La present tesi doctoral correspon a l'estudi i optimització energètica d'una casa solar i bioclimàtica situada en una zona amb clima alpí, on la temperatura mínima exterior és de -12ºC. Es tracta d'un habitatge unifamiliar, situat a la població d'Engordany, al Principat d'Andorra, a 1260 metres sobre el nivell del mar.L'habitatge es va construir els anys 1999 - 2000 amb tots els critèris de sostenibilitat del moment, i s'ha habitat des de llavors.Es tracta d'un edifici solar passiu i actiu, amb col·lectors solars d'aire calent per calefacció i un sistema de terra radiant elèctric de recolzament. No te sistema de refrigeració a l'estiu ja que el propi comportament passiu i el control domòtic de les persianes en funció de la temperatura interior i de la insolació fan que no sigui necessari. La producció d'aigua calenta es fa també amb un sistema solar. S'ha tingut especial sensibilitat en la integració arquitectònica de tots aquests col·lectors.Els càlculs pel disseny passiu de l'edifici s'han fet per simulació tèrmica hora per hora de tot un any amb dades climatològiques reals de la zona.La casa té un sistema domòtic de control, que recull els paràmetres de temperatures internes i externes, funcionament de persianes, equips, enllumenat, etc. Aquestes dades són les que s'han analitzat en la present tesi doctoral per tal d'extreure'n conclusions.S'ha completat amb un estudi termogràfic fet a l'hivern, per tal de veure on hi ha pèrdues tèrmiques, confirmant els resultats de l'estudi teòric.El comportament tèrmic tant a l'estiu com a l'hivern és d'una estabilitat de temperatura interna molt gran, tot i que només funciona la calefacció en hores nocturnes (utilitza tarifa elèctrica nocturna), el que dona un confort elevat.El resultat mesurat realment dóna un consum de calefacció en línia amb l'etiqueta energètica A, de 28,8 kWh/m2·any, que traduït en termes econòmics correspon a 1,35 /m2·any (dades reals hivern 2007-08).La tesi doctoral posa en relleu els punts energèticament millorables, com són sobretot la perfileria de les finestres i les caixes de persiana.Els bons resultats de la casa ens han animat a fer un software de simulació tèrmica d'edificis que faciliti aquesta tasca, per que deixi de ser un treball excepcional per convertir-se en habitual, amb un cost d'enginyeria raonable. Aquest programari es diu www.bioclim.com. / La presente tesis doctoral, corresponde al estudio y optimización energética de una casa solar i bioclimática construida en una zona alpina con temperaturas exteriores de -12ºC. Se trata de una vivienda unifamiliar, situada en la población de Engordany, en el Principado de Andorra, a 1260 metros sobre el nivel del mar.La vivienda se construyó entre los años 1999 y 2000 con todos los criterios de sostenibilidad y ha estada habitada desde entonces.Es una casa solar pasiva y activa, con paneles solares de aire caliente para calefacción y un sistema de suelo radiante eléctrico de apoyo. No tiene sistema de refrigeración para el verano ya que el propio comportamiento pasivo y el control domótico de la persianas en función de la temperatura interior e insolación lo hace innecesario. La producción de agua caliente se hace también a través de energía solar. Se tuvo especial interés en la integración arquitectónica de todos los colectores solares.Los cálculos para el diseño pasivo de la casa se han hecho por simulación térmica hora por hora de todo un año, utilizando datos climatológicos reales de la zona.Dispone de un sistema domótico de control que además recoge los valores de todos los parámetros utilizados de temperaturas internas y externas, funcionamiento de persianas y equipos, iluminación, etc. Estos datos son los que se han utilizado y explotado para realizar la presente tesis doctoral y sacar las debidas conclusiones.Se completó con un estudio termográfico en invierno, que confirma los resultados del estudio teórico.El comportamiento térmico tanto en verano como en invierno es de una estabilidad de la temperatura interna muy grande, teniendo en cuenta que la calefacción solo funciona en horas nocturnas (usa tarifa eléctrica horaria), cosa que da un elevado confort.El resultado según mediciones reales, da un consumo de calefacción en línea con los edificios de etiqueta energética A, de 28,8 kWh/m2·año, que en términos económicos representa 1,35 /m2·año (datos reales del invierno 2007-08).La tesis doctoral pone en relieve los puntos mejorables energéticamente, como son sobretodo los perfiles de las ventanas y las cajas de persiana.Los buenos resultados de la casa nos animaron a desarrollar un software de simulación térmica de edificios, www.bioclim.com, que facilite el trabajo, con el objetivo que deje de ser una tarea excepcional para convertirse en habitual con costos de ingeniería reducidos. / This doctorate thesis is a study of getting the best out and improving