Στην παρούσα διπλωματική εργασία, εκτιμώνται τα πλεονεκτήματα που παρέχουν οι βοηθητικές τεχνολογίες, όπως είναι τα εικονικά περιβάλλοντα, για προγράμματα σπουδών σε μαθητές με ελαφρά νοητική καθυστέρηση. Επίσης, μελετώνται οι αντιληπτικές και χωρικές ικανότητες παιδιών με νοητική καθυστέρηση συγκριτικά με αυτές των παιδιών τυπικής ανάπτυξης, χρησιμοποιώντας μία εφαρμογή εικονικής πραγματικότητας. Για την διερεύνηση των παραπάνω, πραγματοποιήθηκε μία ερευνητική διαδικασία αποτελούμενη από δύο φάσεις. Η πρώτη φάση συνίσταται σε μία πιλοτική εφαρμογή του προγράμματος εικονικής πραγματικότητας, όπου ζητήθηκε από μία ομάδα 10 ατόμων, ηλικίας 16-23 ετών, να το αξιολογήσουν ώστε να επιτραπεί η χρήση του στην επόμενη φάση. Η δεύτερη φάση περιέχει την κυρίως έρευνα, όπου συμμετέχουν δύο ομάδες παιδιών, η μία εκ των οποίων αποτελείται από παιδιά με νοητική καθυστέρηση, ενώ η άλλη από παιδιά τυπικής ανάπτυξης. Τα υποκείμενα των δύο ομάδων εξερεύνησαν το εικονικό περιβάλλον και εν συνεχεία αξιολογήθηκαν σε κάποια έργα χωρικής μνήμης και χωρικής αντίληψης. Τέλος, αξιολογήθηκε ο προσανατολισμός, η λεπτή κινητικότητα και κάποια άλλα χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς των υποκειμένων. Βάσει των δεδομένων που προέκυψαν από την ερευνητική διαδικασία, εξήχθησαν συμπεράσματα για τα παραπάνω, τα οποία παρουσιάζουν τα παιδιά με νοητική καθυστέρηση να μειονεκτούν έναντι των παιδιών τυπικής ανάπτυξης. / The following research paper, which serves as a part of the Departments requirements leading to a Bachelor’s Degree, unfolds its goal and objectives into phases. The goal of this endeavor is to present the advantages that assistive technologies, such as Virtual Environments, offer to students with mental retardation. In addition, the conceptual and spatial abilities of mentally retarded children are examined, comparatively with the abilities of nonretarded children using an application of virtual reality. In order to investigate the above, a two-phase research had taken place. In the first phase, that is a pilot test, a group of ten subjects, 16-23 years old, evaluated this application in order to be possible to use the application in the next phase. The second phase involves the basic research, where two groups of children, one of mentally retarded children and one of nonretarded children, took part. The subjects of these two groups explored the virtual environment and afterwards they completed tests of spatial memory and spatial cognition. In the end, the orientation, the “delicate mobility” (the ability to handle small objects) and some other characteristics of the children’s behavior were assessed. On the basis of the data that emerged from the research procedure, there were extracted conclusions that indicate that mentally retarded children are deficient against nonretarded children.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζεται στην ανάπτυξη αποδοτικών τεχνικών μεταγλώττισης για επαναπροσδιοριζόμενα ολοκληρωμένα συστήματα αρχιτεκτονικών πίνακα. Χρησιμοποιήθηκαν εφαρμογές που κυριαρχούνται από δεδομένα για τον έλεγχο των μεθοδολογιών. Σκοπός είναι να βελτιστοποιηθεί η εκτέλεση των εφαρμογών ως προς χαρακτηριστικά των επαναπροσδιοριζόμενων συστημάτων όπως η απόδοση, ο αριθμός εντολών ανά κύκλο ρολογιού, η επιφάνεια ολοκλήρωσης και ο βαθμός χρησιμοποίησης των επεξεργαστικών πόρων. Αυτό επιτυγχάνεται με την εισαγωγή πρωτότυπων τεχνικών χαρτογράφησης αλλά και την εύρεση βέλτιστων αρχιτεκτονικών. Στο πρώτο τμήμα της διατριβής υλοποιήθηκε η έρευνα, ανάπτυξη και αυτοματοποίηση τεχνικών μεταγλώττισης για επαναπροσδιοριζόμενα συστήματα αρχιτεκτονικών πίνακα. Κύριο χαρακτηριστικό αυτών των αρχιτεκτονικών είναι ύπαρξη μεγάλου αριθμού επεξεργαστικών στοιχείων που δουλεύουν παράλληλα με αποτέλεσμα να επιταχύνουν την εκτέλεση εφαρμογών που εμφανίζουν παραλληλία πράξεων. Η λειτουργία τους σε ενσωματωμένα συστήματα είναι αυτή ενός συνεπεξεργαστή. Η έρευνα πάνω σε επαναπροσδιοριζόμενες αρχιτεκτονικές πίνακα έχει αποκτήσει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω της ευελιξίας, της επεκτασιμότητας και της απόδοσής τους, ιδιαίτερα σε εφαρμογές που κυριαρχούνται από δεδομένα. Η μεταγλώττιση, όμως, εφαρμογών πάνω σε αυτές χαρακτηρίζεται από υψηλή πολυπλοκότητα. Απαιτούνται κατάλληλα εργαλεία και ειδικές μεθοδολογίες χαρτογράφησης για την εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών αυτών των αρχιτεκτονικών. Με αυτό το σκεπτικό, προτάθηκε μια πρωτότυπη επαναστοχεύσιμη μεθοδολογία χαρτογράφησης εφαρμογών, η οποία επιπλέον έχει αυτοματοποιηθεί με τη χρήση ενός πρότυπου εργαλείου μεταγλώττισης που στοχεύει σε ένα αρχιτεκτονικό παραμετρικό πρότυπο. Αποτέλεσμα ήταν η εύρεση των βέλτιστων αρχιτεκτονικών με βάσει την απόδοση, τον αριθμό των εντολών ανά κύκλο ρολογιού και το χρόνο εκτέλεσης του εργαλείου, για μια ομάδα εφαρμογών. Η αποδοτικότητα μιας επαναπροσδιοριζόμενης αρχιτεκτονικής πίνακα ως προς την ταχύτητα και το κόστος σε