The Haar Wavelet Transform of a Dendrogram: Additional Notes

We consider the wavelet transform of a finite, rooted, node-ranked, $p$-way tree, focusing on the case of binary ($p = 2$) trees. We study a Haar wavelet transform on this tree. Wavelet transforms allow for multiresolution analysis through translation and dilation of a wavelet function. We explore how this works in our tree context.Comment: 37 pp, 1 fig. Supplementary material to "The Haar Wavelet Transform of a Dendrogram", http://arxiv.org/abs/cs.IR/060810

Structured Prediction Problem Archive

Structured prediction problems are one of the fundamental tools in machinelearning. In order to facilitate algorithm development for their numericalsolution, we collect in one place a large number of datasets in easy to readformats for a diverse set of problem classes. We provide archival links todatasets, description of the considered problems and problem formats, and ashort summary of problem characteristics including size, number of instancesetc. For reference we also give a non-exhaustive selection of algorithmsproposed in the literature for their solution. We hope that this centralrepository will make benchmarking and comparison to established works easier.We welcome submission of interesting new datasets and algorithms for inclusionin our archive.<br

Segmentation of striatal brain structures from high resolution pet images

Dissertation presented at the Faculty of Science and Technology of the New University of Lisbon in fulfillment of the requirements for the Masters degree in Electrical Engineering and ComputersWe propose and evaluate fully automatic segmentation methods for the extraction of striatal brain surfaces (caudate, putamen, ventral striatum and white matter), from high resolution positron emission tomography (PET) images. In the preprocessing steps, both the right and the left striata were segmented from the high resolution PET images. This segmentation was achieved by delineating the brain surface, finding the plane that maximizes the reflective symmetry of the brain (mid-sagittal plane) and, finally, extracting the right and left striata from both hemisphere images. The delineation of the brain surface and the extraction of the striata were achieved using the DSM-OS (Surface Minimization – Outer Surface) algorithm. The segmentation of striatal brain surfaces from the striatal images can be separated into two sub-processes: the construction of a graph (named “voxel affinity matrix”) and the graph clustering. The voxel affinity matrix was built using a set of image features that accurately informs the clustering method on the relationship between image voxels. The features defining the similarity of pairwise voxels were spatial connectivity, intensity values, and Euclidean distances. The clustering process is treated as a graph partition problem using two methods, a spectral (multiway normalized cuts) and a non-spectral (weighted kernel k-means). The normalized cuts algorithm relies on the computation of the graph eigenvalues to partition the graph into connected regions. However, this method fails when applied to high resolution PET images due to the high computational requirements arising from the image size. On the other hand, the weighted kernel k-means classifies iteratively, with the aid of the image features, a given data set into a predefined number of clusters. The weighted kernel k-means and the normalized cuts algorithm are mathematically similar. After finding the optimal initial parameters for the weighted kernel k-means for this type of images, no further tuning is necessary for subsequent images. Our results showed that the putamen and ventral striatum were accurately segmented, while the caudate and white matter appeared to be merged in the same cluster. The putamen was divided in anterior and posterior areas. All the experiments resulted in the same type of segmentation, validating the reproducibility of our results

Algorithm Libraries for Multi-Core Processors

By providing parallelized versions of established algorithm libraries, we ease the exploitation of the multiple cores on modern processors for the programmer. The Multi-Core STL provides basic algorithms for internal memory, while the parallelized STXXL enables multi-core acceleration for algorithms on large data sets stored on disk. Some parallelized geometric algorithms are introduced into CGAL. Further, we design and implement sorting algorithms for huge data in distributed external memory

