A napjainkban használatos brachyterápiás módszer még sok szempontból nem tekinthető ideálisnak, munkám elsődleges célja tehát ennek továbbfejlesztése volt. A jelenlegi megoldás legfőbb hátránya, hogy az applikátor betegbe való felhelyezése manuálisan történik. Egy elképzelés szerint a kezelés robotizálása nagymértékben növelné a rákos szövetek sugárterheléssel történő elpusztítására előirányzott térbeli dózis-eloszlás pontosságát, a szomszédos egészséges szervek károsodásának csökkentése mellett.

Mind a robotizált, mind a hagyományos változat alkalmazása esetén a kezelési terv elkészítéséhez szükséges lépés az applikátor MR-képek segítségével történő rekonstrukciója – azaz térbeli pozíciójának meghatározása – amelynek pontosságán nagyban múlik a terápia eredményessége.

Szakdolgozatomban egy, az eszközről készült 3D modellt felhasználó, intenzitás alapú regisztrációs eljárással működő rekonstrukciós technikát dolgoztam ki. A gyakorlati eredmények mellett a fejlesztés során felmerülő témakörök általános ismertetése is helyet kapott. Megvalósításra került az applikátor valósághű modellezése a nyílt forráskódú
VTK fejlesztőkörnyzetben, majd pedig a regisztrációs teszteredmények validálhatósága érdekében természetes jellegű zajjal terhelt szintetikus MR-felvételeket generáltam.

Részletesen elemeztem az algoritmus működését szintetikus és valódi MR-képeken. A regisztráció jelenleg sikeresen működik, bár a jövőben elképzelhetőek bizonyos módosítások a tökéletesítés érdekében.

A programozható logikai vezérlők (PLC-k) által vezérelt gyártósorok ezeknek a kritériumoknak megfelelnek, így érthető, hogy az egész világon elterjedtek az ipari automatizálásban. A síküveggyártás során egy folyamatos termelő tevékenység folyik, melynél a leállások súlyos termeléskieséshez vezethetnek, ezért a hibázások még inkább megelőzendők. Emiatt is különösen fontos, hogy a gyártósoroknál alkalmazott vezérlő algoritmusok biztosítsák a megfelelő biztosságot, és a hibakezelésre is megfelelően fel legyenek készítve.

A szakdolgozatomban megvizsgáltam általánosságban a síküveg gyártásához kapcsolódó technológiát, az ehhez kapcsolódó speciális igényeket. A gyártósor egy részét behatóbban tanulmányoztam, megismertem az ott alkalmazott berendezéseket és ezek helyes működéséhez szükséges feltételeket.

Megismertem a PLC-k főbb tulajdonságait, egy konkrét alkalmazáshoz használt gyártmány sajátosságait. A PLC program fejlesztéséhez szükséges programcsomag használatát elsajátítottam.

Elkészítettem a megismert berendezések irányítására szolgáló program tervét, majd ezt leprogramoztam. A gépek felügyelete, valamint a folyamatba történő egyszerű operátori beavatkozás érdekében egy grafikus terminálon futó alkalmazást is megvalósítottam. A kész program megfelelő működését egy PLC emulátoron teszteltem.

Az elhízás fenti szempontjait is figyelembe vevő mérése (ami kiemelkedően fontos például a népegészségügyi szűrőprogramoknál) napjainkban is igen problematikus. A hagyományos antropometriai mutatók, mint a testtömeg-index (BMI), vagy a derékkörfogat (WC), bár olcsón, könnyen és megbízhatóan mérhetőek, mégis pontatlanok az elhízás jelentette kockázat megítélésében. Pontos adatok pedig csak igen drága (MRI), vagy tömeges szűrésre egyéb okból alkalmatlan módszerek (pl. DXA) segítségével nyerhetőek.

A jelen dolgozat keretében ismertetett vizsgálódásaink a BME IIT Orvosinformatikai Laboratóriuma és a Heim Pál Gyermekkórház által elindított kutatáshoz kapcsolódnak. E követéses vizsgálatokon alapuló kutatások távlati célja az igen drága és komplikált vizsgálatok szűrés céljára történő kiváltása olcsó és könnyen elvégezhető antropometriai mérésekkel.

