Analysis of Local Search Methods for 3D Data

In questa tesi sono stati analizzati alcuni metodi di ricerca per dati 3D. Viene illustrata una panoramica generale sul campo della Computer Vision, sullo stato dell’arte dei sensori per l’acquisizione e su alcuni dei formati utilizzati per la descrizione di dati 3D. In seguito è stato fatto un approfondimento sulla 3D Object Recognition dove, oltre ad essere descritto l’intero processo di matching tra Local Features, è stata fatta una focalizzazione sulla fase di detection dei punti salienti. In particolare è stato analizzato un Learned Keypoint detector, basato su tecniche di apprendimento di machine learning. Quest ultimo viene illustrato con l’implementazione di due algoritmi di ricerca di vicini: uno esauriente (K-d tree) e uno approssimato (Radial Search). Sono state riportate infine alcune valutazioni sperimentali in termini di efficienza e velocità del detector implementato con diversi metodi di ricerca, mostrando l’effettivo miglioramento di performance senza una considerabile perdita di accuratezza con la ricerca approssimata.

Tecniche innovative di modellazione diretta nell'early stage design

Partendo da un’analisi dei problemi che si incontrano nella fase di conceptual design, si presentano le diverse tecniche di modellazione tridimensionale, con particolare attenzione al metodo subdivision e agli algoritmi che lo governano (Chaikin, Doo – Sabin). Vengono poi proposti alcuni esempi applicativi della modellazione free form e skeleton, con una successiva comparazione, sugli stessi modelli, delle sequenze e operazioni necessarie con le tradizionali tecniche di modellazione parametrica. Si riporta un esempio dell’utilizzo del software IronCAD, il primo software a unire la modellazione parametrica e diretta. Si descrivono le limitazioni della modellazione parametrica e di quella history free nella fase concettuale di un progetto, per arrivare a definire le caratteristiche della hybrid modeling, nuovo approccio alla modellazione. Si presenta brevemente il prototipo, in fase di sviluppo, che tenta di applicare concretamente i concetti dell’hybrid modeling e che vuole essere la base di partenza per una nuova generazione di softwares CAD. Infine si presenta la possibilità di ottenere simulazioni real time su modelli che subiscono modifiche topologiche. La simulazione real time è permessa dalla ridefinizione in forma parametrica del problema lineare elastico che viene successivamente risolto mediante l’applicazione congiunta delle R – Functions e del metodo PGD. Seguono esempi di simulazione real time.

Osservatore e controllore sensorless ad elevate prestazioni per propulsione elettrica di Unmanned Aerial Vehicles

Negli ultimi anni, tra le varie tecnologie che hanno acquisito una sempre maggiore popolarità e diffusione, una di particolare rilevanza è quella degli Unmanned Aerial Vehicles. Di questi velivoli, quelli che stanno riscuotendo maggiore successo sono i multirotori, alimentati esclusivamente da azionamenti elettrici disposti in opportune posizioni della struttura. Particolari sforzi sono stati recentemente dedicati al miglioramento di questa tecnologia in termini di efficienza e precisione, tuttavia quasi sempre si trascura la vitale importanza dello sfruttamento efficiente dei motori elettrici. La tecnica di pilotaggio adottata nella quasi totalità dei casi per questi componenti è il BLDC sensorless, anche se la struttura si dimostra spesso essere PMSM, dunque inadatta all’uso di questa strategia. Il controllo ideale per i PMSM risulterebbe essere FOC, tuttavia per l'implementazione sensorless molti aspetti scontati nel BLDC devono essere affrontati, in particolare bisogna risolvere problemi di osservazione e identificazione. Durante la procedura di avviamento, efficienti strategie di self-commissioning vengono adottate per l’identificazione dei parametri elettrici. Per la fase di funzionamento nominale viene proposto un osservatore composto da diversi componenti interfacciati tra loro tramite un filtro complementare, il tutto al fine di ottenere una stima di posizione e velocità depurata dai disturbi. In merito al funzionamento in catena chiusa, vengono esposte valutazioni preliminari sulla stabilità e sulla qualità del controllo. Infine, per provare la validità degli algoritmi proposti, vengono mostrati i risultati delle prove sperimentali condotte su un tipico azionamento per UAV, pilotato da una scheda elettronica progettata appositamente per l’applicazione in questione. Vengono fornite inoltre indicazioni sull’implementazione degli algoritmi studiati, in particolare considerazioni sull’uso delle operazioni a virgola fissa per velocizzare l'esecuzione.

