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.

El treball desenvolupat en aquesta tesi aprofundeix i aporta solucions innovadores en el camp orientat a tractar el problema de la correspondència en imatges subaquàtiques. En aquests entorns, el que realment complica les tasques de processat és la falta de contorns ben definits per culpa d'imatges esborronades; un fet aquest que es deu fonamentalment a il·luminació deficient o a la manca d'uniformitat dels sistemes d'il·luminació artificials. Els objectius aconseguits en aquesta tesi es poden remarcar en dues grans direccions. Per millorar l'algorisme d'estimació de moviment es va proposar un nou mètode que introdueix paràmetres de textura per rebutjar falses correspondències entre parells d'imatges. Un seguit d'assaigs efectuats en imatges submarines reals han estat portats a terme per seleccionar les estratègies més adients. Amb la finalitat d'aconseguir resultats en temps real, es proposa una innovadora arquitectura VLSI per la implementació d'algunes parts de l'algorisme d'estimació de moviment amb alt cost computacional. / Underwater robotics was the motivation of this work, even though computer vision and parallel VLSI architectures played the most important role. Due to their low cost, high-rate and high-resolution, vision based systems represent a good option to provide information about a vehicle position. The apparent motion of a camera mounted on an underwater vehicle can be estimated by correlating two successive frames of an image sequence. Lack of well-defined contours, as well as non-uniform illumination makes underwater scenes much more difficult to be processed than normal images. Therefore, methods frequently used in standard image processing must be modified and adapted to these particular conditions. A method based on texture characterisation of points to reject outliers from the image correspondence problem is proposed. On the other hand, a parallel implementation was used to speed-up parts of the motion estimation algorithm which have a computationally high load. A new VLSI architecture is proposed with the aim of achieving frame-rate performance.

Large scale image mosaicing methods are in great demand among scientists who study different aspects of the seabed, and have been fostered by impressive advances in the capabilities of underwater robots in gathering optical data from the seafloor. Cost and weight constraints mean that lowcost Remotely operated vehicles (ROVs) usually have a very limited number of sensors. When a low-cost robot carries out a seafloor survey using a down-looking camera, it usually follows a predetermined trajectory that provides several non time-consecutive overlapping image pairs. Finding these pairs (a process known as topology estimation) is indispensable to obtaining globally consistent mosaics and accurate trajectory estimates, which are necessary for a global view of the surveyed area, especially when optical sensors are the only data source. This thesis presents a set of consistent methods aimed at creating large area image mosaics from optical data obtained during surveys with low-cost underwater vehicles. First, a global alignment method developed within a Feature-based image mosaicing (FIM) framework, where nonlinear minimisation is substituted by two linear steps, is discussed. Then, a simple four-point mosaic rectifying method is proposed to reduce distortions that might occur due to lens distortions, error accumulation and the difficulties of optical imaging in an underwater medium. The topology estimation problem is addressed by means of an augmented state and extended Kalman filter combined framework, aimed at minimising the total number of matching attempts and simultaneously obtaining the best possible trajectory. Potential image pairs are predicted by taking into account the uncertainty in the trajectory. The contribution of matching an image pair is investigated using information theory principles. Lastly, a different solution to the topology estimation problem is proposed in a bundle adjustment framework. Innovative aspects include the use of fast image similarity criterion combined with a Minimum spanning tree (MST) solution, to obtain a tentative topology. This topology is improved by attempting image matching with the pairs for which there is the most overlap evidence. Unlike previous approaches for large-area mosaicing, our framework is able to deal naturally with cases where time-consecutive images cannot be matched successfully, such as completely unordered sets. Finally, the efficiency of the proposed methods is discussed and a comparison made with other state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets in underwater scenarios / Els mètodes de generació de mosaics de gran escala gaudeixen d’una gran demanda entre els científcs que estudien els diferents aspectes del fons submarí, afavorida pels impressionants avenços en les capacitats dels robots submarins per a l’obtenció de dades ptiques del fons. El cost i el pes constitueixen restriccions que impliquen que els vehicles operats remotament disposin habitualment d’un nombre limitat de sensors. Quan un robot de baix cost duu a terme una exploració del fons submarí utilitzant una càmera apuntant cap al terreny, aquest segueix habitualment una trajectòria que dóna com a resultat diverses parelles d’imatges amb superposició de manera sequencial. Trobar aquestes parelles (estimació de la topologia) és una tasca indispensable per a l’obtenció de mosaics globalment consistents així com una estimació de trajectòria precisa, necessària per disposar d’una visió global de la regió explorada, especialment en el cas en què els sensors òptics constitueixen la única font de dades. Aquesta tesi presenta un conjunt de mètodes robustos destinats a la creació de mosaics d’àrees de grans dimensions a partir de dades òptiques (imatges) obtingudes durant exploracions realitzades amb vehicles submarins de baix cost. En primer lloc, es presenta un