Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Calcolo della posizione di reti di stazioni permanenti

Con il trascorrere del tempo, le reti di stazioni permanenti GNSS (Global Navigation Satellite System) divengono sempre più un valido supporto alle tecniche di rilevamento satellitare. Esse sono al tempo stesso un’efficace materializzazione del sistema di riferimento e un utile ausilio ad applicazioni di rilevamento topografico e di monitoraggio per il controllo di deformazioni. Alle ormai classiche applicazioni statiche in post-processamento, si affiancano le misure in tempo reale sempre più utilizzate e richieste dall’utenza professionale. In tutti i casi risulta molto importante la determinazione di coordinate precise per le stazioni permanenti, al punto che si è deciso di effettuarla tramite differenti ambienti di calcolo. Sono stati confrontati il Bernese, il Gamit (che condividono l’approccio differenziato) e il Gipsy (che utilizza l’approccio indifferenziato). L’uso di tre software ha reso indispensabile l’individuazione di una strategia di calcolo comune in grado di garantire che, i dati ancillari e i parametri fisici adottati, non costituiscano fonte di diversificazione tra le soluzioni ottenute. L’analisi di reti di dimensioni nazionali oppure di reti locali per lunghi intervalli di tempo, comporta il processamento di migliaia se non decine di migliaia di file; a ciò si aggiunge che, talora a causa di banali errori, oppure al fine di elaborare test scientifici, spesso risulta necessario reiterare le elaborazioni. Molte risorse sono quindi state investite nella messa a punto di procedure automatiche finalizzate, da un lato alla preparazione degli archivi e dall’altro all’analisi dei risultati e al loro confronto qualora si sia in possesso di più soluzioni. Dette procedure sono state sviluppate elaborando i dataset più significativi messi a disposizione del DISTART (Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento del Territorio - Università di Bologna). E’ stato così possibile, al tempo stesso, calcolare la posizione delle stazioni permanenti di alcune importanti reti locali e nazionali e confrontare taluni fra i più importanti codici scientifici che assolvono a tale funzione. Per quanto attiene il confronto fra i diversi software si è verificato che: • le soluzioni ottenute dal Bernese e da Gamit (i due software differenziati) sono sempre in perfetto accordo; • le soluzioni Gipsy (che utilizza il metodo indifferenziato) risultano, quasi sempre, leggermente più disperse rispetto a quelle degli altri software e mostrano talvolta delle apprezzabili differenze numeriche rispetto alle altre soluzioni, soprattutto per quanto attiene la coordinata Est; le differenze sono però contenute in pochi millimetri e le rette che descrivono i trend sono comunque praticamente parallele a quelle degli altri due codici; • il citato bias in Est tra Gipsy e le soluzioni differenziate, è più evidente in presenza di determinate combinazioni Antenna/Radome e sembra essere legato all’uso delle calibrazioni assolute da parte dei diversi software. E’ necessario altresì considerare che Gipsy è sensibilmente più veloce dei codici differenziati e soprattutto che, con la procedura indifferenziata, il file di ciascuna stazione di ciascun giorno, viene elaborato indipendentemente dagli altri, con evidente maggior elasticità di gestione: se si individua un errore strumentale su di una singola stazione o se si decide di aggiungere o togliere una stazione dalla rete, non risulta necessario il ricalcolo dell’intera rete. Insieme alle altre reti è stato possibile analizzare la Rete Dinamica Nazionale (RDN), non solo i 28 giorni che hanno dato luogo alla sua prima definizione, bensì anche ulteriori quattro intervalli temporali di 28 giorni, intercalati di sei mesi e che coprono quindi un intervallo temporale complessivo pari a due anni. Si è così potuto verificare che la RDN può essere utilizzata per l’inserimento in ITRF05 (International Terrestrial Reference Frame) di una qualsiasi rete regionale italiana nonostante l’intervallo temporale ancora limitato. Da un lato sono state stimate le velocità ITRF (puramente indicative e non ufficiali) delle stazioni RDN e, dall’altro, è stata effettuata una prova di inquadramento di una rete regionale in ITRF, tramite RDN, e si è verificato che non si hanno differenze apprezzabili rispetto all’inquadramento in ITRF, tramite un congruo numero di stazioni IGS/EUREF (International GNSS Service / European REference Frame, SubCommission for Europe dello International Association of Geodesy).

