Chapter Seven Unix Shell Environments1 System Programming UNIX Shell Environments.
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Artificial Life in Virtual Environments 1
Artificial Life in Virtual EnvironmentsArtificial Life in Virtual Environments
Rogério Perino de Oliveira NevesLaboratório de Sistemas integráveisGrupo de Vida Artificial
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Partes da ApresentaçãoPartes da Apresentação
Apresentação do candidato (8)Introdução do projeto (22)Especificação do projeto (11)Resultados parciais (5)Observações finais (4)
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CandidatoCandidato
Rogério Perino de Oliveira Neves
Data de Ingresso: 5 de Agosto de 2001
Orientador: Marcio Lobo Netto
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Formação do CandidatoFormação do Candidato
Bacharel em Física, opção Física Computacional, 1996-2000, Instituto de Física de São Carlos, USP.
Técnico em eletrônica, especialização em eletrônica digital, 1991-1994, Fundação Instituto Tecnológico de Osasco.
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Matérias CursadasMatérias Cursadas
Disciplina Per Co
PCS5756-1 – Metodologia de Desenvolvimento de Interfaces Homem-Computador
3/01 B
PEE5764-1 – Fundamentos à Ciência Cognitiva 3/01 A
PEE5788-1 – Redes de Neurônios Artificiais com Bifurcação e Dinâmica Caótica
3/01 A
PCS5711-2 – Computação Fuzzy 1/02 C
PEE5830-2 – Processamento Digital de Imagens 1/02 A
PMR5005-1 – Fundamentos da Robótica 1/02 A
PSI5000-1 – Vida Artificial e Ambientes Virtuais em Computação Gráfica
1/02 A
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Atividades em GruposAtividades em Grupos
Grupo Roda VivaGrupo de Ciências CognitivasGrupo de Vida Artificial
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PublicaçõesPublicações
Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.
“Evolutionary Search for Optimization of Fuzzy Logic Controllers”
1st International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery
Volume I, on Hybrid Systems and Applications I
ISBN: 981-04-7520-9 (2002)
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ApresentaçõesApresentações
Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.“A Virtual Reality Framework for Life Simulations”1st International Conference on Bioinformatics and
Computational BiologyIcoBiCoBi’03 – Ribeirão Preto – SP
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Artigos Aguardando DeferimentoArtigos Aguardando Deferimento
Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.“Artificial Life in Virtual Reality Environments”XVI Brazilian Symposium on Computer Graphics and Image
ProcessingSIBGRAPI 2003 – São Carlos – SP
Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.“A Virtual Reality Framework for Life Simulations”1st International Conference on Bioinformatics and
Computational BiologyIcoBiCoBi’03 – Ribeirão Preto – SP
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Atividades do MestradoAtividades do Mestrado
No. Atividades1. Cumprimento dos créditos relativos a disciplinas2. Pesquisa bibliográfica e levantamento de projetos semelhantes3. Planejamento do projeto4. Implementação da plataforma do projeto5. Estudos de caso utilizando a plataforma implementada6. Análise dos resultados obtidos7. Manutenção da página do projeto8. Elaboração de artigos e participação em eventos9. Redação do texto da dissertação10. Qualificação11. Defesa
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CronogramaCronograma
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Projeto A.L.I.V.E.Projeto A.L.I.V.E.
Artificial Life in Virtual Environments
Objetivos:
Realizar estudos sobre o tema Vida Artificial Aplicar tecnologias de RV na visualização de
experimentos de VA Desenvolver uma plataforma de experimentação
customizavel Implementar experimentos em VA
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Vida ArtificialVida Artificial
Expressão introduzida por Cristopher Langton em 1988, quando foi usado para descrever uma conferência realizada em Los Alamos, Novo México, sobre a “Síntese e simulação de sistemas vivos”.
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Conceitos ChaveConceitos Chave
Combina biologia e Ciência da Computação
Definição inicial entendia dois tipos:– VA forte: envolve a re-criação de vida in-silico,
ou seja, no computador– VA fraca: envolve a simulação de fenômenos
biológicos Inicialmente dominada por cientistas da
computação Hoje estudada por biólogos e físicos entre
outros
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AbordagensAbordagens
Bottom-Up (de baixo para cima)– Observada na natureza– Não envolve planejamento– Envolve evolução emergência– Geralmente associada a VA forte
Top-Down (de cima para baixo)– Observada em sistemas humanísticos– Envolve engenharia / planejamento– Geralmente associado a VA fraca
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Tipos de Estudo em VATipos de Estudo em VA
Origens da vida, auto-organização e auto-replicação
Desenvolvimento e replicação Dinâmica evolucionária e adaptativa Robôs e agentes autônomos Comunicação, cooperação e
comportamento coletivo Simulação, ferramentas de síntese e
metodologias
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Problemas Abertos em VAProblemas Abertos em VA
Como a vida surge da não-vida?