Objective functions of geometric optimization problems primarily consist of mathematical operations, but the implementations are written in a low-level language in most cases, to meet performance requirements and to fit into existing systems. This practice leads to objective function definitions which are not appropriately separated from the implementation details. Creating a domain specific language seems to be a plausible solution offering several advantages such as syntax close to the corresponding mathematical notation and automatic parallelization. In this work I will design a programming language suitable for this task and implement a compiler for it. The results look promising and offer several possibilities for future improvements.

Munkám első részében áttekintem a játékok mesterséges intelligenciájával szemben támasztott főbb elvárásokat és célokat, majd elemzem az ezen a téren legismertebb eszközöket.
A második nagy blokk az ágensek viselkedés-modellezésére fókuszál. Az eszközök vizsgálatánál külön hangsúlyt kap a területen leginkább használatos véges állapotú automata, valamint egy ígéretes új modell, a viselkedési fa.
A harmadik rész egy számítógépes alkalmazás tervezését és működését ismerteti. A program virtuális világban harcoló ágensekkel mutatja be a véges automaták használatát.

A kívánt látvány létrehozása azonban nem olyan egyszerű. Napjaink hardverei oly módon vannak optimalizálva, hogy a háromszögekből álló felületeket tudják gyorsan és hatékonyan megjeleníteni. Ahhoz tehát, hogy ezt kihasználhassuk, a bonyolult testeinket valamilyen módon egy háromszögekből álló hálóval kell közelíteni. Egy kockánál például ez nem is probléma, hiszen egy oldal 2 háromszöggel leírható, tehát az egész kocka 12 háromszögből áll. Már azonban egy hengert sem ilyen egyszerű háromszögekből felépíteni, hát még egy egész fát. Ha egy átlagosnak számító 30 éves fának minden évben minden ága csak egy új gallyá fejlődő rügyet képez, akkor is – egyszerű matematikával kiszámítható – 230, azaz több mint 1 milliárd ága, és ugyanennyi levele lesz. Ha minden egyes ágat például 32 háromszöggel jelenítünk meg, ami még elég szögletes eredményt ad, akkor is látható, hogy napjaink grafikus kártyáival – melyek másodpercenként 1 milliárd háromszöget képesek megjeleníteni (GeForce 8800GT X) – egy egész erdő képernyőre varázslása lehetetlennek tűnik.

A számítógépes grafikában alkalmazott, általánosan elterjedt gyorsítási eljárások nem minden esetben – sőt általában nem – alkalmazhatók az olyan sok egyedi tárgyból álló rendszerre, mint amilyen az erdő. Az évek folyamán sok próbálkozás született a probléma áthidalására. Ezért a célom az, hogy bemutassam azokat a technikákat, eljárásokat, melyekkel ma fákat, erdőket generálnak és jelenítenek meg, és implementáljak egy olyan algoritmust, mellyel sok különböző fajtájú fát lehet a képernyőn megjeleníteni.

A 2. fejezetben sorra bemutatom az ezen témában korábban megjelent publikációkat, kitérve azok előnyeire, hátrányaira. A 3. fejezetben az általam megvalósított rendszer terveit ismertetem. A 4. fejezetet ezen rendszer implementációjának fontosabb részleteinek szenteltem. Az 5. fejezet a működő rendszer elemzéséről és a továbbfejlesztés lehetőségeiről szól.

A mellékletben a rendszer működése során készített képernyőképeket, a működéshez szükséges állományok leírását, a futás során használható billentyűk leírását és a rendszer forráskódjának elérhetőségét helyeztem el.

Mind a fejlesztő, mint a fordító viszonylag kevés hatással van a program sebességére, gyakori, hogy a fejlesztők profilerek segítségére szorulnak egy‐egy szűk keresztmetszet elhárításakor. Sok esetben a teljesítménybeli hátrány nem probléma, mivel a processzorok is egyre gyorsabbak, illetve az igazán sebességkritikus alkalmazások még mindig C/C++ nyelven íródnak, de ez változni látszik. Létezik már .NET‐re írt operációs rendszer (Singularity) és Java bájtkódot futtató processzor is.

