Efficient parallel proximity queries and an application to highly complex motion planning problems with many narrow passages

In vielen Bereichen der industriellen Fertigung, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, wer- den digitale Versuchsmodelle (sog. digital mock-ups) eingesetzt, um die Entwicklung komplexer Maschinen m ̈oglichst gut durch Computersysteme unterstu ̈tzen zu k ̈onnen. Hierbei spielen Be- wegungsplanungsalgorithmen eine wichtige Rolle, um zu gew ̈ahrleisten, dass diese digitalen Pro- totypen auch kollisionsfrei zusammengesetzt werden k ̈onnen. In den letzten Jahrzehnten haben sich hier sampling-basierte Verfahren besonders bew ̈ahrt. Diese erzeugen eine große Anzahl von zuf ̈alligen Lagen fu ̈r das ein-/auszubauende Objekt und verwenden einen Kollisionserken- nungsmechanismus, um die einzelnen Lagen auf Gu ̈ltigkeit zu u ̈berpru ̈fen. Daher spielt die Kollisionserkennung eine wesentliche Rolle beim Design effizienter Bewegungsplanungsalgorith- men. Eine Schwierigkeit fu ̈r diese Klasse von Planern stellen sogenannte “narrow passages” dar, schmale Passagen also, die immer dort auftreten, wo die Bewegungsfreiheit der zu planenden Objekte stark eingeschr ̈ankt ist. An solchen Stellen kann es schwierig sein, eine ausreichende Anzahl von kollisionsfreien Samples zu finden. Es ist dann m ̈oglicherweise n ̈otig, ausgeklu ̈geltere Techniken einzusetzen, um eine gute Performance der Algorithmen zu erreichen.rnDie vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: Im ersten Teil untersuchen wir parallele Kollisionserkennungsalgorithmen. Da wir auf eine Anwendung bei sampling-basierten Bewe- gungsplanern abzielen, w ̈ahlen wir hier eine Problemstellung, bei der wir stets die selben zwei Objekte, aber in einer großen Anzahl von unterschiedlichen Lagen auf Kollision testen. Wir im- plementieren und vergleichen verschiedene Verfahren, die auf Hu ̈llk ̈operhierarchien (BVHs) und hierarchische Grids als Beschleunigungsstrukturen zuru ̈ckgreifen. Alle beschriebenen Verfahren wurden auf mehreren CPU-Kernen parallelisiert. Daru ̈ber hinaus vergleichen wir verschiedene CUDA Kernels zur Durchfu ̈hrung BVH-basierter Kollisionstests auf der GPU. Neben einer un- terschiedlichen Verteilung der Arbeit auf die parallelen GPU Threads untersuchen wir hier die Auswirkung verschiedener Speicherzugriffsmuster auf die Performance der resultierenden Algo- rithmen. Weiter stellen wir eine Reihe von approximativen Kollisionstests vor, die auf den beschriebenen Verfahren basieren. Wenn eine geringere Genauigkeit der Tests tolerierbar ist, kann so eine weitere Verbesserung der Performance erzielt werden.rnIm zweiten Teil der Arbeit beschreiben wir einen von uns entworfenen parallelen, sampling- basierten Bewegungsplaner zur Behandlung hochkomplexer Probleme mit mehreren “narrow passages”. Das Verfahren arbeitet in zwei Phasen. Die grundlegende Idee ist hierbei, in der er- sten Planungsphase konzeptionell kleinere Fehler zuzulassen, um die Planungseffizienz zu erh ̈ohen und den resultierenden Pfad dann in einer zweiten Phase zu reparieren. Der hierzu in Phase I eingesetzte Planer basiert auf sogenannten Expansive Space Trees. Zus ̈atzlich haben wir den Planer mit einer Freidru ̈ckoperation ausgestattet, die es erlaubt, kleinere Kollisionen aufzul ̈osen und so die Effizienz in Bereichen mit eingeschr ̈ankter Bewegungsfreiheit zu erh ̈ohen. Optional erlaubt unsere Implementierung den Einsatz von approximativen Kollisionstests. Dies setzt die Genauigkeit der ersten Planungsphase weiter herab, fu ̈hrt aber auch zu einer weiteren Perfor- mancesteigerung. Die aus Phase I resultierenden Bewegungspfade sind dann unter Umst ̈anden nicht komplett kollisionsfrei. Um diese Pfade zu reparieren, haben wir einen neuartigen Pla- nungsalgorithmus entworfen, der lokal beschr ̈ankt auf eine kleine Umgebung um den bestehenden Pfad einen neuen, kollisionsfreien Bewegungspfad plant.rnWir haben den beschriebenen Algorithmus mit einer Klasse von neuen, schwierigen Metall- Puzzlen getestet, die zum Teil mehrere “narrow passages” aufweisen. Unseres Wissens nach ist eine Sammlung vergleichbar komplexer Benchmarks nicht ̈offentlich zug ̈anglich und wir fan- den auch keine Beschreibung von vergleichbar komplexen Benchmarks in der Motion-Planning Literatur.

