This work deals with part of the encryption algorithm, called S-box and its development. For its development is used evolutionary computing, such as classical genetic algorithm, Estimation of Distribution Algorithm, Cartesian genetic programming and multi-criteria VEGA and SPEA algorithms. This thesis aims to test the properties of substitution boxes to its evolutionary development. Firstly, the work deals with cryptography and issues of s-boxes. There are explained basic concepts and describes the selected criteria of safety. Next chapter explains evolutionary algorithms   and multi-criteria optimization. This knowledge is used to design and program implementation, which are described below. Finally discusses the application of the criteria studied. Discussed here is searching S-boxes in both single-criteria, and especially in multi-criteria genetic search.

The concept of \emph{proper connection number} of graphs is an extension of proper colouring and is motivated by rainbow connection number of graphs. Let $G$ be an edge-coloured graph. Andrews et al.\cite{Andrews2016} and, independently, Borozan et al.\cite{Borozan2012} introduced the concept of proper connection number as follows: A coloured path $P$ in an edge-coloured graph $G$ is called a \emph{properly coloured path} or more simple \emph{proper path} if two any consecutive edges receive different colours. An edge-coloured graph $G$ is called a \emph{properly connected graph} if every pair of vertices is connected by a proper path. The \emph{proper connection number}, denoted by $pc(G)$, of a connected graph $G$ is the smallest number of colours that are needed in order to make $G$ properly connected. Let $k\geq2$ be an integer. If every two vertices of an edge-coloured graph $G$ are connected by at least $k$ proper paths, then $G$ is said to be a \emph{properly $k$-connected graph}. The \emph{proper $k$-connection number} $pc_k(G)$, introduced by Borozan et al. \cite{Borozan2012}, is the smallest number of colours that are needed in order to make $G$ a properly $k$-connected graph. The aims of this dissertation are to study the proper connection number and the proper 2-connection number of several classes of connected graphs. All the main results are contained in Chapter 4, Chapter 5 and Chapter 6. Since every 2-connected graph has proper connection number at most 3 by Borozan et al. \cite{Borozan2012} and the proper connection number of a connected graph $G$ equals 1 if and only if $G$ is a complete graph by the authors in \cite{Andrews2016, Borozan2012}, our motivation is to characterize 2-connected graphs which have proper connection number 2. First of all, we disprove Conjecture 3 in \cite{Borozan2012} by constructing classes of 2-connected graphs with minimum degree $\delta(G)\geq3$ that have proper connection number 3. Furthermore, we study sufficient conditions in terms of the ratio between the minimum degree and the order of a 2-connected graph $G$ implying that $G$ has proper connection number 2. These results are presented in Chapter 4 of the dissertation. In Chapter 5, we study proper connection number at most 2 of connected graphs in the terms of connectivity and forbidden induced subgraphs $S_{i,j,k}$, where $i,j,k$ are three integers and $0\leq i\leq j\leq k$ (where $S_{i,j,k}$ is the graph consisting of three paths with $i,j$ and $k$ edges having an end-vertex in common). Recently, there are not so many results on the proper $k$-connection number $pc_k(G)$, where $k\geq2$ is an integer. Hence, in Chapter 6, we consider the proper 2-connection number of several classes of connected graphs. We prove a new upper bound for $pc_2(G)$ and determine several classes of connected graphs satisfying $pc_2(G)=2$. Among these are all graphs satisfying the Chv\'tal and Erd\'{o}s condition ($\alpha({G})\leq\kappa(G)$ with two exceptions). We also study the relationship between proper 2-connection number $pc_2(G)$ and proper connection number $pc(G)$ of the Cartesian product of two nontrivial connected graphs. In the last chapter of the dissertation, we propose some open problems of the proper connection number and the proper 2-connection number.