Pianificazione di coperture fotogrammetriche mediante RPAS

Il seguente elaborato di tesi tratta il problema della pianificazione di voli fotogrammetrici a bassa quota mediante l’uso di SAPR, in particolare è presentata una disamina delle principali applicazioni che permettono di programmare una copertura fotogrammetrica trasversale e longitudinale di un certo poligono con un drone commerciale. Il tema principale sviluppato è la gestione di un volo fotogrammetrico UAV mediante l’uso di applicativi software che permettono all’utente di inserire i parametri di volo in base alla tipologia di rilievo che vuole effettuare. L’obbiettivo finale è quello di ottenere una corretta presa fotogrammetrica da utilizzare per la creazione di un modello digitale del terreno o di un oggetto attraverso elaborazione dati in post-processing. La perfetta configurazione del volo non può prescindere dalle conoscenze base di fotogrammetria e delle meccaniche di un veicolo UAV. I capitoli introduttivi tratteranno infatti i principi della fotogrammetria analogica e digitale soffermandosi su temi utili alla comprensione delle problematiche relative al progetto di rilievo fotogrammetrico aereo. Una particolare attenzione è stata posta sulle nozioni di fotogrammetria digitale che, insieme agli algoritmi di Imagine Matching derivanti dalla Computer Vision, permette di definire il ramo della Fotogrammetria Moderna. Nei capitoli centrali verranno esaminate e confrontate una serie di applicazioni commerciali per smartphone e tablet, disponibili per sistemi Apple e Android, per trarne un breve resoconto conclusivo che le compari in termini di accessibilità, potenzialità e destinazione d’uso. Per una maggiore comprensione si determinano univocamente gli acronimi con cui i droni vengono chiamati nei diversi contesti: UAV (Unmanned Aerial Vehicle), SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto), RPAS (Remotely Piloted Aicraft System), ARP (Aeromobili a Pilotaggio Remoto).

Applying Augmented Reality to Outdoors Industrial Use

Augmented Reality (AR) is currently gaining popularity in multiple different fields. However, the technology for AR still requires development in both hardware and software when considering industrial use. In order to create immersive AR applications, more accurate pose estimation techniques to define virtual camera location are required. The algorithms for pose estimation often require a lot of processing power, which makes robust pose estimation a difficult task when using mobile devices or designated AR tools. The difficulties are even larger in outdoor scenarios where the environment can vary a lot and is often unprepared for AR. This thesis aims to research different possibilities for creating AR applications for outdoor environments. Both hardware and software solutions are considered, but the focus is more on software. The majority of the thesis focuses on different visual pose estimation and tracking techniques for natural features. During the thesis, multiple different solutions were tested for outdoor AR. One commercial AR SDK was tested, and three different custom software solutions were developed for an Android tablet. The custom software solutions were an algorithm for combining data from magnetometer and a gyroscope, a natural feature tracker and a tracker based on panorama images. The tracker based on panorama images was implemented based on an existing scientific publication, and the presented tracker was further developed by integrating it to Unity 3D and adding a possibility for augmenting content. This thesis concludes that AR is very close to becoming a usable tool for professional use. The commercial solutions currently available are not yet ready for creating tools for professional use, but especially for different visualization tasks some custom solutions are capable of achieving a required robustness. The panorama tracker implemented in this thesis seems like a promising tool for robust pose estimation in unprepared outdoor environments.

