Modelling context information with ORM

Context-aware applications rely on implicit forms of input, such as sensor-derived data, in order to reduce the need for explicit input from users. They are especially relevant for mobile and pervasive computing environments, in which user attention is at a premium. To support the development of context-aware applications, techniques for modelling context information are required. These must address a unique combination of requirements, including the ability to model information supplied by both sensors and people, to represent imperfect information, and to capture context histories. As the field of context-aware computing is relatively new, mature solutions for context modelling do not exist, and researchers rely on information modelling solutions developed for other purposes. In our research, we have been using a variant of Object-Role Modeling (ORM) to model context. In this paper, we reflect on our experiences and outline some research challenges in this area.

Towards a standards-based autonomic context management system

Pervasive computing applications must be sufficiently autonomous to adapt their behaviour to changes in computing resources and user requirements. This capability is known as context-awareness. In some cases, context-aware applications must be implemented as autonomic systems which are capable of dynamically discovering and replacing context sources (sensors) at run-time. Unlike other types of application autonomy, this kind of dynamic reconfiguration has not been sufficiently investigated yet by the research community. However, application-level context models are becoming common, in order to ease programming of context-aware applications and support evolution by decoupling applications from context sources. We can leverage these context models to develop general (i.e., application-independent) solutions for dynamic, run-time discovery of context sources (i.e., context management). This paper presents a model and architecture for a reconfigurable context management system that supports interoperability by building on emerging standards for sensor description and classification.

Implementing an adaptive TCP fairness while exploiting 802.11e over wireless mesh networks

Purpose: The purpose of this paper is to investigate the use of 802.11e MAC to resolve the transmission control protocol (TCP) unfairness. Design/methodology/approach: The paper shows how a TCP sender may adapt its transmission rate using the number of hops and the standard deviation of recently measured round-trip times to address the TCP unfairness. Findings: Simulation results show that the proposed techniques provide even throughput by providing TCP fairness as the number of hops increases over a wireless mesh network (WMN). Research limitations/implications: Future work will examine the performance of TCP over routing protocols, which use different routing metrics. Other future work is scalability over WMNs. Since scalability is a problem with communication in multi-hop, carrier sense multiple access (CSMA) will be compared with time division multiple access (TDMA) and a hybrid of TDMA and code division multiple access (CDMA) will be designed that works with TCP and other traffic. Finally, to further improve network performance and also increase network capacity of TCP for WMNs, the usage of multiple channels instead of only a single fixed channel will be exploited. Practical implications: By allowing the tuning of the 802.11e MAC parameters that have previously been constant in 802.11 MAC, the paper proposes the usage of 802.11e MAC on a per class basis by collecting the TCP ACK into a single class and a novel congestion control method for TCP over a WMN. The key feature of the proposed TCP algorithm is the detection of congestion by measuring the fluctuation of RTT of the TCP ACK samples via the standard deviation, plus the combined the 802.11e AIFS and CWmin allowing the TCP ACK to be prioritised which allows the TCP ACKs will match the volume of the TCP data packets. While 802.11e MAC provides flexibility and flow/congestion control mechanism, the challenge is to take advantage of these features in 802.11e MAC. Originality/value: With 802.11 MAC not having flexibility and flow/congestion control mechanisms implemented with TCP, these contribute to TCP unfairness with competing flows. © Emerald Group Publishing Limited.

Studio e prototipazione di un'architettura software di alto livello per lo sviluppo di applicazioni di mixed reality su piattaforma HoloLens

La tesi si pone come obiettivo quello di realizzare un'architettura di alto livello per lo sviluppo di applicazioni dirette alla piattaforma HoloLens. Per conseguire tale risultato si è rivelata necessaria una prima parte di studio dei concetti di mixed reality, con riferimento particolare al caso specifico HoloLens, per poi dirigere l'attenzione alla comprensione dell'architettura di applicazioni olografiche. L'analisi delle API rilasciate per lo sviluppo di applicazioni HoloLens ha permesso di riscontrare varie criticità, alle quali si è posto rimedio tramite l'introduzione di un livello di astrazione, che possa consentire uno sviluppo di applicazioni ad un livello più alto. Si è poi introdotto il concetto di augmented worlds (mondi aumentati), i cui principi cardine hanno fornito le basi per la progettazione e lo sviluppo di un sistema client-server, nel quale il dispositivo HoloLens agisce come un client e la logica di controllo degli elementi del modello dell'applicazione viene gestita lato server.

