Analysis and Evaluation of Tiny Machine Learning applications

The aim of TinyML is to bring the capability of Machine Learning to ultra-low-power devices, typically under a milliwatt, and with this it breaks the traditional power barrier that prevents the widely distributed machine intelligence. TinyML allows greater reactivity and privacy by conducting inference on the computer and near-sensor while avoiding the energy cost associated with wireless communication, which is far higher at this scale than that of computing. In addition, TinyML’s efficiency makes a class of smart, battery-powered, always-on applications that can revolutionize the collection and processing of data in real time. This emerging field, which is the end of a lot of innovation, is ready to speed up its growth in the coming years. In this thesis, we deploy three model on a microcontroller. For the model, datasets are retrieved from an online repository and are preprocessed as per our requirement. The model is then trained on the split of preprocessed data at its best to get the most accuracy out of it. Later the trained model is converted to C language to make it possible to deploy on the microcontroller. Finally, we take step towards incorporating the model into the microcontroller by implementing and evaluating an interface for the user to utilize the microcontroller’s sensors. In our thesis, we will have 4 chapters. The first will give us an introduction of TinyML. The second chapter will help setup the TinyML Environment. The third chapter will be about a major use of TinyML in Wake Word Detection. The final chapter will deal with Gesture Recognition in TinyML.

Design and implementation of a testbed for data distribution management

Data Distribution Management (DDM) is a core part of High Level Architecture standard, as its goal is to optimize the resources used by simulation environments to exchange data. It has to filter and match the set of information generated during a simulation, so that each federate, that is a simulation entity, only receives the information it needs. It is important that this is done quickly and to the best in order to get better performances and avoiding the transmission of irrelevant data, otherwise network resources may saturate quickly. The main topic of this thesis is the implementation of a super partes DDM testbed. It evaluates the goodness of DDM approaches, of all kinds. In fact it supports both region and grid based approaches, and it may support other different methods still unknown too. It uses three factors to rank them: execution time, memory and distance from the optimal solution. A prearranged set of instances is already available, but we also allow the creation of instances with user-provided parameters. This is how this thesis is structured. We start introducing what DDM and HLA are and what do they do in details. Then in the first chapter we describe the state of the art, providing an overview of the most well known resolution approaches and the pseudocode of the most interesting ones. The third chapter describes how the testbed we implemented is structured. In the fourth chapter we expose and compare the results we got from the execution of four approaches we have implemented. The result of the work described in this thesis can be downloaded on sourceforge using the following link: https://sourceforge.net/projects/ddmtestbed/. It is licensed under the GNU General Public License version 3.0 (GPLv3).

Genetic and morphological variation and differentiation of Raja clavata populations in the European seas: marker development and preliminary data

In this study the population structure and connectivity of the Mediterranean and Atlantic Raja clavata (L., 1758) were investigated by analyzing the genetic variation of six population samples (N = 144) at seven nuclear microsatellite loci. The genetic dataset was generated by selecting population samples available in the tissue databases of the GenoDREAM laboratory (University of Bologna) and of the Department of Life Sciences and Environment (University of Cagliari), all collected during past scientific surveys (MEDITS, GRUND) from different geographical locations in the Mediterranean basin and North-east Atlantic sea, as North Sea, Sardinian coasts, Tuscany coasts and Cyprus Island. This thesis deals with to estimate the genetic diversity and differentiation among 6 geographical samples, in particular, to assess the presence of any barrier (geographic, hydrogeological or biological) to gene flow evaluating both the genetic diversity (nucleotide diversity, observed and expected heterozygosity, Hardy- Weinberg equilibrium analysis) and population differentiation (Fst estimates, population structure analysis). In addition to molecular analysis, quantitative representation and statistical analysis of morphological individuals shape are performed using geometric morphometrics methods and statistical tests. Geometric coordinates call landmarks are fixed in 158 individuals belonging to two population samples of Raja clavata and in population samples of closely related species, Raja straeleni (cryptic sibling) and Raja asterias, to assess significant morphological differences at multiple taxonomic levels. The results obtained from the analysis of the microsatellite dataset suggested a geographic and genetic separation between populations from Central-Western and Eastern Mediterranean basins. Furthermore, the analysis also showed that there was no separation between geographic samples from North Atlantic Ocean and central-Western Mediterranean, grouping them to a panmictic population. The Landmark-based geometric morphometry method results showed significant differences of body shape able to discriminate taxa at tested levels (from species to populations).

