Doctorado en Ingeniería: Área Ingeniería Electrónica
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Item Optimización de extremo a extremo de un sistema computacional codificado de única captura para la estimación de información espectral y de profundidad(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-14) Vargas Díaz, Edwin Mauricio; Argüello Fuentes, Henry; Tourneret, Jean-Yves; Hinojosa Montero, Carlos Alberto; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo; Bacca Quintero, Jorge LuisLas imágenes de profundidad y espectrales son tecnologías indispensables para multiples aplicaciones, pero tradicionalmente se han explorado de manera independiente. Esfuerzos recientes han estado dirigidos hacia la codificación óptica de información espectral y de profundidad (EP) en una sola captura del sensor, que posteriormente se decodifica mediante un algoritmo computacional. La efectividad de los sistemas EP de única captura depende principalmente de la modulación óptica, que se conoce como codificación, y las técnicas computacionales empleadas para extraer información EP de las medidas codificadas. La modulación óptica se realiza convencionalmente utilizando aperturas codificadas (AC), máscaras de fase, prismas o rejillas, iluminación activa, entre otros. Esta tesis propone una estrategia de modulación óptica (codificación) mediante la sincronización de una apertura codificada en fase y un obturador de píxeles arbitrario en conjunto con una apertura codificada de color en el sensor. El multiplexado en el tiempo de la apertura codificada (MTAC) mejora las estrategias de codificación convencionales sin agregar nuevos elementos ópticos. Esta tesis demuestra que el MTAC propuesto implica una función de dispersión de puntos (FDP) espacialmente variable para un profundidad constante en una escena, lo que facilita la distinción, y por tanto, una mejor recuperación de la información de profundidad. Además, el filtrado selectivo de bandas espectrales específicas por parte del CCA codifica las características relevantes de la información espectral que se decodifica usando un algoritmo e reconstrucción. Para optimizar el MTAC, esta tesis aprovecha los avances de las técnicas de aprendizaje profundo para aprender conjuntamente la modulación óptica y el algoritmo de decodificación computacional en un marco de trabajo de extremo a extremo (E2E). El enfoque propuesto demuestra a través de simulaciones numéricas y escenarios reales que el enfoque propuesto supera a los sistemas EP de única captura del estado del arte. Finalmente, esta tesis doctoral muestra que el concepto fundamental MTCA logra un mayor rendimiento cuando se aplica a sistemas computacionales de imágenes espectrales compresivas e imágenes de campo de luz, demostrando así su amplia aplicabilidad.Item Diseño de algoritmos de aprendizaje profundo para imágenes médicas en tareas de diagnóstico asistido por computador(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-15) Sánchez Quiroga, Karen Yaneth; Argüello Fuentes, Henry; Basarab, Adrian; Pertuz Arroyo, Said David; Fajardo Ariza, Carlos Augusto; Galvis, Laura Viviana; Gélvez Barrera, Tatiana Carolina; Pellegrini, TomasEsta tesis doctoral examina la aplicación de la inteligencia artificial, específicamente modelos de aprendizaje profundo, en tareas de diagnóstico asistido por computadora (CAD) dentro de imágenes médicas. Si bien los modelos de aprendizaje profundo han revolucionado el campo médico, siguen dependiendo de grandes volúmenes de datos etiquetados, a menudo escasos y privados, y que varían entre los centros médicos. Esta tesis explora los conceptos de "adaptación de dominio" y "aumento de datos generativos" para abordar el problema de sobreajuste que surge de la falta de datos disponibles y afecta la precisión y generalización de los modelos. El primero aprovecha el conocimiento de un dominio de origen etiquetado para mejorar el rendimiento del modelo en un dominio de destino con datos limitados o sin datos etiquetados. El último se centra en la creación de datos sintéticos para aumentar el conjunto de entrenamiento, mejorando la generalización y precisión del modelo. En una contribución doble, esta tesis presenta primero un método para la selección inteligente, transformación e incorporación de radiografías de tórax de un conjunto de datos públicos en una red neuronal para mejorar la precisión de la clasificación de la neumonía. Este método mitiga los desafíos de trabajar con conjuntos de datos pequeños y variables entre diferentes hospitales. En segundo lugar, esta tesis presenta un método novedoso para el aumento de datos generativos para mejorar la precisión de la segmentación de tumores hepáticos en imágenes de resonancia magnética de múltiples contrastes. Al crear datos sintéticos para aumentar el conjunto de entrenamiento, este método busca mejorar la precisión y confiabilidad de la segmentación de tumores, una tarea vital para un diagnóstico preciso y una planificación del tratamiento. La investigación, desarrollada en colaboración con múltiples instituciones académicas y de investigación, tiene como objetivo en última instancia superar los desafíos en el análisis de imágenes médicas presentados por la escasez de datos etiquetados y mejorar las tareas CAD en diversas aplicaciones médicas.Item Diseño e implementación de nuevos métodos