Evaluation of confidence-driven cost aggregation strategies

In this thesis I describe eight new stereo matching algorithms that perform the cost-aggregation step using a guided filter with a confidence map as guidance image, and share the structure of a linear stereo matching algorithm. The results of the execution of the proposed algorithms on four pictures from the Middlebury dataset are shown as well. Finally, based on these results, a ranking of the proposed algorithms is presented.

Fleet Management System for Search and Rescue Operations

Over one million people lost their lives in the last twenty years from natural disasters like wildfires, earthquakes and man-made disasters. In such scenarios the usage of a fleet of robots aims at the parallelization of the workload and thus increasing speed and capabilities to complete time sensitive missions. This work focuses on the development of a dynamic fleet management system, which consists in the management of multiple agents cooperating in order to accomplish tasks. We presented a Mixed Integer Programming problem for the management and planning of mission’s tasks. The problem was solved using both an exact and a heuristic approach. The latter is based on the idea of solving iteratively smaller instances of the complete problem. Alongside, a fast and efficient algorithm for estimation of travel times between tasks is proposed. Experimental results demonstrate that the proposed heuristic approach is able to generate quality solutions, within specific time limits, compared to the exact one.

Convolutional Neural Network Architectures for Template Matching

The Neural Networks customized and tested in this thesis (WaldoNet, FlowNet and PatchNet) are a first exploration and approach to the Template Matching task. The possibilities of extension are therefore many and some are proposed below. During my thesis, I have analyzed the functioning of the classical algorithms and adapted with deep learning algorithms. The features extracted from both the template and the query images resemble the keypoints of the SIFT algorithm. Then, instead of similarity function or keypoints matching, WaldoNet and PatchNet use the convolutional layer to compare the features, while FlowNet uses the correlational layer. In addition, I have identified the major challenges of the Template Matching task (affine/non-affine transformations, intensity changes...) and solved them with a careful design of the dataset.

A parallel community detection algorithm

Complex networks analysis is a very popular topic in computer science. Unfortunately this networks, extracted from different contexts, are usually very large and the analysis may be very complicated: computation of metrics on these structures could be very complex. Among all metrics we analyse the extraction of subnetworks called communities: they are groups of nodes that probably play the same role within the whole structure. Communities extraction is an interesting operation in many different fields (biology, economics,...). In this work we present a parallel community detection algorithm that can operate on networks with huge number of nodes and edges. After an introduction to graph theory and high performance computing, we will explain our design strategies and our implementation. Then, we will show some performance evaluation made on a distributed memory architectures i.e. the supercomputer IBM-BlueGene/Q "Fermi" at the CINECA supercomputing center, Italy, and we will comment our results.

Parallelization of the algorithm WHAM with NVIDIA CUDA.

The aim of my thesis is to parallelize the Weighting Histogram Analysis Method (WHAM), which is a popular algorithm used to calculate the Free Energy of a molucular system in Molecular Dynamics simulations. WHAM works in post processing in cooperation with another algorithm called Umbrella Sampling. Umbrella Sampling has the purpose to add a biasing in the potential energy of the system in order to force the system to sample a specific region in the configurational space. Several N independent simulations are performed in order to sample all the region of interest. Subsequently, the WHAM algorithm is used to estimate the original system energy starting from the N atomic trajectories. The parallelization of WHAM has been performed through CUDA, a language that allows to work in GPUs of NVIDIA graphic cards, which have a parallel achitecture. The parallel implementation may sensibly speed up the WHAM execution compared to previous serial CPU imlementations. However, the WHAM CPU code presents some temporal criticalities to very high numbers of interactions. The algorithm has been written in C++ and executed in UNIX systems provided with NVIDIA graphic cards. The results were satisfying obtaining an increase of performances when the model was executed on graphics cards with compute capability greater. Nonetheless, the GPUs used to test the algorithm is quite old and not designated for scientific calculations. It is likely that a further performance increase will be obtained if the algorithm would be executed in clusters of GPU at high level of computational efficiency. The thesis is organized in the following way: I will first describe the mathematical formulation of Umbrella Sampling and WHAM algorithm with their apllications in the study of ionic channels and in Molecular Docking (Chapter 1); then, I will present the CUDA architectures used to implement the model (Chapter 2); and finally, the results obtained on model systems will be presented (Chapter 3).

