A Simpler and More Accurate AUTO-HDS Framework for Clustering and Visualization of Biological Data

In [1], the authors proposed a framework for automated clustering and visualization of biological data sets named AUTO-HDS. This letter is intended to complement that framework by showing that it is possible to get rid of a user-defined parameter in a way that the clustering stage can be implemented more accurately while having reduced computational complexity

Parameter recovery for a skew-normal IRT model under a Bayesian approach: hierarchical framework, prior and kernel sensitivity and sample size

Item response theory (IRT) comprises a set of statistical models which are useful in many fields, especially when there is an interest in studying latent variables (or latent traits). Usually such latent traits are assumed to be random variables and a convenient distribution is assigned to them. A very common choice for such a distribution has been the standard normal. Recently, Azevedo et al. [Bayesian inference for a skew-normal IRT model under the centred parameterization, Comput. Stat. Data Anal. 55 (2011), pp. 353-365] proposed a skew-normal distribution under the centred parameterization (SNCP) as had been studied in [R. B. Arellano-Valle and A. Azzalini, The centred parametrization for the multivariate skew-normal distribution, J. Multivariate Anal. 99(7) (2008), pp. 1362-1382], to model the latent trait distribution. This approach allows one to represent any asymmetric behaviour concerning the latent trait distribution. Also, they developed a Metropolis-Hastings within the Gibbs sampling (MHWGS) algorithm based on the density of the SNCP. They showed that the algorithm recovers all parameters properly. Their results indicated that, in the presence of asymmetry, the proposed model and the estimation algorithm perform better than the usual model and estimation methods. Our main goal in this paper is to propose another type of MHWGS algorithm based on a stochastic representation (hierarchical structure) of the SNCP studied in [N. Henze, A probabilistic representation of the skew-normal distribution, Scand. J. Statist. 13 (1986), pp. 271-275]. Our algorithm has only one Metropolis-Hastings step, in opposition to the algorithm developed by Azevedo et al., which has two such steps. This not only makes the implementation easier but also reduces the number of proposal densities to be used, which can be a problem in the implementation of MHWGS algorithms, as can be seen in [R.J. Patz and B.W. Junker, A straightforward approach to Markov Chain Monte Carlo methods for item response models, J. Educ. Behav. Stat. 24(2) (1999), pp. 146-178; R. J. Patz and B. W. Junker, The applications and extensions of MCMC in IRT: Multiple item types, missing data, and rated responses, J. Educ. Behav. Stat. 24(4) (1999), pp. 342-366; A. Gelman, G.O. Roberts, and W.R. Gilks, Efficient Metropolis jumping rules, Bayesian Stat. 5 (1996), pp. 599-607]. Moreover, we consider a modified beta prior (which generalizes the one considered in [3]) and a Jeffreys prior for the asymmetry parameter. Furthermore, we study the sensitivity of such priors as well as the use of different kernel densities for this parameter. Finally, we assess the impact of the number of examinees, number of items and the asymmetry level on the parameter recovery. Results of the simulation study indicated that our approach performed equally as well as that in [3], in terms of parameter recovery, mainly using the Jeffreys prior. Also, they indicated that the asymmetry level has the highest impact on parameter recovery, even though it is relatively small. A real data analysis is considered jointly with the development of model fitting assessment tools. The results are compared with the ones obtained by Azevedo et al. The results indicate that using the hierarchical approach allows us to implement MCMC algorithms more easily, it facilitates diagnosis of the convergence and also it can be very useful to fit more complex skew IRT models.

A novel XML document structure comparison framework based-on sub-tree commonalities and label semantics

XML similarity evaluation has become a central issue in the database and information communities, its applications ranging over document clustering, version control, data integration and ranked retrieval. Various algorithms for comparing hierarchically structured data, XML documents in particular, have been proposed in the literature. Most of them make use of techniques for finding the edit distance between tree structures, XML documents being commonly modeled as Ordered Labeled Trees. Yet, a thorough investigation of current approaches led us to identify several similarity aspects, i.e., sub-tree related structural and semantic similarities, which are not sufficiently addressed while comparing XML documents. In this paper, we provide an integrated and fine-grained comparison framework to deal with both structural and semantic similarities in XML documents (detecting the occurrences and repetitions of structurally and semantically similar sub-trees), and to allow the end-user to adjust the comparison process according to her requirements. Our framework consists of four main modules for (i) discovering the structural commonalities between sub-trees, (ii) identifying sub-tree semantic resemblances, (iii) computing tree-based edit operations costs, and (iv) computing tree edit distance. Experimental results demonstrate higher comparison accuracy with respect to alternative methods, while timing experiments reflect the impact of semantic similarity on overall system performance.