para tareas de inferencia usando imágenes hiperespectrales sensadas por compresión(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-13) Vargas García, Héctor; Argüello Fuentes, Henry; Martínez Carrillo, Fabio; Bautista Rozo, Lola Xiomara; Gélvez Barrera, Tatiana Carolina; Esnaola, Iñaki; Rodríguez Valderrama, Paul AntonioLa escasez, representada por un conjunto reducido de coeficientes en un diccionario dado, es clave en tareas de procesamiento de señales. La adquisición compresiva utiliza proyecciones aleatorias para aprovechar la escasez de las señales en sistemas con recursos limitados, como sensores, con una costosa reconstrucción. Una alternativa es transformar la reconstrucción costosa en un método de procesamiento de señales más económico, estimando un número reducido de características. Por otro lado, las proyecciones aleatorias computacionales se emplean para integrarse eficientemente con métodos de inferencia tradicionales. Se asume que ciertas proyecciones preservan el subespacio de datos, utilizándose en métodos basados en subespacios para reducir ruido y dimensión de la información. En esta tesis, se propone una metodología para adquirir imágenes hiperespectrales de manera compresiva. Se utiliza un sistema óptico multimodal con cámaras hiperespectral y RGB. La extracción de características se realiza sin reconstruir todo el cubo de datos, mediante una estrategia de optimización numérica. Este enfoque demuestra la posibilidad de obtener características discriminatorias sin reconstruir todos los datos en términos de precisión de clasificación.Item Estimación de estadísticos muestrales desde proyecciones aleatorias de baja dimensión(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-14) Monsalve Salazar, Jonathan Arley; Argüello Fuentes, Henry; Rueda Chacón, Hoover Fabián; Bacca Quintero, Jorge Luis; Ramírez Silva, Ana Beatriz; Gélvez Barrera, Tatiana Carolina; Rodríguez Valderrama, Pablo AntonioEl muestreo compresivo de la covarianza (MCC) tiene como objetivo recuperar el segundo momento estadístico de una señal a partir de un conjunto de proyecciones aleatorias de baja dimensión. En particular, CCS recupera la matriz de covarianza (MC) en lugar de la señal de alta dimensión, lo que representa una reducción significativa de los datos reconstruidos en aplicaciones tales como imágenes hiperespectrales, donde la MC suele ser algunos órdenes de magnitud más pequeño que la imagen. Además, la MC proporciona información sobre el subespacio de los datos útil para diseñar protocolos de detección, entrenar modelos para la clasificación o incluso reconstruir la señal. Esta tesis estudia la estimación y el uso del segundo momento estadístico de las imágenes hiperespectrales en la acquisición compresiva de imágenes espectrales (CSI). Por lo tanto, esta tesis propone un algoritmo para reconstruir el segundo momento estadístico a partir de proyecciones aleatorias de baja dimensión de imágenes hiperespectrales y un algoritmo para diseñar el protocolo de adquisición utilizando la MC. Para ello se propone un problema de optimización convexa, un algoritmo y una arquitectura óptica. Además, esta tesis presenta el análisis de las garantías de convergencia y algunas propiedades teóricas para asegurar una correcta reconstrucción. El algoritmo propuesto se prueba en tareas de clasificación y reconstrucción de imágenes hiperespectrales, incluida la estimación de la cobertura terrestre utilizando la MC recuperada.Item Regularización basada en calibración para la recuperación de imágenes espectrales en sistemas de adquisición codificada optimizados(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-02) García Arenas, Hans Yecid; Argüello Fuentes, Henry; Galvis Carreño, Laura; Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Meza Narváez, Pablo Francisco; Tajahuerce Romera, EnriqueLos sistemas de adquisición codificada son fundamentales en la captura de imágenes espectrales computacionales para adquirir escenas codificadas, las cuales son recuperadas resolviendo un problema inverso. El diseño de adquisición codificada es crucial al determinar las propiedades de invertibilidad de la matriz de detección del sistema. Para garantizar un diseño realista, el modelo de adquisición modelado matemáticamente debe coincidir con el sistema fisico. Sin embargo, existen variaciones estocásticas relacionadas con características no ideales de la implementación, además, dado que estas variaciones no se conocen previamente deben ser calibradas en el laboratorio. Por lo tanto, el diseño de codificación conduce a un rendimiento subóptimo en la práctica, incluso si se lleva a cabo un proceso de calibración exhaustivo. Esta tesis desarrolla una comprensión profunda de cómo el desajuste de calibración afecta el rendimiento de recuperación y proponen tres enfoques para reducir su efecto en algoritmos de reconstrucción de sistemas de imágenes espectrales codificados optimizados. Específicamente, se proponen dos regularizadores que aceleran la convergencia a través de las iteraciones del algoritmo de gradiente decendiente del sistema calibrado real, en la dirección del sistema originalmente optimizado teóricamente, y un enfoque más que estima las medidas ideales a partir de las medidas reales calibradas, empleando un enfoque de aprendizaje profundo para aumentar el rendimiento de la