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

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

Variability analysis of discrete event series and wavefront patterns in surface electrocardiogram: contributions to psychophysiological and clinical research

The surface electrocardiogram (ECG) is an established diagnostic tool for the detection of abnormalities in the electrical activity of the heart. The interest of the ECG, however, extends beyond the diagnostic purpose. In recent years, studies in cognitive psychophysiology have related heart rate variability (HRV) to memory performance and mental workload. The aim of this thesis was to analyze the variability of surface ECG derived rhythms, at two different time scales: the discrete-event time scale, typical of beat-related features (Objective I), and the “continuous” time scale of separated sources in the ECG (Objective II), in selected scenarios relevant to psychophysiological and clinical research, respectively. Objective I) Joint time-frequency and non-linear analysis of HRV was carried out, with the goal of assessing psychophysiological workload (PPW) in response to working memory engaging tasks. Results from fourteen healthy young subjects suggest the potential use of the proposed indices in discriminating PPW levels in response to varying memory-search task difficulty. Objective II) A novel source-cancellation method based on morphology clustering was proposed for the estimation of the atrial wavefront in atrial fibrillation (AF) from body surface potential maps. Strong direct correlation between spectral concentration (SC) of atrial wavefront and temporal variability of the spectral distribution was shown in persistent AF patients, suggesting that with higher SC, shorter observation time is required to collect spectral distribution, from which the fibrillatory rate is estimated. This could be time and cost effective in clinical decision-making. The results held for reduced leads sets, suggesting that a simplified setup could also be considered, further reducing the costs. In designing the methods of this thesis, an online signal processing approach was kept, with the goal of contributing to real-world applicability. An algorithm for automatic assessment of ambulatory ECG quality, and an automatic ECG delineation algorithm were designed and validated.

Metaheuristics for Search Problems in Genomics - New Algorithms and Applications

In this thesis we made the first steps towards the systematic application of a methodology for automatically building formal models of complex biological systems. Such a methodology could be useful also to design artificial systems possessing desirable properties such as robustness and evolvability. The approach we follow in this thesis is to manipulate formal models by means of adaptive search methods called metaheuristics. In the first part of the thesis we develop state-of-the-art hybrid metaheuristic algorithms to tackle two important problems in genomics, namely, the Haplotype Inference by parsimony and the Founder Sequence Reconstruction Problem. We compare our algorithms with other effective techniques in the literature, we show strength and limitations of our approaches to various problem formulations and, finally, we propose further enhancements that could possibly improve the performance of our algorithms and widen their applicability. In the second part, we concentrate on Boolean network (BN) models of gene regulatory networks (GRNs). We detail our automatic design methodology and apply it to four use cases which correspond to different design criteria and address some limitations of GRN modeling by BNs. Finally, we tackle the Density Classification Problem with the aim of showing the learning capabilities of BNs. Experimental evaluation of this methodology shows its efficacy in producing network that meet our design criteria. Our results, coherently to what has been found in other works, also suggest that networks manipulated by a search process exhibit a mixture of characteristics typical of different dynamical regimes.

Sviluppo di Applicazioni Mobile su piattaforma Android: analisi del modello di programmazione e sperimentazioni

L'obiettivo di questo lavoro è effettuare un'analisi del modello di programmazione proposto da Android. L'attenzione verrà posta, in particolare, su quali meccanismi vengano forniti per la gestione di eventi asincroni generati dal sistema, allo scopo di notificare cambiamenti del contesto in cui si sta operando: dal modo in cui vengono intercettati, a come risulta possibile modificare il comportamento dell'applicazione, in reazione alle nuove informazioni acquisite. Si valuteranno gli elementi di novità introdotti nelle API di Android, in relazione ai classici mezzi disponibili nella programmazione standard in Java, atti a risolvere una nuova categoria di problematiche dovute alla natura context-aware delle applicazioni. Sarà effettuata anche un'analisi più generale della qualità del modello proposto, in termini di estensibilità e modularità del codice; per fare ciò, si prenderà in esame l'applicazione SMS Backup+ come caso di studio e si proporranno delle possibili estensioni per verificarne la fattibilità.

