Desenvolvimento e aplicação de um software cristalográfico com protocolo de acesso a um banco de dados distribuído

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Hermes: um software-modem ADSL baseado no framework Ptolemy II

Esta dissertação tem como objetivo principal apresentar a implementação de um software-modem ADSL totalmente escrito em Java, utilizando o framework Ptolemy II, denominado de Hermes (de "A Handy Experimental Software Modem System"). Um software-modem é útil em ocasiões onde se precisem executar testes e simulações de sistemas de comunicação com um número grande de modens e quando os parâmetros desses sistemas precisem ser modificados com um alto grau de liberdade. Além disso, um software-modem possui características que tornam mais fácil a tarefa de acrescentar, eliminar, validar e analisar funções e algoritmos de processamento de sinais e de telecomunicações. Testes e simulações foram realizados para analisar a funcionalidade do Hermes, utilizando, inclusive, o Tracespan, um equipamento para análise não-intrusiva de redes DSL. A partir dos resultados obtidos em conjunto com o Tracespan, foi possível validar com sucesso as funções do Hermes.

Assessment of the mechanics of a tissue-engineered rat trachea in an image-processing environment

OBJECTIVES: Despite the recent success regarding the transplantation of tissue-engineered airways, the mechanical properties of these grafts are not well understood. Mechanical assessment of a tissue-engineered airway graft before implantation may be used in the future as a predictor of function. The aim of this preliminary work was to develop a noninvasive image-processing environment for the assessment of airway mechanics.METHOD: Decellularized, recellularized and normal tracheas (groups DECEL, RECEL, and CONTROL, respectively) immersed in Krebs-Henseleit solution were ventilated by a small-animal ventilator connected to a Fleisch pneumotachograph and two pressure transducers (differential and gauge). A camera connected to a stereomicroscope captured images of the pulsation of the trachea before instillation of saline solution and after instillation of Krebs-Henseleit solution, followed by instillation with Krebs-Henseleit with methacholine 0.1 M (protocols A, K and KMCh, respectively). The data were post-processed with computer software and statistical comparisons between groups and protocols were performed.RESULTS: There were statistically significant variations in the image measurements of the medial region of the trachea between the groups (two-way analysis of variance [ANOVA], p<0.01) and of the proximal region between the groups and protocols (two-way ANOVA, p<0.01).CONCLUSIONS: The technique developed in this study is an innovative method for performing a mechanical assessment of engineered tracheal grafts that will enable evaluation of the viscoelastic properties of neo-tracheas prior to transplantation.

Desenvolvimento de software para exibição de exames de eletrocardiograma

The main objective is to create a software, using C++ language, for reading and exhibiting in a graphic an Electrocardiogram (ECG) wave. The data is recorded as a FM modulated signal and compressed using Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). The signal have this characteristics because it was acquired using an experimental equipment, this equipment is the result of research made by the professor who supervised this work. FM demodulation techniques in discrete time, discrete filters and digital signal processing are some of the topics that can be found in this essay. Some concepts about the human heart and about ECG waves are also briefly introduced. These concepts are necessary for understanding the final evaluation of the software performance. The development is partly made using MATLAB. Most of the functions that are used on the software are first tested and designed in MATLAB environment. In the end, an evaluation is done comparing the results that are expected with the ones that MATLAB presents and the ones that the developed software presents

O aprimoramento de um software de estúdio virtual por meio de técnicas de matting digital e registro de objetos virtuais

A virtual studio system can use technologies as augmented reality and digital matting to decrease production costs at the same time it provides the same resources of a conventional studio. With this, it’s possible for the current studios, with low cost and using conventional devices, to create productions with greater image quality and effects. Some difficulties are recurrent in virtual studio applications that use augmented reality and digital matting. The virtual objects registration in augmented reality techniques suffer from problems caused by optical distortions in the camera, errors in the marker tracking system, lack of calibration on the equipments or on the environment (lighting, for example), or even by delays in the virtual objects display. On the other hand, the digital matting’s main problem is the real-time execution to preview the scene, which must have optimized processing speed at the same time while maintain the best image quality possible. Taking the given context into consideration, this work aims to give continuity to a virtual studio system called ARStudio, by enhancing digital matting, virtual objects registration and introducing a segmentation based on depth map, yet adding better control over functionalities previously implemented

