323 research outputs found

    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volum

    Two Source Extractors for Asymptotically Optimal Entropy, and (Many) More

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    A long line of work in the past two decades or so established close connections between several different pseudorandom objects and applications. These connections essentially show that an asymptotically optimal construction of one central object will lead to asymptotically optimal solutions to all the others. However, despite considerable effort, previous works can get close but still lack one final step to achieve truly asymptotically optimal constructions. In this paper we provide the last missing link, thus simultaneously achieving explicit, asymptotically optimal constructions and solutions for various well studied extractors and applications, that have been the subjects of long lines of research. Our results include: Asymptotically optimal seeded non-malleable extractors, which in turn give two source extractors for asymptotically optimal min-entropy of O(logn)O(\log n), explicit constructions of KK-Ramsey graphs on NN vertices with K=logO(1)NK=\log^{O(1)} N, and truly optimal privacy amplification protocols with an active adversary. Two source non-malleable extractors and affine non-malleable extractors for some linear min-entropy with exponentially small error, which in turn give the first explicit construction of non-malleable codes against 22-split state tampering and affine tampering with constant rate and \emph{exponentially} small error. Explicit extractors for affine sources, sumset sources, interleaved sources, and small space sources that achieve asymptotically optimal min-entropy of O(logn)O(\log n) or 2s+O(logn)2s+O(\log n) (for space ss sources). An explicit function that requires strongly linear read once branching programs of size 2nO(logn)2^{n-O(\log n)}, which is optimal up to the constant in O()O(\cdot). Previously, even for standard read once branching programs, the best known size lower bound for an explicit function is 2nO(log2n)2^{n-O(\log^2 n)}.Comment: Fixed some minor error

    Automated identification and behaviour classification for modelling social dynamics in group-housed mice

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    Mice are often used in biology as exploratory models of human conditions, due to their similar genetics and physiology. Unfortunately, research on behaviour has traditionally been limited to studying individuals in isolated environments and over short periods of time. This can miss critical time-effects, and, since mice are social creatures, bias results. This work addresses this gap in research by developing tools to analyse the individual behaviour of group-housed mice in the home-cage over several days and with minimal disruption. Using data provided by the Mary Lyon Centre at MRC Harwell we designed an end-to-end system that (a) tracks and identifies mice in a cage, (b) infers their behaviour, and subsequently (c) models the group dynamics as functions of individual activities. In support of the above, we also curated and made available a large dataset of mouse localisation and behaviour classifications (IMADGE), as well as two smaller annotated datasets for training/evaluating the identification (TIDe) and behaviour inference (ABODe) systems. This research constitutes the first of its kind in terms of the scale and challenges addressed. The data source (side-view single-channel video with clutter and no identification markers for mice) presents challenging conditions for analysis, but has the potential to give richer information while using industry standard housing. A Tracking and Identification module was developed to automatically detect, track and identify the (visually similar) mice in the cluttered home-cage using only single-channel IR video and coarse position from RFID readings. Existing detectors and trackers were combined with a novel Integer Linear Programming formulation to assign anonymous tracks to mouse identities. This utilised a probabilistic weight model of affinity between detections and RFID pickups. The next task necessitated the implementation of the Activity Labelling module that classifies the behaviour of each mouse, handling occlusion to avoid giving unreliable classifications when the mice cannot be observed. Two key aspects of this were (a) careful feature-selection, and (b) judicious balancing of the errors of the system in line with the repercussions for our setup. Given these sequences of individual behaviours, we analysed the interaction dynamics between mice in the same cage by collapsing the group behaviour into a sequence of interpretable latent regimes using both static and temporal (Markov) models. Using a permutation matrix, we were able to automatically assign mice to roles in the HMM, fit a global model to a group of cages and analyse abnormalities in data from a different demographic

    Advances and Applications of DSmT for Information Fusion. Collected Works, Volume 5