υλικό είναι δύσκολο να μετρηθεί, για αυτό έχουν υπάρξει λίγες έρευνες που μελετούν την επίδραση αρχιτεκτονικών παραμέτρων πάνω σε παράγοντες όπως η επιφάνεια ολοκλήρωσης και ο αριθμός εντολών ανά κύκλο ρολογιού. Επιπλέον, καμιά εργασία δεν έχει εξετάσει την επίδραση πολλαπλασιαστών ενσωματωμένων στα επεξεργαστικά στοιχεία των επαναπροσδιοριζόμενων αρχιτεκτονικών. Χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα επαναστοχεύσιμη μεθοδολογία μεταγλώττισης και μια παραμετρική υλοποίηση της αρχιτεκτονικής σε γλώσσα περιγραφής υλικού, εξετάζουμε την επίδραση των πολλαπλασιαστών από τη μεριά της χαρτογράφησης και της αρχιτεκτονικής. Επίσης, περιγράφεται η πρωτότυπη μεθοδολογία χαρτογράφησης που εισήχθη με σκοπό την αποδοτική λειτουργία του αλγορίθμου Fast Fourier Transform (FFT) πάνω σε επαναπροσδιοριζόμενα συστήματα αρχιτεκτονικών πίνακα. Ο αλγόριθμος FFT χαρακτηρίζεται από μεγάλο αριθμό πράξεων κυρίως πολλαπλασιασμών που επιβραδύνουν την απόδοση μιας επαναπροσδιοριζόμενης αρχιτεκτονικής. Εκμεταλλευόμενοι την ύπαρξη εσωτερικής επαναληπτικής δομής μέσα στον αλγόριθμο και χρησιμοποιώντας μια επαναπροσδιοριζόμενη αρχιτεκτονική 16 επεξεργαστικών στοιχείων, αναπτύξαμε μια πρωτότυπη τεχνική χαρτογράφησης. Επιπρόσθετα, η τεχνική μας λαμβάνει υπόψη την ιεραρχία μνήμης μεταξύ κύριας μνήμης και επαναπροσδιοριζόμενης αρχιτεκτονικής για την περαιτέρω επιτάχυνση εκτέλεσης του αλγορίθμου FFT. Η χρήση της προτεινόμενης τεχνικής χαρτογράφησης οδηγεί σε επίτευξη βαθμού χρησιμοποίησης των επεξεργαστικών στοιχείων άνω του 90%, τιμή που είναι τουλάχιστον 37% υψηλότερη από την καλύτερη τιμή της βιβλιογραφίας. / The object of this PhD thesis focuses on developing efficient mapping techniques for coarse grain reconfigurable build arrays. Data intensive applications were used to evaluate the proposed methodologies. The aim is to optimize the applications’ performance on characteristics targeting reconfigurable characteristics such as performance, instructions per cycle, area of integration and processing resource utilization. This is achieved by introducing novel mapping techniques and finding optimal architectures. In the first part of the thesis research, development and automation of mapping techniques was carried out targeting coarse grain reconfigurable arrays. The main feature of these architectures is the presence of a large number of processing elements working in parallel thus speeding up the execution of applications featuring parallel operations. The function of these processing elements in embedded systems resembles that of a coprocessor. The research on reconfigurable array architectures has gained considerable interest because of their flexibility, scalability and performance, particularly in data intensive applications. Nevertheless, compiling these applications on reconfigurable architectures is characterized by high degree of complexity. Appropriate tools and special mapping methodologies are needed to exploit the characteristics of these architectures. Bearing this in mind, we proposed a novel reconfigurable methodology for mapping applications, which has also been automated with the use of a prototype compiler tool aiming at a parametric architectural model. The result was finding the best architectures on the basis of performance, the instructions per cycle term and the tool execution time for a sample set of applications. It is difficult to evaluate the efficiency of a reconfigurable array architecture table in terms of speed and area of integration, so there have been few cases studying the effect of architectural parameters on factors such as surface integration and the number of instructions per clock cycle. Moreover, no work has examined the multipliers’ impact embedded in reconfigurable architectures processing elements. Using the existing reconfigurable mapping methodology and a parametric implementation of the architecture in hardware description language, we examine the effect of multipliers on the part of the mapping phase and architecture. We also describe an original mapping methodology introduced for the purpose of efficiently mapping the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm on reconfigurable array architectures. The FFT algorithm is characterized by a large number of operations primarily multiplications that slow the performance of a reconfigurable architecture. Exploiting the existence of an internal structure inside the FFT algorithm and by the use of a reconfigurable architecture template of 16 processing elements, we developed a novel mapping technique. Additionally, our technique takes into account the memory hierarchy between main memory and reconfigurable architecture in order to further accelerate the implementation of the FFT algorithm. Using the proposed mapping technique results in processing elements utilization of over 90% value which is at least 37% better than the best value of the related literature.

Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη της παράκτιας ζώνης της νήσου Λέρου στο Νοτιοανατολικό Αιγαίο, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα της ερμηνείας των γεωφυσικών στοιχείων που συλλέχθηκαν από το Εργαστήριο Θαλάσσιας Γεωλογίας και Φυσικής Ωκεανογραφίας (Ε.ΘΑ.ΓΕ.Φ.Ω.) τον Ιούνιο του 2011. Η έρευνα φιλοδοξεί να συνεισφέρει στην ανάδειξη της υποθαλάσσιας πολιτιστικής και φυσικής κληρονομιάς του νησιού, καθώς η συλλογή, επεξεργασία και ερμηνεία του συνόλου των δεδομένων επέτρεψε την αναγνώριση και την λεπτομερή χαρτογράφηση υποθαλάσσιων στόχων μεγάλης ιστορικής και περιβαλλοντικής σημασίας. Ως εκ τούτου, η διατριβή κινείται σε δύο κατευθύνσεις. Η πρώτη κατεύθυνση αφορά στον εντοπισμό στόχων πιθανής ιστορικής σπουδαιότητας που εντοπίστηκαν στην επιφάνεια του πυθμένα ενώ η δεύτερη κατεύθυνση αφορά στον εντοπισμό και την αποτύπωση βιογενών σχηματισμών και συγκεκριμένα λειμώνων P. Oceanica και ασβεστιτικών ροδοφυκών (corallegene formations). Οι θαλάσσιες έρευνες πραγματοποιήθηκαν σε δύο διακριτά στάδια, στην συστηματική αποτύπωση του πυθμένα με ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης (EG&G 272 TD) και την οπτική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της ηχοβολιστικής αποτύπωσης με σύστημα συρόμενης υποβρύχιας κάμερας. Η ανάλυση και επεξεργασία των ηχογραφιών οδήγησε στον εντοπισμό ναυαγίων που συνδέονται με τη Μάχη της Λέρου (9-10/1943), ένα από τα σημαντικότερα πολεμικά γεγονότα που έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου πολέμου, στην ανατολική Μεσόγειο και τα οποία αποτελούν πολύτιμα ιστορικά στοιχεία σε παγκόσμια κλίμακα, μεταξύ των οποίων το βυθισμένο ελληνικό αντιτορπιλικό Βασίλισσα ‘Ολγα (D15). Στο πλαίσιο της δεύτερης κατεύθυνσης εντοπίστηκαν και χαρτογραφήθηκαν οι λειμώνες P. Oceanica και οι σχηματισμοί των ασβεστιτικών ροδοφυκών σχεδόν ανά όρμο περιμετρικά της νήσου. Η σχεδίαση των αντιστοίχων υποθαλάσσιων θεματικών χαρτών της παράκτιας ζώνης της Λέρου αναμένεται να αποτελέσουν ένα σημαντικό εργαλείο στην προστασία και στην ανάδειξη της σημαντικής υποθαλάσσιας ιστορικής και φυσικής κληρονομιάς του νησιού / The present study describes the submarine geophysical survey which was carried out in Leros Island, Aegean Sea and presents the results of the geophysical data analysis. The data were collected by the Laboratory of Marine Geology & Physical Oceanography, department of Geology, University of Patras during the period 11-17 June 2011. The research aims to contribute to the enhancement of underwater cultural and natural heritage of the island, as the collection, processing and interpretation of all of the data has allowed the identification of underwater targets of great historic and environmental importance. Geophysical survey in Leros Island, using a side scan sonar (EG&G 272 TD), coupled with ground-truthing by deploying a Towing Camera System of historic shipwrecks from World War II and of the major seabed habitats, namely Posidonia oceanica and coralligène formations. The survey revealed a great number of shipwrecks associated with the Battle of Leros (9-10/1943), one of the most important military events that took place during the World War II, in the Eastern Mediterranean which are considered as valuable historic data on a global scale, including the sunken Greek destroyer Queen Olga (D15). The design of the thematic maps of the coastal zone of Leros is expected to become an important tool in both protecting and promoting the significant underwater cultural and natural heritage of the island.

