Developing discontinuous Galerkin methods for the resolution of the incompressible Navier-Stokes equations

Informe de investigación elaborado a partir de una estancia en el Laboratorio de Diseño Computacional en Aeroespacial en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos, entre noviembre de 2006 y agosto de 2007. La aerodinámica es una rama de la dinámica de fluidos referida al estudio de los movimientos de los líquidos o gases, cuya meta principal es predecir las fuerzas aerodinámicas en un avión o cualquier tipo de vehículo, incluyendo los automóviles. Las ecuaciones de Navier-Stokes representan un estado dinámico del equilibrio de las fuerzas que actúan en cualquier región dada del fluido. Son uno de los sistemas de ecuaciones más útiles porque describen la física de una gran cantidad de fenómenos como corrientes del océano, flujos alrededor de una superficie de sustentación, etc. En el contexto de una tesis doctoral, se está estudiando un flujo viscoso e incompresible, solucionando las ecuaciones de Navier- Stokes incompresibles de una manera eficiente. Durante la estancia en el MIT, se ha utilizado un método de Galerkin discontinuo para solucionar las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles usando, o bien un parámetro de penalti para asegurar la continuidad de los flujos entre elementos, o bien un método de Galerkin discontinuo compacto. Ambos métodos han dado buenos resultados y varios ejemplos numéricos se han simulado para validar el buen comportamiento de los métodos desarrollados. También se han estudiado elementos particulares, los elementos de Raviart y Thomas, que se podrían utilizar en una formulación mixta para obtener un algoritmo eficiente para solucionar problemas numéricos complejos.

Balanceo distribuido del encaminamiento para topologías fat-tree sobre redes Infiniband

Las redes de interconexión juegan un papel importante en el rendimiento de los sistemas de altas prestaciones. Actualmente la gestión del encaminamiento de los mensajes es un factor determinante para mantener las prestaciones de la red. Nuestra propuesta es trabajar sobre un algoritmo de encaminamiento adaptativo, que distribuye el encaminamiento de los mensajes para evitar los problemas de congestión en las redes de interconexión, que aparecen por el gran volumen de comunicaciones de aplicaciones científicas ó comerciales. El objetivo es ajustar el algoritmo a una topología muy utilizada en los sistemas actuales como lo es el fat‐tree, e implementarlo en una tecnología Infiniband. En la experimentación realizada comparamos el método de control de congestión de la arquitectura Infiniband, con nuestro algoritmo. Los resultados obtenidos muestran que mejoramos los niveles de latencia por encima de un 50% y de throughput entre un 38% y un 81%.

Solució paral·lelitzada d'interpolació kriging amb ajust automatitzat del variograma

El principal objectiu d'aquest treball és proporcionar una metodologia per a reduir el temps de càlcul del mètode d'interpolació kriging sense pèrdua de la qualitat del model resultat. La solució adoptada ha estat la paral·lelització de l'algorisme mitjançant MPI sobre llenguatge C. Prèviament ha estat necessari automatitzar l'ajust del variograma que millor s'adapta a la distribució espacial de la variable d'estudi. Els resultats experimentals demostren la validesa de la solució implementada, en reduir de forma significativa els temps d'execució final de tot el procés.

Efficient knowledge retrieval to calibrate input variables in forest fire prediction

Forest fires are a serious threat to humans and nature from an ecological, social and economic point of view. Predicting their behaviour by simulation still delivers unreliable results and remains a challenging task. Latest approaches try to calibrate input variables, often tainted with imprecision, using optimisation techniques like Genetic Algorithms. To converge faster towards fitter solutions, the GA is guided with knowledge obtained from historical or synthetical fires. We developed a robust and efficient knowledge storage and retrieval method. Nearest neighbour search is applied to find the fire configuration from knowledge base most similar to the current configuration. Therefore, a distance measure was elaborated and implemented in several ways. Experiments show the performance of the different implementations regarding occupied storage and retrieval time with overly satisfactory results.

Detector de contorns basat en el domini transformat

RESUM En aquest document es presenta un detector de contorns d’imatges basat en el domini transformat. A partir de la interpretació de la transformada de Fourier de la imatge i la seva formulació matricial en termes dels diferents modes, es realitza una selecció de les components passa baixes a partir de les quals es reconstrueix la component de baixa freqüència que es resta de la imatge original per tal d’obtenir el detector. Aquest detector de contorns no és esbiaixat. L’algorisme pot ser aplicat utilitzant diferents mides del bloc de processament, que pot anar de la imatge sencera a blocs de reduïdes dimensions: 36X36, 16x16 o 8x8, per fer un seguiment de les propietats locals de la imatge quan aquesta és presenta característiques espacials poc uniformes.