Multicentre study for a robust protocol in single-voxel spectroscopy: quantification of MRS signals by time-domain fitting algorithms

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is an advanced clinical and research application which guarantees a specific biochemical and metabolic characterization of tissues by the detection and quantification of key metabolites for diagnosis and disease staging. The "Associazione Italiana di Fisica Medica (AIFM)" has promoted the activity of the "Interconfronto di spettroscopia in RM" working group. The purpose of the study is to compare and analyze results obtained by perfoming MRS on scanners of different manufacturing in order to compile a robust protocol for spectroscopic examinations in clinical routines. This thesis takes part into this project by using the GE Signa HDxt 1.5 T at the Pavillion no. 11 of the S.Orsola-Malpighi hospital in Bologna. The spectral analyses have been performed with the jMRUI package, which includes a wide range of preprocessing and quantification algorithms for signal analysis in the time domain. After the quality assurance on the scanner with standard and innovative methods, both spectra with and without suppression of the water peak have been acquired on the GE test phantom. The comparison of the ratios of the metabolite amplitudes over Creatine computed by the workstation software, which works on the frequencies, and jMRUI shows good agreement, suggesting that quantifications in both domains may lead to consistent results. The characterization of an in-house phantom provided by the working group has achieved its goal of assessing the solution content and the metabolite concentrations with good accuracy. The goodness of the experimental procedure and data analysis has been demonstrated by the correct estimation of the T2 of water, the observed biexponential relaxation curve of Creatine and the correct TE value at which the modulation by J coupling causes the Lactate doublet to be inverted in the spectrum. The work of this thesis has demonstrated that it is possible to perform measurements and establish protocols for data analysis, based on the physical principles of NMR, which are able to provide robust values for the spectral parameters of clinical use.

Development and implementation of a S/W platform to automatically receive and share satellite data

Relazione del lavoro di creazione e implementazione della piattaforma software che sviluppa l’archivio del progetto SATNET. I satelliti universitari hanno un tempo di vista della propria Stazione di Terra di pochi minuti al giorno: SATNET risponde all’esigenza di comunicare con un satellite universitario in orbita bassa per più dei pochi minuti al giorno che una singola Stazione di Terra permette. Questo avviene grazie a una rete di Stazioni di Terra Satellitari collegate da specifiche missioni comuni che mettono in condivisione dati ricevuti da uno o più satelliti, aumentando il rendimento dati/giorno di questi e permettendo una migliore fruizione delle Stazioni di Terra stesse. Il network sfrutta Internet come canale di connessione, e prevede la presenza di un archivio nel quale memorizzare i dati ricevuti, per poi renderne possibile la consultazione e il recupero. Oggetto di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo e l’implementazione di tale archivio: utilizzando un sito web dinamico, il software risponde a tutte le richieste evidenziate nel paragrafo precedente, permettendo a utenti autenticati di inserire dati e ad altri di poterne avere accesso. Il software è completo e funzionante ma non finito, in quanto manca la formulazione di alcune richieste; per esempio non è stato specificato il tipo di informazioni che è possibile caricare in upload, né il tipo di campi richiesti nel modulo di registrazione dei vari utenti. In questi casi sono stati inseriti campi generici, lasciando all’utente la possibilità di modificarli in seguito. Il software è stato dunque concepito come facilmente personalizzabile e modificabile anche da utenti inesperti grazie alla sola lettura della tesi, che rappresenta quindi una vera e propria guida per l’utilizzo, l’installazione, la personalizzazione e la manutenzione della piattaforma software. La tesi evidenzia gli obiettivi e le richieste, mostrando l’aspetto del sito web e le sue funzionalità, e spiega passo per passo il procedimento per la modifica dell’aspetto delle pagine e di alcuni parametri di configurazione. Inoltre, qualora siano necessarie modifiche sostanziali al progetto, introduce i vari linguaggi di programmazione necessari allo sviluppo e alla programmazione web e aiuta l’utente nella comprensione della struttura del software. Si conclude con alcuni suggerimenti su eventuali modifiche, attuabili solo a seguito di un lavoro di definizione degli obiettivi e delle specifiche richieste. In futuro ci si aspetta l’implementazione e la personalizzazione del software, nonché l’integrazione dell’archivio all’interno del progetto SATNET, con l’obiettivo di migliorare e favorire la diffusione e la condivisione di progetti comuni tra diverse Università Europee ed Extra-Europee.