Verification and Implementation of Call Sequence Analysing Algorithm

Työssä arvioidaan ja verifioidaan puheluiden luokitteluun suunniteltu Call Sequence Analysing Algorithm (CSA-algoritmi). Algoritmin tavoitteena on luokitella riittävän samankaltaiset puhelut ryhmiksi tarkempaa vika-analyysia varten. Työssä esitellään eri koneoppimisalgoritmien pääluokitukset ja niiden tyypilliset eroavaisuudet, eri luokitteluprosesseille ominaiset datatyypit, sekä toimintaympäristöt, joissa kyseinen toteutus on suunniteltu toimivaksi. CSA-algoritmille syötetään verkon ylläpitoviesteistä koostuvia viestisarjoja, joiden sisällön perusteella samankaltaiset sarjat ryhmitellään kokonaisuuksiksi. Algoritmin suorituskykyä arvioidaan 94 käsin luokitellun verrokkisarjan avulla. Sarjat on kerätty toimivasta 3G-verkon kontrollerista. Kahta sarjaa vertailemalla sarjaparille muodostetaan keskinäinen tunnusluku: sarjojen samanlaisuutta kuvaava etäisyys. Tässä työssä keskitytään erityisesti Hamming-etäisyyteen. Etäisyyden avulla sarjat koostetaan ryhmiksi. Muuttamalla hyväksyttävää maksimietäisyyttä, jonka perusteella kaksi sarjaa lasketaan kuuluvaksi samaan ryhmään, saadaan aikaiseksi alaryhmiä, joihin kuuluu ainoastaan samankaltaisia sarjoja. Hyväksyttävän etäisyyden kasvaessa, myös virheluokitusten määrä kasvaa. Oikeiden lajittelutulosten vertailukohteena toimii käsin luokiteltu ryhmittely. CSA-algoritmin luokittelutuloksen tarkkuus esitetään prosentuaalisena osuutena tavoiteryhmittelystä maksimietäisyyden funktiona. Työssä osoitetaan, miten etäisyysattribuutiksi valittu Hamming-etäisyys ei sovellu tämän datan luokitteluun. Työn lopussa ehdotetaan menetelmää ja työkalua, joiden avulla useampaa eri lajittelija-algoritmia voidaan testata nopealla kehityssyklillä.

ProgettoCNR Energy+: metodo di calcolo semplificato per la scomposizione della radiazione solare globale e la stima della produzione da fotovoltaico

Scopo del presente lavoro è la presentazione del codice di calcolo semplificato adoperato nella sezione “Simulatore fotovoltaico” presente sul portale www.energia.cnr.it del progetto CNR ENERGY+. Utilizzando i valori reali di radiazione solare misurati dalle stazioni meteorologiche installate presso alcune sedi del CNR il codice, con appropriati algoritmi, generala scomposizione della radiazione sul piano orizzontale e su superfici inclinate e variamente orientate, in modo da pervenire alla potenza prodotta da un ipotetico impianto fotovoltaico posto sullo stesso sito di ubicazione della stazione.

Herramienta para la representación 3D, usando WebGL, de clusters de supercomputación

Este Trabajo de Fin de Grado constituye el primero en una línea de Trabajos con un objetivo común: la creación de una aplicación o conjunto de aplicaciones que apoye a la administración de un cluster de supercomputación mediante una representación en tres dimensiones del mismo accesible desde un navegador. Esta aplicación deberá ser de fácil manejo para el personal que haga uso de ella, que recibirá información procedente de distintas fuentes sobre el estado de cada uno de los dispositivos del cluster. Concretamente, este primer Trabajo se centra en la representación gráfica del cluster mediante WebGL, el estándar para renderizado 3D en navegadores basado en OpenGL, tomando como modelo de desarrollo el SCBI (Centro de Supercomputación y Bioinnovación) de la Universidad de Málaga. Para ello, se apoyará en la creación de una herramienta con la que describir texualmente de forma intuitiva los elementos de una sala de supercomputadores y los datos asociados a los mismos. Esta descripción será modificable para adaptarse a las necesidades del administrador de los datos.

A three-dimensional representation method for noisy point clouds based on growing self-organizing maps accelerated on GPUs

The research described in this thesis was motivated by the need of a robust model capable of representing 3D data obtained with 3D sensors, which are inherently noisy. In addition, time constraints have to be considered as these sensors are capable of providing a 3D data stream in real time. This thesis proposed the use of Self-Organizing Maps (SOMs) as a 3D representation model. In particular, we proposed the use of the Growing Neural Gas (GNG) network, which has been successfully used for clustering, pattern recognition and topology representation of multi-dimensional data. Until now, Self-Organizing Maps have been primarily computed offline and their application in 3D data has mainly focused on free noise models, without considering time constraints. It is proposed a hardware implementation leveraging the computing power of modern GPUs, which takes advantage of a new paradigm coined as General-Purpose Computing on Graphics Processing Units (GPGPU). The proposed methods were applied to different problem and applications in the area of computer vision such as the recognition and localization of objects, visual surveillance or 3D reconstruction.

