A Virtual Programming Lab for Moodle with automatic assessment and anti-plagiarism features

[EN] This paper describes VPL, a Virtual Programming Lab module for Moodle, developed at the University of Las Palmas of Gran Canaria (ULPGC) and released for free uses under GNU/GPL license. For the students, it is a simple development environment with auto evaluation capabilities. For the instructors, it is a students' work management system, with features to facilitate the preparation of assignments, manage the submissions, check for plagiarism, and do assessments with the aid of powerful and flexible assessment tools based on program testing, all of that being independent of the programming language used for the assignments and taken into account critical security issues.

Automatic (data-based) learning of expressive indicators for machine failure detection : a proposal

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Automatic clothes segmentation for soft biometrics

[EN]During the last decade, researchers have verified that clothing can provide information for gender recognition. However, before extracting features, it is necessary to segment the clothing region. We introduce a new clothes segmentation method based on the application of the GrabCut technique over a trixel mesh, obtaining very promising results for a close to real time system. Finally, the clothing features are combined with facial and head context information to outperform previous results in gender recognition with a public database.

Automatic code generation: from process algebraic architectural descriptions to multithreaded java programs

Process algebraic architectural description languages provide a formal means for modeling software systems and assessing their properties. In order to bridge the gap between system modeling and system im- plementation, in this thesis an approach is proposed for automatically generating multithreaded object-oriented code from process algebraic architectural descriptions, in a way that preserves – under certain assumptions – the properties proved at the architectural level. The approach is divided into three phases, which are illustrated by means of a running example based on an audio processing system. First, we develop an architecture-driven technique for thread coordination management, which is completely automated through a suitable package. Second, we address the translation of the algebraically-specified behavior of the individual software units into thread templates, which will have to be filled in by the software developer according to certain guidelines. Third, we discuss performance issues related to the suitability of synthesizing monitors rather than threads from software unit descriptions that satisfy specific constraints. In addition to the running example, we present two case studies about a video animation repainting system and the implementation of a leader election algorithm, in order to summarize the whole approach. The outcome of this thesis is the implementation of the proposed approach in a translator called PADL2Java and its integration in the architecture-centric verification tool TwoTowers.

Automatic initialization for facial analysis in interactive robotics

[EN]This paper focuses on four different initialization methods for determining the initial shape for the AAM algorithm and their particular performance in two different classification tasks with respect to either the facial expression DaFEx database and to the real world data obtained from a robot’s point of view.

The meccano method for automatic 3-d triangulation and volume parametrization of complex solids

[EN]In this paper we review the novel meccano method. We summarize the main stages (subdivision, mapping, optimization) of this automatic tetrahedral mesh generation technique and we concentrate the study to complex genus-zero solids. In this case, our procedure only requires a surface triangulation of the solid. A crucial consequence of our method is the volume parametrization of the solid to a cube. We construct volume T-meshes for isogeometric analysis by using this result. The efficiency of the proposed technique is shown with several examples. A comparison between the meccano method and standard mesh generation techniques is introduced.-1…

An analysis of automatic gender classification

[EN]Different researches suggest that inner facial features are not the only discriminative features for tasks such as person identification or gender classification. Indeed, they have shown an influence of features which are part of the local face context, such as hair, on these tasks. However, object-centered approaches which ignore local context dominate the research in computational vision based facial analysis. In this paper, we performed an analysis to study which areas and which resolutions are diagnostic for the gender classification problem. We first demonstrate the importance of contextual features in human observers for gender classification using a psychophysical ”bubbles” technique.

Dealogenazione riduttiva dei policlorobifenili (PCB) in sedimenti anaerobici marini della laguna di Venezia: arricchimento e identificazione dei microrganismi dealogenanti

