Of keyboards and beyond - optimization in human-computer interaction

In this thesis, we present optimization frameworks in the area of Human-Computer Interaction. At first, we discuss keyboard layout problems with a special focus on a project we participated in, which aimed at designing the new French keyboard standard. The special nature of this national-scale project and its optimization ingredients are discussed in detail; we specifically highlight our algorithmic contribution to this project. Exploiting the special structure of this design problem, we propose an optimization framework that was efficiently computes keyboard layouts and provides very good optimality guarantees in form of tight lower bounds. The optimized layout that we showed to be nearly optimal was the basis of the new French keyboard standard recently published in the National Assembly in Paris. Moreover, we propose a relaxation for the quadratic assignment problem (a generalization of keyboard layouts) that is based on semidefinite programming. In a branch-and-bound framework, this relaxation achieves competitive results compared to commonly used linear programming relaxations for this problem. Finally, we introduce a modeling language for mixed integer programs that especially focuses on the challenges and features that appear in participatory optimization problems similar to the French keyboard design process.Diese Arbeit behandelt Ansätze zu Optimierungsproblemen im Bereich Human-Computer Interaction. Zuerst diskutieren wir Tastaturbelegungsprobleme mit einem besonderen Fokus auf einem Projekt, an dem wir teilgenommen haben: die Erstellung eines neuen Standards für die französische Tastatur. Wir gehen auf die besondere Struktur dieses Problems und unseren algorithmischen Beitrag ein: ein Algorithmus, der mit Optimierungsmethoden die Struktur dieses speziellen Problems ausnutzt. Mithilfe dieses Algorithmus konnten wir effizient Tastaturbelegungen berechnen und die Qualität dieser Belegungen effektiv (in Form von unteren Schranken) nachweisen. Das finale optimierte Layout, welches mit unserer Methode bewiesenermaßen nahezu optimal ist, diente als Grundlage für den kürzlich in der französischen Nationalversammlung veröffentlichten neuen französischen Tastaturstandard. Darüberhinaus beschreiben wir eine Relaxierung für das quadratische Zuweisungsproblem (eine Verallgemeinerung des Tastaturbelegungsproblems), die auf semidefinieter Programmierung basiert. Wir zeigen, dass unser Algorithmus im Vergleich zu üblich genutzten linearen Relaxierung gut abschneidet. Abschließend definieren und diskutieren wir eine Modellierungssprache für gemischt integrale Programme. Diese Sprache ist speziell auf die besonderen Herausforderungen abgestimmt, die bei interaktiven Optimierungsproblemen auftreten, welche einen ähnlichen Charakter haben wie der Prozess des Designs der französischen Tastatur

Preliminaries for distributed natural computing inspired by the slime mold Physarum Polycephalum

This doctoral thesis aims towards distributed natural computing inspired by the slime mold Physarum polycephalum. The vein networks formed by this organism presumably support efficient transport of protoplasmic fluid. Devising models which capture the natural efficiency of the organism and form a suitable basis for the development of natural computing algorithms is an interesting and challenging goal. We start working towards this goal by designing and executing wet-lab experi- ments geared towards producing a large number of images of the vein networks of P. polycephalum. Next, we turn the depicted vein networks into graphs using our own custom software called Nefi. This enables a detailed numerical study, yielding a catalogue of characterizing observables spanning a wide array of different graph properties. To share our results and data, i.e. raw experimental data, graphs and analysis results, we introduce a dedicated repository revolving around slime mold data, the Smgr. The purpose of this repository is to promote data reuse and to foster a practice of increased data sharing. Finally we present a model based on interacting electronic circuits including current controlled voltage sources, which mimics the emergent flow patterns observed in live P. polycephalum. The model is simple, distributed and robust to changes in the underlying network topology. Thus it constitutes a promising basis for the development of distributed natural computing algorithms.Diese Dissertation dient als Vorarbeit für den Entwurf von verteilten Algorithmen, inspiriert durch den Schleimpilz Physarum polycephalum. Es wird vermutet, dass die Venen-Netze dieses Organismus den effizienten Transport von protoplasmischer Flüssigkeit ermöglichen. Die Herleitung von Modellen, welche sowohl die natürliche Effizienz des Organismus widerspiegeln, als auch eine geeignete Basis für den Entwurf von Algorithmen bieten, gilt weiterhin als schwierig. Wir nähern uns diesem Ziel mittels Laborversuchen zur Produktion von zahlreichen Abbildungen von Venen-Netzwerken. Weiters führen wir die abgebildeten Netze in Graphen über. Hierfür verwenden wir unsere eigene Software, genannt Nefi. Diese ermöglicht eine numerische Studie der Graphen, welche einen Katalog von charakteristischen Grapheigenschaften liefert. Um die gewonnenen Erkenntnisse und Daten zu teilen, führen wir ein spezialisiertes Daten-Repository ein, genannt Smgr. Hiermit begünstigen wir die Wiederverwendung von Daten und fördern das Teilen derselben. Abschließend präsentieren wir ein Modell, basierend auf elektrischen Elementen, insbesondere stromabhängigen Spannungsquellen, welches die Flüsse von P. poly- cephalum nachahmt. Das Modell ist simpel, verteilt und robust gegenüber topolo- gischen änderungen. Aus diesen Gründen stellt es eine vielversprechende Basis für den Entwurf von verteilten Algorithmen dar

Blinking Molecule Tracking

Abstract We discuss a method for tracking individual molecules which globally optimizes the likelihood of the connections between molecule positions fast and with high reliability even for high spot densities and blinking molecules. Our method works with cost functions which can be freely chosen to combine costs for distances between spots in space and time and which can account for the reliability of positioning a molecule. To this end, we describe a top-down polyhedral approach to the problem of tracking many individual molecules. This immediately yields an effective implementation using standard linear programming solvers. Our method can be applied to 2D and 3D tracking.