Constraint based methods for allocation and scheduling of periodic applications

This work presents exact algorithms for the Resource Allocation and Cyclic Scheduling Problems (RA&CSPs). Cyclic Scheduling Problems arise in a number of application areas, such as in hoist scheduling, mass production, compiler design (implementing scheduling loops on parallel architectures), software pipelining, and in embedded system design. The RA&CS problem concerns time and resource assignment to a set of activities, to be indefinitely repeated, subject to precedence and resource capacity constraints. In this work we present two constraint programming frameworks facing two different types of cyclic problems. In first instance, we consider the disjunctive RA&CSP, where the allocation problem considers unary resources. Instances are described through the Synchronous Data-flow (SDF) Model of Computation. The key problem of finding a maximum-throughput allocation and scheduling of Synchronous Data-Flow graphs onto a multi-core architecture is NP-hard and has been traditionally solved by means of heuristic (incomplete) algorithms. We propose an exact (complete) algorithm for the computation of a maximum-throughput mapping of applications specified as SDFG onto multi-core architectures. Results show that the approach can handle realistic instances in terms of size and complexity. Next, we tackle the Cyclic Resource-Constrained Scheduling Problem (i.e. CRCSP). We propose a Constraint Programming approach based on modular arithmetic: in particular, we introduce a modular precedence constraint and a global cumulative constraint along with their filtering algorithms. Many traditional approaches to cyclic scheduling operate by fixing the period value and then solving a linear problem in a generate-and-test fashion. Conversely, our technique is based on a non-linear model and tackles the problem as a whole: the period value is inferred from the scheduling decisions. The proposed approaches have been tested on a number of non-trivial synthetic instances and on a set of realistic industrial instances achieving good results on practical size problem.

Ricostruzione di flussi veicolari su scala regionale: analisi dei dati disponibili

Si mostra l’evoluzione di un modello fisico-matematico atto alla ricostruzione dei fussi nell’intera regione Emilia Romagna partendo da due sorgenti di dati: dati sparsi con bassa risoluzione spaziale senza errore e dati distribuiti in tutta la regione con percentuale rispetto alla totalità di autoveicoli ignota. Si descrive l’elaborazione dei dati e l’evoluzione del modello nella sua storicità fino ad ottenere un buon risultato nella ricostruzione dei fussi. Inoltre si procede ad analizzare la natura dei dati e la natura del problema per ottenere una buona soluzione in grado di descrivere il sistema e per essere facilmente estesa ad altre regioni. Dopo aver definito un metodo di validazione si confrontano svariati risultati di modelli differenti mostrando un’evoluzione nella ricerca di un modello che risolva il problema con tempi computazionali accettabili in modo da ottenere un sistema real-time.

Hardware/Software Design of Dynamic Real-Time Schedulers for Embedded Multiprocessor Systems

The new generation of multicore processors opens new perspectives for the design of embedded systems. Multiprocessing, however, poses new challenges to the scheduling of real-time applications, in which the ever-increasing computational demands are constantly flanked by the need of meeting critical time constraints. Many research works have contributed to this field introducing new advanced scheduling algorithms. However, despite many of these works have solidly demonstrated their effectiveness, the actual support for multiprocessor real-time scheduling offered by current operating systems is still very limited. This dissertation deals with implementative aspects of real-time schedulers in modern embedded multiprocessor systems. The first contribution is represented by an open-source scheduling framework, which is capable of realizing complex multiprocessor scheduling policies, such as G-EDF, on conventional operating systems exploiting only their native scheduler from user-space. A set of experimental evaluations compare the proposed solution to other research projects that pursue the same goals by means of kernel modifications, highlighting comparable scheduling performances. The principles that underpin the operation of the framework, originally designed for symmetric multiprocessors, have been further extended first to asymmetric ones, which are subjected to major restrictions such as the lack of support for task migrations, and later to re-programmable hardware architectures (FPGAs). In the latter case, this work introduces a scheduling accelerator, which offloads most of the scheduling operations to the hardware and exhibits extremely low scheduling jitter. The realization of a portable scheduling framework presented many interesting software challenges. One of these has been represented by timekeeping. In this regard, a further contribution is represented by a novel data structure, called addressable binary heap (ABH). Such ABH, which is conceptually a pointer-based implementation of a binary heap, shows very interesting average and worst-case performances when addressing the problem of tick-less timekeeping of high-resolution timers.

