Sviluppo e caratterizzazione di algoritmi di segmentazione per l'analisi del cammino in acqua con tecnica markerless

Recenti studi hanno evidenziato come il cammino in ambiente acquatico possa portare a notevoli benefici nell’ambito di un processo riabilitativo: il cammino in acqua è infatti oggi considerato una delle principali terapie per pazienti con disturbi nella deambulazione, oltre ad essere impiegato per migliorare il recupero a seguito di interventi ed infortuni. Una caratterizzazione biomeccanica del cammino umano in acqua permetterebbe tuttavia di giungere a una conoscenza più approfondita degli effetti di quest’attività sul processo riabilitativo, e dunque a una sua prescrizione più mirata come parte delle terapie. Nonostante il crescente interesse, uno dei motivi per cui ancora pochi studi sono stati condotti in questo senso risiede nell’inadeguatezza di molti dei tradizionali sistemi di Motion Capture rispetto all’impiego subacqueo. La nuova branca della Markerless Motion Capture potrebbe invece in questo senso rappresentare una soluzione. In particolare, ci si occuperà in questo lavoro di tesi della tecnica markerless basata sulla ricostruzione del visual hull per retroproiezione delle silhouette. Il processo iniziale che permette di ottenere le silhouette dai video delle acquisizioni è detto segmentazione, la quale è anche una fase particolarmente importante per ottenere una buona accuratezza finale nella ricostruzione della cinematica articolare. Si sono pertanto sviluppati e caratterizzati in questo lavoro di tesi sette algoritmi di segmentazione, nati specificamente nell’ottica dell’analisi del cammino in acqua con tecnica markerless. Si mostrerà inoltre come determinate caratteristiche degli algoritmi influenzino la qualità finale della segmentazione, e sarà infine presentato un ulteriore algoritmo di post-processing per il miglioramento della qualità delle immagini segmentate.

Kinematics of the Sicily and Calabria Subduction System from Elastic Block Modeling of GPS Data

We use data from about 700 GPS stations in the EuroMediterranen region to investigate the present-day behavior of the the Calabrian subduction zone within the Mediterranean-scale plates kinematics and to perform local scale studies about the strain accumulation on active structures. We focus attenction on the Messina Straits and Crati Valley faults where GPS data show extentional velocity gradients of ∼3 mm/yr and ∼2 mm/yr, respectively. We use dislocation model and a non-linear constrained optimization algorithm to invert for fault geometric parameters and slip-rates and evaluate the associated uncertainties adopting a bootstrap approach. Our analysis suggest the presence of two partially locked normal faults. To investigate the impact of elastic strain contributes from other nearby active faults onto the observed velocity gradient we use a block modeling approach. Our models show that the inferred slip-rates on the two analyzed structures are strongly impacted by the assumed locking width of the Calabrian subduction thrust. In order to frame the observed local deformation features within the present- day central Mediterranean kinematics we realyze a statistical analysis testing the indipendent motion (w.r.t. the African and Eurasias plates) of the Adriatic, Cal- abrian and Sicilian blocks. Our preferred model confirms a microplate like behaviour for all the investigated blocks. Within these kinematic boundary conditions we fur- ther investigate the Calabrian Slab interface geometry using a combined approach of block modeling and χ2ν statistic. Almost no information is obtained using only the horizontal GPS velocities that prove to be a not sufficient dataset for a multi-parametric inversion approach. Trying to stronger constrain the slab geometry we estimate the predicted vertical velocities performing suites of forward models of elastic dislocations varying the fault locking depth. Comparison with the observed field suggest a maximum resolved locking depth of 25 km.

Algoritmi per la distribuzione dei dati in reti non cablate di sensori

Le reti di sensori non cablate producono una grande quantità di informazioni sotto forma di flusso continuo di dati, provenienti da una certa area fisica. Individualmente, ogni sensore è autonomo, dotato di batteria limitata e possiede una piccola antenna per la comunicazione; collettivamente, i sensori cooperano su un’ area più o meno vasta per far giungere i dati gene- rati ad un unità centrale. Poiché la sostituzione delle batterie è spesso un operazione troppo costosa o inattuabile, l’efficienza energetica è considerata una metrica prioritaria durante la progettazione delle reti di sensori non cablate. Si richiede non solo di ridurre le richieste energetiche di ogni singolo nodo, ma anche di massimizzare il tempo di vita dell’intera rete, considerando i costi di comunicazione tra sensori. Ciò ha portato allo studio di come rimuo- vere le inefficienze energetiche sotto ogni aspetto: dalla piattaforma hardware, al software di base, ai protocolli di comunicazione al software applicativo. Nella tesi è illustrata una tecnica per il risparmio energetico che consiste nell’applicare memorie fisiche ad alcuni nodi della rete, in modo da accumulare in esse porzioni dei dati ge- nerati; successivamente le informazioni possono essere recuperate dall’unità centrale tramite interrogazioni. Questo permette di ridurre il numero di dati trasmessi, e conseguentemente diminuire l’assorbimento energetico della rete. Scopo della presente tesi è individuare algo- ritmi per determinare la disposizione ottima delle memorie tra i nodi.

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.

I motori di ricerca: algoritmi a confronto e sperimentazione in una classe di scuola superiore.

Tesi interdisciplinare che coniuga due importanti ambiti della Matematica: il Calcolo Numerico e la Didattica della Matematica. Alcuni algoritmi utilizzati per il web information retrieval sono stati introdotti all'interno di due classi di scuola superiore avvalendosi del programma di calcolo Matlab.

