Human body analysis is one of the broadest areas within the computer vision field. Researchers have put a strong effort in the human body analysis area, specially over the last decade, due to the technological improvements in both video cameras and processing power. Human body analysis covers topics such as person detection and segmentation, human motion tracking or action and behavior recognition. Even if human beings perform all these tasks naturally, they build-up a challenging problem from a computer vision point of view. Adverse situations such as viewing perspective, clutter and occlusions, lighting conditions or variability of behavior amongst persons may turn human body analysis into an arduous task. In the computer vision field, the evolution of research works is usually tightly related to the technological progress of camera sensors and computer processing power. Traditional human body analysis methods are based on color cameras. Thus, the information is extracted from the raw color data, strongly limiting the proposals. An interesting quality leap was achieved by introducing the multiview concept. That is to say, having multiple color cameras recording a single scene at the same time. With multiview approaches, 3D information is available by means of stereo matching algorithms. The fact of having 3D information is a key aspect in human motion analysis, since the human body moves in a three-dimensional space. Thus, problems such as occlusion and clutter may be overcome with 3D information. The appearance of commercial depth cameras has supposed a second leap in the human body analysis field. While traditional multiview approaches required a cumbersome and expensive setup, as well as a fine camera calibration; novel depth cameras directly provide 3D information with a single camera sensor. Furthermore, depth cameras may be rapidly installed in a wide range of situations, enlarging the range of applications with respect to multiview approaches. Moreover, since depth cameras are based on infra-red light, they do not suffer from illumination variations. In this thesis, we focus on the study of depth data applied to the human body analysis problem. We propose novel ways of describing depth data through specific descriptors, so that they emphasize helpful characteristics of the scene for further body analysis. These descriptors exploit the special 3D structure of depth data to outperform generalist 3D descriptors or color based ones. We also study the problem of person detection, proposing a highly robust and fast method to detect heads. Such method is extended to a hand tracker, which is used throughout the thesis as a helpful tool to enable further research. In the remainder of this dissertation, we focus on the hand analysis problem as a subarea of human body analysis. Given the recent appearance of depth cameras, there is a lack of public datasets. We contribute with a dataset for hand gesture recognition and fingertip localization using depth data. This dataset acts as a starting point of two proposals for hand gesture recognition and fingertip localization based on classification techniques. In these methods, we also exploit the above mentioned descriptor proposals to finely adapt to the nature of depth data.%, and enhance the results in front of traditional color-based methods. / L’anàlisi del cos humà és una de les àrees més àmplies del camp de la visió per computador. Els investigadors han posat un gran esforç en el camp de l’anàlisi del cos humà, sobretot durant la darrera dècada, degut als grans avenços tecnològics, tant pel que fa a les càmeres com a la potencia de càlcul. L’anàlisi del cos humà engloba varis temes com la detecció i segmentació de persones, el seguiment del moviment del cos, o el reconeixement d'accions. Tot i que els essers humans duen a terme aquestes tasques d'una manera natural, es converteixen en un difícil problema quan s'ataca des de l’òptica de la visió per computador. Situacions adverses, com poden ser la perspectiva del punt de vista, les oclusions, les condicions d’il•luminació o la variabilitat de comportament entre persones, converteixen l’anàlisi del cos humà en una tasca complicada. En el camp de la visió per computador, l’evolució de la recerca va sovint lligada al progrés tecnològic, tant dels sensors com de la potencia de càlcul dels ordinadors. Els mètodes tradicionals d’anàlisi del cos humà estan basats en càmeres de color. Això limita molt els enfocaments, ja que la informació disponible prové únicament de les dades de color. El concepte multivista va suposar salt de qualitat important. En els enfocaments multivista es tenen múltiples càmeres gravant una mateixa escena simultàniament, permetent utilitzar informació 3D gràcies a algorismes de combinació estèreo. El fet de disposar d’informació 3D es un punt clau, ja que el cos humà es mou en un espai tri-dimensional. Això doncs, problemes com les oclusions es poden apaivagar si es disposa de informació 3D. L’aparició de les càmeres de profunditat comercials ha suposat un segon salt en el camp de l’anàlisi del cos