mètode d’alineament global desenvolupat en el context de la generació de mosaics basat en característiques 2D, substituint una minimització no lineal per dues etapes lineals. Així mateix, es proposa un mètode simple de rectificació de mosaics basat en quatre punts per tal de reduir les distorsions que poden aparèixer a causa de la distorsió de les lents, l’acumulació d’errors i les dificultats d’adquisició d’imatges en el medi submarí. El problema de l’estimació de la topologia s’aborda mitjanant la combinació d’un estat augmentat amb un altre de Kalman estès, amb l’objectiu de minimitzar el nombre total d’intents de cerca de correspondències i obtenir simultàniament la millor trajectòria possible. La predicció de les parelles d’imatges potencials té en compte la incertesa de la trajectòria, i la contribució de l’obtenció de correspondències per a un parell d’imatges s’estudia d’acord amb principis de la teoria de la informació. Així mateix, el problema de l’estimació de la topologia és abordat en el context d’un alineament global. Les innovacions inclouen l’ús d’un criteri ràpid per a determinació de la similitud entre imatges combinat amb una solució basada en arbres d’expansió mínima, per tal d’obtenir una topologia provisional. Aquesta topologia és millorada mitjançant l’intent de cerca de correspondències entre parelles d’imatges amb major probabilitat de superposició. Contràriament al que succeïa en solucions prèvies per a la construcció de mosaics de grans àrees, el nostre entorn de treball és capaç de tractar amb casos en què imatges consecutives en el temps no han pogut ser relacionades satisfactòriament, com és el cas de conjunts d’imatges totalment desordenats. Finalment, es discuteix l’eficiència del mètode proposat i es compara amb altres solucions de l’estat de l’art, utilitzant una sèrie de conjunts de dades complexos en escenaris subaquàtics.

Esta tesis aborda el problema del diseño de sistemas multiantena, donde el caso más general corresponde a un canal multi-input-multi-output (MIMO) con un transmisor y un receptor con más de una antena. La ventaja de estos sistemas es que ofrecen un rendimiento mucho mejor que los de una única antena, tanto en términos de calidad en la transmisión como en capacidad entendida como número de usuarios a los que se les puede prestar servicio simultáneamente.El objetivo es diseñar conjuntamente el transmisor y el receptor, lo que depende directamente de la calidad y la cantidad de información del canal de la que se dispone. En esta tesis se analiza el impacto de dicha información en el diseño.Primero se ha estudiado un sistema MIMO de un único usuario usando la modulación orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) y asumiendo un conocimiento perfecto del canal en ambos extremos. La arquitectura propuesta se basa en conformación conjunta por portadora, calculándose los conformadores óptimos y proponiéndose diversas estrategias de distribución de potencia entre las portadoras con una baja complejidad. Se han analizado también las relaciones asintóticas de estas distribuciones de potencia con otras soluciones clásicas con mayor coste.El diseño anterior se ha extendido a sistemas MIMO multiusuario, donde todos los terminales en el escenario tienen más de una antena y la información del canal es perfecta. El objetivo es la minimización de la potencia total transmitida sujeto a restricciones de tasa de error máxima para cada enlace. El problema matemático obtenido es no convexo, por lo que estrategias clásicas basadas en algoritmos de gradiente o de optimización sucesiva pueden llevar a soluciones subóptimas. Como posible alternativa se ha propuesto la aplicación de simulated annealing, una potente herramienta heurística y estocástica que permite hallar el diseño global óptimo incluso cuando el problema es no convexo.Los errores en la información de canal disponible pueden empeorar el rendimiento del sistema si éstos no se tienen en cuenta explícitamente durante el diseño. La degradación del sistema MIMO-OFDM de un único usuario se ha estudiado en esta situación, obteniendo una expresión analítica de una cota superior de la máxima degradación relativa de la relación señal a ruido más interferencia.El rendimiento se puede mejorar usando técnicas robustas que tengan en cuenta la presencia de dichos errores. Existen dos aproximaciones clásicas: las Bayesianas y las maximin. En las soluciones Bayesianas el problema se formula estadísticamente, donde el objetivo es optimizar el valor medio de una función de rendimiento promediada sobre la estadística del canal real condicionado a su estimación. Por otro lado, los diseños maximin se caracterizan por optimizar el peor rendimiento para cualquier posible error en la información del canal dentro de una cierta región de incertidumbre que modela el conocimiento imperfecto del mismo.Se han mostrado dos ejemplos de diseños Bayesianos. Primero, una distribución de potencia en un sistema OFDM de una única antena que minimiza el valor medio de una cota superior de la tasa de error, y después un diseño de un transmisor multiantena con un banco de filtros que maximiza la relación señal a ruido media (SNR) o minimiza el error cuadrático medio.Finalmente, se ha obtenido el diseño robusto maximin de un sistema MIMO de un único usuario donde en el transmisor se combinan un código bloque ortogonal espacio-tiempo, una distribución de potencia y un banco de conformadores correspondientes a los modos espaciales del canal estimado. La distribución de potencia se ha diseñado acorde a una región de incertidumbre para el error en la estimación de canal de manera que se maximiza la peor SNR en dicha región. Posteriormente, este diseño se ha extendido al caso de modulaciones adaptativas y multiportadora, mostrando que el rendimiento es mejor que para los códigos bloque otrogonales y la conformación no robusta. / This Ph.D. dissertation addresses the design of multi-antenna systems, where the most general case corresponds to a transmitter and a