Plusieurs types d’applications industrielles complexes, relèvent du domaine multidisciplinaire de l’Electro-Hydro-Dynamique (EHD) où les interactions entre des particules chargées et des particules neutres sont étudiées dans le contexte couplé de la dynamique des fluides et de l’électrostatique. Dans cette thèse, nous avons étudié par voie de simulation numérique certains phénomènes Electro-Hydro-Dynamiques comme l’injection unipolaire, le phénomène de conduction dans les liquides peu conducteurs et le contrôle d’écoulement avec des actionneurs plasma à barrières diélectriques (DBD). La résolution de tels systèmes physiques complexes exige des ressources de calculs importantes ainsi que des solveurs CFD parallèles dans la mesure où ces modèles EHD sont mathématiquement raides et très consommateurs en temps de calculs en raison des gammes d’échelles de temps et d’espace impliquées. Cette thèse vise à accroitre les capacités de simulations numériques du groupe Electro-Fluido-Dynamique de l’Institut Pprime en développant un solveur parallèle haute performance basé sur des modèles EHD avancés. Dans une première partie de cette thèse, la parallélisation de notre solveur EHD a été réalisée avec des protocoles MPI avancés comme la topologie Cartésienne et les Inter-communicateurs. En particulier, une stratégie spécifique a été conçue pour prendre en compte la caractéristique multi-blocs structurés du code. La nouvelle version parallèle du code a été entièrement validée au travers de plusieurs benchmarks. Les tests de scalabilité menés sur notre cluster de 1200 cœurs ont montré d’excellentes performances. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la simulation numérique de plusieurs écoulements EHD typiques. Nous nous sommes intéressés entre autres à l’électroconvection induite par l'injection unipolaire entre deux électrodes plates parallèles, à l’étude des panaches électroconvectifs dans une configuration d'électrodes lame-plan, au mécanisme de conduction basé sur la dissociation de molécules neutres d'un liquide faiblement conducteur. Certains de ces nouveaux résultats ont été validés avec des simulations numériques entreprises avec le code commercial Comsol. Enfin, le contrôle d’écoulements grâce à un actionneur DBD a été simulé à l’aide du modèle Suzen-Huang dans diverses configurations. Les effets de l’épaisseur du diélectrique, de l’espacement inter-électrodes, de la fréquence de la tension appliquée et sa forme d’onde, sur la vitesse maximale du vent ionique induit ainsi que sur la force électrique moyenne ont été étudiés. / Several intricately coupled applications of modern industries fall under the multi-disciplinary domain of Electrohydrodynamics (EHD), where the interactions among charged and neutral particles are studied in context of both fluid dynamics and electrostatics together. The charge particles in fluids are generated with various physical mechanisms, and they move under the influence of external electric field and the fluid velocity. Generally, with sufficient electric force magnitudes, momentum transfer occurs from the charged species to the neutral particles also. This coupled system is solved with the Maxwell equations, charge transport equations and Navier-Stokes equations simulated sequentially in a common time loop. The charge transport is solved considering convection, diffusion, source terms and other relevant mechanisms for species. Then, the bulk fluid motion is simulated considering the induced electric force as a source term in the Navier-Stokes equations, thus, coupling the electrostatic system with the fluid. In this thesis, we numerically investigated some EHD phenomena like unipolar injection, conduction phenomenon in weakly conducting liquids and flow control with dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators.Solving such complex physical systems numerically requires high-end computing resources and parallel CFD solvers, as these large EHD models are mathematically stiff and highly time consuming due to the range of time and length scales involved. This thesis contributes towards advancing the capability of numerical simulations carried out within the EFD group at Institut Pprime by developing a high performance parallel solver with advanced EHD models. Being the most popular and specific technology, developed for the distributed memory platforms, Message Passing Interface (MPI) was used to parallelize our multi-block structured EHD solver. In the first part the parallelization of our numerical EHD solver with advanced MPI protocols such as Cartesian topology and Inter-Communicators is undertaken. In particular a specific strategy has been designed and detailed to account for the multi-block structured grids feature of the code. The parallel code has been fully validated through several benchmarks, and scalability tests carried out on up to 1200 cores on our local cluster showed excellent parallel speed-ups with our approach. A trustworthy database containing all these validation tests carried out on multiple cores is provided to assist in future developments. The second part of this thesis deals with the numerical simulations of several typical EHD flows. We have examined three-dimensional electroconvection induced by unipolar injection between two planar-parallel electrodes. Unsteady hexagonal cells were observed in our study. 3D flow phenomenon with electro-convective plumes was also studied in the blade-plane electrode configuration considering both autonomous and non-autonomous injection laws. Conduction mechanism based on the dissociation of neutral molecules of a weakly conductive liquid has been successfully simulated. Our results have been validated with some numerical computations undertaken with the commercial code Comsol. Physical implications of Robin boundary condition and Onsager effect on the charge species were highlighted in electro-conduction in a rectangular channel. Finally, flow control using Dielectric Barrier Discharge plasma actuator has been simulated using the Suzen-Huang model. Impacts of dielectric thickness, gap between the electrodes, frequency and waveform of applied voltage etc. were investigated in terms of their effect on the induced maximum ionic wind velocity and average body force. Flow control simulations with backward facing step showed that a laminar flow separation could be drastically controlled by placing the actuator at the tip of the step with both electrodes perpendicular to each other.