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    This fifth volume on Advances and Applications of DSmT for Information Fusion collects theoretical and applied contributions of researchers working in different fields of applications and in mathematics, and is available in open-access. The collected contributions of this volume have either been published or presented after disseminating the fourth volume in 2015 in international conferences, seminars, workshops and journals, or they are new. The contributions of each part of this volume are chronologically ordered. First Part of this book presents some theoretical advances on DSmT, dealing mainly with modified Proportional Conflict Redistribution Rules (PCR) of combination with degree of intersection, coarsening techniques, interval calculus for PCR thanks to set inversion via interval analysis (SIVIA), rough set classifiers, canonical decomposition of dichotomous belief functions, fast PCR fusion, fast inter-criteria analysis with PCR, and improved PCR5 and PCR6 rules preserving the (quasi-)neutrality of (quasi-)vacuous belief assignment in the fusion of sources of evidence with their Matlab codes. Because more applications of DSmT have emerged in the past years since the apparition of the fourth book of DSmT in 2015, the second part of this volume is about selected applications of DSmT mainly in building change detection, object recognition, quality of data association in tracking, perception in robotics, risk assessment for torrent protection and multi-criteria decision-making, multi-modal image fusion, coarsening techniques, recommender system, levee characterization and assessment, human heading perception, trust assessment, robotics, biometrics, failure detection, GPS systems, inter-criteria analysis, group decision, human activity recognition, storm prediction, data association for autonomous vehicles, identification of maritime vessels, fusion of support vector machines (SVM), Silx-Furtif RUST code library for information fusion including PCR rules, and network for ship classification. Finally, the third part presents interesting contributions related to belief functions in general published or presented along the years since 2015. These contributions are related with decision-making under uncertainty, belief approximations, probability transformations, new distances between belief functions, non-classical multi-criteria decision-making problems with belief functions, generalization of Bayes theorem, image processing, data association, entropy and cross-entropy measures, fuzzy evidence numbers, negator of belief mass, human activity recognition, information fusion for breast cancer therapy, imbalanced data classification, and hybrid techniques mixing deep learning with belief functions as well

    Workshop Proceedings of the 12th edition of the KONVENS conference

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    The 2014 issue of KONVENS is even more a forum for exchange: its main topic is the interaction between Computational Linguistics and Information Science, and the synergies such interaction, cooperation and integrated views can produce. This topic at the crossroads of different research traditions which deal with natural language as a container of knowledge, and with methods to extract and manage knowledge that is linguistically represented is close to the heart of many researchers at the Institut für Informationswissenschaft und Sprachtechnologie of Universität Hildesheim: it has long been one of the institute’s research topics, and it has received even more attention over the last few years

    Development of Quantitative Bone SPECT Analysis Methods for Metastatic Bone Disease

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    Prostate cancer is one of the most prevalent types of cancer in males in the United States. Bone is a common site of metastases for metastatic prostate cancer. However, bone metastases are often considered “unmeasurable” using standard anatomic imaging and the RECIST 1.1 criteria. As a result, response to therapy is often suboptimally evaluated by visual interpretation of planar bone scintigraphy with response criteria related to the presence or absence of new lesions. With the commercial availability of quantitative single-photon emission computed tomography (SPECT) methods, it is now feasible to establish quantitative metrics of therapy response by skeletal metastases. Quantitative bone SPECT (QBSPECT) may provide the ability to estimate bone lesion uptake, volume, and the number of lesions more accurately than planar imaging. However, the accuracy of activity quantification in QBSPECT relies heavily on the precision with which bone metastases and bone structures are delineated. In this research, we aim at developing automated image segmentation methods for fast and accurate delineation of bone and bone metastases in QBSPECT. To begin, we developed registration methods to generate a dataset of realistic and anatomically-varying computerized phantoms for use in QBSPECT simulations. Using these simulations, we develop supervised computer-automated segmentation methods to minimize intra- and inter-observer variations in delineating bone metastases. This project provides accurate segmentation techniques for QBSPECT and paves the way for the development of QBSPECT methods for assessing bone metastases’ therapy response