Incorporating label dependency into the binary relevance framework for multi-label classification

In multi-label classification, examples can be associated with multiple labels simultaneously. The task of learning from multi-label data can be addressed by methods that transform the multi-label classification problem into several single-label classification problems. The binary relevance approach is one of these methods, where the multi-label learning task is decomposed into several independent binary classification problems, one for each label in the set of labels, and the final labels for each example are determined by aggregating the predictions from all binary classifiers. However, this approach fails to consider any dependency among the labels. Aiming to accurately predict label combinations, in this paper we propose a simple approach that enables the binary classifiers to discover existing label dependency by themselves. An experimental study using decision trees, a kernel method as well as Naive Bayes as base-learning techniques shows the potential of the proposed approach to improve the multi-label classification performance.

A Unified Framework for e-Commerce Systems Development : Business Process Pattern Perspective

In electronic commerce, systems development is based on two fundamental types of models, business models and process models. A business model is concerned with value exchanges among business partners, while a process model focuses on operational and procedural aspects of business communication. Thus, a business model defines the what in an e-commerce system, while a process model defines the how. Business process design can be facilitated and improved by a method for systematically moving from a business model to a process model. Such a method would provide support for traceability, evaluation of design alternatives, and seamless transition from analysis to realization. This work proposes a unified framework that can be used as a basis to analyze, to interpret and to understand different concepts associated at different stages in e-Commerce system development. In this thesis, we illustrate how UN/CEFACT’s recommended metamodels for business and process design can be analyzed, extended and then integrated for the final solutions based on the proposed unified framework. Also, as an application of the framework, we demonstrate how process-modeling tasks can be facilitated in e-Commerce system design. The proposed methodology, called BP3 stands for Business Process Patterns Perspective. The BP3 methodology uses a question-answer interface to capture different business requirements from the designers. It is based on pre-defined process patterns, and the final solution is generated by applying the captured business requirements by means of a set of production rules to complete the inter-process communication among these patterns.

A comparison of face and facial feature detectors based on the viola-jones general object detection framework

[EN]The human face provides useful information during interaction; therefore, any system integrating Vision- BasedHuman Computer Interaction requires fast and reliable face and facial feature detection. Different approaches have focused on this ability but only open source implementations have been extensively used by researchers. A good example is the Viola–Jones object detection framework that particularly in the context of facial processing has been frequently used.

Computer simulations of charged systems in partially periodic geometries

This work presents algorithms for the calculation of the electrostatic interaction in partially periodic systems. The framework for these algorithms is provided by the simulation package ESPResSo, of which the author was one of the main developers. The prominent features of the program are listed and the internal structure is described. In the following, algorithms for the calculation of the Coulomb sum in three dimensionally periodic systems are described. These methods are the foundations for the algorithms for partially periodic systems presented in this work. Starting from the MMM2D method for systems with one non-periodic coordinate, the ELC method for these systems is developed. This method consists of a correction term which allows to use methods for three dimensional periodicity also for the case of two periodic coordinates. The computation time of this correction term is neglible for large numbers of particles. The performance of MMM2D and ELC are demonstrated by results from the implementations contained in ESPResSo. It is also discussed, how different dielectric constants inside and outside of the simulation box can be realized. For systems with one periodic coordinate, the MMM1D method is derived from the MMM2D method. This method is applied to the problem of the attraction of like-charged rods in the presence of counterions, and results of the strong coupling theory for the equilibrium distance of the rods at infinite counterion-coupling are checked against results from computer simulations. The degree of agreement between the simulations at finite coupling and the theory can be characterized by a single parameter gamma_RB. In the special case of T=0, one finds under certain circumstances flat configurations, in which all charges are located in the rod-rod plane. The energetically optimal configuration and its stability are determined analytically, which depends on only one parameter gamma_z, similar to gamma_RB. These findings are in good agreement with results from computer simulations.