Diffusing alpha particles radiation treatment optimization in clinical settings

Alpha-particle emitters, notably used in 224Ra-DaRT, have emerged as effective in overcoming radiation resistance and providing targeted cancer therapy. These emitters cause DNA double-strand breaks, visualizable in human lymphocytes. The 224Ra DaRT technique, using a decay chain from seeds, extends alpha particle range, achieving complete tumor destruction while sparing healthy tissue. This thesis examines a biokinetic model, validated with patient data, and a feasibility study on skin squamous cell carcinomas are discussed. The study reports 75% tumor complete response rate and 48% patients experiencing acute grade 2 toxicity, resolving within a month. An observed abscopal effect (AE), where tumor regression occurs at non-irradiated sites, is examined, highlighting DaRT's potential in triggering anti-tumor immune responses. This effect, coupled with DaRT's high-linear energy transfer (LET), suggests its superiority over low-LET radiation in certain clinical scenarios. Improvements to DaRT, including the use of an external radio-opaque template for treatment planning, are explored. This advancement aids in determining source numbers for optimal tumor coverage, enhancing DaRT’s safety. The thesis outlines a typical DaRT procedure, from tumor measurements to source assessment and administration, emphasizing the importance of precise seed positioning. Furthermore, the thesis discusses DaRT's potential in treating prostate cancer, a prevalent global health issue, by offering an alternative to traditional salvage therapies. DaRT seeds, delivering alpha particle-based interstitial radiation, require precision in seed insertion due to their limited tissue range. In conclusion, the thesis advocates for DaRT's role in treating solid tumors, emphasizing its improved radiobiological potency and potential benefits over beta and gamma source-based therapies. Ongoing studies are assessing DaRT's feasibility in treating various solid tumors, including pancreatic, breast, prostate, and vulvar malignancies, suggesting a promising future in cancer treatment.

New functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb

In case of severe osteoarthritis at the knee causing pain, deformity, and loss of stability and mobility, the clinicians consider that the substitution of these surfaces by means of joint prostheses. The objectives to be pursued by this surgery are: complete pain elimination, restoration of the normal physiological mobility and joint stability, correction of all deformities and, thus, of limping. The knee surgical navigation systems have bee developed in computer-aided surgery in order to improve the surgical final outcome in total knee arthroplasty. These systems provide the surgeon with quantitative and real-time information about each surgical action, like bone cut executions and prosthesis component alignment, by mean of tracking tools rigidly fixed onto the femur and the tibia. Nevertheless, there is still a margin of error due to the incorrect surgical procedures and to the still limited number of kinematic information provided by the current systems. Particularly, patello-femoral joint kinematics is not considered in knee surgical navigation. It is also unclear and, thus, a source of misunderstanding, what the most appropriate methodology is to study the patellar motion. In addition, also the knee ligamentous apparatus is superficially considered in navigated total knee arthroplasty, without taking into account how their physiological behavior is altered by this surgery. The aim of the present research work was to provide new functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb. This was mainly realized by means of the identification and development of new techniques that allow a thorough comprehension of the functioning of the knee joint, with particular attention to the patello-femoral joint and to the main knee soft tissues. A knee surgical navigation system with active markers was used in all research activities presented in this research work. Particularly, preliminary test were performed in order to assess the system accuracy and the robustness of a number of navigation procedures. Four studies were performed in-vivo on patients requiring total knee arthroplasty and randomly implanted by means of traditional and navigated procedures in order to check for the real efficacy of the latter with respect to the former. In order to cope with assessment of patello-femoral joint kinematics in the intact and replaced knees, twenty in-vitro tests were performed by using a prototypal tracking tool also for the patella. In addition to standard anatomical and articular recommendations, original proposals for defining the patellar anatomical-based reference frame and for studying the patello-femoral joint kinematics were reported and used in these tests. These definitions were applied to two further in-vitro tests in which, for the first time, also the implant of patellar component insert was fully navigated. In addition, an original technique to analyze the main knee soft tissues by means of anatomical-based fiber mappings was also reported and used in the same tests. The preliminary instrumental tests revealed a system accuracy within the millimeter and a good inter- and intra-observer repeatability in defining all anatomical reference frames. In in-vivo studies, the general alignments of femoral and tibial prosthesis components and of the lower limb mechanical axis, as measured on radiographs, was more satisfactory, i.e. within ±3°, in those patient in which total knee arthroplasty was performed by navigated procedures. As for in-vitro tests, consistent patello-femoral joint kinematic patterns were observed over specimens throughout the knee flexion arc. Generally, the physiological intact knee patellar motion was not restored after the implant. This restoration was successfully achieved in the two further tests where all component implants, included the patellar insert, were fully navigated, i.e. by means of intra-operative assessment of also patellar component positioning and general tibio-femoral and patello-femoral joint assessment. The tests for assessing the behavior of the main knee ligaments revealed the complexity of the latter and the different functional roles played by the several sub-bundles compounding each ligament. Also in this case, total knee arthroplasty altered the physiological behavior of these knee soft tissues. These results reveal in-vitro the relevance and the feasibility of the applications of new techniques for accurate knee soft tissues monitoring, patellar tracking assessment and navigated patellar resurfacing intra-operatively in the contest of the most modern operative techniques. This present research work gives a contribution to the much controversial knowledge on the normal and replaced of knee kinematics by testing the reported new methodologies. The consistence of these results provides fundamental information for the comprehension and improvements of knee orthopedic treatments. In the future, the reported new techniques can be safely applied in-vivo and also adopted in other joint replacements.