Időszerű tehát, hogy olyan újabb optimalizációs módszerek után kutassunk, amik a menedzselt platformokon is életképesek. Egy ilyen módszer a kódgenerálás, ami azt jelenti, hogy egy általános érvényű algoritmusból futtatás előtt egy optimálisabb verziót generálunk úgy, hogy adott paraméterek konkrét értékeit vagy egyéb extra tudást is figyelembe veszünk. A mai fordítók egy forráskódból egy binárist készítenek, viszont ha megengedjük, hogy eltérő feltételekhez, argumentumokhoz alkalmazkodva több példány létezzen, amelyeket dinamikusan, igény szerint generálunk és használunk, korábban nem tapasztalt előnyökhöz jutunk. Már létező implementációk vizsgálata alapján nagyon sok utasítást, feltételes elágazást megspórolhatunk, ez menedzselt esetben is számottevő, és ha egy generált példányt elég sokszor felhasználunk, akkor hosszú távon fél vagy akár egy nagyságrendnyi gyorsulást is elérhetünk. A kódgenerálás nyilvánvaló hátránya, hogy a program mérete a többszörösére növekszik, de ez nem probléma, hiszen a tárhely jelenleg sokkal olcsóbb, mint a számítási teljesítmény. Az igazi probléma, hogy még csak nagyon specifikus, egyedi implementációk léteznek, és ezek bonyolultak, nehezen karbantarthatóak: főleg assembly szinten vagy stringben tárolt kódsablonok alapján dolgoznak, és az ilyen kódokat nagyon nehéz elkészíteni, verifikálni, tesztelni és módosítani is.

Célom egy olyan szoftver alapvető funkcionalitású kísérleti verziójának elkészítése, ami képes automatizálni ezt a kódtranszformációt a .NET platformon. A szoftvernek képesnek kell lennie arra, hogy beolvasson egy függvényt, és a fejlesztő‐felhasználó irányításával elvégezze a különböző transzformációs és optimalizációs műveleteket. Egy ilyen alkalmazás teljesen felváltja az egyedi megoldásokat, a probléma magas szintű kezelésével a karbantarthatóság többé nem akadály, hiszen a fejlesztő a hagyományos fejlesztési modellt követi, csak egy általános érvényű algoritmust kell implementálnia, minden más automatikus. A szoftver fejlettebb verzióitól még az eddigi egyedi megoldásoknál is nagyobb mértékű gyorsulást várhatunk.

Dolgozatunk egy F-16-os repülőgép fizikai modelljén keresztül mutat be néhány irányítási algoritmust.

Ehhez érdemes először megismerni a repüléstechnikában használt fogalmakat, ezért a 2. fejezetet a repülésirányítás elméleti alapjainak szenteltük. Rögtön az elején egy folyamatábrán keresztül mutatjuk be egy repülőgép-irányítási program általános felépítését. A folyamatábrán látható, hogy a rendszer lelke a repülőgép viselkedését leíró nemlineáris állapottérmodell. A működés megértéséhez részletesen tárgyaljuk a repüléstechnikában használt koordinátarendszereket, illetve az ezekre épülő állapotváltozós leírást. Az állapotváltozók ismeretében bemutatjuk, hogyan befolyásolják a különféle aerodinamikai erők a repülőgép mozgását. Az alapfogalmak tisztázása után elkezdhetjük a szabályozótervezést. Mivel ebben a dolgozatban csak lineáris szabályozókkal foglalkozunk, a 2. fejezet végén azt is ismertetjük, hogyan lesz a nemlineáris modellből linearizált modell.

