Ingeniero Civil Eléctrico / En el ámbito de visión computacional, uno de los paradigmas más desafiantes es el de segmentación semántica. La dificultad de esta área de estudio radica en tener que identificar todo lo que se encuentra en la imagen de una escena, cosa que resulta particularmente complicada en entornos pequeños debido a la gran cantidad de oclusiones, cambios de iluminación e información ruidosa que rodean a éstos. En este trabajo de memoria se diseñó e implementó un sistema de visión capaz de detectar y etiquetar todos los objetos en una imagen tomada dentro de un entorno pequeño y cerrado. La idea es que este sistema no sólo utilice la información del posible objeto para etiquetarlo, sino que también sea capaz de usar la información de los objetos que lo rodean para optimizar dicho etiquetado y tomar una decisión final. Esto se conoce como aprendizaje estructurado y existen varias representaciones que son capaces de lidiar con el problema. Para este caso particular se utilizaron Modelos Gráficos Probabilísticos debido a su capacidad de abstraer problemas de visión como si fueran grafos. Este enfoque entregó la libertad de poder definir las relaciones entre componentes del grafo de la manera más conveniente, permitiendo darle mayor o menor importancia a las relaciones semánticas en función de parámetros arbitrarios. La principal contribución de este trabajo es la introducción de un Modelo Gráfico Probabilístico que puede ser fácilmente modificado para utilizar en problemas de segmentación semántica en general, cuyas implementaciones son difíciles de encontrar para un sistema de clasificación de entornos o son implementaciones muy específicas y poco modulares como para reutilizar en otro sistema. Se realizaron diversas pruebas de desempeño para evaluar y analizar la efectividad del modelo en términos de resultados de detección, tiempo de procesamiento e influencia de parámetros sobre el etiquetado de objetos. Para ello se utilizó la base de datos NYUD de la Universidad de Nueva York que contiene imágenes RGB-D tomadas con un sensor Microsoft Kinect que fue creada con la intención de entrenar robots. Los resultados son prometedores, entregando para todos los casos un aumento de detección con respecto al caso base, permitiendo confirmar la utilidad del modelo de inferencia utilizado. En base a esto se concluye que los modelos semánticos o contextuales son capaces de mejorar considerablemente la capacidad de detección de un sistema de visión, sin embargo el tiempo de procesamiento aún requiere trabajo para tener aplicaciones en tiempo real que es lo que se desea usualmente en el área de robótica.

[ES] El dolor lumbar es una afección común que afecta a casi el 70% de la población, representando una carga significativa para el sistema de atención médica. Esta tesis se centra en extraer conocimiento médico a partir de Imágenes de Resonancia Magnética (IRM) lumbar, relacionándolas con el dolor lumbar. A través de las técnicas de aprendizaje automático (Machine Learning), se procesan extensos conjuntos de datos de IRM lumbar para desarrollar algoritmos de segmentación semántica que identifican las estructuras en la columna vertebral. El objetivo principal es mejorar la comprensión de las causas del dolor lumbar y desarrollar modelos predictivos que respalden una toma de decisiones clínicas más precisa. Simultáneamente, se busca crear un repositorio público de imágenes de columna lumbar anonimizadas y datos poblacionales para facilitar la colaboración en la investigación en este campo. Los métodos propuestos en esta tesis se centran en el análisis preciso de IRM lumbar de pacientes con antecedentes de dolor lumbar en hospitales públicos de la Comunidad Valenciana, generando dos conjuntos de datos significativos. El primero, llamado "Massive Image Data Anatomy of the Spine" (MIDAS), contiene datos de alrededor de 23,688 pacientes, equivalente a unas 124,800 IRM lumbar. Estos datos fueron recopilados de 17 departamentos de salud y sometidos a diversas fases, que incluyen la aprobación de un comité ético, la de-identificación y corrección de metadatos DICOM, y la estandarización de protocolos de adquisición. Además, se implementó una estructura de archivos estandarizada llamada " Medical Imaging Data Structure" (MIDS) para garantizar la transparencia y reproducibilidad de los datos. Este conjunto de datos está disponible para descarga bajo solicitud en https://bimcv.cipf.es/bimcv-projects/midas- 2/. El segundo conjunto de datos se creó mediante la segmentación manual de 181 IRM lumbar, realizada por dos radiólogos expertos. El propósito de esta tarea fue asignar etiquetas de clase a cada píxel de las imágenes, donde las clases se definieron según elementos anatómicos como vértebras, discos intervertebrales, nervios, vasos sanguíneos y otros tejidos, cubriendo un total de 11 elementos diferentes de la columna vertebral. Estos datos se utilizaron para diseñar