Desenvolvimento de aplicações Web com base em modelagem 3D: módulo Android

This project brings the development of an Android application which will allow users to access 3D models on web. The application developed allows Android devices to access web pages which have code that should use OPENGL to renderize. To demonstrate this functionality, an example web application was build, using technologies such as X3DOM and HTML5, which uses WebGL to get renderized. This web application gives to the user an environment of a virtual city, where he could surf by and interact with the objects. The Android application brings this immersion to the mobile world, also. The access and storage of data was developed a Webserver, which bring to the web application a simple API to give access to the database

Utilização da instrumentação virtual em Labview para criação da interface gráfica do amplificador lock-in utilizado em estudos fisiológicos a partir da comunicação via porta serial

This work presents the development of a graphical interface to the Lock-in Amplifier, which is used in physiological studies on the motility of the gastrointestinal tract in rats and signal processing. With a simple and low cost instrumentation, the resources offered by the virtual interface of LabVIEW software allows the creation of commands similar to the actual instrument that, through communication via standard serial port, transmits data between a PC and peripheral device performing specific and particular needs in the amplifier. Created for the lock-in amplifier model SR830 Stanford Research Systems, the remote manipulation gives the user greater accessibility in the process of configuration and calibration. And, since the software is installed, there is the advantage of eliminating the need of purchase new devices to upgrade the system. The commands created were made to perform six basic modifications that are used in routine of the Biomagnetism Laboratory. The instrumentation developed has the following controls: Amplitude, Frequency, Time Constant, slope low pass filter, sensitivity and offset

Interface para classificação de dados por máquinas de vetores de suporte

In this project the Pattern Recognition Problem is approached with the Support Vector Machines (SVM) technique, a binary method of classification that provides the best solution separating the data in the better way with a hiperplan and an extension of the input space dimension, as a Machine Learning solution. The system aims to classify two classes of pixels chosen by the user in the interface in the interest selection phase and in the background selection phase, generating all the data to be used in the LibSVM library, a library that implements the SVM, illustrating the library operation in a casual way. The data provided by the interface is organized in three types, RGB (Red, Green and Blue color system), texture (calculated) or RGB + texture. At last the project showed successful results, where the classification of the image pixels was showed as been from one of the two classes, from the interest selection area or from the background selection area. The simplest user view of results classification is the RGB type of data arrange, because it’s the most concrete way of data acquisition

Características da interface dos sites de notícias: um estudo do design e da usabilidade de jornais impressos e eletrônicos

The paper presents an ergonomic analysis of reading usability of electronic journals and the comparison with newspapers. As a method, it was adopted an evaluation of the user perception, from a printed questionnaire applied to a group of 41 people. Overall, the results indicate that on the analyzed newspapers there is need for greater care concerning the aspects of visual representation, involving more design application, usability, ergonomics, technology and communication.

Using Source-Code Analysis to Help End-user Programmers Create Dependable Software

Not long ago, most software was written by professional programmers, who could be presumed to have an interest in software engineering methodologies and in tools and techniques for improving software dependability. Today, however, a great deal of software is written not by professionals but by end-users, who create applications such as multimedia simulations, dynamic web pages, and spreadsheets. Applications such as these are often used to guide important decisions or aid in important tasks, and it is important that they be sufficiently dependable, but evidence shows that they frequently are not. For example, studies have shown that a large percentage of the spreadsheets created by end-users contain faults. Despite such evidence, until recently, relatively little research had been done to help end-users create more dependable software. We have been working to address this problem by finding ways to provide at least some of the benefits of formal software engineering techniques to end-user programmers. In this talk, focusing on the spreadsheet application paradigm, I present several of our approaches, focusing on methodologies that utilize source-code-analysis techniques to help end-users build more dependable spreadsheets. Behind the scenes, our methodologies use static analyses such as dataflow analysis and slicing, together with dynamic analyses such as execution monitoring, to support user tasks such as validation and fault localization. I show how, to accommodate the user base of spreadsheet languages, an interface to these methodologies can be provided in a manner that does not require an understanding of the theory behind the analyses, yet supports the interactive, incremental process by which spreadsheets are created. Finally, I present empirical results gathered in the use of our methodologies that highlight several costs and benefits trade-offs, and many opportunities for future work.

