En una era donde el análisis del Big Data está a la orden del día, la analítica visual se convierte en un componente clave. Sin embargo, establecer unos objetivos analíticos y encontrar las visualizaciones que mejor se adapten a un contexto determinado es una tarea desafiante, especialmente cuando se trata con usuarios no expertos en visualización de datos. El uso de un tipo de visualización inadecuado puede llevar a malinterpretar los datos y a tomar decisiones equivocadas, provocando pérdidas significativas. Por ello, el objetivo principal de la presente tesis doctoral es definir una metodología que agrupe una serie de técnicas y aproximaciones para mejorar la comprensión visual de Big Data. En concreto, se han analizado las necesidades actuales en la toma de requisitos para la generación de visualizaciones y se ha propuesto una metodología completa, desde la definición de requisitos hasta la implementación de visualizaciones, que guía al usuario en la definición de sus objetivos analíticos y genera automáticamente la mejor visualización para cada uno, agrupando dichas visualizaciones en cuadros de mandos. La metodología está compuesta por (i) un modelo de requisitos de usuario, (ii) un modelo de perfilado de datos que extrae de forma semiautomática información sobre las características de las fuentes de datos y (iii) un modelo de visualización de datos. Nuestra propuesta ha sido evaluada y aplicada en distintos ámbitos, tales como ciudades inteligentes, procesos de producción industrial y entornos sanitarios. Además, con los resultados obtenidos y que se presentan en el trabajo, podemos concluir que se logra el objetivo principal del estudio, ya que, en línea con los experimentos realizados en el núcleo de la presente tesis doctoral, nuestra propuesta: (i) permite a los usuarios cubrir más cuestiones analíticas; (ii) mejora el conjunto de visualizaciones generadas; (iii) produce una mayor satisfacción general en los usuarios. La investigación realizada en la presente tesis doctoral ha dado como resultado diferentes artículos científicos que han sido presentados en congresos internacionales y revistas científicas de alto impacto, es por ello por lo que se elige presentar la tesis doctoral por compendio de publicaciones.

En la actualidad, las diversas técnicas y dispositivos de reconstrucción tridimensional [1][2] permiten obtener una representación fiel a la realidad del objeto de estudio. Si bien existen equipos que extraen de manera completa toda una escena, en muchas ocasiones el equipo tiene un rango de visión limitado y será necesario tomar varias muestras de distintos ángulos para luego alinearse en una imagen más grande. Esta etapa conocida como registro es el primer paso para poder llevar a cabo la reconstrucción tridimensional por lo que es una parte crítica de todo el proceso. Si se tienen muestras alineadas correctamente se podrá reconstruir, fiel a la realidad el objeto, caso contrario se podrían tener dimensiones o relieves erróneos. En el campo de la arqueología, diversos dispositivos y técnicas se han venido aplicando dependiendo si se trabajará en un objeto como una cerámica o una estructura [2]. Debido a que el trabajo se desarrolla usualmente in situ, existe el problema de portabilidad y el requerimiento de personal capacitado para el manejo de los equipos [23], así como el elevado precio que los equipos usados mayormente poseen. La presente investigación desarrolla un conjunto de herramientas computacionales para realizar el registro de nubes de puntos empleando un Kinect (Microsoft, Washington EE.UU.) como sensor, una alternativa contemporánea para medir profundidad. A partir de la toma de muestras consecutivas a lo largo de un muro arqueológico se realizará el registro y afinamiento de las muestras. Utilizando técnicas de triangulación (Delaunay [29]) y reconstrucción de Poisson [30] se comparará la reconstrucción obtenida a base de muestras del Kinect con técnicas comerciales empleadas en el ámbito arqueológico. En este sentido, se caracterizó el Kinect con un error de precisión de 2.2 milímetros y 6.3 milímetros de exactitud en profundidad. Se elaboró una metodología para la adquisición y registro de muestras en base al Kinect. Finalmente, se comparan el modelo tridimensional reconstruido con modelos de la misma escena de estudio empleando técnicas comerciales en arqueología. Resultados preliminares indican un error de 4.74 centímetros frente a la reconstrucción por fotogrametría y 1.49 centímetros frente a la de un escáner láser (NextEngine Laser Scanner HD).