of a bioclimatic, solar energy house situated in a mountain climate where the minimum outside temperature is -12ºC. It's a house situated in village called Engordany, in the Principality of Andorra, 1260 metres above the sea-level.The house was built between 1999 and 2000 with all the criterion of self maintenance available at the time and has been lived in ever since.It is a solar building that is both active and passive, with hot air collectors and a backup system of under floor heating in the form of electric wiring. In the summer, a cooling system in the form of air conditioning is totally unnecessary due to the passive action of the system. External blinds acting as shutters are automatically controlled according to sunshine and interior temperatures. The hot water production is also made by solar energy.Special care has been taken in the architectural integration of all this energy collectors.The research contributing to the passive design of the building was to use actual climatological information of the area to create a simulation of the hourly heat gains and losses during a whole year.Finalised with a thermografic study to discover where the heat losses are found, confirming the results of the theoretical study.The house has domòtic control which measures and collect internal and external temperatures, works blinds, shutters, control all electrical devicesand lighting, .These are the facts that have been analyzed in this doctoral thesis to come to the following conclusions.The thermal performance both in summer and winter means that even though the traditional heating system only works during the night hours (using the nocturnal electricity rates), the stability of the temperature interior is enormous and of great comfort.The results taken are in line with the A Energetic Label, with a consumption of 28,8 kWh/m2 a year, converted into economic terms means 1,35 per m2 a year, real figures from winter 2007-08.This doctorate thesis reveals where improvements can be made to save energy, especially windows frames and shutters (boxes of shutters).The positive results from the house have encouraged us to make software to simulate thermal buildings which make this task easier. It will no longer be an exceptional task but a usual one without the high engineering costs.This software is called www.bioclim.com. / La présente thèse doctorale correspond a l'étude d'optimisation énergétique d'une maison solaire et bioclimatique située dans une zone de climat alpin, où la température minimale extérieure est de -12ºC. Il s'agit d'une maison individuelle, située à la ville d'Engordany, dans la Principauté d'Andorre, à 1260 mètres d'altitude.La maison a été construite dans les années 1999-2000 avec tous les critères de durabilité du moment. Depuis, elle est habitée.Il s'agit d'un bâtiment solaire passif et actif, avec des collecteurs solaires d'air chaud pour chauffage et un système de plancher chauffant électrique à l'appui.A l'été, il n'y a pas de système de réfrigération puisque le propre comportement passif et le contrôle domotique des persiennes en fonction de la température intérieure et de l'insolation, font que cela ne soit pas nécessaire. La production d'eau chaude se fait aussi avec un système solaire. On a eu une sensibilité spéciale dans l'intégration architectonique de tous ces collecteurs.Les calculs pour la conception passive du bâtiment ont été faits par simulation thermique dynamique avec des données climatologiques réellesde la zone.La maison a un système domotique de contrôle, qui intègre: les températures internes et externes, le fonctionnement des persiennes, des équipes, de la mise en marche, etc. Ces données sont celles qui ont été analysées dans la thèse doctorale pour en tirer des conclusions.Il a été complété avec une étude thermographique, réalisée pendant l'hiver, pour repérer les déperditions thermiques, et confirmant les résultats de l'étude théorique.Le comportement thermique, aussi bien a l'été qu'à l'hiver, est caractérisé par une grande stabilité de température interne, faisant que le chauffage ne fonctionne que pendant des heures nocturnes (utilisation du tarif électrique nocturne), ce qui donne un confort élevé.Le résultat réellement mesuré donne une consommation de chauffage en ligne avec l'étiquette énergétique A, de 28,8 kWh/m2·année, ce qui transcrit en termes économiques correspond à 1,35 /m2·année (données réelles hiver 2007-08)La thèse doctorale met en relief les points énergétiques à améliorer, comme le sont surtout le bâti des fenêtres et les caissons d'enroulement. Les bons résultats de la maison nous ont encouragé à développer un logiciel de simulation thermique de bâtiment qui facilite cette tâche, afin qu'elle cesse d'être un travail exceptionnel pour devenir habituel, sans un coût d'ingénierie élevé. Le logiciel s'appelle www.bioclim.com.