The main goal of this thesis is to propose an evaluation method for visual interface design and more specifically for website design. The proposed visual design evaluation method is an adaptation of Preference Mapping (PM) techniques. It is based on overall preference ratings after multiple comparisons of alternative designs and on various multivariate statistical techniques for the analysis, visualization and interpretation of the resulting data. The suitability of the approach for visual interface design evaluation has been explored in four case studies involving overall 149 participants judging 51 websites. In each case study a different website domain was explored in order to examine whether the importance of certain design characteristics is context specific. Heterogeneity in preferences and perceptions was also studied showing that average construct scores are only representative for subsections of the participant sample. In order to aid the preference interpretation process additional data about study websites have been collected from three distinct sources: a) Subjective construct ratings provided by the participants after preference evaluation b) Descriptive attribute ratings obtained from trained expert panel on the same websites c) Objective measures of visual characteristics of the websites In each case study the potential of these types of measurements to explain preference variance has been investigated individually and in combination. The results showed that depending on the characteristics of each case study varying combinations of these types of data had the best explanatory power. A variety of methods (e.g. Internal and External PM) and statistical techniques (e.g. Principal Component Analysis (PCA), Generalized Procrustes Analysis (GPA) and Partial Least Squares (PLS)) have been used in order to summarize and visualize participant preference data of all case studies. In general, the method proposed in this thesis has several advantages over other visual design evaluation methods as for example use of standardized questionnaires. The method is flexible and can be used in various stages of design development but most importantly it allows for the identification of important visual design characteristics without ignoring the diversity that exist both among users and among website domains. These advantages have been demonstrated in the visual design evaluation studies presented in this thesis involving websites from four distinct domains. / Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η πρόταση και ανάπτυξη μεθόδου αξιολόγησης διεπιφανειών χρήστη που θα λαμβάνει υπόψη τόσο τα αντικειμενικά χαρακτηριστικά σχεδιασμού, όσο και την υποκειμενική διάσταση που διέπει αξιολογήσεις με επίκεντρο τον χρήστη. Για την επίτευξη του στόχου αυτού αναπτύχθηκε μέθοδος αξιολόγησης, η οποία βασίζεται στην συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών σχεδιασμών κατά την φάση συλλογής δεδομένων και στην χαρτογράφηση προτίμησης κατά την φάση ανάλυσης αποτελεσμάτων. Για την διερεύνηση της καταλληλότητας της προτεινόμενης μεθόδου αξιολόγησης, διεξήχθησαν τέσσερις μελέτες περίπτωσης κατά τις οποίες αξιολογήθηκαν συνολικά 51 ιστοσελίδες από 149 αξιολογητές. Κάθε μελέτη περίπτωσης διερευνούσε διαφορετική κατηγορία ιστοσελίδων και διαφορετικά σενάρια χρήσης της μεθόδου (π.χ. φάση προδιαγραφών, αξιολόγηση πρωτοτύπων κ.α.), έτσι ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητα της μεθόδου να εφαρμοστεί σε διαφορετικές συνθήκες. Σημαντικό πλεονέκτημα της προτεινόμενης μεθόδου είναι η δυνατότητα αναγνώρισης ετερογένειας απόψεων του δείγματος, η οποία σε άλλες μεθόδους αξιολόγησης θεωρείται θόρυβος στα δεδομένα και παραβλέπεται. Τα αποτελέσματα των αξιολογήσεων αναδεικνύουν σημαντική ετερογένεια αλλά και σχετική συμφωνία στις προτιμήσεις και αντιλήψεις των συμμετεχόντων. Με στόχο την ερμηνεία των αποτελεσμάτων από τα πειράματα αξιολόγησης διερευνήθηκαν τρεις πηγές δεδομένων πέρα από τις ταξινομήσεις προτίμησης από τους συμμετέχοντες σε όλες τις μελέτες περίπτωσης: α) αξιολογήσεις βάσει υποκειμενικών χαρακτηριστικών από τους ίδιους τους συμμετέχοντες που ταξινόμησαν τις ιστοσελίδες με βάση την προτίμηση τους β) αξιολογήσεις περιγραφικών και αντικειμενικών σχεδιαστικών χαρακτηριστικών από ομάδα εκπαιδευμένων εμπειρογνωμόνων γ) Αντικειμενικές μετρήσεις σχεδιαστικών χαρακτηριστικών με αυτόματα και ημιαυτόματα εργαλεία αναγνώρισης εικόνας Η δυνατότητα να ερμηνευτούν οι προτιμήσεις των χρηστών με την βοήθεια αυτών των πηγών δεδομένων, διερευνήθηκε ξεχωριστά αλλά και σε συνδυασμό σε κάθε μελέτη περίπτωσης. Στόχος ήταν να αποτιμηθεί η δυνατότητα συσχέτισης δεδομένων που διακατέχονται από διαφορετικά επίπεδα υποκειμενισμού με τις προτιμήσεις των συμμετεχόντων. Ιδανικά, θα αρκούσαν αντικειμενικές μετρήσεις και δεν θα επιβαρύνονταν οι χρήστες με επιπλέον βαθμολογήσεις των διεπιφανειών. Τα αποτελέσματα όμως έδειξαν ότι ένας συνδυασμός αντικειμενικών και υποκειμενικών χαρακτηριστικών ήταν ο βέλτιστος για την επιτυχή ερμηνεία των προτιμήσεων των χρηστών. Η μέθοδος αξιολόγησης που προτείνεται στα πλαίσια αυτής της διατριβής παρουσιάζει συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την χρήση τυποποιημένων ερωτηματολόγιων που είναι η επικρατέστερη μέθοδος στον χώρο της επικοινωνίας ανθρώπου υπολογιστή. Τα πλεονεκτήματα αυτά σχετίζονται κυρίως με την ευελιξία της μεθόδου και γίνονται εμφανή στις μελέτες αξιολόγησης που διεξήχθησαν με στόχο την εφαρμογή της μεθόδου για την αξιολόγηση ιστοσελίδων που ανήκουν σε τέσσερα διαφορετικά πεδία εφαρμογής.