Un framework per applicazioni di monitoraggio e domotica basato su tecnologie android e arduino

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto chiamato Faxa e di una sua concreta applicazione nell’ambito della domotica (CasaDomotica). Faxa è un framework per la comunicazione via wireless tra dispositivi che supportano il sistema operativo Android e dispositivi Arduino Ethernet, comunicazione che avviene localmente attraverso il wi-fi. Il progetto si inserisce nel panorama più ampio chiamato “Internet of Things”, ovvero internet delle cose, dove ogni oggetto di uso domestico è collegato ad Internet e può essere quindi manipolato attraverso la rete in modo da realizzare una vera e propria “smart house”; perchè ciò si attui occorre sviluppare applicazioni semplici e alla portata di tutti. Il mio contributo comincia con la realizzazione del framework Faxa, così da fornire un supporto semplice e veloce per comporre programmi per Arduino e Android, sfruttando metodi ad alto livello. Il framework è sviluppato su due fronti: sul lato Android è composto sia da funzioni di alto livello, necessarie ad inviare ordini e messaggi all'Arduino, sia da un demone per Android; sul lato Arduino è composto dalla libreria, per inviare e ricevere messaggi. Per Arduino: sfruttando le librerie Faxa ho redatto un programma chiamato “BroadcastPin”. Questo programma invia costantemente sulla rete i dati dei sensori e controlla se ci sono ordini in ricezione. Il demone chiamato “GetItNow” è una applicazione che lavora costantemente in background. Il suo compito è memorizzare tutti i dati contenuti nei file xml inviati da Arduino. Tali dati corrispondono ai valori dei sensori connessi al dispositivo. I dati sono salvati in un database pubblico, potenzialmente accessibili a tutte le applicazioni presenti sul dispositivo mobile. Sul framework Faxa e grazie al demone “GetItNow” ho implementato “CasaDomotica”, un programma dimostrativo pensato per Android in grado di interoperare con apparecchi elettrici collegati ad un Arduino Ethernet, impiegando un’interfaccia video semplice e veloce. L’utente gestisce l’interfaccia per mezzo di parole chiave, a scelta comandi vocali o digitali, e con essa può accendere e spegnere luci, regolare ventilatori, attuare la rilevazione di temperatura e luminosità degli ambienti o quanto altro sia necessario. Il tutto semplicemente connettendo gli apparecchi all’Arduino e adattando il dispositivo mobile con pochi passi a comunicare con gli elettrodomestici.

Il Modello ad Attori per lo Sviluppo di Applicazioni Web orientate al Cloud: il Framework Play come Caso di Studio

Negli ultimi anni le Web application stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ognuno di noi. Se fino a qualche anno fa eravamo abituati ad utilizzare quasi solamente delle applicazioni “native”, che venivano eseguite completamente all’interno del nostro Personal Computer, oggi invece molti utenti utilizzano i loro vari dispositivi quasi esclusivamente per accedere a delle Web application. Grazie alle applicazioni Web si sono potuti creare i cosiddetti social network come Facebook, che sta avendo un enorme successo in tutto il mondo ed ha rivoluzionato il modo di comunicare di molte persone. Inoltre molte applicazioni più tradizionali come le suite per ufficio, sono state trasformate in applicazioni Web come Google Docs, che aggiungono per esempio la possibilità di far lavorare più persone contemporanemente sullo stesso documento. Le Web applications stanno assumendo quindi un ruolo sempre più importante, e di conseguenza sta diventando fondamentale poter creare delle applicazioni Web in grado di poter competere con le applicazioni native, che siano quindi in grado di svolgere tutti i compiti che sono stati sempre tradizionalmente svolti dai computer. In questa Tesi ci proporremo quindi di analizzare le varie possibilità con le quali poter migliorare le applicazioni Web, sia dal punto di vista delle funzioni che esse possono svolgere, sia dal punto di vista della scalabilità. Dato che le applicazioni Web moderne hanno sempre di più la necessità di poter svolgere calcoli in modo concorrente e distribuito, analizzeremo un modello computazionale che si presta particolarmente per progettare questo tipo di software: il modello ad Attori. Vedremo poi, come caso di studio di framework per la realizzazione di applicazioni Web avanzate, il Play framework: esso si basa sulla piattaforma Akka di programmazione ad Attori, e permette di realizzare in modo semplice applicazioni Web estremamente potenti e scalabili. Dato che le Web application moderne devono avere già dalla nascita certi requisiti di scalabilità e fault tolerance, affronteremo il problema di come realizzare applicazioni Web predisposte per essere eseguite su piattaforme di Cloud Computing. In particolare vedremo come pubblicare una applicazione Web basata sul Play framework sulla piattaforma Heroku, un servizio di Cloud Computing PaaS.