y entrenar variantes de arquitecturas de Redes Neuronales Convolucionales (Convolutional Neural Networks o CNN) para la tarea de segmentación automática de IRM lumbar. Como resultado de los experimentos, esta tesis hace hincapié en la importancia de recopilar y preprocesar datos de alta calidad, así como elegir estratégicamente arquitecturas de red y técnicas de aprendizaje profundo en la segmentación semántica de imágenes médicas. Presenta topologías de red efectivas que superan al modelo U-Net estándar y resalta la versatilidad de un solo modelo para segmentar imágenes de diferentes protocolos y vistas, simplificando el desarrollo de sistemas de procesamiento de imágenes médicas. En última instancia, esta tesis representa un viaje interdisciplinario desde la ingeniería hasta la medicina, destacando la innovación de aplicar métodos de ML para obtener conjuntos de datos médicos etiquetados a gran escala. Las futuras investigaciones se centran en mejorar el conjunto de datos y desarrollar herramientas de visión por computadora para detectar y clasificar patologías de la columna lumbar. Una vez validadas clínicamente, estas innovaciones podrían revolucionar el diagnóstico clínico y la toma de decisiones médicas basadas en evidencia en este campo. / [CA] El dolor lumbar és una afecció comuna que afecta a gairebé el 70% de la població, la qual cosa representa una càrrega significativa per al sistema d'atenció mèdica. Aquesta tesi se centra a extraure coneixement mèdic a partir d'Imatges de Ressonància Magnètica (IRM) lumbar, relacionant-les amb el dolor lumbar. Mitjançant tècniques d'aprenentatge automàtic ("Machine Learning", ML), es processen extensos conjunts de dades d'IRM lumbar per tal de desenvolupar algoritmes de segmentació semàntica que identifiquen les estructures a la columna vertebral. L'objectiu principal és millorar la comprensió de les causes del dolor lumbar i desenvolupar models predictius que donen suport a una presa de decisions clíniques més precisa. Simultàniament, es busca crear un repositori públic d'imatges de columna lumbar anonimitzades i dades poblacionals per facilitar la col·laboració en la recerca en aquest camp. Els mètodes proposats en aquesta tesi se centren en l'anàlisi precisa d'IRM lumbar de pacients amb antecedents de dolor lumbar en hospitals públics de la Comunitat Valenciana, generant dos conjunts de dades significatius. El primer, anomenat "Massive Image Data Anatomy of the Spine" (MIDAS), conté dades de vora 23.688 pacients, equivalent a unes 124.800 IRM lumbars. Aquestes dades van ser recopilades de 17 departaments de salut i sotmeses a diverses fases, que inclouen l'aprovació d'un comitè ètic, la desidentificació i correcció de metadades DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), i l'estandardització de protocols d'adquisició. A més, es va implementar una estructura d'arxius estandarditzada anomenada "Medical Imaging Data Structure" (MIDS) per tal de garantir la transparència i la reproducció de les dades. Aquest conjunt de dades està disponible per a descarregar sota sol·licitud a https://bimcv.cipf.es/bimcv-projects/midas-2/. El segon conjunt de dades es va crear mitjançant la segmentació manual de 181 IRM lumbars, realitzada per dos radiòlegs experts. El propòsit d'aquesta tasca va ser assignar etiquetes de classe a cada píxel de les imatges, classes que es van definir segons elements anatòmics com ara vèrtebres, discs intervertebrals, nervis, vasos sanguinis i altres teixits, tot cobrint un total d'11 elements diferents de la columna vertebral. Aquestes dades es van utilitzar per dissenyar i entrenar variants d'arquitectures de Xarxes Neuronals Convolucionals (Convolutional Neural Networks o CNN) per a la tasca de segmentació automàtica d'IRM lumbar. Com a resultat dels experiments, aquesta tesi destaca la importància de recopilar i preprocessar dades d'alta qualitat, així com de triar estratègicament arquitectures de xarxa i tècniques de DL en la segmentació semàntica d'imatges mèdiques. Presenta topologies de xarxa efectives que superen al model U-Net estàndard i destaca la versatilitat d'un sol model per a segmentar imatges de diferents protocols i vistes, simplificant el desenvolupament de sistemes de processament d'imatges mèdiques. Finalment, aquesta tesi representa un viatge interdisciplinari des de l'enginyeria fins a la medicina, tot destacant la innovació a l'hora d'aplicar mètodes d'ML per obtenir conjunts de dades mèdiques etiquetats a gran escala. Les futures investigacions se centren a millorar el conjunt de dades i desenvolupar eines de visió per ordinador per detectar i classificar patologies de la columna lumbar. Un cop validades clínicament, aquestes innovacions podrien revolucionar el diagnòstic clínic i la presa de decisions mèdiques basades en evidències en aquest camp. / [EN] Lower back pain is a common condition affecting nearly 70% of the population, representing a significant