La representación interactiva de escenarios naturales en tiempo real presenta problemas debido a la gran cantidad de información que debe ser procesada. Un bosque puede estar compuesto por decenas de miles de especies vegetales, las cuales a su vez están compuestas por decenas de miles de elementos (hojas, tallos y ramas). Una descripción precisa de una escena de este tipo implica el procesamiento de una cantidad de información intratable para su uso en aplicaciones en tiempo real. Durante los últimos 20 años se han publicado muchos trabajos de carácter científico para resolver este problema, aportando diferentes estrategias con particulares ventajas e inconvenientes. El objetivo principal de esta tesis es la presentación de un conjunto de técnicas para mejorar la eficiencia en la representación de escenas naturales en tiempo real. Para ello se han realizado aportaciones en diferentes ámbitos del área de los gráficos por computador. Por una parte, se ha propuesto un modelo de nivel de detalle multirresolución especialmente diseñado para la vegetación, basado en nivel de detalle de resolución variable, el cual permite la adaptación de la complejidad poligonal de especies vegetales en tiempo real. Esta propuesta se acompaña de una nueva aportación diseñada para el manejo de escenas masivamente pobladas, es decir, con miles de modelos multiresolución. Además se han propuesto nuevas técnicas para mejorar la visualización en el ámbito de la iluminación, tanto en cuanto a modelar los efectos de iluminación en árboles como a la representación eficiente de sombras visualmente realistas.

El creixement de la robòtica (especialment en l'àrea dels sistemes intel·ligents) continua a grans passos, malgrat que encara no hi ha sistemes totalment autònoms per treballar en entorns complexos i desconeguts. Consideracions de cost, seguretat, temps de desenvolupament i altres, fan molt atractiva la teleoperació per a algunes tasques. És ben sabut que la interacció entre els operadors humans i els ordinadors encara és molt problemàtica (com es pot veure en les operacions de rescat del Titànic, Txernòbil i, més recentment, en la pèrdua d'un avió teleoperat a l'Afganistan). Aquests exemples fan ressaltar les dificultats inherents en la utilització de la informació i la teleoperació de robots. Una interfície persona-màquina (HMI) adequada podria resoldre aquest problemes, cosa que incrementaria la satisfacció de l'usuari i la utilització del sistema. Aquest projecte ofereix una contribució al desenvolupament i els criteris de disseny ergonòmic d'interfícies d'usuari per a sistemes teleoperats, especialment en el cas d'aplicacions amb robots submarins. Aquesta recerca es va desenvolupar com part del projecte GARBÍ, el robot submari teleoperat dissenyat per el Dr. Josep Amat i el seu equip, per ajudar als usuaris en les seves tasques marines. Una de les eines que ajuda a treballar millor un sistema teleoperat és la interfície persona-màquina (HMI) que serveix com canal de comunicació entre el sistema i l'usuari. Per iniciar el disseny de la interfície s'ha fet una recerca per determinar el marc teòric i l'estat de l'art en sistemes teleoperats, interfícies d'usuari i eines ergonomiques de disseny. S'han desenvolupat eines per mesurar qualitativament la qualitat de les interfícies persona-màquina (HMI) dels sistemes teleoperats presents en la literatura cientifica i determinar les millores que s'haurien d'introduir en les interficies en ordre de millorar la velocitat de transferencia d'informació.Les tasques de teleoperació han de mostrar una gran quantitat d'informació; aquesta situació es va resoldre en part mitjançant la realitat virtual, que es va fer servir com una eina per millorar les imatges de les càmeres. La realitat virtual, doncs, ajuda a resoldre alguns d'aquest problemes, com ara la representació espacial i la programació d'objectes. Aquest enfocament també permet una millora visual: la imatge real podria estar afectada per les condicions climàtiques (pluja, boirassa, etc.), per la part del dia (tarda, nit, etc.) i per l'entorn natural (la composició de l'aigua pot reduir la visibilitat submarina); la realitat virtual elimina tots aquests inconvenients i ofereix una imatge neta i filtrada. Un entorn virtual es va crear per introduir a l'usuari dintre de les tasques marines i totes les eines necessaries per la conducció del vehicle es van possar en la interfície. Per desenvolupar una interfície ergonómica i òptima s'ha d'involucrar als usuaris en el proces i aquestes activitats s'han de desenvolupar en forma especifica i organitzada. Durant aquesta recerca es van desenvolupar diverses interfícies persona-màquina, tenint en compte les necessitats i reaccions d'usuaris nous i experts. Dues interfícies es van desenvolupar per analitzar l'impacte de la visualització de la informació i la controlabilitat: una de les interfícies es va dissenyar amb finestres d'informació millorada per enfocar-la més a la visualització de dades i en l'altra es va simplificar el control i la manipulació del robot. El proces d'avaluació de les interfícies es va descriure, incloent una nova metodologia basat en els paràmetres d'utilització, la qual abasta diversos paràmetres i etapes de la interacció usuari-ordinador: la tasca, l'usuari i la interfície. Aquesta metodologia es va provar amb les interfícies desenvolupades i amb interfícies de jocs semblants. / The growth of robotics -specially in intelligent systems- continues at an ever-faster pace, even though we still lack of totally autonomous systems to work in complex, unknown environments. Cost, safety needs and development time, among other considerations, make teleoperation an appealing way to perform some tasks. As we know, however, interaction between human operators and computers remains problematic -as can be seen in rescue operations from the Titanic to Chernobyl and, more recently, the missing teleoperated airplane in Afghanistan. These examples underscore the difficulties inherent in information utilization and robot teleoperation. An adequate user interface would solve these problems, increasing both user satisfaction and system usage. The present project offers a contribution to the development and ergonomic design rules of user interfaces for teleoperated systems, specifically in the case of underwater robot applications.Teleoperated robots are currently employed in different fields, for example: mine exploration, spatial and underwater research, high-risk exploration areas and other applications where human intelligence is indispensable. Kress (from IEEE Robotics & Automation Society) <www.engr.utk.edu/maes/ff/rlk/ieee/> and others have pointed out that human machine interfaces (HMI) are critical to the success of teleoperation systems. A teleoperation task must display a great deal of information. Thus, virtual reality was added as a tool to enhance the plane camera images. Virtual reality helps solve some of those problems, e.g. spatial representation and object programming. This approach allows even for visual enhancement: the real image might be affected by weather conditions (rain, fog, etc.), time of the day (afternoon, night, etc.) and by natural environment (water composition can reduce underwater visibility). Virtual reality, allowing a clean, filtered image, would eliminate these and other inconveniences.As this research progressed, several human-machine interfaces (HMI) were developed, taking into account the needs and reactions of average as well as expert users. The interfaces were created with virtual reality tools and programmed in C language. Two interfaces were developed to analyze the impact of information visualization and controllability. One of them was designed with enhanced information windows to focus primarily on data visualization; while the other simplifies robot maneuverability and control. The fruit of this research allows for both a framework and guidelines for HMI design and a model for teleoperated human-machine interaction.In addition to the framework design, two interface evaluation methodologies were proposed. One, the Interface Index, is for rapid assessment. The other, the Usability Assessment, is for deep interface analysis, covering several parameters and stages in human-computer interaction. Several papers related to the development, design and evaluation of these interfaces have been published in international congresses related to this field.