Robust Scalable Sorting

Sortieren ist eines der wichtigsten algorithmischen Grundlagenprobleme. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Sortieralgorithmen in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt werden. Diese Anwendungen werden auf den unterschiedlichsten Geräten ausgeführt -- angefangen bei Smartphones mit leistungseffizienten Multi-Core-Prozessoren bis hin zu Supercomputern mit Tausenden von Maschinen, die über ein Hochleistungsnetzwerk miteinander verbunden sind. Spätestens seitdem die Single-Core-Leistung nicht mehr signifikant steigt, sind parallele Anwendungen in unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Daher sind effiziente und skalierbare Algorithmen essentiell, um diese immense Verfügbarkeit von (paralleler) Rechenleistung auszunutzen. Diese Arbeit befasst sich damit, wie sequentielle und parallele Sortieralgorithmen auf möglichst robuste Art maximale Leistung erzielen können. Dabei betrachten wir einen großen Parameterbereich von Eingabegrößen, Eingabeverteilungen, Maschinen sowie Datentypen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir sowohl sequentielles Sortieren als auch paralleles Sortieren auf Shared-Memory-Maschinen. Wir präsentieren In-place Parallel Super Scalar Samplesort (IPS⁴o), einen neuen vergleichsbasierten Algorithmus, der mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommt (die sogenannte „in-place” Eigenschaft). Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass unsere in-place-Technik die Sortiergeschwindigkeit von IPS⁴o im Vergleich zu ähnlichen Algorithmen ohne in-place-Eigenschaft verbessert. Bisher wurde die Eigenschaft, mit beschränkt viel Zusatzspeicher auszukommen, eher mit Leistungseinbußen verbunden. IPS⁴o ist außerdem cache-effizient und führt $O(n/t\log n)$ Arbeitsschritte pro Thread aus, um ein Array der Größe $n$ mit $t$ Threads zu sortieren. Zusätzlich berücksichtigt IPS⁴o Speicherlokalität, nutzt einen Entscheidungsbaum ohne Sprungvorhersagen und verwendet spezielle Partitionen für Elemente mit gleichem Schlüssel. Für den Spezialfall, dass ausschließlich ganzzahlige Schlüssel sortiert werden sollen, haben wir das algorithmische Konzept von IPS⁴o wiederverwendet, um In-place Parallel Super Scalar Radix Sort (IPS²Ra) zu implementieren. Wir bestätigen die Performance unserer Algorithmen in einer umfangreichen experimentellen Studie mit 21 State-of-the-Art-Sortieralgorithmen, sechs Datentypen, zehn Eingabeverteilungen, vier Maschinen, vier Speicherzuordnungsstrategien und Eingabegrößen, die über sieben Größenordnungen variieren. Einerseits zeigt die Studie die robuste Leistungsfähigkeit unserer Algorithmen. Andererseits deckt sie auf, dass viele konkurrierende Algorithmen Performance-Probleme haben: Mit IPS⁴o erhalten wir einen robusten vergleichsbasierten Sortieralgorithmus, der andere parallele in-place vergleichsbasierte Sortieralgorithmen fast um den Faktor drei übertrifft. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle ist IPS⁴o der schnellste vergleichsbasierte Algorithmus. Dabei ist es nicht von Bedeutung, ob wir IPS⁴o mit Algorithmen vergleichen, die mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommen, Zusatzspeicher in der Größenordnung der Eingabe benötigen, und parallel oder sequentiell ausgeführt werden. IPS⁴o übertrifft in vielen Fällen sogar konkurrierende Implementierungen von Integer-Sortieralgorithmen. Die verbleibenden Fälle umfassen hauptsächlich gleichmäßig verteilte Eingaben und Eingaben mit Schlüsseln, die nur wenige Bits enthalten. Diese Eingaben sind in der Regel „einfach” für Integer-Sortieralgorithmen. Unser Integer-Sorter IPS²Ra übertrifft andere Integer-Sortieralgorithmen für diese Eingaben in der überwiegenden Mehrheit der Fälle. Ausnahmen sind einige sehr kleine Eingaben, für die die meisten Algorithmen sehr ineffizient sind. Allerdings sind Algorithmen, die auf diese Eingabegrößen abzielen, in der Regel für alle anderen Eingaben deutlich langsamer. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir skalierbare Sortieralgorithmen für verteilte Systeme, welche robust in Hinblick auf die Eingabegröße, häufig vorkommende Sortierschlüssel, die Verteilung der Sortierschlüssel auf die Prozessoren und die Anzahl an Prozessoren sind. Das Resultat unserer Arbeit sind im Wesentlichen vier robuste skalierbare Sortieralgorithmen, mit denen wir den gesamten Bereich an Eingabegrößen abdecken können. Drei dieser vier Algorithmen sind neue, schnelle Algorithmen, welche so implementiert sind, dass sie nur einen geringen Zusatzaufwand benötigen und gleichzeitig unabhängig von „schwierigen” Eingaben robust skalieren. Es handelt sich z.B. um „schwierige” Eingaben, wenn viele gleiche Elemente vorkommen oder die Eingabeelemente in Hinblick auf ihre Sortierschlüssel ungünstig auf die Prozessoren verteilt sind. Bisherige Algorithmen für mittlere und größere Eingabegrößen weisen ein unzumutbar großes Kommunikationsvolumen auf oder tauschen unverhältnismäßig oft Nachrichten aus. Für diese Eingabegrößen beschreiben wir eine robuste, mehrstufige Verallgemeinerung von Samplesort, die einen brauchbaren Kompromiss zwischen dem Kommunikationsvolumen und der Anzahl ausgetauschter Nachrichten darstellt. Wir überwinden diese bisher unvereinbaren Ziele mittels einer skalierbaren approximativen Splitterauswahl sowie eines neuen Datenumverteilungsalgorithmus. Als eine Alternative stellen wir eine Verallgemeinerung von Mergesort vor, welche den Vorteil von perfekt ausbalancierter Ausgabe hat. Für kleine Eingaben entwerfen wir eine Variante von Quicksort. Mit wenig Zusatzaufwand vermeidet sie das Problem ungünstiger Elementverteilungen und häufig vorkommender Sortierschlüssel, indem sie schnell qualitativ hochwertige Splitter auswählt, die Elemente zufällig den Prozessoren zuweist und einer Duplikat-Behandlung unterzieht. Bisherige praktische Ansätze mit polylogarithmischer Latenz haben entweder einen logarithmischen Faktor mehr Kommunikationsvolumen oder berücksichtigen nur gleichverteilte Eingaben ohne mehrfach vorkommende Sortierschlüssel. Für sehr kleine Eingaben schlagen wir einen einfachen sowie schnellen, jedoch arbeitsineffizienten Algorithmus mit logarithmischer Latenzzeit vor. Für diese Eingaben sind bisherige effiziente Ansätze nur theoretische Algorithmen, die meist unverhältnismäßig große konstante Faktoren haben. Für die kleinsten Eingaben empfehlen wir die Daten zu sortieren, während sie an einen einzelnen Prozessor geschickt werden. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit zu der praktischen Seite von Algorithm Engineering ist die Kommunikationsbibliothek RangeBasedComm (RBC). Mit RBC ermöglichen wir eine effiziente Umsetzung von rekursiven Algorithmen mit sublinearer Laufzeit, indem sie skalierbare und effiziente Kommunikationsfunktionen für Teilmengen von Prozessoren bereitstellt. Zuletzt präsentieren wir eine umfangreiche experimentelle Studie auf zwei Supercomputern mit bis zu 262144 Prozessorkernen, elf Algorithmen, zehn Eingabeverteilungen und Eingabegrößen variierend über neun Größenordnungen. Mit Ausnahme von den größten Eingabegrößen ist diese Arbeit die einzige, die überhaupt Sortierexperimente auf Maschinen dieser Größe durchführt. Die RBC-Bibliothek beschleunigt die Algorithmen teilweise drastisch – einen konkurrierenden Algorithmus sogar um mehr als zwei Größenordnungen. Die Studie legt dar, dass unsere Algorithmen robust sind und gleichzeitig konkurrierende Implementierungen leistungsmäßig deutlich übertreffen. Die Konkurrenten, die man normalerweise betrachtet hätte, stürzen bei „schwierigen” Eingaben sogar ab