Enabling Techniques and Algorithms for Integrated Communication and Navigation Satellite Systems

This thesis presents the outcomes of my Ph.D. course in telecommunications engineering. The focus of my research has been on Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and in particular on the design of aiding schemes operating both at position and physical level and the evaluation of their feasibility and advantages. Assistance techniques at the position level are considered to enhance receiver availability in challenging scenarios where satellite visibility is limited. Novel positioning techniques relying on peer-to-peer interaction and exchange of information are thus introduced. More specifically two different techniques are proposed: the Pseudorange Sharing Algorithm (PSA), based on the exchange of GNSS data, that allows to obtain coarse positioning where the user has scarce satellite visibility, and the Hybrid approach, which also permits to improve the accuracy of the positioning solution. At the physical level, aiding schemes are investigated to improve the receiver’s ability to synchronize with satellite signals. An innovative code acquisition strategy for dual-band receivers, the Cross-Band Aiding (CBA) technique, is introduced to speed-up initial synchronization by exploiting the exchange of time references between the two bands. In addition vector configurations for code tracking are analyzed and their feedback generation process thoroughly investigated.

Context detection and abstraction in smart environments

Context-aware computing is currently considered the most promising approach to overcome information overload and to speed up access to relevant information and services. Context-awareness may be derived from many sources, including user profile and preferences, network information, sensor analysis; usually context-awareness relies on the ability of computing devices to interact with the physical world, i.e. with the natural and artificial objects hosted within the "environment”. Ideally, context-aware applications should not be intrusive and should be able to react according to user’s context, with minimum user effort. Context is an application dependent multidimensional space and the location is an important part of it since the very beginning. Location can be used to guide applications, in providing information or functions that are most appropriate for a specific position. Hence location systems play a crucial role. There are several technologies and systems for computing location to a vary degree of accuracy and tailored for specific space model, i.e. indoors or outdoors, structured spaces or unstructured spaces. The research challenge faced by this thesis is related to pedestrian positioning in heterogeneous environments. Particularly, the focus will be on pedestrian identification, localization, orientation and activity recognition. This research was mainly carried out within the “mobile and ambient systems” workgroup of EPOCH, a 6FP NoE on the application of ICT to Cultural Heritage. Therefore applications in Cultural Heritage sites were the main target of the context-aware services discussed. Cultural Heritage sites are considered significant test-beds in Context-aware computing for many reasons. For example building a smart environment in museums or in protected sites is a challenging task, because localization and tracking are usually based on technologies that are difficult to hide or harmonize within the environment. Therefore it is expected that the experience made with this research may be useful also in domains other than Cultural Heritage. This work presents three different approaches to the pedestrian identification, positioning and tracking: Pedestrian navigation by means of a wearable inertial sensing platform assisted by the vision based tracking system for initial settings an real-time calibration; Pedestrian navigation by means of a wearable inertial sensing platform augmented with GPS measurements; Pedestrian identification and tracking, combining the vision based tracking system with WiFi localization. The proposed localization systems have been mainly used to enhance Cultural Heritage applications in providing information and services depending on the user’s actual context, in particular depending on the user’s location.

