1st State of the art and Challenges of Research Efforts (S.C.O.R.E.) at (@) POLIBA 3rd- 5th December 2014 Scheda dei gruppi di ricerca RESEARCH GROUP • INDUSTRIAL INFORMATICS – ING-INF/05 - http://www.vitoantoniobevilacqua.it/lab/ COMPONENTI 2013 • Professori (4): Vitoantonio Bevilacqua, RC; Andrea Guerriero, PA; Francescomaria Marino, PA; Giuseppe Mastronardi, PO, (responsabile scientifico). SSD SETTORI ERC (European Research Council) ING-INF-05 – Sistemi di Elaborazione delle Informazioni PE6 LINEE DI RICERCA • Interazione Uomo Macchina: ricerca e sviluppo di applicativi software per il riconoscimento delle emozioni, basato su tre differenti domini: facciale, vocale e gestuale. Attraverso l’utilizzo di semplici dispositivi non invasivi e le innovative tecniche, oggetto della ricerca, hanno permesso l’estrazione di alcuni punti fiduciali del volto in grado di definire delle action units (movimento delle sopracciglia, movimento delle labbra, rughe e così via) e quindi le espressioni facciali. Queste espressioni facciali sono state successivamente mappate in stati emozionali. Per quanto concerne il dominio vocale, sono state estratte alcune caratteristiche prosodiche e spettrali (come pitch, mfcc e così via) della voce che mediante alcune tecniche contemplate nella disciplina del machine learning hanno permesso la loro mappatura con gli stati emozionali. Nel dominio del gestuale, mediante l’uso del dispositivo Kinect e quindi l’analisi delle mappe di profondità è stato possibile rilevare i joints (gomiti, spalle, torso e così via) e le distanze tra i vari joints permettendo così una mappatura dei gesti per poi identificarli in stati emozionali. Sviluppo di una piattaforma di Ambient Assisted Living, costituita da due moduli software. Un modulo di visione artificiale atto a riconoscere le cadute di persone anziane in ambienti domestici sfruttando le potenzialità e i limiti del sensore Microsoft Kinect. Un modulo di riconoscimento vocale che si occupa di gestire tutti i tipi di comandi vocali per confermare un probabile “evento caduta”. All’interno della piattaforma intelligente, il riconoscimento vocale legato all’evento caduta, fornisce uno strumento di verifica che si aggiunge al modulo caduta, rendendo quest’ultimo più robusto e affidabile. Il suddetto sistema di riconoscimento vocale è stato utilizzato anche in scenari tipici della domotica classica (accensione luci, apertura porte, regolazione tapparelle) per impartire al sistema dei compiti specifici e legati all’attuazione di porte, luci e tapparelle. Esso quindi, si focalizza sul riconoscimento di comandi impartiti da un utente per cui il sistema riconosce solo un certo numero di comandi. Sviluppo di un sistema BCI (Brain Computer Interface) capace di elaborare i segnali provenienti da un caschetto EEG (Elettroencefalogramma) e tramutarli in comandi di alto livello per pilotare un avatar all’interno di un ambiente virtuale. I segnali elettroencefalografici sono registrati attraverso una rete di sensori posizionati all’interno del caschetto. Le tecniche algoritmiche adoperate spaziano da quelle utilizzate per filtrare i segnali dal rumore alle tecniche più innovative, quali l’adozione di particolari topologie di reti neuronali, per classificare tali segnali e per poterli utilizzare come comandi di alto livello. Tale sistema è la base per poter produrre un sistema di monitoraggio dei parametri del paziente che naviga in un ambiente immersivo e controllato. Altre tipologie di segnali molto importanti sono quelli elettromiografici, utilizzati in combinazione ad apparati esoscheletrici. In particolare è stato modellato il sistema muscolo-scheletrico di un arto superiore umano ed implementato un sistema di predizione delle coppie articolari mediante l'analisi dei segnali elettromiografici. Lo scopo dello sviluppo di tecniche di controllo (basate sull'utilizzo di segnali elettromiografici) di esoscheletri per arto superiore è quello a fini riabilitativi. Il laboratorio è particolarmente attivo nelle interfacce d’interazione basate sul tracciamento oculare per persone con ridotte capacità ridotte. L’applicazione di algoritmi di elaborazione di immagini e Computer Vision per l’estrazione di feature oculari consente la stima ed il tracciamento del gaze finalizzata alla realizzazione di interfacce d’interazione quali eye-typing (tastiere virtuali gaze-based) e eye-mouse (emulazione del mouse tramite gaze). Queste interfacce, impiegando i dati di gaze, permettono il controllo