Towards a hybrid approach for adapting web graphical user interfaces to heterogeneous devices using context

Ubiquitous Computing promises seamless access to a wide range of applications and Internet based services from anywhere, at anytime, and using any device. In this scenario, new challenges for the practice of software development arise: Applications and services must keep a coherent behavior, a proper appearance, and must adapt to a plenty of contextual usage requirements and hardware aspects. Especially, due to its interactive nature, the interface content of Web applications must adapt to a large diversity of devices and contexts. In order to overcome such obstacles, this work introduces an innovative methodology for content adaptation of Web 2.0 interfaces. The basis of our work is to combine static adaption - the implementation of static Web interfaces; and dynamic adaptation - the alteration, during execution time, of static interfaces so as for adapting to different contexts of use. In hybrid fashion, our methodology benefits from the advantages of both adaptation strategies - static and dynamic. In this line, we designed and implemented UbiCon, a framework over which we tested our concepts through a case study and through a development experiment. Our results show that the hybrid methodology over UbiCon leads to broader and more accessible interfaces, and to faster and less costly software development. We believe that the UbiCon hybrid methodology can foster more efficient and accurate interface engineering in the industry and in the academy.

Wildfire prevention and management in a 3D virtual environment

[EN] This paper describes a wildfire forecasting application based on a 3D virtual environment and a fire simulation engine. A new open source framework is presented for the development of 3D graphics applications over large geographic areas offering high performance 3D visualization and powerful interaction tools for the Geographic Information Systems community. The application includes a remote module that allows simultaneous connection of several users for monitoring a real wildfire event. The user is enabled to simulate and visualize a wildfire spreading on the terrain under conditions of spatial information on topography and fuels along with weather and wind files.

JavaFMI una librería Java para el estándar Functional Mockup Interface

[ES] El estándar Functional Mockup Interface (FMI), es un estándar abierto e independiente de cualquier aplicación o herramienta que permite compartir modelos de sistemas dinámicos entre aplicaciones. Provee una interfaz escrita en lenguaje C que ha de ser implementada por las distintas herramientas exportadoras y pone en común un conjunto de funciones para manipular los modelos.
JavaFMI es una herramienta que permite utilizar simulaciones que cumplen con el estándar FMI en aplicaciones Java de una manera muy simple, limpia y eficiente. Es un proyecto open source con licencia LGPL V2.1H y su código fuente se encuentra disponible para ser clonado en la pagina del proyecto. El proyecto se encuentra alojado en www.bitbucket.org/siani/javafmi y cuenta con una página de bienvenida donde se explica como se usa la librería, una página para reportar incidencias o solicitar que se implementen nuevas historias y una página donde se listan todas las versiones que hay disponibles para descargar. JavaFMI se distribuye como un fichero zip que contiene el .jar con el código compilado de la librería una carpeta lib con las dos dependencias que tiene con librerías externas y una copia de la licencia. Comparada con JFMI, con menos lineas de código, una API limpia, expresiva y auto documentada, y un rendimiento que es un 66 % mejor, JavaFMI es objetivamente la mejor herramienta Java que existe para manipular FMUs de la versión 1.0 y 2.0 del estándar FMI.