Context-aware framework for collaborative applications

Future pervasive environments will take into consideration not only individual user’s interest, but also social relationships. In this way, pervasive communities can lead the user to participate beyond traditional pervasive spaces, enabling the cooperation among groups and taking into account not only individual interests, but also the collective and social context. Social applications in CSCW (Computer Supported Cooperative Work) field represent new challenges and possibilities in terms of use of social context information for adaptability in pervasive environments. In particular, the research describes the approach in the design and development of a context.aware framework for collaborative applications (CAFCA), utilizing user’s context social information for proactive adaptations in pervasive environments. In order to validate the proposed framework an evaluation was conducted with a group of users based on enterprise scenario. The analysis enabled to verify the impact of the framework in terms of functionality and efficiency in real-world conditions. The main contribution of this thesis was to provide a context-aware framework to support collaborative applications in pervasive environments. The research focused on providing an innovative socio-technical approach to exploit collaboration in pervasive communities. Finally, the main results reside in social matching capabilities for session formation, communication and coordinations of groupware for collaborative activities.

Reasoning over knowledge-based generation of situations in context spaces to reduce food waste

With the ever-growing amount of connected sensors (IoT), making sense of sensed data becomes even more important. Pervasive computing is a key enabler for sustainable solutions, prominent examples are smart energy systems and decision support systems. A key feature of pervasive systems is situation awareness which allows a system to thoroughly understand its environment. It is based on external interpretation of data and thus relies on expert knowledge. Due to the distinct nature of situations in different domains and applications, the development of situation aware applications remains a complex process. This thesis is concerned with a general framework for situation awareness which simplifies the development of applications. It is based on the Situation Theory Ontology to provide a foundation for situation modelling which allows knowledge reuse. Concepts of the Situation Theory are mapped to the Context Space Theory which is used for situation reasoning. Situation Spaces in the Context Space are automatically generated with the defined knowledge. For the acquisition of sensor data, the IoT standards O-MI/O-DF are integrated into the framework. These allow a peer-to-peer data exchange between data publisher and the proposed framework and thus a platform independent subscription to sensed data. The framework is then applied for a use case to reduce food waste. The use case validates the applicability of the framework and furthermore serves as a showcase for a pervasive system contributing to the sustainability goals. Leading institutions, e.g. the United Nations, stress the need for a more resource efficient society and acknowledge the capability of ICT systems. The use case scenario is based on a smart neighbourhood in which the system recommends the most efficient use of food items through situation awareness to reduce food waste at consumption stage.

Indoor positioning system for mobile devices using radio frequency and perfect sequences

Recent advancements in the area of nanotechnology have brought us into a new age of pervasive computing devices. These computing devices grow ever smaller and are being used in ways which were unimaginable before. Recent interest in developing a precise indoor positioning system, as opposed to existing outdoor systems, has given way to much research heading into the area. The use of these small computing devices offers many conveniences for usage in indoor positioning systems. This thesis will deal with using small computing devices Raspberry Pi’s to enable and improve position estimation of mobile devices within closed spaces. The newly patented Orthogonal Perfect DFT Golay coding sequences will be used inside this scenario, and their positioning properties will be tested. After that, testing and comparisons with other coding sequences will be done.