delle comuni GUI o la realizzazione di strumenti di comunicazione aumentativa ed alternativa basati sul tracciamento oculare. All’interno del laboratorio ci si occupa anche della progettazione ed implementazione di prototipi NUI (Natural User Interface) atti alla navigazione di ambienti virtuali semi–immersivi in istallazioni espositive. Sfruttando il flusso delle immagini di profondità restituito dal Microsoft Kinect®, realizzando il tracking delle gesture dell’utilizzatore ed interfacciandosi a livello di SO con un visualizzatore Web di immagini ottenute per proiezione esacubica, il tool consente il controllo della navigazione attraverso il riconoscimento di metafore di interazione naturali ed intuitive. Il laboratorio è particolarmente attivo nel campo dello sviluppo di applicazioni mobile, in ambiente Android e iOS, per il riconoscimento vocale al fine di permettere l’attuazione, tramite smartphone, di componenti di un sistema domotico. In ambiente mobile, altrettanto importante, è l’interesse del laboratorio nella progettazione e nello sviluppo di applicazioni per il riconoscimento delle emozioni sia a partire dal segnale vocale che dalle espressioni facciali, al fine di monitorare il livello di attenzione di un pilota di aereo, oppure il livello di soddisfazione di un cliente, oppure per monitorare il livello di stress dei dipendenti di un’azienda, o per la selezione del personale. In generale, il laboratorio, si occupa anche di interfacce che sfruttano il movimento oculare e il blink detection. • Elaborazione di immagini mediche e CAD: sviluppo e validazione di tecniche mirate al miglioramento di qualità e accuratezza delle immagini mediche (CT, MRI, HI) e all'estrazione automatica di parametri morfologici e funzionali utili a caratterizzare e predire stati patologici nei diversi contesti di applicazione; progettazione e sviluppo di sistemi CAD di supporto alla diagnosi. Nel contesto dell’elaborazione di immagini mediche il laboratorio attualmente sviluppa i servizi per il settore nefrologico e onco-ematologico del progetto Smart Health 2.0. L’obiettivo generale del progetto Smart Health è la creazione di un’infrastruttura tecnologica innovativa, sulla quale sviluppare diversi servizi ad alto valore aggiunto per consentire l’attivazione di nuovi modelli di attività nell’area della salute e del benessere. In ambito nefrologico l’obiettivo è realizzare: o Sistema di supporto alle decisioni per la valutazione dell’idoneità del rene effettuata mediante analisi di immagini istologiche. In particolare lo scopo è quello di individuare gli elementi strutturali presenti nel rene, essendo questa operazione fondamentale per assegnare lo score di Karpinski per l’idoneità del rene stesso. o Sistema di visione artificiale per il telemonitoraggio della torbidità del dialisato. L’obiettivo in ambito oncoematologico è quello di realizzare: o Sistema di supporto al processo di analisi dello striscio mediante l’elaborazione dell’immagine istologica del vetrino. Lo scopo è valutare la presenza di importanti famiglie di patologie come mononucleosi, allergie, epatiti, e, soprattutto, leucemie. Il software, in particolare, permette di individuare i leucociti presenti all’interno dello striscio analizzato, di classificarli nelle 5 tipologie (Neutrofili, Linfociti, Monociti, Eosinofili, Basofili) e, infine, di calcolare la formula leucocitaria del paziente. Un altro ambito di ricerca riguarda l’analisi di immagini da risonanza magnetica funzionale. La risonanza magnetica funzionale è un esame diagnostico che cattura il livello di dipendenza dall’ossigeno del sangue, quantità direttamente correlata con l’attività metabolica dei neuroni. Questo esame permette dunque di osservare l’attività celebrale durante l’esecuzione di un compito. La tecnica è utilizzata per comprendere le connettività celebrali e le aree che si attivano o deattivano in particolari condizioni, come lo svolgimento di un compito, un’attività cognitiva, o per soggetti in condizioni di patologia mentale. L’analisi riguarda lo studio di un insieme di pazienti schizofrenici sottoposti a un test mnemonico. In particolare, si vogliono comprendere se esistono specifiche aree del cervello che si attivano diversamente, rispetto a un corrispondente set di soggetti sani. Lo scopo finale della ricerca è fornire uno strumento semi-automatico che aiuti il neurologo e lo psichiatra nella diagnosi di patologie mentali come appunto (ma non solo) la schizofrenia. Lo studio è svolto in