El movimiento humano es un elemento importante en el estudio de la biología humana debido a ser una propiedad básica de la vida. Este resulta aún más importante en aspectos colectivos como el deporte, la salud, la educación física, la danza, la rehabilitación, entre otros. Especial atención requiere la rehabilitación donde, a través del análisis de marcha, el fisiatra observa y estudia el desempeño de los pacientes a lo largo de diversas sesiones que realizan, con el fin de ver la evolución de los mismos. Sin embargo, capturar y realizar seguimiento al movimiento humano de manera computacional es una tarea compleja con alternativas costosas. Asimismo, los centros de rehabilitación de Lima no cuentan con la tecnología apropiada y existe, por parte de las personas, una negación al cambio que complica la inclusión de la misma. Debido a esto, el presente proyecto presenta una herramienta de bajo costo que permite registrar y representar el movimiento humano en 3D para apoyar a las terapias de rehabilitación de la marcha. El registro puede ser almacenado de forma permanente con el fin de mantener un histórico y realizar nuevos análisis en el tiempo. El dispositivo usado (Kinect) se mostró adecuado para la captura de la información útil con un margen de error aceptable que, dependiendo del entorno de captura, éste puede ser controlado. En el trabajo se consiguió detectar el patrón de marcha de los ángulos de flexión de la rodilla, lo cual permitió comparar diferentes situaciones de caminata y calcular medidas como distancia de paso, velocidad del movimiento de la persona, porcentaje de datos dentro del rango de referencia de una caminata normal (medidas de los ángulos de flexión), de esta manera se consigue determinar el nivel de normalidad de un ciclo de paso. Finalmente se desarrolló un prototipo de visualización 3D que permite manipular el entorno y tener diferentes vistas del movimiento del paciente. Este puede ser reutilizado para crear un ambiente más completo de análisis que comprenda otros tipos de movimientos (además de la rodilla), soportar un mayor número de fuentes de diferentes ángulos (múltiples Kinect), Kinect en movimiento que permita realizar un seguimiento de la marcha en un mayor espacio, entre otros. Todo lo anterior mencionado serviría de base para la constitución de un laboratorio de rehabilitación basado en realidad virtual.

El objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo de metodologías completas para la caracterización experimental de los procesos de inyección de combustible, evaporación y formación de mezcla, autoencendido y combustión en toberas reales de múltiples orificios de motores Diesel. Para el logro del objetivo se han implementado diferentes técnicas de visualización y se han desarrollado los algoritmos para el procesado automático de las imágenes. El estudio de visualización del chorro líquido, en instalaciones experimentales de uno o más accesos ópticos amplios, se ha centrado en el análisis del efecto de la configuración opto-electrónica sobre la calidad de las imágenes, y se han diseñado y evaluado nuevos algoritmos de procesado. Como aportación innovadora se ha generalizado el algoritmo de segmentación LRT para el caso de distribuciones no normales. Para el estudio de la evaporación de chorros, reactivos o inertes, se implementaron las técnicas de Schlieren y Shadowgraph en dos variantes básicas según la disponibilidad de accesos: método de transmisión y método de doble paso. Se realizó un estudio teórico-experimental completo, con la finalidad de precisar las variables que afectan la sensibilidad e identificar las principales fuentes de error en el análisis de la imagen. Los algoritmos propuestos toman como base los de segmentación de chorro líquido con pequeñas modificaciones en el cálculo del nivel digital umbral. El estudio del autoencendido y combustión se llevó a cabo mediante el registro de la emisión natural de quimioluminiscencia de los radicales CH y OH y de la radiación térmica del hollín. Se analiza en detalle la sensibilidad del método de análisis a la configuración del instrumental de adquisición y se plantea una metodología de análisis basada en el estudio estadístico de las distribuciones espaciales de intensidad. / Zapata Pemberthy, LD. (2010). Caracterización de los procesos de Inyección-Combustión Diesel mediante visualización y procesado digital de imágenes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8192