INVESTIGATIONS INTO MECHANISMS UNDERLYING EXTREME WAVE FORMATIONS AND COMPUTATIONALLY INTENSIVE SIMULATIONS

Various mechanisms have been proposed to explain extreme waves or rogue waves in an oceanic environment including directional focusing, dispersive focusing, wave-current interaction, and nonlinear modulational instability. The Benjamin-Feir instability (nonlinear modulational instability), however, is considered to be one of the primary mechanisms for rogue-wave occurrence. The nonlinear Schrodinger equation is a well-established approximate model based on the same assumptions as required for the derivation of the Benjamin-Feir theory. Solutions of the nonlinear Schrodinger equation, including new rogue-wave type solutions are presented in the author's dissertation work. The solutions are obtained by using a predictive eigenvalue map based predictor-corrector procedure developed by the author. Features of the predictive map are explored and the influences of certain parameter variations are investigated. The solutions are rescaled to match the length scales of waves generated in a wave tank. Based on the information provided by the map and the details of physical scaling, a framework is developed that can serve as a basis for experimental investigations into a variety of extreme waves as well localizations in wave fields. To derive further fundamental insights into the complexity of extreme wave conditions, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) simulations are carried out on an advanced Graphic Processing Unit (GPU) based parallel computational platform. Free surface gravity wave simulations have successfully characterized water-wave dispersion in the SPH model while demonstrating extreme energy focusing and wave growth in both linear and nonlinear regimes. A virtual wave tank is simulated wherein wave motions can be excited from either side. Focusing of several wave trains and isolated waves has been simulated. With properly chosen parameters, dispersion effects are observed causing a chirped wave train to focus and exhibit growth. By using the insights derived from the study of the nonlinear Schrodinger equation, modulational instability or self-focusing has been induced in a numerical wave tank and studied through several numerical simulations. Due to the inherent dissipative nature of SPH models, simulating persistent progressive waves can be problematic. This issue has been addressed and an observation-based solution has been provided. The efficacy of SPH in modeling wave focusing can be critical to further our understanding and predicting extreme wave phenomena through simulations. A deeper understanding of the mechanisms underlying extreme energy localization phenomena can help facilitate energy harnessing and serve as a basis to predict and mitigate the impact of energy focusing.

Contributions to 3D Data Registration and Representation

Nowadays, new computers generation provides a high performance that enables to build computationally expensive computer vision applications applied to mobile robotics. Building a map of the environment is a common task of a robot and is an essential part to allow the robots to move through these environments. Traditionally, mobile robots used a combination of several sensors from different technologies. Lasers, sonars and contact sensors have been typically used in any mobile robotic architecture, however color cameras are an important sensor due to we want the robots to use the same information that humans to sense and move through the different environments. Color cameras are cheap and flexible but a lot of work need to be done to give robots enough visual understanding of the scenes. Computer vision algorithms are computational complex problems but nowadays robots have access to different and powerful architectures that can be used for mobile robotics purposes. The advent of low-cost RGB-D sensors like Microsoft Kinect which provide 3D colored point clouds at high frame rates made the computer vision even more relevant in the mobile robotics field. The combination of visual and 3D data allows the systems to use both computer vision and 3D processing and therefore to be aware of more details of the surrounding environment. The research described in this thesis was motivated by the need of scene mapping. Being aware of the surrounding environment is a key feature in many mobile robotics applications from simple robotic navigation to complex surveillance applications. In addition, the acquisition of a 3D model of the scenes is useful in many areas as video games scene modeling where well-known places are reconstructed and added to game systems or advertising where once you get the 3D model of one room the system can add furniture pieces using augmented reality techniques. In this thesis we perform an experimental study of the state-of-the-art registration methods to find which one fits better to our scene mapping purposes. Different methods are tested and analyzed on different scene distributions of visual and geometry appearance. In addition, this thesis proposes two methods for 3d data compression and representation of 3D maps. Our 3D representation proposal is based on the use of Growing Neural Gas (GNG) method. This Self-Organizing Maps (SOMs) has been successfully used for clustering, pattern recognition and topology representation of various kind of data. Until now, Self-Organizing Maps have been primarily computed offline and their application in 3D data has mainly focused on free noise models without considering time constraints. Self-organising neural models have the ability to provide a good representation of the input space. In particular, the Growing Neural Gas (GNG) is a suitable model because of its flexibility, rapid adaptation and excellent quality of representation. However, this type of learning is time consuming, specially for high-dimensional input data. Since real applications often work under time constraints, it is necessary to adapt the learning process in order to complete it in a predefined time. This thesis proposes a hardware implementation leveraging the computing power of modern GPUs which takes advantage of a new paradigm coined as General-Purpose Computing on Graphics Processing Units (GPGPU). Our proposed geometrical 3D compression method seeks to reduce the 3D information using plane detection as basic structure to compress the data. This is due to our target environments are man-made and therefore there are a lot of points that belong to a plane surface. Our proposed method is able to get good compression results in those man-made scenarios. The detected and compressed planes can be also used in other applications as surface reconstruction or plane-based registration algorithms. Finally, we have also demonstrated the goodness of the GPU technologies getting a high performance implementation of a CAD/CAM common technique called Virtual Digitizing.