1. Gerar um proto-organismo molecular in-vitro;2. Atingir a transição para vida de um composto químico
artificial in-silico;3. Determinar fundamentalmente se um organismo fictício
pode existir;4. Simular um organismo unicelular em todo o seu ciclo de
vida;5. Explicar como regras e símbolos são gerados da
dinâmica física em sistemas vivos;
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Problemas Abertos em VAProblemas Abertos em VA
Quais são os potenciais e limites dos sistemas vivos?
6. Determinar o que é inevitável na evolução aberta da vida;7. Determinar as condições mínimas para transições
evolucionárias de sistemas de resposta específicos para genéricos;
8. Criar um modelo formal para sintetizar hierarquias dinâmicas em todas as escalas;
9. Determinar a previsibilidade das conseqüências evolutivas da manipulação de organismos e ecossistemas;
10. Desenvolver uma teoria de processamento, fluxo e geração de informação para sistemas em desenvolvimento;
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Problemas Abertos em VAProblemas Abertos em VA
Como a vida se relaciona com a mente, as máquinas e a cultura?
11. Demonstrar a emergência de inteligência e mente em um sistema de vida artificial;
12. Avaliar a influência de máquinas na próxima transição evolutiva da vida;
13. Prover um modelo quantitativo da conexão entre evolução biológica e cultural;
14. Estabelecer princípios éticos para experimentos em vida artificial.
PARA MAIS INFORMAÇÕES... Bedau et. al – Open Problems in Artificial Life
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Exemplos de Programas de VAExemplos de Programas de VA
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Simulação de Seres VivosSimulação de Seres Vivos
Considerar regras locais em vez de regras globais
Considerar regras simples em vez de complexas
Considerar comportamentos emergentes em vez de comportamentos pré-especificados
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Dinâmica do SistemaDinâmica do Sistema
Dinâmica de tempo discreto
Simplicidade em relação a equações diferenciais e mecânicas
Métodos como o de Euler, Runge-Kunta e esquema do trapézio
PARA MAIS INFORMAÇÕES... Kreyszig – Advanced Engineering Mathematics
TT XFX 1
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Exemplos de TécnicasExemplos de Técnicas
Máquinas de estadoSistemas não lineares e caosLógica nebulosaRedes neurais artificiais
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Máquinas de EstadoMáquinas de Estado
Estado atual determinado por um ou mais estados anteriores
Representação por tabelas, grafos de estado ou relações IF-THEN-ELSE
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Artificial Life in Virtual Environments 25
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Autômato CelularAutômato Celular
Vizinho à esquerda
Estado atual Vizinho à direita Novo estado
1 1 1 0
1 1 0 1
1 0 1 0
1 0 0 1
0 1 1 1
0 1 0 0
0 0 1 1
0 0 0 0
Regra 90
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Artificial Life in Virtual Environments 26
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Autômato CelularAutômato Celular
Regra 45 Regra 90 Regra 170
PARA MAIS INFORMAÇÕES... Wolfram – A New Kind of Science
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Artificial Life in Virtual Environments 27
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Sistemas caóticosSistemas caóticos
Dinâmica discreta Características:
– Aperiódico: Sem repetição, não re-visita seqüências de valores já assumidos
– Limitado: Os valores sempre se encontram dentro de um limite máximo e mínimo
– Determinístico: Há uma regra definida governando o sistema, não há aleatoriedade
– Alta sensibilidade às condições iniciais: Uma pequena variação em algum parâmetro gera uma seqüência nova que, a longo prazo, apresenta valores que diferem em muito da seqüência inicialmente considerada.