humà. Mentre els mètodes multivista tradicionals requereixen un muntatge pesat i car, i una celebració precisa de totes les càmeres; les noves càmeres de profunditat ofereixen informació 3D de forma directa amb un sol sensor. Aquestes càmeres es poden instal•lar ràpidament en una gran varietat d'entorns, ampliant enormement l'espectre d'aplicacions, que era molt reduït amb enfocaments multivista. A més a més, com que les càmeres de profunditat estan basades en llum infraroja, no pateixen problemes relacionats amb canvis d’il•luminació. En aquesta tesi, ens centrem en l'estudi de la informació que ofereixen les càmeres de profunditat, i la seva aplicació al problema d’anàlisi del cos humà. Proposem noves vies per descriure les dades de profunditat mitjançant descriptors específics, capaços d'emfatitzar característiques de l'escena que seran útils de cara a una posterior anàlisi del cos humà. Aquests descriptors exploten l'estructura 3D de les dades de profunditat per superar descriptors 3D generalistes o basats en color. També estudiem el problema de detecció de persones, proposant un mètode per detectar caps robust i ràpid. Ampliem aquest mètode per obtenir un algorisme de seguiment de mans que ha estat utilitzat al llarg de la tesi. En la part final del document, ens centrem en l’anàlisi de les mans com a subàrea de l’anàlisi del cos humà. Degut a la recent aparició de les càmeres de profunditat, hi ha una manca de bases de dades públiques. Contribuïm amb una base de dades pensada per la localització de dits i el reconeixement de gestos utilitzant dades de profunditat. Aquesta base de dades és el punt de partida de dues contribucions sobre localització de dits i reconeixement de gestos basades en tècniques de classificació. En aquests mètodes, també explotem les ja mencionades propostes de descriptors per millor adaptar-nos a la naturalesa de les dades de profunditat.

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

Problemas de interacciónn fluido-estructura representan hoy en día un gran desafío en diferentes áreas de ingeniería y ciencias aplicadas. Dentro de las aplicaciones en ingeniería civil, el flujo del viento y los movimientos estructurales pueden ocasionar inestabilidades aeroelásticas en construcciones tales como puentes de gran luz, rascacielos y cubiertas estructurales ligeras. Por otro lado, aplicaciones en biomecánica están interesadas en el estudio de hemodinámica, por ejemplo: flujo sanguíneo en arterias, donde grandes deformaciones de las venas interactúan con fluidos.En la parte estructural de este trabajo, una nueva metodología para el análisis geométricamente no-lineal ortótropo de membranas y láminas sin grados de libertad de rotación es desarrollada basándose en la orientación de la fibra principal del material. Una consecuencia directa de la estrategia de orientación de fibras es la posibilidad de analizar membranas y láminas pretensadas cuya configuración inicial está fuera del plano. Por otra parte, ya que la teoría convencional de membranas permite que existan tensiones de compresión, un modelo de arrugado basado en la modificación de la ecuación constitutiva se presenta. El desarrollo estructural es modelado con elementos finitos provenientes de las ecuaciones de la elastodinámica.La parte de fluidos de este trabajo está gobernada por las ecuaciones de Navier-Stokes para flujos incompresibles, las cuales son modeladas por interpolaciones estabilizadas de elementos finitos. Ya que la solución monolítica de dichas ecuaciones tiene la desventaja que consumen mucho tiempo en la solución de grandes sistemas de ecuaciones, el método de pasos fraccionados se usa para aprovechar las ventajas computacionales que brinda gracias al desacoplamiento de la presión del campo de las velocidades. Además, el esquema α-generalizado para integración en el tiempo para fluidos es adaptado para que se use con la t´ecnica de los pasos fraccionados.El problema de interacción fluido-estructura es formulado como un sistema de tres campos: la estructura, el fluido y el movimiento de la malla. El movimiento del dominio del fluido es tomado en cuenta mediante la formulación arbitraria Lagrangiana-Euleriana, para la cual se usan dos estrategias de movimiento de malla.Para el acoplamiento entre el fluido y la estructura se usa un acoplamiento fuerte por bloques usando la técnica de Gauss-Seidel. Debido a que la interacción entre el fluido y la estructura es altamente no-lineal, se implementa el método de relajación basado en la técnica de Aitken, la cual acelera la convergencia del problema.Finalmente varios problemas se presentan en los diferentes campos, los cuales verifican la eficiencia de los algoritmos implementados. / Nowadays, fluid-structure interaction problems are a great challenge of different fields in engineering and applied sciences. In civil engineering applications, wind flow and structural motion may lead to aeroelastic instabilities on constructions such as long-span bridges, high-rise buildings and light-weight roof structures. On the other hand, biomechanical applications are interested in the