    Deep Multimodality Image-Guided System for Assisting Neurosurgery

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    Intrakranielle Hirntumoren gehören zu den zehn häufigsten bösartigen Krebsarten und sind für eine erhebliche Morbidität und Mortalität verantwortlich. Die größte histologische Kategorie der primären Hirntumoren sind die Gliome, die ein äußerst heterogenes Erschei-nungsbild aufweisen und radiologisch schwer von anderen Hirnläsionen zu unterscheiden sind. Die Neurochirurgie ist meist die Standardbehandlung für neu diagnostizierte Gliom-Patienten und kann von einer Strahlentherapie und einer adjuvanten Temozolomid-Chemotherapie gefolgt werden. Die Hirntumorchirurgie steht jedoch vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, eine maximale Tumorentfernung zu erreichen und gleichzeitig postoperative neurologische Defizite zu vermeiden. Zwei dieser neurochirurgischen Herausforderungen werden im Folgenden vorgestellt. Erstens ist die manuelle Abgrenzung des Glioms einschließlich seiner Unterregionen aufgrund seines infiltrativen Charakters und des Vorhandenseins einer heterogenen Kontrastverstärkung schwierig. Zweitens verformt das Gehirn seine Form ̶ die so genannte "Hirnverschiebung" ̶ als Reaktion auf chirurgische Manipulationen, Schwellungen durch osmotische Medikamente und Anästhesie, was den Nutzen präopera-tiver Bilddaten für die Steuerung des Eingriffs einschränkt. Bildgesteuerte Systeme bieten Ärzten einen unschätzbaren Einblick in anatomische oder pathologische Ziele auf der Grundlage moderner Bildgebungsmodalitäten wie Magnetreso-nanztomographie (MRT) und Ultraschall (US). Bei den bildgesteuerten Instrumenten handelt es sich hauptsächlich um computergestützte Systeme, die mit Hilfe von Computer-Vision-Methoden die Durchführung perioperativer chirurgischer Eingriffe erleichtern. Die Chirurgen müssen jedoch immer noch den Operationsplan aus präoperativen Bildern gedanklich mit Echtzeitinformationen zusammenführen, während sie die chirurgischen Instrumente im Körper manipulieren und die Zielerreichung überwachen. Daher war die Notwendigkeit einer Bildführung während neurochirurgischer Eingriffe schon immer ein wichtiges Anliegen der Ärzte. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Systems für die peri-operative bildgeführte Neurochirurgie (IGN), nämlich DeepIGN, mit dem die erwarteten Ergebnisse der Hirntumorchirurgie erzielt werden können, wodurch die Gesamtüberle-bensrate maximiert und die postoperative neurologische Morbidität minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst neuartige Methoden für die Kernbestandteile des DeepIGN-Systems der Hirntumor-Segmentierung im MRT und der multimodalen präope-rativen MRT zur intraoperativen US-Bildregistrierung (iUS) unter Verwendung der jüngs-ten Entwicklungen im Deep Learning vorgeschlagen. Anschließend wird die Ergebnisvor-hersage der verwendeten Deep-Learning-Netze weiter interpretiert und untersucht, indem für den Menschen verständliche, erklärbare Karten erstellt werden. Schließlich wurden Open-Source-Pakete entwickelt und in weithin anerkannte Software integriert, die für die Integration von Informationen aus Tracking-Systemen, die Bildvisualisierung und -fusion sowie die Anzeige von Echtzeit-Updates der Instrumente in Bezug auf den Patientenbe-reich zuständig ist. Die Komponenten von DeepIGN wurden im Labor validiert und in einem simulierten Operationssaal evaluiert. Für das Segmentierungsmodul erreichte DeepSeg, ein generisches entkoppeltes Deep-Learning-Framework für die automatische Abgrenzung von Gliomen in der MRT des Gehirns, eine Genauigkeit von 0,84 in Bezug auf den Würfelkoeffizienten für das Bruttotumorvolumen. Leistungsverbesserungen wurden bei der Anwendung fort-schrittlicher Deep-Learning-Ansätze wie 3D-Faltungen über alle Schichten, regionenbasier-tes Training, fliegende Datenerweiterungstechniken und Ensemble-Methoden beobachtet. Um Hirnverschiebungen zu kompensieren, wird ein automatisierter, schneller und genauer deformierbarer Ansatz, iRegNet, für die Registrierung präoperativer MRT zu iUS-Volumen als Teil des multimodalen Registrierungsmoduls vorgeschlagen. Es wurden umfangreiche Experimente mit zwei Multi-Location-Datenbanken durchgeführt: BITE und RESECT. Zwei erfahrene Neurochirurgen führten eine zusätzliche qualitative Validierung dieser Studie durch, indem sie MRT-iUS-Paare vor und nach der deformierbaren Registrierung überlagerten. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene iRegNet schnell ist und die besten Genauigkeiten erreicht. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene iRegNet selbst bei nicht trainierten Bildern konkurrenzfähige Ergebnisse liefern, was seine Allgemeingültigkeit unter Beweis stellt und daher für die intraoperative neurochirurgische Führung von Nutzen sein kann. Für das Modul "Erklärbarkeit" wird das NeuroXAI-Framework vorgeschlagen, um das Vertrauen medizinischer Experten in die Anwendung von KI-Techniken und tiefen neuro-nalen Netzen zu erhöhen. Die NeuroXAI umfasst sieben Erklärungsmethoden, die Visuali-sierungskarten bereitstellen, um tiefe Lernmodelle transparent zu machen. Die experimen-tellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene XAI-Rahmen eine gute Leistung bei der Extraktion lokaler und globaler Kontexte sowie bei der Erstellung erklärbarer Salienzkar-ten erzielt, um die Vorhersage des tiefen Netzwerks zu verstehen. Darüber hinaus werden Visualisierungskarten erstellt, um den Informationsfluss in den internen Schichten des Encoder-Decoder-Netzwerks zu erkennen und den Beitrag der MRI-Modalitäten zur end-gültigen Vorhersage zu verstehen. Der Erklärungsprozess könnte medizinischen Fachleu-ten zusätzliche Informationen über die Ergebnisse der Tumorsegmentierung liefern und somit helfen zu verstehen, wie das Deep-Learning-Modell MRT-Daten erfolgreich verar-beiten kann. Außerdem wurde ein interaktives neurochirurgisches Display für die Eingriffsführung entwickelt, das die verfügbare kommerzielle Hardware wie iUS-Navigationsgeräte und Instrumentenverfolgungssysteme unterstützt. Das klinische Umfeld und die technischen Anforderungen des integrierten multimodalen DeepIGN-Systems wurden mit der Fähigkeit zur Integration von (1) präoperativen MRT-Daten und zugehörigen 3D-Volumenrekonstruktionen, (2) Echtzeit-iUS-Daten und (3) positioneller Instrumentenver-folgung geschaffen. Die Genauigkeit dieses Systems wurde anhand eines benutzerdefi-nierten Agar-Phantom-Modells getestet, und sein Einsatz in einem vorklinischen Operati-onssaal wurde simuliert. Die Ergebnisse der klinischen Simulation bestätigten, dass die Montage des Systems einfach ist, in einer klinisch akzeptablen Zeit von 15 Minuten durchgeführt werden kann und mit einer klinisch akzeptablen Genauigkeit erfolgt. In dieser Arbeit wurde ein multimodales IGN-System entwickelt, das die jüngsten Fort-schritte im Bereich des Deep Learning nutzt, um Neurochirurgen präzise zu führen und prä- und intraoperative Patientenbilddaten sowie interventionelle Geräte in das chirurgi-sche Verfahren einzubeziehen. DeepIGN wurde als Open-Source-Forschungssoftware entwickelt, um die Forschung auf diesem Gebiet zu beschleunigen, die gemeinsame Nut-zung durch mehrere Forschungsgruppen zu erleichtern und eine kontinuierliche Weiter-entwicklung durch die Gemeinschaft zu ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die Anwendung von Deep-Learning-Modellen zur Unterstützung interventioneller Verfahren - ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der chirurgi-schen Behandlung von Hirntumoren und der entsprechenden langfristigen postoperativen Ergebnisse

