Optimizing One Million Variable NK Landscapes by Hybridizing Deterministic Recombination and Local Search

In gray-box optimization, the search algorithms have access to the variable interaction graph (VIG) of the optimization problem. For Mk Landscapes (and NK Landscapes) we can use the VIG to identify an improving solution in the Hamming neighborhood in constant time. In addition, using the VIG, deterministic Partition Crossover is able to explore an exponential number of solutions in a time that is linear in the size of the problem. Both methods have been used in isolation in previous search algorithms. We present two new gray-box algorithms that combine Partition Crossover with highly efficient local search. The best algorithms are able to locate the global optimum on Adjacent NK Landscape instances with one million variables. The algorithms are compared with a state-of-the-art algorithm for pseudo-Boolean optimization: Gray-Box Parameterless Population Pyramid. The results show that the best algorithm is always one combining Partition Crossover and highly efficient local search. But the results also illustrate that the best optimizer differs on Adjacent and Random NK Landscapes.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

The Multiple Insertion Pyramid: A Fast Parameter-Less Population Scheme

textabstractThe Parameter-less Population Pyramid (P3) uses a novel population scheme, called the population pyramid. This population scheme does not require a fixed population size, instead it keeps adding new solutions to an ever growing set of layered populations. P3 is very efficient in terms of number of fitness function evaluations but its runtime is significantly higher than that of the Gene-pool Optimal Mixing Evolutionary Algorithm (GOMEA) which uses the same method of exploration. This higher run-time is caused by the need to rebuild the linkage tree every time a single new solution is added to the population pyramid.We propose a new population scheme, called the multiple insertion pyramid that results in a faster variant of P3 by inserting multiple solutions at the same time and operating on populations instead of on single solutions

Edge Potential Functions (EPF) and Genetic Algorithms (GA) for Edge-Based Matching of Visual Objects

Edges are known to be a semantically rich representation of the contents of a digital image. Nevertheless, their use in practical applications is sometimes limited by computation and complexity constraints. In this paper, a new approach is presented that addresses the problem of matching visual objects in digital images by combining the concept of Edge Potential Functions (EPF) with a powerful matching tool based on Genetic Algorithms (GA). EPFs can be easily calculated starting from an edge map and provide a kind of attractive pattern for a matching contour, which is conveniently exploited by GAs. Several tests were performed in the framework of different image matching applications. The results achieved clearly outline the potential of the proposed method as compared to state of the art methodologies. (c) 2007 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

Learning and Searching Methods for Robust, Real-Time Visual Odometry.

Accurate position estimation provides a critical foundation for mobile robot perception and control. While well-studied, it remains difficult to provide timely, precise, and robust position estimates for applications that operate in uncontrolled environments, such as robotic exploration and autonomous driving. Continuous, high-rate egomotion estimation is possible using cameras and Visual Odometry (VO), which tracks the movement of sparse scene content known as image keypoints or features. However, high update rates, often 30~Hz or greater, leave little computation time per frame, while variability in scene content stresses robustness. Due to these challenges, implementing an accurate and robust visual odometry system remains difficult. This thesis investigates fundamental improvements throughout all stages of a visual odometry system, and has three primary contributions: The first contribution is a machine learning method for feature detector design. This method considers end-to-end motion estimation accuracy during learning. Consequently, accuracy and robustness are improved across multiple challenging datasets in comparison to state of the art alternatives. The second contribution is a proposed feature descriptor, TailoredBRIEF, that builds upon recent advances in the field in fast, low-memory descriptor extraction and matching. TailoredBRIEF is an in-situ descriptor learning method that improves feature matching accuracy by efficiently customizing descriptor structures on a per-feature basis. Further, a common asymmetry in vision system design between reference and query images is described and exploited, enabling approaches that would otherwise exceed runtime constraints. The final contribution is a new algorithm for visual motion estimation: Perspective Alignment Search~(PAS). Many vision systems depend on the unique appearance of features during matching, despite a large quantity of non-unique features in otherwise barren environments. A search-based method, PAS, is proposed to employ features that lack unique appearance through descriptorless matching. This method simplifies visual odometry pipelines, defining one method that subsumes feature matching, outlier rejection, and motion estimation. Throughout this work, evaluations of the proposed methods and systems are carried out on ground-truth datasets, often generated with custom experimental platforms in challenging environments. Particular focus is placed on preserving runtimes compatible with real-time operation, as is necessary for deployment in the field.PhDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113365/1/chardson_1.pd