Land use management in mountainous areas: combining ground-based and EO (Earth Observation) data to investigate the shallow landsliding susceptibility in the Duron valley (Trento, Italy).

Throughout the alpine domain, shallow landslides represent a serious geologic hazard, often causing severe damages to infrastructures, private properties, natural resources and in the most catastrophic events, threatening human lives. Landslides are a major factor of landscape evolution in mountainous and hilly regions and represent a critical issue for mountainous land management, since they cause loss of pastoral lands. In several alpine contexts, shallow landsliding distribution is strictly connected to the presence and condition of vegetation on the slopes. With the aid of high-resolution satellite images, it's possible to divide automatically the mountainous territory in land cover classes, which contribute with different magnitude to the stability of the slopes. The aim of this research is to combine EO (Earth Observation) land cover maps with ground-based measurements of the land cover properties. In order to achieve this goal, a new procedure has been developed to automatically detect grass mantle degradation patterns from satellite images. Moreover, innovative surveying techniques and instruments are tested to measure in situ the shear strength of grass mantle and the geomechanical and geotechnical properties of these alpine soils. Shallow landsliding distribution is assessed with the aid of physically based models, which use the EO-based map to distribute the resistance parameters across the landscape.

Engineering Agent-Oriented Technologies and Programming Languages for Computer Programming and Software Development

Mainstream hardware is becoming parallel, heterogeneous, and distributed on every desk, every home and in every pocket. As a consequence, in the last years software is having an epochal turn toward concurrency, distribution, interaction which is pushed by the evolution of hardware architectures and the growing of network availability. This calls for introducing further abstraction layers on top of those provided by classical mainstream programming paradigms, to tackle more effectively the new complexities that developers have to face in everyday programming. A convergence it is recognizable in the mainstream toward the adoption of the actor paradigm as a mean to unite object-oriented programming and concurrency. Nevertheless, we argue that the actor paradigm can only be considered a good starting point to provide a more comprehensive response to such a fundamental and radical change in software development. Accordingly, the main objective of this thesis is to propose Agent-Oriented Programming (AOP) as a high-level general purpose programming paradigm, natural evolution of actors and objects, introducing a further level of human-inspired concepts for programming software systems, meant to simplify the design and programming of concurrent, distributed, reactive/interactive programs. To this end, in the dissertation first we construct the required background by studying the state-of-the-art of both actor-oriented and agent-oriented programming, and then we focus on the engineering of integrated programming technologies for developing agent-based systems in their classical application domains: artificial intelligence and distributed artificial intelligence. Then, we shift the perspective moving from the development of intelligent software systems, toward general purpose software development. Using the expertise maturated during the phase of background construction, we introduce a general-purpose programming language named simpAL, which founds its roots on general principles and practices of software development, and at the same time provides an agent-oriented level of abstraction for the engineering of general purpose software systems.

Monitoring Complex Processes to Verify System Conformance: A Declarative Rule-Based Framework