Análisis de la implementación de un conformador software de señales ultrasónicas para tiempo real

Este trabajo analiza la implementacion software en un sistema de imagen ultrasónica del Total Focusing Method para la compensación dinámica en tiempo real de los tiempos de vuelo para emisión y recepción de todos los puntos de la imagen. Para ello, haciendo uso de técnicas GPGPU, se analizan dos diferentes alternativas de implementacion, mostrando como una planificación adecuada de acceso a los datos permite mejorar los tiempos de ejecución del algoritmo.

Metodi numerici per la definizione e soluzione di modelli probabilistici complessi per l’ingegneria della manutenzione.

Negli ultimi anni, lo scenario di crescente competizione su cui si affaccia il mercato ha spinto le aziende a interessarsi sempre più frequentemente all’ingegneria della manutenzione, allo scopo di avvalersi di tecniche che permettano di pianificare strategie di manutenzione per i sistemi produttivi che siano efficaci nel minimizzare i costi di gestione garantendo prestazioni e livelli di sicurezza elevati. Le tecniche analitiche tipiche dell’ingegneria della manutenzione sono nate in settori industriali che richiedono elevati livelli di progresso tecnologico (aeronautico, nucleare), e si basano su ipotesi specifiche stringenti, che risultano limitanti nel panorama sempre più vasto ed eterogeneo in cui ne si richiede l’applicazione. D’altra parte, la rimozione di tali ipotesi rende necessario il ricorso a tecniche di risoluzione numeriche. In questa tesi si definisce un nuovo modello che permetta di caratterizzare un sistema di produzione tenendo conto di tutti i possibili aspetti di interesse nell’ambito dell’ingegneria della manutenzione. Inoltre, sono descritti gli algoritmi definiti per la risoluzione di tale modello.

Game Design & Programming: progettazione e sviluppo di un videogioco 3D con Unity

Questa Tesi prende in esame tutte le fasi che portano alla realizzazione di un generico videogioco applicandole per creare, dal principio, un gioco 3D con Unity. Se ne analizzerà l'ideazione, la progettazione degli ambienti ma anche degli algoritmi implementati, la produzione e quindi la scrittura del codice per poi terminare con i test effettuati.

Social network e watermarking: alcuni risultati preliminari

La diffusione dei social network ha permesso ad un elevato numero di persone di condividere i propri contenuti multimediali (testo, foto, video) con una larga platea di contatti. Potenzialmente questi contenuti possono essere condivisi anche con persone non direttamente collegate al proprietario. Uno dei comportamenti più diffuso degli utenti dei social network è la condivisione di foto. In questo contesto diventa importante riconoscere e preservare la proprietà di un'immagine. Lo studio effettuato in questo documento quindi, si prefigge lo scopo di controllare se i social network inseriscano un qualche watermark all'interno dell'immagine caricata. L'elaborato inoltre cerca di capire, analizzando e testando vari algoritmi di watermarking su immagini condivise, come le firme digitali vengano inserite all'interno di una foto e come queste rispondano alle alterazioni da parte dei social network.