The obstacle avoidance navigation problem for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is a very challenging problem. It lies at the intersection of many fields such as probability, differential geometry, optimal control, and robotics. We build a mathematical framework to solve this problem for quadrotors using both a theoretical approach through a Hamiltonian system and a machine learning approach that learns from human sub-experts' multiple demonstrations in obstacle avoidance. Prior research on the machine learning approach uses an algorithm that does not incorporate geometry. We have developed tools to solve and test the obstacle avoidance problem through mathematics.

No description available.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor es pot realitzar, prèvia petició, a l'Arxiu de la UPC / Increasing global energy demand, growing carbon emissions and the depletion of fossil fuel sources are some of the most important driving forces for the development of sustainable energy solutions. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have been demonstrated to be a potential candidate for clean energy conversion in a wide range of applications reaching from highly dynamic transportation systems to stationary systems. Despite their benefits, such as high efficiency and wide operating range, PEM fuel cells must still meet or exceed the technological advantages, such as durability and cost, of conventional power systems in order to be truly competitive. Thus, current research is focused on improving these aspects. This doctoral thesis combines experimental and model-based studies in order to improve performance and durability of PEM fuel cells, that work without external humidification, as demanded by recent government-supported research programs. Improved performance and durability can be obtained by proper system control. The key factor for the development of successful control strategies is adequate thermal and water management considering their interconnections. Therefore, this work investigates the important links between performance, efficiency and lifetime with respect to fuel cell temperature and humidification. The experimental evaluation of temperature-related and purge-related effects shows the great potential of improving the system performance by proper thermal management. In-situ and ex-situ experiments, such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), gas chromatography (GC), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were utilized in order to explore short-term and long-term effects of operation modes on performance and durability. To provide a better understanding of the experimentally observed phenomena and their different dynamics with respect to the development of efficient controllers, mathematical models have been derived. The dynamic models allow for relating electrode structure to the cell voltage transient behavior during changes in fuel cell temperature and humidification, including important phase change and ionomer sorption dynamics of water. The experimentally validated, model-based analysis provides recommendations of proper operating conditions and catalyst structure, such as optimal fuel cell temperature and adequate pore-size-distribution, in order to improve the PEM fuel cell performance. The modular character and inherent adaptability of the models has been successfully demonstrated in the study of water transport in a high temperature PEM fuel cell stack. It is shown how mathematical modeling can improve the interpretation of experimental results and provide insight into experimentally non-observable interactions. In conclusion, the presented laboratory and model-based work, including the developed experimental and mathematical tools, contribute to current international research targets for advancing sustainable energy solutions. / La creciente demanda mundial de energía, el crecimiento de las emisiones de dióxido de carbono y el agotamiento de las fuentes de combustible fósiles son algunos de los factores más importantes para el desarrollo de soluciones basadas en energies sostenibles. Las pilas de combustible de tipo Proton Exchange Membrane (PEM) han demostrado ser un candidato potencial para la conversión limpia de la energía en una extensa gama de aplicaciones, desde los sistemas de transporte altamente dinámicos hasta sistemas estacionarios. No obstante sus beneficios, tales como una alta eficiencia y un amplio rango de operación, las pilas de combustible PEM todavía deben cumplir o superar las ventajas tecnológicas de los sistemas de energía convencionales, como son su durabilidad y coste, con el fin de ser verdaderamente competitivas. Por lo tanto, la investigación actual se centra en la mejora de estos aspectos. Esta tesis doctoral combina estudios experimentales y estudios basados en modelos físicos con el fin de mejorar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible PEM que trabajan sin humidificación externa, tal y como exigen recientes programas de investigación apoyados por los gobiernos. La mejora del rendimiento y de la durabilidad se puede obtener por control apropiado del sistema. El factor clave para el desarrollo de estrategias de control exitosas es la gestión adecuada de la temperatura y del agua y sus interconexiones. Por lo tanto, este trabajo investiga los vínculos importantes entre el rendimiento, la eficiencia y la vida útil con respecto a la temperatura de la pila de combustible y su humidificación. La evaluación experimental de los efectos relacionados con la temperatura y las purgas de hidrógeno muestra el gran potencial para mejorar el rendimiento del sistema pila mediante una gestión térmica adecuada. En esta tesis se emplean experimentos in-situ y ex-situ, tales como la espectroscopía electroquímica de impedancia (EIS), la voltametría cíclica (CV), la cromatografía de gases (CG), la espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS), la difracción de rayos X (XRD) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) con el fin de explorar los efectos a corto plazo y a largo plazo de los modos de operación sobre el rendimiento y la durabilidad de una pila PEM. Para proporcionar una mejor comprensión de los fenómenos observados experimentalmente y sus diferentes dinámicas para el correcto desarrollo de controladores eficientes, se derivan modelos matemáticos dinámicos. Los modelos permiten relacionar la estructura de los electrodos con el comportamiento transitorio del voltaje durante los cambios de temperatura y de humidificación de la pila de combustible, incluyendo las dinámicas importantes del cambio de fase y de adsorción y desorción del agua. El análisis basado en modelos validados experimentalmente proporciona recomendaciones de las condiciones de funcionamiento y de la estructura del catalizador, tales como la temperatura óptima y la distribución de tamaño de poros apropiada, con el fin de mejorar el rendimiento de la pila de combustible PEM. El carácter modular y la adaptabilidad inherente de los modelos propuestos se demuestra con éxito en el estudio de transporte de agua en un stack de pilas de combustible PEM de alta temperatura. Se muestra como el modelado matemático puede mejorar la interpretación de los resultados experimentales y proporcionar información sobre las interacciones que experimentalmente no son observables. En conclusión, el trabajo de laboratorio y el basado en modelos que se presenta en esta tesis doctoral, incluyendo las herramientas experimentales y matemáticas desarrolladas, contribuyen a la consecución de los actuales objetivos internacionales de investigación que deben permitir aportar mejoras en las soluciones basadas en energías sostenibles.

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i CERN / The 4th of July 2012 was a milestone date in the history of physics of the last decades. The discovery of the Higgs boson at the ATLAS and CMS experiments thanks to the proton collisions delivered by the LHC not only has provided the missing piece of the Standard Model of particle physics, but most probably, it has opened the door to new physics that remains still hidden today. In order to go beyond in the understanding of the very deep laws of nature, new and more precise experiments are required. One of the alternatives that can unravel these mysteries is the $e^+e^-$ linear collider, being the CLIC~(Compact Linear Collider) and the ILC~(International Linear Collider) the two referents today. These two machines will collide bunches of electrons and positrons of the order of nanometers transverse size to ensure a high quantity of events during bunch crossing. To reach such small beam sizes, a very strong focusing of the beam is required by means of magnetic lenses. This strong focusing together with the fact that particles inside a bunch have slightly different energies from the nominal energy, makes that each particle is focalized into a different point. Effectively, this effect is translated into a beam size increase and it is called chromaticity. This effect must be corrected in order to reach an acceptable collision rate. The Final Focus System~(FFS) comprises the task to focalize the beam at the Interaction Point~(IP) and to correct chromaticity. There are two main concepts that carry out this task: the so called traditional or dedicated chromatic correction system and the local chromatic correction system. In this thesis both systems are compared in terms of luminosity performance and how the systems are affected when alignment errors are introduced in the different components of the FFS. We demonstrate that, at high energies, an optimized non-local FFS despite of being longer, is faster to tune and therefore, can deliver more integrated luminosity. The results of these studies have been published on Physical Review Special Topics Accelerators and Beams. The