Over the last 60 years, computers and software have favoured incredible advancements in every field. Nowadays, however, these systems are so complicated that it is difficult – if not challenging – to understand whether they meet some requirement or are able to show some desired behaviour or property. This dissertation introduces a Just-In-Time (JIT) a posteriori approach to perform the conformance check to identify any deviation from the desired behaviour as soon as possible, and possibly apply some corrections. The declarative framework that implements our approach – entirely developed on the promising open source forward-chaining Production Rule System (PRS) named Drools – consists of three components: 1. a monitoring module based on a novel, efficient implementation of Event Calculus (EC), 2. a general purpose hybrid reasoning module (the first of its genre) merging temporal, semantic, fuzzy and rule-based reasoning, 3. a logic formalism based on the concept of expectations introducing Event-Condition-Expectation rules (ECE-rules) to assess the global conformance of a system. The framework is also accompanied by an optional module that provides Probabilistic Inductive Logic Programming (PILP). By shifting the conformance check from after execution to just in time, this approach combines the advantages of many a posteriori and a priori methods proposed in literature. Quite remarkably, if the corrective actions are explicitly given, the reactive nature of this methodology allows to reconcile any deviations from the desired behaviour as soon as it is detected. In conclusion, the proposed methodology brings some advancements to solve the problem of the conformance checking, helping to fill the gap between humans and the increasingly complex technology.

Pervasive Sensing in Future Networks

Pervasive Sensing is a recent research trend that aims at providing widespread computing and sensing capabilities to enable the creation of smart environments that can sense, process, and act by considering input coming from both people and devices. The capabilities necessary for Pervasive Sensing are nowadays available on a plethora of devices, from embedded devices to PCs and smartphones. The wide availability of new devices and the large amount of data they can access enable a wide range of novel services in different areas, spanning from simple data collection systems to socially-aware collaborative filtering. However, the strong heterogeneity and unreliability of devices and sensors poses significant challenges. So far, existing works on Pervasive Sensing have focused only on limited portions of the whole stack of available devices and data that they can use, to propose and develop mainly vertical solutions. The push from academia and industry for this kind of services shows that time is mature for a more general support framework for Pervasive Sensing solutions able to enhance frail architectures, promote a well balanced usage of resources on different devices, and enable the widest possible access to sensed data, while ensuring a minimal energy consumption on battery-operated devices. This thesis focuses on pervasive sensing systems to extract design guidelines as foundation of a comprehensive reference model for multi-tier Pervasive Sensing applications. The validity of the proposed model is tested in five different scenarios that present peculiar and different requirements, and different hardware and sensors. The ease of mapping from the proposed logical model to the real implementations and the positive performance result campaigns prove the quality of the proposed approach and offer a reliable reference model, together with a direction for the design and deployment of future Pervasive Sensing applications.

Framing Death. La morte in diretta, tra cinema e media digitali

Come dimostrano i sempre più numerosi casi di cronaca riportati dai notiziari, la preoccupazione per la gestione delle immagini di morte si configura come un nodo centrale che coinvolge spettatori, produttori di contenuti e broadcaster, dato che la sua emersione nel panorama mediale in cui siamo immersi è sempre più evidente. Se la letteratura socio-antropologica è generalmente concorde nel ritenere che, rispetto al passato, oggi la morte si manifesti con meno evidenza nella vita comune delle persone, che tendono a rimuovere i segni della contiguità vivendo il lutto in forma privata, essa è però percepita in modo pervasivo perché disseminata nei (e dai) media. L'elaborato, concentrandosi in maniera specifica sulle produzioni audiovisive, e quindi sulla possibilità intrinseca al cinema – e alle sue forme derivate – di registrare un evento in diretta, tenta di mappare alcune dinamiche di produzione e fruizione considerando una particolare manifestazione della morte: quella che viene comunemente indicata come “morte in diretta”. Dopo una prima ricognizione dedicata alla tensione continua tra la spinta a considerare la morte come l'ultimo tabù e le manifestazioni che essa assume all'interno della “necrocultura”, appare chiaro che il paradigma pornografico risulta ormai inefficace a delineare compiutamente le emersioni della morte nei media, soggetta a opacità e interdizioni variabili, e necessita dunque di prospettive analitiche più articolate. Il fulcro dell'analisi è dunque la produzione e il consumo di precisi filoni quali snuff, cannibal e mondo movie e quelle declinazioni del gore che hanno ibridato reale e fittizio: il tentativo è tracciare un percorso che, a partire dal cinema muto, giunga al panorama contemporaneo e alle pratiche di remix rese possibili dai media digitali, toccando episodi controversi come i Video Nasties, le dinamiche di moral panic scatenate dagli snuff film e quelle di contagio derivanti dalla manipolazione e diffusione delle immagini di morte.

