Computação e Programação

Transcrição

1 Computação e Programação MEMec - LEAN 1º Semestre Aula Teórica 2 Instituto Superior Técnico, Dep. de Engenharia Mecânica - ACCAII Alinhamento da AT 2 Computação Programação Aplicações MATLAB José Borges Computação e Programação 2010 /

2 Alinhamento da AT 2 Computação Programação Aplicações MATLAB José Borges Computação e Programação 2010 / Computação Termo genérico para identificar processos, ou sequências de acções, que visam a procura de soluções para um dado problema com base nas suas entradas e utilizando um algoritmo. Até meados do século XX o processo de computação baseava-se na utilização de suportes físicos, tipo caneta e papel, recorrendo por vezes a tabelas e ferramentas manuais ou mecânicas. Desde os anos 50 do século XX, com o advento dos computadores, que o termo Computação tem estado associado à produção de programas (software). José Borges Computação e Programação 2010 /

3 Capacidade Computação Computação a 11 x + a 12 y + a 13 z = b 1 a 21 x + a 22 y + a 23 z = b 2 a 31 x + a 32 y + a 33 z = b 3 Em termos matemáticos, a computação pode ser usada para determinar a solução de um problema, por exemplo, resolver um sistema de 3 equações lineares e 3 incógnitas Em termos informáticos, a computação apoia-se em processos definidos com base em modelos estruturados, por exemplo, algoritmos, protocolos ou arquitecturas. José Borges Computação e Programação 2010 / Ondas tecnológicas Onda Global : Computação em Nuvem Onda Internet : Computação Descentralizada Onda Mainframe : Computação Centralizada José Borges Computação e Programação 2010 /

4 Computação Centralizada Estruturada em termos de Centros de Computação (CC) O acesso ao CC realizava-se através de um terminal cliente Software instalado apenas nos CC O trabalho computacional totalmente executado no CC Foco no desenvolvimento de hardware José Borges Computação e Programação 2010 / Computação Descentralizada Centros de Computação descentralizados, i.e. arquitectura cliente-servidor. Reinado do Computador Pessoal (PC). Redes de computadores à escala global: internet e banda larga. Software partilhado no caso cliente-servidor, ou instalado no PC. A computação processa-se, maioritariamente, ao nível local. Foco no desenvolvimento de software José Borges Computação e Programação 2010 /

5 Computação em Nuvem O termo Computação em Nuvem (Cloud Computing) caracteriza e define processos de computação que ocorrem na internet. A informação, os recursos e o software são partilhados / disponibilizados na cloud como serviços, que só serão fornecidos / cobrados por solicitação do utilizador. O utilizador apenas necessita de um terminal de acesso, e.g. computador pessoal ou telemóvel, com acesso à net. A utilização da cloud centra-se no browser de internet. Os programas e os ficheiros estão na cloud Google Docs, Mail, Chrome OS, etc. José Borges Computação e Programação 2010 / Computação em Nuvem Virtualização dos sistemas e partilha de recursos O software está desacoplado do hardware Globalmente disponível e acessível: omnipresença Foco no utilizador José Borges Computação e Programação 2010 /

6 Alinhamento da AT 2 Computação Programação Aplicações MATLAB José Borges Computação e Programação 2010 / Programação Programação é um processo que inclui as fases de projecto, escrita, teste, depuração de erros e manutenção do código fonte, tendo por objectivo produzir um programa de computador. O código fonte é normalmente escrito numa linguagem de programação de alto nível, como por exemplo C++, Fortran ou MATLAB, embora seja possível a sua escrita directamente em código máquina, que também é identificado por linguagem de baixo nível. José Borges Computação e Programação 2010 /

7 Programação A programação requer competências em diversas áreas, incluindo, conhecimento pericial no domínio da aplicação, conhecimentos de algoritmia e lógica formal, conhecimento da linguagem de programação seleccionada. José Borges Computação e Programação 2010 / Programa Um programa de computador é uma sequência de instruções que especificam COMO resolver um problema. O termo programa é normalmente uma referência ao código fonte, escrito numa linguagem de programação, mas também pode ser uma referência ao arquivo que contém a forma executável desse código fonte. Olá Mundo! José Borges Computação e Programação 2010 /

