Software tools and efficient algorithms for the feature detection, feature tracking, event localization, and visualization of large sets of atmospheric data

Data sets describing the state of the earth's atmosphere are of great importance in the atmospheric sciences. Over the last decades, the quality and sheer amount of the available data increased significantly, resulting in a rising demand for new tools capable of handling and analysing these large, multidimensional sets of atmospheric data. The interdisciplinary work presented in this thesis covers the development and the application of practical software tools and efficient algorithms from the field of computer science, aiming at the goal of enabling atmospheric scientists to analyse and to gain new insights from these large data sets. For this purpose, our tools combine novel techniques with well-established methods from different areas such as scientific visualization and data segmentation. In this thesis, three practical tools are presented. Two of these tools are software systems (Insight and IWAL) for different types of processing and interactive visualization of data, the third tool is an efficient algorithm for data segmentation implemented as part of Insight.Insight is a toolkit for the interactive, three-dimensional visualization and processing of large sets of atmospheric data, originally developed as a testing environment for the novel segmentation algorithm. It provides a dynamic system for combining at runtime data from different sources, a variety of different data processing algorithms, and several visualization techniques. Its modular architecture and flexible scripting support led to additional applications of the software, from which two examples are presented: the usage of Insight as a WMS (web map service) server, and the automatic production of a sequence of images for the visualization of cyclone simulations. The core application of Insight is the provision of the novel segmentation algorithm for the efficient detection and tracking of 3D features in large sets of atmospheric data, as well as for the precise localization of the occurring genesis, lysis, merging and splitting events. Data segmentation usually leads to a significant reduction of the size of the considered data. This enables a practical visualization of the data, statistical analyses of the features and their events, and the manual or automatic detection of interesting situations for subsequent detailed investigation. The concepts of the novel algorithm, its technical realization, and several extensions for avoiding under- and over-segmentation are discussed. As example applications, this thesis covers the setup and the results of the segmentation of upper-tropospheric jet streams and cyclones as full 3D objects. Finally, IWAL is presented, which is a web application for providing an easy interactive access to meteorological data visualizations, primarily aimed at students. As a web application, the needs to retrieve all input data sets and to install and handle complex visualization tools on a local machine are avoided. The main challenge in the provision of customizable visualizations to large numbers of simultaneous users was to find an acceptable trade-off between the available visualization options and the performance of the application. Besides the implementational details, benchmarks and the results of a user survey are presented.

Implementazione del backend di una app Android per la didattica della deduzione naturale

Questo elaborato di tesi illustra la realizzazione del back-end di LogicPlayer, un'app Android per la didattica della Deduzione Naturale

NPA-Exam: uno strumento per l'erogazione di test universitari via browser

Uno strumento per l'erogazione di test universitari via browser.

Implementazione di una infrastruttura basata su Kafka e Storm per il Mobile Cloud computing