reconstrucción.Item Técnicas para arquitecturas y circuitos de generación de reloj en sistemas-en-chip(Universidad Industrial de Santander, 2023-08-28) Moya Baquero, Juan Sebastián; Roa Fuente, Elkim Felipe; Amaya Palacio, José Alejandro; Barrios Hernández, Carlos Jaime; Vásquez, Jhon William; Fajardo Ariza, Carlos Augusto; Ávila Bernal, Alba Graciela; Hernández Herrera, HugoSistemas-en-Chip (SoC) son uno de los circuitos más comunes en el Internet de las cosas (IoT). Las fuentes de reloj aparecen como un circuito necesario en los SoC para la transferencia, procesamiento de datos o la transmisión vía radiofrecuencia [33]. Generalmente, se instancian varias fuentes de reloj en los SoC para cumplir con los protocolos de comunicación incorporados [43]. Con varias fuentes de reloj, el área ocupada, el costo de instanciación, de verificación e integración en un SoC aumentarán, impactando el precio y la accesibilidad [37]. Una opción para reducir el costo del SoC es disminuir el número de fuentes de reloj. Esto nos lleva a querer integrar, en un único chip, una fuente de reloj que satisfaga el mayor número de estándares de comunicación. Sin embargo, se deben contemplar varias consideraciones y características asociadas a estos estándares. La interferencia entre símbolos en las comunicaciones alámbricas y la fluctuación, el ruido de fase o el rango de frecuencia en las fuentes de reloj integradas son las preocupaciones más relevantes. Este trabajo presenta algunas contribuciones para aplicaciones alámbricas de alta velocidad en circuitos de reloj y recuperación de datos y dos análisis sobre la extensión del rango de frecuencia operativo y la evaluación y reducción del ruido de fase en osciladores de anillo diferenciales en avance (FFRO). Finalmente, proponemos utilizar la arquitectura FFRO como generador de pulsos en transmisores UWB no coherentes para abrir la puerta a una nueva área de investigación además de la generación de fuentes de reloj en SoC.Item Diseño de diccionarios para representación escasa en sensado espectral comprimido(Universidad Industrial de Santander, 2023-07-21) Barajas Solano, Crisóstomo Alberto; Argüello Fuentes, Henry; Pertuz Arroyo, Said David; Bautista Rozo, Lola Xiomara; Galvis Carreño, Laura Viviana; Ramírez Rondón, Juan Marcos; Rodríguez Valderrama, Paul AntonioLa Representación de diccionarios escasos convolucionales (CSDR) ha surgido como un marco robusto y flexible para representar escasamente señales de voz, escala de grises e imágenes en color. También se ha utilizado en aplicaciones médicas como imágenes de ultrasonido y ecografía, y geología. El modelo CSDR propone representar una señal como la suma de las convoluciones de una colección demasiado completa de elementos de diccionario convolucional (átomos) y mapas de coeficientes dispersos. Ambas colecciones deben cumplir una serie de restricciones. El modelo CSDR ofrece algunas ventajas interesantes frente a otros modelos de representación dispersa. Por ejemplo, el operador convolucional permite la eliminación de ruido, la invariancia de cambios, la tolerancia (hasta cierto punto) a la deformación, la rotación y la traslación. Estas propiedades hacen del CSDR un modelo interesante para su uso en imágenes espectrales compresivas (CSI). CSI establece que una imagen espectral de interés se puede recuperar a partir de un pequeño conjunto de medidas de compresión, {porque un problema de optimización, con alta probabilidad, recupera la información faltante ya que se supone que los datos son escasos en algún dominio}. Los métodos de última generación utilizan el modelo de representación de señal dispersa (SSR) como base de representación para recuperar la imagen espectral de tamaño completo a partir de una serie de mediciones de compresión. Este trabajo propone cambiar el modelo SSR para el marco CSDR basado en señales para aprovechar las propiedades de CSDR.Item Ofuscación de circuitos y estrategias de bajo sobrecosto en Systemas-en-Chip formalmente definidos(Universidad Industrial de Santander, 2022-10-10) Durán Blanco, Ckristian Ricardo Esteban; Roa Fuentes, Elkim Felipe; Pham, Cong-Kha; Fajardo Ariza, Carlos Augusto; Villamizar Mejía, Rodolfo; Eslava Garzón, Johan Sebastián; Segura Quijano, Fredy EnriqueLos diferentes circuitos electrónicos de consumo son susceptibles a diferentes tipos de ataques que pueden comprometer la autenticación y seguridad de los datos. Para circuitos digitales y sistemas de señal mixta, se utilizan celdas estándar para integrar el sistema con automatización de diseño electrónico (EDA). La ubicación y el enrutamiento de celdas estándar dan como resultado el diseño final de un sistema, pero pueden ser atacados con herramientas de destapado y generación de imágenes debido a la visibilidad de su hardware. Dichas celdas se pueden generar varias veces para realizar la ofuscación de los circuitos para mitigar la visibilidad y la extracción. Otra capa de seguridad es intrínseca dentro del sistema con aceleradores criptográficos y seguridad de la memoria. Aquí mostramos dos algoritmos de colocación diferentes para la generación de celdas estándar, un procedimiento de ofuscación de circuitos usando las celdas estándar anteriores, criptografía a nivel de sistema y protección de memoria, y generación de chips con verificación formal y funcional. Modificamos el algoritmo de ubicación