study of hemodynamics, i.e. blood flow through large arteries, where large structural membrane deformations interact with incompressible fluids.In the structural part of this work, a new methodology for the analysis of geometrically nonlinear orthotropic membrane and rotation-free shell elements is developed based on the principal fiber orientation of the material. A direct consequence of the fiber orientation strategy is the possibility to analyze initially out-ofplane prestressed membrane and shell structures. Additionally, since conventional membrane theory allows compression stresses, a wrinkling algorithm based on modifying the constitutive equation is presented. The structure is modeled with finite elements emerging from the governing equations of elastodynamics.The fluid portion of this work is governed by the incompressible Navier-Stokes equations, which are modeled by stabilized equal-order interpolation finite elements.Since the monolithic solution for these equations has the disadvantage that take great computer effort to solve large algebraic system of equations, the fractional step methodology is used to take advantage of the computational efficiency given by the uncoupling of the pressure from the velocity field. In addition, the generalized-α time integration scheme for fluids is adapted to be used with the fractional step technique.The fluid-structure interaction problem is formulated as a three-field system: the structure, the fluid and the moving fluid mesh solver. Motion of the fluid domain is accounted for with the arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation with two different mesh update strategies. The coupling between the fluid and the structure is performed with the strong coupling block Gauss-Seidel partitioned technique.Since the fluid-structure interaction problem is highly nonlinear, a relaxation technique based on Aitken's method is implemented in the strong coupling formulation to accelerate the convergence.Finally several example problems are presented in each field to verify the robustness and efficiency of the overall algorithm, many of them validated with reference solutions.

El estudio de la mecánica computacional de fallo ha ganado creciente popularidad en los últimos años. Modelizar el comportamiento poscrítico de estructuras puede alcanzar un grado elevado de complejidad, debido a la multiplicidad de aspectos que es necesario considerar. Desde el punto de vista de la mecánica de medios continuos, el fallo está estrechamente relacionado con la localización de deformaciones. Se dice que un sólido presenta localización de deformaciones cuando existen bandas en las cuales se producen modos de deformación intensos. Este fenómeno ha sido clasificado como una inestabilidad material, ya que está ligado a modelos constitutivos con ablandamiento o con reglas de flujo no asociadas. Un enfoque fenomenológico del problema de localización de deformaciones permite su estudio mediante saltos en el campo de desplazamientos, conocidos como discontinuidades fuertes. Este trabajo propone varias técnicas numéricas que contribuyen a la modelización de discontinuidades fuertes en sólidos bidimensionales dentro del marco de la mecánica de medios continuos. Con este objetivo, se hace una revisión sistemática de los fundamentos teóricos con los cuales se puede emprender el estudio del fallo en estructuras sin salir del ámbito de la mecánica de medios continuos clásica. En primer lugar, mediante el análisis de bifurcación discontinua, se establecen las condiciones necesarias para la aparición de discontinuidades en sólidos. El presente trabajo trata sobre la simulación de la localización de deformaciones en sólidos mediante el método de las discontinuidades fuertes (Strong Discontinuity Approach). Las principales hipótesis de trabajo son la de régimen cuasiestático isotérmico, la de pequeñas deformaciones y rotaciones, y la de homogeneidad e isotropía del material.Esta teoría se desarrolla en el ámbito de la Mecánica de Medios Continuos. En lo referente a la modelización constitutiva, se adopta un modelo de daño isótropo y sus variantes, los cuales pueden utilizarse en la simulación de materiales cuasifrágiles como el hormigón, los cerámicos, las rocas y el hielo.Se presentan los ingredientes básicos de la formulación de elementos finitos con discontinuidades internas en tres dimensiones, además de los ingredientes para la transición del régimen de discontinuidades débiles al de discontinuidades fuertes (modelo de ancho de banda variable).Por otra parte, se realiza un detallado análisis de bifurcación material, el cual nos proporciona la información necesaria para la propagación de discontinuidades.Finalmente, se proponen dos posibles algoritmos de trazado de la discontinuidad.Varios ejemplos numéricos demuestran la eficiencia del método. Además, su concordancia con resultados experimentales se pone de relieve. Este trabajo proporciona las herramientas necesarias para la extensión del método al estudio de ejemplos más complejos que requieren, a su vez, modelos constitutivos más complejos.