burden for the healthcare system. This thesis focuses on extracting medical knowledge from lumbar Magnetic Resonance Imaging (MRI), linking them to lower back pain. Through Machine Learning techniques, extensive lumbar MRI datasets are processed to develop semantic segmentation algorithms that identify structures in the spine. The main goal is to improve understanding of the causes of lower back pain and develop predictive models that support more accurate clinical decision-making. Simultaneously, the aim is to create a public repository of anonymized lumbar spine images and population data to facilitate collaboration in research in this field. The methods proposed in this thesis focus on the precise analysis of lumbar MRI from patients with a history of lower back pain in public hospitals of the Valencian Community, generating two significant datasets. The first, called "Massive Image Data Anatomy of the Spine" (MIDAS), contains data from around 23,688 patients, equivalent to about 124,800 lumbar MRIs. These data were collected from 17 health departments and underwent various phases, including ethical committee approval, de-identification and correction of DICOM metadata, and standardization of acquisition protocols. In addition, a standardized file structure called "Medical Imaging Data Structure" (MIDS) was implemented to ensure data transparency and reproducibility. This dataset is available for download upon request at https://bimcv.cipf.es/bimcv-projects/midas-2/. The second dataset involved the manual segmentation of 181 lumbar MRIs. Two expert radiologists performed this to assign class labels to each pixel in the images based on anatomical elements, including vertebrae, intervertebral discs, nerves, blood vessels, and other tissues, comprising 11 distinct elements of the spine. This data was utilized to design and train different Convolutional Neural Network (CNN) architectures for the automatic segmentation of lumbar MRI. As a result of the experiments, this thesis emphasizes the importance of collecting and preprocessing high-quality data and strategically choosing network architectures and DL techniques in the semantic segmentation of medical images. It presents effective network topologies that surpass the standard U-Net model and highlights the versatility of a single model to segment images from different protocols and views, simplifying the development of medical image processing systems. Ultimately, this thesis represents an interdisciplinary journey from engineering to medicine, highlighting the innovation of applying ML methods to obtain large-scale labelled medical datasets. Future research focuses on improving the dataset and developing computer vision tools to detect and classify lumbar spine pathologies. Once clinically validated, these innovations could revolutionize clinical diagnosis and evidence-based medical decision-making in this field. / Sáenz Gamboa, JJ. (2024). Machine Learning en Resonancia Magnética. Describiendo la Fisiopatología del Dolor Lumbar [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207346

Tesis por compendio / [ES] Edge Computing es un modelo de computación emergente basado en acercar el procesamiento a los dispositivos de captura de datos en las infraestructuras Internet of things (IoT). Edge computing mejora, entre otras cosas, los tiempos de respuesta, ahorra anchos de banda, incrementa la seguridad de los servicios y oculta las caídas transitorias de la red. Este paradigma actúa en contraposición a la ejecución de servicios en entornos cloud y es muy útil cuando se desea desarrollar soluciones de inteligencia artificial (AI) que aborden problemas en entornos de desastres naturales, como pueden ser inundaciones, incendios u otros eventos derivados del cambio climático. La cobertura de estos escenarios puede resultar especialmente difícil debido a la escasez de infraestructuras disponibles, lo que a menudo impide un análisis de los datos basado en la nube en tiempo real. Por lo tanto, es fundamental habilitar técnicas de IA que no dependan de sistemas de cómputo externos y que puedan ser embebidas en dispositivos de móviles como vehículos aéreos no tripulados (VANT), para que puedan captar y procesar información que permita inferir posibles situaciones de emergencia y determinar así el curso de acción más adecuado de manera autónoma. Históricamente, se hacía frente a este tipo de problemas utilizando los VANT como dispositivos de recogida de datos con el fin de, posteriormente, enviar esta información a la nube donde se dispone de servidores capacitados para analizar esta ingente cantidad de información. Este nuevo enfoque pretende realizar todo el procesamiento y la obtención de resultados en el VANT o en un dispositivo local complementario. Esta aproximación permite eliminar la dependencia de un centro de cómputo remoto que añade complejidad a la infraestructura y que no es una opción en escenarios