User interaction widgets for interactive theorem proving

Matita (that means pencil in Italian) is a new interactive theorem prover under development at the University of Bologna. When compared with state-of-the-art proof assistants, Matita presents both traditional and innovative aspects. The underlying calculus of the system, namely the Calculus of (Co)Inductive Constructions (CIC for short), is well-known and is used as the basis of another mainstream proof assistant—Coq—with which Matita is to some extent compatible. In the same spirit of several other systems, proof authoring is conducted by the user as a goal directed proof search, using a script for storing textual commands for the system. In the tradition of LCF, the proof language of Matita is procedural and relies on tactic and tacticals to proceed toward proof completion. The interaction paradigm offered to the user is based on the script management technique at the basis of the popularity of the Proof General generic interface for interactive theorem provers: while editing a script the user can move forth the execution point to deliver commands to the system, or back to retract (or “undo”) past commands. Matita has been developed from scratch in the past 8 years by several members of the Helm research group, this thesis author is one of such members. Matita is now a full-fledged proof assistant with a library of about 1.000 concepts. Several innovative solutions spun-off from this development effort. This thesis is about the design and implementation of some of those solutions, in particular those relevant for the topic of user interaction with theorem provers, and of which this thesis author was a major contributor. Joint work with other members of the research group is pointed out where needed. The main topics discussed in this thesis are briefly summarized below. Disambiguation. Most activities connected with interactive proving require the user to input mathematical formulae. Being mathematical notation ambiguous, parsing formulae typeset as mathematicians like to write down on paper is a challenging task; a challenge neglected by several theorem provers which usually prefer to fix an unambiguous input syntax. Exploiting features of the underlying calculus, Matita offers an efficient disambiguation engine which permit to type formulae in the familiar mathematical notation. Step-by-step tacticals. Tacticals are higher-order constructs used in proof scripts to combine tactics together. With tacticals scripts can be made shorter, readable, and more resilient to changes. Unfortunately they are de facto incompatible with state-of-the-art user interfaces based on script management. Such interfaces indeed do not permit to position the execution point inside complex tacticals, thus introducing a trade-off between the usefulness of structuring scripts and a tedious big step execution behavior during script replaying. In Matita we break this trade-off with tinycals: an alternative to a subset of LCF tacticals which can be evaluated in a more fine-grained manner. Extensible yet meaningful notation. Proof assistant users often face the need of creating new mathematical notation in order to ease the use of new concepts. The framework used in Matita for dealing with extensible notation both accounts for high quality bidimensional rendering of formulae (with the expressivity of MathMLPresentation) and provides meaningful notation, where presentational fragments are kept synchronized with semantic representation of terms. Using our approach interoperability with other systems can be achieved at the content level, and direct manipulation of formulae acting on their rendered forms is possible too. Publish/subscribe hints. Automation plays an important role in interactive proving as users like to delegate tedious proving sub-tasks to decision procedures or external reasoners. Exploiting the Web-friendliness of Matita we experimented with a broker and a network of web services (called tutors) which can try independently to complete open sub-goals of a proof, currently being authored in Matita. The user receives hints from the tutors on how to complete sub-goals and can interactively or automatically apply them to the current proof. Another innovative aspect of Matita, only marginally touched by this thesis, is the embedded content-based search engine Whelp which is exploited to various ends, from automatic theorem proving to avoiding duplicate work for the user. We also discuss the (potential) reusability in other systems of the widgets presented in this thesis and how we envisage the evolution of user interfaces for interactive theorem provers in the Web 2.0 era.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Methodological improvement of 3D fluoroscopic analysis for the robust quantification of 3D kinematics of human joints

3D video-fluoroscopy is an accurate but cumbersome technique to estimate natural or prosthetic human joint kinematics. This dissertation proposes innovative methodologies to improve the 3D fluoroscopic analysis reliability and usability. Being based on direct radiographic imaging of the joint, and avoiding soft tissue artefact that limits the accuracy of skin marker based techniques, the fluoroscopic analysis has a potential accuracy of the order of mm/deg or better. It can provide fundamental informations for clinical and methodological applications, but, notwithstanding the number of methodological protocols proposed in the literature, time consuming user interaction is exploited to obtain consistent results. The user-dependency prevented a reliable quantification of the actual accuracy and precision of the methods, and, consequently, slowed down the translation to the clinical practice. The objective of the present work was to speed up this process introducing methodological improvements in the analysis. In the thesis, the fluoroscopic analysis was characterized in depth, in order to evaluate its pros and cons, and to provide reliable solutions to overcome its limitations. To this aim, an analytical approach was followed. The major sources of error were isolated with in-silico preliminary studies as: (a) geometric distortion and calibration errors, (b) 2D images and 3D models resolutions, (c) incorrect contour extraction, (d) bone model symmetries, (e) optimization algorithm limitations, (f) user errors. The effect of each criticality was quantified, and verified with an in-vivo preliminary study on the elbow joint. The dominant source of error was identified in the limited extent of the convergence domain for the local optimization algorithms, which forced the user to manually specify the starting pose for the estimating process. To solve this problem, two different approaches were followed: to increase the optimal pose convergence basin, the local approach used sequential alignments of the 6 degrees of freedom in order of sensitivity, or a geometrical feature-based estimation of the initial conditions for the optimization; the global approach used an unsupervised memetic algorithm to optimally explore the search domain. The performances of the technique were evaluated with a series of in-silico studies and validated in-vitro with a phantom based comparison with a radiostereometric gold-standard. The accuracy of the method is joint-dependent, and for the intact knee joint, the new unsupervised algorithm guaranteed a maximum error lower than 0.5 mm for in-plane translations, 10 mm for out-of-plane translation, and of 3 deg for rotations in a mono-planar setup; and lower than 0.5 mm for translations and 1 deg for rotations in a bi-planar setups. The bi-planar setup is best suited when accurate results are needed, such as for methodological research studies. The mono-planar analysis may be enough for clinical application when the analysis time and cost may be an issue. A further reduction of the user interaction was obtained for prosthetic joints kinematics. A mixed region-growing and level-set segmentation method was proposed and halved the analysis time, delegating the computational burden to the machine. In-silico and in-vivo studies demonstrated that the reliability of the new semiautomatic method was comparable to a user defined manual gold-standard. The improved fluoroscopic analysis was finally applied to a first in-vivo methodological study on the foot kinematics. Preliminary evaluations showed that the presented methodology represents a feasible gold-standard for the validation of skin marker based foot kinematics protocols.