The study of the brain using diffuse optical methods has progressed rapidly in the recent years. The possibility of studying the cerebral microvasculature in addition to the portability and low cost of these devices, opens a new door in the study of the cerebral pathophysiologies. In this scenario, the study of the cerebral hemodynamics of ischemic patients might allow neurologists to improve the performance of the early medical treatments and therapies used up to date. In this thesis, I have conducted a pioneering study where cerebral autoregulation was studied in ischemic stroke patients during the early hours after the stroke. Similarly, some other diseases can provoke impaired cerebral autoregulation in the long term. One of them is the obstructive sleep apnoea (OSA) syndrome which can provoke a risk increase of developing cardiovascular diseases and ischemic stroke. In this regards, I have carried out the largest to date study conducted with Diffuse Correlation Spectroscopy in patients with OSA and I have compared their hemodynamical response to an orthostatic challenge test with a control group of healthy subjects. Finally, primary animal research is of great importance in the development of new therapies, medical strategies and in the validation of new drugs with the aim of reducing the high mortality and slow and costly recovery of ischemic patients. In consequence, many models of ischemia are reproduced in rodents where the cerebral hemodynamics are studied using expensive equipments such as MRI scanners or by techniques that involve invasive approaches like for instance removing the scalp or thinning the skull which in turn cause a worsening in the living conditions of the animal. In relation to this point, I have developed a fully non-invasive method to study the cerebral hemodynamics in rats that allows to proceed with longitudinal studies and which I hope will be useful in future biomedical research. / El estudio del cerebro mediante métodos de óptica difusa ha progresado rápidamente en los últimos años. La posibilidad de estudiar la microvasculatura cerebral junto con la portabilidad y bajo coste de estos equipos abre una ventana de posibilidades para el estudio de fisiopatologías cerebrales. En este escenario, el estudio de la hemodinámica cerebral en pacientes isquémicos podría permitir a los neurólogos mejorar el rendimiento de los tratamientos médicos tempranos y de las terapias utilizadas hasta la fecha. En esta tesis he realizado un estudio pionero al respecto, estudiando por primera vez la hemodinámica cerebral de pacientes isquémicos durante las primeras horas después del infarto cerebral. De igual manera, existen otro tipo de enfermedades que pueden desarrollar un empeoramiento a largo plazo de la autorregulación cerebral. Entre ellas destaca el síndrome de apnea obstructivo (SAO), debido al cual el empeoramiento de la hemodinámica cerebral provoca un aumento del riesgo directo de sufrir enfermedades cardiovasculares y un aumento del riesgo de infarto cerebral. Al respecto, he llevado a cabo el mayor estudio hasta la fecha con pacientes con SAO donde he estudiado su respuesta hemodinámica a un test ortostático comparado estos resultados con los obtenidos en grupo de control de pacientes sanos. Finalmente, la investigación primaria en animales es de vital importancia en el desarrollo de nuevas terapias y estrategias médicas así como en la validación de nuevos fármacos que reduzcan la alta mortalidad y la lenta y costosa recuperación de los pacientes isquémicos. En consecuencia, numerosos modelos de isquemia son reproducidos en roedores donde se estudia la hemodinámica cerebral mediante caros equipos como los resonadores magnéticos o mediante técnicas que implican someter al animal a cierta cirugía en la que se le sustrae el cuero cabelludo o se le lima el cráneo. En relación con esto último, he desarrollado un método completamente no invasivo para estudiar la hemodinámica cerebral en ratas y que permite llevar a cabo estudios longitudinales, el cual espero sea utilidad en futuras investigaciones biomédicas.

