Ingeniero Civil en Computación / El trabajo desarrollado durante este tema de memoria se enmarcó en el ámbito de experimentación física sobre sistemas de partículas. El objetivo fue diseñar y desarrollar una herramienta de visualización de sistemas de partículas en 3D, que permita manejar grandes volúmenes de datos, visualizarlos rápidamente y proveer controles de visualización. El Departamento de Física de esta Facultad realiza diversos experimentos y simulaciones computacionales de materiales granulares compuestos por miles o millones de partículas esféricas. Una buena herramienta de visualización de estas simulaciones permite a los investigadores realizar un análisis más riguroso y concluir correctamente sobre los experimentos. Las herramientas con que se contaba, previo a este trabajo, poseían falencias importantes que no permitían obtener el máximo provecho de las simulaciones. El trabajo realizado se dividió en cuatro etapas. La primera etapa consistió en recoger los requerimientos que debía satisfacer la aplicación para cumplir con los objetivos planteados. En base a los requerimientos tomados se comenzó la segunda etapa, diseñar la arquitectura del sistema. La arquitectura debió considerar un software creado previamente para monitorear las simulaciones, el cual establece la conexión con éstas y obtiene su información y datos relevantes. Un hito desafiante en esta etapa fue adaptar la herramienta disponible a los requerimientos pedidos. Como resultado de esta segunda etapa se obtuvo un diseño de la estructura del software utilizando el paradigma de programación orientada a objetos y utilizando diversos patrones de diseño a fin de mejorar la calidad del software. La tercera etapa consistió en implementar la aplicación. Para ello, se creó una interfaz de usuario adecuada a los requisitos y con herramientas de control que faciliten el uso de la aplicación. Luego se implementaron las funcionalidades disponibles en la interfaz, dentro de las cuales se encuentran: Rotar libremente la escena, distinguir partículas en base a su tipo y velocidad, graficar partículas de distinto radio, conectarse a distintas simulaciones, generar grabaciones de video y capturar imágenes de la visualización, entre otras. La última etapa consistió en testing y optimización. Se hicieron pruebas para medir la calidad de la aplicación, optimizando el software de acuerdo a los resultados obtenidos. Como resultado se obtuvo una aplicación robusta, extensible y fácil de usar, la cual permite visualizar simulaciones físicas de sistemas de alrededor de 500.000 partículas de manera eficiente y facilita el análisis de éstas.

Ingeniero Civil Mecánico / Actualmente existen equipos de extrusión de escritorio que producen filamento, pero trabajan sobrecalentando el material. En general los plásticos están destinados sólo a un ciclo térmico, por lo que no existe preocupación por la degradación producida en los plásticos a raíz de temperaturas excesivas. El propósito general de este trabajo consiste en diseñar una máquina capaz de tratar materiales termoplásticos disminuyendo su degradación, para generar a partir de éstos, un filamento útil para impresoras 3D FDM. Para lo anterior se estudia el comportamiento de una extrusora previamente diseñada y partes fabricadas, para luego definir la geometría general y las variables de diseño adecuadas para representar convenientemente un calefactor para extrusión de filamento. Una vez definida la forma general del calefactor, se modela a partir de diferencias finitas su campo de temperaturas en operación. Para lograr la solución de las ecuaciones desarrolladas, se programó una aplicación computacional en lenguaje Java, permitiendo su fácil utilización en la mayoría de los sistemas operativos existentes, desplegando la solución del problema sin un equipo computacional avanzado. Este programa resuelve un calefactor específico, con medidas, materiales y estado de operación particular, entregando el campo de temperaturas de todo el equipo. Posteriormente, se definieron variables de desempeño e índices de desempeño que caracterizan un calefactor en particular y su estado de operación, permitiendo su comparación frente a otros equipos y escenarios. Los índices de desempeño y el programa previamente desarrollado, se utilizaron para crear una nueva aplicación computacional que modifica variables de diseño y mide desempeño de las variaciones. Con esto, se estudiaron todas las variables geométricas que influyen en la creación del calefactor, para así, definir la forma final del equipo a través de la optimización de dichas variables. Se finaliza el trabajo con un diseño sencillo, de fácil construcción y optimizado, capaz de trabajar con distintos materiales termoplásticos. Para ello, se utilizan los mismos programas desarrollados para la optimización del diseño, para perfeccionar el funcionamiento para un material en específico.

