Information technology forms an important part of the world and algorithmic trading has already become a common concept among traders. The High Frequency Trading (HFT) requires use of special hardware accelerators which are able to provide input response with sufficiently low latency. This master's thesis is focused on design and implementation of an architecture for order book building, which represents an essential part of HFT solutions targeted on financial exchanges. The goal is to use the FPGA technology to process information about an exchange's state with latency so low that the resulting solution is effectively usable in practice. The resulting architecture combines hardware and software in conjunction with fast lookup algorithms to achieve maximum performance without affecting the function or integrity of the order book.

The quality and efficient processing of increasing amount of multimedia data is nowadays becoming increasingly needed to obtain some knowledge of this data. The thesis deals with a research, implementation, optimization and the experimental verification of automatic machine learning methods for multimedia data analysis. Created approach achieves higher accuracy in comparison with common methods, when applied on selected examples. Selected results were published in journals with impact factor [1, 2]. For these reasons special parallel computing methods were created in this work. These methods use massively parallel hardware to save electric energy and computing time and for achieving better result while solving problems. Computations which usually take days can be computed in minutes using new optimized methods. The functionality of created methods was verified on selected problems: artery detection from ultrasound images with further classifying of artery disease, the buildings detection from aerial images for obtaining geographical coordinates, the detection of materials contained in meteorite from CT images, the processing of huge databases of structured data, the classification of metallurgical materials with using laser induced breakdown spectroscopy and the automatic classification of emotions from texts.

Ačkoliv můžeme v literatuře nalézt řadu příkladů prezentujících evoluční návrh jakožto zajímavou a slibnou alternativu k tradičním návrhovým technikám používaným v oblasti číslicových obvodů, praktické nasazení je často problematické zejména v důsledku tzv. problému škálovatelnosti, který se projevuje např. tak, že evoluční algoritmus je schopen poskytovat uspokojivé výsledky pouze pro malé instance řešeného problému. Vážný problém představuje tzv. problém škálovatelnosti evaluace fitness funkce, který je markantní zejména v oblasti syntézy kombinačních obvodů, kde doba potřebná pro ohodnocení kandidátního řešení typicky roste exponenciálně se zvyšujícím se počtem primárních vstupů. Tato disertační práce se zabývá návrhem několika metod umožňujících redukovat problem škálovatelnosti evaluace v oblasti evolučního návrhu a optimalizace číslicových systémů. Cílem je pomocí několika případových studií ukázat, že s využitím vhodných akceleračních technik jsou evoluční techniky schopny automaticky navrhovat inovativní/kompetitivní řešení praktických problémů. Aby bylo možné redukovat problém škálovatelnosti v oblasti evolučního návrhu číslicových filtrů, byl navržen doménově specifický akcelerátor na bázi FPGA. Tato problematika reprezentuje případ, kdy je nutné ohodnotit velké množství trénovacích dat a současně provést mnoho generací. Pomocí navrženého akcelerátoru se podařilo objevit efektivní implementace různých nelineárních obrazových filtrů. S využitím evolučně navržených filtrů byl vytvořen robustní nelineární filtr implusního šumu, který je chráněn užitným vzorem. Navržený filtr vykazuje v porovnání s konvenčními řešeními vysokou kvalitu filtrace a nízkou implementační cenu. Spojením evolučního návrhu a technik známých z oblasti formální verifikace se podařilo vytvořit systém umožňující výrazně redukovat problém škálovatelnosti evoluční syntézy kombinačních obvodů na úrovni hradel. Navržená metoda dovoluje produkovat komplexní a přesto kvalitní řešení, která jsou schopna konkurovat komerčním nástrojům pro logickou syntézu. Navržený algoritmus byl experimentálně ověřen na sadě několika benchmarkových obvodů včetně tzv. obtížně syntetizovatelných obvodů, kde dosahoval v průměru o 25% lepších výsledků než dostupné akademické i komerční nástroje. Poslední doménou, kterou se práce zabývá, je akcelerace evolučního návrhu lineárních systémů. Na příkladu evolučního návrhu násobiček s vícenásobnými konstantními koeficienty bylo ukázáno, že čas potřebný k evaluaci kandidátního řešení lze výrazně redukovat (defacto na ohodocení jediného testovacího vektoru), je-li brán v potaz charakter řešeného problému (v tomto případě linearita).

This dissertation thesis deals with the methods for processing image data in X-ray microtomography and digital holographic microscopy. The work aims to achieve significant acceleration of algorithms for tomographic reconstruction and image reconstruction in holographic microscopy by means of optimization and the use of massively parallel GPU. In the field of microtomography, the new GPU (graphic processing unit) accelerated implementations of filtered back projection and back projection filtration of derived data are presented. Another presented algorithm is the orientation normalization technique and evaluation of 3D tomographic data. In the part related to holographic microscopy, the individual steps of the complete image processing procedure are described. This part introduces the new orignal technique of phase unwrapping and correction of image phase damaged by the occurrence of optical vortices in the wrapped image phase. The implementation of the methods for the compensation of the phase deformation and for tracking of cells is then described. In conclusion, there is briefly introduced the Q-PHASE software, which is the complete bundle of all the algorithms necessary for the holographic microscope control, and holographic image processing.