[ES] La seguridad en el ciberespacio supone hoy en día un reto fundamental para cualquier organización ante el incesante aumento de ciberataques en todo el mundo. En una realidad tecnológica como la actual, en la que los dominios físico y lógico son cada vez más interdependientes, esta tarea es todavía más imprescindible pues las acciones en cualquiera de estos ámbitos pueden acarrear consecuencias devastadoras en ambos. Esto es si cabe más importante en el caso de infraestructuras críticas (IC), pues de su correcto funcionamiento depende el bienestar de toda una nación y sus ciudadanos. Se hacen por tanto necesarias nuevas soluciones que permitan afrontar de manera eficiente la defensa de toda clase de IC en este escenario híbrido, en el que las herramientas tradicionales de seguridad (firewall, IDS/IPS e incluso sistemas SIEM) resultan por sí solas insuficientes ante ataques a gran escala y donde alternativas más completas como los sistemas SCADA más recientes siguen orientadas a sectores muy específicos. La presente tesis doctoral plantea un enfoque innovador de Situational Awareness (SA) para la adecuada protección de IC en el contexto ciber-físico. En concreto, se propone una arquitectura genérica de SA híbrida que proporcione, mediante técnicas avanzadas de representación, la Common Operational Picture conjunta de las dimensiones física y ciber en un espacio único de visualización con el fin de facilitar la toma de decisiones al operador correspondiente. La arquitectura definida ha sido aplicada en dos soluciones distintas de Cyber Command & Control para la protección de IC: el sistema GESTPIC para la visualización avanzada de la SA ciber-física, y HYBINT como novedosa herramienta para la integración y el análisis de información de inteligencia. El modelo presentado en esta investigación ha sido validado en entornos de uso tanto simulados como reales, suscitando el interés de potenciales usuarios finales y confirmándose como propuesta pionera en su campo en los foros especializados en los que ha participado. / [CA] La seguretat en el ciberespai suposa hui dia un repte fonamental per a qualsevol organització davant l'incessant augment de ciberatacs a tot el món. En una realitat tecnològica com l'actual, en la qual els dominis físic i lògic són cada vegada més interdependents, aquesta tasca és encara més imprescindible perquè les accions en qualsevol d'aquests àmbits poden implicar conseqüències devastadores en tots dos. Això és si cap més important en el cas d'infraestructures crítiques (IC), perquè del seu correcte funcionament depén el benestar de tota una nació i els seus ciutadans. Es fan per tant necessàries noves solucions que permeten afrontar de manera eficient la defensa de tota classe d'IC en aquest escenari híbrid, en el qual les eines tradicionals de seguretat (firewall, IDS/IPS i fins i tot sistemes SIEM) resulten per si soles insuficients davant atacs a gran escala i on alternatives més completes com els sistemes SCADA més recents segueixen orientades a sectors molt específics. La present tesi doctoral planteja un enfocament innovador de Situational Awareness (SA) per a l'adequada protecció d'IC en el context ciber-físic. En concret, es proposa una arquitectura genèrica de SA híbrida que proporcione, mitjançant tècniques avançades de representació, la Common Operational Picture conjunta de les dimensions física i ciber en un espai únic de visualització amb la finalitat de facilitar la presa de decisions a l'operador corresponent. L'arquitectura definida ha sigut aplicada en dues solucions diferents de Cyber Command & Control per a la protecció d'IC: el sistema GESTPIC per a la visualització avançada de la SA ciber-física, i HYBINT com a nova eina per a la integració i l'anàlisi d'informació d'intel·ligència. El model presentat en aquesta investigació ha sigut validat en entorns d'ús tant simulats com reals, suscitant l'interés de potencials usuaris finals i confirmant-se com a proposta pionera en el seu camp en els fòrums especialitzats en els quals ha participat. / [EN] Security in cyberspace is today a key challenge for any organization with the continuous growth of cyberattacks worldwide. In the current technological reality, in which physical and cyber domains are increasingly interdependent, this task is still most essential since actions in any of these scopes can lead to devastating consequences on both. This is even more important in case of critical infrastructures (CI), inasmuch as well-being of nations and their citizens depends on their proper functioning. New solutions are therefore needed in order to efficiently face the defence of all kind of CI in this hybrid scenario, in which traditional security tools (firewall, IDS/IPS and even SIEM systems) are by themselves insufficient against large-scale attacks and where more complete workarounds such as the most recent SCADA systems still remain focused on very specific sectors. This doctoral thesis introduces an innovative Situational Awareness (SA) approach for the suitable CI protection in the cyber-physical context. In particular, a hybrid SA architecture that provides, through advanced representation techniques, a Common Operational Picture of both physical and cyber dimensions in a unique visualization space is proposed to support operator's decision-making. The defined architecture has been applied in two different Cyber Command & Control solutions for CI protection: GESTPIC system for cyber-physical SA advanced visualization, and HYBINT as a novel tool for intelligence information integration and analysis. The model presented in this research has been validated in both simulated and real working environments, awakening the interest of potential end users and being confirmed as a ground-breaking proposal in its field in the specialized forums in which it has participated. / Hingant Gómez, JE. (2019). Arquitectura de Cyber Situational Awareness (CySA) para la protección de infraestructuras críticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119448