The goal of this work was the study of evolutionary algorithms and utilization of them for digital circuit design. Especially, a genetic programming and its different manipulation with building blocks is mentioned in contrast to a genetic algorithm. On the basis of this approach, I created and tested a hybrid method of electronic circuit design. This method uses spread schemes according to the genetic algorithm for the pattern problems witch are solved by the genetic programming. The method is more successful and have faster convergence to a solution in difficult electronic circuits design than a common algorithm of the genetic programming.

Výzkum prezentovaný v této práci je zaměřen na evoluční optimalizaci vybraných komponent síťových aplikací určených pro monitorovací systémy vysokorychlostních sítí. Práce začíná studiem současných monitorovacích systémů. Jako experimentální platforma byl zvolen systém SDM (Software Defined Monitoring). Detailně bylo analyzováno zpracování síťového provozu, protože tvoří důležitou součást všech monitorovacích systémů. Jako demonstrační komponenty pro aplikaci optimálních technik navržených v této práci byly zvoleny klasifikátor aplikačních protokolů a hashovací funkce pro síťové toky. Evoluční algoritmy byly zkoumány s ohledem nejen na optimalizaci kvality zpracování dat danou síťovou komponentou, ale i na čas potřebný pro výpočet dané komponenty. Byly zkoumány jednokriteriální i vícekriteriální varianty evolučních algoritmů.     Byl navržen nový přístup ke klasifikaci aplikačních protokolů. Přesná i aproximativní verze klasifikátoru byla optimalizována pomocí CGP (Kartézské Genetické Programování). Bylo dosaženo výrazné redukce zdrojů a zpoždění v FPGA (Programovatelné Logické Pole) oproti neoptimalizované verzi. Speciální síťové hashovací funkce byly navrženy pomocí paralelní verze LGP (Lineární Genetické Programování). Tyto hashovací funkce vykazují lepší funkcionalitu oproti moderním hashovacím funkcím. S využitím vícekriteriální optimalizace byly vylepšeny výsledky původní jednokriteriální verze LGP. Paralelní zřetězené verze hashovacích funkcí byly implementovány v FPGA a vyhodnoceny za účelem hashování síťových toků. Nová rekonfigurovatelná hashovací funkce byla navržena jako kombinace vybraných hashovacích funkcí.  Velmi konkurenceschopná obecná hashovací funkce byla rovněž navržena pomocí multikriteriální verze LGP a její funkčnosti byla ověřena na reálných datových sadách v provedených studiích. Vícekriteriální přístup produkuje mírně lepší řešení než jednokriteriální LGP. Také se potvrdilo, že obecné implementace LGP a CGP jsou použitelné pro automatizovaný návrh a optimalizaci vybraných síťových komponent. Je však důležité zvládnout vícekriteriální povahu problému a urychlit časově kritické operace GP

No description available.