de las celdas estándar para restringir diferentes soluciones para generar varios diseños diferentes que se aplicarán en la ofuscación del circuito.Además, el sistema implementa aceleradores criptográficos con fines de autenticación y seguridad. Este trabajo presenta también un ofuscador ajeno a la memoria con poca sobrecarga en área y tiempo. El sistema es generado por un generador de chips, que puede generar código RTL, generar padring y un dominio siempre activo para la gestión de bajo consumo. El SoC se puede integrar fácilmente en un flujo VLSI. De acuerdo con las especificaciones del procesador, el circuito generado se verifica formal y funcionalmente con varias restricciones para asumir y afirmar condiciones.Item Algoritmo de reconstrucción de imágenes a partir de proyecciones espectrales aleatorias usando regularizadores de bajo rango(Universidad Industrial de Santander, 2022-05-05) Gélvez Barrera, Tatiana Carolina; Argüello Fuentes, Henry; Duarte Gualdrón, César Antonio; Bautista Rozo, Lola Xiomara; Galvis Carreño, Laura Viviana; Basarab, Adrian; Carlsson, MarcusEl uso de información previa es crucial en la solución de problemas inversos mal condicionados en el procesamiento de imágenes. Esta tesis estudia el denominado bajo rango como información previa de una imagen espectral (IE) abordando la pregunta de investigación ¿Cómo aprovechar la propiedad de bajo rango para resolver problemas de recuperación de imágenes espectrales? Una IE puede ser modelada como un arreglo tridimensional con dos dimensiones espaciales y una dimensión espectral. Típicamente, las escenas naturales contienen redundancia en las respuestas espectrales y similitudes en las estructuras espaciales, tal que la propiedad de bajo rango indica que una IE se encuentra en un subespacio de baja dimensión. Sin embargo, la literatura omite comúnmente un aspecto crítico relacionado con la distinta connotación que tiene la propiedad de bajo rango en las dimensiones espaciales y espectral. Por lo tanto, esta tesis analiza la propiedad de bajo rango por medio de premisas teóricas y estudios empíricos para determinar cómo emplear el bajo rango, obteniendo las siguientes contribuciones principalmente. Un enfoque que incorpora la propiedad de bajo rango implícitamente en la arquitectura de una red neuronal, proponiendo una alternativa a la formulación típica de una función de regularización. Además, se introduce el concepto de similitud de rango-uno asumiendo que las correlaciones estructurales en una IE son preservadas a lo largo de las bandas espectrales. Este concepto determina una dimensión adicional a las dimensiones espaciales y espectral para emplear la propiedad de bajo rango. Finalmente, se presenta la implementación y desarrollo de cuatro algoritmos de recuperación de imágenes espectrales, cubriendo formulaciones de optimización convexa y aprendizaje profundo que consideran la propiedad de bajo rango en la dimensión espacial, espectral, de similitud, y desde el punto de vista global y no-local. En particular, se abordan los problemas de eliminación de ruido, super-resolución, fusión, fusión compresiva, y reconstrucción compresiva, superando los métodos de referencia comparativa en métricas de calidad objetivas y visuales.Item Inversión de onda completa 2D en el dominio del tiempo para datos de radar de penetración terrestre(Universidad Industrial de Santander, 2022-03-03) Serrano Luna, Jheyston Omar; Ramírez Silva, Ana Beatriz; Abreo Carrillo, Sergio Alberto; Aguilera Bermúdez, Ernesto; Reyes Torres, Óscar Mauricio; Sanabria Gómez, José David; Agudelo Zambrano, William Mauricio; Lavoué, FrançoisEn esta tesis doctoral se presenta una metodología de inversión de onda completa para adquisiciones de offset-corto y un solo-canal. En este tipo de adquisiciones se tienen diferentes desafíos, pero sin lugar a duda la más importante de ellas es su falta de bajos números onda en el proceso de inversión. Las adquisiciones de offset-corto y un solo canal son más sensibles al punto de partida comparadas con adquisiciones multi-offset. Se utiliza este tipo de adquisición ya que permite portabilidad en zonas de difícil acceso así como una rápida recolección de datos permitiendo reducir los tiempos de procesamiento y costos. En esta tesis doctoral se ha propuesto una función de costo alternativa para compensar la diferencia de amplitud entre el dato recolectado y el dato modelado de forma automática. Tres restricciones son utilizadas en la función de costo, las cuales son: Gaussian , variación total y variación total modificada. Tanto los regularizadores como la función de costo alternativa han sido evaluadas en datos sintéticos y recolectados. Los regularizadores permiten converger a modelos más suaves que mantienen las principales estructuras y son más estables en escenarios ruidosos. Usando la regularización Gaussian se logra reducir el ruido incoherente en los datos cuando se aplica en la dirección de los scans. El software libre gprMax junto con la medición de campo y la técnica de optimización global permiten obtener los parámetros internos de la antena así como sus patrones de radiación. Finalmente, el patrón de radiación se tiene en cuenta en la propagación de un frente de onda bidimensional y se incluye en el proceso de inversión para datos sintéticos.Item Caracterización experimental de la