This master thesis is focused on volumetric data rendering and on highlighting and visualization of the selected cells of the model organisms. These data are captured by a confocal deconvolution microscope. Input data form one large volumetric block containing separate slices. This data block is rendered by an applicable method and then are identified and visualized the cells marked by the GFP (Green Fluorescent Protein) process or by chlorophyle fluorescency. The principal aim of this work is to find out the preferably optimal effective method enabling this highlighting, most preferably working without a manual check. Due to the data structure, this ambition seems hardly realizable, so it suffices to find out a manual working method. The last step is to embed the results of this work into FluorCam application, the confocal deconvolution microscope data visualizer.

Tato práce představuje nové metody pro verifikaci programů pracujících s neomezenými celočíslenými proměnnými, konkrétně metody pro analýzu dosažitelnosti a~konečnosti. Většina těchto metod je založena na akceleračních technikách, které počítají tranzitivní uzávěry cyklů programu. V práci je nejprve představen algoritmus pro akceleraci několika tříd celočíselných relací. Tento algoritmus je až o čtyři řády rychlejší než existující techniky. Z teoretického hlediska práce dokazuje, že uvažované třídy relací jsou periodické a~poskytuje tudíž jednotné řešení prolému akcelerace. Práce dále představuje semi-algoritmus pro analýzu dosažitelnosti celočíselných programů, který sleduje relace mezi proměnnými programu a~aplikuje akcelerační techniky za účelem modulárního výpočtu souhrnů procedur. Dále je v práci navržen alternativní algoritmus pro analýzu dosažitelnosti, který integruje predikátovou abstrakci s accelerací s cílem zvýšit pravděpodobnost konvergence výpočtu. Provedené experimenty ukazují, že oba algoritmy lze úspěšně aplikovat k verifikaci programů, na kterých předchozí metody selhávaly. Práce se rovněž zabývá problémem konečnosti běhu programů a~dokazuje, že tento problém je rozhodnutelný pro několik tříd celočíselných relací. Pro některé z těchto tříd relací je v práci navržen algoritmus, který v polynomiálním čase vypočítá množinu všech konfigurací programu, z nichž existuje nekonečný běh. Tento algoritmus je integrován do metody, která analyzuje konečnost běhů celočíselných programů. Efektivnost této metody je demonstrována na několika netriviálních celočíselných programech.

This master's thesis contains introduction to image filtration problems, especially to theoretical outlets, whose origin lies in linear systems theory and mathematical function analysis. There are described some approaches and methods which are used to image smoothing and for edge detection in an image. Mainly Sobel operator, Laplace operator and median filter are covered. The main contents of this project is discussion of some approaches of hardware acceleration of image filtering and design of time effective software and hardware implementations of filters in a form of program functions and combinational circuits using theoretical knowledges about time complexity of algorithms. Hardware and software implementation of named filters was done too. For every filter, time of filtration was measured and results were compared and analyzed.

Title: Myodynamics of the support phase during different take-off tasks in human locomotion Objectives: Six types of take-off movement were analyzed in terms of support limb kinematics, take-off dynamics and muscle activation, in order to identify differences in motor control. Methods: 14 male athletes (22.6 ± 4.4 years; 182.4 ± 5.3 cm; 74.7 ± 6.2 kg) took part in laboratory experiment. Each athlete performed six different take-off movements (running, acceleration - first and second step, long jump take-off, high jump take-off and take-off to the hurdle). System Qualisys was used to analyze kinematics of the support limb. Dynamic of the suport phase was measured with Kistler 9281 EA force- plate. ME6000 apparatus was used to measure the muscle activation. Results were processed and statistically evaluated in Matlab (MathWorks, Inc) environment. Pair ANOVA, T-test and Friedmann test were performed to identify differences between take-off movements. regression analysis was introduced to find the relationship between parameters. Results: Significant differences in take-off dynamics are realized with not so significant differences in kinematic and electromyographic parameters. high jump and long jump take-offs acted most specifically in comparison with other types of take-offs. Two typically...