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Artificial Life in Virtual Environments 28
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Diagrama de BifurcaçãoDiagrama de Bifurcação
Diagrama de BifurcaçãoDiagrama de Bifurcação
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Artificial Life in Virtual Environments 29
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Lógica NebulosaLógica Nebulosa
Representa a incerteza associada ao pensamento humano Aplica variáveis lingüísticas e funções de pertinência em lugar de
ou em conjunto com variáveis numéricas
PARA MAIS INFORMAÇÕES... Lotfi Zadeh – Computing With Words in Information
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Redes Neurais ArtificiaisRedes Neurais Artificiais
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Redes Neurais ArtificiaisRedes Neurais Artificiais
Armazena informação nos pesos wx
Circuito Integrador espacial-temporal
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Artificial Life in Virtual Environments 32
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Algoritmos GenéticosAlgoritmos Genéticos
Inspirados nos mecanismos adaptativos naturrais
Aplicados na solução de problemas nas ciências e engenharias
Emprega conceitos de hereditariedade e técnicas como cruzamento e mutação
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Artificial Life in Virtual Environments 33
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Algoritmos GenéticosAlgoritmos Genéticos
Inspirados nos mecanismos adaptativos naturais Aplicados na solução de problemas nas ciências
e engenharias Emprega conceitos de hereditariedade e técnicas
como cruzamento e mutação
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Algoritmos GenéticosAlgoritmos Genéticos
Vantagens
Pouca, ou nenhuma informação adicional sobre o ambiente procurado é necessária a priori
A eficiência da busca melhora de acordo com população que amostra o espaço de soluções possíveis
Habilidade de evitar mínimos locais Habilidade de lidar com múltiplas dimensões Generalidade sobre várias classes de problemas Provisão de múltiplas boas-soluções Habilidade de localizar a região de solução ótima
EXEMPLO... Evolutionary search for Fuzzy Logic Controllers
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Artificial Life in Virtual Environments 35
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Características do ProjetoCaracterísticas do Projeto Paradigma de programação orientada a objetos Compatibilidade com diversas plataformas computacionais Ambiente simulado tri-dimensional com dinâmica vetorial Visualização em 3D (estéreo) com suporte a diversos
dispositivos gráficos Possibilidade de visualização em dispositivos de realidade
virtual e em ambientes imersivos Possibilidade de execução concorrente em sistemas multi-
proccessados, num contexto multi-agentes Possibilidade de utilização de sistemas distribuídos em
cluster para otimização da performance na apresentação gráfica
Possibilidade de execução em modo Applet, para visualização via Browser pela Internet
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Artificial Life in Virtual Environments 36
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MotivaçãoMotivação
Maioria dos programas disponíveis apresentam visualização rudimentar
Os programas permitem apenas mudar alguns parâmetros pré-estabelecidos
As fontes, quando disponíveis, se encontram em código de baixo nível (ASM, C, C++)
A possibilidade de utilizar arquiteturas paralelas Utilização de um contexto multi-agentes Ambiente virtual em 3D, uso de vetores Empregar tecnologias de realidade virtual
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Artificial Life in Virtual Environments 37
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RecursosRecursos
Linguagem Java API Java3D Computadores pessoais Sistemas multiprocessados (Silicon
Graphics, projeto SPADE) Cluster de PCs (CAVERNA) Equipamentos de visualização (monitores,
Shutter Glasses, HMD, CAVERNA) Internet
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Artificial Life in Virtual Environments 38
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Tecnicas ferramentaisTecnicas ferramentais
Programação Orientada a ObjetosCálculo vetorialMulti-Agentes eletrônicosProgramação
concorrente/distribuidaConceitos de VA
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Artificial Life in Virtual Environments 39
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Java e Java3DJava e Java3D
Java Portabilidade através de plataformas Direcionado para Internet Paradigma de programação orientada a objetos Arquitetura de programação concorrente (Threads) Extensível
Java3D Novo padrão para programas de RV Interface de alto-nivel com OpenGL/DirectX Sistema de descrição de cena por grafos Estende as facilidades do Java
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Artificial Life in Virtual Environments 40
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Grafo de Cena em Java3DGrafo de Cena em Java3D
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VisualizaçãoVisualização
Direcionado, porém não limitado aCaverna digitalAceleradoras gráficasMonitores e Shutter GlassesHMD
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InteratividadeInteratividade
MouseKeyboardGlovesWandsOther tracking devices
Through Java3D picking behaviour
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Arquitetura da plataformaArquitetura da plataforma
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Arquitetura da PlataformaArquitetura da Plataforma
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Arquitetura da PlataformaArquitetura da Plataforma
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Configuração do AmbienteConfiguração do Ambiente
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Artificial Life in Virtual Environments 47
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ExperimentosExperimentos
Testes da plataforma Evolução em um sistema presa-predador Escola de peixes (em desenvolvimento) Demonstrações em biologia
– Fungos– Sistema imunológico– Mitose
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ExperimentosExperimentos
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Sistema Presa-PredadorSistema Presa-Predador
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Sistema Presa-PredadorSistema Presa-Predador
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Dinâmica CelularDinâmica Celular
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Escola de PeixesEscola de Peixes
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AplicaçõesAplicações
Experimentação em VA Simulações didáticas Soluções de problemas ciências e engenharias Treinamento de sistemas em robótica Simulações de sistemas genéticos e evolução Busca em espaços virtuais orientada pelo
usuário Aplicações em áreas futuras (nanotecnologia)
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ConclusõesConclusões A plataforma facilitará a implementação de futuros
experimentos O projeto abre espaço para o uso de realidade virtual em
experimentos de VA A doutrina do código aberto permitirá o aprimoramento do
projeto por seus usuários em todo o mundo (sourceforge.net)
Os experimentos desenvolvidos poderão ser publicados e executados pela Internet, permitindo maior interação entre os grupos de usuários
Novas tecnologias poderão ser aproveitadas a medida que surgem, não necessitando mudanças radicais no código
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AgradecimentosAgradecimentos
Marcio Netto, LSIClaudio Ranieri, LSIProf. Wolfgang Banzhaf,
Universidade de Dortmund
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ReferênciasReferências
Rogério Neves, ALIVE Project Site
http://www.lsi.usp.br/~rponeves/
ALIVE Project oficial site
http://www.lsi.usp.br/~alive/
ARTLIFE Site
http://www.lsi.usp.br/~artlife/
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