Computer simulations of microstructures related to the olivine spinel transition

Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten, werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymorphen Phasenübergang von Olivine (α-Phase) zu Spinel (β-Phase) in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mechanischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesentlichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasenübergang entstehen, oder aber die rheologischen Veränderungen des Mantelgesteins durch den Phasenübergang dafür verantwortlich machen. Dabei sind Untersuchungen der Olivin→Spinel Umwandlung durch die Unzugänglichkeit des natürlichen Materials vollständig auf theoretische Überlegungen sowie Hochdruck-Experimente und Numerische Simulationen beschränkt. Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermodell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostrukturelle Entwicklung von Spinelkörnern und die Kontrollparameter zu untersuchen. Die Arbeit ist daher in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil (Kap. 2 und 3) behandelt die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die prinzipielle Funktionsweise des Computer Modells, das auf der Kombination von Gleichungen zur Errechnung der kinetischen Reaktionsgeschwindigkeit mit Gesetzen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik unter nicht-hydostatischen Bedingungen beruht. Das Computermodell erweitert ein Federnetzwerk der Software latte aus dem Programmpaket elle. Der wichtigste Parameter ist dabei die Normalspannung auf der Kornoberfläche von Spinel. Darüber hinaus berücksichtigt das Programm die Latenzwärme der Reaktion, die Oberflächenenergie und die geringe Viskosität von Mantelmaterial als weitere wesentliche Parameter in der Berechnung der Reaktionskinetic. Das Wachstumsverhalten und die fraktale Dimension von errechneten Spinelkörnern ist dabei in guter Übereinstimmung mit Spinelstrukturen aus Hochdruckexperimenten. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Computermodell angewandt, um die Entwicklung der Oberflächenstruktur von Spinelkörnern unter verschiedenen Bedigungen zu eruieren. Die sogenannte ’anticrack theory of faulting’, die den katastrophalen Verlauf der Olivine→Spinel Umwandlung in olivinhaltigem Material unter differentieller Spannung durch Spannungskonzentrationen erklärt, wurde anhand des Computermodells untersucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdessen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4). Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollparameter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6). Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Hauptnormalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die Viskosität heraus. Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in polymineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit der Olivine→Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clustern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen erheblich beschleunigt. Die Bildung von Spinelnetzwerken hat das Potential, die mechanischen Eigenschaften von Mantelgestein erheblich zu beeinflussen, sei es durch die Bildung potentieller Scherzonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen.

Monitoring Complex Processes to Verify System Conformance: A Declarative Rule-Based Framework

Over the last 60 years, computers and software have favoured incredible advancements in every field. Nowadays, however, these systems are so complicated that it is difficult – if not challenging – to understand whether they meet some requirement or are able to show some desired behaviour or property. This dissertation introduces a Just-In-Time (JIT) a posteriori approach to perform the conformance check to identify any deviation from the desired behaviour as soon as possible, and possibly apply some corrections. The declarative framework that implements our approach – entirely developed on the promising open source forward-chaining Production Rule System (PRS) named Drools – consists of three components: 1. a monitoring module based on a novel, efficient implementation of Event Calculus (EC), 2. a general purpose hybrid reasoning module (the first of its genre) merging temporal, semantic, fuzzy and rule-based reasoning, 3. a logic formalism based on the concept of expectations introducing Event-Condition-Expectation rules (ECE-rules) to assess the global conformance of a system. The framework is also accompanied by an optional module that provides Probabilistic Inductive Logic Programming (PILP). By shifting the conformance check from after execution to just in time, this approach combines the advantages of many a posteriori and a priori methods proposed in literature. Quite remarkably, if the corrective actions are explicitly given, the reactive nature of this methodology allows to reconcile any deviations from the desired behaviour as soon as it is detected. In conclusion, the proposed methodology brings some advancements to solve the problem of the conformance checking, helping to fill the gap between humans and the increasingly complex technology.