turbulencia a grandes distancias horizontales y baja altura mediante la técnica de Telescopía de Fourier(Universidad Industrial de Santander, 2020) Tíjaro Rojas, Omar Javier; Torres Moreno, Yezid; Ramírez Silva, Ana Beatriz; Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo; Torres Amarís, Rafael Ángel; Plata Gómez, Arturo; Solarte Rodríguez, Efraín; Amaya Robayo, Dafne CeciliaEsta tesis presenta la técnica de Telescopía de Fourier probada experimentalmente a tres distancias diferentes de propagación horizontal y cerca del suelo para la caracterización de la turbulencia, la cual está apoyada en mediciones a partir de sensores de variables físicas adicionales donde se observan las condiciones ambientales. El diseño de este método se basa en la integración de montajes ópticos y electrónicos para poder llevar a cabo el registro y posterior análisis de las mediciones, en dónde el láser fue caracterizado con relación a los efectos más importantes que este produce y por el cual afecta las mediciones de la turbulencia. El hardware y software aquí utilizado se diseñó especialmente para que las mediciones en campo se pudieran adaptar fácilmente a la alimentación con baterías. Los cálculos registrados de las variables de medición de turbulencia fueron ejecutados a partir de Matlab ® y las simulaciones se ejecutaron a partir del apoyo recibido por la “Florida Atlantic University” (FAU) y el “Department of Computer & Electrical Engineering and Computer Science”, con los algoritmos brindados. Esta técnica sirve para la medición de estos parámetros, rescatando las características que se aprendieron en esta tesis para aplicaciones de seguridad en donde se necesite por ejemplo detección de objetos a larga distancia, pues el periodo espacial, de las franjas proyectadas a 134.8 metros de propagación, estuvo en el orden de los cientos de nanómetros, lo cual origina una fuerte motivación para continuar trabajando en este tema.Item Técnicas de diseño para mitigar el impacto de las variaciones PVT en circuitos nanométricos(Universidad Industrial de Santander, 2020) Amaya Beltrán, Andrés Felipe; Roa Fuentes, Élkim Felipe; Reyes Torres, Óscar Mauricio; Amaya Palacio, José Alejandro; Pertuz Arroyo, Said David; Chacón Rodríguez, Alfonso; Eslava Garzón, Johan SebastiánEl impacto de las variaciones del proceso de fabricación, la temperatura de operación y la tensión de alimentación (PVT) en el rendimiento de Systems-on-Chip (SoC) generalmente se mitiga mediante algoritmos de calibración. Estos algoritmos (ejecutados generalmente en segundo plano) utilizan datos de sen-sors PVT para ajustar la operación a expensas de hardware adicional, latencia y consumo de energía. Este trabajo presenta tres técnicas de diseño novedosas y de baja complejidad para reducir la incidencia de variaciones PVT globales, locales y aleatorias en el rendimiento de un SoC. La primera alternativa aborda la calibración de offset en ecualizadores de retroalimentación de decisión (DFE), utilizados en en-laces seriales. El offset se detecta en el dominio de fase utilizando un detector de fase en la salida del comparador. Esta detección permite eliminar la conexión clásica de modo común en la entrada del comparador. El método permite la implementación de una calibración sobre la marcha sin afectar la carga en la ruta de la señal. La segunda técnica consiste en un algoritmo de calibración para ajustar la no linealidad diferencial (DNL) en convertidores digital-analógico capacitivo. El algoritmo reduce la necesidad de conectar la matriz capacitiva a Vcm mientras se calibra, lo que reduce la complejidad del circuito, la potencia y el consumo de área. La tercera técnica se concentra en mejorar la robustez de la estabilidad de los reguladores lineales. La estabilidad de frecuencia se ve mejorada por dos aspectos: un compensador de Adelanto-atraso, y un esquema adaptativo para la corriente de polarización y el tamaño del transistor de potencia. El compensador se implementa usando la resistencia en serie equivalente del capacitor externo. Además, una estimación de subimpulso realizada por el detector de brown-out de unidades de administración de energía convencionales establece la corriente de polarización y el tamaño del transistor de paso.Item Optimización del tiempo de ejecución del algoritmo RTM 3D sobre una plataforma GPU(Universidad Industrial de Santander, 2019) Salamanca Becerra, William Alexander; Vivas Mejía, Flor Alba; Ramírez Silva, Ana Beatriz; Fajardo Ariza, Carlos Augusto; Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo; Pedraza Ferreira, Gabriel Rodrigo; Agudelo Zambrano, William Mauricio; da Cruz Pestana, ReynamLa exploración sísmica permite tomar decisiones importantes en la industria del petróleo gracias a la estimación de propiedades y a la información estructural del subsuelo obtenidas mediante procesamiento de datos sísmicos. La migración sísmica reversa en tiempo (RTM) es la técnica que mejores resultados ofrece en la generación de la imagen final; pero así mismo es una de las técnicas más costosas del procesamiento de datos. Durante el desarrollo de la tesis, se estudiaron aspectos de la implementación del algoritmo RTM como: la ecuación de onda, su solución numérica mediante GPU, la dependencia de datos en RTM, las estrategias de manejo de memoria y la estimación del tiempo de ejecución del algoritmo