Book of Abstracts of the Sixth SIAM Workshop on Combinatorial Scientific Computing

Book of Abstracts of CSC14 edited by Bora UçarInternational audienceThe Sixth SIAM Workshop on Combinatorial Scientific Computing, CSC14, was organized at the Ecole Normale Supérieure de Lyon, France on 21st to 23rd July, 2014. This two and a half day event marked the sixth in a series that started ten years ago in San Francisco, USA. The CSC14 Workshop's focus was on combinatorial mathematics and algorithms in high performance computing, broadly interpreted. The workshop featured three invited talks, 27 contributed talks and eight poster presentations. All three invited talks were focused on two interesting fields of research specifically: randomized algorithms for numerical linear algebra and network analysis. The contributed talks and the posters targeted modeling, analysis, bisection, clustering, and partitioning of graphs, applied in the context of networks, sparse matrix factorizations, iterative solvers, fast multi-pole methods, automatic differentiation, high-performance computing, and linear programming. The workshop was held at the premises of the LIP laboratory of ENS Lyon and was generously supported by the LABEX MILYON (ANR-10-LABX-0070, Université de Lyon, within the program ''Investissements d'Avenir'' ANR-11-IDEX-0007 operated by the French National Research Agency), and by SIAM

Telecommunications Networks

This book guides readers through the basics of rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations of Telecommunications Networks. It identifies and examines the most pressing research issues in Telecommunications and it contains chapters written by leading researchers, academics and industry professionals. Telecommunications Networks - Current Status and Future Trends covers surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as: IMS, eTOM, 3G/4G, optimization problems, modeling, simulation, quality of service, etc. This book, that is suitable for both PhD and master students, is organized into six sections: New Generation Networks, Quality of Services, Sensor Networks, Telecommunications, Traffic Engineering and Routing

Wide-Area Surveillance System using a UAV Helicopter Interceptor and Sensor Placement Planning Techniques

This project proposes and describes the implementation of a wide-area surveillance system comprised of a sensor/interceptor placement planning and an interceptor unmanned aerial vehicle (UAV) helicopter. Given the 2-D layout of an area, the planning system optimally places perimeter cameras based on maximum coverage and minimal cost. Part of this planning system includes the MATLAB implementation of Erdem and Sclaroff’s Radial Sweep algorithm for visibility polygon generation. Additionally, 2-D camera modeling is proposed for both fixed and PTZ cases. Finally, the interceptor is also placed to minimize shortest-path flight time to any point on the perimeter during a detection event. Secondly, a basic flight control system for the UAV helicopter is designed and implemented. The flight control system’s primary goal is to hover the helicopter in place when a human operator holds an automatic-flight switch. This system represents the first step in a complete waypoint-navigation flight control system. The flight control system is based on an inertial measurement unit (IMU) and a proportional-integral-derivative (PID) controller. This system is implemented using a general-purpose personal computer (GPPC) running Windows XP and other commercial off-the-shelf (COTS) hardware. This setup differs from other helicopter control systems which typically use custom embedded solutions or micro-controllers. Experiments demonstrate the sensor placement planning achieving \u3e90% coverage at optimized-cost for several typical areas given multiple camera types and parameters. Furthermore, the helicopter flight control system experiments achieve hovering success over short flight periods. However, the final conclusion is that the COTS IMU is insufficient for high-speed, high-frequency applications such as a helicopter control system

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Telecommunication Systems

This book is based on both industrial and academic research efforts in which a number of recent advancements and rare insights into telecommunication systems are well presented. The volume is organized into four parts: "Telecommunication Protocol, Optimization, and Security Frameworks", "Next-Generation Optical Access Technologies", "Convergence of Wireless-Optical Networks" and "Advanced Relay and Antenna Systems for Smart Networks." Chapters within these parts are self-contained and cross-referenced to facilitate further study

Large bichromatic point sets admit empty monochromatic 4-gons

We consider a variation of a problem stated by Erd˝os and Szekeres in 1935 about the existence of a number fES(k) such that any set S of at least fES(k) points in general position in the plane has a subset of k points that are the vertices of a convex k-gon. In our setting the points of S are colored, and we say that a (not necessarily convex) spanned polygon is monochromatic if all its vertices have the same color. Moreover, a polygon is called empty if it does not contain any points of S in its interior. We show that any bichromatic set of n ≥ 5044 points in R2 in general position determines at least one empty, monochromatic quadrilateral (and thus linearly many).Postprint (published version

SIMULATING SEISMIC WAVE PROPAGATION IN TWO-DIMENSIONAL MEDIA USING DISCONTINUOUS SPECTRAL ELEMENT METHODS

We introduce a discontinuous spectral element method for simulating seismic wave in 2- dimensional elastic media. The methods combine the flexibility of a discontinuous finite element method with the accuracy of a spectral method. The elastodynamic equations are discretized using high-degree of Lagrange interpolants and integration over an element is accomplished based upon the Gauss-Lobatto-Legendre integration rule. This combination of discretization and integration results in a diagonal mass matrix and the use of discontinuous finite element method makes the calculation can be done locally in each element. Thus, the algorithm is simplified drastically. We validated the results of one-dimensional problem by comparing them with finite-difference time-domain method and exact solution. The comparisons show excellent agreement