possibility of reducing the horizontal $\beta$-function for CLIC at 500 GeV center of mass energy has also been explored. This option would allow a luminosity increase or it would also allow to reduce the bunch charge while keeping the same luminosity. Finally, some studies concerning the optimization of the ILC FFS have been done, including the possibility of implementing the traveling focus scheme and the option of using the CLIC FFS lattice as ILC FFS has been considered showing the advantages / La data del 4 de Juliol del 2012 quedará marada per sempre a la història de la física com una de les més importants de les darreres dèades. El descobriment del bosó de Higgs als experiments ATLAS i CMS mitjançant col.lisions al LHC ha permés col.locar la peça que faltava al Model Estàndard de la física decpartícules però al seu torn, ha obert la porta o trobar nova física que encara avui roman desconeguda. Per tal d'anar més enllà en la comprensió de les lleis fonamentals de la natura, es requereixen experiments encara més precisos que els actuals. Una de les alternatives que podria desvetllar aquests misteris són els colisionadors lineals, entre els quals destaquen CLIC (Compat Linear Collider) i ILC (International Linear Collider). Aquestes futures màquines col.lisionaran dos feixos d'electrons i positrons agrupats en paquets del tamany del nanòmetre per tal de produir una quantitat molt gran de col.lisions per segon. Per tal d'assolir tamanys tan sumament petits, es requereix una forta focalització mitjançant camps magnètics. Però també degut a aquesta forta focalització, i degut a que les partícules de cada paquet tenen una energia que es desvia lleugerament de l'energia nominal, cadascuna d'aquestes partícules es focalitzacen un punt diferent al punt d'interacció. Aquest fet es tradueix en un increment efectiu del tamany del feix al punt de col.lisió. Aquest efecte, anomenat romaticitat, s'ha de corregir per tal de no reduir el nombre de col.lisions per sota del nivell acceptable. El sistema de focalitzaió final (FFS, de l'anglès Final Focus System) s'encarrega de crear aquesta forta focalització a la vegada que es corregeix la romatiitat del feix. Hi ha dos sistemes principals diferenciats que duen a terma aquesta tasca: l'anomenat sistema de correcció dedicat o tradicional i l'anomenat sistema de correcció local. En aquesta tesis es compara l'efectivitat de cada sistema per CLIC a 3 TeV i 500 GeV d'energia al entre de masses, en termes de luminositat i om es veuen afectats pels diferents errors associats a l'aliniació de tots els components que conformen el FFS. També s'explora l'opció de reduir la funció β horitzontal al punt d'interacció per a CLIC a 500 GeV d'energia al centre de masses. Aquesta opció permetria o bé augmentar la luminositat del sistema o bé reduir la càrrega del feix mantenint la mateixa luminositat. Finalment també es msotren alguns estudis d'optimització del FFS realitzats per ILC, incloent la possibilitat d'introduir un traveling focus mitjançant crab cavities i també es considera emprar el disseny del FFS de CLIC per a ILC i es comparen les avantatges i desavantatges d'ambdós sistemes.

All-Optical Label Swapping (AOLS) es una tecnología clave para la implementación de nodos de conmutación completamente óptica de paquetes. Sin embargo, el costo de su desarrollo es proporcional al tamaño del espacio de etiquetas (label space). Debido a que los principios de funcionamiento de AOLS son casos particulares de los del MultiProtocol Label Switching (MPLS), esta tesis estudia métodos generales, aplicables a ambos, con el propósito de reducir el espacio de etiquetas tanto como sea posible. Modelos de programación lineal entera y heurísticas son propuestos para el caso en el que se permite apilar una etiqueta extra. Encontramos que cerca del 50% del espacio de etiquetas puede ser reducido, si se permite colocar una etiqueta extra en la pila. Además, particularmente para AOLS, encontramos que se puede reducir el espacio de etiquetas cerca al 25% si se duplica la capacidad de los enlaces y se permite re-encaminar el tráfico. / All-Optical Label Swapping (AOLS) forms a key technology towards the implementation of All-Optical Packet Switching nodes for the future optical Internet. However, the capital expenditures of the deployment of AOLS increases with the size of the label spaces. Since AOLS working principle is a particular case of the MultiProtocol Label Switching (MPLS) protocol, this thesis studies generic methods, applicable to both, in order to reduce as much as possible the label space. ILP models and heuristics are proposed for the case in which it is allowed to stack one extra label. In general, we found that 50% of the label space can be saved, if it is permitted to push one extra label in the stack. For the case of AOLS, we found that we can reduce the label space down to 25% if we are allowed to double the link capacity and reroute the traffic.