L'utilizzo di algoritmi genetici nel progetto preliminare di un velivolo

Il progetto di un velivolo risulta essere un processo multidisciplinare molto complesso. Per poter determinare una configurazione di variabili che permetta di soddisfare i requisiti che si desiderano ottenere dal velivolo, sono necessarie una serie di stime che richiedono altrettanti cicli di analisi delle caratteristiche, prima di poter ottenere una configurazione completa o accettabile. Il processo di progetto richiede, così, un gran numero di iterazioni per poter trovare la migliore configurazione. In questo lavoro di tesi verranno descritti gli strumenti di ottimizzazione noti come algoritmi genetici e verrà presentato come questi possano essere inquadrati all'interno della fase preliminare del progetto di un velivolo.

Ricostruzione di flussi veicolari su scala regionale: progettazione e implementazione di un modello

Si mostrano i passi seguiti nello sviluppo di un modello matematico e simulativo che mira a ricostruire il campo di flusso veicolare della rete stradale della regione Emilia Romagna. Si descrivono le fonti di dati utilizzate per la ricostruzione: dispositivi GPS a bassa capillarità e spire induttive su strada; si discute delle caratteristiche dei dati e dei problemi intrinseci e contingenti da cui sono affetti, nonché delle metodologie adottate nel tentativo di risolvere questi problemi. Si illustra l’idea centrale alla base delle ricostruzioni, e si descrive un criterio di validazione del modello. Si mostrano i risultati dei vari algoritmi ideati, ognuno affiancato dal parametro di validità, evidenziando quale metodo produca risultati migliori. Si conclude discutendo delle potenzialità del modello in termini di applicabilità in altre regioni o zone geografiche.

Studio della distribuzione del segnale misurato dal rivelatore a tempo di volo (tof) di alice e di nuovi algoritmi per la sua ottimizzazione

Questa tesi si propone di investigare l'origine di effetti non gaussiani nella distribuzione del segnale del rivelatore Time of Flight (TOF) dell'esperimento A Large Ion Collider Experiment (ALICE). Con la presa dati iniziata nel 2009 si è infatti osservata un'asimmetria nel segnale la cui origine è ancora oggetto di studio. L'analisi svolta mostra come essa sia dovuta a motivi strumentali piuttosto che fenomenologici e permette quindi di correggere in parte questa anomalia migliorando la risoluzione del rivelatore. ALICE è uno dei quattro esperimenti allestiti lungo l'anello del LHC e ha come obiettivo principale verificare l'esistenza di prove sperimentali che confermino l'esistenza di un nuovo stadio della materia, il cosiddetto Quark Gluon Plasma (QGP). Secondo la Cromodinamica Quantistica (QCD), la teoria che descrive l'interazione forte, caratteristica fondamentale di quark e gluoni è il loro confinamento all'interno di adroni. Studi recenti nell'ambito della QCD non-perturbativa hanno tuttavia dimostrato che in condizioni estreme di densità di materia adronica e temperatura sarebbe possibile un'inversione di tendenza nell'andamento della costante di accoppiamento forte. Le condizioni necessarie alla formazione del QGP sono ben riproducibili nelle collisioni ad energie ultrarelativistiche tra ioni pesanti, come quelle che sono state prodotte a LHC negli ultimi due anni, fra ioni di piombo con energie del centro di massa pari a 2.76 TeV per coppia di nucleoni. L'esperimento ALICE si propone di studiarne i prodotti e poiché la molteplicità di particelle che si generano nell'urto e considerevole, e necessario un sistema di rivelazione che permetta l'identificazione di particelle cariche su un grande angolo solido e in un ampio intervallo di impulsi. Il TOF, utilizzando un particolare rivelatore a gas detto Multigap Resistive Plate Chamber (MRPC), svolge brillantemente questo compito permettendo di raggiungere una risoluzione temporale inferiore ai 100 ps.

Campi finiti e segnale GPS

Lo scopo della tesi è quello di studiare una delle applicazioni della teoria dei campi finiti: il segnale GPS. A questo scopo si descrivono i registri a scorrimento a retroazione lineare (linear feedback shift register, LFSR), dispositivi utili in applicazioni che richiedono la generazione molto rapida di numeri pseudo-casuali. I ricevitori GPS sfruttano il determinismo di questi dispositivi per identificare il satellite da cui proviene il segnale e per sincronizzarsi con esso. Si inizia con una breve introduzione al funzionamento del GPS, poi si studiano i campi finiti: sottocampi, estensioni di campo, gruppo moltiplicativo e costruzione attraverso la riduzione modulo un polinomio irriducibile, fattorizzazione di polinomi, formula per il numero e metodi per la determinazione di polinomi irriducibili, radici di polinomi irriducibili, coniugati, teoria di Galois (automorfismo ed orbite di Frobenius, gruppo e corrispondenza di Galois), traccia, polinomio caratteristico, formula per il numero e metodi per la determinazione di polinomi primitivi. Successivamente si introducono e si esaminano sequenze ricorrenti lineari, loro periodicità, la sequenza risposta impulsiva, il polinomio caratteristico associato ad una sequenza e la sequenza di periodo massimo. Infine, si studiano i registri a scorrimento che generano uno dei segnali GPS. In particolare si esamina la correlazione tra due sequenze. Si mostra che ogni polinomio di grado n-1 a coefficienti nel campo di Galois di ordine 2 può essere rappresentato univocamente in n bit; la somma tra polinomi può essere eseguita come XOR bit-a-bit; la moltiplicazione per piccoli coefficienti richiede al massimo uno shift ed uno XOR. Si conclude con la dimostrazione di un importante risultato: è possibile inizializzare un registro in modo tale da fargli generare una sequenza di periodo massimo poco correlata con ogni traslazione di se stessa.