Fluorescence Level of Composites Assessed by Computer Processing of Digital Images - ScanWhite

The human dentition is naturally translucent, opalescent and fluorescent. Differences between the level of fluorescence of tooth structure and restorative materials may result in distinct metameric properties and consequently perceptible disparate esthetic behavior, which impairs the esthetic result of the restorations, frustrating both patients and staff. In this study, we evaluated the level of fluorescence of different composites (Durafill in tones A2 (Du), Charisma in tones A2 (Ch), Venus in tone A2 (Ve), Opallis enamel and dentin in tones A2 (OPD and OPE), Point 4 in tones A2 (P4), Z100 in tones A2 ( Z1), Z250 in tones A2 (Z2), Te-Econom in tones A2 (TE), Tetric Ceram in tones A2 (TC), Tetric Ceram N in tones A1, A2, A4 (TN1, TN2, TN4), Four seasons enamel and dentin in tones A2 (and 4SD 4SE), Empress Direct enamel and dentin in tones A2 (EDE and EDD) and Brilliant in tones A2 (Br)). Cylindrical specimens were prepared, coded and photographed in a standardized manner with a Canon EOS digital camera (400 ISO, 2.8 aperture and 1/ 30 speed), in a dark environment under the action of UV light (25 W). The images were analyzed with the software ScanWhite©-DMC/Darwin systems. The results showed statistical differences between the groups (p < 0.05), and between these same groups and the average fluorescence of the dentition of young (18 to 25 years) and adults (40 to 45 years) taken as control. It can be concluded that: Composites Z100, Z250 (3M ESPE) and Point 4 (Kerr) do not match with the fluorescence of human dentition and the fluorescence of the materials was found to be affected by their own tone.

SOAP processing performance and enhancement

The web services (WS) technology provides a comprehensive solution for representing, discovering, and invoking services in a wide variety of environments, including Service Oriented Architectures (SOA) and grid computing systems. At the core of WS technology lie a number of XML-based standards, such as the Simple Object Access Protocol (SOAP), that have successfully ensured WS extensibility, transparency, and interoperability. Nonetheless, there is an increasing demand to enhance WS performance, which is severely impaired by XML's verbosity. SOAP communications produce considerable network traffic, making them unfit for distributed, loosely coupled, and heterogeneous computing environments such as the open Internet. Also, they introduce higher latency and processing delays than other technologies, like Java RMI and CORBA. WS research has recently focused on SOAP performance enhancement. Many approaches build on the observation that SOAP message exchange usually involves highly similar messages (those created by the same implementation usually have the same structure, and those sent from a server to multiple clients tend to show similarities in structure and content). Similarity evaluation and differential encoding have thus emerged as SOAP performance enhancement techniques. The main idea is to identify the common parts of SOAP messages, to be processed only once, avoiding a large amount of overhead. Other approaches investigate nontraditional processor architectures, including micro-and macrolevel parallel processing solutions, so as to further increase the processing rates of SOAP/XML software toolkits. This survey paper provides a concise, yet comprehensive review of the research efforts aimed at SOAP performance enhancement. A unified view of the problem is provided, covering almost every phase of SOAP processing, ranging over message parsing, serialization, deserialization, compression, multicasting, security evaluation, and data/instruction-level processing.

Analytical Processing Over XML and XLink

Current commercial and academic OLAP tools do not process XML data that contains XLink. Aiming at overcoming this issue, this paper proposes an analytical system composed by LMDQL, an analytical query language. Also, the XLDM metamodel is given to model cubes of XML documents with XLink and to deal with syntactic, semantic and structural heterogeneities commonly found in XML documents. As current W3C query languages for navigating in XML documents do not support XLink, XLPath is discussed in this article to provide features for the LMDQL query processing. A prototype system enabling the analytical processing of XML documents that use XLink is also detailed. This prototype includes a driver, named sql2xquery, which performs the mapping of SQL queries into XQuery. To validate the proposed system, a case study and its performance evaluation are presented to analyze the impact of analytical processing over XML/XLink documents.