collaborazione con il Dipartimento di Neurologia dell’Università di Bari • Bioinformatica e Data Mining: modelli statistici per l’interpretazione dei dati provenienti da esperimenti di biologia molecolare e biochimica, mediante uso di Microarray; analisi e sviluppo di algoritmi innovativi a supporto dei processi di Next Generation Sequencing; modelli e strumenti matematici per l’analisi di sequenze di DNA/RNA, predizione e espressione genica, analisi dell’allineamento di sequenze proteiche; analisi statistica di dati farmacologici al fine di identificare e verificare relazioni tra farmaci con stesso esito e relazioni di tipo causa-effetto tra fenomeni di vario tipo. Per quanto concerne il Data Mining, le attività di interesse sono molteplici e riguardano lo studio e la ricerca di tecniche contemplate nella disciplina del Machine Learning atte allo sviluppo di sistemi di supporto alle decisioni (SSD). In particolare, con l’utilizzo di tecniche ad apprendimento automatico, come le Reti Neurali Artificiali (ANN), le Support Vector Machine (SVM), ecc., ci si focalizza sullo sviluppo di modelli per la classificazione dello status emozionale, modelli per la classificazione della risonanza e dissonanza tra due soggetti durante un colloquio di lavoro, modelli per la predizione dei rischi correlati ai mezzi per il trasporto postale. COORDINAMENTO E COLLABORAZIONE A PROGETTI NAZIONALI E INTERNAZIONALI Il Laboratorio di Informatica Industriale è coinvolto e partner in numerosi progetti di ricerca ed in particolare: • • PON01_01864: LAMReCor/DeSMO con Poste Italiane SpA (Responsabile Scientifico DeSMO Mastronardi), il progetto LAMRECOR sviluppa un insieme di soluzioni tecnologiche e servizi per la logistica avanzata, attraverso una forte integrazione del sistema di smistamento e recapito della corrispondenza e di altri prodotti postali di Poste Italiane SpA con tecnologie ICT innovative riguardanti l’acquisizione dati, la componentistica, la modellistica, lo sviluppo di sistemi di elaborazione e trasmissione di dati ed informazioni ad un’utenza diffusa e diversificata. L'Italia è il paese con la più elevata quantità pro capite di mobilità motorizzata. Questo scenario non interessa solo la mobilità delle persone ma ovviamente anche la mobilità delle merci. Nel trasporto terrestre i mezzi privati coprono circa l'82% della domanda. Si registra poi una crescita sostenuta del trasporto su motocicli e ciclomotori. Le merci continuano a viaggiare prevalentemente su strada (il 71,9% nel 2008), poco in nave (18,3%) e pochissimo su ferrovia (9,8%). Uno degli ambiti del progetto riguarda proprio i sistemi logistici basati su veicoli a due ruote. Si tratta di una tematica che interessa un numero crescente di operatori in tutta Europa e che è particolarmente importante nel nostro Paese, dove la diffusione dei motocicli – sia nelle attività professionali che nell’uso quotidiano da parte del cittadino – è particolarmente rilevante. Le tecnologie sviluppate dal progetto ed i risultati ottenuti sono, quindi, di interesse per un vasto numero di imprese operanti nei settori commerciali più diversi, e si prestano allo sviluppo di una vasta gamma di servizi al cittadino che interessano una platea di utenti molto ampia. L'obiettivo generale del progetto è l'analisi delle attività di trasporto degli operatori di Poste Italiane e delle merci attraverso la realizzazione di sistemi di monitoraggio. Tali sistemi, attraverso la sperimentazione “integrata” di innovazioni tecnologiche, potranno diffondere buone pratiche e soluzioni innovative applicabili alla minimizzazione dell’impatto ambientale della flotta di veicoli, alla ottimizzazione dei processi produttivi, al miglioramento del livello di sicurezza degli operatori, sviluppato sulla base dell’analisi di dati relativi alla movimentazione di merci/attrezzature, nonché di dati relativi al funzionamento ed allo stato dei mezzi, ed attuato attraverso la realizzazione e l’implementazione di sistemi multi-sensore e lo sviluppo e progettazione di dispositivi di ausilio per situazioni di emergenza PON FIT B01/0660/02/X17: SS-RR con AMT Services s.r.l. (Responsabile Scientifico Bevilacqua), il progetto di ricerca SS-RR (Sviluppo di un Sistema per la Rilevazione della Risonanza) si pone l’obiettivo di sviluppare delle metodologie che, supportate da tecnologie esistenti, possano dar vita a servizi innovativi. In particolare lo scenario in cui ci si muove è quello in cui vi è interesse a rilevare i livelli di armonia