Programa de Doctorado “Sistemas industriales, computación y reconocimiento de formas”. / Proyecto de investigación “Sistema de visión para navegación autónoma” (CICYT TAP98-0333-C03-03).

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El documento de esta tesis por compendio de publicaciones se divide en dos partes: la síntesis donde se resume la fundamentación, resultados y conclusiones de esta tesis, y las propias publicaciones en su formato original, que se incluyen como apéndices. Dado que existen acuerdo de confidencialidad (véase "Derechos" más adelante) que impiden su publicación en formato electrónico de forma pública y abierta (como es el repositorio de la UA), y acorde con lo que se dictamina en el punto 6 del artículo 14 del RD 99/2011, de 28 de enero, no se incluyen estos apéndices en el documento electrónico que se presenta en cedé, pero se incluyen las referencias completas y sí se incluyen integramente en el ejemplar encuadernado. Si el CEDIP y el RUA así lo decidiesen más adelante, podría modificarse este documento electrónico para incluir los enlaces a los artículos originales. / Ministerio de Educación y Ciencia y los programas FEDER y FSE de la UE (proyecto ref. BEC2003-02391 y Programa de Personal Técnico de Apoyo en la modalidad de Proyectos de I+D, ref. solicitud PTA-2003-02-00178, 495); Ministerio de Fomento (proyecto ref. T 75/2006); Ministerio de Ciencia e Innovación y el programa FEDER de la UE (proyectos ref. SEJ2007-67767-C04-02 y ref. CSO2011-29943-C03-02); Universidad de Alicante.

Esta investigación aborda el problema de la distribución eléctrica en sistemas genéricos compuestos por varias fuentes de energía (hidroeléctrica, eólica, solar, etc.), múltiples medios de transmisión (líneas de transmisión, medios de almacenamiento, convertidores, etc.) y varios centros de consumo (edificios, viviendas, electrodomésticos, portátiles, teléfonos móviles, etc.), concretamente, haciendo uso de criterios sostenibles que aprovechen las bondades de las fuentes de energía renovables. La aportación global de este trabajo es la generalidad del modelo formal de sistema eléctrico, basado en sistemas multiagente, y las estrategias de gestión parametrizadas, que permiten obtener sistemas de gestión de la distribución acordes a un problema concreto. En consecuencia, esta investigación abre una línea metodológica e instrumental para la obtención de soluciones al problema de la distribución eléctrica a todos los niveles, desde las redes de alta energía, hasta el microabastecimiento que requieren los dispositivos "wearable", desde las sencillas redes con fuente única de suministro, hasta las configuraciones híbridas multifrecuenciales e incluso multimedia (coexistencia de transporte de energía con datos e información de control).

In this thesis a methodology for representing 3D subjects and their deformations in adverse situations is studied. The study is focused in providing methods based on registration techniques to improve the data in situations where the sensor is working in the limit of its sensitivity. In order to do this, it is proposed two methods to overcome the problems which can difficult the process in these conditions. First a rigid registration based on model registration is presented, where the model of 3D planar markers is used. This model is estimated using a proposed method which improves its quality by taking into account prior knowledge of the marker. To study the deformations, it is proposed a framework to combine multiple spaces in a non-rigid registration technique. This proposal improves the quality of the alignment with a more robust matching process that makes use of all available input data. Moreover, this framework allows the registration of multiple spaces simultaneously providing a more general technique. Concretely, it is instantiated using colour and location in the matching process for 3D location registration.

