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

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

Improving drug discovery using a neural networks based parallel scoring function

Virtual Screening (VS) methods can considerably aid clinical research, predicting how ligands interact with drug targets. Most VS methods suppose a unique binding site for the target, but it has been demonstrated that diverse ligands interact with unrelated parts of the target and many VS methods do not take into account this relevant fact. This problem is circumvented by a novel VS methodology named BINDSURF that scans the whole protein surface to find new hotspots, where ligands might potentially interact with, and which is implemented in massively parallel Graphics Processing Units, allowing fast processing of large ligand databases. BINDSURF can thus be used in drug discovery, drug design, drug repurposing and therefore helps considerably in clinical research. However, the accuracy of most VS methods is constrained by limitations in the scoring function that describes biomolecular interactions, and even nowadays these uncertainties are not completely understood. In order to solve this problem, we propose a novel approach where neural networks are trained with databases of known active (drugs) and inactive compounds, and later used to improve VS predictions.

Contributions to 3D Data Registration and Representation

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

CXTANNEAL: an improved program for estimating solute transport parameters

CXTANNEAL is a program for analysing contaminant transport in soils. The code, written in Fortran 77, is a modified version of CXTFIT, a commonly used package for estimating solute transport parameters in soils. The improvement of the present code is that it includes simulated annealing as the optimization technique for curve fitting. Tests with hypothetical data show that CXTANNEAL performs better than the original code in searching for optimal parameter estimates. To reduce the computational time, a parallel version of CXTANNEAL (CXTANNEAL_P) was also developed. (C) 1999 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

A pattern language for parallelizing irregular algorithms

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

Algorithms for information extraction and signal annotation on long-term biosignals using clustering techniques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Utilização de computação de elevado desempenho para a simulação de problemas de hidrodinâmica costeira

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Numerische Simulation von Strömung und Massentransport in (elektro-)chromatographischen Systemen

Electrochromatography, numerical simulation, electrokinetics, electroosmosis, parallel computing

Creating and using a non-dedicated HPC cluster with ParallelKnoppix

This note describes ParallelKnoppix, a bootable CD that allows econometricians with average knowledge of computers to create and begin using a high performance computing cluster for parallel computing in very little time. The computers used may be heterogeneous machines, and clusters of up to 200 nodes are supported. When the cluster is shut down, all machines are in their original state, so their temporary use in the cluster does not interfere with their normal uses. An example shows how a Monte Carlo study of a bootstrap test procedure may be done in parallel. Using a cluster of 20 nodes, the example runs approximately 20 times faster than it does on a single computer.

PelicanHPC tutorial

PelicanHPC is a rapid (around 5 minutes, when you know what you're doing) means of setting up a high performance computing (HPC) cluster for parallel computing using MPI. This tutorial gives a basic description of what PelicanHPC does,  addresses how to use the released CD images to set up a HPC cluster, and gives some basic examples of usage.

Manejo de históricos en clusters

CISNE es un sistema de cómputo en paralelo del Departamento de Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos (DACSO). Para poder implementar políticas de ordenacción de colas y selección de trabajos, este sistema necesita predecir el tiempo de ejecución de las aplicaciones. Con este trabajo se pretende proveer al sistema CISNE de un método para predecir el tiempo de ejecución basado en un histórico donde se almacenarán todos los datos sobre las ejecuciones.

Programació d'aplicacions bioinformàtiques

Avui en dia la biologia aporta grans quantitats de dades que només la informàtica pot tractar. Les aplicacions bioinformàtiques són la més important eina d’anàlisi i comparació que tenim per entendre la vida i aconseguir desxifrar aquestes dades. Aquest projecte centra el seu esforç en l’estudi de les aplicacions dedicades a l’alineament de seqüències genètiques, i més concretament a dos algoritmes, basats en programació dinàmica i òptims: el Needleman&Wunsch i el Smith&Waterman. Amb l’objectiu de millorar el rendiment d’aquests algoritmes per a alineaments de seqüències grans, proposem diferents versions d’implementació. Busquem millorar rendiments en temps i espai. Per a aconseguir millorar els resultats aprofitem el paral·lelisme. Els resultats dels anàlisis de les versions els comparem per obtenir les dades necessàries per valorar cost, guany i rendiment.

Análisis bioinformáticos sobre la tecnología Hadoop

Desde el inicio del proyecto del genoma humano y su éxito en el año 2001 se han secuenciado genomas de multitud de especies. La mejora en las tecnologías de secuenciación ha generado volúmenes de datos con un crecimiento exponencial. El proyecto Análisis bioinformáticos sobre la tecnología Hadoop abarca la computación paralela de datos biológicos como son las secuencias de ADN. El estudio ha sido encauzado por la naturaleza del problema a resolver. El alineamiento de secuencias genéticas con el paradigma MapReduce.

mpiGL : un projecte d'utilització del programari lliure en la visualització gràfica en xarxes de càlcul científic

S'analitzen les problemàtiques relacionades amb la presentació d'informació gràfica en temps real durant un càlcul paral·lel o col·laboratiu en un entorn distribuït, i es fa una proposta de toolkit obert que estén el llenguatge OpenGL per la seva resolució.