8 Linguagem de Programação A Linguagem de Programação (LP) é uma notação que permite a escrita de programas a partir de um algoritmo, ou seja, de uma sequência finita de passos que resolve um dado problema. A linguagem de programação providencia um método padronizado para transmissão de instruções a um computador mediante uma especificação da sintaxe e semântica. O conjunto dos termos da linguagem, quando compostos de acordo com as regras da mesma, constitui o código fonte de um programa. O código fonte é depois traduzido para código máquina, que é executado no processador. José Borges Computação e Programação 2010 / Processadores das LPs Linguagens compiladas Código fonte Compilador Código Objecto Executável OS ---- VM /OS Linguagem C++ Microsoft Visual Studio Ficheiro.obj Ficheiro.exe Linguagem JAVA Eclipse Compiler for Java (ECJ) Ficheiro.obj Ficheiro.jar José Borges Computação e Programação 2010 /

9 Processadores das LPs Linguagens interpretadas Código fonte Interpretador OS Linguagem MATLAB.m,.p Programa MATLAB Linguagem Python.py,.pyw Python interpreter José Borges Computação e Programação 2010 / Instruções base das LPs Instruções base de uma linguagem de programação entrada: vão buscar dados do teclado, ficheiros ou outro periférico saída: enviam dados para o ecrã, ficheiros ou outro periférico selecção: execução sequencial de uma ou mais instruções mediante uma condição de selecção repetição: execução repetitiva de uma ou mais instruções mediante uma condição de paragem José Borges Computação e Programação 2010 /

10 Alinhamento da AT 2 Computação Programação Aplicações MATLAB José Borges Computação e Programação 2010 / Aplicações de CP (alguns) projectos em curso na Área Cientifica de Controlo Automação e Informática Industrial / Centro de Sistemas Inteligentes / IDMEC: Robôs móveis Rasteirinhos Robôs Humanóides Reconstrução da superfície do fémur Cirurgia robótica Sistemas de cuidados de saúde Cariotipagem automática Controlo de colunas de destilação José Borges Computação e Programação 2010 /

11 Robôs móveis Rasteirinhos + = Área: robótica móvel Objectivo: controlar um robô móvel no seguimento autónomo de uma trajectória Características: a base contém dois motores, respectivos controladores e carta de Entrada/Saída para o PC. A posição do rasteirinho é adquirida por processamento de imagem. O controlo é feito no PC. Ambiente de programação: Simulink / MATLAB Aplicação prática: desenvolvimento de Automatic Guided Vehicles José Borges Computação e Programação 2010 / Robôs Humanóides Área: robótica de Humanóides Objectivo: controlar robôs humanóides na reprodução de movimentos especifos dos humanos tais como andar, correr, saltar, andar de skate, fazer o pino, etc Características: Humanóide constituído por 18 servos, ligados a um controlador CM5 que comunica com o PC através de RS232 onde recebe e envia instruções dos servos de a para o PC. O controlo é feito no PC. Ambiente de programação: C, C++, MATLAB, SIMULINK Aplicação prática: desenvolvimento de Robôs domésticos e de entretenimento. José Borges Computação e Programação 2010 /

12 Reconstrução da superfície do fémur Área: sistemas de processamento de imagem médica Objectivo: reconstrução da superfície de órgãos ou ossos baseada na utilização de imagens médicas Ambiente de programação: MATLAB Aplicação prática: simulação de procedimentos cirúrgicos pré-operatórios, navegação intra-operatório José Borges Computação e Programação 2010 / Reconstrução da superfície do fémur Características: através de leitura de imagens médicas TAC e US, o algoritmo converte-as numa nuvem de pontos tridimensionais. a partir da nuvem, vários tipos de superfícies do fémur (implícita, explicita e paramétrica) são obtidas para diferentes aplicações. José Borges Computação e Programação 2010 /

13 Cirurgia robótica Área: sistemas robóticos de apoio à cirurgia ortopédica Objectivo: facilitar o processo de inserção de um espigão no fémur, requerendo uma elevada precisão e exactidão em termos do posicionamento e orientação Ambiente de programação: MATLAB/SIMULINK Aplicação prática: sistemas de apoio à cirurgia ortopédica nas intervenções de substituição de superfície da anca José Borges Computação e Programação 2010 / Características: Cirurgia robótica Aquisição em ambiente pré-operativo de imagens médicas TAC/US do osso e reconstrução da sua superfície. Determinação pré-operativa da posição e orientação óptima da prótese através das propriedades geométricas e estruturais do fémur (Elementos finitos). Navegação intra-operativa através do registo em tempo real e não invasivo com US para seguimento do fémur. Navegação assistida por robô através da co-manipulação Cirurgião-Robô José Borges Computação e Programação 2010 /