En la actualidad, la cámara de vídeo se ha convertido en un dispositivo omnipresente. Debido a su miniaturización, estas se pueden encontrar integradas en multitud de dispositivos de uso diario, desde teléfonos móviles o tabletas, hasta ordenadores portátiles. Aunque estos dispositivos son empleados por millones de personas diariamente de forma inofensiva, capturando vídeo, realizando fotografías que luego son compartidas, etc.; el empleo de videocámaras para tareas de videovigilancia levanta cierta preocupación entre la población, sobre todo cuando estas forman parte de sistemas inteligentes de monitorización. Esto supone una amenaza para la privacidad debido a que las grabaciones realizadas por estos sistemas contienen una gran cantidad de información que puede ser extraída de forma automática mediante técnicas de visión artificial. Sin embargo, la aplicación de esta tecnología en diversas áreas puede suponer un impacto muy positivo para las personas. Por otro lado, la población mundial está envejeciendo rápidamente. Este cambio demográfico provocará que un mayor número de personas en situación de dependencia, o que requieren apoyo en su vida diaria, vivan solas. Por lo que se hace necesario encontrar una solución que permita extender su autonomía. La vida asistida por el entorno (AAL por sus siglas en inglés) ofrece una solución aportando inteligencia al entorno donde residen la personas de modo que este les asista en sus actividades diarias. Estos entornos requieren la instalación de sensores para la captura de datos. La utilización de videocámaras, con la riqueza en los datos que ofrecen, en entornos privados haría posible la creación de servicios AAL orientados hacia el cuidado de las personas como, por ejemplo, la detección de accidentes en el hogar, detección temprana de problemas cognitivos y muchos otros. Sin embargo, dada la sencilla interpretación de imágenes por las personas, esto plantea problemas éticos que afectan a la privacidad. En este trabajo se propone una solución para poder hacer uso de videocámaras en entornos privados con el objetivo de dar soporte a las personas y habilitar así el desarrollo de servicios de la vida asistida por el entorno en un hogar inteligente. En concreto, se propone la protección de la privacidad en aquellos servicios AAL de monitorización que requieren acceso al vídeo por parte de un cuidador, ya sea profesional o informal. Esto sucede, por ejemplo, cuando se detecta un accidente en un sistema de monitorización y ese evento requiere la confirmación visual de lo ocurrido. Igualmente, en servicios AAL de telerehabilitación puede ser requerida la supervisión por parte de un humano. En este tipo de escenarios es fundamental proteger la privacidad en el momento en que se esté accediendo u observando el vídeo. Como parte de este trabajo se ha llevado a cabo el estudio del estado de la cuestión en la cual se han revisado los métodos de protección de la privacidad visual presentes en la literatura. Esta revisión es la primera en realizar un análisis exhaustivo de este tema centrándose, principalmente, en los métodos de protección. Como resultado, se ha desarrollado un esquema de protección de la privacidad visual basado en el reconocimiento del contexto que permite adecuar el nivel de privacidad durante la observación cuando las preferencias del usuario coinciden con el contexto. La detección del contexto es necesaria para poder detectar en la escena las circunstancias en que el usuario demanda determinado nivel de privacidad. Mediante la utilización de este esquema, cada uno de los fotogramas que componen un flujo de vídeo en directo es modificado antes de su transmisión teniendo en cuenta los requisitos de privacidad del usuario. El esquema propuesto hace uso de diversas técnicas de modificación de imágenes para proteger la privacidad, así como de visión artificial para reconocer dicho contexto. Por tanto, en esta tesis doctoral se realizan diversas contribuciones en distintas áreas con el objetivo de llevar a cabo el desarrollo del esquema propuesto de protección de la privacidad visual. De este modo, se espera que los resultados obtenidos nos sitúen un paso más cerca de la utilización de videocámaras en entornos privados, incrementando su aceptación y haciendo posible la implantación de servicios AAL basados en visión artificial que permitan aumentar la autonomía de las personas en situación de dependencia.

En la presente Tesis se proponen soluciones para aliviar el alto coste, en rendimiento y consumo, de las comunicaciones intra-chip a través de los alambres globales. En concreto, se propone utilizar redes heterogéneas que permiten una mejor adaptación a las necesidades de los diferentes tipos de mensajes de coherencia.Nuestra primera propuesta consiste en dividir las respuestas con datos en un mensaje corto crítico, enviado usando enlaces de baja latencia, y un mensaje largo no crítico enviado usando enlaces de bajo consumo. La segunda propuesta utiliza la compresión de direcciones en el contexto de una red de interconexión heterogénea que permite la compresión de mayoría de los mensajes críticos en unos pocos bytes, siendo transmitidos usando enlaces de muy baja latencia. Finalmente, se explora el uso de la prebúsqueda por hardware para aliviar los problemas derivados de las altas latencias de los enlaces globales. / In this thesis we propose different ways to alleviate the high cost, in terms of performance and power consumption, of the intra-chipcommunications using global wires. In particular, we considerheterogeneous networks to obtain a better match between thenetwork-on-chip and the needs of the different types of coherencemessages.Our first contribution proposes the partitioning of reply messages with data into a short critical message, which is sent using low-latency links, as well as a long non-critical message sent using low-power links. The second contribution exploits the use of address compression in the context of a heterogeneous interconnect to allow most of the critical messages to be compressed in a few bytes and transmitted using very low latency links. Finally, we explore the use of heterogeneous networks in the context of hardware prefetching to alleviate the problems caused by high latencies of global links.