Semantic integration of gene expression analysis tools and data sources using software connectors

Abstract Background The study and analysis of gene expression measurements is the primary focus of functional genomics. Once expression data is available, biologists are faced with the task of extracting (new) knowledge associated to the underlying biological phenomenon. Most often, in order to perform this task, biologists execute a number of analysis activities on the available gene expression dataset rather than a single analysis activity. The integration of heteregeneous tools and data sources to create an integrated analysis environment represents a challenging and error-prone task. Semantic integration enables the assignment of unambiguous meanings to data shared among different applications in an integrated environment, allowing the exchange of data in a semantically consistent and meaningful way. This work aims at developing an ontology-based methodology for the semantic integration of gene expression analysis tools and data sources. The proposed methodology relies on software connectors to support not only the access to heterogeneous data sources but also the definition of transformation rules on exchanged data. Results We have studied the different challenges involved in the integration of computer systems and the role software connectors play in this task. We have also studied a number of gene expression technologies, analysis tools and related ontologies in order to devise basic integration scenarios and propose a reference ontology for the gene expression domain. Then, we have defined a number of activities and associated guidelines to prescribe how the development of connectors should be carried out. Finally, we have applied the proposed methodology in the construction of three different integration scenarios involving the use of different tools for the analysis of different types of gene expression data. Conclusions The proposed methodology facilitates the development of connectors capable of semantically integrating different gene expression analysis tools and data sources. The methodology can be used in the development of connectors supporting both simple and nontrivial processing requirements, thus assuring accurate data exchange and information interpretation from exchanged data.

Tool for biomedical signals processing

[ES]Educational tool for training biomedical engineers in the biomedical signals processing field has been developed. It is software for simulation and study of the results obtained in biomedical signals when different signals processing techniques are applied. The tool has been implemented on a graphical user interface to facilitate the use.

Tecniche di ottimizzazione del software per sistemi su singolo chip per applicazioni di Nomadic Computing