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En este trabajo se han desarrollado varias aplicaciones, empleando técnicas de multiplexado, dentro de los campos del procesado óptico de imágenes y del reconocimiento óptico de objetos. En concreto, empleando el multiplexado en longitud de onda como técnica que permite aumentar el caudal de información que se puede transmitir a través de un sistema óptico, hemos extendido las capacidades de reconocimiento de un correlador óptico iluminado con luz blanca al caso de la invariancia a escala del objeto de referencia hasta una relación de escalas de 2:1. Esto ha sido posible ampliando el espectro de detección hasta el infrarrojo cercano y empleando un filtro sólo de fase que aumenta las capacidades discriminativas del sistema. El dispositivo experimental multiplexa cada factor de escala del objeto de referencia en una longitud de onda diferente, por lo que el color del pico de detección que aparece en el plano de correlación nos indica automáticamente el tamaño que presenta el objeto de referencia.Empleando el mismo correlador iluminado con luz blanca hemos propuesto una aplicación que permite obtener, en la misma posición espacial y en tiempo real, las diferentes componentes wavelet de una función de entrada. Cada componente wavelet aparece en un intervalo distinto de longitudes de onda, que se puede seleccionar variando las características del sistema. En el caso presentado en la memoria, una cámara CCD en color con tres canales cromáticos RGB permite separar de forma automática cada componente wavelet en un canal cromático diferente.También se ha propuesto un dispositivo experimental que permite detectar la distancia a la que se encuentra un objeto de referencia sobre una escena tridimensional. La localización se realiza en tiempo real sin necesidad de ningún procesado intermedio de la imagen de entrada. La idea en la que se basa esta aplicación es que un cambio en la distancia a la que se encuentra un objeto sobre una escena tridimensional implica únicamente un cambio en su escala en una proyección bidimensional de la escena.Por otra parte, empleando la técnica de multiplexado espacial, en la que se busca aumentar la cantidad de información codificada espacialmente en la imagen de entrada para transmitirla simultáneamente por el sistema, hemos propuesto un sistema óptico que permite reconocer objetos tridimensionales. El dispositivo experimental, que está basado en la técnica de la perfilometría por transformada de Fourier, es extraordinariamente sencillo, y la detección se puede obtener en tiempo real, ya que no se necesita ningún procesado intermedio de la imagen de entrada. La información tridimensional del objeto se introduce en el sistema utilizando los patrones distorsionados que se obtienen al proyectar una red uniforme sobre la superficie de los objetos tridimensionales. El sistema detecta la presencia de un objeto tridimensional de referencia correlacionando la información tridimensional codificada en estos patrones distorsionados. El dispositivo experimental se puede construir empleando tanto un correlador óptico de transformada conjunta como un correlador óptico de VanderLugt.Además, se han propuesto dos extensiones de las capacidades de reconocimiento de objetos tridimensionales de este sistema óptico. Por un lado, empleando el desarrollo en armónicos circulares, hemos extendido el reconocimiento de objetos tridimensionales al caso de la invariancia a rotaciones, por lo que podemos detectar, en tiempo real, un objeto tridimensional independientemente de la orientación que éste presente sobre la escena de entrada. Por otro lado, empleando tanto el desarrollo en armónicos radiales de Mellin como el filtro de armónicos logarítmicos radiales, hemos extendido el reconocimiento de objetos tridimensionales al caso de la invariancia a escala. Podemos detectar, también en tiempo real, un objeto tridimensional independientemente del tamaño que éste presente, dentro de unos ciertos límites, sobre la escena de entrada.Todos los resultados que se presentan a lo largo del trabajo han sido obtenidos experimentalmente, y demuestran el buen comportamiento de todas las aplicaciones y los sistemas propuestos. / Several applications in the fields of optical pattern recognition and image processing using multiplexing techniques have been presented. Using wavelength multiplexing, we have improved the detection capabilities of a white-light optical correlator that now detects simultaneously different scaled reference objects up to a magnification factor equal to 2. The color of the correlation peak indicates us directly the scale factor of the detected reference object. As an additional application, the same experimental setup permits to obtain, in real time, the different wavelet components of an input function, in the same spatial region, and each one codified in a different interval of wavelengths. The interval of wavelengths in which each wavelet component appears can be selected by changing some characteristics of the system. We have also presented a new full-optical system to localize a reference object in the three-dimensional space. The system multiplexes each different depth position in a different wavelength, and so, the color of the obtained correlation peak permits to know without confusedness the exact localization of the object in the three-dimensional scene.Additionally, using the spatial multiplexing technique, we have presented a new full-optical system to recognize three-dimensional objects. The detection process can be performed in real time, because no digital processing of the input image is needed. The optical system, that is based on the Fourier transform profilometry technique, can be implemented using a joint-transform correlator or a classical convergent correlator. We have also extended the recognition capabilities of the new introduced technique to obtain rotation-invariant three-dimensional object recognition, and scale-invariant three-dimensional object recognition.All the results we present have been obtained experimentally, and demonstrate the good performance of all the applications and proposed systems.

