Impact of Symmetries in Graph Clustering

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der durch die Automorphismusgruppe definierten Symmetrie von Graphen und wie sich diese auf eine Knotenpartition, als Ergebnis von Graphenclustering, auswirkt. Durch eine Analyse von nahezu 1700 Graphen aus verschiedenen Anwendungsbereichen kann gezeigt werden, dass mehr als 70 % dieser Graphen Symmetrien enthalten. Dies bildet einen Gegensatz zum kombinatorischen Beweis, der besagt, dass die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Graphen symmetrisch zu sein bei zunehmender Größe gegen Null geht. Das Ergebnis rechtfertigt damit die Wichtigkeit weiterer Untersuchungen, die auf mögliche Auswirkungen der Symmetrie eingehen. Bei der Analyse werden sowohl sehr kleine Graphen (10 000 000 Knoten/>25 000 000 Kanten) berücksichtigt. Weiterhin wird ein theoretisches Rahmenwerk geschaffen, das zum einen die detaillierte Quantifizierung von Graphensymmetrie erlaubt und zum anderen Stabilität von Knotenpartitionen hinsichtlich dieser Symmetrie formalisiert. Eine Partition der Knotenmenge, die durch die Aufteilung in disjunkte Teilmengen definiert ist, wird dann als stabil angesehen, wenn keine Knoten symmetriebedingt von der einen in die andere Teilmenge abgebildet werden und dadurch die Partition verändert wird. Zudem wird definiert, wie eine mögliche Zerlegbarkeit der Automorphismusgruppe in unabhängige Untergruppen als lokale Symmetrie interpretiert werden kann, die dann nur Auswirkungen auf einen bestimmten Bereich des Graphen hat. Um die Auswirkungen der Symmetrie auf den gesamten Graphen und auf Partitionen zu quantifizieren, wird außerdem eine Entropiedefinition präsentiert, die sich an der Analyse dynamischer Systeme orientiert. Alle Definitionen sind allgemein und können daher für beliebige Graphen angewandt werden. Teilweise ist sogar eine Anwendbarkeit für beliebige Clusteranalysen gegeben, solange deren Ergebnis in einer Partition resultiert und sich eine Symmetrierelation auf den Datenpunkten als Permutationsgruppe angeben lässt. Um nun die tatsächliche Auswirkung von Symmetrie auf Graphenclustering zu untersuchen wird eine zweite Analyse durchgeführt. Diese kommt zum Ergebnis, dass von 629 untersuchten symmetrischen Graphen 72 eine instabile Partition haben. Für die Analyse werden die Definitionen des theoretischen Rahmenwerks verwendet. Es wird außerdem festgestellt, dass die Lokalität der Symmetrie eines Graphen maßgeblich beeinflusst, ob dessen Partition stabil ist oder nicht. Eine hohe Lokalität resultiert meist in einer stabilen Partition und eine stabile Partition impliziert meist eine hohe Lokalität. Bevor die obigen Ergebnisse beschrieben und definiert werden, wird eine umfassende Einführung in die verschiedenen benötigten Grundlagen gegeben. Diese umfasst die formalen Definitionen von Graphen und statistischen Graphmodellen, Partitionen, endlichen Permutationsgruppen, Graphenclustering und Algorithmen dafür, sowie von Entropie. Ein separates Kapitel widmet sich ausführlich der Graphensymmetrie, die durch eine endliche Permutationsgruppe, der Automorphismusgruppe, beschrieben wird. Außerdem werden Algorithmen vorgestellt, die die Symmetrie von Graphen ermitteln können und, teilweise, auch das damit eng verwandte Graphisomorphie Problem lösen. Am Beispiel von Graphenclustering gibt die Dissertation damit Einblicke in mögliche Auswirkungen von Symmetrie in der Datenanalyse, die so in der Literatur bisher wenig bis keine Beachtung fanden

Parametric shortest-path algorithms via tropical geometry

We study parameterized versions of classical algorithms for computing shortest-path trees. This is most easily expressed in terms of tropical geometry. Applications include shortest paths in traffic networks with variable link travel times.Comment: 24 pages and 8 figure