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis se centra en el desarrollo de nuevas técnicas automatizadas que permiten inspeccionar nematodos Caenorhabidits elegans (C. elegans) en placas de Petri estándar, para el análisis de sus comportamientos. C. elegans es un nemátodo de 1mm de longitud, con el cual se pueden realizar distintos experimentos para analizar los efectos de fármacos, compuestos o alteraciones genéticas en su longevidad, su salud física o su cognición. El campo principal metodológico del presente trabajo para el análisis de esos efectos es la visión por computador; y con ello, el desarrollo completo del sistema de visión activo: sistema de iluminación inteligente, sistema de captura óptimo, procesamiento de las imágenes para detección y clasificación de nematodos. Los campos secundarios en esta investigación son el control y robotización. Los C. elegans son animales sensibles a la luz y por ello el primero de los métodos está en la rama de la iluminación inteligente, con el cual se permite regular la intensidad y las longitudes de onda de la luz que reciben los nematodos. El siguiente método es el procesado para la detección y clasificación de movimiento a partir de las imágenes obtenidas con esa iluminación controlada. Tener el ambiente controlado es fundamental, los nematodos son muy sensibles a las condiciones ambientales por lo que puede alterarse su actividad biológica, y con ello los resultados, así que el tercer método es la integración de las técnicas en un nuevo dispositivo que permite automatizar ensayos de lifespan y validar los resultados automáticos comparándolos con los manuales. El movimiento del animal es clave para poder realizar inferencias estadísticas que puedan mostrar tendencias en sus comportamientos, por ello la estimulación automatizada que provoque una reacción de su movilidad es el cuarto de los métodos. Por último, el aumento de la resolución en las imágenes muestra mayor detalle, mejorando el procesamiento y extracción de características. El quinto método es un robot multivista que posibilita tomar imágenes a distintas resoluciones, lo que permite mantener el seguimiento global de los gusanos, al mismo tiempo que se toman imágenes con un encuadre de mayor detalle del nematodo objetivo. / [CA] Esta tesi doctoral se centra en el desentrollament de noves tècniques automatitzades que permeten inspeccionar nemàtodes Caenorhabidits elegans (C. elegans) en plaques de Petri estàndar, per a l'anàlisi dels seus comportaments. C. elegans és un nemàtode d'1mm de llargària, ab el qual se poden realitzar distints experiments per a analitzar els efectes de fàrmacs, composts o alteracions genètiques en sa longevitat, la seua salut física o la seua cognició. El camp principal metodològic del present treball per a l'anàlisi d'eixos efectes és la visió per computador; i ab açò, el desentrollament complet del sistema de visió actiu: sistema d'il.luminació inteligent, sistema de captura òptim, processament de les imàtgens per a detecció i classificació de nematode. Els camps secundaris en esta investigació són el control i robotització. Els C. elegans són animals sensibles a la llum i por ello el primer dels mètodes està en la branca de la il.luminació intel.ligent, ab el qual es permet regular la intensitat i les longituds d'ona de la llum que reben els nematodes. El següent mètode és el processat per a la detecció i classificació de moviment a partir de les imàtgens obtinguda ab eixa il.luminació controlada. Tindre l'ambient controlat és fonamental, els nemàtodes són molt sensibles a les condicions ambientals per lo que pot alterar-se la seua activitat biològica, i ab aço els resultats, aixina que el tercer mètode és la integració de les tècniques en un nou dispositiu que permet automatitzar ensajos de lifespan i validar els resultats automàtics comparant-los ab els manuals. El moviment de l'animal és clau per a poder realitzar inferencies estadístiques que puguen mostrar tendències en el seus comportaments, per això la estimulació automatitzada que provoque una reacció de la seua mobilitat és el quart dels mètodes. Per últim, l'augment de la resolució en les imàtgens mostra major detall, millorant el processament i extracció de característiques. El quint mètode és un robot multivista que possibilita prendre imàtgens a distintes resolucions, lo que permet mantindre el seguiment global dels cucs, al mateix temps que se prenguen imàtgens ab un enquadrament de major detall del nematode objectiu. / [EN] This thesis focuses on the development of new automated techniques that allow the inspection of Caenorhabidits elegans nematodes (C. elegans) in Petri dishes, for the analysis of their behavior. This nematode is a 1mm long worm, with which different experiments can be carried out to analyze the effects of drugs, compounds or genetic alterations on its longevity, physical health or cognition. The main methodological field of the present work for the analysis of these effects is computer vision; and with it, the complete development of the active vision system: intelligent lighting system, optimal capture system, image processing for detection and classification of nematodes. The secondary fields in this research are control and robotization. C. elegans are light-sensitive animals and therefore the first method is in the field of intelligent lighting, with which it is possible to regulate the intensity and wavelength of the light that nematodes receive. The next method is the processing for the detection and classification of movement from the images