14 Sistemas de cuidados de saúde Área: sistemas de cuidados de saúde Objectivo: conceber sistemas para melhorar as taxas de sobrevivência em pacientes internados nas UCIs sujeitos aos riscos de morte por septicémia ou auto-extubação Ambiente de programação: MATLAB Aplicação prática: sistemas de apoio e suporte à vida em Unidades de Cuidados Intensivos José Borges Computação e Programação 2010 / Sistemas de cuidados de saúde Características: os sinais vitais do paciente são armazenados em bases de dados, sendo depois processados para remoção de ruído ou reconstrução de dados algoritmos baseados em árvores de decisão e optimização por colónias de formigas são usados para reduzir a complexidade e o número dos sinais a processar os dados armazenados são processados com algoritmos de modelação inteligente redes neuronais lógica fuzzy os modelos são utilizados para classificação e/ou predição José Borges Computação e Programação 2010 /

15 Cariotipagem automática Área: diagnóstico médico baseado em processamento de imagem e classificação Objectivo: construir o cariótipo a partir da imagem de uma metafase e identificar alterações cromossómicas, numéricas e estruturais Ambiente de programação: MATLAB Aplicação prática: cariotipagem automática para apoio ao diagnóstico em ambiente laboratorial José Borges Computação e Programação 2010 / Cariotipagem automática Características: os cromossomas são agregados em pares, de acordo com características inerentes ao indivíduo: número dimensão forma disposição. O processamento de imagem remove artefactos da imagem e individualiza os cromossomas para classificação com lógica fuzzy ou redes neuronais. José Borges Computação e Programação 2010 /

16 Controlo de colunas de destilação Área: controlo de processos químicos Objectivo: modelação e controlo de uma coluna de destilação à escala piloto de funcionamento contínuo (do DEQ do ISEL) para a separação de uma mistura binária etanol/água Ambiente de programação: Simulink / MATLAB e LabView Aplicação prática: industrias petrolífera e alimentar José Borges Computação e Programação 2010 / Controlo de colunas de destilação Características: a coluna é instrumentada com sensores de pressão, temperatura, densimetros e caudalímetros resistências eléctricas fazem o aquecimento da mistura diversos tipos de bombas e válvulas controlam os fluxos/caudais dos líquidos. as comunicações de dados são feitas via FieldPoint / LabView bus controlo e operação do sistema é realizado a partir de um PC via LabView e Simulink/MATLAB José Borges Computação e Programação 2010 /

17 Alinhamento da AT 2 Computação Programação Aplicações MATLAB José Borges Computação e Programação 2010 / A ferramenta MATLAB MATLAB (MATrix LABoratory) Programa optimizado para cálculos de engenharia e científicos Programa MATLAB implementa a linguagem de programação MATLAB. Conjunto alargado de funções pré-definidas, normalmente agrupadas em toolboxes. Objectivo: escrever, depurar e optimizar programas em MATLAB. José Borges Computação e Programação 2010 /

18 Vantagens do MATLAB Fácil de utilizar: é uma linguagem interpretada, sendo fácil de escrever e testar programas. Independente da Plataforma: o código desenvolvido corre em diferentes SOs: Windows Linux Unix Macintosh O código pode ser compilado, mas é mais lento que Fortran ou C (C++), por exemplo. José Borges Computação e Programação 2010 / Vantagens do MATLAB Grande número de toolboxes desenvolvidas pela Mathworks em diversas especialidades: engenharia, economia, bioinformática, finanças, etc Utilizado por uma vasta comunidade: Aproximadamente (eram em Setembro de 2009) entradas no google.com Existência de toolboxes resultantes de várias contribuições Cálculo matemático / manipulação numérica de matrizes Geração de gráficos Pode ser utilizado para construir aplicações do tipo Graphical User Interfaces (GUI) José Borges Computação e Programação 2010 /

19 Desvantagens do MATLAB É uma linguagem interpretada, logo a execução é mais lenta que as linguagens compiladas (Este problema poderá ser reduzido usando o compilador do MATLAB para gerar um executável) A licença do MATLAB é cara. José Borges Computação e Programação 2010 / Mathworks Site oficial da Mathworks L I N K MATLAB Central comunidade de utilizadores L I N K Documentação em pdf L I N K Exemplos de utilização L I N K Demos / Vídeos / Tutoriais L I N K José Borges Computação e Programação 2010 /

20 Ambiente do MATLAB José Borges Computação e Programação 2010 / Referências Wikipedia: Capitulo 1 de Matlab: A Practical Introduction to Programming and Problem Solving, Stormy Attaway (2009) Elsevier. MATLAB@MathWorks José Borges Computação e Programação 2010 /