Una base dati per il knowledge discovery in genetica medica

L'innovazione delle tecnologie di sequenziamento negli ultimi anni ha reso possibile la catalogazione delle varianti genetiche nei campioni umani, portando nuove scoperte e comprensioni nella ricerca medica, farmaceutica, dell'evoluzione e negli studi sulla popolazione. La quantità di sequenze prodotta è molto cospicua, e per giungere all'identificazione delle varianti sono necessari diversi stadi di elaborazione delle informazioni genetiche in cui, ad ogni passo, vengono generate ulteriori informazioni. Insieme a questa immensa accumulazione di dati, è nata la necessità da parte della comunità scientifica di organizzare i dati in repository, dapprima solo per condividere i risultati delle ricerche, poi per permettere studi statistici direttamente sui dati genetici. Gli studi su larga scala coinvolgono quantità di dati nell'ordine dei petabyte, il cui mantenimento continua a rappresentare una sfida per le infrastrutture. Per la varietà e la quantità di dati prodotti, i database giocano un ruolo di primaria importanza in questa sfida. Modelli e organizzazione dei dati in questo campo possono fare la differenza non soltanto per la scalabilità, ma anche e soprattutto per la predisposizione al data mining. Infatti, la memorizzazione di questi dati in file con formati quasi-standard, la dimensione di questi file, e i requisiti computazionali richiesti, rendono difficile la scrittura di software di analisi efficienti e scoraggiano studi su larga scala e su dati eterogenei. Prima di progettare il database si è perciò studiata l’evoluzione, negli ultimi vent’anni, dei formati quasi-standard per i flat file biologici, contenenti metadati eterogenei e sequenze nucleotidiche vere e proprie, con record privi di relazioni strutturali. Recentemente questa evoluzione è culminata nell’utilizzo dello standard XML, ma i flat file delimitati continuano a essere gli standard più supportati da tools e piattaforme online. È seguita poi un’analisi dell’organizzazione interna dei dati per i database biologici pubblici. Queste basi di dati contengono geni, varianti genetiche, strutture proteiche, ontologie fenotipiche, relazioni tra malattie e geni, relazioni tra farmaci e geni. Tra i database pubblici studiati rientrano OMIM, Entrez, KEGG, UniProt, GO. L'obiettivo principale nello studio e nella modellazione del database genetico è stato quello di strutturare i dati in modo da integrare insieme i dati eterogenei prodotti e rendere computazionalmente possibili i processi di data mining. La scelta di tecnologia Hadoop/MapReduce risulta in questo caso particolarmente incisiva, per la scalabilità garantita e per l’efficienza nelle analisi statistiche più complesse e parallele, come quelle riguardanti le varianti alleliche multi-locus.

La progettazione dei dirigibili: quadro normativo e regolamenti di volo di riferimento

Studio del quadro normativo relativo a progettazione e successiva certificazione dei dirigibili e della normativa di volo per gli enti di gestione del traffico aereo previsti per questi mezzi, allo scopo di fornire al progettista alcune indicazioni utili ad una successiva certificazione e alle operazioni all'interno dei diversi spazi aerei.

Segmentazione automatica dell'atrio sinistro e valutazione della fibrosi atriale in risonanza magnetica