Approccio network-based alla discriminant analysis mediante HPC per la ricerca di signature ottimali in dati ad alta dimensionalità

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della classificazione di dati ad alta dimensionalità, sviluppando un algoritmo basato sul metodo della Discriminant Analysis. Esso classifica i campioni attraverso le variabili prese a coppie formando un network a partire da quelle che hanno una performance sufficientemente elevata. Successivamente, l’algoritmo si avvale di proprietà topologiche dei network (in particolare la ricerca di subnetwork e misure di centralità di singoli nodi) per ottenere varie signature (sottoinsiemi delle variabili iniziali) con performance ottimali di classificazione e caratterizzate da una bassa dimensionalità (dell’ordine di 101, inferiore di almeno un fattore 103 rispetto alle variabili di partenza nei problemi trattati). Per fare ciò, l’algoritmo comprende una parte di definizione del network e un’altra di selezione e riduzione della signature, calcolando ad ogni passaggio la nuova capacità di classificazione operando test di cross-validazione (k-fold o leave- one-out). Considerato l’alto numero di variabili coinvolte nei problemi trattati – dell’ordine di 104 – l’algoritmo è stato necessariamente implementato su High-Performance Computer, con lo sviluppo in parallelo delle parti più onerose del codice C++, nella fattispecie il calcolo vero e proprio del di- scriminante e il sorting finale dei risultati. L’applicazione qui studiata è a dati high-throughput in ambito genetico, riguardanti l’espressione genica a livello cellulare, settore in cui i database frequentemente sono costituiti da un numero elevato di variabili (104 −105) a fronte di un basso numero di campioni (101 −102). In campo medico-clinico, la determinazione di signature a bassa dimensionalità per la discriminazione e classificazione di campioni (e.g. sano/malato, responder/not-responder, ecc.) è un problema di fondamentale importanza, ad esempio per la messa a punto di strategie terapeutiche personalizzate per specifici sottogruppi di pazienti attraverso la realizzazione di kit diagnostici per l’analisi di profili di espressione applicabili su larga scala. L’analisi effettuata in questa tesi su vari tipi di dati reali mostra che il metodo proposto, anche in confronto ad altri metodi esistenti basati o me- no sull’approccio a network, fornisce performance ottime, tenendo conto del fatto che il metodo produce signature con elevate performance di classifica- zione e contemporaneamente mantenendo molto ridotto il numero di variabili utilizzate per questo scopo.

Dynamic distance analysis : new geometric data structures and algorithms for the real-time calculation of tolerance violating regions in the digital mockup process