A multi-objective genetic algorithm optimisation using variable speed pumps in water distribution systems

Due to its practical importance and inherent complexity, the optimisation of distribution networks for supplying drinking water has been the subject of extensive study for the past 30 years. The optimization is governed by sizing the pipes in the water distribution network (WDN) and / or optimises specific parts of the network such as pumps, tanks etc. or try to analyse and optimise the reliability of a WDN. In this thesis, the author has analysed two different WDNs (Anytown City and Cabrera city networks), trying to solve and optimise a multi-objective optimisation problem (MOOP). The main two objectives in both cases were the minimisation of Energy Cost (€) or Energy consumption (kWh), along with the total Number of pump switches (TNps) during a day. For this purpose, a decision support system generator for Multi-objective optimisation used. Its name is GANetXL and has been developed by the Center of Water System in the University of Exeter. GANetXL, works by calling the EPANET hydraulic solver, each time a hydraulic analysis has been fulfilled. The main algorithm used, was a second-generation algorithm for multi-objective optimisation called NSGA_II that gave us the Pareto fronts of each configuration. The first experiment that has been carried out was the network of Anytown city. It is a big network with a pump station of four fixed speed parallel pumps that are boosting the water dynamics. The main intervention was to change these pumps to new Variable speed driven pumps (VSDPs), by installing inverters capable to diverse their velocity during the day. Hence, it’s been achieved great Energy and cost savings along with minimisation in the number of pump switches. The results of the research are thoroughly illustrated in chapter 7, with comments and a variety of graphs and different configurations. The second experiment was about the network of Cabrera city. The smaller WDN had a unique FS pump in the system. The problem was the same as far as the optimisation process was concerned, thus, the minimisation of the energy consumption and in parallel the minimisation of TNps. The same optimisation tool has been used (GANetXL).The main scope was to carry out several and different experiments regarding a vast variety of configurations, using different pump (but this time keeping the FS mode), different tank levels, different pipe diameters and different emitters coefficient. All these different modes came up with a large number of results that were compared in the chapter 8. Concluding, it should be said that the optimisation of WDNs is a very interested field that has a vast space of options to deal with. This includes a large number of algorithms to choose from, different techniques and configurations to be made and different support system generators. The researcher has to be ready to “roam” between these choices, till a satisfactory result will convince him/her that has reached a good optimisation point.

An optical sensor for online hematocrit measurement: characterization and fitting algorithm development

Lo scopo del presente lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di un sensore ottico per la lettura di ematocrito e lo sviluppo dell’algoritmo di calibrazione del dispositivo. In altre parole, utilizzando dati ottenuti da una sessione di calibrazione opportunamente pianificata, l’algoritmo sviluppato ha lo scopo di restituire la curva di interpolazione dei dati che caratterizza il trasduttore. I passi principali del lavoro di tesi svolto sono sintetizzati nei punti seguenti: 1) Pianificazione della sessione di calibrazione necessaria per la raccolta dati e conseguente costruzione di un modello black box.  Output: dato proveniente dal sensore ottico (lettura espressa in mV)  Input: valore di ematocrito espresso in punti percentuali ( questa grandezza rappresenta il valore vero di volume ematico ed è stata ottenuta con un dispositivo di centrifugazione sanguigna) 2) Sviluppo dell’algoritmo L’algoritmo sviluppato e utilizzato offline ha lo scopo di restituire la curva di regressione dei dati. Macroscopicamente, il codice possiamo distinguerlo in due parti principali: 1- Acquisizione dei dati provenienti da sensore e stato di funzionamento della pompa bifasica 2- Normalizzazione dei dati ottenuti rispetto al valore di riferimento del sensore e implementazione dell’algoritmo di regressione. Lo step di normalizzazione dei dati è uno strumento statistico fondamentale per poter mettere a confronto grandezze non uniformi tra loro. Studi presenti, dimostrano inoltre un mutazione morfologica del globulo rosso in risposta a sollecitazioni meccaniche. Un ulteriore aspetto trattato nel presente lavoro, riguarda la velocità del flusso sanguigno determinato dalla pompa e come tale grandezza sia in grado di influenzare la lettura di ematocrito.

Hilbert transform

The Hilbert transform is an important tool in both pure and applied mathematics. It is largely used in the field of signal processing. Lately has been used in mathematical finance as the fast Hilbert transform method is an efficient and accurate algorithm for pricing discretely monitored barrier and Bermudan style options. The purpose of this report is to show the basic properties of the Hilbert transform and to check the domain of definition of this operator.