mediante modelos matemáticos. Éstos últimos fueron empleados para la medición del desempeño de la implementación y la medición de la aceleración después de cada optimización. Los principales aportes de la tesis en el área geofísica se concen-traron en el análisis de estrategias de manejo de memoria, principalmente la estrategia de fronteras aleatorias que reduce la cantidad de cómputo y memoria significativamente; mientras que en computación, el aporte fue el desarrollo e implementación de modelos de predicción de tiempos de ejecución para medir objetivamente el rendimiento de la implementación.Item Coded aperture design for adaptive compressive spectral imaging(Universidad Industrial de Santander, 2020) Díaz Díaz, Nelson Eduardo; Argüello Fuentes, Henry; Bautista Rozo, Lola Xiomara; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Rodríguez Ferreira, Julián Gustavo; Carlsson, Marcus; Basarab, AdrianLa adquisición de imágenes espectrales de manera tradicional es un proceso lento debido a que se requiere escanear la escena bajo estudio. En contraste, obtener imágenes espectrales comprimidas (compressive spectral imaging, CSI por sus siglas en inglés) ha atraído un gran interés porque reduce el número de muestras respecto a los sistemas de escaneo para capturar el cubo de datos, esto mejora la velocidad de muestreo. CSI mide proyecciones lineales de una escena, y luego un algoritmo de reconstrucción estima la escena subyacente. Una arquitectura ejemplo de CSI es el sistema de adquisición espectral comprimido de única captura con apertura de color (Colored coded aperture compressive spectral imager, C-CASSI, por sus siglas en inglés) que emplea un arreglo de filtros como códigos de apertura para codificar espacial y espectralmente la luz que entra en el sistema. Dichos códigos de apertura son equivalentes a la matriz de muestreo del sistema, su función es obtener medidas de la señal. Al día de hoy los trabajos relacionados con C-CASSI han usado códigos de apertura no adaptados. Específicamente, el muestreo no adaptado ignora la información a priori acerca de la señal para diseñar los patrones de codificación. Por lo tanto, este trabajo propone tres métodos diferentes para diseñar de forma adaptativa la apertura codificada de colores aplicada a diferentes problemas, incluyendo, mejora de la calidad de la reconstrucción de la imagen de una escena estática, incremento de la precisión en la clasificación usando mediciones espectrales comprimidas, y diseño de un enfoque de estimación de movimiento utilizando una representación escasa en escenas dinámicas (ultrasonido y video multiespectral), en el caso de video multispectral es usado para diseñar aperturas codificadas de forma adaptada para mejorar la calidad de la reconstrucción de la imagen en escenas dinámicas.Item Robust Control approach for Multivariable Systems under Delays, Parametric Uncertainty and External Disturbances(Universidad Industrial de Santander, 2020) Carreño Zagarra, José Jorge; Villamizar Mejía, Rodolfo; Sierra Bueno, Daniel Alfonso; Correa Cely, Carlos Rodrigo; Borrás Pinilla, Carlos; Garzón Castro, Claudia Lorena; Ramírez Neria, MarioEsta disertación propone un nuevo esquema de control para sistemas multivariables con o sin retardos de tiempos, perturbaciones externas e incertidumbre paramétrica. La metodología de diseño combina el enfoque de control robusto para sistemas inciertos y el uso de observadores de alta ganancia para la estimación y atenuación de perturbaciones en línea. En la etapa de control feedback se propone el uso de controladores QFT, controladores PI robustos de 2 grados de libertad y controladores reset, con el fin de lograr especificaciones robustas de rendimiento y estabilidad en presencia de incertidumbre en los parámetros del modelo de planta. En la etapa de control feedforward se plantea el diseño de observadores GPI ya que debido a su característica de reconstrucción de variables de fase y estimación de un número finito de derivadas de la perturbación proporcionan propiedades de mitigación o rechazo de perturbaciones, seguimiento de trayectoria, rendimiento robusto y estabilización de salida. El esquema de control propuesto fue validado con éxito en un fotobiorreactor experimental disponible en la Universidad de Almería (España), en donde se obtuvo una mejora significativa en la precisión de la regulación del pH del cultivo de microalgas y, en consecuencia, una influencia positiva en la producción de biomasa. También se realizaron validaciones numéricas en modelos multivariables no lineales, que incluye un proceso de refrigeración de un ciclo, un modelo de turbina eólica marina disponible en la Universidad de Stuttgart (Alemania) y el modelo UVA/Pádova de la Universidad de Virginia (EEUU) para la regulación de glucosa en pacientes con diabetes Mellitus tipo 1. En todos los casos se verifica que el esquema de control propuesto presenta estabilidad y desempeño robusto a pesar de las perturbaciones externas, incertidumbre paramétrica y retardos de tiempo.Item Optimización del algoritmo de reconstrucción y diseño de la matriz del sistema en adquisición compresiva de imágenes espectrales(Universidad Industrial de Santander, 2018) Mejía Melgarejo, Yuri Hercilia; Argüello Fuentes, Henry; Bautista Rozo, Lola Xiomara; Pertuz Arroyo, Said David; Meneses Fonseca, Jaime Enrique; Vera