obtained with that controlled lighting. Having a controlled environment is essential, worms are very sensitive to environmental conditions so it can alter biological activity, and with it the results, so the third method is the integration of techniques in a new device that allows automating tests of lifespan and validate the automatic results comparing them with the manual ones. The movement of the animal is key to be able to carry out statistical conferences that can show trends in its behaviors, therefore the automated stimulation that causes a reaction of its mobility is the fourth of the methods. Finally, increasing the resolution in the images shows greater detail, improving the processing and extraction of features. The fifth method is a multiview robot that enables images to be taken at different resolutions, allowing global tracking of worms to be maintained, while at the same time taking images with a more detailed frame of the target worm. / Puchalt Rodríguez, JC. (2022). Development and Evaluation of New Methods for Automating Experiments with C. Elegans Based on Active Vision [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181359 / Compendio

Se cree que la medicina in silico supondrá uno de los cambios más disruptivos en el futuro próximo. A lo largo de la última década se ha invertido un gran esfuerzo en el desarrollo de modelos computacionales predictivos para mejorar el poder de diagnóstico de los médicos y la efectividad de las terapias. Un punto clave de esta revolución, será la personalización, que conlleva en la mayoría de los casos, la creación de modelos computacionales específicos de paciente, también llamados gemelos digitales. Esta práctica está actualmente extendida en la investigación y existen en el mercado varias herramientas de software que permiten obtener modelos a partir de imágenes. A pesar de eso, para poderse usar en la práctica clínica, estos métodos se necesita reducir drásticamente el tiempo y el trabajo humano necesarios para la creación de los modelos numéricos. Esta tésis se centra en la propuesta de la versión basada en imágenes del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica para obtener de forma automática modelos a partir de imágenes y llevar a cabo análisis estructurales lineales de huesos, implantes o materiales heterogéneos. En la técnica propuesta, tras relacionar la escala de los datos de la imágen con valores de propiedades mecánicas, se usa toda la información contenida en los píxeles para evaluar las matrices de rigidez de los elementos que homogenizan el comportamiento elástico de los grupos de píxeles contenidos en cada elemento. Se h-adapta una malla cartesiana inicialmente uniforme a las características de la imágen usando un procedimiento eficiente que tiene en cuenta las propiedades elásticas locales asociadas a los valores de los píxeles. Con eso, se evita un suavizado excesivo de las propiedades elásticas debido a la integración de los elementos en áreas altamente heterogéneas, pero, no obstante, se obtienen modelos finales con un número razonable de grados de libertad. El resultado de este proceso es una malla no conforme en la que se impone la continudad C0 de la solución mediante restricciones multi-punto en los hanging nodes. Contrariamente a los procedimientos estandar para la creación de modelos de Elementos Finitos a partir de imágenes, que normalmente requieren la definición completa y watertight de la geometrá y tratan el resultado como un CAD estandar, con cgFEM no es necesario definir ninguna entidad geométrica dado que el procedimiento propuesto conduce a una definición implícita de los contornos. Sin embargo, es inmediato incluirlas en el modelo en el caso de que sea necesario, como por ejemplo superficies suaves para imponer condiciones de contorno de forma más precisa o volúmenes CAD de dispositivos para la simulación de implantes. Como consecuencia de eso, la cantidad de trabajo humano para la creación de modelos se reduce drásticamente. En esta tesis, se analiza en detalles el comportamiento del nuevo método en problemas 2D y 3D a partir de CT-scan y radiográfias sintéticas y reales, centrandose en tres clases de problemas. Estos incluyen la simulación de huesos, la caracterización de materiales a partir de TACs, para lo cual se ha desarrollado la cgFEM virtual characterisation technique, y el análisis estructural de futuros implantes, aprovechando la capacidad del cgFEM de combinar fácilmente imágenes y modelos de CAD. / Es creu que la medicina in silico suposarà un dels canvis més disruptius en el futur pròxim. Al llarg de l'última dècada, s'ha invertit un gran esforç en el desenvolupament de models computacionals predictius per millorar el poder de diagnòstic dels metges i l'efectivitat de les teràpies. Un punt clau d'aquesta revolució, serà la personalització, que comporta en la majoria dels casos la creació de models computacionals específics de pacient. Aquesta pràctica està actualment estesa en la investigació i hi ha al mercat diversos software que permeten obtenir models a partir d'imatges. Tot i això, per a poder-se utilitzar en la pràctica clínica aquests métodes es necessita reduir dràsticament el temps i el treball humà necessaris per a la seva creació. Aquesta tesi es centra en la proposta d'una versió basada en imatges del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica per obtenir de forma automàticament models a partir d'imatges i dur a terme anàlisis estructurals lineals d'ossos, implants o materials heterogenis. Després de relacionar l'escala del imatge a