I moderni sistemi embedded sono equipaggiati con risorse hardware che consentono l’esecuzione di applicazioni molto complesse come il decoding audio e video. La progettazione di simili sistemi deve soddisfare due esigenze opposte. Da un lato è necessario fornire un elevato potenziale computazionale, dall’altro bisogna rispettare dei vincoli stringenti riguardo il consumo di energia. Uno dei trend più diffusi per rispondere a queste esigenze opposte è quello di integrare su uno stesso chip un numero elevato di processori caratterizzati da un design semplificato e da bassi consumi. Tuttavia, per sfruttare effettivamente il potenziale computazionale offerto da una batteria di processoriè necessario rivisitare pesantemente le metodologie di sviluppo delle applicazioni. Con l’avvento dei sistemi multi-processore su singolo chip (MPSoC) il parallel programming si è diffuso largamente anche in ambito embedded. Tuttavia, i progressi nel campo della programmazione parallela non hanno mantenuto il passo con la capacità di integrare hardware parallelo su un singolo chip. Oltre all’introduzione di multipli processori, la necessità di ridurre i consumi degli MPSoC comporta altre soluzioni architetturali che hanno l’effetto diretto di complicare lo sviluppo delle applicazioni. Il design del sottosistema di memoria, in particolare, è un problema critico. Integrare sul chip dei banchi di memoria consente dei tempi d’accesso molto brevi e dei consumi molto contenuti. Sfortunatamente, la quantità di memoria on-chip che può essere integrata in un MPSoC è molto limitata. Per questo motivo è necessario aggiungere dei banchi di memoria off-chip, che hanno una capacità molto maggiore, come maggiori sono i consumi e i tempi d’accesso. La maggior parte degli MPSoC attualmente in commercio destina una parte del budget di area all’implementazione di memorie cache e/o scratchpad. Le scratchpad (SPM) sono spesso preferite alle cache nei sistemi MPSoC embedded, per motivi di maggiore predicibilità, minore occupazione d’area e – soprattutto – minori consumi. Per contro, mentre l’uso delle cache è completamente trasparente al programmatore, le SPM devono essere esplicitamente gestite dall’applicazione. Esporre l’organizzazione della gerarchia di memoria ll’applicazione consente di sfruttarne in maniera efficiente i vantaggi (ridotti tempi d’accesso e consumi). Per contro, per ottenere questi benefici è necessario scrivere le applicazioni in maniera tale che i dati vengano partizionati e allocati sulle varie memorie in maniera opportuna. L’onere di questo compito complesso ricade ovviamente sul programmatore. Questo scenario descrive bene l’esigenza di modelli di programmazione e strumenti di supporto che semplifichino lo sviluppo di applicazioni parallele. In questa tesi viene presentato un framework per lo sviluppo di software per MPSoC embedded basato su OpenMP. OpenMP è uno standard di fatto per la programmazione di multiprocessori con memoria shared, caratterizzato da un semplice approccio alla parallelizzazione tramite annotazioni (direttive per il compilatore). La sua interfaccia di programmazione consente di esprimere in maniera naturale e molto efficiente il parallelismo a livello di loop, molto diffuso tra le applicazioni embedded di tipo signal processing e multimedia. OpenMP costituisce un ottimo punto di partenza per la definizione di un modello di programmazione per MPSoC, soprattutto per la sua semplicità d’uso. D’altra parte, per sfruttare in maniera efficiente il potenziale computazionale di un MPSoC è necessario rivisitare profondamente l’implementazione del supporto OpenMP sia nel compilatore che nell’ambiente di supporto a runtime. Tutti i costrutti per gestire il parallelismo, la suddivisione del lavoro e la sincronizzazione inter-processore comportano un costo in termini di overhead che deve essere minimizzato per non comprometterre i vantaggi della parallelizzazione. Questo può essere ottenuto soltanto tramite una accurata analisi delle caratteristiche hardware e l’individuazione dei potenziali colli di bottiglia nell’architettura. Una implementazione del task management, della sincronizzazione a barriera e della condivisione dei dati che sfrutti efficientemente le risorse hardware consente di ottenere elevate performance e scalabilità. La condivisione dei dati, nel modello OpenMP, merita particolare attenzione. In un modello a memoria condivisa le strutture dati (array, matrici) accedute dal programma sono fisicamente allocate su una unica risorsa di memoria raggiungibile da tutti i processori. Al crescere del numero di processori in un sistema, l’accesso concorrente ad una singola risorsa di memoria costituisce un evidente collo di bottiglia. Per alleviare la pressione sulle memorie e sul sistema di connessione vengono da noi studiate e proposte delle tecniche di partizionamento delle strutture dati. Queste tecniche richiedono che una singola entità di tipo array venga trattata nel programma come l’insieme di tanti sotto-array, ciascuno dei quali può essere fisicamente allocato su una risorsa di memoria differente. Dal punto di vista del programma, indirizzare un array partizionato richiede che ad ogni accesso vengano eseguite delle istruzioni per ri-calcolare l’indirizzo fisico di destinazione. Questo è chiaramente un compito lungo, complesso e soggetto ad errori. Per questo motivo, le nostre tecniche di partizionamento sono state integrate nella l’interfaccia di programmazione di OpenMP, che è stata significativamente estesa. Specificamente, delle nuove direttive e clausole consentono al programmatore di annotare i dati di tipo array che si vuole partizionare e allocare in maniera distribuita sulla gerarchia di memoria. Sono stati inoltre sviluppati degli strumenti di supporto che consentono di raccogliere informazioni di profiling sul pattern di accesso agli array. Queste informazioni vengono sfruttate dal nostro compilatore per allocare le partizioni sulle varie risorse di memoria rispettando una relazione di affinità tra il task e i dati. Più precisamente, i passi di allocazione nel nostro compilatore assegnano una determinata partizione alla memoria scratchpad locale al processore che ospita il task che effettua il numero maggiore di accessi alla stessa.