relativi ad uno o più individui in relazione ad una serie di eventi e stimoli esterni. Ci si riferisce, ad esempio, alla misurazione del gradiente di soddisfazione di un interlocutore, al gradiente di felicità di un soggetto intervistato, al gradiente di interesse di uno studente nel corso di una lezione, etc. Da questo punto di vista, l’innovazione e l’utilità portati dal programma potranno tradursi nella moderna volontà di conoscere la sintonia esistente tra le persone che interagiscono, nella misurazione della accresciuta conoscenza, preparazione o interesse maturati a valle di un confronto, di un dialogo, di una lezione, di un’indagine, di un’esperienza di gruppo. Questo progetto ha l’obiettivo di utilizzare le tecnologie attualmente disponibili sul mercato per creare dei servizi a valore aggiunto. In particolare utilizzando dispositivi quali smart-phone, iPhone, palmari, portatili di ultima generazione è possibile pensare di utilizzare dei software associati ad opportuna sensoristica in grado di acquisire informazioni sullo stato emotivo di chi si sta monitorando. I dati a cui si fa riferimento sono quelli propri del corpo umano sottoposto a particolari sollecitazioni fisico-emotive. Dall’incrocio di questi dati sarà possibile, attraverso sofisticati modelli propri della psicologia, ricostruire il gradiente di soddisfazione di un • • • • • interlocutore, il gradiente di felicità di un soggetto intervistato, il gradiente di interesse di uno studente nel corso di una lezione, etc. Come precedentemente argomentato, quindi, non sarà necessario utilizzare sofisticate apparecchiature invasive, ma unicamente sfruttare le possibilità fornite dai moderni dispositivi, l’introduzione di modelli derivanti dalla psicologia e in grado di legare parametri fisici-emozionali a stati della persona e l’utilizzo di software appositamente progettati ed implementati in grado di collezionare, attraverso l’utilizzo di semplici dispositivi non invasivi, simili all’iPod per tipologia e dimensione, i dati. LivingLabs: IHCS (Responsabile Scientifico Bevilacqua) IHCS ( Innovative Health Care System ) è un progetto finanziato dalla regione Puglia in ambito di un bando Living Lab, al quale hanno preso parte diverse aziende con l’obiettivo di sviluppare un sistema di telemedicina, atto a favorire la riabilitazione ed il monitoraggio costante di pazienti affetti da malattie rare neurodegenerative. L’architettura logico – fisica del sistema è costituita da un nodo centrale ( portale web ) che ha il compito di tenere traccia di informazioni relative a quattro tipi di attori: pazienti, care giver , medici di base e\o specialisti. In qualsiasi momento, ciascuno di questi attori è in grado di accedere ad una serie di informazioni ( opportunamente filtrate a seconda dei casi ) tramite il portale web. E’ importante sottolineare che l’intero progetto è finalizzato a monitorare un determinato sottoinsieme di pazienti, ovvero coloro che sono affetti da malattie neurodegenerative, nella fattispecie la malattia di Huntington. LivingLabs: eSUAP (Responsabile Scientifico Bevilacqua), Piattaforma integrata di gestione telematica dell’ufficio dello Sportello Unico delle Attività Produttive (SUAP) territoriale, rivolta all’utente di back office e all’utente cittadino/ impresa/ professionista portatore di istanze, rispondente alle normative cogenti. Il servizio sarà completamente telematico, efficiente e trasparente, per rendere più efficace l'iter procedurale e istruire, in autonomia e in maniera guidata, i procedimenti amministrativi con il pieno controllo, continuo e attivo, sulla istruzione ed evoluzione dei propri procedimenti amministrativi. LivingLabs: ResCap (Responsabile Scientifico Bevilacqua), “Residual Capabilities” coinvolge le branche della Realtà Virtuale, Brain Computer Interfaces (BCI) e Domotica e si prefigge l'obiettivo di riqualificare gli ambienti vitali di soggetti affetti da disagi psico-fisici allo stadio iniziale della perdita dell'autonomia al fine di ridurre lo stress che questi soggetti percepiscono all'interno di tali ambienti. Attraverso una fedele acquisizione, digitalizzazione e virtualizzazione degli ambienti reali, il soggetto viene immerso nell'ambiente virtuale all'interno del quale possono essere variate in real-time caratteristiche come l'illuminazione o suoni dell'ambiente. Servendosi di sensoristica EEG/ECG si cercano di individuare la condizione di stress del paziente e di localizzarne la fonte. La configurazione migliore degli