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El modelat d'escenes és clau en un gran ventall d'aplicacions que van des de la generació mapes fins a la realitat augmentada. Aquesta tesis presenta una solució completa per a la creació de models 3D amb textura. En primer lloc es presenta un mètode de Structure from Motion seqüencial, a on el model 3D de l'entorn s'actualitza a mesura que s'adquireix nova informació visual. La proposta és més precisa i robusta que l'estat de l'art. També s'ha desenvolupat un mètode online, basat en visual bag-of-words, per a la detecció eficient de llaços. Essent una tècnica completament seqüencial i automàtica, permet la reducció de deriva, millorant la navegació i construcció de mapes. Per tal de construir mapes en àrees extenses, es proposa un algorisme de simplificació de models 3D, orientat a aplicacions online. L'eficiència de les propostes s'ha comparat amb altres mètodes utilitzant diversos conjunts de dades submarines i terrestres. / Scene modeling has a key role in applications ranging from visual mapping to augmented reality. This thesis presents an end-to-end solution for creating accurate, automatic 3D textured models, with contributions at different levels. First, we discuss a method developed within the framework of sequential Structure from Motion, where a 3D model of the environment is maintained and updated as visual information becomes available. The technique is more accurate and robust than state-of-the-art 3D modeling approaches. We also develop an online effcient loop-closure detection algorithm, allowing the reduction of drift and uncertainties for mapping and navigation. Inspired from visual bag-of-words, the technique is entirely sequential and automatic. Lastly, motivated by the need to map large areas, we propose a 3D model simplification oriented towards online applications. We discuss the efficiency of the proposals and compare them with state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets both in underwater and outdoor scenarios.

Essa dissertação aborda a visualização geométrica e a representação de objetos tridimensionais em diagramas bidimensionais. O objetivo da pesquisa é a criação de uma seqüência didática que atenda esses propósitos. Para desenvolver essa seqüência, foram realizadas diversas atividades piloto com sujeitos do ensino fundamental, médio e superior. A análise da produção dos alunos determinou a seleção e adaptação de atividades para compor a seqüência didática, testada em alunos do terceiro ano do ensino médio, apresentada com a respectiva análise dos resultados. Uma atividade teve destaque nesse trabalho, e por ser de criação própria, foi denominada Caixa de Becker, que consiste na interação com sólidos através do tato. Para análise dos dados, foram utilizadas as teorias de van Hiele, Gutiérrez e Piaget. Fez-se uma breve retomada na história do ensino de matemática, especificamente na área de geometria, para entender a forma em que esse conteúdo é abordado nos livros didáticos. / This dissertation focuses on visualization and geometric representation of three dimensional objects in two-dimensional diagrams. The aim of this research is to establish a teaching sequence to create such diagrams. To achieve this objective several pilot activities were executed with primary, secondary and tertiary education students. The selection and adjustment of activities to compose the teaching sequence were determined by the analysis of the results from a test applied to students in the last year of the high school. The "Becker Box" which was a highlighted activity during the research and is my own invention, provides a way to interact with solid geometric forms by touch. The theories from Van Hiele, Gutiérrez and Piaget were used to make the data analysis. A summary of the mathematics education history were made to understand how this subject is presented and discussed in teaching books. / Esa disertación aborda la visualización geométrica y la representación de los objetos tridimensionales en diagramas bidimensionales. El objetivo de la pesquisa es la creación de una secuencia didáctica que atienda eses propósitos . Para denvolver esa secuencia, fueron realizadas diversas actividades piloto con sujetos de la enseñanza básica, media y superior. El análisis de la producción de los alumnos determinó la selección y la adaptación de las actividades para componer la secuencia didáctica, testada en alumnos del tercer año de la enseñanza media, con el respectivo análisis de los resultados. Una actividade tuvo destaque en ese trabajo, y por ser de creación propria, fue llamada Caja de Becker, que consiste en la interacción con sólidos por medio del tacto. Para análisis de los datos, fueron utilizadas las teorías de van Hiele, Gutiérrez y Piaget. Se hizo una breve retomada en la historia de la enseñanza de la matemática, especificamente en el área de geometría, para entender la forma en que ese contenido es abordado en los libros didácticos.