In vielen Industriezweigen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, werden Digitale Versuchsmodelle (Digital MockUps) eingesetzt, um die Konstruktion und die Funktion eines Produkts am virtuellen Prototypen zu überprüfen. Ein Anwendungsfall ist dabei die Überprüfung von Sicherheitsabständen einzelner Bauteile, die sogenannte Abstandsanalyse. Ingenieure ermitteln dabei für bestimmte Bauteile, ob diese in ihrer Ruhelage sowie während einer Bewegung einen vorgegeben Sicherheitsabstand zu den umgebenden Bauteilen einhalten. Unterschreiten Bauteile den Sicherheitsabstand, so muss deren Form oder Lage verändert werden. Dazu ist es wichtig, die Bereiche der Bauteile, welche den Sicherhabstand verletzen, genau zu kennen. rnrnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine Lösung zur Echtzeitberechnung aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Bereiche zwischen zwei geometrischen Objekten. Die Objekte sind dabei jeweils als Menge von Primitiven (z.B. Dreiecken) gegeben. Für jeden Zeitpunkt, in dem eine Transformation auf eines der Objekte angewendet wird, berechnen wir die Menge aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Primitive und bezeichnen diese als die Menge aller toleranzverletzenden Primitive. Wir präsentieren in dieser Arbeit eine ganzheitliche Lösung, welche sich in die folgenden drei großen Themengebiete unterteilen lässt.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir Algorithmen, die für zwei Dreiecke überprüfen, ob diese toleranzverletzend sind. Hierfür präsentieren wir verschiedene Ansätze für Dreiecks-Dreiecks Toleranztests und zeigen, dass spezielle Toleranztests deutlich performanter sind als bisher verwendete Abstandsberechnungen. Im Fokus unserer Arbeit steht dabei die Entwicklung eines neuartigen Toleranztests, welcher im Dualraum arbeitet. In all unseren Benchmarks zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive beweist sich unser Ansatz im dualen Raum immer als der Performanteste.rnrnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Datenstrukturen und Algorithmen zur Echtzeitberechnung aller toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei geometrischen Objekten. Wir entwickeln eine kombinierte Datenstruktur, die sich aus einer flachen hierarchischen Datenstruktur und mehreren Uniform Grids zusammensetzt. Um effiziente Laufzeiten zu gewährleisten ist es vor allem wichtig, den geforderten Sicherheitsabstand sinnvoll im Design der Datenstrukturen und der Anfragealgorithmen zu beachten. Wir präsentieren hierzu Lösungen, die die Menge der zu testenden Paare von Primitiven schnell bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir Strategien, wie Primitive als toleranzverletzend erkannt werden können, ohne einen aufwändigen Primitiv-Primitiv Toleranztest zu berechnen. In unseren Benchmarks zeigen wir, dass wir mit unseren Lösungen in der Lage sind, in Echtzeit alle toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei komplexen geometrischen Objekten, bestehend aus jeweils vielen hunderttausend Primitiven, zu berechnen. rnrnIm dritten Teil präsentieren wir eine neuartige, speicheroptimierte Datenstruktur zur Verwaltung der Zellinhalte der zuvor verwendeten Uniform Grids. Wir bezeichnen diese Datenstruktur als Shrubs. Bisherige Ansätze zur Speicheroptimierung von Uniform Grids beziehen sich vor allem auf Hashing Methoden. Diese reduzieren aber nicht den Speicherverbrauch der Zellinhalte. In unserem Anwendungsfall haben benachbarte Zellen oft ähnliche Inhalte. Unser Ansatz ist in der Lage, den Speicherbedarf der Zellinhalte eines Uniform Grids, basierend auf den redundanten Zellinhalten, verlustlos auf ein fünftel der bisherigen Größe zu komprimieren und zur Laufzeit zu dekomprimieren.rnrnAbschießend zeigen wir, wie unsere Lösung zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive Anwendung in der Praxis finden kann. Neben der reinen Abstandsanalyse zeigen wir Anwendungen für verschiedene Problemstellungen der Pfadplanung.

Data dissemination over complex networks through gossip

This thesis offers a practical and theoretical evaluations about gossip-epidemic algorithms, comparing those most common in the literature with new proposed algorithms and analyzing their behavior. Tests have been executed using one hundred graphs that has been randomly generated by Large Unstructured NEtwork Simulator (LUNES), a simulation software provided by Parallel and Distributed Simulation Research Group (PADS), of the Department of Computer Science, Università di Bologna and simulated using Advanced RTI System (ARTÌS), based on the High Level Architecture standard. Literatures algorithms have been analyzed and taken as base for new algorithms.

Distributed allocation and scheduling of applications on HPC platforms

High Performance Computing e una tecnologia usata dai cluster computazionali per creare sistemi di elaborazione che sono in grado di fornire servizi molto piu potenti rispetto ai computer tradizionali. Di conseguenza la tecnologia HPC e diventata un fattore determinante nella competizione industriale e nella ricerca. I sistemi HPC continuano a crescere in termini di nodi e core. Le previsioni indicano che il numero dei nodi arrivera a un milione a breve. Questo tipo di architettura presenta anche dei costi molto alti in termini del consumo delle risorse, che diventano insostenibili per il mercato industriale. Un scheduler centralizzato non e in grado di gestire un numero di risorse cosi alto, mantenendo un tempo di risposta ragionevole. In questa tesi viene presentato un modello di scheduling distribuito che si basa sulla programmazione a vincoli e che modella il problema dello scheduling grazie a una serie di vincoli temporali e vincoli sulle risorse che devono essere soddisfatti. Lo scheduler cerca di ottimizzare le performance delle risorse e tende ad avvicinarsi a un profilo di consumo desiderato, considerato ottimale. Vengono analizzati vari modelli diversi e ognuno di questi viene testato in vari ambienti.

The Small Project Observatory: Visualizing Software Ecosystems

Software evolution research has focused mostly on analyzing the evolution of single software systems. However, it is rarely the case that a project exists as standalone, independent of others. Rather, projects exist in parallel within larger contexts in companies, research groups or even the open-source communities. We call these contexts software ecosystems, and on this paper we present The Small Project Observatory, a prototype tool which aims to support the analysis of project ecosystems through interactive visualization and exploration. We present a case-study of exploring an ecosystem using our tool, we describe about the architecture of the tool, and we distill the lessons learned during the tool-building experience.