Heterogeneous multicore systems for signal processing

This thesis explores the capabilities of heterogeneous multi-core systems, based on multiple Graphics Processing Units (GPUs) in a standard desktop framework. Multi-GPU accelerated desk side computers are an appealing alternative to other high performance computing (HPC) systems: being composed of commodity hardware components fabricated in large quantities, their price-performance ratio is unparalleled in the world of high performance computing. Essentially bringing “supercomputing to the masses”, this opens up new possibilities for application fields where investing in HPC resources had been considered unfeasible before. One of these is the field of bioelectrical imaging, a class of medical imaging technologies that occupy a low-cost niche next to million-dollar systems like functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). In the scope of this work, several computational challenges encountered in bioelectrical imaging are tackled with this new kind of computing resource, striving to help these methods approach their true potential. Specifically, the following main contributions were made: Firstly, a novel dual-GPU implementation of parallel triangular matrix inversion (TMI) is presented, addressing an crucial kernel in computation of multi-mesh head models of encephalographic (EEG) source localization. This includes not only a highly efficient implementation of the routine itself achieving excellent speedups versus an optimized CPU implementation, but also a novel GPU-friendly compressed storage scheme for triangular matrices. Secondly, a scalable multi-GPU solver for non-hermitian linear systems was implemented. It is integrated into a simulation environment for electrical impedance tomography (EIT) that requires frequent solution of complex systems with millions of unknowns, a task that this solution can perform within seconds. In terms of computational throughput, it outperforms not only an highly optimized multi-CPU reference, but related GPU-based work as well. Finally, a GPU-accelerated graphical EEG real-time source localization software was implemented. Thanks to acceleration, it can meet real-time requirements in unpreceeded anatomical detail running more complex localization algorithms. Additionally, a novel implementation to extract anatomical priors from static Magnetic Resonance (MR) scansions has been included.

General-Purpose Computing on Graphic Processing Unit (GPGPU): metodi e tecnologie per lo sviluppo di applicazioni

Microprocessori basati su singolo processore (CPU), hanno visto una rapida crescita di performances ed un abbattimento dei costi per circa venti anni. Questi microprocessori hanno portato una potenza di calcolo nell’ordine del GFLOPS (Giga Floating Point Operation per Second) sui PC Desktop e centinaia di GFLOPS su clusters di server. Questa ascesa ha portato nuove funzionalità nei programmi, migliori interfacce utente e tanti altri vantaggi. Tuttavia questa crescita ha subito un brusco rallentamento nel 2003 a causa di consumi energetici sempre più elevati e problemi di dissipazione termica, che hanno impedito incrementi di frequenza di clock. I limiti fisici del silicio erano sempre più vicini. Per ovviare al problema i produttori di CPU (Central Processing Unit) hanno iniziato a progettare microprocessori multicore, scelta che ha avuto un impatto notevole sulla comunità degli sviluppatori, abituati a considerare il software come una serie di comandi sequenziali. Quindi i programmi che avevano sempre giovato di miglioramenti di prestazioni ad ogni nuova generazione di CPU, non hanno avuto incrementi di performance, in quanto essendo eseguiti su un solo core, non beneficiavano dell’intera potenza della CPU. Per sfruttare appieno la potenza delle nuove CPU la programmazione concorrente, precedentemente utilizzata solo su sistemi costosi o supercomputers, è diventata una pratica sempre più utilizzata dagli sviluppatori. Allo stesso tempo, l’industria videoludica ha conquistato una fetta di mercato notevole: solo nel 2013 verranno spesi quasi 100 miliardi di dollari fra hardware e software dedicati al gaming. Le software houses impegnate nello sviluppo di videogames, per rendere i loro titoli più accattivanti, puntano su motori grafici sempre più potenti e spesso scarsamente ottimizzati, rendendoli estremamente esosi in termini di performance. Per questo motivo i produttori di GPU (Graphic Processing Unit), specialmente nell’ultimo decennio, hanno dato vita ad una vera e propria rincorsa alle performances che li ha portati ad ottenere dei prodotti con capacità di calcolo vertiginose. Ma al contrario delle CPU che agli inizi del 2000 intrapresero la strada del multicore per continuare a favorire programmi sequenziali, le GPU sono diventate manycore, ovvero con centinaia e centinaia di piccoli cores che eseguono calcoli in parallelo. Questa immensa capacità di calcolo può essere utilizzata in altri campi applicativi? La risposta è si e l’obiettivo di questa tesi è proprio quello di constatare allo stato attuale, in che modo e con quale efficienza pùo un software generico, avvalersi dell’utilizzo della GPU invece della CPU.