Development and application of a thermo-hydraulic model supporting the design and the deterministic safety analysis in a sodium cooled fast reactor

Il CP-ESFR è un progetto integrato di cooperazione europeo sui reattori a sodio SFR realizzato sotto il programma quadro EURATOM 7, che unisce il contributo di venticinque partner europei. Il CP-ESFR ha l'ambizione di contribuire all'istituzione di una "solida base scientifica e tecnica per il reattore veloce refrigerato a sodio, al fine di accelerare gli sviluppi pratici per la gestione sicura dei rifiuti radioattivi a lunga vita, per migliorare le prestazioni di sicurezza, l'efficienza delle risorse e il costo-efficacia di energia nucleare al fine di garantire un sistema solido e socialmente accettabile di protezione della popolazione e dell'ambiente contro gli effetti delle radiazioni ionizzanti. " La presente tesi di laurea è un contributo allo sviluppo di modelli e metodi, basati sull’uso di codici termo-idraulici di sistema, per l’ analisi di sicurezza di reattori di IV Generazione refrigerati a metallo liquido. L'attività è stata svolta nell'ambito del progetto FP-7 PELGRIMM ed in sinergia con l’Accordo di Programma MSE-ENEA(PAR-2013). Il progetto FP7 PELGRIMM ha come obbiettivo lo sviluppo di combustibili contenenti attinidi minori 1. attraverso lo studio di due diverse forme: pellet (oggetto della presente tesi) e spherepac 2. valutandone l’impatto sul progetto del reattore CP-ESFR. La tesi propone lo sviluppo di un modello termoidraulico di sistema dei circuiti primario e intermedio del reattore con il codice RELAP5-3D© (INL, US). Tale codice, qualificato per il licenziamento dei reattori nucleari ad acqua, è stato utilizzato per valutare come variano i parametri del core del reattore rilevanti per la sicurezza (es. temperatura di camicia e di centro combustibile, temperatura del fluido refrigerante, etc.), quando il combustibile venga impiegato per “bruciare” gli attinidi minori (isotopi radioattivi a lunga vita contenuti nelle scorie nucleari). Questo ha comportato, una fase di training sul codice, sui suoi modelli e sulle sue capacità. Successivamente, lo sviluppo della nodalizzazione dell’impianto CP-ESFR, la sua qualifica, e l’analisi dei risultati ottenuti al variare della configurazione del core, del bruciamento e del tipo di combustibile impiegato (i.e. diverso arricchimento di attinidi minori). Il testo è suddiviso in sei sezioni. La prima fornisce un’introduzione allo sviluppo tecnologico dei reattori veloci, evidenzia l’ambito in cui è stata svolta questa tesi e ne definisce obbiettivi e struttura. Nella seconda sezione, viene descritto l’impianto del CP-ESFR con attenzione alla configurazione del nocciolo e al sistema primario. La terza sezione introduce il codice di sistema termico-idraulico utilizzato per le analisi e il modello sviluppato per riprodurre l’impianto. Nella sezione quattro vengono descritti: i test e le verifiche effettuate per valutare le prestazioni del modello, la qualifica della nodalizzazione, i principali modelli e le correlazioni più rilevanti per la simulazione e le configurazioni del core considerate per l’analisi dei risultati. I risultati ottenuti relativamente ai parametri di sicurezza del nocciolo in condizioni di normale funzionamento e per un transitorio selezionato sono descritti nella quinta sezione. Infine, sono riportate le conclusioni dell’attività.

Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Metodi di map-matching per l'identificazione degli itinerari dei ciclisti

Negli ultimi anni si è assistito al considerevole aumento della disponibilità di dati GPS e della loro precisione, dovuto alla diffusione e all’evoluzione tecnologica di smartphone e di applicazioni di localizzazione. Il processo di map-matching consiste nell’integrare tali dati - solitamente una lista ordinata di punti, identificati tramite coordinate geografiche ricavate mediante un sistema di localizzazione, come il GPS - con le reti disponibili; nell’ambito dell’ingegneria dei trasporti, l’obiettivo è di identificare il percorso realmente scelto dall’utente per lo spostamento. Il presente lavoro si propone l’obiettivo di studiare alcune metodologie di map-matching per l’identificazione degli itinerari degli utenti, in particolare della mobilità ciclabile. Nel primo capitolo è esposto il funzionamento dei sistemi di posizionamento e in particolare del sistema GPS: ne sono discusse le caratteristiche, la suddivisione nei vari segmenti, gli errori di misurazione e la cartografia di riferimento. Nel secondo capitolo sono presentati i vari aspetti del procedimento di map-matching, le sue principali applicazioni e alcune possibili classificazioni degli algoritmi di map-matching sviluppati in letteratura. Nel terzo capitolo è esposto lo studio eseguito su diversi algoritmi di map-matching, che sono stati testati su un database di spostamenti di ciclisti nell’area urbana di Bologna, registrati tramite i loro smartphone sotto forma di punti GPS, e sulla relativa rete. Si analizzano altresì i risultati ottenuti in un secondo ambiente di testing, predisposto nell’area urbana di Catania, dove sono state registrate in modo analogo alcune tracce di prova, e utilizzata la relativa rete. La comparazione degli algoritmi è eseguita graficamente e attraverso degli indicatori. Vengono inoltre proposti e valutati due algoritmi che forniscono un aggiornamento di quelli analizzati, al fine di migliorarne le prestazioni in termini di accuratezza dei risultati e di costo computazionale.