receiver with more than one antenna, i.e., a multiple-input-multiple-output (MIMO) channel. The main advantage is that they can provide a much better performance than single-antenna systems, both in terms of transmission quality and system capacity, i.e., number of users that can be served simultaneously.The objective is to carry out a joint transmitter-receiver design, which depends directly on the quantity and the quality of the available channel state information (CSI). In this dissertation, the impact of the CSI on the design has been analyzed.First, a single-user MIMO communication system has been designed assuming the use of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation and according to a perfect CSI at both sides. The proposed architecture is based on a joint beamforming approach per carrier. The optimum beamvectors have been calculated and several power allocation strategies among the subcarriers have been derived. These power allocation solutions have been shown to be asymptotically related to other classical designs but with a much lower computational load.The previous design has been extended to multi-user communications, where the multi-antenna terminals in the scenario have a perfect CSI. The objective is the minimization of the total transmit power subject to maximum bit error rate (BER) constraints for each link. The mathematical optimization problem is non-convex and, therefore, classical solutions based on gradient search or alternate & maximize schemes may find a local suboptimum design. As a possible solution, the application of the simulated annealing technique has been proposed, a powerful stochastic optimization tool able to find the global optimum design even when the problem is non-convex.The errors in the available CSI may decrease importantly the system performance if they are not taken into account explicitly in the design. This degradation has been studied for the single-user MIMO-OFDM system. An analytical expression of an upper-bound on the maximum relative signal to noise plus interference ratio degradation has been found.The system performance can be improved when exploiting an imperfect CSI by using adequate robustness strategies. Two robust approaches have been proposed: the Bayesian and the maximin solutions. The Bayesian approach is a full statistical solution that optimizes the mean value of the performance function averaged over the statistics of the actual channel and the errors in the CSI. On the other hand, the maximin approach provides a design that optimizes the worst system performance for any possible error in a predefined uncertainty region.Two simple examples of Bayesian designs have been provided. First, a power allocation has been derived for an OFDM system with one transmit and one receive antenna minimizing the mean value of an upper-bound on the BER. Afterwards, a design of a multi-antenna transmitter with a bank of filters and a single-antenna receiver has been proposed, whose objective is either the maximization of the mean signal to noise ratio (SNR) or the minimization of the mean square error.Finally, a robust maximin design has been proposed for a single-user MIMO system, in which the transmitter is based on the combination of an orthogonal space time block code (OSTBC), a power allocation stage, and a set of beamformers coupling the transmission through the estimated channel eigenmodes. The power allocation has been found according to a channel estimate and an uncertainty region for the error in this estimate, so that the worst SNR for any error in the uncertainty region is maximized. This design has been then extended and applied to adaptive modulation schemes and multicarrier modulations, showing that the performance is much better than that achieved by a pure OSTBC solution or a non-robust beamforming scheme.

Esta tesis presenta tres diferentes experimentos de política utilizando estimaciones Bayesianas de modelos DSGE. En la primera parte, se quiere demostrar que una política fiscal contracíclica es un instrumento importante para la estabilidad macroeconómica. Este resultado es robusto a diferentes controles. En la segunda parte, se demuestra las variaciones de las estimaciones de los parámetros estructurales según la descomposición ciclo-tendencia, si en uno o en dos estadios. Resulta que con un procedimiento a dos estadios la volatilidad del PIB es explicada mayormente por shocks nominales, mientras que con un procedimiento a un estadio por un shock a la inversión. Se argumenta que el procedimiento a un estadio proporciona una estructura probabilística más coherente. La tercera parte de la tesis propone una manera de estimar los parámetros estructurales utilizando la información procedente de distintos filtros. Mientras que con un tipo de estimación con un único filtro el dinero tiene poca influencia en las fluctuaciones de medio plazo, con un sistema de múltiples filtros el dinero tiene un papel importante en la transmisión de los shocks. / This thesis examines three different policy experiments using Bayesian estimates of DSGE models. First, we show that countercyclical fiscal policies are important to smooth fluctuations and that this is true regardless of how we specify the fiscal rule and several details of the model. Second, we show that the sources of output volatility obtained from a cyclical DSGE model crucially depend on whether estimation is done sequentially or jointly. In fact, while with a two step procedure, where the trend is first removed, nominal shocks drive output volatility, investment shocks dominate when structural and trend parameters are estimated jointly. Finally, we examine the role of money for business cycle fluctuations with a single and a multiple filtering approach, where information provided by different filters is jointly used to estimate DSGE parameters. In the former case, money has a marginal role for output and inflation fluctuations, while in the latter case is important to transmit cyclical fluctuations.

