensayo fueron favorables para la adaptabilidad de las variedades. El análisis económico muestra un mayor ingreso neto para las variedades evaluadas en la parcela MIP, y que la variedad RIO GRANDE Género el mayor ingreso neto en las 2 parcelas.

Comportamiento en condiciones de Masaya de plantas de quequisque (Xanthosoma sagittifolium (L) Schott), cultivar Masaya, obtenidas de tres técnicas de propagación

El objetivo del presente estudio fue de evaluar el comportamiento morfológico, fenológico y de rendimiento; la presencia de enfermedades virales, fungosas y bacterianas; y sus efectos sobre el rendimiento en plantas obtenidas a través de tres técnicas de reproducción asexual (CRAS, convencional e in vitro), en condiciones de Masaya. Se utilizó el diseño de bloques completos al azar (BCA), con 4 bloques de 3 tratamientos cada uno. El área de cada bloque fue de 60 m2 El de la parcela 20m2 para un área total del experimento de 312m2• Cada parcela estuvo conformada por 4 surcos de S m, con 10 plantas/surco, 40 plantas por parcela, 120 plantas por bloque y 480 plantas totales. La distancia de siembra fue de 0.5 m entre plantas y 1.0 m entre surcos. El ANDEVA realizado a la variables morfológicas demuestra que las plantas CRAS fueron casi siempre los estadísticamente mejores, seguido de la plantas CONV y en última instancia las plantas de cultivo de tejidos; a excepción de la variable número de hijos donde las vitroplantas fueron superior estadísticamente que las plantas propagadas por las otras técnicas. EÍ análisis de los componentes del rendimiento revela que las vitroplantas produjeron valores de número de cormelos y peso de cormelos/planta (96.42 qq/mz) estadísticamente superiores a lo reportado por las plantas CRAS (66.40 qq/mz) y CONV (41.93 qq/mz). En los componentes peso promedio por cormelo y dimensión de los cormelos las plantas convencionales y CRAS resultaron similares entre sí, pero superiores estadísticamente a la plantas obtenidas en el laboratorio. El ahijamiento es claramente favorable a las plantas de cultivo de tejidos, causado posiblemente por las porciones remanentes de reguladores de crecimiento que permanecieron en la células de plantas sometidas a las condiciones de laboratorio. Hubo tendencia a disminuir los valores de la variables grosor del seudotallo, número de hojas y área foliar en las vitroplantas a partir de los 180 dds, unido al hecho que los cormelos de estas plantas presentaron raíces y las yemas apicales y axilares brotadas al momento de cosecha, lo que señala la precocidad de las plantas in vitro con relación a las plantas originadas de las otras técnicas. El primer test de ELISA sobre las muestras de hojas de plantas que• presentaban los síntomas de la presencia del DMV, demostró que el98% de las plantas con sintomas presentaban el DMV en su estructura. El segundo test de ELISA realizado sobre plantas escogidas al azar señala que el 100% de las plantas muestreadas contenían el virus. Las plantas CONV e in vitro ubicadas en la parcela útil no presentaron diferencias infectadas en cuanto a los componentes del rendimiento. Las plantas in vitro independiente que presenten infección o no registraron mayor número de cormelos y peso de cormelos/planta. En el peso promedio de cormelo las plantas CONV­ PU fueron superiores a las plantas CONV infectadas e in vitro en sus dos variantes. Las plantas CONV infectadas produjeron los cormelos con dimensiones superiores a los datos registrados por las plantas CONV-PU, in vitro PU e infectadas . Los dos conteos visuales realizados a las plantas con síntomas de la presencia de la bacteria Xanthomona campestris y el hongo Collectrotrichum gloesporoides (Penz) a los 180 y 270 dds indica escasa presencia en el ensayo.

Comportamiento de dos cultivares clonales de quequisque (Xanthosoma sagittifolium (L) Schott) obtenidas a través de dos técnicas de propagación, establecidas en condiciones de Yolaina, municipio de Nueva Guinea

El objetivo del presente estudio fue evaluar el comportamiento agronómico de plantas de dos cultivares clonales de quequisque (Masaya y Nueva Guinea) propagados a través de dos técnicas de propagación, (CRAS y convencional), y establecidas en condiciones de Yolaina, Nueva Guinea. Se utilizó el esquema del diseño BCA con tres bloques y cuatro tratamientos por bloque. La parcela se conformó de cuatro surcos con 12 plantas cada uno, a distancia de 0.8 m entre surco y 0.6 entre plantas, 48 plantas por parcela de las que se evaluaron 20 plantas en los surcos centrales (parcela útil). El ANDEVA de las variables morfológicas indicó que no hubo diferencias estadísticas entre los genotipos y entre las combinaciones genotipo-técnica a excepción del número de hijos, en la mayoría de las variables morfológicas, y fechas de evaluación, se registraron diferencias estadísticas a favor de las plantas-CRAS independientes del genotipo. El análisis de los componentes del rendimiento indica que no se reportaron diferencias significativas entre los genotipos y las interacciones genotipo-ambiente. En el caso de las técnicas hubo diferencias estadísticas en el número de cormelos por planta a favor de las plantas-CRAS (5.43) en las relaciones a las plantas CONV (3.56). Por el contrario en el peso promedio de cormelo las diferencias favorecieron a las plantas-CONV (116.51 g) muy distantes de los 84.49 g reportados por las plantas-CRAS. La combinación Masaya-CRAS obtuvo el mejor rendimiento con 244.36 qq/mz (11,107.35 kg/ha) y la de menor rendimiento la Masaya-CONV con 170.90 qq/mz (7,768.15 kg/ha). Los síntomas del DMV fueron evidentes en las plantas de todos los tratamientos, registrándose valores similares entre los genotipos, pero muy disímiles entre las técnicas, donde las plantas propagadas convencionalmente registraron los mayores porcentajes. Las plantas-CRAS en ambos genotipo presentaron los más bajos valores. El porcentaje de plantas afectadas por la lesión foliar marginal fue superior en el cultivar Nueva Guinea, aún en combinación con las técnicas. Las afectaciones con esta bacteria iae no se registraron en las plantas-CRAS. El genotipo Nueva Guinea en combinación con las dos técnicas registró mayor porcentaje de ralees y yemas brotadas en los cormelos al momento de cosecha, lo que sugiere precocidad de este genotipo. Las técnicas CRAS y CONV reportaron similares resultados