La Ricostruzione 3D di Bologna nel XVI Secolo

Il lavoro presentato ha come oggetto la ricostruzione tridimensionale della città di Bologna nella sua fase rinascimentale. Tale lavoro vuole fornire un modello 3D delle architetture e degli spazi urbani utilizzabile sia per scopi di ricerca nell’ambito della storia delle città sia per un uso didattico-divulgativo nel settore del turismo culturale. La base del lavoro è una fonte iconografica di grande importanza: l’affresco raffigurante Bologna risalente al 1575 e situato in Vaticano; questa è una veduta a volo d’uccello di grandi dimensioni dell’intero tessuto urbano bolognese all’interno della terza cerchia di mura. In esso sono rappresentate in maniera particolareggiata le architetture civili e ecclesiastiche, gli spazi ortivi e cortilivi interni agli isolati e alcune importanti strutture urbane presenti in città alla fine del Cinquecento, come l’area portuale e i canali interni alla città, oggi non più visibili. La ricostruzione tridimensionale è stata realizzata tramite Blender, software per la modellazione 3D opensource, attraverso le fasi di modellazione, texturing e creazione materiali (mediante campionamento delle principali cromie presenti nell’affresco), illuminazione e animazione. Una parte della modellazione è stata poi testata all’interno di un GIS per verificare l’utilizzo delle geometrie 3D come elementi collegabili ad altre fonti storiche relative allo sviluppo urbano e quindi sfruttabili per la ricerca storica. Grande attenzione infine è stata data all’uso dei modelli virtuali a scopo didattico-divulgativo e per il turismo culturale. La modellazione è stata utilizzata all’interno di un motore grafico 3D per costruire un ambiente virtuale interattivo nel quale un utente anche non esperto possa muoversi per esplorare gli spazi urbani della Bologna del Cinquecento. In ultimo è stato impostato lo sviluppo di un’applicazione per sistemi mobile (Iphone e Ipad) al fine di fornire uno strumento per la conoscenza della città storica in mobilità, attraverso la comparazione dello stato attuale con quello ricostruito virtualmente.

3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

Mental states monitoring through passive Brain-Computer Interface systems

The monitoring of cognitive functions aims at gaining information about the current cognitive state of the user by decoding brain signals. In recent years, this approach allowed to acquire valuable information about the cognitive aspects regarding the interaction of humans with external world. From this consideration, researchers started to consider passive application of brain–computer interface (BCI) in order to provide a novel input modality for technical systems solely based on brain activity. The objective of this thesis is to demonstrate how the passive Brain Computer Interfaces (BCIs) applications can be used to assess the mental states of the users, in order to improve the human machine interaction. Two main studies has been proposed. The first one allows to investigate whatever the Event Related Potentials (ERPs) morphological variations can be used to predict the users’ mental states (e.g. attentional resources, mental workload) during different reactive BCI tasks (e.g. P300-based BCIs), and if these information can predict the subjects’ performance in performing the tasks. In the second study, a passive BCI system able to online estimate the mental workload of the user by relying on the combination of the EEG and the ECG biosignals has been proposed. The latter study has been performed by simulating an operative scenario, in which the occurrence of errors or lack of performance could have significant consequences. The results showed that the proposed system is able to estimate online the mental workload of the subjects discriminating three different difficulty level of the tasks ensuring a high reliability.

Finite element modeling of the cement-bone interface beneath the tibial tray of a total knee arthroplasty: Study of the stress shielding effect (modellazione agli elementi finiti dell'interfaccia cemento-osso sotto il piatto tibiale di protesi totale di ginocchio: Analisi dello stress shielding)

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.