Parallel vector processing of multidimensional orthogonal transforms for digital signal processing applications

The performance of the parallel vector implementation of the one- and two-dimensional orthogonal transforms is evaluated. The orthogonal transforms are computed using actual or modified fast Fourier transform (FFT) kernels. The factors considered in comparing the speed-up of these vectorized digital signal processing algorithms are discussed and it is shown that the traditional way of comparing th execution speed of digital signal processing algorithms by the ratios of the number of multiplications and additions is no longer effective for vector implementation; the structure of the algorithm must also be considered as a factor when comparing the execution speed of vectorized digital signal processing algorithms. Simulation results on the Cray X/MP with the following orthogonal transforms are presented: discrete Fourier transform (DFT), discrete cosine transform (DCT), discrete sine transform (DST), discrete Hartley transform (DHT), discrete Walsh transform (DWHT), and discrete Hadamard transform (DHDT). A comparison between the DHT and the fast Hartley transform is also included.(34 refs)

Fine-tuning of substrate architecture and surface chemistry promotes muscle tissue development

Tissue engineering has been increasingly brought to the scientific spotlight in response to the tremendous demand for regeneration, restoration or substitution of skeletal or cardiac muscle after traumatic injury, tumour ablation or myocardial infarction. In vitro generation of a highly organized and contractile muscle tissue, however, crucially depends on an appropriate design of the cell culture substrate. The present work evaluated the impact of substrate properties, in particular morphology, chemical surface composition and mechanical properties, on muscle cell fate. To this end, aligned and randomly oriented micron (3.3±0.8 μm) or nano (237±98 nm) scaled fibrous poly(ε-caprolactone) non-wovens were processed by electrospinning. A nanometer-thick oxygen functional hydrocarbon coating was deposited by a radio frequency plasma process. C2C12 muscle cells were grown on pure and as-functionalized substrates and analysed for viability, proliferation, spatial orientation, differentiation and contractility. Cell orientation has been shown to depend strongly on substrate architecture, being most pronounced on micron-scaled parallel-oriented fibres. Oxygen functional hydrocarbons, representing stable, non-immunogenic surface groups, were identified as strong triggers for myotube differentiation. Accordingly, the highest myotube density (28±15% of total substrate area), sarcomeric striation and contractility were found on plasma-coated substrates. The current study highlights the manifold material characteristics to be addressed during the substrate design process and provides insight into processes to improve bio-interfaces.

What was I thinking? Eye-tracking experiments underscore the bias that architecture exerts on nuclear grading in prostate cancer

We previously reported that nuclear grade assignment of prostate carcinomas is subject to a cognitive bias induced by the tumor architecture. Here, we asked whether this bias is mediated by the non-conscious selection of nuclei that "match the expectation" induced by the inadvertent glance at the tumor architecture. 20 pathologists were asked to grade nuclei in high power fields of 20 prostate carcinomas displayed on a computer screen. Unknown to the pathologists, each carcinoma was shown twice, once before a background of a low grade, tubule-rich carcinoma and once before the background of a high grade, solid carcinoma. Eye tracking allowed to identify which nuclei the pathologists fixated during the 8 second projection period. For all 20 pathologists, nuclear grade assignment was significantly biased by tumor architecture. Pathologists tended to fixate on bigger, darker, and more irregular nuclei when those were projected before kigh grade, solid carcinomas than before low grade, tubule-rich carcinomas (and vice versa). However, the morphometric differences of the selected nuclei accounted for only 11% of the architecture-induced bias, suggesting that it can only to a small part be explained by the unconscious fixation on nuclei that "match the expectation". In conclusion, selection of « matching nuclei » represents an unconscious effort to vindicate the gravitation of nuclear grades towards the tumor architecture.

Package Patterns for Visual Architecture Recovery

Recovering the architecture is the first step towards reengineering a software system. Many reverse engineering tools use top-down exploration as a way of providing a visual and interactive process for architecture recovery. During the exploration process, the user navigates through various views on the system by choosing from several exploration operations. Although some sequences of these operations lead to views which, from the architectural point of view, are mode relevant than others, current tools do not provide a way of predicting which exploration paths are worth taking and which are not. In this article we propose a set of package patterns which are used for augmenting the exploration process with in formation about the worthiness of the various exploration paths. The patterns are defined based on the internal package structure and on the relationships between the package and the other packages in the system. To validate our approach, we verify the relevance of the proposed patterns for real-world systems by analyzing their frequency of occurrence in six open-source software projects.