Questo lavoro di tesi si è svolto in collaborazione con le Unità Operative di Cardiologia e di Radiologia dell’ospedale “M. Bufalini” di Cesena e della St. Jude Medical, Inc., con l’obiettivo di sviluppare e implementare un metodo per l’identificazione e la valutazione della fibrosi atriale mediante risonanza magnetica in pazienti con fibrillazione atriale, candidati a procedura di ablazione. I pazienti sono stati sottoposti all’esame di risonanza magnetica (RM) angio per la valutazione della morfologia atriale e alla DE-MRI per l’identificazione e la visualizzazione delle zone di alto enhancement sulla struttura 3D dell’atrio sinistro, ossia le zone di alta intensità corrispondenti alla fibrosi. La struttura anatomica è utile all’elettrofisiologo per conoscere la morfologia dell’atrio e delle vene polmonari, permettendo quindi di minimizzare l’uso della fluoroscopia durante la procedura di ablazione. La conoscenza dei siti e della quantificazione della fibrosi è vantaggiosa per il medico per la pianificazione preoperatoria, in quanto nei pazienti con molta fibrosi non è sufficiente l’isolamento delle vene polmonari, ma si ottengono risultati migliori effettuando un’ablazione estensiva della parete atriale. Inoltre gli studi in letteratura hanno dimostrato che i pazienti con un’estensione di fibrosi superiore al 35% della superficie atriale, hanno una probabilità superiore al 50% di soffrire nuovamente di fibrillazione atriale dopo la procedura di ablazione; lo studio della fibrosi atriale vuole quindi essere un metodo per predire se l’ablazione avrà successo, oppure se è preferibile seguire indicazioni terapeutiche diverse. Il primo passo di questo lavoro è stata la registrazione delle immagini angio-RM e DE-MR mediante il software VolView. Successivamente si è implementato un programma in Matlab per segmentare in modo automatico l’atrio sinistro e si è visualizzata la struttura tridimensionale con la mappa cromatica della fibrosi utilizzando il software ParaView. Infine per validare questo lavoro si è effettuato un confronto qualitativo dei risultati ottenuti con il mappaggio elettro-anatomico acquisito mediante il sistema EnSite Velocity della St. Jude Medical, Inc. durante la procedura di ablazione transcatetere. Per eseguire questo confronto è stato necessario interfacciare il nostro lavoro con il sistema EnSite Velocity, con lo scopo di riuscire a visualizzare le mappe elettro-anatomiche sul nostro sistema e di importare la nostra struttura anatomica nel loro.

Advanced Techniques for Face Recognition under Challenging Environments

Automatically recognizing faces captured under uncontrolled environments has always been a challenging topic in the past decades. In this work, we investigate cohort score normalization that has been widely used in biometric verification as means to improve the robustness of face recognition under challenging environments. In particular, we introduce cohort score normalization into undersampled face recognition problem. Further, we develop an effective cohort normalization method specifically for the unconstrained face pair matching problem. Extensive experiments conducted on several well known face databases demonstrate the effectiveness of cohort normalization on these challenging scenarios. In addition, to give a proper understanding of cohort behavior, we study the impact of the number and quality of cohort samples on the normalization performance. The experimental results show that bigger cohort set size gives more stable and often better results to a point before the performance saturates. And cohort samples with different quality indeed produce different cohort normalization performance. Recognizing faces gone after alterations is another challenging problem for current face recognition algorithms. Face image alterations can be roughly classified into two categories: unintentional (e.g., geometrics transformations introduced by the acquisition devide) and intentional alterations (e.g., plastic surgery). We study the impact of these alterations on face recognition accuracy. Our results show that state-of-the-art algorithms are able to overcome limited digital alterations but are sensitive to more relevant modifications. Further, we develop two useful descriptors for detecting those alterations which can significantly affect the recognition performance. In the end, we propose to use the Structural Similarity (SSIM) quality map to detect and model variations due to plastic surgeries. Extensive experiments conducted on a plastic surgery face database demonstrate the potential of SSIM map for matching face images after surgeries.

