Segments, Rectangles, Contours

Coordinated Science Laboratory was formerly known as Control Systems LaboratoryJoint Services Electronics Program / N00014-79-C-0424National Science Foundation / NSF MCS-78-1364

Studies in Efficient Discrete Algorithms

This thesis consists of five papers within the design and analysis of efficient algorithms.In the first paper, we consider the problem of computing all-pairs shortest paths in a directed graph with real weights assigned to vertices. We develop a combinatorial randomized algorithm that runs in subcubic time for a special class of graphs.In the second paper, we present a polynomial-time dynamic programming algorithm for optimal partitions of a complete edge-weighted graph, where the edges are weighted by the length of the unique shortest path connecting those vertices in the a priori given tree (shortest path metric induced by a tree). Our result resolves, in particular, the complexity status of the optimal partition problems in one-dimensional geometric (Euclidean) setting.In the third paper, we study the NP-hard problem of partitioning an orthogonal polyhedron P into a minimum number of 3D rectangles. We present an approximation algorithm with the approximation ratio 4 for the special case of the problem in which P is a so-called 3D histogram. We then apply it to compute the exact arithmetic matrix product of two matrices with non-negative integer entries. The computation is time-efficient if the 3D histograms induced by the input matrices can be partitioned into relatively few 3D rectangles.In the fourth paper, we present the first quasi-polynomial approximation schemes for the base of the number of triangulations of a planar point set and the base of the number of crossing-free spanning trees on a planar point set, respectively.In the fifth paper, we study the complexity of detecting monomials with special properties in the sum-product expansion of a polynomial represented by an arithmetic circuit of size polynomial in the number of input variables and using only multiplication and addition. We present a fixed-parameter tractable algorithms for the detection of monomial having at least k distinct variables, parametrized with respect to k. Furthermore, we derive several hardness results on the detection of monomials with such properties within exact, parametrized and approximation complexity

Space-variant picture coding

PhDSpace-variant picture coding techniques exploit the strong spatial non-uniformity of the human visual system in order to increase coding efficiency in terms of perceived quality per bit. This thesis extends space-variant coding research in two directions. The first of these directions is in foveated coding. Past foveated coding research has been dominated by the single-viewer, gaze-contingent scenario. However, for research into the multi-viewer and probability-based scenarios, this thesis presents a missing piece: an algorithm for computing an additive multi-viewer sensitivity function based on an established eye resolution model, and, from this, a blur map that is optimal in the sense of discarding frequencies in least-noticeable- rst order. Furthermore, for the application of a blur map, a novel algorithm is presented for the efficient computation of high-accuracy smoothly space-variant Gaussian blurring, using a specialised filter bank which approximates perfect space-variant Gaussian blurring to arbitrarily high accuracy and at greatly reduced cost compared to the brute force approach of employing a separate low-pass filter at each image location. The second direction is that of artifi cially increasing the depth-of- field of an image, an idea borrowed from photography with the advantage of allowing an image to be reduced in bitrate while retaining or increasing overall aesthetic quality. Two synthetic depth of field algorithms are presented herein, with the desirable properties of aiming to mimic occlusion eff ects as occur in natural blurring, and of handling any number of blurring and occlusion levels with the same level of computational complexity. The merits of this coding approach have been investigated by subjective experiments to compare it with single-viewer foveated image coding. The results found the depth-based preblurring to generally be significantly preferable to the same level of foveation blurring

Voronoi diagrams in the max-norm: algorithms, implementation, and applications

Voronoi diagrams and their numerous variants are well-established objects in computational geometry. They have proven to be extremely useful to tackle geometric problems in various domains such as VLSI CAD, Computer Graphics, Pattern Recognition, Information Retrieval, etc. In this dissertation, we study generalized Voronoi diagram of line segments as motivated by applications in VLSI Computer Aided Design. Our work has three directions: algorithms, implementation, and applications of the line-segment Voronoi diagrams. Our results are as follows: (1) Algorithms for the farthest Voronoi diagram of line segments in the Lp metric, 1 ≤ p ≤ ∞. Our main interest is the L2 (Euclidean) and the L∞ metric. We first introduce the farthest line-segment hull and its Gaussian map to characterize the regions of the farthest line-segment Voronoi diagram at infinity. We then adapt well-known techniques for the construction of a convex hull to compute the farthest line-segment hull, and therefore, the farthest segment Voronoi diagram. Our approach unifies techniques to compute farthest Voronoi diagrams for points and line segments. (2) The implementation of the L∞ Voronoi diagram of line segments in the Computational Geometry Algorithms Library (CGAL). Our software (approximately 17K lines of C++ code) is built on top of the existing CGAL package on the L2 (Euclidean) Voronoi diagram of line segments. It is accepted and integrated in the upcoming version of the library CGAL-4.7 and will be released in september 2015. We performed the implementation in the L∞ metric because we target applications in VLSI design, where shapes are predominantly rectilinear, and the L∞ segment Voronoi diagram is computationally simpler. (3) The application of our Voronoi software to tackle proximity-related problems in VLSI pattern analysis. In particular, we use the Voronoi diagram to identify critical locations in patterns of VLSI layout, which can be faulty during the printing process of a VLSI chip. We present experiments involving layout pieces that were provided by IBM Research, Zurich. Our Voronoi-based method was able to find all problematic locations in the provided layout pieces, very fast, and without any manual intervention