Troposphere Calibration Techniques for Deep Space Probe Tracking

Ground-based Earth troposphere calibration systems play an important role in planetary exploration, especially to carry out radio science experiments aimed at the estimation of planetary gravity fields. In these experiments, the main observable is the spacecraft (S/C) range rate, measured from the Doppler shift of an electromagnetic wave transmitted from ground, received by the spacecraft and coherently retransmitted back to ground. If the solar corona and interplanetary plasma noise is already removed from Doppler data, the Earth troposphere remains one of the main error sources in tracking observables. Current Earth media calibration systems at NASA’s Deep Space Network (DSN) stations are based upon a combination of weather data and multidirectional, dual frequency GPS measurements acquired at each station complex. In order to support Cassini’s cruise radio science experiments, a new generation of media calibration systems were developed, driven by the need to achieve the goal of an end-to-end Allan deviation of the radio link in the order of 3×〖10〗^(-15) at 1000 s integration time. The future ESA’s Bepi Colombo mission to Mercury carries scientific instrumentation for radio science experiments (a Ka-band transponder and a three-axis accelerometer) which, in combination with the S/C telecommunication system (a X/X/Ka transponder) will provide the most advanced tracking system ever flown on an interplanetary probe. Current error budget for MORE (Mercury Orbiter Radioscience Experiment) allows the residual uncalibrated troposphere to contribute with a value of 8×〖10〗^(-15) to the two-way Allan deviation at 1000 s integration time. The current standard ESA/ESTRACK calibration system is based on a combination of surface meteorological measurements and mathematical algorithms, capable to reconstruct the Earth troposphere path delay, leaving an uncalibrated component of about 1-2% of the total delay. In order to satisfy the stringent MORE requirements, the short time-scale variations of the Earth troposphere water vapor content must be calibrated at ESA deep space antennas (DSA) with more precise and stable instruments (microwave radiometers). In parallel to this high performance instruments, ESA ground stations should be upgraded to media calibration systems at least capable to calibrate both troposphere path delay components (dry and wet) at sub-centimetre level, in order to reduce S/C navigation uncertainties. The natural choice is to provide a continuous troposphere calibration by processing GNSS data acquired at each complex by dual frequency receivers already installed for station location purposes. The work presented here outlines the troposphere calibration technique to support both Deep Space probe navigation and radio science experiments. After an introduction to deep space tracking techniques, observables and error sources, in Chapter 2 the troposphere path delay is widely investigated, reporting the estimation techniques and the state of the art of the ESA and NASA troposphere calibrations. Chapter 3 deals with an analysis of the status and the performances of the NASA Advanced Media Calibration (AMC) system referred to the Cassini data analysis. Chapter 4 describes the current release of a developed GNSS software (S/W) to estimate the troposphere calibration to be used for ESA S/C navigation purposes. During the development phase of the S/W a test campaign has been undertaken in order to evaluate the S/W performances. A description of the campaign and the main results are reported in Chapter 5. Chapter 6 presents a preliminary analysis of microwave radiometers to be used to support radio science experiments. The analysis has been carried out considering radiometric measurements of the ESA/ESTEC instruments installed in Cabauw (NL) and compared with the requirements of MORE. Finally, Chapter 7 summarizes the results obtained and defines some key technical aspects to be evaluated and taken into account for the development phase of future instrumentation.

A novel map-matching procedure for low-sampling GPS data with applications to traffic flow analysis

An extensive sample (2%) of private vehicles in Italy are equipped with a GPS device that periodically measures their position and dynamical state for insurance purposes. Having access to this type of data allows to develop theoretical and practical applications of great interest: the real-time reconstruction of traffic state in a certain region, the development of accurate models of vehicle dynamics, the study of the cognitive dynamics of drivers. In order for these applications to be possible, we first need to develop the ability to reconstruct the paths taken by vehicles on the road network from the raw GPS data. In fact, these data are affected by positioning errors and they are often very distanced from each other (~2 Km). For these reasons, the task of path identification is not straightforward. This thesis describes the approach we followed to reliably identify vehicle paths from this kind of low-sampling data. The problem of matching data with roads is solved with a bayesian approach of maximum likelihood. While the identification of the path taken between two consecutive GPS measures is performed with a specifically developed optimal routing algorithm, based on A* algorithm. The procedure was applied on an off-line urban data sample and proved to be robust and accurate. Future developments will extend the procedure to real-time execution and nation-wide coverage.