Darrerament, l'interès pel desenvolupament d'aplicacions amb robots submarins autònoms (AUV) ha crescut de forma considerable. Els AUVs són atractius gràcies al seu tamany i el fet que no necessiten un operador humà per pilotar-los. Tot i això, és impossible comparar, en termes d'eficiència i flexibilitat, l'habilitat d'un pilot humà amb les escasses capacitats operatives que ofereixen els AUVs actuals. L'utilització de AUVs per cobrir grans àrees implica resoldre problemes complexos, especialment si es desitja que el nostre robot reaccioni en temps real a canvis sobtats en les condicions de treball. Per aquestes raons, el desenvolupament de sistemes de control autònom amb l'objectiu de millorar aquestes capacitats ha esdevingut una prioritat. Aquesta tesi tracta sobre el problema de la presa de decisions utilizant AUVs. El treball presentat es centra en l'estudi, disseny i aplicació de comportaments per a AUVs utilitzant tècniques d'aprenentatge per reforç (RL). La contribució principal d'aquesta tesi consisteix en l'aplicació de diverses tècniques de RL per tal de millorar l'autonomia dels robots submarins, amb l'objectiu final de demostrar la viabilitat d'aquests algoritmes per aprendre tasques submarines autònomes en temps real. En RL, el robot intenta maximitzar un reforç escalar obtingut com a conseqüència de la seva interacció amb l'entorn. L'objectiu és trobar una política òptima que relaciona tots els estats possibles amb les accions a executar per a cada estat que maximitzen la suma de reforços totals. Així, aquesta tesi investiga principalment dues tipologies d'algoritmes basats en RL: mètodes basats en funcions de valor (VF) i mètodes basats en el gradient (PG). Els resultats experimentals finals mostren el robot submarí Ictineu en una tasca autònoma real de seguiment de cables submarins. Per portar-la a terme, s'ha dissenyat un algoritme anomenat mètode d'Actor i Crític (AC), fruit de la fusió de mètodes VF amb tècniques de PG. / A considerable interest has arisen around Autonomous Underwater Vehicle (AUV) applications. AUVs are very useful because of their size and their independence from human operators. However, comparison with humans in terms of efficiency and flexibility is often unequal. The development of autonomous control systems able to deal with such issues becomes a priority. The use of AUVs for covering large unknown dynamic underwater areas is a very complex problem, mainly when the AUV is required to react in real time to unpredictable changes in the environment. This thesis is concerned with the field of AUVs and the problem of action-decision. The methodology chosen to solve this problem is Reinforcement Learning (RL). The work presented here focuses on the study and development of RL-based behaviors and their application to AUVs in real robotic tasks. The principal contribution of this thesis is the application of different RL techniques for autonomy improvement of an AUV, with the final purpose of demonstrating the feasibility of learning algorithms to help AUVs perform autonomous tasks. In RL, the robot tries to maximize a scalar evaluation obtained as a result of its interaction with the environment with the aim of finding an optimal policy to map the state of the environment to an action which in turn will maximize the accumulated future rewards. Thus, this dissertation is based on the principals of RL theory, surveying the two main classes of RL algorithms: Value Function (VF)-based methods and Policy Gradient (PG)-based techniques. A particular class of algorithms, Actor-Critic methods, born of the combination of PG algorithms with VF methods, is used for the final experimental results of this thesis: a real underwater task in which the underwater robot Ictineu AUV learns to perform an autonomous cable tracking task.

This thesis proposes a solution to the problem of estimating the motion of an Unmanned Underwater Vehicle (UUV). Our approach is based on the integration of the incremental measurements which are provided by a vision system. When the vehicle is close to the underwater terrain, it constructs a visual map (so called "mosaic") of the area where the mission takes place while, at the same time, it localizes itself on this map, following the Concurrent Mapping and Localization strategy. The proposed methodology to achieve this goal is based on a feature-based mosaicking algorithm. A down-looking camera is attached to the underwater vehicle. As the vehicle moves, a sequence of images of the sea-floor is acquired by the camera. For every image of the sequence, a set of characteristic features is detected by means of a corner detector. Then, their correspondences are found in the next image of the sequence. Solving the correspondence problem in an accurate and reliable way is a difficult task in computer vision. We consider different alternatives to solve this problem by introducing a detailed analysis of the textural characteristics of the image. This is done in two phases: first comparing different texture operators individually, and next selecting those that best characterize the point/matching pair and using them together to obtain a more robust characterization. Various alternatives are also studied to merge the information provided by the individual texture operators. Finally, the best approach in terms of robustness and efficiency is proposed.After the correspondences have been solved, for every pair of consecutive images we obtain a list of image features in the first image and their matchings in the next frame. Our aim is now to recover the apparent motion of the camera from these features. Although an accurate texture analysis is devoted to the matching pro-cedure, some false matches (known as outliers) could still appear among the right correspon-dences. For this reason, a robust estimation technique is used to estimate the planar transformation (homography) which explains the dominant motion of the image. Next, this homography is used to warp the processed image to the common mosaic frame, constructing a composite image formed by every frame of the sequence. With the aim of estimating the position of the vehicle as the mosaic is being constructed, the 3D motion of the vehicle can be computed from the measurements obtained by a sonar altimeter and the incremental motion computed from the homography.Unfortunately, as the mosaic increases in size, image local alignment errors increase the inaccuracies associated to the position of the vehicle. Occasionally, the trajectory described by the vehicle may cross over itself. In this situation new information is available, and the system can readjust the position estimates. Our proposal consists not only in localizing the vehicle, but also in readjusting the trajectory described by the vehicle when crossover information is obtained. This is achieved by implementing an Augmented State Kalman Filter (ASKF). Kalman filtering appears as an adequate framework to deal with position estimates and their associated covariances.Finally, some experimental results are shown. A laboratory setup has been used to analyze and evaluate the accuracy of the mosaicking system. This setup enables a quantitative measurement of the accumulated errors of the mosaics created in the lab. Then, the results obtained from real sea trials using the URIS underwater vehicle are shown.