La predicció és un concepte de recerca molt interessant. No es només predir el resultat futur, sinó que també cal predir el resultat conegut, a vegades anomenat validació. L'aplicació de tècniques de predicció sobre el comportament de sistemes és sempre molt útil perquè ens ajuda a comprendre el funcionament del elements que estem analitzant.Aquest treball va començar tot analitzant la influència de l'execució concurrent de diverses aplicacions de pas de missatges. Així, l'objectiu original era trobar i proposar uns algorismes de planificació de processos que obtinguessin un throughput màxim, equitatiu, i amb un rendiment adecuat del sistema.Per a poder avaluar adecuadament aquestes polítiques de planificació, varem trobar que ens calien eines d'analisi. Dimemas i Paraver són les eines de l'entorn que anomenem DiP. Tot i que aqueste eines varem estar dissenyades fa més de deu anys, són vàlides i ampliables.Dimemas es l'eina de predicció de rendiment. Tot fent ús de models senzills, pot predir el temps d'execució de les aplicacions de pas de missatges, fent servir un conjunt de paràmetres que modelitzen el funcionament del sistema. No és només una eina que prediu el temps d'execució, sinó que s'ha demostrat molt útil per entendre la influència dels diferents paràmetres del sistema en el temps de resposta de les aplicacionsL'eina d'anàlisi de l'entorn DiP s'anomena Paraver. Permet analitzar simultàniament moltes aplicacions i el sistema des de diferent punts de vista: analitzant els missatges, les contencions a la xarxa de comunicació, la planificació del processador.Promenvir/ST-ORM és l'eina d'anàlisi estocàstic. Inclou utilitats que permeten analitzar la influència de qualsevol paràmetre del sistema, així com sintonitzar els paràmetres de simulació, per aconseguir que les prediccions s'aproximin a la realitat.La qualitat i categoria de les decisions que varem prendre fa anys queda demostrada per la mètode de com cal utilitzar conjuntament totes les eines, i perquè són eines què es corresponen a l'estat de l'art actual.Aquest treball inclou la descripció de les diferents eines, des de el punt de vista de disseny fins la seva utilització (en cert grau), la validació de Dimemas, el disseny conceptual de Promenvir, la presentació del mètode que cal emprar amb aquestes eines (incloent anàlisi d'aplicacions individuals fins a anàlisis més complex), i alguns dels nostres primers anàlisi sobre polítiques de planificació de processador. / Prediction is an interesting research topic. It is not only to predict the future result, but also to predict the past, often called validation. Applying prediction techniques to observed system behavior has always been extremely useful to understand the internals of the elements under analysis.We have started this work to analyze the influence of several message passing application when running in parallel. The original objective was to find and propose a process scheduling algorithm that maximizes the system throughput, fair, proper system utilization.In order to evaluate properly the different schedulers, it is necessary to use some tools. Dimemas and Paraver, conform the core of DiP environment. These tools has been designed ten years ago, but still valid and extensible.Dimemas is a performance prediction tool. Using a single models, it capable to predict execution time for message passing applications, considering few system parameters for the system. It is useful not only to predict the result of an execution, but to understand the influence of the system parameters in the execution time of the application.Paraver is the analysis tool of DiP environment. It allows the analysis of applications and system from several points of view: analyzing messages, contention in the interconnection network, processor scheduling.Promenvir/ST-ORM is a stochastic analysis tool. It incorporates facilities to analyze the influence of any parameter in the system, as well as to tune the simulation parameters, so the prediction is close to reality. The methodology on how to use these tools as a group to analyze the whole environment, and the fact that all those tools are State of the Art, demonstrates the quality of the decisions we made some years ago.This work includes description of the different tools, from its internal design to some external utilization, the validation of Dimemas, the concept design of Promenvir, the architecture for Promenvir, the presentation of the methodology used with these tools (for simple application analysis to complex system analysis), and some of our first analyses on processor scheduling policies.

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.