propietats macàniques corresponents, s'usa tota la informació continguda en els píxels per a integrar les matrius de rigidesa dels elements que homogeneïtzen el comportament elàstic dels grups de píxels continguts en cada element. Es emphh-adapta una malla inicialment uniforme a les característiques de la imatge usant un procediment eficient que té en compte les propietats elàstiques locals associades als valors dels píxels. Amb això, s'evita un suavitzat excessiu de les propietats elàstiques a causa de la integració dels elements en àrees altament heterogénies, però, tot i això, s'obtenen models finals amb un nombre raonable de graus de llibertat. El resultat d'aquest procés és una malla no conforme en la qual s'imposa la continuïtat C0 de la solució mitjançant restriccions multi-punt en els hanging nodes. Contràriament als procediments estàndard per a la creació de models d'Elements finits a partir d'imatges, que normalment requereixen la definició completa i watertight de la geometria i tracten el resultat com un CAD estàndard, amb cgFEM no cal definir cap entitat geométrica. No obstant això, és immediat incloure-les en el model en el cas que sigui necessari, com ara superfícies suaus per imposar condicions de contorn de forma més precisa o volums CAD de dispositius per a la simulació d'implants. Com a conseqüéncia d'això, la quantitat de treball humà per a la creació de models es redueix dràsticament. En aquesta tesi, s'analitza en detalls el comportament del nou métode en problemes 2D i 3D a partir de CT-scan i radiografies sintétiques i reals, centrant-se en tres classes de problemes. Aquestes inclouen la simulació d'ossos, la caracterització de materials a partir de TACs, per a la qual s'ha desenvolupat la cgFEM virtual characterisation technique, i l'anàlisi estructural de futurs implants, aprofitant la capacitat del cgFEM de combinar fàcilment imatges i models de CAD. / In silico medicine is believed to be one of the most disruptive changes in the near future. A great effort has been carried out during the last decade to develop predicting computational models to increase the diagnostic capabilities of medical doctors and the effectiveness of therapies. One of the key points of this revolution, will be personalisation, which means in most of the cases creating patient specific computational models, also called digital twins. This practice is currently wide-spread in research and there are quite a few software products in the market to obtain models from images. Nevertheless, in order to be usable in the clinical practice, these methods have to drastically reduce the time and human intervention required for the creation of the numerical models. This thesis focuses on the proposal of image-based Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), a technique to automatically obtain numerical models from images and carry out linear structural analyses of bone, implants or heterogeneous materials. In the method proposed in this thesis, after relating the image scale to corresponding elastic properties, all the pixel information will be used for the integration of the element stiffness matrices, which homogenise the elastic behaviour of the groups of pixels contained in each element. An initial uniform Cartesian mesh is h-adapted to the image characteristics by using an efficient refinement procedure which takes into account the local elastic properties associated to the pixel values. Doing so we avoid an excessive elastic property smoothing due to element integration in highly heterogeneous areas, but, nonetheless obtain final models with a reasonable number of degrees of freedom. The result of the process is non-conforming mesh in which C0 continuity is enforced via multipoint constraints at the hanging nodes. In contrast to the standard procedures for the creation of Finite Element models from images, which usually require a complete and watertight definition of the geometry and treat the result as a standard CAD, with cgFEM it is not necessary to define any geometrical entity, as the procedure proposed leads to an implicit definition of the boundaries. Nonetheless, they are straightforward to include in the model if necessary, such as smooth surfaces to impose the boundary conditions more precisely or CAD device volumes for the simulation of implants. As a consequence, the amount of human work required for the creation of the numerical models is drastically reduced. In this thesis, we analyse in detail the new method behaviour in 2D and 3D problems from CT-scans and X-ray images and synthetic images, focusing on three classes of problems. These include the simulation of bones, the material characterisation of solid foams from CT scans, for which we developed the cgFEM virtual characterisation technique, and the structural analysis of future implants, taking advantage of the capability of cgFEM to easily mix images and CAD models. / Giovannelli, L. (2018). Direct creation of patient-specific Finite Element models from medical images and preoperative prosthetic implant simulation using h-adaptive Cartesian grids [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113644

The diploma thesis deals with metric tasks in space, using synthetic and analytical geometry. In addition to explaining the different approaches, there is a set of examples to practice. The solution of the examples is part of the Portal of High School Mathematics (Portál středoškolské matematiky), where we can and analytical solutions, synthetic numerical solutions and synthetic constructional solutions.