I policlorobifenili (PCB) sono inquinanti tossici e fortemente recalcitranti che contaminano suoli e sedimenti di acqua dolce e marini. Le tecnologie attualmente impiegate per la loro rimozione (dragaggio e trattamento chimoco-fisico o conferimento in discarica) sono molto costose, poco efficaci o ad alto impatto ambientale. L’individuazione di strategie alternative, di natura biologica, consentirebbe lo sviluppo di un processo alternativo più sostenibile. Nel processo di declorurazione riduttiva i congeneri di PCB a più alto grado di clorurazione, che sono i più tossici, recalcitranti e maggiormente tendenti al bioaccumulo, vengono utilizzati da alcuni microrganismi anaerobici come accettori finali di elettroni nella catena respiratoria e bioconvertiti in congeneri a minor grado di clorurazione, meno pericolosi, che possono essere mineralizzati da parte di batteri aerobi. La declorurazione riduttiva dei PCB è stata spesso studiata in colture anaerobiche di arricchimento in terreno minerale ottenute a partire da sedimenti di acqua dolce; questi studi hanno permesso di dimostrare che batteri del phylum dei Chloroflexi e appartenenti al genere Dehalococcoides o filogeneticamente facenti parte del gruppo dei Dehalococcoides-like sono i decloruranti. Sono tuttavia scarse le informazioni riguardanti l'occorrenza della declorurazione dei PCB in ambienti marini, nei quali l'alta salinità e concentrazione di solfati influenzano diversamente l'evoluzione delle popolazioni microbiche. In sedimenti contaminati della laguna di Venezia è stata osservata declorurazione sia dei PCB preesistenti che di congeneri esogeni; questi studi hanno permesso l'ottenimento di colture di arricchimento fortemente attive nei confronti di 5 congeneri di PCB coplanari. In questa tesi, a partire dalle colture capaci di declorurare i PCB coplanari, sono stati allestiti nuovi passaggi di arricchimento su Aroclor®1254, una miscela di PCB più complessa e che meglio rappresenta la contaminazione ambientale. Le colture sono state allestite come microcosmi anaerobici in fase slurry, preparati risospendendo il sedimento nell'acqua superficiale, ricreando in tal modo in laboratorio le stesse condizioni biogeochimiche presenti in situ; gli slurry sterili sono stati inoculati per avviare le colture. Per favorire la crescita dei microrganismi decloruranti e stimolare così la decloruraazione dei PCB sono stati aggiunti inibitori selettivi di metanogeni (Bromoetansulfonato o BES) e solfato-riduttori (molibdato), sono state fornite fonti di carbonio ed energia (eD), quali acidi grassi a corta catena e idrogeno, utilizzate di batteri decloruranti noti, e per semplificare la comunità microbica sono stati aggiunti antibiotici cui batteri decloruranti del genere Dehalococcoides sono resistenti. Con questo approccio sono stati allestiti passaggi di arricchimento successivi e le popolazioni microbiche delle colture sono state caratterizzate con analisi molecolari di fingerprinting (DGGE). Fin dal primo passaggio di arricchimento nei microcosmi non ammendati ha avuto luogo un'estesa declorurazione dell'Aroclor®1254; nei successivi passaggi si è notato un incremento della velocità del processo e la scomparsa della fase di latenza, mentre la stessa stereoselettività è stata mantenuta a riprova dell’arricchimento degli stessi microrganismi decloruranti. Le velocità di declorurazione ottenute sono molto alte se confrontate con quelle osservate in colture anaerobiche addizionate della stessa miscela descritte in letteratura. L'aggiunta di BES o molibdato ha bloccato la declorurazione dei PCB ma in presenza di BES è stata riscontrata attività dealogenante nei confronti di questa molecola. La supplementazione di fonti di energia e di carbonio ha stimolato la metanogenesi e i processi fermentativi ma non ha avuto effetti sulla declorurazione. Ampicillina e vancomicina hanno incrementato la velocità di declorurazione quando aggiunte singolarmente, insieme o in combinazione con eD. E' stato però anche dimostrato che la declorurazione dei PCB è indipendente sia dalla metanogenesi che dalla solfato-riduzione. Queste attività respiratorie hanno avuto velocità ed estensioni diverse in presenza della medesima attività declorurante; in particolare la metanogenesi è stata rilevata solo in dipendenza dall’aggiunta di eD alle colture e la solfato-riduzione è stata inibita dall’ampicillina in microcosmi nei quali un’estesa declorurazione dei PCB è stata osservata. La caratterizzazione delle popolazioni microbiche, condotte mediante analisi molecolari di fingerprinting (DGGE) hanno permesso di descrivere le popolazioni batteriche delle diverse colture come complesse comunità microbiche e di rilevare in tutte le colture decloruranti la presenza di una banda che l’analisi filogenetica ha ascritto al batterio m-1, un noto batterio declorurante in grado di dealogenare un congenere di PCB in colture di arricchimento ottenute da sedimenti marini appartenente al gruppo dei Dehalococcoides-like. Per verificare se la crescita di questo microrganismo sia legata alla presenza dei PCB, l'ultimo passaggio di arricchimento ha previsto l’allestimento di microcosmi addizionati di Aroclor®1254 e altri analoghi privi di PCB. Il batterio m-1 è stato rilevato in tutti i microcosmi addizionati di PCB ma non è mai stato rilevato in quelli in cui i PCB non erano presenti; la presenza di nessun altro batterio né alcun archebatterio è subordinata all’aggiunta dei PCB. E in questo modo stato dimostrato che la presenza di m-1 è dipendente dai PCB e si ritiene quindi che m-1 sia il declorurante in grado di crescere utilizzando i PCB come accettori di elettroni nella catena respiratoria anche in condizioni biogeochimiche tipiche degli habitat marini. In tutte le colture dell'ultimo passaggio di arricchimento è stata anche condotta una reazione di PCR mirata alla rilevazione di geni per dealogenasi riduttive, l’enzima chiave coinvolto nei processi di dealogenazione. E’ stato ottenuto un amplicone di lughezza analoga a quelle di tutte le dealogenasi note in tutte le colture decloruranti ma un tale amplificato non è mai stato ottenuto da colture non addizionate di PCB. La dealogenasi ha lo stesso comportamento di m-1, essendo stata trovata come questo sempre e solo in presenza di PCB e di declorurazione riduttiva. La sequenza di questa dealogenasi è diversa da tutte quelle note sia in termini di sequenza nucleotidica che aminoacidica, pur presentando due ORF con le stesse caratteristiche e domini presenti nelle dealogenasi note. Poiché la presenza della dealogenasi rilevata nelle colture dipende esclusivamente dall’aggiunta di PCB e dall’osservazione della declorurazione riduttiva e considerato che gran parte delle differenze genetiche è concentrata nella parte di sequenza che si pensa determini la specificità di substrato, si ritiene che la dealogenasi identificata sia specifica per i PCB. La ricerca è stata condotta in microcosmi che hanno ricreato fedelmente le condizioni biogeochimiche presenti in situ e ha quindi permesso di rendere conto del reale potenziale declorurante della microflora indigena dei sedimenti della laguna di Venezia. Le analisi molecolari condotte hanno permesso di identificare per la prima volta un batterio responsabile della declorurazione dei PCB in sedimenti marini (il batterio m-1) e una nuova dealogenasi specifica per PCB. L'identificazione del microrganismo declorurante permette di aprire la strada allo sviluppo di tecnologie di bioremediation mirata e il gene della dealogenasi potrà essere utilizzato come marker molecolare per determinare il reale potenziale di declorurazione di miscele complesse di PCB in sedimenti marini.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