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

Intraoperative kinematic evaluation with navigation system and postoperative kinematic evaluation with dynamic RSA of total knee arthroplasty

Restoring a correct implant kinematics and providing a good ligament balance and patellar tracking is mandatory to improve clinical and functional outcome after a Total Knee Replacement. Surgical navigation systems are a reliable and accurate tool to help the surgeon in achieving these goals. The aim of the present study was to use navigation system with an intra-operative surgical protocol to evaluate and determine an optimal implant kinematics during a Total Knee Replacement.

Kinematic models of interseismic deformation from inversion of GPS and InSAR measurements to estimate fault parameters and coupling degree

We have used kinematic models in two Italian regions to reproduce surface interseismic velocities obtained from InSAR and GPS measurements. We have considered a Block modeling, BM, approach to evaluate which fault system is actively accommodating the occurring deformation in both considered areas. We have performed a study for the Umbria-Marche Apennines, obtaining that the tectonic extension observed by GPS measurements is explained by the active contribution of at least two fault systems, one of which is the Alto Tiberina fault, ATF. We have estimated also the interseismic coupling distribution for the ATF using a 3D surface and the result shows an interesting correlation between the microseismicity and the uncoupled fault portions. The second area analyzed concerns the Gargano promontory for which we have used jointly the available InSAR and GPS velocities. Firstly we have attached the two datasets to the same terrestrial reference frame and then using a simple dislocation approach, we have estimated the best fault parameters reproducing the available data, providing a solution corresponding to the Mattinata fault. Subsequently we have considered within a BM analysis both GPS and InSAR datasets in order to evaluate if the Mattinata fault may accommodate the deformation occurring in the central Adriatic due to the relative motion between the North-Adriatic and South-Adriatic plates. We obtain that the deformation occurring in that region should be accommodated by more that one fault system, that is however difficult to detect since the poor coverage of geodetic measurement offshore of the Gargano promontory. Finally we have performed also the estimate of the interseismic coupling distribution for the Mattinata fault, obtaining a shallow coupling pattern. Both of coupling distributions found using the BM approach have been tested by means of resolution checkerboard tests and they demonstrate that the coupling patterns depend on the geodetic data positions.

La deflessione della verticale ed il coefficiente di rifrazione atmosferico nel monitoraggio in alta precisione

La tesi è suddivisa in due parti. La prima è dedicata alla determinazione della Deflessione della Verticale (DdV) in Medicina (BO). Vengono presentati tre metodi per la determinazione delle componenti della DdV. Il primo utilizza la livellazione geometrica ed il sistema GNSS, il secondo, eseguito dal dott. Serantoni, utilizza il sistema QDaedalus, messo a punto all' ETH di Zurigo ed il terzo approccio utilizza il programma ConvER, messo a disposizione dalla regione Emilia-Romagna. Nella seconda parte viene presentato un metodo per la determinazione del Coefficiente di Rifrazione Atmosferico (CRA). La procedura di calcolo è di tipo iterativo ed utilizza, oltre agli angoli zenitali, anche le distanze misurate. Il metodo è stato testato in due aree di studio. La prima nella città di Limassol (Cipro) in ambiente urbano nell' autunno 2013. La seconda in Venezia nella laguna durante l'estate 2014.