Στόχος της παρούσης διπλωματικής είναι η δημιουργία μιας διαδικτυακής εφαρμογής όπου θα υποστηρίζει τη δημιουργία, τη διαχείριση και την εκτέλεση μιας μελέτης αξιολόγησης γραφικού σχεδιασμού διεπιφανειών χρήστη, με τη μέθοδο της χαρτογράφησης προτίμησης, καθώς επίσης και τη συλλογή και αποθήκευση των αποτελεσμάτων. Μετά από βιβλιογραφική έρευνα κρίθηκε σκόπιμο να υλοποιηθεί η μέθοδος της χαρτογράφησης προτίμησης για τη διεξαγωγή της μελέτης. Στη συνέχεια προσδιορίστηκαν οι αρχές πάνω στις οποίες βασίστηκε η σχεδίαση και η ανάπτυξη της εφαρμογής. Η παρούσα εφαρμογή είναι πλούσιας διαδραστικότητας, μπορεί να υλοποιήσει αξιολόγηση από απόσταση και να ικανοποιεί τις απαιτήσεις του ανταποκρινόμενου σχεδιασμού, ενώ ταυτόχρονα παρέχεται η δυνατότητα προσθήκης νέων μεθόδων. Για την υλοποίηση της εφαρμογής χρησιμοποιήθηκαν οι νέες τεχνολογίες διαδικτύου HTML5, CSS3, jQuery καθώς και οι PHP, MySQL, JavaScript, AJAX. Η τελική αξιολόγηση από ειδικούς ευχρηστίας του εργαστηρίου αλληλεπίδρασης ανθρώπου υπολογιστή, έκρινε την εφαρμογή ικανή να εκπληρώσει το στόχο της και έδωσε θετική ανάδραση για περεταίρω βελτίωση. / The aim of the present diploma thesis is the development of a web application which supports the creation, management and execution of a graphic design evaluation study by implementing the method of preference mapping, as well as the collection and storage of results. After extended literature research the method of preference mapping was found to be the most suitable for conducting the study. Subsequently, the main principles were identified upon which the design and development of the application was based on. This rich internet application is able to conduct remote evaluation, while achieving the purpose of responsive design which was a fundamental requirement. It also provides the ability for new evaluation methods to be added. For the implementation of the application new internet technologies as HTML5, CSS3, jQuery were used, as well as PHP, MySQL, JavaScript and AJAX. The usability evaluation of this application was conducted by usability experts of the human computer interaction laboratory. The conclusion of the experts was that the application is highly usable and their recommendations provided effective feedback.

The scope of this thesis is to reveal, identify and investigate promising routes for developing multifunctional composite structures with damage sensing capabilities towards the development of integrated non-destructive inspection (NDI) and structural health monitoring (SHM) capabilities. Two routes were identified and selected for further investigation; the enhancement of multifunctionality of composite systems through the use of nanotechnology and the development of novel damage sensing techniques based on the electrical properties of the composites. Both were selected in the view of better integration of NDI/SHM functionality. Initially, the use of nanotechnology to control the properties of polymer foam systems as part of multifunctional sandwich composite structures has been validated and proven feasible. Electrically conductive nano-composite foams were developed at a varying range of densities. The level of conductivity was controlled by the CNT concentration. The underlying mechanisms for the formation of the CNT network were analyzed closely and as a result a practical processing-structure-property map was proposed for describing the material capabilities. Towards the development of self-sensing functionality, the established electrical conductivity was studied as an index of strain and damage in nano-composite foams. A 1D electrical resistance sensing approach was followed during mechanical compression testing (Electrical Resistance Change Method – ERCM). The variations of the recordings revealed the strain and damage formation within the material. The distinct regions in the response curve were correlated to micro-structural strain and damage mechanisms, effectively demonstrating the capability to develop multifunctional structural materials with self-sensing capabilities. In the direction of novel sensing techniques, answering to the need for an electrical based approach that is transferable and scalable to 2D and even further to more complex 3D shell geometries, the concept of Electrical tomography and the ET inverse problem solution were proposed and studied as a tool for NDI and damage assessment of composite materials. The approach is based on the inherent electrical conductivity of the material and leads the step from conventional 1D electrical sensing to 2D imaging, offering a viable route for utilizing electrical sensing techniques in real applications. The technique delivers a conductivity change map which corresponds to the studied geometry and changes in conductivity are correlated with real damage. For each map, two features were extracted through automated algorithms; the Centre of Interest and the corresponding Region of Interest. It