Query rewriting in information retrieval: automatic context extraction from local user documents to improve query results

The central objective of research in Information Retrieval (IR) is to discover new techniques to retrieve relevant information in order to satisfy an Information Need. The Information Need is satisfied when relevant information can be provided to the user. In IR, relevance is a fundamental concept which has changed over time, from popular to personal, i.e., what was considered relevant before was information for the whole population, but what is considered relevant now is specific information for each user. Hence, there is a need to connect the behavior of the system to the condition of a particular person and his social context; thereby an interdisciplinary sector called Human-Centered Computing was born. For the modern search engine, the information extracted for the individual user is crucial. According to the Personalized Search (PS), two different techniques are necessary to personalize a search: contextualization (interconnected conditions that occur in an activity), and individualization (characteristics that distinguish an individual). This movement of focus to the individual's need undermines the rigid linearity of the classical model overtaken the ``berry picking'' model which explains that the terms change thanks to the informational feedback received from the search activity introducing the concept of evolution of search terms. The development of Information Foraging theory, which observed the correlations between animal foraging and human information foraging, also contributed to this transformation through attempts to optimize the cost-benefit ratio. This thesis arose from the need to satisfy human individuality when searching for information, and it develops a synergistic collaboration between the frontiers of technological innovation and the recent advances in IR. The search method developed exploits what is relevant for the user by changing radically the way in which an Information Need is expressed, because now it is expressed through the generation of the query and its own context. As a matter of fact the method was born under the pretense to improve the quality of search by rewriting the query based on the contexts automatically generated from a local knowledge base. Furthermore, the idea of optimizing each IR system has led to develop it as a middleware of interaction between the user and the IR system. Thereby the system has just two possible actions: rewriting the query, and reordering the result. Equivalent actions to the approach was described from the PS that generally exploits information derived from analysis of user behavior, while the proposed approach exploits knowledge provided by the user. The thesis went further to generate a novel method for an assessment procedure, according to the "Cranfield paradigm", in order to evaluate this type of IR systems. The results achieved are interesting considering both the effectiveness achieved and the innovative approach undertaken together with the several applications inspired using a local knowledge base.