Simulación de fluidos inmiscibles con el Particle Finite Element Method (PFEM)

Proyecto de investigación realizado a partir de una estancia en el Centro Internacional de Métodos Computacionales en Ingeniería (CIMEC), Argentina, entre febrero y abril del 2007. La simulación numérica de problemas de mezclas mediante el Particle Finite Element Method (PFEM) es el marco de estudio de una futura tesis doctoral. Éste es un método desarrollado conjuntamente por el CIMEC y el Centre Internacional de Mètodos Numèrics en l'Enginyeria (CIMNE-UPC), basado en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes en formulación Lagrangiana. El mallador ha sido implementado y desarrollado por Dr. Nestor Calvo, investigador del CIMEC. El desarrollo del módulo de cálculo corresponde al trabajo de tesis de la beneficiaria. La correcta interacción entre ambas partes es fundamental para obtener resultados válidos. En esta memoria se explican los principales aspectos del mallador que fueron modificados (criterios de refinamiento geométrico) y los cambios introducidos en el módulo de cálculo (librería PETSc, algoritmo predictor-corrector) durante la estancia en el CIMEC. Por último, se muestran los resultados obtenidos en un problema de dos fluidos inmiscibles con transferencia de calor.

Sistema esteganogràfic per imatges JPEG2000

En este proyecto se implementan tres algoritmos esteganográficos diferentes usando JPEG2000 como portador del mensaje, se calcula el rendimiento de cada uno de ellos y se comparan usando una gráfica. El objetivo es visualizar para unos casos específicos que el algoritmo basado en el producto de dos códigos lineales perfectos tiene mejor rendimiento que el obtenido con algoritmos como el F5 y el LSB.

A Soft Edge Target Zone Model: Theory And Application To Hong Kong

Hong Kong’s currency is pegged to the US dollar in a currency board arrangement. In autumn 2003, the Hong Kong dollar appreciated from close to 7.80 per US dollar to 7.70, as investors feared that the currency board would be abandoned. In the wake of this appreciation, the monetary authorities revamped the one-sided currency board mechanism into a symmetric two-sided system with a narrow exchange rate band. This paper reviews the characteristics of the new currency board arrangement and embeds a theoretical soft edge target zone model typifying many intermediate regimes, to explain the notable achievement of speculative peace and credibility since May 2005.

Empresa Davantis: seguimiento de personas y vehículos por videovigilancia inteligente

Este proyecto, desarrollado en la empresa Davantis, tiene como objetivo encontrar posibles mejoras a su actual sistema de videovigilancia, el Daview. El proyecto está dedicado al estudio del algoritmo de seguimiento Mean Shift para la elaboración de un sistema de tracking. Para ello se han desarrollado y evaluado tres implementaciones diferentes, mediante las cuales se han encontrado mejoras que complementan al módulo de tracking del Daview. También se ha estudiado la utilidad de un sistema de evaluación manual frente a uno de automático.

Análisis de rendimiento de aplicaciones paralelas de memoria compartida: problema N-body

Este trabajo analiza el rendimiento de cuatro nodos de cómputo multiprocesador de memoria compartida para resolver el problema N-body. Se paraleliza el algoritmo serie, y se codifica usando el lenguaje C extendido con OpenMP. El resultado son dos variantes que obedecen a dos criterios de optimización diferentes: minimizar los requisitos de memoria y minimizar el volumen de cómputo. Posteriormente, se realiza un proceso de análisis de las prestaciones del programa sobre los nodos de cómputo. Se modela el rendimiento de las variantes secuenciales y paralelas de la aplicación, y de los nodos de cómputo; se instrumentan y ejecutan los programas para obtener resultados en forma de varias métricas; finalmente se muestran e interpretan los resultados, proporcionando claves que explican ineficiencias y cuellos de botella en el rendimiento y posibles líneas de mejora. La experiencia de este estudio concreto ha permitido esbozar una incipiente metodología de análisis de rendimiento, identificación de problemas y sintonización de algoritmos a nodos de cómputo multiprocesador de memoria compartida.