específicos, donde las conexiones inalámbricas no cumplen los requisitos de transferencia de datos o son entornos en los que la información tiene que obtenerse en ese preciso momento, por requisitos de seguridad o inmediatez. Esta tesis doctoral está compuesta de tres propuestas principales. En primer lugar se plantea un sistema de despegue de enjambres de VANTs basado en el algoritmo de Kuhn Munkres que resuelve el problema de asignación en tiempo polinómico. Nuestra evaluación estudia la complejidad de despegue de grandes enjambres y analiza el coste computacional y de calidad de nuestra propuesta. La segunda propuesta es la definición de una secuencia de procesamiento de imágenes de catástrofes naturales tomadas desde drones basada en Deep learning (DL). El objetivo es reducir el número de imágenes que deben procesar los servicios de emergencias en la catástrofe natural para poder tomar acciones sobre el terreno de una manera más rápida. Por último, se utiliza un conjunto de datos de imágenes obtenidas con VANTs y relativas a diferentes inundaciones, en concreto, de la DANA de 2019, cedidas por el Ayuntamiento de San Javier, ejecutando un modelo DL de segmentación semántica que determina automáticamente las regiones más afectadas por las lluvias (zonas inundadas). Entre los resultados obtenidos se destacan los siguientes: 1- la mejora drástica del rendimiento del despegue vertical coordinado de una red de VANTs. 2- La propuesta de un modelo no supervisado para la vigilancia de zonas desconocidas representa un avance para la exploración autónoma mediante VANTs. Esto permite una visión global de una zona concreta sin realizar un estudio detallado de la misma. 3- Por último, un modelo de segmentación semántica de las zonas inundadas, desplegado para el procesamiento de imágenes en el VANTs, permite la obtención de datos de inundaciones en tiempo real (respetando la privacidad) para una reconstrucción virtual fidedigna del evento. Esta tesis ofrece una propuesta para mejorar el despegue coordinado de drones y dotar de capacidad de procesamiento de algoritmos de deep learning a dispositivos edge, más concretamente UAVs autónomos. / [CA] Edge Computing és un model de computació emergent basat a acostar el processament als dispositius de captura de dades en les infraestructures Internet of things (IoT). Edge computing millora, entre altres coses, els temps de resposta, estalvia amplades de banda, incrementa la seguretat dels serveis i oculta les caigudes transitòries de la xarxa. Aquest paradigma actua en contraposició a l'execució de serveis en entorns cloud i és molt útil quan es desitja desenvolupar solucions d'intel·ligència artificial (AI) que aborden problemes en entorns de desastres naturals, com poden ser inundacions, incendis o altres esdeveniments derivats del canvi climàtic. La cobertura d'aquests escenaris pot resultar especialment difícil a causa de l'escassetat d'infraestructures disponibles, la qual cosa sovint impedeix una anàlisi de les dades basat en el núvol en temps real. Per tant, és fonamental habilitar tècniques de IA que no depenguen de sistemes de còmput externs i que puguen ser embegudes en dispositius de mòbils com a vehicles aeris no tripulats (VANT), perquè puguen captar i processar informació per a inferir possibles situacions d'emergència i determinar així el curs d'acció més adequat de manera autònoma. Històricament, es feia front a aquesta mena de problemes utilitzant els VANT com a dispositius de recollida de dades amb la finalitat de, posteriorment, enviar aquesta informació al núvol on es disposa de servidors capacitats per a analitzar aquesta ingent quantitat d'informació. Aquest nou enfocament pretén realitzar tot el processament i l'obtenció de resultats en el VANT o en un dispositiu local complementari. Aquesta aproximació permet eliminar la dependència d'un centre de còmput remot que afig complexitat a la infraestructura i que no és una opció en escenaris específics, on les connexions sense fils no compleixen els requisits de transferència de dades o són entorns en els quals la informació ha d'obtindre's en aqueix precís moment, per requisits de seguretat o immediatesa. Aquesta tesi doctoral està composta de tres propostes principals. En primer lloc es planteja un sistema d'enlairament d'eixams de VANTs basat en l'algorisme de Kuhn Munkres que resol el problema d'assignació en temps polinòmic. La nostra avaluació estudia la complexitat d'enlairament de grans eixams i analitza el cost computacional i de qualitat de la nostra proposta. La segona proposta és la definició d'una seqüència de processament d'imatges de catàstrofes naturals preses des de drons basada en Deep learning (DL).L'objectiu és reduir el nombre d'imatges que han de processar els serveis d'emergències en la catàstrofe natural per a poder prendre accions sobre el terreny d'una manera més ràpida. Finalment, s'utilitza un conjunt de dades d'imatges obtingudes amb VANTs i relatives a diferents inundacions, en concret, de la DANA de 2019, cedides per l'Ajuntament de San Javier, executant un model DL de segmentació semàntica que determina automàticament les regions més afectades per les pluges (zones inundades). Entre els resultats obtinguts es destaquen els següents: 1- la millora dràstica del rendiment de l'enlairament vertical coordinat d'una xarxa de VANTs. 