Efficient and precise interactive hand tracking through joint, continuous optimization of pose and correspondences

Fully articulated hand tracking promises to enable fundamentally new interactions with virtual and augmented worlds, but the limited accuracy and efficiency of current systems has prevented widespread adoption. Today's dominant paradigm uses machine learning for initialization and recovery followed by iterative model-fitting optimization to achieve a detailed pose fit. We follow this paradigm, but make several changes to the model-fitting, namely using: (1) a more discriminative objective function; (2) a smooth-surface model that provides gradients for non-linear optimization; and (3) joint optimization over both the model pose and the correspondences between observed data points and the model surface. While each of these changes may actually increase the cost per fitting iteration, we find a compensating decrease in the number of iterations. Further, the wide basin of convergence means that fewer starting points are needed for successful model fitting. Our system runs in real-time on CPU only, which frees up the commonly over-burdened GPU for experience designers. The hand tracker is efficient enough to run on low-power devices such as tablets. We can track up to several meters from the camera to provide a large working volume for interaction, even using the noisy data from current-generation depth cameras. Quantitative assessments on standard datasets show that the new approach exceeds the state of the art in accuracy. Qualitative results take the form of live recordings of a range of interactive experiences enabled by this new approach.

Caracterización sociodemográfica de las enfermedades huérfanas en Colombia

Las enfermedades huérfanas en Colombia, se definen como aquellas crónicamente debilitantes, que amenazan la vida, de baja prevalencia (menor 1/5000) y alta complejidad. Se estima que a nivel mundial existen entre 6000 a 8000 enfermedades raras diferentes(1). Varios países a nivel mundial individual o colectivamente, en los últimos años han creado políticas e incentivos para la investigación y protección de los pacientes con enfermedades raras. Sin embargo, a pesar del creciente número de publicaciones; la información sobre su etiología, fisiología, historia natural y datos epidemiológicos persiste escasa o ausente. Los registros de pacientes, son una valiosa herramienta para la caracterización de las enfermedades, su manejo y desenlaces con o sin tratamiento. Permiten mejorar políticas de salud pública y cuidado del paciente, contribuyendo a mejorar desenlaces sociales, económicos y de calidad de vida. En Colombia, bajo el decreto 1954 de 2012 y las resoluciones 3681 de 2013 y 0430 de 2013 se creó el fundamento legal para la creación de un registro nacional de enfermedades huérfanas. El presente estudio busca determinar la caracterización socio-demográfica y la prevalencia de las enfermedades huérfanas en Colombia en el periodo 2013. Métodos: Se realizó un estudio observacional de corte transversal de fuente secundaria sobre pacientes con enfermedades huérfanas en el territorio nacional; basándose en el registro nacional de enfermedades huérfanas obtenido por el Ministerio de Salud y Protección Social en el periodo 2013 bajo la normativa del decreto 1954 de 2012 y las resoluciones 3681 de 2013 y 0430 de 2013. Las bases de datos obtenidas fueron re-categorizadas en Excel versión 15.17 para la extracción de datos y su análisis estadístico posterior, fue realizado en el paquete estadístico para las ciencias sociales (SPSS v.20, Chicago, IL). Resultados: Se encontraron un total de 13173 pacientes con enfermedades huérfanas para el 2013. De estos, el 53.96% (7132) eran de género femenino y el 46.03% (6083) masculino; la mediana de la edad fue de 28 años con un rango inter-cuartil de 39 años, el 9% de los pacientes presentaron discapacidad. El registro contenía un total de 653 enfermedades huérfanas; el 34% del total de las enfermedades listadas en nuestro país (2). Las patologías más frecuentes fueron el Déficit Congénito del Factor VIII, Miastenia Grave, Enfermedad de Von Willebrand, Estatura Baja por Anomalía de Hormona de Crecimiento y Displasia Broncopulmonar. Discusión: Se estimó que aproximadamente 3.3 millones de colombianos debían tener una enfermedad huérfana para el 2013. El registro nacional logró recolectar datos de 13173 (0.4%). Este bajo número de pacientes, marca un importante sub-registro que se debe al uso de los códigos CIE-10, desconocimiento del personal de salud frente a las enfermedades huérfanas y clasificación errónea de los pacientes. Se encontraron un total de 653 enfermedades, un 34% de las enfermedades reportadas en el listado nacional de enfermedades huérfanas (2) y un 7% del total de enfermedades reportadas en ORPHANET para el periodo 2013 (3). Conclusiones: La recolección de datos y la sensibilización sobre las enfermedades huérfanas al personal de salud, es una estrategia de vital importancia para el diagnóstico temprano, medidas específicas de control e intervenciones de los pacientes. El identificar apropiadamente a los pacientes con este tipo de patologías, permite su ingreso en el registro y por ende mejora el sub-registro de datos. Sin embargo, cabe aclarar que el panorama ideal sería, el uso de un sistema de recolección diferente al CIE-10 y que abarque en mayor medida la totalidad de las enfermedades huérfanas.