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.

Framework e librerie per lo sviluppo di applicazioni di realta aumentata: Metaio sdk come caso di studio

I moderni sistemi computazionali hanno reso applicazioni e dispositivi sempre più complessi e versatili, integrando in essi un numero crescente di funzioni. Da qui si avverte la necessità di un design d’interfaccia utente efficace e pratico che renda il rapporto uomo/macchina semplice ed intuitivo. Negli ultimi anni questo proposito è stato accolto da sviluppatori e progettisti che si sono affacciati nel mondo della “Realtà Aumentata”, una nuova visione d’insieme nel rapporto tra mondo reale e virtuale. Augmented Reality (AR), propone infatti di sviluppare nuove interfacce uomo-computer, che invece di mostrare le informazioni digitali su display isolati, immergano i dati stessi nell’ambiente concreto. Sfuma così una distinzione marcata tra il reale e il virtuale, ma anzi si cerca di combinare in modo naturale la coesistenza di quest’ultimi, permettendo la creazione di interfacce utente semplici e intuitive anche per applicazioni complesse. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove applicazioni basate su questa tecnologia. Nel primo capitolo verrà analizzatala storia, i campi di applicazione, i device più importanti sui quali è implementata e le varie tecniche di Tracciamento. Nella seconda parte della tesi andremo a interessarci del sistema vero e proprio sul quale regge questa tecnologia. Quindi nel successivo capitolo vedremo esempi di architetture e di piattaforme che offrono questa realtà di sviluppo, soffermandoci su un particolare caso di studio: Metaio; di cui nel terzo e ultimo capitolo indagheremo framework, SDK e API messe a disposizione.

FS.js, una libreria file system per Node.js e HTML5

La tesi illustra le funzionalita e l'architettura di Node.js elencando e analizzando le caratteristiche che lo rendono un framework vincente nella sfida che il web attuale pone. La tesi comprende l'analisi e la descrizione del lavoro svolto per creare una libreria HTTP/ File system, integrata nel sistema di sviluppo cloud proprietario: Instant Developer , funzionante sia su Node.JS che sui browser che supportano appieno le nuove API File system di HTML 5. Particolare attenzione viene riservata per la descrizione della struttura della libreria, pensata per permettere all'utente dell'IDE di utilizzarla indifferentemente su server/browser senza preoccuparsi di chiamare metodi diversi. Fs.js permette di operare con file/cartelle, richieste HTTP in modo semplificato rispetto alle API Ufficiali dei rispettivi ambienti.

A framework for cyber-physical system simulation

In these last years, systems engineering has became one of the major research domains. The complexity of systems has increased constantly and nowadays Cyber-Physical Systems (CPS) are a category of particular interest: these, are systems composed by a cyber part (computer-based algorithms) that monitor and control some physical processes. Their development and simulation are both complex due to the importance of the interaction between the cyber and the physical entities: there are a lot of models written in different languages that need to exchange information among each other. Normally people use an orchestrator that takes care of the simulation of the models and the exchange of informations. This orchestrator is developed manually and this is a tedious and long work. Our proposition is to achieve to generate the orchestrator automatically through the use of Co-Modeling, i.e. by modeling the coordination. Before achieving this ultimate goal, it is important to understand the mechanisms and de facto standards that could be used in a co-modeling framework. So, I studied the use of a technology employed for co-simulation in the industry: FMI. In order to better understand the FMI standard, I realized an automatic export, in the FMI format, of the models realized in an existing software for discrete modeling: TimeSquare. I also developed a simple physical model in the existing open source openmodelica tool. Later, I started to understand how works an orchestrator, developing a simple one: this will be useful in future to generate an orchestrator automatically.