A combinatorial approach to orthogonal placement problems

liegt nicht vor!Wir betrachten zwei Familien von NP-schwierigen orthogonalen Platzierungsproblemen aus dem Bereich der Informationsvisualisierung von einem theoretischen und praktischen Standpunkt aus. Diese Arbeit enthält ein gemeinsames kombinatorisches Gerüst für Kompaktierungsprobleme aus dem Bereich des orthogonalen Graphenzeichnens und Beschriftungsprobleme von Punktmengen aus dem Gebiet der Computer-Kartografie. Bei den Kompaktierungsproblemen geht es darum, eine gegebene dimensionslose Beschreibung der orthogonalen Form eines Graphen in eine orthogonale Gitterzeichnung mit kurzen Kanten und geringem Flächenverbrauch zu transformieren. Die Beschriftungsprobleme haben zur Aufgabe, eine gegebene Menge von rechteckigen Labels so zu platzieren, dass eine lesbare Karte entsteht. In einer klassischen Anwendung repräsentieren die Punkte beispielsweise Städte einer Landkarte, und die Labels enthalten die Namen der Städte. Wir präsentieren neue kombinatorische Formulierungen für diese Probleme und verwenden dabei eine pfad- und kreisbasierte graphentheoretische Eigenschaft in einem zugehörigen problemspezifschen Paar von Constraint-Graphen. Die Umformulierung ermöglicht es uns, exakte Algorithmen für die Originalprobleme zu entwickeln. Umfassende experimentelle Studien mit Benchmark-Instanzen aus der Praxis zeigen, dass unsere Algorithmen, die auf linearer Programmierung beruhen, in der Lage sind, große Instanzen der Platzierungsprobleme beweisbar optimal und in kurzer Rechenzeit zu lösen. Ferner kombinieren wir die Formulierungen für Kompaktierungs- und Beschriftungsprobleme und präsentieren einen exakten algorithmischen Ansatz für ein Graphbeschriftungsproblem. Oftmals sind unsere neuen Algorithmen die ersten exakten Algorithmen für die jeweilige Problemvariante

A combinatorial approach to orthogonal placement problems

liegt nicht vor!Wir betrachten zwei Familien von NP-schwierigen orthogonalen Platzierungsproblemen aus dem Bereich der Informationsvisualisierung von einem theoretischen und praktischen Standpunkt aus. Diese Arbeit enthält ein gemeinsames kombinatorisches Gerüst für Kompaktierungsprobleme aus dem Bereich des orthogonalen Graphenzeichnens und Beschriftungsprobleme von Punktmengen aus dem Gebiet der Computer-Kartografie. Bei den Kompaktierungsproblemen geht es darum, eine gegebene dimensionslose Beschreibung der orthogonalen Form eines Graphen in eine orthogonale Gitterzeichnung mit kurzen Kanten und geringem Flächenverbrauch zu transformieren. Die Beschriftungsprobleme haben zur Aufgabe, eine gegebene Menge von rechteckigen Labels so zu platzieren, dass eine lesbare Karte entsteht. In einer klassischen Anwendung repräsentieren die Punkte beispielsweise Städte einer Landkarte, und die Labels enthalten die Namen der Städte. Wir präsentieren neue kombinatorische Formulierungen für diese Probleme und verwenden dabei eine pfad- und kreisbasierte graphentheoretische Eigenschaft in einem zugehörigen problemspezifschen Paar von Constraint-Graphen. Die Umformulierung ermöglicht es uns, exakte Algorithmen für die Originalprobleme zu entwickeln. Umfassende experimentelle Studien mit Benchmark-Instanzen aus der Praxis zeigen, dass unsere Algorithmen, die auf linearer Programmierung beruhen, in der Lage sind, große Instanzen der Platzierungsprobleme beweisbar optimal und in kurzer Rechenzeit zu lösen. Ferner kombinieren wir die Formulierungen für Kompaktierungs- und Beschriftungsprobleme und präsentieren einen exakten algorithmischen Ansatz für ein Graphbeschriftungsproblem. Oftmals sind unsere neuen Algorithmen die ersten exakten Algorithmen für die jeweilige Problemvariante