Lo scopo dell'elaborato di tesi è l'analisi, progettazione e sviluppo di un prototipo di una infrastruttura cloud in grado di gestire un grande flusso di eventi generati da dispositivi mobili. Questi utilizzano informazioni come la posizione assunta e il valore dei sensori locali di cui possono essere equipaggiati al fine di realizzare il proprio funzionamento. Le informazioni così ottenute vengono trasmesse in modo da ottenere una rete di device in grado di acquisire autonomamente informazioni sull'ambiente ed auto-organizzarsi. La costruzione di tale struttura si colloca in un più ampio ambito di ricerca che punta a integrare metodi per la comunicazione ravvicinata con il cloud al fine di permettere la comunicazione tra dispositivi vicini in qualsiasi situazione che si potrebbe presentare in una situazione reale. A definire le specifiche della infrastruttura e quindi a impersonare il ruolo di committente è stato il relatore, Prof. Mirko Viroli, mentre lo sviluppo è stato portato avanti da me e dal correlatore, Ing. Pietro Brunetti. Visti gli studi precedenti riguardanti il cloud computing nell'area dei sistemi complessi distribuiti, Brunetti ha dato il maggiore contributo nella fase di analisi del problema e di progettazione mentre la parte riguardante la effettiva gestione degli eventi, le computazioni in cloud e lo storage dei dati è stata maggiormente affrontata da me. In particolare mi sono occupato dello studio e della implementazione del backend computazionale, basato sulla tecnologia Apache Storm, della componente di storage dei dati, basata su Neo4j, e della costruzione di un pannello di visualizzazione basato su AJAX e Linkurious. A questo va aggiunto lo studio su Apache Kafka, utilizzato come tecnologia per realizzare la comunicazione asincrona ad alte performance tra le componenti. Si è reso necessario costruire un simulatore al fine di condurre i test per verificare il funzionamento della infrastruttura prototipale e per saggiarne l'effettiva scalabilità, considerato il potenziale numero di dispositivi da sostenere che può andare dalle decine alle migliaia. La sfida più importante riguarda la gestione della vicinanza tra dispositivi e la possibilità di scalare la computazione su più macchine. Per questo motivo è stato necessario far uso di tecnologie per l'esecuzione delle operazioni di memorizzazione, calcolo e trasmissione dei dati in grado di essere eseguite su un cluster e garantire una accettabile fault-tolerancy. Da questo punto di vista i lavori che hanno portato alla costruzione della infrastruttura sono risultati essere un'ottima occasione per prendere familiarità con tecnologie prima sconosciute. Quasi tutte le tecnologie utilizzate fanno parte dell'ecosistema Apache e, come esposto all'interno della tesi, stanno ricevendo una grande attenzione da importanti realtà proprio in questo periodo, specialmente Apache Storm e Kafka. Il software prodotto per la costruzione della infrastruttura è completamente sviluppato in Java a cui si aggiunge la componente web di visualizzazione sviluppata in Javascript.

Analisi dei principali web framework basati su python

Lo scopo di questa tesi è dimostrare quale sia il miglior Web Framework con linguaggio Python fra i tre principali esponenti: Django, web2py e TurboGears. Inizialmente verrà effettuata un’analisi generale sui Web Framework, in particolare quelli con architettura MVC poiché sarà l’architettura utilizzata da Django, web2py e TurboGears. Successivamente, per ogni Web Framework verrà analizzata la struttura generale e i componenti core degli stessi. Tuttavia per stabilire chi sia il migliore fra di essi bisogna anche analizzare come essi gestiscono altri ambiti dello sviluppo web e quindi vengono analizzati tutti i tools messi a disposizione dai Web Framework. Alla fine verranno tratte le conclusioni in cui verrà chiarito quale sia il Web Framework migliore per uno sviluppatore e perché, andando a riassumere le caratteristiche di tutti e tre.

Un approccio Javascript-based per la realizzazione di app multipiattaforma

Il mondo degli smartphone, in particolare grazie all’avvento delle app, costituisce un settore che ha avuto negli ultimi anni una crescita tale, da richiedere l’introduzione di un nuovo termine in ambito finanziario: app economy. La crescente richiesta da parte del mercato di nuove opportunitá derivanti dal mondo delle applicazioni, ha aumentato sensibilmente il carico di lavoro richiesto alle software house specializzate,che hanno pertanto avuto la necessitá di adeguarsi a tale cambiamento. Per ovviare alle suddette problematiche, sono iniziati ad emergere due tool che consentono lo sviluppo di applicazioni multipiattaforma utilizzando un linguaggio ed un ambiente di sviluppo comuni. Tali sistemi consentono un risparmio in termini di tempi e costi, ma non sono in grado di competere con i tool nativi in termini di qualità del prodotto realizzato, in particolare per quanto concerne l'interfaccia grafica. Si propone pertanto un approccio che tenta di combinare i vantaggi di entrambe le soluzioni, al fine di ottimizzare la fluidità della UI, consentendo allo stesso tempo il riuso della logica applicativa.