La visión por computador es una rama de la inteligencia artificial que desarrolla tanto la teoría como la tecnología necesarias para emular la percepción visual humana. Su principal objetivo es construir sistemas artificiales capaces de interpretar escenas naturales o datos multidimensionales. La reconstrucción de la forma tridimensional de objetos reales es un campo muy importante dentro de la visión por computador y es de aplicación, entre otras, en disciplinas tan dispares como la ingeniería inversa, la navegación automática o la inspección y el control automáticos de calidad.En esta tesis se presenta un caso de estudio de la utilización de técnicas de visión por computador en el análisis, diseño e implementación de un sistema para la reconstrucción tridimensional de la superficie de objetos con restricciones de tiempo real. El estudio se centra en la inspección automática de la calidad de productos laminados en la industria del acero. La evaluación de la calidad de estos productos, denominados bandas de acero, requiere, además de otros análisis, la medición de su planitud. Esta medición se puede obtener a partir de una reconstrucción tridimensional de la forma de la banda.La planitud es una característica que indica el grado de aproximación de la superficie de un objeto a una superficie totalmente plana. Un proceso de laminación incorrecto genera tensiones internas en el acero que se traducen en defectos de planitud en la banda laminada.Hace algunos años la medición de la planitud se realizaba de forma manual por un operador de la instalación industrial. Para medir la planitud de una banda de forma manual se detiene su avance por la instalación y se mide la longitud de un intervalo concreto de su superficie así como la diferencia entre su punto más bajo y su punto más alto. En realidad, se miden la longitud y la amplitud de onda que forma la superficie de la banda. Esta tarea es extremadamente tediosa y consume un tiempo excesivo, por lo que sólo se puede obtener un conjunto reducido de medidas de cada producto. A partir de estas medidas se pueden inferir el tipo y la magnitud del defecto de planitud. La creciente demanda en la calidad de acabado de productos laminados y los exigentes requisitos de productividad actuales en la industria del acero hacen inviable la inspección de un producto de forma manual.La medición de la planitud de una banda de forma automatizada se basa en la comparación de la longitud de varias fibras de su superficie. Si la banda es totalmente plana, todas las medidas de longitud serán iguales. En caso contrario, las diferencias entre estas longitudes se observarán como defectos de planitud.La automatización del proceso de medición de la planitud en entornos industriales es un campo de trabajo relativamente reciente. Según el principio de funcionamiento utilizado para obtener las medidas de longitud de la superficie de la banda, los sistemas de medición de planitud se pueden clasificar en mecánicos u ópticos.En el trabajo realizado se presenta un estudio exhaustivo sobre el concepto de la planitud y su medición en productos laminados, así como una revisión de los sistemas industriales más relevantes de medición de planitud. Además, se describen las técnicas de visión por computador aplicables a la reconstrucción tridimensional de la superficie de productos laminados. También se presenta el diseño de un sistema de medición de planitud de bandas de acero basado en la técnica de triangulación óptica por láser.Dada la enorme dificultad para generar datos sintéticos adecuados y la imposibilidad de repetición del proceso de producción industrial se han evaluado diversos algoritmos de compresión de vídeo en tiempo real con objeto de almacenar la información de entrada al sistema. A partir de esta evaluación se ha desarrollado una herramienta de grabación y reproducción de vídeo comprimido en tiempo real que permite realizar pruebas off-line con datos reales así como validar el diseño del sistema. Además, también permite generar una base de datos que representa el amplio rango de condiciones superficiales que puede presentar una banda de acero.Con el objetivo de extraer la proyección del patrón láser de la escena de formarobusta y precisa se analizan las técnicas existentes y se estudia su aplicabilidad en un entorno hostil. Las técnicas descritas en la literatura se centran principalmente en la precisión de la detección del láser, siendo poco robusta su utilización en un entorno industrial, por lo que se diseña un método que garantice la extracción del patrón láser en condiciones adversas. El método propuesto se divide en dos fases. En primer lugar se realiza un proceso de búsqueda del láser en reposo aplicando criterios de búsqueda local. En segundo lugar, basándose en la información obtenida en la fase anterior, se realiza un proceso de búsqueda global sobre la superficie de la banda. Esta segunda fase consiste en un proceso de ajuste de segmentos curvos basado en una técnica de división y unión de regiones.La validación del sistema de medición de planitud se realiza indirectamente mediante la precisión lograda en el proceso de reconstrucción de la forma tridimensional de la banda. Los resultados relativos a la medición de planitud han sido obtenidos con datos reales procedentes de la industria del acero.

El trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral aborda el uso de algoritmos de inteligencia artificial y su aplicación en los sistemas de ayuda para la toma de decisiones en enfermedades de diagnóstico complejo. La dificultad en la gestión clínica de dichas enfermedades requiere un trabajo en conjunto (área de salud e ingeniería informática) y un intercambio de conocimientos, experiencias e información que permita obtener mejores resultados en el proceso de atención de los enfermos. La creación de sistemas que contribuyan en la toma de decisiones tiene como propósito mejorar la calidad de los procesos médico-asistenciales en la predicción y clasificación de enfermedades buscando enriquecer el cuidado de los pacientes. Dichos sistemas de ayuda tienen tres componentes fundamentales: base de datos (información del paciente), algoritmos de inteligencia artificial y usuarios (médicos, personal asistencial, etc.). La integración de los componentes mencionados trae mejoras en la atención de los pacientes, la reducción de errores médicos, diagnósticos y protocolos clínicos más acertados, agilidad en los procesos, prevención de eventos adversos, entre otros. Dada la gran variedad de datos que se recogen en la historia clínica, extraer conocimiento de ellos es una tarea muy difícil de realizar con los métodos tradicionales. Por este motivo se han incorporado redes neuronales artificiales, redes bayesianas y árboles de decisión en el campo médico, logrando importantes contribuciones. En esta tesis doctoral estos modelos se han utilizado en la clasificación del riesgo en cirugía cardíaca y en la predicción de la mortalidad hospitalaria. Los modelos han sido evaluados teniendo en cuenta su precisión, sensibilidad, especificidad. Tales clasificadores son sensibles cuando los datos presentan un alto contenido de ruido, datos incompletos, duplicidad de las variables, texto, amplio rango de magnitudes, etc. Para solucionar estos problemas, se han utilizado herramientas para el preprocesado de los datos, como la normalización, discretización e imputación de datos. Cuando estas fueron aplicadas se observó una mejora en los resultados. Otra dificultad que tienen las bases de datos médicas es la alta dimensionalidad. Por lo tanto, se ha optado por la aplicación de técnicas de selección de características principales y por el análisis de cada una de las variables para evitar la duplicidad de la información. Estas técnicas han mejorado notablemente el desempeño de los clasificadores. En cuanto a los algoritmos utilizados en este trabajo se ha evidenciado un buen resultado en la clasificación de enfermedades y en la predicción de la mortalidad hospitalaria. Para clasificar el riesgo de cirugía cardíaca pediátrica en tres categorías (alto, medio y bajo) se han implementado el perceptrón multicapa, mapas autoorganizados, redes de función de base radial y árboles de decisión. Los resultados muestran que las redes neuronales presentan un buen desempeño con una precisión entre el 81.7% y 99.8%, mientras que los árboles de decisión produjeron errores más elevados en la clasificación. Una adecuada clasificación del riesgo quirúrgico permite al personal médico y asistencial mejorar el plan de atención y por lo tanto reducir las posibles complicaciones y el riesgo de muerte. Teniendo en cuenta esto, los árboles de decisión no son los más adecuados para la clasificación del riesgo, sin embargo presentan excelentes resultados cuando se trata de un resultado binario. Los algoritmos usados para la predicción de la mortalidad hospitalaria de los pacientes operados de reparación abierta de aneurisma de aorta abdominal han sido el perceptrón multicapa, las redes de función de base radial y las redes bayesianas. Esta parte de la investigación fue desarrollada en dos fases: en la primera fase, la implementación se llevó a cabo utilizando todas las variables de la base de datos. En la segunda fase, se emplearon técnicas de selección de características principales. Los resultados generales respecto a la precisión de los algoritmos en las dos fases fueron entre 91.2% y 96.4%. La diferencia de las pruebas radica en los valores de sensibilidad y especificidad, pues en la primera fase la sensibilidad y especificidad muestran valores entre 52.1% y 72% y entre 92.6% y 97%, respectivamente. En la segunda fase, en la cual se aplicó un método de selección de características y una combinación de todos los algoritmos, se observó un aumento en la sensibilidad con valores entre el 65.5% y 86.8%, es decir, que los algoritmos mejoraron la capacidad para predecir la mortalidad hospitalaria. El algoritmo que mostró el mejor resultado en todas las pruebas realizadas fue la red bayesiana. El desarrollo de un sistema de ayuda para la toma de decisiones clínicas basado en los métodos de aprendizaje mencionados en este trabajo podría mejorar la clasificación del riesgo en cirugía y la predicción de mortalidad hospitalaria. Además, el sistema sería útil para que los médicos y el personal asistencial puedan evaluar a tiempo el impacto de las decisiones y dar prioridad a las actividades de prevención de eventos adversos.