Essa dissertação aborda a visualização geométrica e a representação de objetos tridimensionais em diagramas bidimensionais. O objetivo da pesquisa é a criação de uma seqüência didática que atenda esses propósitos. Para desenvolver essa seqüência, foram realizadas diversas atividades piloto com sujeitos do ensino fundamental, médio e superior. A análise da produção dos alunos determinou a seleção e adaptação de atividades para compor a seqüência didática, testada em alunos do terceiro ano do ensino médio, apresentada com a respectiva análise dos resultados. Uma atividade teve destaque nesse trabalho, e por ser de criação própria, foi denominada Caixa de Becker, que consiste na interação com sólidos através do tato. Para análise dos dados, foram utilizadas as teorias de van Hiele, Gutiérrez e Piaget. Fez-se uma breve retomada na história do ensino de matemática, especificamente na área de geometria, para entender a forma em que esse conteúdo é abordado nos livros didáticos. / This dissertation focuses on visualization and geometric representation of three dimensional objects in two-dimensional diagrams. The aim of this research is to establish a teaching sequence to create such diagrams. To achieve this objective several pilot activities were executed with primary, secondary and tertiary education students. The selection and adjustment of activities to compose the teaching sequence were determined by the analysis of the results from a test applied to students in the last year of the high school. The "Becker Box" which was a highlighted activity during the research and is my own invention, provides a way to interact with solid geometric forms by touch. The theories from Van Hiele, Gutiérrez and Piaget were used to make the data analysis. A summary of the mathematics education history were made to understand how this subject is presented and discussed in teaching books. / Esa disertación aborda la visualización geométrica y la representación de los objetos tridimensionales en diagramas bidimensionales. El objetivo de la pesquisa es la creación de una secuencia didáctica que atienda eses propósitos . Para denvolver esa secuencia, fueron realizadas diversas actividades piloto con sujetos de la enseñanza básica, media y superior. El análisis de la producción de los alumnos determinó la selección y la adaptación de las actividades para componer la secuencia didáctica, testada en alumnos del tercer año de la enseñanza media, con el respectivo análisis de los resultados. Una actividade tuvo destaque en ese trabajo, y por ser de creación propria, fue llamada Caja de Becker, que consiste en la interacción con sólidos por medio del tacto. Para análisis de los datos, fueron utilizadas las teorías de van Hiele, Gutiérrez y Piaget. Se hizo una breve retomada en la historia de la enseñanza de la matemática, especificamente en el área de geometría, para entender la forma en que ese contenido es abordado en los libros didácticos.

Essa dissertação aborda a visualização geométrica e a representação de objetos tridimensionais em diagramas bidimensionais. O objetivo da pesquisa é a criação de uma seqüência didática que atenda esses propósitos. Para desenvolver essa seqüência, foram realizadas diversas atividades piloto com sujeitos do ensino fundamental, médio e superior. A análise da produção dos alunos determinou a seleção e adaptação de atividades para compor a seqüência didática, testada em alunos do terceiro ano do ensino médio, apresentada com a respectiva análise dos resultados. Uma atividade teve destaque nesse trabalho, e por ser de criação própria, foi denominada Caixa de Becker, que consiste na interação com sólidos através do tato. Para análise dos dados, foram utilizadas as teorias de van Hiele, Gutiérrez e Piaget. Fez-se uma breve retomada na história do ensino de matemática, especificamente na área de geometria, para entender a forma em que esse conteúdo é abordado nos livros didáticos. / This dissertation focuses on visualization and geometric representation of three dimensional objects in two-dimensional diagrams. The aim of this research is to establish a teaching sequence to create such diagrams. To achieve this objective several pilot activities were executed with primary, secondary and tertiary education students. The selection and adjustment of activities to compose the teaching sequence were determined by the analysis of the results from a test applied to students in the last year of the high school. The "Becker Box" which was a highlighted activity during the research and is my own invention, provides a way to interact with solid geometric forms by touch. The theories from Van Hiele, Gutiérrez and Piaget were used to make the data analysis. A summary of the mathematics education history were made to understand how this subject is presented and discussed in teaching books. / Esa disertación aborda la visualización geométrica y la representación de los objetos tridimensionales en diagramas bidimensionales. El objetivo de la pesquisa es la creación de una secuencia didáctica que atienda eses propósitos . Para denvolver esa secuencia, fueron realizadas diversas actividades piloto con sujetos de la enseñanza básica, media y superior. El análisis de la producción de los alumnos determinó la selección y la adaptación de las actividades para componer la secuencia didáctica, testada en alumnos del tercer año de la enseñanza media, con el respectivo análisis de los resultados. Una actividade tuvo destaque en ese trabajo, y por ser de creación propria, fue llamada Caja de Becker, que consiste en la interacción con sólidos por medio del tacto. Para análisis de los datos, fueron utilizadas las teorías de van Hiele, Gutiérrez y Piaget. Se hizo una breve retomada en la historia de la enseñanza de la matemática, especificamente en el área de geometría, para entender la forma en que ese contenido es abordado en los libros didácticos.