La tesis se centra en la Visión por Computador y, más concretamente, en la segmentación de imágenes, la cual es una de las etapas básicas en el análisis de imágenes y consiste en la división de la imagen en un conjunto de regiones visualmente distintas y uniformes considerando su intensidad, color o textura.Se propone una estrategia basada en el uso complementario de la información de región y de frontera durante el proceso de segmentación, integración que permite paliar algunos de los problemas básicos de la segmentación tradicional. La información de frontera permite inicialmente identificar el número de regiones presentes en la imagen y colocar en el interior de cada una de ellas una semilla, con el objetivo de modelar estadísticamente las características de las regiones y definir de esta forma la información de región. Esta información, conjuntamente con la información de frontera, es utilizada en la definición de una función de energía que expresa las propiedades requeridas a la segmentación deseada: uniformidad en el interior de las regiones y contraste con las regiones vecinas en los límites. Un conjunto de regiones activas inician entonces su crecimiento, compitiendo por los píxeles de la imagen, con el objetivo de optimizar la función de energía o, en otras palabras, encontrar la segmentación que mejor se adecua a los requerimientos exprsados en dicha función. Finalmente, todo esta proceso ha sido considerado en una estructura piramidal, lo que nos permite refinar progresivamente el resultado de la segmentación y mejorar su coste computacional.La estrategia ha sido extendida al problema de segmentación de texturas, lo que implica algunas consideraciones básicas como el modelaje de las regiones a partir de un conjunto de características de textura y la extracción de la información de frontera cuando la textura es presente en la imagen.Finalmente, se ha llevado a cabo la extensión a la segmentación de imágenes teniendo en cuenta las propiedades de color y textura. En este sentido, el uso conjunto de técnicas no-paramétricas de estimación de la función de densidad para la descripción del color, y de características textuales basadas en la matriz de co-ocurrencia, ha sido propuesto para modelar adecuadamente y de forma completa las regiones de la imagen.La propuesta ha sido evaluada de forma objetiva y comparada con distintas técnicas de integración utilizando imágenes sintéticas. Además, se han incluido experimentos con imágenes reales con resultados muy positivos. / Image segmentation is an important research area in computer vision and many segmentation methods have been proposed. However, elemental segmentation techniques based on boundary or region approaches often fail to produce accurate segmentation results. Hence, in the last few years, there has been a tendency towards the integration of both techniques in order to improve the results by taking into account the complementary nature of such information. This thesis proposes a solution to the image segmentation integrating region and boundary information. Moreover, the method is extended to texture and colour texture segmentation.An exhaustive analysis of image segmentation techniques which integrate region and boundary information is carried out. Main strategies to perform the integration are identified and a classification of these approaches is proposed. Thus, the most relevant proposals are assorted and grouped in their corresponding approach. Moreover, characteristics of these strategies as well as the general lack of attention that is given to the texture is noted. The discussion of these aspects has been the origin of all the work evolved in this thesis, giving rise to two basic conclusions: first, the possibility of fusing several approaches to the integration of both information sources, and second, the necessity of a specific treatment for textured images.Next, an unsupervised segmentation strategy which integrates region and boundary information and incorporates three different approaches identified in the previous review is proposed. Specifically, the proposed image segmentation method combines the guidance of seed placement, the control of decision criterion and the boundary refinement approaches. The method is composed by two basic stages: initialisation and segmentation. Thus, in the first stage, the main contours of the image are used to identify the different regions present in the image and to adequately place a seed for each one in order to statistically model the region. Then, the segmentation stage is performed based on the active region model which allows us to take region and boundary information into account in order to segment the whole image. Specifically, regions start to shrink and expand guided by the optimisation of an energy function that ensures homogeneity properties inside regions and the presence of real edges at boundaries. Furthermore, with the aim of imitating the Human Vision System when a person is slowly approaching to a distant object, a pyramidal structure is considered. Hence, the method has been designed on a pyramidal representation which allows us to refine the region boundaries from a coarse to a fine resolution, and ensuring noise robustness as well as computation efficiency.The proposed segmentation strategy is then adapted to solve the problem of texture and colour texture segmentation. First, the proposed strategy is extended to texture segmentation which involves some considerations as the region modelling and the extraction of texture boundary information. Next, a method to integrate colour and textural properties is proposed, which is based on the use of texture descriptors and the estimation of colour behaviour by using non-parametric techniques of density estimation. Hence, the proposed strategy of segmentation is considered for the segmentation taking both colour and textural properties into account.Finally, the proposal of image segmentation strategy is objectively evaluated and then compared with some other relevant algorithms corresponding to the different strategies of region and boundary integration. Moreover, an evaluation of the segmentation results obtained on colour texture segmentation is performed. Furthermore, results on a wide set of real images are shown and discussed.