Rojas, Esteban Mauricio; Tourneret, Jean-YvesLos sensores compresivos de imágenes espectrales reducen el número de pixeles muestreados mediante la combinación de información espectral codificada de una escena en proyecciones bidimensionales. El diseño de la matriz de muestreo que modela el sensor y la optimización del algoritmo de reconstrucción son áreas importantes de investigación hoy en día. Este trabajo desarrolla algunos enfoques de diseño de la matriz de muestreo para sistemas compresivos de imágenes espectrales, además de propuestas para la mejorar el algoritmo de reconstrucción. El diseño de la matriz consiste en el estudio de la independencia lineal de las filas de la matriz de muestreo y su relación con los val-ores propios, dando lugar a restricciones físicas en los sensores. Estos diseños también se estudian en el caso en el que se reconstruye una imagen espectral a partir de la fusión de las medidas de dos sensores compresivos. Por otro lado, en la optimización del algoritmo de reconstrucción se explota el hecho de que las imágenes espectrales son suaves en el dominio espacial. Primero, se propone un filtrado pasa bajas dentro del proceso iterativo de los algoritmos de reconstrucción y segundo, se reformula un problema de minimización con un regularizador que promueve suavidad en la imagen y resolviendo por un enfoque Bayesiano.Item Modelo in silico de evolución dirigida para genes Cry11 de Bacillus thuringiensis(Universidad Industrial de Santander, 2017) Pinzón Reyes, Efraín Hernando; Sierra Bueno, Daniel Alfonso; Flórez Escobar, Álvaro Mauricio; Argüello Fuentes, Henry; Martínez Pérez, Francisco José; Muskus López, Carlos Enrique; Ramos Pollán, Raúl; Alzate Morales, JansEl presente trabajo de investigación propone un modelo in silico del proceso completo de la técnica de evolución dirigida. El modelo integra la selección de genes parentales, la generación de diversidad mediante el barajado de ADN y la selección de variantes candidatas. Para ello, el modelo aprovecha el método de mínima energía como elemento integrador mediante el cual puede también incorporar los efectos de la formación de estructuras secundarias de ADN en el proceso. El modelo fue usado para estudiar la familia de genes cry11 de Bacillus thuringiensis y predecir bibliotecas quiméricas de genes ensamblados. Dentro de los principales hallazgos se encuentran la obtención de bibliotecas quiméricas in silico de potenciales variantes Cry11 y la caracterización de los genes desde sus propiedades intrínsecas para reaccionar ante condiciones experimentales de evolución dirigida, explicada desde una perspectiva evolutiva entre las diferentes familias Cry. Estas innovaciones trazan dos nuevas líneas de trabajo: la evolución dirigida in silico y la caracterización de genes parentales a partir de sus variaciones termodinámicas para participar de forma eficiente en experimentos de barajado de ADN. Ambas líneas fortalecen desde lo computacional el campo de estudio de la ingeniería de proteínas, superando las limitaciones de los modelos de mutagénesis asistida por computador, cuyo punto de partida son las bibliotecas quiméricas in vitro, mientras que el modelo aquí reportado permite la predicción de estas bibliotecas quiméricas y su posterior análisis, siendo la primer aproximación de la cual se tiene conocimiento para realizar evolución dirigida in silico.Item Circuitos y técnicas de diseño para seguridad de la información en un sistema integrado(Universidad Industrial de Santander, 2019) Gómez Ortiz, Héctor Iván; Roa Fuentes, Élkim Felipe; Reyes Torres, Óscar Mauricio; Núñez de Villavicencio Martínez, Luis Alberto; Núñez de Villavicencio Martínez, Luis Alberto; Lamos Díaz, Henry; Lamos Díaz, Henry; Amaya Palacio, José Alejandro; Amaya Palacio, José Alejandro; Chacón Rodríguez, Alfonso; Arnaud, AlfredoLa tendencia al aumento de dispositivos electrónicos interconectados crea varios desafíos técnicos. Uno de ellos es garantizar la privacidad de la información, considerando como la información podría extenderse a través de diferentes canales antes de llegar a su destino final. La garantía de privacidad implica diferentes primitivas de seguridad de hardware / software, como la generación y el establecimiento de claves. Estas dos primitivas desempeñan un papel funda-mental, ya que las operaciones en cualquier algoritmo criptográfico se basan en claves de alta calidad y en el establecimiento de una clave de sesión, o tener una clave secreta común. La protección de la propiedad intelectual es otra preocupación de la industria actual; el acceso físico a los dispositivos permite un escenario ideal para desarrollar ingeniería inversa. La ingeniería inversa podría conducir a la extracción sin la autorización adecuada de funcionalidades o datos confidenciales que podrían usarse para explotar vulnerabilidades y obtener acceso restringido, o para realizar ataques sofisticados. Este trabajo presenta tres contribuciones probadas en el área de seguridad de la información a nivel de circuito abordando los desafíos mencionados anteriormente. La primera contribución comprueba la implementación de un establecimiento de clave ligero con una función de cambio de clave rápido, donde se proponen dos implementaciones a nivel de circuito para acelerar la función de cambio de clave y proporcionar ofuscación. La segunda