Analisi di dati citofluorimetrici con tecniche di Data Mining

Il citofluorimetro è uno strumento impiegato in biologia genetica per analizzare dei campioni cellulari: esso, analizza individualmente le cellule contenute in un campione ed estrae, per ciascuna cellula, una serie di proprietà fisiche, feature, che la descrivono. L’obiettivo di questo lavoro è mettere a punto una metodologia integrata che utilizzi tali informazioni modellando, automatizzando ed estendendo alcune procedure che vengono eseguite oggi manualmente dagli esperti del dominio nell’analisi di alcuni parametri dell’eiaculato. Questo richiede lo sviluppo di tecniche biochimiche per la marcatura delle cellule e tecniche informatiche per analizzare il dato. Il primo passo prevede la realizzazione di un classificatore che, sulla base delle feature delle cellule, classifichi e quindi consenta di isolare le cellule di interesse per un particolare esame. Il secondo prevede l'analisi delle cellule di interesse, estraendo delle feature aggregate che possono essere indicatrici di certe patologie. Il requisito è la generazione di un report esplicativo che illustri, nella maniera più opportuna, le conclusioni raggiunte e che possa fungere da sistema di supporto alle decisioni del medico/biologo.

Cloud Computing: analisi dei modelli architetturali e delle tecnologie per lo sviluppo di applicazioni

Uno dei temi più discussi ed interessanti nel mondo dell’informatica al giorno d’oggi è sicuramente il Cloud Computing. Nuove organizzazioni che offrono servizi di questo tipo stanno nascendo ovunque e molte aziende oggi desiderano imparare ad utilizzarli, migrando i loro centri di dati e le loro applicazioni nel Cloud. Ciò sta avvenendo anche grazie alla spinta sempre più forte che stanno imprimendo le grandi compagnie nella comunità informatica: Google, Amazon, Microsoft, Apple e tante altre ancora parlano sempre più frequentemente di Cloud Computing e si stanno a loro volta ristrutturando profondamente per poter offrire servizi Cloud adeguandosi così a questo grande cambiamento che sta avvenendo nel settore dell’informatica. Tuttavia il grande movimento di energie, capitali, investimenti ed interesse che l’avvento del Cloud Computing sta causando non aiuta a comprendere in realtà che cosa esso sia, al punto tale che oggi non ne esiste ancora una definizione univoca e condivisa. La grande pressione inoltre che esso subisce da parte del mondo del mercato fa sì che molte delle sue più peculiari caratteristiche, dal punto di vista dell’ingegneria del software, vengano nascoste e soverchiate da altre sue proprietà, architetturalmente meno importanti, ma con un più grande impatto sul pubblico di potenziali clienti. L’obbiettivo che ci poniamo con questa tesi è quindi quello di esplorare il nascente mondo del Cloud Computing, cercando di comprenderne a fondo le principali caratteristiche architetturali e focalizzando l’attenzione in particolare sullo sviluppo di applicazioni in ambiente Cloud, processo che sotto alcuni aspetti si differenzia molto dallo sviluppo orientato ad ambienti più classici. La tesi è così strutturata: nel primo capitolo verrà fornita una panoramica sul Cloud Computing nella quale saranno date anche le prime definizioni e verranno esposti tutti i temi fondamentali sviluppati nei capitoli successivi. Il secondo capitolo costituisce un approfondimento su un argomento specifico, quello dei Cloud Operating System, componenti fondamentali che permettono di trasformare una qualunque infrastruttura informatica in un’infrastruttura Cloud. Essi verranno presentati anche per mezzo di molte analogie con i classici sistemi operativi desktop. Con il terzo capitolo ci si addentra più a fondo nel cuore del Cloud Computing, studiandone il livello chiamato Infrastructure as a Service tramite un esempio concreto di Cloud provider: Amazon, che fornisce i suoi servizi nel progetto Amazon Web Services. A questo punto, più volte nel corso della trattazione di vari temi saremo stati costretti ad affrontare le problematiche relative alla gestione di enormi moli di dati, che spesso sono il punto centrale di molte applicazioni Cloud. Ci è parso quindi importante approfondire questo argomento in un capitolo appositamente dedicato, il quarto, supportando anche in questo caso la trattazione teorica con un esempio concreto: BigTable, il sistema di Google per la gestione della memorizzazione di grandi quantità di dati. Dopo questo intermezzo, la trattazione procede risalendo lungo i livelli dell’architettura Cloud, ricalcando anche quella che è stata l’evoluzione temporale del Cloud Computing: nel quinto capitolo, dal livello Infrastructure as a Service si passa quindi a quello Platform as a Service, tramite lo studio dei servizi offerti da Google Cloud Platform. Il sesto capitolo costituisce invece il punto centrale della tesi, quello che ne soddisfa l’obbiettivo principale: esso contiene infatti uno studio approfondito sullo sviluppo di applicazioni orientate all’ambiente Cloud. Infine, il settimo capitolo si pone come un ponte verso possibili sviluppi futuri, analizzando quali sono i limiti principali delle tecnologie, dei modelli e dei linguaggi che oggi supportano il Cloud Computing. In esso viene proposto come possibile soluzione il modello ad attori; inoltre viene anche presentato il framework Orleans, che Microsoft sta sviluppando negli ultimi anni con lo scopo appunto di supportare lo sviluppo di applicazioni in ambiente Cloud.