ambienti viene poi utilizzata come linee guida per la progettazione e installazione di un sistema domotico ad-hoc in grado di implementare le modifiche decise. Il sistema di somministrazione di realtà virtuale permette la modifica delle fattezze degli ambienti tramite messaggi JSON inviati su una connessione TCP tra l'interfaccia dell'operatore medico e il visore di realtà virtuale Oculus Rift che indossa il soggetto. Allo stesso tempo, il paziente indossa il frontino MuseBand o un equivalente sensore per l'elettroencefalografia (EEG), allo scopo di monitorare una sua eventuale condizione di stress riconosciuta attraverso l'osservazione dei segnali cerebrali catturati tramite i suddetti elettrodi. L'implementazione tramite dispositivi domotici prevede la variazione del colore delle pareti tramite strip-led, variazione di intensità e colore delle comuni fonti luminose interne (cromoterapia), diffusione di suoni di voci famigliari e/o riproducenti particolari ambientazioni, tracciamento di percorsi luminosi colorati sul pavimento come rapida guida per l'individuazione di vani d'interesse nell'appartamento (come i servizi sanitari o la cucina). A sistema domotico implementato, i parametri vitali del paziente verranno continuamente tenuti sotto controllo remoto da un centro d'elaborazione dati ad-hoc dove dei medici specialisti osserveranno le risposte del paziente nella nuova configurazione degli ambienti e decideranno, qualora lo ritengano opportuno, di variare le impostazioni dei dispositivi domotici. Partenariato regionale: MET-AAL (Responsabile Scientifico Bevilacqua), “METhodology and instruments for pervasive model in Ambient Assisted Living” è una piattaforma di ambient intelligence dotata di tecnologia pervasiva utile per fornire supporto, assistenza e servizi ai soggetti con carenze di autosufficienza. Ogni elemento disposto nell’ambiente costituisce un nodo di rete in grado di trasferire informazioni ad un sistema di monitoraggio e controllo che, tramite algoritmi previsionali, adegua la risposta dell’ambiente in funzione del contesto percepito e delle esigenze del soggetto. Partenariato regionale: SKIN (Responsabile Scientifico Bevilacqua) COLLABORAZIONE CON LABORATORI O CENTRI DI RICERCA STRANIERI Il laboratorio collabora con i seguenti gruppi di ricerca: • • • • • Università degli Studi di Bari (Dipartimento di Biologia molecolare, Dipartimento di Neurologia e Organi di Senso, Dipartimento di Emergenza e Trapianti di Organo, Dipartimento di Medicina Interna e Medicina Pubblica) Consorzio BioSistema scrl (Centro di Competenza Tecnologica, sede legale presso Università di Sassari) Istituto Tumori Giovanni Paolo II di Bari Laboratorio Percro Scuola Superiore Sant’Anna Laboratorio Accreditato MIUR di AMT Services srl APPARTENENZA A COMITATI EDITORIALI Springer LNCS-LNAI – Proceedings of International Conference on Intelligent Computing Mondo Digitale (Organo Ufficiale AICA - indicizzata Scopus) Franco Angeli (Collana di Informatica) Organizzazione di eventi scientifici in sede internazionale 1. Program Chair of ICIC (International Conference on Intelligent Computing) 2009; 2. Publication Chair of ICIC 2010; 3. Tutorial Chair of ICIC 2011; 4. Publication Chair of ICIC 2012; 5. Workshop/Special Session Chair of ICIC 2013; 6. Award Committee Chair of ICIC 2014; 7. Lecturer at International School on Medical Imaging using Bio-inspired and Soft Computing-Miere (Spain) MIBISOC FP7-PEOPLE-ITN-2008 nel 2011. RISULTATI DELLA RICERCA 2013 (co–autori in corsivo) PRODUZIONE SCIENTIFICA • Contributi in rivista: Bevilacqua, 3; • Monografie: Bevilacqua ,1 ; • Proceedings: Bevilacqua ,4 ; Mastronardi ,1; Marino ,1. PUBBLICAZIONI CON CO–AUTORI STRANIERI: ; Bevilacqua, 1 PROGETTI COMPETITIVI: • PON01_01864: LAMReCor/DeSMO con Poste Italiane SpA (Responsabile Scientifico DeSMO Mastronardi) • PON FIT B01/0660/02/X17: SS-RR con AMT Services s.r.l. (Responsabile Scientifico Bevilacqua) • LivingLabs: IHCS ( Innovative Health Care System ) (Responsabile Scientifico Bevilacqua) • LivingLabs: ResCap Residual Capabilities (Responsabile Scientifico Bevilacqua) • LivingLabs: eSUAP (Responsabile Scientifico Bevilacqua) • Partenariato regionale: MET-AAL “METhodology and instruments for pervasive model in Ambient Assisted Living “, (Responsabile Scientifico Bevilacqua) • Partenariato regionale: SKIN “Sysstem of Knowledge delivered by an Innovative Network “, (Responsabile Scientifico Bevilacqua)
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