Generación de Casos de Prueba en Programación Orientada a Objetos = Test Case Generation in Object-Oriented Programming

Las pruebas de software (Testing) son en la actualidad la técnica más utilizada para la validación y la evaluación de la calidad de un programa. El testing está integrado en todas las metodologías prácticas de desarrollo de software y juega un papel crucial en el éxito de cualquier proyecto de software. Desde las unidades de código más pequeñas a los componentes más complejos, su integración en un sistema de software y su despliegue a producción, todas las piezas de un producto de software deben ser probadas a fondo antes de que el producto de software pueda ser liberado a un entorno de producción. La mayor limitación del testing de software es que continúa siendo un conjunto de tareas manuales, representando una buena parte del coste total de desarrollo. En este escenario, la automatización resulta fundamental para aliviar estos altos costes. La generación automática de casos de pruebas (TCG, del inglés test case generation) es el proceso de generar automáticamente casos de prueba que logren un alto recubrimiento del programa. Entre la gran variedad de enfoques hacia la TCG, esta tesis se centra en un enfoque estructural de caja blanca, y más concretamente en una de las técnicas más utilizadas actualmente, la ejecución simbólica. En ejecución simbólica, el programa bajo pruebas es ejecutado con expresiones simbólicas como argumentos de entrada en lugar de valores concretos. Esta tesis se basa en un marco general para la generación automática de casos de prueba dirigido a programas imperativos orientados a objetos (Java, por ejemplo) y basado en programación lógica con restricciones (CLP, del inglés constraint logic programming). En este marco general, el programa imperativo bajo pruebas es primeramente traducido a un programa CLP equivalente, y luego dicho programa CLP es ejecutado simbólicamente utilizando los mecanismos de evaluación estándar de CLP, extendidos con operaciones especiales para el tratamiento de estructuras de datos dinámicas. Mejorar la escalabilidad y la eficiencia de la ejecución simbólica constituye un reto muy importante. Es bien sabido que la ejecución simbólica resulta impracticable debido al gran número de caminos de ejecución que deben ser explorados y a tamaño de las restricciones que se deben manipular. Además, la generación de casos de prueba mediante ejecución simbólica tiende a producir un número innecesariamente grande de casos de prueba cuando es aplicada a programas de tamaño medio o grande. Las contribuciones de esta tesis pueden ser resumidas como sigue. (1) Se desarrolla un enfoque composicional basado en CLP para la generación de casos de prueba, el cual busca aliviar el problema de la explosión de caminos interprocedimiento analizando de forma separada cada componente (p.ej. método) del programa bajo pruebas, almacenando los resultados y reutilizándolos incrementalmente hasta obtener resultados para el programa completo. También se ha desarrollado un enfoque composicional basado en especialización de programas (evaluación parcial) para la herramienta de ejecución simbólica Symbolic PathFinder (SPF). (2) Se propone una metodología para usar información del consumo de recursos del programa bajo pruebas para guiar la ejecución simbólica hacia aquellas partes del programa que satisfacen una determinada política de recursos, evitando la exploración de aquellas partes del programa que violan dicha política. (3) Se propone una metodología genérica para guiar la ejecución simbólica hacia las partes más interesantes del programa, la cual utiliza abstracciones como generadores de trazas para guiar la ejecución de acuerdo a criterios de selección estructurales. (4) Se propone un nuevo resolutor de restricciones, el cual maneja eficientemente restricciones sobre el uso de la memoria dinámica global (heap) durante ejecución simbólica, el cual mejora considerablemente el rendimiento de la técnica estándar utilizada para este propósito, la \lazy initialization". (5) Todas las técnicas propuestas han sido implementadas en el sistema PET (el enfoque composicional ha sido también implementado en la herramienta SPF). Mediante evaluación experimental se ha confirmado que todas ellas mejoran considerablemente la escalabilidad y eficiencia de la ejecución simbólica y la generación de casos de prueba. ABSTRACT Testing is nowadays the most used technique to validate software and assess its quality. It is integrated into all practical software development methodologies and plays a crucial role towards the success of any software project. From the smallest units of code to the most complex components and their integration into a software system and later deployment; all pieces of a software product must be tested thoroughly before a software product can be released. The main limitation of software testing is that it remains a mostly manual task, representing a large fraction of the total development cost. In this scenario, test automation is paramount to alleviate such high costs. Test case generation (TCG) is the process of automatically generating test inputs that achieve high coverage of the system under test. Among a wide variety of approaches to TCG, this thesis focuses on structural (white-box) TCG, where one of the most successful enabling techniques is symbolic execution. In symbolic execution, the program under test is executed with its input arguments being symbolic expressions rather than concrete values. This thesis relies on a previously developed constraint-based TCG framework for imperative object-oriented programs (e.g., Java), in which the imperative program under test is first translated into an equivalent constraint logic program, and then such translated program is symbolically executed by relying on standard evaluation mechanisms of Constraint Logic Programming (CLP), extended with special treatment for dynamically allocated data structures. Improving the scalability and efficiency of symbolic execution constitutes a major challenge. It is well known that symbolic execution quickly becomes impractical due to the large number of paths that must be explored and the size of the constraints that must be handled. Moreover, symbolic execution-based TCG tends to produce an unnecessarily large number of test cases when applied to medium or large programs. The contributions of this dissertation can be summarized as follows. (1) A compositional approach to CLP-based TCG is developed which overcomes the inter-procedural path explosion by separately analyzing each component (method) in a program under test, stowing the results as method summaries and incrementally reusing them to obtain whole-program results. A similar compositional strategy that relies on program specialization is also developed for the state-of-the-art symbolic execution tool Symbolic PathFinder (SPF). (2) Resource-driven TCG is proposed as a methodology to use resource consumption information to drive symbolic execution towards those parts of the program under test that comply with a user-provided resource policy, avoiding the exploration of those parts of the program that violate such policy. (3) A generic methodology to guide symbolic execution towards the most interesting parts of a program is proposed, which uses abstractions as oracles to steer symbolic execution through those parts of the program under test that interest the programmer/tester most. (4) A new heap-constraint solver is proposed, which efficiently handles heap-related constraints and aliasing of references during symbolic execution and greatly outperforms the state-of-the-art standard technique known as lazy initialization. (5) All techniques above have been implemented in the PET system (and some of them in the SPF tool). Experimental evaluation has confirmed that they considerably help towards a more scalable and efficient symbolic execution and TCG.

Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.