La visió és probablement el nostre sentit més dominant a partir del qual derivem la majoria d'informació del món que ens envolta. A través de la visió podem percebre com són les coses, on són i com es mouen. En les imatges que percebem amb el nostre sistema de visió podem extreure'n característiques com el color, la textura i la forma, i gràcies a aquesta informació som capaços de reconèixer objectes fins i tot quan s'observen sota unes condicions totalment diferents. Per exemple, som capaços de distingir un mateix objecte si l'observem des de diferents punts de vista, distància, condicions d'il·luminació, etc.La Visió per Computador intenta emular el sistema de visió humà mitjançant un sistema de captura d'imatges, un ordinador, i un conjunt de programes. L'objectiu desitjat no és altre que desenvolupar un sistema que pugui entendre una imatge d'una manera similar com ho realitzaria una persona. Aquesta tesi es centra en l'anàlisi de la textura per tal de realitzar el reconeixement de superfícies. La motivació principal és resoldre el problema de la classificació de superfícies texturades quan han estat capturades sota diferents condicions, com ara distància de la càmera o direcció de la il·luminació. D'aquesta forma s'aconsegueix reduir els errors de classificació provocats per aquests canvis en les condicions de captura.En aquest treball es presenta detalladament un sistema de reconeixement de textures que ens permet classificar imatges de diferents superfícies capturades en diferents condicions. El sistema proposat es basa en un model 3D de la superfície (que inclou informació de color i forma) obtingut mitjançant la tècnica coneguda com a 4-Source Colour Photometric Stereo (CPS). Aquesta informació és utilitzada posteriorment per un mètode de predicció de textures amb l'objectiu de generar noves imatges 2D de les textures sota unes noves condicions. Aquestes imatges virtuals que es generen seran la base del nostre sistema de reconeixement, ja que seran utilitzades com a models de referència per al nostre classificador de textures.El sistema de reconeixement proposat combina les Matrius de Co-ocurrència per a l'extracció de característiques de textura, amb la utilització del Classificador del veí més proper. Aquest classificador ens permet al mateix temps aproximar la direcció d'il·luminació present en les imatges que s'utilitzen per testejar el sistema de reconeixement. És a dir, serem capaços de predir l'angle d'il·luminació sota el qual han estat capturades les imatges de test. Els resultats obtinguts en els diferents experiments que s'han realitzat demostren la viabilitat del sistema de predicció de textures, així com del sistema de reconeixement. / This thesis is concerned with the application of texture analysis to discriminate between textured surfaces. The main motivation is the problem of classifying textured surfaces imaged under varying geometries, i.e. distance from the sensor and illumination direction, as well as the necessity of finding reliable methods of reducing classification errors caused by changes in the geometry's properties. In texture analysis one must distinguish between image texture and surface texture. Image texture is what appears in the 2D image of a physical object, while surface texture refers to the variation of the physical and geometric properties of the imaged surface which give rise to the image texture. Changes in the imaging geometry can significantly alter the appearance of the surface, implying significant variations in the image texture. And one still has to perform the task of recognition from the image texture. In this thesis, after analysing different strategies, we integrate the surface texture information derived by colour photometric stereo (CPS) into a complete model-based texture classification system. Photometric stereo is the technique which allows us to obtain surface texture information from a few images of the same surface imaged under various illumination directions. Basically, the main idea of our strategy consists of creating, by means of the surface texture information, a virtual' database of image textures against which we compare unknown test images in order to classify them. Note that we do not use the surface texture information directly to perform classification, but we use it to create new images which are the references for our training and classification process. Furthermore, the classification system allows us to guess the approximate direction of the illumination used to capture the test images.The proposed prediction methods, as well as the model-based texture classification system, are tested and evaluated. A set of real surface textures containing a wide variety of relatively smooth and very rough surfaces are used in this thesis as our image database.