Les travaux présentés dans cette thèse sont lies aux problèmes de vérification de l'atteignabilité et de la terminaison de programmes qui manipulent des données entières non-bornées. On décrit une nouvelle méthode de vérification basée sur une technique d'accélération de boucle, qui calcule, de manière exacte, la clôture transitive d'une relation arithmétique. D'abord, on introduit un algorithme d'accélération de boucle qui peut calculer, en quelques secondes, des clôtures transitives pour des relations de l'ordre d'une centaine de variables. Ensuite, on présente une méthode d'analyse de l'atteignabilité, qui manipule des relations entre les variables entières d'un programme, et applique l'accélération pour le calcul des relations entrée-sortie des procédures, de façon modulaire. Une approche alternative pour l'analyse de l'atteignabilité, présentée également dans cette thèse, intègre l'accélération avec l'abstraction par prédicats, afin de traiter le problème de divergence de cette dernière. Ces deux méthodes ont été évaluées de manière pratique, sur un nombre important d'exemples, qui étaient, jusqu'a présent, hors de la portée des outils d'analyse existants. Dernièrement, on a étudié le problème de la terminaison pour certaines classes de boucles de programme, et on a montré la décidabilité pour les relations étudiées. Pour ces classes de relations arithmétiques, on présente un algorithme qui s'exécute en temps au plus polynomial, et qui calcule l'ensemble d'états qui peuvent générer une exécution infinie. Ensuite on a intégré cet algorithme dans une méthode d'analyse de la terminaison pour des programmes qui manipulent des données entières. / This work presents novel methods for verification of reachability and termination properties of programs that manipulate unbounded integer data. Most of these methods are based on acceleration techniques which compute transitive closures of program loops. We first present an algorithm that accelerates several classes of integer relations and show that the new method performs up to four orders of magnitude better than the previous ones. On the theoretical side, our framework provides a common solution to the acceleration problem by proving that the considered classes of relations are periodic. Subsequently, we introduce a semi-algorithmic reachability analysis technique that tracks relations between variables of integer programs and applies the proposed acceleration algorithm to compute summaries of procedures in a modular way. Next, we present an alternative approach to reachability analysis that integrates predicate abstraction with our acceleration techniques to increase the likelihood of convergence of the algorithm. We evaluate these algorithms and show that they can handle a number of complex integer programs where previous approaches failed. Finally, we study the termination problem for several classes of program loops and show that it is decidable. Moreover, for some of these classes, we design a polynomial time algorithm that computes the exact set of program configurations from which non-terminating runs exist. We further integrate this algorithm into a semi-algorithmic method that analyzes termination of integer programs, and show that the resulting technique can verify termination properties of several non-trivial integer programs. / Tato pr´ace pˇredstavuje nov´e metody pro verifikaci program°u pracuj´ıc´ıch s neomezen´ymiceloˇc´ıslen´ymi promˇenn´ymi, konkr´etnˇe metody pro anal´yzu dosaˇzitelnosti a koneˇcnosti.Vˇetˇsina tˇechto metod je zaloˇzena na akceleraˇcn´ıch technik´ach, kter´e poˇc´ıtaj´ı tranzitivn´ıuz´avˇery cykl°u programu.V pr´aci je nejprve pˇredstaven algoritmus pro akceleraci nˇekolika tˇr´ıd celoˇc´ıseln´ychrelac´ı. Tento algoritmus je aˇz o ˇctyˇri ˇr´ady rychlejˇs´ı neˇz existuj´ıc´ı techniky. Z teoretick´ehohlediska pr´ace dokazuje, ˇze uvaˇzovan´e tˇr´ıdy relac´ı jsou periodick´e a poskytuje tud´ıˇzjednotn´e ˇreˇsen´ı prol´emu akcelerace.Pr´ace d´ale pˇredstavuje semi-algoritmus pro anal´yzu dosaˇzitelnosti celoˇc´ıseln´ych program°u, kter´y sleduje relace mezi promˇenn´ymi programu a aplikuje akceleraˇcn´ı technikyza ´uˇcelem modul´arn´ıho v´ypoˇctu souhrn°u procedur. D´ale je v pr´aci navrˇzen alternativn´ıalgoritmus pro anal´yzu dosaˇzitelnosti, kter´y integruje predik´atovou abstrakci s accelerac´ıs c´ılem zv´yˇsit pravdˇepodobnost konvergence v´ypoˇctu. Proveden´e experimenty ukazuj´ı, ˇzeoba algoritmy lze ´uspˇeˇsnˇe aplikovat k verifikaci program°u, na kter´ych pˇredchoz´ı metodyselh´avaly.Pr´ace se rovnˇeˇz zab´yv´a probl´emem koneˇcnosti bˇehu program°u a dokazuje, ˇze tentoprobl´em je rozhodnuteln´y pro nˇekolik tˇr´ıd celoˇc´ıseln´ych relac´ı. Pro nˇekter´e z tˇechto tˇr´ıdrelac´ı je v pr´aci navrˇzen algoritmus, kter´y v polynomi´aln´ım ˇcase vypoˇc´ıt´a mnoˇzinu vˇsechkonfigurac´ı programu, z nichˇz existuje nekoneˇcn´y bˇeh. Tento algoritmus je integrov´ando metody, kter´a analyzuje koneˇcnost bˇeh°u celoˇc´ıseln´ych program°u. Efektivnost t´etometody je demonstrov´ana na nˇekolika netrivi´aln´ıch celoˇc´ıseln´ych programech.

This work describes design and implementation of radar processor in FPGA. The theoretical part is focused on Doppler radar, principles of radar signal processing methods and target platform Xilinx Zynq. The next part describes design of radar processor including its individual components and the solution is implemented. FPGA components are written in VHDL language. In the end, the implementation is evaluated and possible continuation of this work is stated.