Sistema di visione stereo su architettura ZYNQ

Lo scopo della tesi è creare un’architettura in FPGA in grado di ricavare informazioni 3D da una coppia di sensori stereo. La pipeline è stata realizzata utilizzando il System-on-Chip Zynq, che permette una stretta interazione tra la parte hardware realizzata in FPGA e la CPU. Dopo uno studio preliminare degli strumenti hardware e software, è stata realizzata l’architettura base per la scrittura e la lettura di immagini nella memoria DDR dello Zynq. In seguito l’attenzione si è spostata sull’implementazione di algoritmi stereo (rettificazione e stereo matching) su FPGA e nella realizzazione di una pipeline in grado di ricavare accurate mappe di disparità in tempo reale acquisendo le immagini da una camera stereo.

Motion Cueing Algorithm Development in a 2DOF Driving Simulator: a Driving Behaviour-Centered Approach

I simulatori di guida sono strumenti altamente tecnologici che permettono di svolgere attività di ricerca in vari ambiti quali la psicologia, la medicina e l’ingegneria. Tuttavia, affinché i dati ottenuti mediante le simulazioni siano rapportabili alla loro controparte reale, la fedeltà delle componenti del simulatore di guida deve essere elevata. Questo lavoro tratta del miglioramento del sistema di restituzione del movimento nel simulatore a due gradi di libertà (2DOF) SIMU-LACET Driving Simulator, costruito e sviluppato presso il laboratorio LEPSIS dell’IFSTTAR (Istituto Francese delle Scienze e Tecnologie dei Trasporti, dello Sviluppo e delle Reti), in particolare nella sua sede di Parigi – Marne-la-Vallée. Si è deciso di andare a riprogettare la parte software del sistema di restituzione del movimento (motion cueing), operando su due elementi principali: lo scale factor (fattore di scala) applicato agli impulsi dinamici provenienti dal modello veicolare e i Motion Cueing Algorihms (MCA, algoritmi di restituzione del movimento), questo per entrambi i gradi di libertà. Si è quindi intervenuti sul modello esistente implementato in MATLAB-Simulink nello specifico blocco del motion cueing sul surge (traslazione longitudinale) e sul yaw (imbardata). Riguardo lo scale factor, è stata introdotta una metodologia per creare uno scale factor non lineare in forma esponenziale, tale da migliorare la restituzione degli impulsi meno ampi, pur rispettando i limiti fisici della piattaforma di movimento. Per quanto concerne il MCA, si sono vagliate diverse transfer function dell’algoritmo classico. La scelta finale dei MCA e la validazione del motion cueig in genere è stata effettuata mediante due esperimenti ed il giudizio dei soggetti che vi hanno partecipato. Inoltre, in virtù dei risultati del primo esperimento, si è investigata l’influenza che la strategia in merito al cambio delle marce avesse sulla percezione del movimento da parte del guidatore.

Economic and Environmental Optimization of Ornamental Stone Block Cutting with a 3D Algorithm

This thesis focuses on finding the optimum block cutting dimensions in terms of the environmental and economic factors by using a 3D algorithm for a limestone quarry in Foggia, Italy. The environmental concerns of quarrying operations are mainly: energy consumption, material waste, and pollution. The main economic concerns are the block recovery, the selling prices, and the production costs. Fractures adversely affect the block recovery ratio. With a fracture model, block production can be optimized. In this research, the waste volume produced by quarrying was minimised to increase the recovery ratio and ensure economic benefits. SlabCutOpt is a software developed at DICAM–University of Bologna for block cutting optimization which tests different cutting angles on the x-y-z planes to offer up alternative cutting methods. The program tests several block sizes and outputs the optimal result for each entry. By using SlabCutOpt, ten different block dimensions were analysed, the results indicated the maximum number of non-intersecting blocks for each dimension. After analysing the outputs, the block named number 1 with the dimensions ‘1mx1mx1m’ had the highest recovery ratio as 43% and the total Relative Money Value (RMV) with a value of 22829. Dimension number 1, also had the lowest waste volume, with a value of 3953.25 m3, for the total bench. For cutting the total bench volume of 6932.25m3, the diamond wire cutter had the lowest dust emission values for the block with the dimension ‘2mx2mx2m’, with a value of 24m3. When compared with the Eco-Label standards, block dimensions having surface area values lower than 15m2, were found to fit the natural resource waste criteria of the label, as the threshold required 25% of minimum recovery [1]. Due to the relativity of production costs, together with the Eco-Label threshold, the research recommends the selection of the blocks with a surface area value between 6m2 and 14m2.