AR VR e interfacce aptiche: stato dell'arte e sfide future

Obiettivo di questa tesi è l’introduzione dei principali temi correlati con le tecnologie di Realtà Aumentata, Realtà Virtuale e tecnologie aptiche, cercando di darne una definizione esaustiva e definendo i principali utilizzi e illustrando alcune tecnologie esistenti. L’elaborato, in questo modo, mira a proporre una spiegazione esaustiva della Realtà Virtuale e della Realtà Aumenta, soffermandosi a valutare le differenze e le similitudini delle due tecnologie e proponendo una serie di esempi di utilizzo in ambito formativo e culturale.

Percezione depth guidata mediante proiezione virtuale di pattern

L’utilizzo di informazioni di profondità è oggi di fondamentale utilità per molteplici settori applicativi come la robotica, la guida autonoma o assistita, la realtà aumentata e il monitoraggio ambientale. I sensori di profondità disponibili possono essere divisi in attivi e passivi, dove i sensori passivi ricavano le informazioni di profondità dall'ambiente senza emettere segnali, bensì utilizzando i segnali provenienti dall'ambiente (e.g., luce solare). Nei sensori depth passivi stereo è richiesto un algoritmo per elaborare le immagini delle due camere: la tecnica di stereo matching viene utilizzata appunto per stimare la profondità di una scena. Di recente la ricerca si è occupata anche della sinergia con sensori attivi al fine di migliorare la stima della depth ottenuta da un sensore stereo: si utilizzano i punti affidabili generati dal sensore attivo per guidare l'algoritmo di stereo matching verso la soluzione corretta. In questa tesi si è deciso di affrontare questa tematica da un punto di vista nuovo, utilizzando un sistema di proiezione virtuale di punti corrispondenti in immagini stereo: i pixel delle immagini vengono alterati per guidare l'algoritmo ottimizzando i costi. Un altro vantaggio della strategia proposta è la possibilità di iterare il processo, andando a cambiare il pattern in ogni passo: aggregando i passi in un unico risultato, è possibile migliorare il risultato finale. I punti affidabili sono ottenuti mediante sensori attivi (e.g. LiDAR, ToF), oppure direttamente dalle immagini, stimando la confidenza delle mappe prodotte dal medesimo sistema stereo: la confidenza permette di classificare la bontà di un punto fornito dall'algoritmo di matching. Nel corso della tesi sono stati utilizzati sensori attivi per verificare l'efficacia della proiezione virtuale, ma sono state anche effettuate analisi sulle misure di confidenza: lo scopo è verificare se le misure di confidenza possono rimpiazzare o assistere i sensori attivi.

Sviluppo di un AR wearable device per il settore Automotive ricaricato tramite le vibrazioni del telaio