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En los métodos actuales de SLAM visual, los mapas son representados mediante landmarks puntuales. Como la observación de un landmark puntual entrega sólo información angular sobre la cámara, se debe estimar una matriz de covarianza que considere todos los puntos para poder converger a una escala global. Sin embargo, como la complejidad computacional asociada al trabajo con matrices de covarianza crece de una forma cuadrática respecto al número de landmarks, la cantidad máxima de puntos con los cuales se puede trabajar n tiempo real está limitada a unos cientos. En este trabajo se propone un sistema de SLAM visual basado en el uso de los denominados landmarks cuerpo rígido. Un landmark cuerpo rígido representa la pose completa 6D (posición y orientación) de un cuerpo rígido en el espacio, y la observación de uno de estos landmarks proporciona información completa acerca de la pose de una cámara móvil. Cada landmarks cuerpo rígido es creado a partir de un conjunto de N landmarks puntuales mediante el colapso de 3N componentes del estado en 7 nuevas componentes del estado, además de un conjunto de parámetros que describe la forma del landmark. Los landmark cuerpo rígido son representados y estimados usando puntocuaterniones, los cuales son introducidos en este trabajo. Mediante el uso de los landmarks cuerpo rígido, el tiempo de ejecución del sistema de SLAM puede reducirse hasta un 5.5% a medida que la cantidad de landmarks aumenta. El sistema SLAM propuesto es validado y simulado en secuencias de video reales. El método propuesto puede ser extendido a cualquier sistema de SLAM que se base en el uso de landmarks puntuales, incluyendo aquellos generados mediante sensores láser.

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Los métodos tradicionales de escaneo 3D requieren de un contacto físico directo con los objetos a escanear. En algunos casos demandan incluso la rotación y movimiento constante de estos, lo cual representa un riesgo para objetos frágiles como las piezas arqueológicas. Si ignoramos este factor de riesgo podemos causar daños irreparables y frustrar el proceso de documentación de estas. Por otro lado, existen técnicas de escaneo 3D sin contacto - pasivas que no requieren de una interacción directa con los objetos. Es por ello que se propone desarrollar un software que permita escanear piezas arqueológicas usando las técnicas de reconstrucción tridimensional mediante conceptos de visión artificial, aprendizaje de máquina, data augmentation y mallas poligonales. Para lograr nuestro cometido se parte de un set inicial de 962 huacos peruanos pre escaneados proporcionados por el grupo de Inteligencia Artificial PUCP. Con este conjunto de datos se genera una extenso volumen de imágenes los cuales son procesados y utilizados para el entrenamiento de un modelo de aprendizaje de máquina. Segundo, al obtener unos primeros resultados se propone llevar a cabo la técnica de data augmentation para extender nuestra data disponible, normalizarla, segmentarla y con ello entrenar múltiples modelos bajo 2 experimentos definidos. Todo ello nos permite mejorar los resultados de reconstrucción de objetos 3D considerando la alta variabilidad de huacos peruanos. Finalmente se implementa una interfaz gráfica la cual permite al usuario interactuar con el proyecto desarrollado. En conclusión, se logra desarrollar una herramienta de software que nos permite cargar videograbaciones reales de piezas arqueológicas (bajo ciertos parámetros establecidos), procesar los archivos, visualizar y descargar los resultados obtenidos como mallas poligonales (reconstrucciones 3D almacenados en el computador).

En esta tesis, se propone un conjunto de técnicas opto-digitales para la reconstrucción 3D y donde el color es asociado a piezas arqueológicas. Esto se realiza con el objetivo de obtener un método que permita preservar digitalmente el patrimonio cultural. Para obtener la reconstrucción digital, se proyectan franjas sinusoidales con el fin de codificar información de la topografía de la pieza. En cambio, para obtener el relieve policromado, se proyectan tres perfiles de luz constantes, debido a que la cámara utilizada es monocromática. Posteriormente, las imágenes registradas son procesadas digitalmente en el software MATLAB, el cual controla el proceso completo de reconstrucción 3D de las superficies incluyendo la textura y el color de la pieza. El trabajo se continúa con la reconstrucción a color de cuatro máscaras de diversos colores. Posteriormente para el afinamiento de las técnicas, se trabaja con dos objetos que corresponden a una réplica de un pequeño sarcófago de la cultura chachapoyas y un cántaro de la cultura mochica. Para cada reconstrucción digital, a color y completa, se rota sucesivamente el objeto en ángulos constantes hasta terminar una vuelta y todas las perspectivas digitalizadas en superficies 3D son finalmente acopladas. Por último, se comprueba que es posible generar una imagen a color usando una cámara monocromática y los resultados digitales presentan una forma y color similares a las muestras empleadas. / In the present thesis, a set of optical and digital techniques for the digital and color reconstruction of archaeological pieces is proposed. These are done with the aim to obtain a method that allows digital preserving of cultural heritage. The digital reconstruction is initiated by the projection of structured lights: sinusoidal fringes are projected to encode the information of the 3D relief. On the other hand, three constant profiles of light are projected for the polychromatic relief since a monochromatic camera is used. Then the captured images are digitally processed on the MATLAB software, which controls the complete process of surface reconstruction together with the texture of their colors. The work continues with the color reconstruction of four masks of different colors. And subsequently, for the refinement of the techniques, two objects corresponding to a replica of a small sarcophagus of the Chachapoyas culture and a jug of the Mochica culture are used. For each digital reconstruction, in color and complete, the object is rotated successively at constant angles until completing a full turn and each perspective digitized in 3D surfaces are finally merged. Finally, it is verified that it is possible to generate a color image using a monochrome camera and the digital results present a similar shape and color to the samples used.