Dense Stellar Populations: Initial Conditions

This chapter is based on four lectures given at the Cambridge N-body school "Cambody". The material covered includes the IMF, the 6D structure of dense clusters, residual gas expulsion and the initial binary population. It is aimed at those needing to initialise stellar populations for a variety of purposes (N-body experiments, stellar population synthesis).Comment: 85 pages. To appear in The Cambridge N-body Lectures, Sverre Aarseth, Christopher Tout, Rosemary Mardling (eds), Lecture Notes in Physics Series, Springer Verla

Object Association Across Multiple Moving Cameras In Planar Scenes

In this dissertation, we address the problem of object detection and object association across multiple cameras over large areas that are well modeled by planes. We present a unifying probabilistic framework that captures the underlying geometry of planar scenes, and present algorithms to estimate geometric relationships between different cameras, which are subsequently used for co-operative association of objects. We first present a local1 object detection scheme that has three fundamental innovations over existing approaches. First, the model of the intensities of image pixels as independent random variables is challenged and it is asserted that useful correlation exists in intensities of spatially proximal pixels. This correlation is exploited to sustain high levels of detection accuracy in the presence of dynamic scene behavior, nominal misalignments and motion due to parallax. By using a non-parametric density estimation method over a joint domain-range representation of image pixels, complex dependencies between the domain (location) and range (color) are directly modeled. We present a model of the background as a single probability density. Second, temporal persistence is introduced as a detection criterion. Unlike previous approaches to object detection that detect objects by building adaptive models of the background, the foreground is modeled to augment the detection of objects (without explicit tracking), since objects detected in the preceding frame contain substantial evidence for detection in the current frame. Finally, the background and foreground models are used competitively in a MAP-MRF decision framework, stressing spatial context as a condition of detecting interesting objects and the posterior function is maximized efficiently by finding the minimum cut of a capacitated graph. Experimental validation of the method is performed and presented on a diverse set of data. We then address the problem of associating objects across multiple cameras in planar scenes. Since cameras may be moving, there is a possibility of both spatial and temporal non-overlap in the fields of view of the camera. We first address the case where spatial and temporal overlap can be assumed. Since the cameras are moving and often widely separated, direct appearance-based or proximity-based constraints cannot be used. Instead, we exploit geometric constraints on the relationship between the motion of each object across cameras, to test multiple correspondence hypotheses, without assuming any prior calibration information. Here, there are three contributions. First, we present a statistically and geometrically meaningful means of evaluating a hypothesized correspondence between multiple objects in multiple cameras. Second, since multiple cameras exist, ensuring coherency in association, i.e. transitive closure is maintained between more than two cameras, is an essential requirement. To ensure such coherency we pose the problem of object associating across cameras as a k-dimensional matching and use an approximation to find the association. We show that, under appropriate conditions, re-entering objects can also be re-associated to their original labels. Third, we show that as a result of associating objects across the cameras, a concurrent visualization of multiple aerial video streams is possible. Results are shown on a number of real and controlled scenarios with multiple objects observed by multiple cameras, validating our qualitative models. Finally, we present a unifying framework for object association across multiple cameras and for estimating inter-camera homographies between (spatially and temporally) overlapping and non-overlapping cameras, whether they are moving or non-moving. By making use of explicit polynomial models for the kinematics of objects, we present algorithms to estimate inter-frame homographies. Under an appropriate measurement noise model, an EM algorithm is applied for the maximum likelihood estimation of the inter-camera homographies and kinematic parameters. Rather than fit curves locally (in each camera) and match them across views, we present an approach that simultaneously refines the estimates of inter-camera homographies and curve coefficients globally. We demonstrate the efficacy of the approach on a number of real sequences taken from aerial cameras, and report quantitative performance during simulations

Engineering Planar-Separator and Shortest-Path Algorithms

"Algorithm engineering" denotes the process of designing, implementing, testing, analyzing, and refining computational proceedings to improve their performance. We consider three graph problems -- planar separation, single-pair shortest-path routing, and multimodal shortest-path routing -- and conduct a systematic study in order to: classify different kinds of input; draw concrete recommendations for choosing the parameters involved; and identify and tune crucial parts of the algorithm