2- La proposta d'un model no supervisat per a la vigilància de zones desconegudes representa un avanç per a l'exploració autònoma mitjançant VANTs. Això permet una visió global d'una zona concreta sense realitzar un estudi detallat d'aquesta. 3- Finalment, un model de segmentació semàntica de les zones inundades, desplegat per al processament d'imatges en el VANTs, permet l'obtenció de dades d'inundacions en temps real (respectant la privacitat) per a una reconstrucció virtual fidedigna de l'esdeveniment. / [EN] Edge Computing is an emerging computing model based on bringing data processing and storage closer to the location needed to improve response times and save bandwidth. This new paradigm acts as opposed to running services in cloud environments and is very useful in developing artificial intelligence (AI) solutions that address problems in natural disaster environments, such as floods, fires, or other events of an adverse nature. Coverage of these scenarios can be particularly challenging due to the lack of available infrastructure, which often precludes real-time cloud-based data analysis. Therefore, it is critical to enable AI techniques that do not rely on external computing systems and can be embedded in mobile devices such as unmanned aerial vehicles (UAVs) so that they can capture and process information to understand their context and determine the appropriate course of action independently. Historically, this problem was addressed by using UAVs as data collection devices to send this information to the cloud, where servers can process it. This new approach aims to do all the processing and get the results on the UAV or a complementary local device. This approach eliminates the dependency on a remote computing center that adds complexity to the infrastructure and is not an option in specific scenarios where wireless connections do not meet the data transfer requirements. It is also an option in environments where the information has to be obtained at that precise moment due to security or immediacy requirements. This study consists of three main proposals. First, we propose a UAV swarm takeoff system based on the Kuhn Munkres algorithm that solves the assignment problem in polynomial time. Our evaluation studies the takeoff complexity of large swarms and analyzes our proposal's computational and quality cost. The second proposal is the definition of a Deep learning (DL) based image processing sequence for natural disaster images taken from drones to reduce the number of images processed by the first responders in the natural disaster. Finally, a dataset of images obtained with UAVs and related to different floods is used to run a semantic segmentation DL model that automatically determines the regions most affected by the rains (flooded areas). The results are 1- The drastic improvement of the performance of the coordinated vertical take-off of a network of UAVs. 2- The proposal of an unsupervised model for the surveillance of unknown areas represents a breakthrough for autonomous exploration by UAVs. This allows a global view of a specific area without performing a detailed study. 3- Finally, a semantic segmentation model of flooded areas, deployed for image processing in the UAV, allows obtaining real-time flood data (respecting privacy) for a reliable virtual reconstruction of the event. This thesis offers a proposal to improve the coordinated take-off of drones, to provide edge devices with deep learning algorithms processing capacity, more specifically autonomous UAVs, in order to develop services for the surveillance of areas affected by natural disasters such as fire detection, segmentation of flooded areas or detection of people in danger. Thanks to this research, services can be developed that enable the coordination of large arrays of drones and allow image processing without needing additional devices. This flexibility makes our approach a bet for the future and thus provides a development path for anyone interested in deploying an autonomous drone-based surveillance and actuation system. / I would like to acknowledge the project Development of High-Performance IoT Infrastructures against Climate Change based on Artificial Intelligence (GLOBALoT). Funded by Ministerio de Ciencia e Innovación (RTC2019-007159-5), of which this thesis is part. / Hernández Vicente, D. (2023). Analysis Design and Implementation of Artificial Intelligence Techniques in Edge Computing Environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192605 / Compendio