Management and routing algorithms for ad-hoc and sensor networks

Large scale wireless adhoc networks of computers, sensors, PDAs etc. (i.e. nodes) are revolutionizing connectivity and leading to a paradigm shift from centralized systems to highly distributed and dynamic environments. An example of adhoc networks are sensor networks, which are usually composed by small units able to sense and transmit to a sink elementary data which are successively processed by an external machine. Recent improvements in the memory and computational power of sensors, together with the reduction of energy consumptions, are rapidly changing the potential of such systems, moving the attention towards datacentric sensor networks. A plethora of routing and data management algorithms have been proposed for the network path discovery ranging from broadcasting/floodingbased approaches to those using global positioning systems (GPS). We studied WGrid, a novel decentralized infrastructure that organizes wireless devices in an adhoc manner, where each node has one or more virtual coordinates through which both message routing and data management occur without reliance on either flooding/broadcasting operations or GPS. The resulting adhoc network does not suffer from the deadend problem, which happens in geographicbased routing when a node is unable to locate a neighbor closer to the destination than itself. WGrid allow multidimensional data management capability since nodes' virtual coordinates can act as a distributed database without needing neither special implementation or reorganization. Any kind of data (both single and multidimensional) can be distributed, stored and managed. We will show how a location service can be easily implemented so that any search is reduced to a simple query, like for any other data type. WGrid has then been extended by adopting a replication methodology. We called the resulting algorithm WRGrid. Just like WGrid, WRGrid acts as a distributed database without needing neither special implementation nor reorganization and any kind of data can be distributed, stored and managed. We have evaluated the benefits of replication on data management, finding out, from experimental results, that it can halve the average number of hops in the network. The direct consequence of this fact are a significant improvement on energy consumption and a workload balancing among sensors (number of messages routed by each node). Finally, thanks to the replications, whose number can be arbitrarily chosen, the resulting sensor network can face sensors disconnections/connections, due to failures of sensors, without data loss. Another extension to {WGrid} is {W*Grid} which extends it by strongly improving network recovery performance from link and/or device failures that may happen due to crashes or battery exhaustion of devices or to temporary obstacles. W*Grid guarantees, by construction, at least two disjoint paths between each couple of nodes. This implies that the recovery in W*Grid occurs without broadcasting transmissions and guaranteeing robustness while drastically reducing the energy consumption. An extensive number of simulations shows the efficiency, robustness and traffic road of resulting networks under several scenarios of device density and of number of coordinates. Performance analysis have been compared to existent algorithms in order to validate the results.