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

Water delivery systems usually work in continuous way based on some prescribed flow conditions and user's needs . However there are situations in which abrupt changes in the operating conditions must be carried on. Typical examples are the alternative closing of a canal system during the non-demand periods to save water for other purposes as energy production, and the closure of a canal due the danger of water pollution in the supplier river. Closure of a canal means setting zero flow conditions by closing the gates along the canal, while maintaining specific water levels under the maximum allowed value. The closure operation requires a progressive and well planned set of actions to avoid overtopping and cracking in the canal lining, which can involve both economic and environmental issues. The opening operation involves restarting the canal to its normal operating condition from zero flow condition. This thesis is devoted to develop a supervised decentralized predictive control strategy for solving the problems related to the closure and opening operations of canal systems. The evaluation is fulfilled by means of numerical simulation on two cases of study in a variety of operating scenarios. The strategy is also experimentally validated through real-time implementation in a laboratory canal available in the Technical University of Catalonia (canal PAC-UPC). The control strategy has been developed in a two-level architecture: (i) a set of individual decentralized downstream water level predictive controllers, which are formulated via an optimal control problem under dynamic constraints and implemented by upstream local gates; and (ii) a supervising level to achieve the compromise of fast execution with smooth gate trajectories and water level regulation, even in the presence of disturbances. The simulation and real-time implementation scenarios have demonstrated that the proposed strategy is convenient for closure and opening of irrigation canals. Problems presented when the canal closure operations are not managed properly, such as overtopping, have been avoided in all the scenarios. / Los canales de riego usualmente trabajan en forma continua bajo unas condiciones de flujo prescritas y acorde a las necesidades de agua de los usuarios. Sin embargo hay situaciones en las cuales se presentan cambios abruptos en las condiciones de operación. Un típico ejemplo es la alternativa de cierre durante los periodos de inactividad de los regantes. Dicho cierre tiene por objeto el ahorro de agua para otros propósitos, como puede ser la producción de energía. Otro ejemplo es la necesidad de cierre de un canal ante la presencia de un vertido de contaminantes aguas arriba en la fuente abastecedora de agua. El cierre de un canal requiere cerrar de forma progresiva y suave las compuertas de todo el canal, evitando desbordamientos y manteniendo unos calados de seguridad en los diferentes tramos del canal hasta llegar a una condición de caudal cero. La violación de los calados máximos puede producir inundaciones y pérdidas de agua innecesarias. La reducción de los niveles de agua por debajo de los calados mínimos permitidos puede causar daños en la estructura física del canal. Esta tesis se centra en el desarrollo de una estrategia de control predictivo descentralizado supervisado para gestionar de forma automática las operaciones de cierre y apertura de canales de riego. La evaluación de la estrategia se lleva a cabo mediante la simulación numérica en dos casos de estudio. Dicha evaluación se completa mediante experimentos en tiempo real realizados en un canal de laboratorio existente en la Universitat Politècnica de Catalunya (canal PAC-UPC). La estrategia de control se ha desarrollado con una arquitectura de dos niveles: (i) un conjunto de controladores individuales descentralizados para el control de niveles de aguas abajo, cuya formulación se plantea como un problema de control óptimo con restricciones dinámicas; y (ii) un nivel de supervisión encargado de alcanzar el compromiso de una ejecución rápida del proceso de cierre (o apertura) con movimientos suaves de compuerta y de una regulación de los niveles de agua dentro de los márgenes de consigna, incluso en presencia de perturbaciones. Tanto los escenarios de simulación como los de implementación en tiempo real, han demostrado que la estrategia propuesta en esta tesis es satisfactoria para operaciones de cierre y apertura de canales de riego. En efecto, la estrategia de control ha sido capaz de evitar problemas, como por ejemplo el desbordamiento, que se presentan cuando la operación de cierre de un canal no se realiza adecuadamente.

Se ha llevado a cabo un estudio con el fin de observar diferencias en el comportamiento de fluencia en caliente de los cobres refinados al fuego con una pureza de 99.9%, dicho estudio ha permitido proponer modelos para predecir la curva esfuerzo-deformación y para predecir el tamaño de grano recristalizado dinámicamente. Los cobres refinados al fuego con una pureza de 99.9% se caracterizan por tener una composición residual de varios otros elementos, en algunos casos hasta 1000ppm. En los cobres con por lo menos 99.9% de pureza que tengan pocos elementos residuales, las diferencias observadas durante la fluencia en caliente se atribuyen a las interacciones entre átomos disueltos y dislocaciones, específicamente las interacciones con oxígeno intersticial. En el cobre electrolítico, el cual contiene principalmente altos contenidos de oxigeno, las diferencias de fluencia se atribuyen a cantidades cada vez mayores de partículas de Cu2O. Este trabajo más bien demuestra que las diferencias de esfuerzo encontradas en cobres refinados al fuego con