Le calcul scientifique parallèle est un domaine en plein essor qui permet à la fois d’augmenter la vitesse des longs traitements, de traiter des problèmes de taille plus importante ou encore des problèmes plus précis. Ce domaine permet donc d’aller plus loin dans les calculs scientifiques, d’obtenir des résultats plus pertinents, car plus précis, ou d’étudier des problèmes plus volumineux qu’auparavant. Dans le monde plus particulier de la simulation numérique scientifique, la résolution d’équations aux dérivées partielles (EDP) est un calcul particulièrement demandeur de ressources parallèles. Si les ressources matérielles permettant le calcul parallèle sont de plus en plus présentes et disponibles pour les scientifiques, à l’inverse leur utilisation et la programmation parallèle se démocratisent difficilement. Pour cette raison, des modèles de programmation parallèle, des outils de développement et même des langages de programmation parallèle ont vu le jour et visent à simplifier l’utilisation de ces machines. Il est toutefois difficile, dans ce domaine dit du “parallélisme implicite”, de trouver le niveau d’abstraction idéal pour les scientifiques, tout en réduisant l’effort de programmation. Ce travail de thèse propose tout d’abord un modèle permettant de mettre en oeuvre des solutions de parallélisme implicite pour les simulations numériques et la résolution d’EDP. Ce modèle est appelé “Structured Implicit Parallelism for scientific SIMulations” (SIPSim), et propose une vision au croisement de plusieurs types d’abstraction, en tentant de conserver les avantages de chaque vision. Une première implémentation de ce modèle, sous la forme d’une librairie C++ appelée SkelGIS, est proposée pour les maillages cartésiens à deux dimensions. Par la suite, SkelGIS, et donc l’implémentation du modèle, est étendue à des simulations numériques sur les réseaux (permettant l’application de simulations représentant plusieurs phénomènes physiques). Les performances de ces deux implémentations sont évaluées et analysées sur des cas d’application réels et complexes et démontrent qu’il est possible d’obtenir de bonnes performances en implémentant le modèle SIPSim. / Parallel scientific computations is an expanding domain of computer science which increases the speed of calculations and offers a way to deal with heavier or more accurate calculations. Thus, the interest of scientific computations increases, with more precised results and bigger physical domains to study. In the particular case of scientific numerical simulations, solving partial differential equations (PDEs) is an especially heavy calculation and a perfect applicant to parallel computations. On one hand, it is more and more easy to get an access to very powerfull parallel machines and clusters, but on the other hand parallel programming is hard to democratize, and most scientists are not able to use these machines. As a result, high level programming models, framework, libraries, languages etc. have been proposed to hide technical details of parallel programming. However, in this “implicit parallelism” field, it is difficult to find the good abstraction level while keeping a low programming effort. This thesis proposes a model to write implicit parallelism solutions for numerical simulations such as mesh-based PDEs computations. This model is called “Structured Implicit Parallelism for scientific SIMulations” (SIPSim), and proposes an approach at the crossroads of existing solutions, taking advantage of each one. A first implementation of this model is proposed, as a C++ library called SkelGIS, for two dimensional Cartesian meshes. A second implementation of the model, and an extension of SkelGIS, proposes an implicit parallelism solution for network-simulations (which deals with simulations with multiple physical phenomenons), and is studied in details. A performance analysis of both these implementations is given on real case simulations, and it demonstrates that the SIPSim model can be implemented efficiently.