The three chapters of this thesis investigate social aspects of judgment and decision making. Chapter One analyses the consequences of making decisions based on predictions of future well-being, and the conditions under which advice can improve these decisions. It shows that an interaction between errors in affective forecasts and the choice process leads to suboptimal decisions and disappointment, and establishes conditions under which advice reduces these effects. The second chapter investigates the boundaries of the result that eliciting more than one estimate from the same person and averaging these can lead to accuracy gains in judgment tasks. It reveals that the technique works only for specific kinds of questions, and people are reluctant to average their initial answers when asked for a final estimate. Finally, Chapter Three reviews experimental results regarding individual and small group behaviour in strategic decision tasks and provides a theoretical framework to analyse the observed differences. / Aquesta tesi investiga diferents aspectes socials de la presa de decisions. El primer capítol analitza les decisions preses en base a les prediccions del benestar futur, i en quines situacions els consells d’altres persones poden millorar aquestes decisions. Es mostra que una interacció entre el procés de l’elecció i les imperfeccions de les prediccions condueix a decisions subòptimes i a la decepció, i s’estableixen les condicions sota les quals els consells redueixen aquests efectes. El segon capítol investigaels casos en què les persones poden millorar les seves prediccions numèriques donant més d’una estimació i prenent-ne la mitjana. A base d’un experiment, es mostra que la tècnica funciona només amb determinats tipus de preguntes, i que les persones són averses a prendre mitjanes de les seves estimacions inicials quan es pregunta per una estimació final. L’últim capítol revisa els resultats experimentals referents a la presa de decisions estratègiques de la persona individual comparats amb els de la persona que forma part d’un grup reduït i proporciona un marc teòric en el que analitza les diferències que s’observen en el seu comportament

Els instruments musicals digitals es descomponen usualment en dues parts: la interfície d'usuari i el motor de síntesi. Tradicionalment la interfície d'usuari pren el nom de controlador musical. L'objectiu d'aquesta tesi és el disseny d'un interfície que permeti el control de la síntesi de sons instrumentals a partir de la veu cantada.Amb la present recerca, intentem relacionar la veu amb el so dels instruments musicals, tenint en compte tan la descripció del senyal de veu, com les corresponents estratègies de mapeig per un control adequat del sintetitzador.Proposem dos enfocaments diferents, d'una banda el control d'un sintetitzador de veu cantada, i d'altra banda el control de la síntesi de sons instrumentals. Per aquest últim, suggerim una representació del senyal de veu com a gests vocals, que inclou una sèrie d'algoritmes d'anàlisis de veu. A la vegada, per demostrar els resultats obtinguts, hem desenvolupat dos prototips a temps real. / Los instrumentos musicales digitales se pueden separar en dos componentes: el interfaz de usuario y el motor de sintesis. El interfaz de usuario se ha denominado tradicionalmente controlador musical. El objectivo de esta tesis es el diseño de un interfaz que permita el control de la sintesis de sonidos instrumentales a partir de la voz cantada.La presente investigación pretende relacionar las caracteristicas de la voz con el sonido de los instrumentos musicales, teniendo en cuenta la descripción de la señal de voz, como las correspondientes estrategias de mapeo para un control apropiado del sintetizador. Se proponen dos enfoques distintos, el control de un sintetizador de voz cantada, y el control de la sintesis de sonidos insturmentales. Para este último, se sugiere una representación de la señal de voz como gestos vocales, incluyendo varios algoritmos de analisis de voz. Los resultados obtenidos se demuestran con dos prototipos a tiempo real. / Digital musical instruments are usually decomposed in two main constituent parts: a user interface and a sound synthesis engine. The user interface is popularly referred as a musical controller, and its design is the primary objective of this dissertation. Under the title of singing-driven interfaces, we aim to design systems that allow controlling the synthesis of musical instruments sounds with the singing voice. This dissertation searches for the relationships between the voice and the sound of musical instruments by addressing both, the voice signal description, as well as the mapping strategies for a meaningful control of the synthesized sound. We propose two different approaches, one for controlling a singing voice synthesizer, and another for controlling the synthesis of instrumental sounds. For the latter, we suggest to represent voice signal as vocal gestures, contributing with several voice analysis methods.To demonstrate the obtained results, we developed two real-time prototypes.