High-Quality Hypergraph Partitioning

This dissertation focuses on computing high-quality solutions for the NP-hard balanced hypergraph partitioning problem: Given a hypergraph and an integer $k$, partition its vertex set into $k$ disjoint blocks of bounded size, while minimizing an objective function over the hyperedges. Here, we consider the two most commonly used objectives: the cut-net metric and the connectivity metric. Since the problem is computationally intractable, heuristics are used in practice - the most prominent being the three-phase multi-level paradigm: During coarsening, the hypergraph is successively contracted to obtain a hierarchy of smaller instances. After applying an initial partitioning algorithm to the smallest hypergraph, contraction is undone and, at each level, refinement algorithms try to improve the current solution. With this work, we give a brief overview of the field and present several algorithmic improvements to the multi-level paradigm. Instead of using a logarithmic number of levels like traditional algorithms, we present two coarsening algorithms that create a hierarchy of (nearly) $n$ levels, where $n$ is the number of vertices. This makes consecutive levels as similar as possible and provides many opportunities for refinement algorithms to improve the partition. This approach is made feasible in practice by tailoring all algorithms and data structures to the $n$-level paradigm, and developing lazy-evaluation techniques, caching mechanisms and early stopping criteria to speed up the partitioning process. Furthermore, we propose a sparsification algorithm based on locality-sensitive hashing that improves the running time for hypergraphs with large hyperedges, and show that incorporating global information about the community structure into the coarsening process improves quality. Moreover, we present a portfolio-based initial partitioning approach, and propose three refinement algorithms. Two are based on the Fiduccia-Mattheyses (FM) heuristic, but perform a highly localized search at each level. While one is designed for two-way partitioning, the other is the first FM-style algorithm that can be efficiently employed in the multi-level setting to directly improve $k$-way partitions. The third algorithm uses max-flow computations on pairs of blocks to refine $k$-way partitions. Finally, we present the first memetic multi-level hypergraph partitioning algorithm for an extensive exploration of the global solution space. All contributions are made available through our open-source framework KaHyPar. In a comprehensive experimental study, we compare KaHyPar with hMETIS, PaToH, Mondriaan, Zoltan-AlgD, and HYPE on a wide range of hypergraphs from several application areas. Our results indicate that KaHyPar, already without the memetic component, computes better solutions than all competing algorithms for both the cut-net and the connectivity metric, while being faster than Zoltan-AlgD and equally fast as hMETIS. Moreover, KaHyPar compares favorably with the current best graph partitioning system KaFFPa - both in terms of solution quality and running time