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Software Moderno
dalla Fisica ad altre applicazioni
Luca Lista
INFN
[email protected]
Le sfide nel Software
• Il software per la Fisica sub-nucleare serve a
risolvere problemi complessi
• Esperimenti con numerosi rivelatori eterogenei,
enormi numeri di canali
– ~100Mpixel acquisiti a decine di kHz processati e filtrati online
– Gestione off-line di campioni di dati multi-petabyte
• Segnali rari si confondono rispetto al ‘rumore di
fondo’
• Algoritmi di calcolo matematico avanzati si
interfacciano con modelli di dati complessi
• I dati sono distribuiti in tutto il mondo con
organizzazione gerarchica
– Modelli a “Tier”
Luca Lista, INFN
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Le sfide della Fisica delle particelle
CMS ad LHC
Luca Lista, INFN
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Tecnologie Software
•
•
•
•
•
Analisi & Design Object Oriented
C++, STL
Template programming (boost libraries)
Uso di Java per interfacce utenti
Piattaforma di sviluppo:
– Tipicamente Linux (open source, free)
• Analisi delle perfomances e profiling
– Valgrind
• Strumenti per l’analisi interattiva, visualizzazione 3D
e l’I/O sviluppati al CERN
– Es.: ROOT: http://root.cern.ch
• Documentazione del codice
– Web tools: doxygen, TWiki, …
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Software complessi
• Progetti con milioni di linee di codice
• Evolvono per >10 anni
• Software sviluppato e utilizzato da una
comunità internazionale distribuita su tutto il
pianeta
– Centinaia di sviluppatori attivi in maniera
concorrente in fusi orari diversi
• Strumenti di collaborazione
– CVS, Release management tools, nigthly builds
• Strumenti di comunicazione remota
– Videoconferenze, Hyper-news forum
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Alcuni grandi progetti software
Year
Operating System
SLOC (Million)
Graphics Program
SLOC (Million)
1993
Windows NT 3.1
4-5
OpenOffice.org
~10
1994
Windows NT 3.5
7-8
Blender 2.42
~1
1996
Windows NT 4.0
11-12
GIMP v2.3.8
0.65
2000
Windows 2000
more than 29
Paint.NET 3.0
0.13
2001
Windows XP
40
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Problematiche nella Fisica
• Simulazione dei rivelatori:
– Interazioni tra particelle
– Interazioni delle particelle nel rivelatore
• Ricostruzione delle particelle nei rivelatori
– Algoritmi di clustering, tracciamento (Kalman filter), …
– Fit con vincoli
geometrici-cinematici
• Discriminazione
segnale/fondo
– Tecniche statistiche
multivariate
• Visualizzazione dei dati e
dei rivelatori
• Analisi dati interattiva
Luca Lista, INFN
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Applicazioni in ambiti più generali
• Simulazioni, in generale:
– Simulazione di interazione della radiazione con la materia
• medicina, radioterapia, spazio, …
– Modelli di problemi realistici in generale
• Traffico, finanza, videogiochi, …
• Analisi statistica dei dati
–
–
–
–
–
–
Analisi di correlazioni statistiche
Discriminazione segnale/fondo
Likelihood ratio
Reti neuronali
Algoritmi di ottimizzazione genetici
Analisi statistica di segnali rari e con bassa statistica
• Algoritmi specifici:
– Es.: tracking, clustering
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Kalman Filtering
www.houseprices.uk.net
Anche:
– radar tracking
– navigatori satellitari
– dati economici
–previsione arrivi bus
Kalman, R.E., “A New Approach to Linear Prediction
Problems”, Transactions of the ASME--Journal of Basic
Engineering, pp. 35-45, March 1960.
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Propagazione particelle (I)
Leipzig
applicator
Simulazione dosimetrica in radioterapia
Simulazione di sciame cosmico
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Propagazione particelle (II)
Sistemi di particelle
in computer grafica
Luca Lista, INFN
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Simulazioni: modellistica
Simulazione di un mercato azionario basato
su modelli di comportamento degli investitori
9
8
7
6
5
4
3
Esercizio per il corso
di P.O. (Informatica)
2
1
0
1
1001
2001
3001
Luca Lista, INFN
4001
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Quali interazioni con le aziende?
• Alcune tipologie di aziende già usano tecnologie
software avanzate
– Es.: grafica 3D, giochi
– Scambi di esperienze nella risoluzione di problemi complessi
sono possibili in questi contesti
• Esperienza di stage per lauree triennali presso
aziende seguite da tutor dell’INFN a Napoli
– Framework 3D ad oggetti con sistemi paricellari: motore
real-time ed editor interattivo,
Raylight studios s.r.l.
– Modello Orientato agli Oggetti di Primitive Geometriche per
un Motore di Rendering per Grafica Tridimensionale,
Digitalcomoedia s.r.l.
• Collaborazione con aziende che avviano relazioni
con partner la scelta delle tecnologie software
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Un’applicazione specifica
Analisi di immagini 2D/3D
Trattamento immagini 2D/3D
• Software “SySal” (System of Salerno) per acquisizione/analisi
dell’immagine 2D/3D
– Applicato per acquisizione e analisi di immagini su emulsioni
Cluster di robots di misura operanti con SySal
Cristiano Bozza – Gruppo Collegato di Salerno – [email protected]
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Applicativi per immagini 2D/3D
Sviluppato in
C#/C++/C/Assembler
Funzionalità di calcolo
distribuito basata su
tecnologia .NET
Modulare e
personalizzabile
Interfaccia grafica per
utilizzo da parte di
personale non esperto
Il software funziona sia in applicazioni off-line che “sul campo” in applicazioni di
robotica e machine-vision (ambito in cui è stato sviluppato)
Cristiano Bozza – Gruppo Collegato di Salerno – [email protected]
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Caratteristiche di SySal
• Alta velocità di analisi immagine
– fino ad un fattore x100 su Pentium rispetto al processore di visione
industriale Matrox Odyssey
– Calcolo in parallelo su macchine multiprocessori e/o reti di
calcolatori
• Capacità di pilotare motori e leggere sensori per applicazioni di
macchine vision 2D/3D
• Uso in collaborazioni e aziende estese con reti di acquisizione
dati multi-sito
• Immagazzinamento dati basato su DB relazionali (Oracle/SQL
Server)
Cristiano Bozza – Gruppo Collegato di Salerno – [email protected]
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Possibili applicazioni di SySal
• Riconoscimento oggetti e classificazione
• Acquisizione dati da superfici o spessori, controllo qualità,
riconoscimento ed elaborazione immediati di strutture
topologiche e di parametri geometrici
• Controllo di robots di misura o per lavorazioni con feedback
visivo
• SySal può usare sia configurazioni hardware minimali che
estremamente complesse
Cristiano Bozza – Gruppo Collegato di Salerno – [email protected]
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