Alineamiento múltiple de secuencias con T-Coffee: una aproximación paralela

Las aplicaciones de alineamiento múltiple de secuencias son prototipos de aplicaciones que requieren elevada potencia de cómputo y memoria. Se destacan por la relevancia científica que tienen los resultados que brindan a investigaciones científicas en el campo de la biomedicina, genética y farmacología. Las aplicaciones de alineamiento múltiple tienen la limitante de que no son capaces de procesar miles de secuencias, por lo que se hace necesario crear un modelo para resolver la problemática. Analizando el volumen de datos que se manipulan en el área de las ciencias biológica y la complejidad de los algoritmos de alineamiento de secuencias, la única vía de solución del problema es a través de la utilización de entornos de cómputo paralelos y la computación de altas prestaciones. La investigación realizada por nosotros tiene como objetivo la creación de un modelo paralelo que le permita a los algoritmos de alineamiento múltiple aumentar el número de secuencias a procesar, tratando de mantener la calidad en los resultados para garantizar la precisión científica. El modelo que proponemos emplea como base la clusterización de las secuencias de entrada utilizando criterios biológicos que permiten mantener la calidad de los resultados. Además, el modelo se enfoca en la disminución del tiempo de cómputo y consumo de memoria. Para presentar y validar el modelo utilizamos T-Coffee, como plataforma de desarrollo e investigación. El modelo propuesto pudiera ser aplicado a cualquier otro algoritmo de alineamiento múltiple de secuencias.

Estudi GPGPU dedicat al processament de neuroimatges

La tecnologia GPGPU permet paral∙lelitzar càlculs executant operacions aritmètiques en els múltiples processadors de que disposen els xips gràfics. S'ha fet servir l'entorn de desenvolupament CUDA de la companyia NVIDIA, que actualment és la solució GPGPU més avançada del mercat. L'algorisme de neuroimatge implementat pertany a un estudi VBM desenvolupat amb l'eina SPM. Es tracta concretament del procés de segmentació d'imatges de ressonància magnètica cerebrals, en els diferents teixits dels quals es composa el cervell: matèria blanca, matèria grisa i líquid cefaloraquidi. S'han implementat models en els llenguatges Matlab, C i CUDA, i s'ha fet un estudi comparatiu per plataformes hardware diferents.

A Modulated Closed Form solution for Quantitative Susceptibility Mapping - A thorough evaluation and comparison to iterative methods based on edge prior knowledge.

The aim of this study is to perform a thorough comparison of quantitative susceptibility mapping (QSM) techniques and their dependence on the assumptions made. The compared methodologies were: two iterative single orientation methodologies minimizing the l2, l1TV norm of the prior knowledge of the edges of the object, one over-determined multiple orientation method (COSMOS) and anewly proposed modulated closed-form solution (MCF). The performance of these methods was compared using a numerical phantom and in-vivo high resolution (0.65mm isotropic) brain data acquired at 7T using a new coil combination method. For all QSM methods, the relevant regularization and prior-knowledge parameters were systematically changed in order to evaluate the optimal reconstruction in the presence and absence of a ground truth. Additionally, the QSM contrast was compared to conventional gradient recalled echo (GRE) magnitude and R2* maps obtained from the same dataset. The QSM reconstruction results of the single orientation methods show comparable performance. The MCF method has the highest correlation (corrMCF=0.95, r(2)MCF =0.97) with the state of the art method (COSMOS) with additional advantage of extreme fast computation time. The l-curve method gave the visually most satisfactory balance between reduction of streaking artifacts and over-regularization with the latter being overemphasized when the using the COSMOS susceptibility maps as ground-truth. R2* and susceptibility maps, when calculated from the same datasets, although based on distinct features of the data, have a comparable ability to distinguish deep gray matter structures.

Cutting edge: NKT cell development is selectively impaired in Fyn- deficient mice.

Most NK1.1+ T (NKT) cells express a biased TCRalphabeta repertoire that is positively selected by the monomorphic MHC class I-like molecule CD1d. The development of CD1d-dependent NKT cells is thymus dependent but, in contrast to conventional T cells, requires positive selection by cells of hemopoietic origin. Here, we show that the Src protein tyrosine kinase Fyn is required for development of CD1d-dependent NKT cells but not for the development of conventional T cells. In contrast, another Src kinase, Lck, is required for the development of both NKT and T cells. Impaired NKT cell development in Fyn-deficient mice cannot be rescued by transgenic expression of CD8, which is believed to increase the avidity of CD1d recognition by NKT cells. Taken together, our data reveal a selective and nonredundant role for Fyn in NKT cell development.

Cutting edge: apoptosis of superantigen-activated T cells occurs preferentially after a discrete number of cell divisions in vivo.

Staphylococcal enterotoxins are bacterial products that display superantigen activity in vitro as well as in vivo. For instance, staphylococcal enterotoxin B (SEB) polyclonally activates T cells that bear the Vbeta8 gene segment of the TCR. SEB-activated T cells undergo a burst of proliferation that is followed by apoptosis. Using an in vivo adaptation of a fluorescent cell division monitoring technique, we show here that SEB-activated T cells divide asynchronously, and that apoptosis of superantigen-activated T cells is preferentially restricted to cells which have undergone a discrete number of cell divisions. Collectively, our data suggest that superantigen-activated T cells are programmed to undergo a fixed number of cell divisions before undergoing apoptosis. A delayed death program may provide a mechanistic compromise between effector functions and homeostasis of activated T cells.