In questo elaborato di tesi vengono presentati la ricerca e il lavoro che hanno portato all’ideazione e sviluppo di CirculAR. CirculAR consiste in un dispositivo per la realtà aumentata, che assiste i conducenti di veicoli a due ruote, quali biciclette, monopattini e motocicli, proiettandogli informazioni utili per una guida in sicurezza. L’energia che alimenta il dispositivo per la realtà aumentata viene generata, in modo sostenibile, dalla conversione in energia elettrica dell’energia cinetica ottenuta dalle vibrazioni che si scaricano al telaio, originate dal contatto tra manto stradale e veicolo stesso. Il sistema - prodotto è composto, infatti, da due dispositivi differenti, un wearable device e un generatore elettrico, che cooperano per il raggiungimento di una Realtà Aumentata più sostenibile ed innovativa. Per lo sviluppo di CirculAR sono state prese in considerazione tecnologie innovative ad oggi oggetto di grande ricerca e interesse scientifico; per questo studio in particolare, si è deciso di conciliare queste tecnologie con una progettazione mirata alla semplificazione ed alla specializzazione dei singoli componenti per garantirne un generale livello di forte innovazione tecnologica ed, al contempo, una riduzione del costo complessivo di vendita del prodotto. Il connubio di queste tecnologie ha permesso di realizzare due dispositivi innovativi sia da un punto di vista tecnologico che da un punto di vista della sostenibilità, che possono rappresentare un modello per una futura generazione di wearable device sostenibile.

Acquisizione e modellazione 3D in ambito museale per nuove forme di accessibilità per ipovedenti

Il tema approfondito in questo elaborato è relativo a nuove forme di esperienze museali in grado di favorire una maggiore fruizione dei musei da parte dei visitatori portatori di disabilità sensoriali. L’obiettivo dello studio, reso possibile grazie alla collaborazione con il Comune di Riccione, l’Università di Bologna e il Museo del Territorio di Riccione, riguarda la riproduzione tattile 3D di alcuni manufatti di epoca romana rinvenuti nel territorio e l’implementazione di soluzioni di esplorazione dei modelli fisici con tecniche di realtà aumentata e feedback sonori per fornire al visitatore un’esperienza tattile/sensoriale sugli oggetti. La parte di competenza di questo elaborato riguarda principalmente due aspetti: il rilievo 3D effettuato su quattro diversi frammenti di due serie di lastre fittili, mediante l’utilizzo di scanner ad alta risoluzione e fotogrammetria digitale, e la successiva modellazione in ambiente digitale. Quest’ultima fase comporta l’elaborazione delle scansioni tramite software dedicati e la creazione di mesh per generare la stampa di copie fisiche 3D. In una fase successiva alla stampa 3D le copie saranno poi gestite con particolari tecnologie di esplorazione sensoriale che accompagneranno l’utente durante l’esperienza tattile con feedback sonori. La sperimentazione condotta in questa tesi vuole dimostrare come sia possibile portare ad una trasformazione del ruolo dei musei, da quello tradizionale di magazzino statico a quello di ambiente di apprendimento attivo a disposizione di tutti offrendo esperienze immersive ed educative.

Domain adaptation per classificazione di point cloud mediante pseudo-annotazioni

La classificazione di dati geometrici 3D come point cloud è un tema emergente nell'ambito della visione artificiale in quanto trova applicazione in molteplici contesti di guida autonoma, robotica e realtà aumentata. Sebbene nel mercato siano presenti una grande quantità di sensori in grado di ottenere scansioni reali, la loro annotazione costituisce un collo di bottiglia per la generazione di dataset. Per sopperire al problema si ricorre spesso alla domain adaptation sfruttando dati sintetici annotati. Questo elaborato si pone come obiettivo l'analisi e l'implementazione di metodi di domain adaptation per classificazione di point cloud mediante pseudo-labels. In particolare, sono stati condotti esperimenti all'interno del framework RefRec valutando la possibilità di sostituire nuove architetture di deep learning al modello preesistente. Tra queste, Transformer con mascheramento dell'input ha raggiunto risultati superiori allo stato dell'arte nell'adattamento da dati sintetici a reali (ModelNet->ScanNet) esaminato in questa tesi.

Nodo - Progetto di un dispositivo per lo sport virtuale e sistemi di antagonismo

Nodo è indaga la relazione tra il movimento del corpo umano, e le conseguenti risposte muscolari, e la loro riproduzione in condizioni di realtà mista. Attraverso la progettazione di un dispositivo casalingo che faccia da antagonista al movimento del corpo durante la pratica del pugilato a distanza, attraverso le tecnologie di aumento della realtà e quelle aptiche; ho cercato di approfondire il tema dello sport, scegliendolo come ambito di progettazione specifico.