Data analysis and simulations of VIRTIS venus spectra

VIRTIS, a bordo di Venus Express, è uno spettrometro in grado di operare da 0.25 a 5 µm. Nel periodo 2006-2011 ha ricavato un'enorme mole di dati ma a tutt'oggi le osservazioni al lembo sono poco utilizzate per lo studio delle nubi e delle hazes, specialmente di notte. Gli spettri al lembo a quote mesosferiche sono dominati dalla radianza proveniente dalle nubi e scatterata in direzione dello strumento dalle hazes. L'interpretazione degli spettri al lembo non può quindi prescindere dalla caratterizzazione dell'intera colonna atmosferica. L'obiettivo della tesi è di effettuare un’analisi statistica sulle osservazioni al nadir e proporre una metodologia per ricavare una caratterizzazione delle hazes combinando osservazioni al nadir e al lembo. La caratterizzazione delle nubi è avvenuta su un campione di oltre 3700 osservazioni al nadir. È stato creato un ampio dataset di spettri sintetici modificando, in un modello iniziale, vari parametri di nube quali composizione chimica, numero e dimensione delle particelle. Un processo di fit è stato applicato alle osservazioni per stabilire quale modello potesse descrivere gli spettri osservati. Si è poi effettuata una analisi statistica sui risultati del campione. Si è ricavata una concentrazione di acido solforico molto elevata nelle nubi basse, pari al 96% in massa, che si discosta dal valore generalmente utilizzato del 75%. Si sono poi integrati i risultati al nadir con uno studio mirato su poche osservazioni al lembo, selezionate in modo da intercettare nel punto di tangenza la colonna atmosferica osservata al nadir, per ricavare informazioni sulle hazes. I risultati di un modello Monte Carlo indicano che il numero e le dimensioni delle particelle previste dal modello base devono essere ridotte in maniera significativa. In particolare si osserva un abbassamento della quota massima delle hazes rispetto ad osservazioni diurne.

Arald: an architecture for name resolution, disambiguation and linking of linked data through semantics

La capacità di estrarre entità da testi, collegarle tra loro ed eliminare possibili ambiguità tra di esse è uno degli obiettivi del Web Semantico. Chiamato anche Web 3.0, esso presenta numerose innovazioni volte ad arricchire il Web con dati strutturati comprensibili sia dagli umani che dai calcolatori. Nel reperimento di questi temini e nella definizione delle entities è di fondamentale importanza la loro univocità. Il nostro orizzonte di lavoro è quello delle università italiane e le entities che vogliamo estrarre, collegare e rendere univoche sono nomi di professori italiani. L’insieme di informazioni di partenza, per sua natura, vede la presenza di ambiguità. Attenendoci il più possibile alla sua semantica, abbiamo studiato questi dati ed abbiamo risolto le collisioni presenti sui nomi dei professori. Arald, la nostra architettura software per il Web Semantico, estrae entità e le collega, ma soprattutto risolve ambiguità e omonimie tra i professori delle università italiane. Per farlo si appoggia alla semantica dei loro lavori accademici e alla rete di coautori desumibile dagli articoli da loro pubblicati, rappresentati tramite un data cluster. In questo docu delle università italiane e le entities che vogliamo estrarre, collegare e rendere univoche sono nomi di professori italiani. Partendo da un insieme di informazioni che, per sua natura, vede la presenza di ambiguità, lo abbiamo studiato attenendoci il più possibile alla sua semantica, ed abbiamo risolto le collisioni che accadevano sui nomi dei professori. Arald, la nostra architettura software per il Web Semantico, estrae entità, le collega, ma soprattutto risolve ambiguità e omonimie tra i professori delle università italiane. Per farlo si appoggia alla semantica dei loro lavori accademici e alla rete di coautori desumibile dagli articoli da loro pubblicati tramite la costruzione di un data cluster.

Assimilation of data from conventional and non conventional networks through a LETKF scheme in the COSMO model

The present work studies a km-scale data assimilation scheme based on a LETKF developed for the COSMO model. The aim is to evaluate the impact of the assimilation of two different types of data: temperature, humidity, pressure and wind data from conventional networks (SYNOP, TEMP, AIREP reports) and 3d reflectivity from radar volume. A 3-hourly continuous assimilation cycle has been implemented over an Italian domain, based on a 20 member ensemble, with boundary conditions provided from ECMWF ENS. Three different experiments have been run for evaluating the performance of the assimilation on one week in October 2014 during which Genova flood and Parma flood took place: a control run of the data assimilation cycle with assimilation of data from conventional networks only, a second run in which the SPPT scheme is activated into the COSMO model, a third run in which also reflectivity volumes from meteorological radar are assimilated. Objective evaluation of the experiments has been carried out both on case studies and on the entire week: check of the analysis increments, computing the Desroziers statistics for SYNOP, TEMP, AIREP and RADAR, over the Italian domain, verification of the analyses against data not assimilated (temperature at the lowest model level objectively verified against SYNOP data), and objective verification of the deterministic forecasts initialised with the KENDA analyses for each of the three experiments.