Flexibles WebMapping durch eigene Erweiterungen des Esri JavaScript API

Wie viele andere GIS-Dienstleister der Öffentlichen Verwaltung auch, ist die Abteilung Geoinformation und Vermessung des Kantons Luzern (geo) mit der wachsenden Nachfrage nach flexiblen Webmapping-Applikationen konfrontiert. Neben klassischen Stand-Alone-Anwendungen unterschiedlicher Komplexität werden zunehmend integrierte Lösungen aktuell. Drittanbieter-Applikationen sollen mit Mapping- und GIS-Funktionalitäten erweitert werden. Um den vielfältigen Ansprüchen gerecht zu werden, hat geo zu diesem Zweck einen Viewer (MapViewer LU 4.0) und ein eigenes API (geo.api LU) inklusive Print-Service entwickelt. Das API baut als Erweiterung auf dem bestehenden Esri JavaScript API auf. In der Präsentation werden Anforderungen, Lösungsansätze sowie die konkrete Umsetzung mittels Anwendungs-Demo vorgestellt.

Integration of QUAL2Kw and ArcGIS for Silver Bow Creek, Montana

The purpose of this project is to take preliminary steps towards the development of a QUAL2Kw model for Silver Bow Creek, MT. These preliminary steps include initial research and familiarization with QUAL2Kw, use of ArcGIS to fill in geospatial data gaps, and integration of QUAL2Kw and ArcGIS. The integration involves improvement of the QUAL2Kw model output through adding functionality to the model itself, and development of a QUAL2Kw specific tool in ArcGIS. These improvements are designed to help expedite and simplify the viewing of QUAL2Kw output data spatially in ArcGIS as opposed to graphically within QUAL2Kw. These improvements will allow users to quickly and easily view the many output parameters of each model run geographically within ArcGIS. This will make locating potential problem areas or “hot spots” much quicker and easier than interpreting the QUAL2Kw output data from a graph alone. The added functionality of QUAL2KW was achieved through the development of an excel Macro, and the tool in ArcGIS was developed using python scripting and the model builder feature in ArcGIS.

Lightweight compilation of (C)LP to JavaScript

We present and evaluate a compiler from Prolog (and extensions) to JavaScript which makes it possible to use (constraint) logic programming to develop the client side of web applications while being compliant with current industry standards. Targeting JavaScript makes (C)LP programs executable in virtually every modern computing device with no additional software requirements from the point of view of the user. In turn, the use of a very high-level language facilitates the development of high-quality, complex software. The compiler is a back end of the Ciao system and supports most of its features, including its module system and its rich language extension mechanism based on packages. We present an overview of the compilation process and a detailed description of the run-time system, including the support for modular compilation into separate JavaScript code. We demonstrate the maturity of the compiler by testing it with complex code such as a CLP(FD) library written in Prolog with attributed variables. Finally, we validate our proposal by measuring the performance of some LP and CLP(FD) benchmarks running on top of major JavaScript engines.

Application of backend database contents and structure to the design of spoken dialog services

Current development platforms for designing spoken dialog services feature different kinds of strategies to help designers build, test, and deploy their applications. In general, these platforms are made up of several assistants that handle the different design stages (e.g. definition of the dialog flow, prompt and grammar definition, database connection, or to debug and test the running of the application). In spite of all the advances in this area, in general the process of designing spoken-based dialog services is a time consuming task that needs to be accelerated. In this paper we describe a complete development platform that reduces the design time by using different types of acceleration strategies based on using information from the data model structure and database contents, as well as cumulative information obtained throughout the successive steps in the design. Thanks to these accelerations, the interaction with the platform is simplified and the design is reduced, in most cases, to simple confirmations to the “proposals” that the platform automatically provides at each stage. Different kinds of proposals are available to complete the application flow such as the possibility of selecting which information slots should be requested to the user together, predefined templates for common dialogs, the most probable actions that make up each state defined in the flow, different solutions to solve specific speech-modality problems such as the presentation of the lists of retrieved results after querying the backend database. The platform also includes accelerations for creating speech grammars and prompts, and the SQL queries for accessing the database at runtime. Finally, we will describe the setup and results obtained in a simultaneous summative, subjective and objective evaluations with different designers used to test the usability of the proposed accelerations as well as their contribution to reducing the design time and interaction.