An Integrated Transmission-Media Noise Calibration Software For Deep-Space Radio Science Experiments

The thesis describes the implementation of a calibration, format-translation and data conditioning software for radiometric tracking data of deep-space spacecraft. All of the available propagation-media noise rejection techniques available as features in the code are covered in their mathematical formulations, performance and software implementations. Some techniques are retrieved from literature and current state of the art, while other algorithms have been conceived ex novo. All of the three typical deep-space refractive environments (solar plasma, ionosphere, troposphere) are dealt with by employing specific subroutines. Specific attention has been reserved to the GNSS-based tropospheric path delay calibration subroutine, since it is the most bulky module of the software suite, in terms of both the sheer number of lines of code, and development time. The software is currently in its final stage of development and once completed will serve as a pre-processing stage for orbit determination codes. Calibration of transmission-media noise sources in radiometric observables proved to be an essential operation to be performed of radiometric data in order to meet the more and more demanding error budget requirements of modern deep-space missions. A completely autonomous and all-around propagation-media calibration software is a novelty in orbit determination, although standalone codes are currently employed by ESA and NASA. The described S/W is planned to be compatible with the current standards for tropospheric noise calibration used by both these agencies like the AMC, TSAC and ESA IFMS weather data, and it natively works with the Tracking Data Message file format (TDM) adopted by CCSDS as standard aimed to promote and simplify inter-agency collaboration.

Indagini forensi in tema di scambio di file pedopornografici mediante software di file sharing a mezzo peer-to-peer

La prova informatica richiede l’adozione di precauzioni come in un qualsiasi altro accertamento scientifico. Si fornisce una panoramica sugli aspetti metodologici e applicativi dell’informatica forense alla luce del recente standard ISO/IEC 27037:2012 in tema di trattamento del reperto informatico nelle fasi di identificazione, raccolta, acquisizione e conservazione del dato digitale. Tali metodologie si attengono scrupolosamente alle esigenze di integrità e autenticità richieste dalle norme in materia di informatica forense, in particolare della Legge 48/2008 di ratifica della Convenzione di Budapest sul Cybercrime. In merito al reato di pedopornografia si offre una rassegna della normativa comunitaria e nazionale, ponendo l’enfasi sugli aspetti rilevanti ai fini dell’analisi forense. Rilevato che il file sharing su reti peer-to-peer è il canale sul quale maggiormente si concentra lo scambio di materiale illecito, si fornisce una panoramica dei protocolli e dei sistemi maggiormente diffusi, ponendo enfasi sulla rete eDonkey e il software eMule che trovano ampia diffusione tra gli utenti italiani. Si accenna alle problematiche che si incontrano nelle attività di indagine e di repressione del fenomeno, di competenza delle forze di polizia, per poi concentrarsi e fornire il contributo rilevante in tema di analisi forensi di sistemi informatici sequestrati a soggetti indagati (o imputati) di reato di pedopornografia: la progettazione e l’implementazione di eMuleForensic consente di svolgere in maniera estremamente precisa e rapida le operazioni di analisi degli eventi che si verificano utilizzando il software di file sharing eMule; il software è disponibile sia in rete all’url http://www.emuleforensic.com, sia come tool all’interno della distribuzione forense DEFT. Infine si fornisce una proposta di protocollo operativo per l’analisi forense di sistemi informatici coinvolti in indagini forensi di pedopornografia.