A kutatómunka kezdetén a konzulensünk rendelkezésünkre bocsátott egy programot, mely alkalmas az F16-os repülőgép MATLAB környezetben történő szimulációjára. A tervezést Simulink támogatással végeztük, az említett programban szereplő nemlineáris modell felhasználásával. A munka megkönnyítése érdekében – kihasználva a MATLAB kínálta lehetőségeket – grafikus felhasználói felületet is készítettünk. A 3. fejezet ezt a kezelőfelületet mutatja be röviden.

A dolgozat második felében az LQ (Linear Quadratic) módszerrel tervezett szabályozóinkat  és működésüket mutatjuk be, néhány megvalósított példán keresztül. Ennek a módszernek az előnye a klasszikus tervezési eljárásokkal szemben az, hogy több ágú visszacsatolás esetén a hurkokat egy lépésben, egyszerre be tudjuk zárni, az erősítéseket nem külön-külön kell meghatározni. Az első példában egy laterális szabályozó felépítését írjuk le, mellyel kiküszöbölhető a repülőgép oldalirányú elfordulása, billegése. Ehhez néhány laterális állapotváltozó értékét kell nullára szabályozni. A longitudinális irányban nem ilyen egyszerű a helyzet, itt alapjelkövetést kell megvalósítani. A második példa ehhez kapcsolódik, amelyben gyorsulásvezérlő rendszert terveztünk szintén LQ módszerrel. A gyorsulás irányát úgy választottuk meg, hogy a vezérlés longitudinális szabályozásra is alkalmas legyen. A harmadik és a negyedik példa szorosan kötődik az első kettőhöz. Itt ugyanis az előző rendszereken javítottunk néhány újabb tervezési lépés beiktatásával. Az időfüggő költségfüggvény alkalmazásával például elkerülhetjük a szabályozott jel hosszan tartó lengését.

Az eddig elhangzott ismereteket néhány újjal kiegészítve, egy automata leszállásvezérlőt terveztünk, amelyet a 4. fejezet végén ismertetünk. A módszer lényege, hogy először alkotunk egy modellt, amely egy ideális pálya mentén hajtja végre a repülési feladatot, aztán tervezünk a repülőgéphez egy olyan szabályozót, amely ezt a modellt próbálja meg követni minél pontosabban. Az eredmény, hogy a repülőnk automata landolást képes végrehajtani ideális ív mentén.

A tervezési munka egyik fontos lépése az eredmények kiértékelése. A kutatásunk során ezért nagy figyelmet fordítottunk az adatok pontos, használható, és ugyanakkor látványos megjelenítésére. A szimuláció után az állapotváltozók időfüggvényeit grafikonokon ábrázolhatjuk, sőt Bode-diagramot és pólus-zérus elrendezést is rajzoltathatunk a kiválasztott változókhoz. A megjelenítés másik formája a napjainkban rendkívül népszerű 3D megjelenítés. Az 5. fejezetben bemutatjuk a MATLAB virtuális valóság eszköztára, a Virtual Reality Toolbox segítségével megvalósított VR vezérlőnket, mely a szimulációt valósidőben, 3D repülőmodellel jeleníti meg, s ezzel a képletek szolgáltatta eredményeket szinte kézzelfoghatóvá teszi.

A dolgozat rövid repüléstechnikai bevezetőt követően a szimulációs keretrendszer terveit, valamint a készítése során felmerült tervezői döntéseket ismerteti. A program a szimulációk 3D megjelenítéséhez a Virtual Reality Toolbox lehetőségeit használja ki, a kialakított, valós időben mozgatott virtuális repülőgépmodell az orientáció, pozíció és a trajektória ábrázolása mellett a vezérlőfelületek állapotát is demonstrálja.

A szabályozótervezést kényelmesebbé tevő kezelői felület és a háttérben meghúzódó, a számításokat és a megjelenítést külön gépen végző, ezeket összekapcsoló keretrendszer fontos komponensek. A megvalósított hálózati kapcsolat működésének bemutatását követően a dolgozat végül kitér a rendszer tesztelési tapasztalataira is.

A megvalósított funkciókhoz részben Simulink, részben MATLAB támogatás szükséges, és a speciális feladatokra felhasznált külső modulok átfogó ismertetése sem marad el.