Sviluppo di Applicazioni Mobile Platform-independent: il Linguaggio e Piattaforma Mobl

L’obbiettivo di questa tesi consiste in un analisi dello sviluppo di applicazioni mobile, rivolgendo particolare attenzione riguardo a quelle soluzioni che consentono di astrarre dall’ambiente su cui effettivamente queste verranno eseguite, per poi prendere in esame la piattaforma e il linguaggio Mobl. Sarà quindi necessario effettuare una panoramica sullo stato attuale del mercato, introducendo i diversi sistemi presenti e le metodologie proposte per la costruzione del software. Da questo studio sarà possibile ricavare i pregi e i difetti di una programmazione nativa. Volendo, in seguito, ricercare un processo di produzione software che favorisca un’indipendenza dai sistemi precedentemente descritti, verranno illustrati alcuni tra i più importanti Mobile Frameworks e tra questi si prenderà in esame Mobl, che si contraddistingue grazie a caratteristiche peculiari.

Engineering Concurrent and Event-driven Web Apps: An Agent-Oriented Approach based on the simpAL Language

Web is constantly evolving, thanks to the 2.0 transition, HTML5 new features and the coming of cloud-computing, the gap between Web and traditional desktop applications is tailing off. Web-apps are more and more widespread and bring several benefits compared to traditional ones. On the other hand reference technologies, JavaScript primarly, are not keeping pace, so a paradim shift is taking place in Web programming, and so many new languages and technologies are coming out. First objective of this thesis is to survey the reference and state-of-art technologies for client-side Web programming focusing in particular on what concerns concurrency and asynchronous programming. Taking into account the problems that affect existing technologies, we finally design simpAL-web, an innovative approach to tackle Web-apps development, based on the Agent-oriented programming abstraction and the simpAL language. == Versione in italiano: Il Web è in continua evoluzione, grazie alla transizione verso il 2.0, alle nuove funzionalità introdotte con HTML5 ed all’avvento del cloud-computing, il divario tra le applicazioni Web e quelle desktop tradizionali va assottigliandosi. Le Web-apps sono sempre più diffuse e presentano diversi vantaggi rispetto a quelle tradizionali. D’altra parte le tecnologie di riferimento, JavaScript in primis, non stanno tenendo il passo, motivo per cui la programmazione Web sta andando incontro ad un cambio di paradigma e nuovi linguaggi e tecnologie stanno spuntando sempre più numerosi. Primo obiettivo di questa tesi è di passare al vaglio le tecnologie di riferimento ed allo stato dell’arte per quel che riguarda la programmmazione Web client-side, porgendo particolare attenzione agli aspetti inerenti la concorrenza e la programmazione asincrona. Considerando i principali problemi di cui soffrono le attuali tecnologie passeremo infine alla progettazione di simpAL-web, un approccio innovativo con cui affrontare lo sviluppo di Web-apps basato sulla programmazione orientata agli Agenti e sul linguaggio simpAL.