was found that the sensing principle was sensitive enough to extremely small variations of conductivity (less than 0.1% of the inspected area). The post-processing and feature extraction technique was effective in indicating to the location of the developed damage. Taking a step further, the knowledge of the composite material microstructure and expected failure modes have been translated and formulated into an additional mathematical constraint. The formulation is applied to constrain the solution of the ERT inverse problem greatly enhancing the solution and the damage localization in ERT. A concept for merging the two proposed routes for the development of multifunctional structures is then proposed and investigated. The establishment of a conductive 3D network of CNT is exploited using the previously formulated tomographic approaches. The development of a continuous artificial 3D CNT network within the matrix of a structural composite has been shown to provide electrical conductivity to previously non-conductive composites. This 3D network is used for the damage assessment of the composite as any structural damage introduced discontinuities in the 3D network which are located using tomographic approaches. ERT was applied providing 2D imaging for the NDI of composites based on electrical measurements taken from a CNT doped GFRP, effectively sensing variations in the electrical fields and identifying the location of the induced damage. Having shown that ERT can provide useful information on the health/damage state of composite materials, a step further was taken to identify the required steps to apply ERT to larger composite components with more complex geometry. The studied cylindrical component provided a case study to demonstrate the procedure for applying ERT to existing structural components while formulating the ERT inverse problem to cover cases that could not be covered with the up-to-date formulations. In parallel, an alternative approach for post-processing the electrical measurements taken using ET was proposed; the dipole technique. This observational technique was described, formulated and applied to the available experimental data. It was concluded that the dipole technique is effective in delivering a swarm of Damage Estimation Locations which formed convex Region of Interest, effectively locating the damage with small relative error and large inspection area suppression (reaching over 90%). Finally, a practical electrical-based approach was formulated for monitoring a real case of aeronautical component. The goal for monitoring the integrity of composite patch repair on an aluminium component was achieved by proposing a mapping technique to translate distributed 1D electrical measurements to a 2D damage probability map. The proposed approach was formulated theoretically and verified on experimental level under simulated service conditions. It was concluded that the technique can effectively identify the location of damage which was verified by thermographic imaging techniques. This final approach essentially bridges the area between 1D ERCM techniques on specimen level and the ERT approach proposed in this thesis. / Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση, η αναλυτική μελέτη και η αποτίμηση της εφαρμογής νέων υλικών και μεθοδολογιών για την ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών κατασκευών από Σύνθετα Υλικά (ΣΥ) με ικανότητα ανίχνευσης βλάβης. Πιο συγκεκριμένα, προτείνονται και μελετώνται δύο κατευθύνσεις: η ανάπτυξη νέων λειτουργιών και η ενίσχυση της πολυ-λειτουργικότητας των συνθέτων υλικών με χρήση νανοτεχνολογίας, και η ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών για την ανίχνευση της βλάβης που να είναι βασισμένες στις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού. Αμφότερες επιλέχθηκαν με στόχο την καλύτερη ενσωμάτωση της ικανότητας ανίχνευσης βλάβης με καινοτόμες μη καταστροφικές μεθόδους. Αρχικά, η χρήση νανοτεχνολογίας και συγκεκριμένα Νανο-Σωλήνων Άνθρακα (ΝΣΑ) για τον έλεγχο των ιδιοτήτων παραγόμενων πολυμερών αφρών ως συνιστώσα πολυλειτουργικών ΣΥ τύπου sandwich προτάθηκε, μελετήθηκε και αποδείχτηκε εφικτή. Αναπτύχθηκε η μεθοδολογία για την παραγωγή και κατασκευή ηλεκτρικά αγώγιμων νανοσύνθετων πολυμερών αφρών ως φορέων πολύ-λειτουργικότητας. Με χρήση τεχνικών διασποράς παρήχθησαν νανοσύνθετου αφροί ενισχυμένοι με Νανο-Σωλήνες Άνθρακα (ΝΣΑ) σε διάφορες περιεκτικότητες ΝΣΑ και πυκνότητες. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των αφρών μελετήθηκε ως προς τους δύο αυτές μεταβλητές και με χρήση στατιστικών μοντέλων περιγράφηκε η τελική ιδιότητα των υλικών. Τέλος, προτείνεται ένας χάρτης συσχέτιση μεταξύ παραμέτρων επεξεργασίας-δομής-ιδιότητας. Έχοντας αναπτύξει ηλεκτρικά αγώγιμους αφρούς, στη συνέχεια μελετήθηκε η εφαρμογή ηλεκτρικών μεθόδων παρακολούθησης για την ανίχνευση παραμόρφωσης και βλάβης σε αυτά τα συστήματα υλικών. Η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος ηλεκτρικής ανίχνευσης Electrical Resistance Change Method (ERCM) διερευνήθηκε και αποδείχθηκε αποτελεσματική για τη αξιολόγηση της αναπτυσσόμενης βλάβης κατά τη διάρκεια πειραμάτων συμπίεσης των αφρών. Βάσει των αποτελεσμάτων προτείνεται μια χαρακτηριστική καμπύλη για το συσχετισμό της ηλεκτρικής μέτρησης και των διαφορετικών σταδίων της μηχανικής απόκρισης. Η καμπύλη αυτή καλύπτει ένα σημαντικό εύρος πυκνοτήτων σε αφρούς. Στην κατεύθυνση των νέων μεθοδολογιών ανίχνευσης βλάβης προτείνεται μια μεθοδολογία που βασίζεται στη διαφοροποίηση του αναπτυσσόμενου ηλεκτρικού πεδίου παρουσία βλάβης και αξιοποιώντας ηλεκτρικές μεθόδους 1-Διάστασης (ERCM) προτείνεται μία μεθοδολογία με εφαρμογή στις 2-Διαστάσεις για την αξιολόγηση βλάβης σε σύνθετα υλικά. Η μέθοδος ERCM έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε μια σειρά από μελέτες μικρής κλίμακας, αλλά οι πραγματικές εφαρμογές της απαιτούν εργαλεία απεικόνισης σε 2-Διαστάσεις και 3-Διαστάσεις για το Μη Καταστροφικό Έλεγχο (ΜΚΕ) των κατασκευών. Το πρόβλημα που τοποθετείτε και επιλύεται είναι αυτό της ανίχνευσης και του εντοπισμού βλάβης σε σύνθετα υλικά με συνεχείς ίνες άνθρακα με χρήση κατανεμημένων μετρήσεων του ηλεκτρικού πεδίου και μεθοδολογιών αντίστροφων προβλημάτων. Περιγράφεται η ιδέα της ηλεκτρικής τομογραφίας με την περιγραφή του ευθέως και του αντιστρόφου προβλήματος. Παρουσιάζεται το σύστημα που αναπτύχθηκε για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας και εκτελείται τόσο θεωρητική όσο και πειραματική μελέτη του προβλήματος. Διατυπώνεται η μεθοδολογία επίλυσης του αντίστροφου προβλήματος ηλεκτρικής τομογραφίας και εφαρμόζεται η προκειμένου να υπολογιστούν 2-Δ χάρτες ελέγχου των σύνθετων τμημάτων ως εργαλεία για το ΜΚΕ τους. Η τεχνική αποδεικνύεται ευαίσθητη σε πολύ μικρές βλάβες (<0.1% της παρακολουθούμενης επιφάνειας) και ικανοποιητικά ακριβής στον εντοπισμό της βλάβης καθώς οι εκτιμήσεις της μεθοδολογίας επεξεργασίας αποκλίνουν περίπου 10% από την πραγματική θέση. Η περιοχή ενδιαφέροντος που προσδιορίζεται συμπιέζει έως και 90% την περιοχή ελέγχου. Έχοντας αναδείξει την ευαισθησία και την αποτελεσματικότητα της μεθόδου της Ηλεκτρικής Τομογραφίας στη συνέχεια μελετάται η δυνατότητα συγχώνευσης των δύο προτεινόμενων κατευθύνσεων δηλαδή της χρήση φάσης στη νανο-κλίμακα και ηλεκτρικών τεχνικών παρακολούθηση βλάβης. Διερευνώνται έτσι συνδυαστικές προσεγγίσεις που επιτρέπουν την ανάπτυξη δομικών συστημάτων με ικανότητα ανίχνευσης βλάβης αξιοποιώντας το 3-διάστατο ανεπτυγμένο δίκτυο ΝΣΑ εντός των ΣΥ μέσω ηλεκτρικής τομογραφίας. Η μεθοδολογία επεξεργασίας και διασποράς ΝΣΑ που αναπτύχθηκε προηγούμενα χρησιμοποιείται για την κατασκευή αγώγιμων δομικών πλακών με ίνες γυαλιού. Ηλεκτρική τομογραφία για την ανίχνευση και τον εντοπισμό βλάβης εφαρμόζεται και αξιολογείται η αποτελεσματικότητα της προσέγγισης για ΜΚΕ. Τα αποτελέσματα είναι εξίσου ενθαρρυντικά και επιτυχή αναδεικνύοντας την πρακτικότητα του συστήματος που προτάθηκε. Κατανοώντας την ανάγκη για εφαρμογή της προτεινόμενης τεχνικής ΜΚΕ σε κατασκευές από σύνθετα υλικά μεγαλύτερης κλίμακας και διαφορετικής γεωμετρίας, στη συνέχεια γίνεται μελέτη προς την κατεύθυνση της ωρίμανσης της μεθοδολογίας της Ηλεκτρικής Τομογραφίας. Η μεθοδολογία αναπτύσσεται και εφαρμόζεται σε πειραματικό επίπεδο σε κυλινδρικές δομές. Τα βήματα για τη μετάβαση αυτή από επίπεδες δομές ΣΥ προσδιορίζονται και περιγράφονται ως παράμετροι σχεδιασμού για το σύστημα Ηλεκτρικής Τομογραφίας. Παρουσιάζονται επίσης περιπτώσεις μελέτης μέσω προσομοίωσης καθώς και πειραματικά αποτελέσματα από την εφαρμογή της μεθοδολογίας σε κυλινδρικές δομές από ΣΥ. Μια εναλλακτική προσέγγιση επεξεργασίας των δεδομένων ηλεκτρικής τομογραφίας για τον υπολογισμό σημειακών εκτιμήσεων της θέσης βλάβης προτείνεται και αξιολογείται ακολούθως. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στην τεχνική του Ηλεκτρικού Δίπολου και εφαρμόζεται για την ανίχνευση βλάβης στις περιπτώσεις που αναπτύχθηκαν και διερευνήθηκαν προηγούμενα. Γίνεται αναλυτική σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τα υπάρχοντα δεδομένα και αποτιμάται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου και τα όρια της. Τέλος, η εμπειρία που αποκτήθηκε, τα εργαλεία που αναπτύχτηκαν και η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόζεται σε μια πραγματική περίπτωση αεροπορικής δομής. Η περίπτωση που μελετάται είναι αυτή της δομικής ακεραιότητας επιθεμάτων από σύνθετα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την επισκευή βλάβης σε μεταλλικές κατασκευές από Αλουμίνιο, με χρήση της μεθόδου της ηλεκτρικής τομογραφίας. Η τεχνική που προτείνεται και αξιολογείται χρησιμοποιεί κατανεμημένες ηλεκτρικές μετρήσεις αντίστασης και υπολογίζει έναν διδιάστατο χάρτη του επιθέματος που αποτυπώνει τη χωρική κατανομή της πιθανότητα ύπαρξης βλάβης. Η τεχνική εφαρμόζεται πειραματικά στο κατακόρυφο ουραίο τμήμα ενός ελικοπτέρου και τα αποτελέσματα αξιολογούνται σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους ΜΚΕ.