La PCA per la riduzione dei dati di SPHERE IFS

Nel primo capitolo di questa tesi viene presentata una panoramica dei principali metodi di rivelazione degli esopianeti: il metodo della Velocità Radiale, il metodo Astrometrico, il metodo del Pulsar Timing, il metodo del Transito, il metodo del Microlensing ed infine il metodo del Direct Imaging che verrà approfondito nei capitoli successivi. Nel secondo capitolo vengono presentati i principi della diffrazione, viene mostrato come attenuare la luce stellare con l'uso del coronografo; vengono descritti i fenomeni di aberrazione della luce provocati dalla strumentazione e dagli effetti distorsivi dell'atmosfera che originano le cosiddette speckle; vengono poi presentate le moderne soluzioni tecniche come l'ottica attiva e adattiva, che hanno permesso un considerevole miglioramento della qualità delle osservazioni. Nel terzo capitolo sono illustrate le tecniche di Differential Imaging che permettono di rimuovere efficacemente le speckle e di migliorare il contrasto delle immagini. Nel quarto viene presentata una descrizione matematica della Principal Component Analysis (Analisi delle Componenti Principali), il metodo statistico utilizzato per la riduzione dei dati astronomici. Il quinto capitolo è dedicato a SPHERE, lo strumento progettato per il Very Large Telescope (VLT), in particolare viene descritto il suo spettrografo IFS con il quale sono stati ottenuti, nella fase di test, i dati analizzati nel lavoro di tesi. Nel sesto capitolo vengono mostrate le procedure di riduzione dati e l'applicazione dell'algoritmo di IDL LA_SVD che applica la Principal Component Analysis e ha permesso, analogamente ai metodi di Differenzial Imaging visti in precedenza, di rimuovere le speckle e migliorare il contrasto delle immagini. Nella parte conclusiva, vengono discussi i risultati.

Analisi di riferimenti bibliografici in documenti XML

Con il seguente elaborato propongo di presentare il lavoro svolto sui documenti XML che ci sono stati forniti. Più nello specifico, il lavoro è incentrato sui riferimenti bibliografici presenti in ogni documento e ha come fine l'elaborazione delle informazioni estrapolate al fine di poterle esportare nel formato RDF (Resource Description Framework). I documenti XML (eXtensible Markup Language) fornitimi provengono dalla casa editrice Elsevier, una delle più grandi case editrici di articoli scientifici organizzati in riviste specializzate (journal).

Vidding Grrls. Pratiche di remix audiovisivo nella cultura digitale contemporanea

La pratica del remix è al giorno d’oggi sempre più diffusa e un numero sempre più vasto di persone ha ora le competenze e gli strumenti tecnologici adeguati per eseguire operazioni un tempo riservate a nicchie ristrette. Tuttavia, nella sua forma audiovisiva, il remix ha ottenuto scarsa attenzione a livello accademico. Questo lavoro esplora la pratica del remix intesa al contempo come declinazione contemporanea di una pratica di lungo corso all’interno della storia della produzione audiovisiva – ovvero il riuso di immagini – sia come forma caratteristica della contemporaneità mediale, atto di appropriazione grassroots dei contenuti mainstream da parte degli utenti. La tesi si articola in due sezioni. Nella prima, l’analisi di tipo teorico e storico-critico è suddivisa in due macro-aree di intervento: da una parte il remix inteso come pratica, atto di appropriazione, gesto di riciclo, decontestualizzazione e risemantizzazione delle immagini mediali che ha attraversato la storia dei media audiovisivi [primo capitolo]. Dall’altra, la remix culture, ovvero il contesto culturale e sociale che informa l’ambiente mediale entro il quale la pratica del remix ha conosciuto, nell’ultimo decennio, la diffusione capillare che lo caratterizza oggi [secondo capitolo]. La seconda, che corrisponde al terzo capitolo, fornisce una dettagliata panoramica su un caso di studio, la pratica del fan vidding. Forma di remix praticata quasi esclusivamente da donne, il vidding consiste nel creare fan video a partire da un montaggio d’immagini tratte da film o serie televisive che utilizza come accompagnamento musicale una canzone. Le vidders, usando specifiche tecniche di montaggio, realizzano delle letture critiche dei prodotti mediali di cui si appropriano, per commentare, criticare o celebrare gli oggetti di loro interesse. Attraverso il vidding il presente lavoro indaga le tattiche di rielaborazione e riscrittura dell’immaginario mediale attraverso il riuso di immagini, con particolare attenzione al remix inteso come pratica di genere.