Il Problema della Sicurezza nel Cloud Computing

Il termine cloud ha origine dal mondo delle telecomunicazioni quando i provider iniziarono ad utilizzare servizi basati su reti virtuali private (VPN) per la comunicazione dei dati. Il cloud computing ha a che fare con la computazione, il software, l’accesso ai dati e servizi di memorizzazione in modo tale che l’utente finale non abbia idea della posizione fisica dei dati e la configurazione del sistema in cui risiedono. Il cloud computing è un recente trend nel mondo IT che muove la computazione e i dati lontano dai desktop e dai pc portatili portandoli in larghi data centers. La definizione di cloud computing data dal NIST dice che il cloud computing è un modello che permette accesso di rete on-demand a un pool condiviso di risorse computazionali che può essere rapidamente utilizzato e rilasciato con sforzo di gestione ed interazione con il provider del servizio minimi. Con la proliferazione a larga scala di Internet nel mondo le applicazioni ora possono essere distribuite come servizi tramite Internet; come risultato, i costi complessivi di questi servizi vengono abbattuti. L’obbiettivo principale del cloud computing è utilizzare meglio risorse distribuite, combinarle assieme per raggiungere un throughput più elevato e risolvere problemi di computazione su larga scala. Le aziende che si appoggiano ai servizi cloud risparmiano su costi di infrastruttura e mantenimento di risorse computazionali poichè trasferiscono questo aspetto al provider; in questo modo le aziende si possono occupare esclusivamente del business di loro interesse. Mano a mano che il cloud computing diventa più popolare, vengono esposte preoccupazioni riguardo i problemi di sicurezza introdotti con l’utilizzo di questo nuovo modello. Le caratteristiche di questo nuovo modello di deployment differiscono ampiamente da quelle delle architetture tradizionali, e i meccanismi di sicurezza tradizionali risultano inefficienti o inutili. Il cloud computing offre molti benefici ma è anche più vulnerabile a minacce. Ci sono molte sfide e rischi nel cloud computing che aumentano la minaccia della compromissione dei dati. Queste preoccupazioni rendono le aziende restie dall’adoperare soluzioni di cloud computing, rallentandone la diffusione. Negli anni recenti molti sforzi sono andati nella ricerca sulla sicurezza degli ambienti cloud, sulla classificazione delle minacce e sull’analisi di rischio; purtroppo i problemi del cloud sono di vario livello e non esiste una soluzione univoca. Dopo aver presentato una breve introduzione sul cloud computing in generale, l’obiettivo di questo elaborato è quello di fornire una panoramica sulle vulnerabilità principali del modello cloud in base alle sue caratteristiche, per poi effettuare una analisi di rischio dal punto di vista del cliente riguardo l’utilizzo del cloud. In questo modo valutando i rischi e le opportunità un cliente deve decidere se adottare una soluzione di tipo cloud. Alla fine verrà presentato un framework che mira a risolvere un particolare problema, quello del traffico malevolo sulla rete cloud. L’elaborato è strutturato nel modo seguente: nel primo capitolo verrà data una panoramica del cloud computing, evidenziandone caratteristiche, architettura, modelli di servizio, modelli di deployment ed eventuali problemi riguardo il cloud. Nel secondo capitolo verrà data una introduzione alla sicurezza in ambito informatico per poi passare nello specifico alla sicurezza nel modello di cloud computing. Verranno considerate le vulnerabilità derivanti dalle tecnologie e dalle caratteristiche che enucleano il cloud, per poi passare ad una analisi dei rischi. I rischi sono di diversa natura, da quelli prettamente tecnologici a quelli derivanti da questioni legali o amministrative, fino a quelli non specifici al cloud ma che lo riguardano comunque. Per ogni rischio verranno elencati i beni afflitti in caso di attacco e verrà espresso un livello di rischio che va dal basso fino al molto alto. Ogni rischio dovrà essere messo in conto con le opportunità che l’aspetto da cui quel rischio nasce offre. Nell’ultimo capitolo verrà illustrato un framework per la protezione della rete interna del cloud, installando un Intrusion Detection System con pattern recognition e anomaly detection.

Il Modello ad Attori per lo Sviluppo di Applicazioni Web orientate al Cloud: il Framework Play come Caso di Studio

Negli ultimi anni le Web application stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ognuno di noi. Se fino a qualche anno fa eravamo abituati ad utilizzare quasi solamente delle applicazioni “native”, che venivano eseguite completamente all’interno del nostro Personal Computer, oggi invece molti utenti utilizzano i loro vari dispositivi quasi esclusivamente per accedere a delle Web application. Grazie alle applicazioni Web si sono potuti creare i cosiddetti social network come Facebook, che sta avendo un enorme successo in tutto il mondo ed ha rivoluzionato il modo di comunicare di molte persone. Inoltre molte applicazioni più tradizionali come le suite per ufficio, sono state trasformate in applicazioni Web come Google Docs, che aggiungono per esempio la possibilità di far lavorare più persone contemporanemente sullo stesso documento. Le Web applications stanno assumendo quindi un ruolo sempre più importante, e di conseguenza sta diventando fondamentale poter creare delle applicazioni Web in grado di poter competere con le applicazioni native, che siano quindi in grado di svolgere tutti i compiti che sono stati sempre tradizionalmente svolti dai computer. In questa Tesi ci proporremo quindi di analizzare le varie possibilità con le quali poter migliorare le applicazioni Web, sia dal punto di vista delle funzioni che esse possono svolgere, sia dal punto di vista della scalabilità. Dato che le applicazioni Web moderne hanno sempre di più la necessità di poter svolgere calcoli in modo concorrente e distribuito, analizzeremo un modello computazionale che si presta particolarmente per progettare questo tipo di software: il modello ad Attori. Vedremo poi, come caso di studio di framework per la realizzazione di applicazioni Web avanzate, il Play framework: esso si basa sulla piattaforma Akka di programmazione ad Attori, e permette di realizzare in modo semplice applicazioni Web estremamente potenti e scalabili. Dato che le Web application moderne devono avere già dalla nascita certi requisiti di scalabilità e fault tolerance, affronteremo il problema di come realizzare applicazioni Web predisposte per essere eseguite su piattaforme di Cloud Computing. In particolare vedremo come pubblicare una applicazione Web basata sul Play framework sulla piattaforma Heroku, un servizio di Cloud Computing PaaS.