Vibration as a method for muscular stimulation

Human reactions to vibration have been extensively investigated in the past. Vibration, as well as whole-body vibration (WBV), has been commonly considered as an occupational hazard for its detrimental effects on human condition and comfort. Although long term exposure to vibrations may produce undesirable side-effects, a great part of the literature is dedicated to the positive effects of WBV when used as method for muscular stimulation and as an exercise intervention. Whole body vibration training (WBVT) aims to mechanically activate muscles by eliciting neuromuscular activity (muscle reflexes) via the use of vibrations delivered to the whole body. The most mentioned mechanism to explain the neuromuscular outcomes of vibration is the elicited neuromuscular activation. Local tendon vibrations induce activity of the muscle spindle Ia fibers, mediated by monosynaptic and polysynaptic pathways: a reflex muscle contraction known as the Tonic Vibration Reflex (TVR) arises in response to such vibratory stimulus. In WBVT mechanical vibrations, in a range from 10 to 80 Hz and peak to peak displacements from 1 to 10 mm, are usually transmitted to the patient body by the use of oscillating platforms. Vibrations are then transferred from the platform to a specific muscle group through the subject body. To customize WBV treatments, surface electromyography (SEMG) signals are often used to reveal the best stimulation frequency for each subject. Use of SEMG concise parameters, such as root mean square values of the recordings, is also a common practice; frequently a preliminary session can take place in order to discover the more appropriate stimulation frequency. Soft tissues act as wobbling masses vibrating in a damped manner in response to mechanical excitation; Muscle Tuning hypothesis suggest that neuromuscular system works to damp the soft tissue oscillation that occurs in response to vibrations; muscles alters their activity to dampen the vibrations, preventing any resonance phenomenon. Muscle response to vibration is however a complex phenomenon as it depends on different parameters, like muscle-tension, muscle or segment-stiffness, amplitude and frequency of the mechanical vibration. Additionally, while in the TVR study the applied vibratory stimulus and the muscle conditions are completely characterised (a known vibration source is applied directly to a stretched/shortened muscle or tendon), in WBV study only the stimulus applied to a distal part of the body is known. Moreover, mechanical response changes in relation to the posture. The transmissibility of vibratory stimulus along the body segment strongly depends on the position held by the subject. The aim of this work was the investigation on the effects that the use of vibrations, in particular the effects of whole body vibrations, may have on muscular activity. A new approach to discover the more appropriate stimulus frequency, by the use of accelerometers, was also explored. Different subjects, not affected by any known neurological or musculoskeletal disorders, were voluntarily involved in the study and gave their informed, written consent to participate. The device used to deliver vibration to the subjects was a vibrating platform. Vibrations impressed by the platform were exclusively vertical; platform displacement was sinusoidal with an intensity (peak-to-peak displacement) set to 1.2 mm and with a frequency ranging from 10 to 80 Hz. All the subjects familiarized with the device and the proper positioning. Two different posture were explored in this study: position 1 - hack squat; position 2 - subject standing on toes with heels raised. SEMG signals from the Rectus Femoris (RF), Vastus Lateralis (VL) and Vastus medialis (VM) were recorded. SEMG signals were amplified using a multi-channel, isolated biomedical signal amplifier The gain was set to 1000 V/V and a band pass filter (-3dB frequency 10 - 500 Hz) was applied; no notch filters were used to suppress line interference. Tiny and lightweight (less than 10 g) three-axial MEMS accelerometers (Freescale semiconductors) were used to measure accelerations of onto patient’s skin, at EMG electrodes level. Accelerations signals provided information related to individuals’ RF, Biceps Femoris (BF) and Gastrocnemius Lateralis (GL) muscle belly oscillation; they were pre-processed in order to exclude influence of gravity. As demonstrated by our results, vibrations generate peculiar, not negligible motion artifact on skin electrodes. Artifact amplitude is generally unpredictable; it appeared in all the quadriceps muscles analysed, but in different amounts. Artifact harmonics extend throughout the EMG spectrum, making classic high-pass filters ineffective; however, their contribution was easy to filter out from the raw EMG signal with a series of sharp notch filters centred at the vibration frequency and its superior harmonics (1.5 Hz wide). However, use of these simple filters prevents the revelation of EMG power potential variation in the mentioned filtered bands. Moreover our experience suggests that the possibility of reducing motion artefact, by using particular electrodes and by accurately preparing the subject’s skin, is not easily viable; even though some small improvements were obtained, it was not possible to substantially decrease the artifact. Anyway, getting rid of those artifacts lead to some true EMG signal loss. Nevertheless, our preliminary results suggest that the use of notch filters at vibration frequency and its harmonics is suitable for motion artifacts filtering. In RF SEMG recordings during vibratory stimulation only a little EMG power increment should be contained in the mentioned filtered bands due to synchronous electromyographic activity of the muscle. Moreover, it is better to remove the artifact that, in our experience, was found to be more than 40% of the total signal power. In summary, many variables have to be taken into account: in addition to amplitude, frequency and duration of vibration treatment, other fundamental variables were found to be subject anatomy, individual physiological condition and subject’s positioning on the platform. Studies on WBV treatments that include surface EMG analysis to asses muscular activity during vibratory stimulation should take into account the presence of motion artifacts. Appropriate filtering of artifacts, to reveal the actual effect on muscle contraction elicited by vibration stimulus, is mandatory. However as a result of our preliminary study, a simple multi-band notch filtering may help to reduce randomness of the results. Muscle tuning hypothesis seemed to be confirmed. Our results suggested that the effects of WBV are linked to the actual muscle motion (displacement). The greater was the muscle belly displacement the higher was found the muscle activity. The maximum muscle activity has been found in correspondence with the local mechanical resonance, suggesting a more effective stimulation at the specific system resonance frequency. Holding the hypothesis that muscle activation is proportional to muscle displacement, treatment optimization could be obtained by simply monitoring local acceleration (resonance). However, our study revealed some short term effects of vibratory stimulus; prolonged studies should be assembled in order to consider the long term effectiveness of these results. Since local stimulus depends on the kinematic chain involved, WBV muscle stimulation has to take into account the transmissibility of the stimulus along the body segment in order to ensure that vibratory stimulation effectively reaches the target muscle. Combination of local resonance and muscle response should also be further investigated to prevent hazards to individuals undergoing WBV treatments.