contribuci´on se enfoca en generadores de verdaderos números aleatorios (TRNG) totalmente sintetizables para la generación de claves de costo bajo. Presentamos dos nuevas arquitecturas para TRNG totalmente sintetizadas junto con un método para captar la entropía, utilizando dos fuentes de entropía, considerando que un avance reciente prueba que la extracción de números verdaderamente aleatorios requiere más de una fuente de entropía. La tercera contribuci´on propone una técnica para evitar la ingeniería inversa mediante el uso de la ofuscación a nivel de layout. Finalmente, más allá del alcance del trabajo propuesto, también abordamos un problema de seguridad en las memorias DRAM. Algunos chips DRAM modernos experimentan el llamado error de martilleo de filas que permite infracciones de seguridad. Para contrarrestar este ataque desarrollamos una estrategia novedosa a nivel de hardware para mitigar los ataques de martilleo de filas basados en una celda ficticia. La estructura propuesta ofrece un mecanismo de alerta para activar las operaciones de actualización del controlador de memoria, evitando el cambio de bits o la perdida de información, mientras se realiza un ataque de martilleo de filas.Item Diseño y clasificación de péptidos antimicrobianos y antibacterianos(Universidad Industrial de Santander, 2016) Rondón Villarreal, Nydia Paola; Sierra Bueno, Daniel Alfonso; Torres Sáez, Rodrigo Gonzalo; Martínez Pérez, Francisco José; Ramos Pollán, Raúl; Pedraza Ferreira, Gabriel Rodrigo; Torrents Arenales, DavidUno de los problemas de salud pública más importantes es la resistencia a los antibióticos que poseen bacterias patógenas de gran impacto en la salud humana. El problema es tan importante que puede afectar a la medicina moderna, como, por ejemplo, en el área de cirugías especializadas, debido al gran riesgo de adquirir una bacteria super resistente intrahospitalaria, que no pueda ser tratada con los antibióticos existentes. La situación es bastante desalentadora, la resistencia a los antibióticos esta´ creciendo a tasas alarmantes y el número de nuevos antibióticos desarrollados y probados ha disminuido en las últimas décadas, básicamente por razones económicas y de regulación. En este sentido, múltiples empresas farmacéuticas han abandonado la investigación y el desarrollo de nuevos compuestos antimicrobianos. Sin embargo, en los últimos años, un buen número de investigadores se ha enfocado en el desarrollo de nuevos antibióticos. Entre estos, los péptidos antimicrobianos (PAMs) han aparecido como una solución prometedora para combatir estas bacterias super resistentes. Por esta razón, múltiples esfuerzos teóricos se han llevado a cabo en el desarrollo de nuevas herramientas computacionales para el diseño racional de péptidos que sean mejores y más efectivos. En esta tesis, se proponen dos estrategias para diseñar nuevos péptidos antibacterianos potenciales. Adicionalmente, la toxicidad de los péptidos también fue considerada en una de las estrategias propuestas. Los resultados han sido bastante satisfactorios. Múltiples péptidos que fueron diseñados en esta tesis fueron sintetizados y probados a nivel experimental y han mostrado actividad contra tres bacterias resistentes a los antibióticos. Adicionalmente, se realizaron pruebas de toxicidad a los péptidos más activos, y resultaron ser no tóxicos en eritrocitos de carnero y en células de tejido de pulmón de la línea A549.Item Compresión de datos sísmicos para reducir la limitación del ancho de banda del puerto PCIe(Universidad Industrial de Santander, 2016) Fajardo Ariza, Carlos Augusto; Castillo Villar, Javier; Reyes Torres, Óscar Mauricio; Mozos Muñoz, Daniel; Sepúlveda Sepúlveda, Franklin Alexander; Aguilera Bermúdez, Ernesto; Argüello Fuentes, Henry; Contreras Ortiz, Sonia HelenaNosotros proponemos una estrategia para reducir el impacto del cuello de botella Entrada/Salida en un cluster heterogéneo, en el contexto de las aplicaciones sísmicos. La estrategia está basada en un proceso de compresión/descompresión optimizada. La estrategia comprime los datos en campo, mientras son adquiridos, usando un algoritmo de compresión optimizado. Las operaciones de transferencia desde la memoria principal hasta la memoria del nodo son ejecutadas usando los datos comprimidos para reducir el tiempo de transferencia. La descompresión de los datos es ejecutada dentro del nodo antes de que el dato sea procesado. La estrategia se diseñó para dos tipos de clústeres heterogéneos. El primer tipo de clúster usa GPUs y el segundo usa FPGAs. Por un lado, nuestros resultados muestran que las etapas secuenciales en el proceso de descompresión se convierten rápidamente en un cuello de botella en el cluster basado en GPUs. De otro lado, la implementación de la estrategia en un clúster basado en FPGAs, nos permitió proponer una arquitectura computacional especifica, la cual se optimizó para las etapas secuenciales del proceso de descompresión. La implementación de nuestra estrategia en un cluster con FPGAs puede acelerar el proceso de transferencia hasta 10× para una relación de compresión de 16 : 1 y hasta 3× para una relación de compresión de 7 : 1. Por consiguiente, nuestra estrategia efectivamente reduce el impacto del cuello de botella de Entrada/Salida de datos y puede mejorar el rendimiento general de un cluster basado en FPGAs.