Εξετάστηκαν κατ'αρχήν οι σχηματισμοί " σκληρά εδάφη-μαλακοί βράχοι" με βάση τη διεθνή και Ελληνική εμπειρία. Διερευνήθηκαν η γεωλογική σύσταση και δομή, σεισμικότητα, τεχνικογεωλογικοί χαρακτήρες και υδρογεωλογικό καθεστώς αυτών στο πλαίσιο του έργου της Ευρείας Παράκαμψης Πατρών (ΕΠΠ). Συντάχθηκε ο τεχνικογεωλογικός-γεωτεχνικός χάρτης της επριοχής έρευνας, σε κλίμακα 1:5000, αξιολογήθηκαν 170 γεωτρήσεις και διαχωρίστηκαν δύο γεωτεχνικές ενότητες των λεπτομερών αυτών ιζημάτων, Ανώτερη και Κατώτερη, οι οποίες αξιολογήθηκαν σε σχέση με τα υπόγεια τεχνικά έργα (σήραγγες). Οι ενότητες αυτές αποτυπώθηκαν σε μηκοτομές των δύο κλάδων του έργου της ΕΠΠ σε κλίμακα 1:5000/1:1000. Έγινε περαιτέρω τεκμηρίωση των ενοτήτων αυτών με βάση λεπτομερή μικροσκοπική μελέτη-ορυκτολογική ανάλυση, αξιολόγηση των εργαστηριακών και επιτόπου δοκιμών, καταγραφή παραμορφώσεων διατομής του έργου (συγκλίσεις), καθώς και ανάδρομες αναλύσεις. Η έρευνα αυτή αποτελεί χρήσιμο οδηγό διερεύνησης ανάλογων σχηματισμών για τον ασφαλή σχεδιασμό υπόγειων τεχνικών έργων. / The formations " hard soils-soft rocks" were firstly examined, based on the international and Greek territory experience. The geological composition and structure of the formations were investigated, as well as seismicity, engineering geological characteristics and hydrogeological regime of the wider area of Patras Ring Road. The engineering geological-geotechnical map of the examined area was drawn up, on a scale of 1:5000, 170 borehole logs were evaluated and two main geotechnical units in these fine sediments were distinguished, Upper and Lower, in relation to the underground works (tunnels). These Units were shown on sections along the two branches of the project, on a scale of 1:5000/1:1000. This discrimination was furthermore documented through detailed microscopic-mineralogical analysis, evaluation of the in situ and laboratory tests, as well as of the recorded deformations of the tunnels cross sections (convergenes) and finally the performance of back analysis. The investigation comprises a useful guide for the examination of such formations, concerning the safe design of underground works.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί ένα συνδυαστικό ερευνητικό προϊόν που στοιχειοθετείται από την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων επεξεργασίας και ανάλυσης θαλάσσιων γεωφυσικών δεδομένων και την εφαρμογή τους σε πρωτογενή δεδομένα, συλλεγμένα από το Εργαστήριο Θαλάσσιας Γεωλογίας και Φυσικής Ωκεανογραφίας (Ε.ΘΑ.ΓΕ.Φ.Ω) του πανεπιστημίου Πατρών, κατά το διάστημα 2005 – 2011. Τα πεδία στα οποία συγκεντρώνεται το κέντρο βάρους της διατριβής είναι: 1) τα συστήματα ακουστικής ταξινόμησης πυθμένα και 2) η χαρτογράφηση και παραμετροποίηση εμφανίσεων των πολύ σημαντικών θαλάσσιων ενδιαιτημάτων της Ποσειδώνιας και των κοραλλιογενών σχηματισμών στο Ιόνιο και στο Αιγαίο πέλαγος. Έτσι αναπτύχθηκαν και παρουσιάστηκαν εκτενώς τα λογισμικά εργαλεία SonarClass και TargAn, που αναφέρονται αντίστοιχα στην αυτόματη ακουστική ταξινόμηση πυθμένα και την παραμετροποίηση περιοχών ενδιαφέροντος σε εικόνες ηχοβολιστών ευρείας σάρωσης και εφαρμόστηκαν για την χαρτογράφηση λειμώνων ποσειδώνιας στη Ζάκυνθο και κοραλλιογενών σχηματισμών (τραγάνας) στις Κυκλάδες νήσους. Παράλληλα και επεκτείνοντας το εύρος των ερευνητικών προϊόντων αυτής της διατριβής, αναπτύχθηκαν επίσης: 1) το λογισμικό SBP-Im-An για τη γεωαναφορά και ψηφιοποίηση παλαιών αναλογικών καταγραφών τομογράφων υποδομής πυθμένα, 2) το λογισμικό χωροστάθμησης θαλάσσιων γεωμαγνητικών δεδομένων MagLevel και 3) το λογισμικό ποσοτικοποίησης αλιευτικών ιχνών σε δεδομένα ηχοβολιστών ευρείας σάρωσης PgStat, με αντίστοιχες σημαντικές εφαρμογές σε πρωτογενή δεδομένα. Η παρούσα διατριβή επιδεικνύει πρωτοτυπία τόσο σε επίπεδο ανάπτυξης νέων μεθόδων ανάλυσης και επεξεργασίας γεωφυσικών δεδομένων όσο και σε επίπεδο παρουσίασης εφαρμογών τους σε περιοχές μελέτης με ιδιαίτερο περιβαλλοντικό ενδιαφέρον αλλά και σε πεδία έρευνας για τα οποία το ενδιαφέρον της σύγχρονης θαλάσσιας επιστημονικής κοινότητας βρίσκεται στο απόγειό του. / The present PhD thesis is a combinational research product concerning the development of software tools for the processing and analysis of marine geophysical data and their application to original data, collected by the Laboratory of Marine Geology and Physical Oceanography (L.M.G.P.O), university of Patras, Greece, during the period 2005-2011. The fields that this thesis focuses on are: 1) the Acoustic Seabed Classification Systems and 2) the mapping and quantification of very important marine habitats that specifically are the Posidonia Oceanica Prairies and the Coralline formations in the Aegean and Ionian seas. The software tools SonarClass and TargAn, that respectively refer to the Acoustic Seabed Classification and the quantification of Regions Of Interest in swath sonar imagery are presented and applied to the cases of Posidonia Oceanica in Zakinthos Isl. (Ionian Sea) and Coralline formations in Cyclades Isl. (Aegean Sea). Additionally and extending the range of the research products of this thesis, other software tools that are presented are: 1) the SBP-Im-An for the recreation (georeferencing and digitization) of old analog Sub Bottom Profiler recordings, 2) the MagLevel for the tie line leveling of marine geomagnetic data and 3) the PGStat for the quantification of trawl marks in swath sonar imagery, all of them with significant applications to original data. This thesis demonstrates originality due to both the development of new methods for the analysis and processing of marine geophysical data and the applications to study areas with particular environmental interest and research fields for which the attention of the marine scientists is at its peak.