una pureza de 99.9% son debidas a la cantidad de oxígeno residual, el cual forma finos precipitados a temperaturas intermedias que refuerzan la matriz metálica. A pesar del bajo contenido en oxígeno en los cobres estudiados (26-62ppm) se han caracterizado precipitados de Cu2O y se han utilizado teorías del endurecimiento por precipitación que han indicado que los precipitados de Cu2O eran los responsables del incremento en resistencia. Las interacciones entre átomos de oxígeno y dislocaciones son poco probables que causen un retro esfuerzo adicional a temperaturas superiores a los 600º C, en donde se ha llevado a cabo este trabajo. Se han comprimido tres cobres con 26, 46 y 62ppm de oxígeno a unas velocidades de deformación de 0.3s-1, 0.1s-1, 0.03s-1, 0.01s-1, 0.003s-1 y 0.001s-1 y a unas temperaturas desde 600º C hasta 950º C en intervalos de 50º. En este trabajo se presenta evidencia de cómo bajos contenidos de oxígeno en cobres 99.9% puros pueden afectar el comportamiento esfuerzo-deformación y el tamaño de grano recristalizado dinámicamente.Además de haber encontrado el elemento y el mecanismo responsable del retro esfuerzo adicional también se presenta un algoritmo matemático para estudiar y predecir las oscilaciones de esfuerzo durante la recristalización dinámica de pico múltiple. Intentos anteriores utilizando Modelos Computarizados de Monte Carlo, Modelos de Autómatas Celulares o Modelos Matemáticos para la Recristalización Dinámica (DRX) no predicen las oscilaciones de esfuerzo de materiales reales y su tiempo de computo los hace inviables para procesos de simulación industrial. El nuevo Modelo de Avrami con Coseno Amortiguado para la DRX es capaz de predecir la transición de DRX de pico simple a DRX de pico múltiple. Además el nuevo modelo define el esfuerzo de estado estable sin tener que escoger un valor de una curva experimental que posiblemente no haya alcanzado un estado estable. Otra contribución del nuevo modelo es que demuestra que las oscilaciones son completamente predecibles en términos de la velocidad de deformación y la temperatura, una característica que antes se había dicho ser improbable. El nuevo modelo para la DRX junto con un modelo modificado de Voce-Kocks para la restauración dinámica han sido exitosamente implementados para predecir la fluencia en caliente.Adicionalmente a las anteriores contribuciones este trabajo también da a conocer la relación que tiene el tamaño de grano recristalizado con la temperatura y la velocidad de deformación. Se asume que los cobres 99.9% puros, como los estudiados, tenderán a un tamaño de grano de estado estable el cual cuando esté a temperatura ambiente determinará las propiedades mecánicas del producto forjado.

El concentrador solar Fixed Mirror Solar Concentrator (FMSC) apareció en los años 70 con la finalidad de reducir costes en la producción de energía termoeléctrica. Este diseño consiste en un concentrador de reflector estacionario y foco móvil, presenta buena integrabilidad en cubiertas, y es capaz de alcanzar temperaturas entre 100 y 200ºC manteniendo una eficiencia aceptable. En esta tesis se expone una metodología para determinar el comportamiento del FMSC. Se ha desarrollado una herramienta de cálculo basada en el método de ray-tracing, que simula el trazado de los rayos solares en el sistema óptico. Con esta herramienta se ha analizado el comportamiento óptico y térmico del FMSC, y de la versión con espejos curvos Curved Slats Fixed Mirror Solar Concentrator (CSFMSC). Se ha realizado un análisis paramétrico para conocer la influencia de los distintos parámetros en el modificador de ángulo (IAM), y para obtener los diseños óptimos a una temperatura de 200ºC para tres climas en diferentes latitudes. Se han comparado los valores teóricos obtenidos mediante ray-tracing con dos prototipos ensayados, obteniendo un buen ajuste en ambos casos. Los ensayos han sido utilizados para determinar la curva de rendimiento de uno de los prototipos. Se ha hecho uso del método propuesto en la norma EN-12975-2:2006, combinado con valores de IAM obtenidos mediante ray-tracing. Se prueba que esta combinación puede ser útil para obtener la curva de rendimiento de colectores complejos con un modelo biaxial para el IAM. / The Fixed Mirror Solar Concentrator (FMSC) appeared during the 70s with the aim of reducing costs in the production of electricity in solar thermal power plants. This design consists of a concentrator with fixed reflector and moving receiver, has a very good integrability into building roofs and can reach temperatures between 100 and 200ºC with an acceptable efficiency. In this Thesis a methodology is presented for the determination of the behaviour of the FMSC. A simulation tool based on the forward ray-tracing method has been developed. The optical and thermal behaviour of the FMSC and its curved mirror variation called the Curved Slats Fixed Mirror Solar Concentrator (CSFMSC), have been analyzed with this tool. A parametric analysis has been carried out in order to determine the influence of the different parameters on the Incidence Angle Modifier (IAM) and to determine the optimal designs at a temperature of 200ºC for three different climates at different latitudes. The theoretical values obtained from the ray-tracing code have been compared with two experimental prototypes. The experimental and numerical results obtained show a good fit. The efficiency curve of one of the prototypes has been determined from the experimental tests. The methodology proposed in the norm EN-12975-2:2006 has been used in combination with IAM values obtained by ray-tracing. It has been shown that this combination can be effectively used to obtain the efficiency curve of complex collectors with a bi-axial IAM model.