    Conditional Invertible Generative Models for Supervised Problems

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    Invertible neural networks (INNs), in the setting of normalizing flows, are a type of unconditional generative likelihood model. Despite various attractive properties compared to other common generative model types, they are rarely useful for supervised tasks or real applications due to their unguided outputs. In this work, we therefore present three new methods that extend the standard INN setting, falling under a broader category we term generative invertible models. These new methods allow leveraging the theoretical and practical benefits of INNs to solve supervised problems in new ways, including real-world applications from different branches of science. The key finding is that our approaches enhance many aspects of trustworthiness in comparison to conventional feed-forward networks, such as uncertainty estimation and quantification, explainability, and proper handling of outlier data

    Diffusion Models in Vision: A Survey

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    Denoising diffusion models represent a recent emerging topic in computer vision, demonstrating remarkable results in the area of generative modeling. A diffusion model is a deep generative model that is based on two stages, a forward diffusion stage and a reverse diffusion stage. In the forward diffusion stage, the input data is gradually perturbed over several steps by adding Gaussian noise. In the reverse stage, a model is tasked at recovering the original input data by learning to gradually reverse the diffusion process, step by step. Diffusion models are widely appreciated for the quality and diversity of the generated samples, despite their known computational burdens, i.e. low speeds due to the high number of steps involved during sampling. In this survey, we provide a comprehensive review of articles on denoising diffusion models applied in vision, comprising both theoretical and practical contributions in the field. First, we identify and present three generic diffusion modeling frameworks, which are based on denoising diffusion probabilistic models, noise conditioned score networks, and stochastic differential equations. We further discuss the relations between diffusion models and other deep generative models, including variational auto-encoders, generative adversarial networks, energy-based models, autoregressive models and normalizing flows. Then, we introduce a multi-perspective categorization of diffusion models applied in computer vision. Finally, we illustrate the current limitations of diffusion models and envision some interesting directions for future research.Comment: Accepted in IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 25 pages, 3 figure

    LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volum
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