Fingerprint Recognition: Enhancement, Feature Extraction and Automatic Evaluation of Algorithms

The identification of people by measuring some traits of individual anatomy or physiology has led to a specific research area called biometric recognition. This thesis is focused on improving fingerprint recognition systems considering three important problems: fingerprint enhancement, fingerprint orientation extraction and automatic evaluation of fingerprint algorithms. An effective extraction of salient fingerprint features depends on the quality of the input fingerprint. If the fingerprint is very noisy, we are not able to detect a reliable set of features. A new fingerprint enhancement method, which is both iterative and contextual, is proposed. This approach detects high-quality regions in fingerprints, selectively applies contextual filtering and iteratively expands like wildfire toward low-quality ones. A precise estimation of the orientation field would greatly simplify the estimation of other fingerprint features (singular points, minutiae) and improve the performance of a fingerprint recognition system. The fingerprint orientation extraction is improved following two directions. First, after the introduction of a new taxonomy of fingerprint orientation extraction methods, several variants of baseline methods are implemented and, pointing out the role of pre- and post- processing, we show how to improve the extraction. Second, the introduction of a new hybrid orientation extraction method, which follows an adaptive scheme, allows to improve significantly the orientation extraction in noisy fingerprints. Scientific papers typically propose recognition systems that integrate many modules and therefore an automatic evaluation of fingerprint algorithms is needed to isolate the contributions that determine an actual progress in the state-of-the-art. The lack of a publicly available framework to compare fingerprint orientation extraction algorithms, motivates the introduction of a new benchmark area called FOE (including fingerprints and manually-marked orientation ground-truth) along with fingerprint matching benchmarks in the FVC-onGoing framework. The success of such framework is discussed by providing relevant statistics: more than 1450 algorithms submitted and two international competitions.

Optical Design for Automatic Identification and Portable Systems

This thesis proposes design methods and test tools, for optical systems, which may be used in an industrial environment, where not only precision and reliability but also ease of use is important. The approach to the problem has been conceived to be as general as possible, although in the present work, the design of a portable device for automatic identification applications has been studied, because this doctorate has been funded by Datalogic Scanning Group s.r.l., a world-class producer of barcode readers. The main functional components of the complete device are: electro-optical imaging, illumination and pattern generator systems. For what concerns the electro-optical imaging system, a characterization tool and an analysis one has been developed to check if the desired performance of the system has been achieved. Moreover, two design tools for optimizing the imaging system have been implemented. The first optimizes just the core of the system, the optical part, improving its performance ignoring all other contributions and generating a good starting point for the optimization of the whole complex system. The second tool optimizes the system taking into account its behavior with a model as near as possible to reality including optics, electronics and detection. For what concerns the illumination and the pattern generator systems, two tools have been implemented. The first allows the design of free-form lenses described by an arbitrary analytical function exited by an incoherent source and is able to provide custom illumination conditions for all kind of applications. The second tool consists of a new method to design Diffractive Optical Elements excited by a coherent source for large pattern angles using the Iterative Fourier Transform Algorithm. Validation of the design tools has been obtained, whenever possible, comparing the performance of the designed systems with those of fabricated prototypes. In other cases simulations have been used.

Hybrid portable systems for bio-nanosensors

The promising development in the routine nanofabrication and the increasing knowledge of the working principles of new classes of highly sensitive, label-free and possibly cost-effective bio-nanosensors for the detection of molecules in liquid environment, has rapidly increased the possibility to develop portable sensor devices that could have a great impact on many application fields, such as health-care, environment and food production, thanks to the intrinsic ability of these biosensors to detect, monitor and study events at the nanoscale. Moreover, there is a growing demand for low-cost, compact readout structures able to perform accurate preliminary tests on biosensors and/or to perform routine tests with respect to experimental conditions avoiding skilled personnel and bulky laboratory instruments. This thesis focuses on analysing, designing and testing novel implementation of bio-nanosensors in layered hybrid systems where microfluidic devices and microelectronic systems are fused in compact printed circuit board (PCB) technology. In particular the manuscript presents hybrid systems in two validating cases using nanopore and nanowire technology, demonstrating new features not covered by state of the art technologies and based on the use of two custom integrated circuits (ICs). As far as the nanopores interface system is concerned, an automatic setup has been developed for the concurrent formation of bilayer lipid membranes combined with a custom parallel readout electronic system creating a complete portable platform for nanopores or ion channels studies. On the other hand, referring to the nanowire readout hybrid interface, two systems enabling to perform parallel, real-time, complex impedance measurements based on lock-in technique, as well as impedance spectroscopy measurements have been developed. This feature enable to experimentally investigate the possibility to enrich informations on the bio-nanosensors concurrently acquiring impedance magnitude and phase thus investigating capacitive contributions of bioanalytical interactions on biosensor surface.