Characterizations of recognizable picture series

AbstractThe theory of two-dimensional languages as a generalization of formal string languages was motivated by problems arising from image processing and pattern recognition, and also concerns models of parallel computing. Here we investigate power series on pictures. These are functions that map pictures to elements of a semiring and provide an extension of two-dimensional languages to a quantitative setting. We assign weights to different devices, ranging from picture automata to tiling systems. We will prove that, for commutative semirings, the behaviours of weighted picture automata are precisely alphabetic projections of series defined in terms of rational operations, and also coincide with the families of series characterized by weighted tiling or weighted domino systems

Sublinear-Time Cellular Automata and Connections to Complexity Theory

Im Gebiet des verteilten Rechnens werden Modelle untersucht, in denen sich mehrere Berechnungseinheiten koordinieren, um zusammen ein gemeinsames Ziel zu erreichen, wobei sie aber nur über begrenzte Ressourcen verfügen — sei diese Zeit-, Platz- oder Kommunikationskapazitäten. Das Hauptuntersuchungsobjekt dieser Dissertation ist das wohl einfachste solche Modell überhaupt: (eindimensionale) Zellularautomaten. Unser Ziel ist es, einen besseren Überblick über die Fähigkeiten und Einschränkungen des Modells und ihrer Varianten zu erlangen in dem Fall, dass die gesamte Bearbeitungszeit deutlich kleiner als die Größe der Eingabe ist (d. h. Sublinear-Zeit). Wir führen unsere Analyse von dem Standpunkt der Komplexitätstheorie und stellen dabei auch Bezüge zwischen Zellularautomaten und anderen Gebieten wie verteiltes Rechnen und Streaming-Algorithmen her. Sublinear-Zeit Zellularautomaten. Ein Zellularautomat (ZA) besteht aus identischen Zellen, die entlang einer Linie aneinandergereiht sind. Jede Zelle ist im Wesentlichen eine sehr primitive Berechnungseinheit (nämlich ein deterministischer endlicher Automat), die mit deren beiden Nachbarn interagieren kann. Die Berechnung entsteht durch die Aktualisierung der Zustände der Zellen gemäß derselben Zustandsüberführungsfunktion, die gleichzeitig überall im Automaten angewendet wird. Die von uns betrachteten Varianten sind unter anderem schrumpfende ZAs, die (gewissermaßen) dynamisch rekonfigurierbar sind, sowie eine probabilistische Variante, in der jede Zelle mit Zugriff auf eine faire Münze ausgestattet ist. Trotz überragendem Interesse an Linear- und Real-Zeit-ZAs scheint der Fall von Sublinear-Zeit im Großen und Ganzen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft vernachlässigt worden zu sein. Wir arbeiten die überschaubare Anzahl an Vorarbeiten zu dem Thema auf, die vorhanden ist, und entwickeln die daraus stammenden Techniken weiter, sodass deren Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten wesentlich breiter wird. Durch diese Bemühungen entsteht unter anderem ein Zeithierarchiesatz für das deterministische Modell. Außerdem übertragen wir Techniken zum Beweis unterer Schranken aus der Komplexitätstheorie auf das Modell der schrumpfenden ZAs und entwickeln neue Techniken, die auf probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs zugeschnitten sind. Ein Bezug zu Härte-Magnifizierung. Ein Bezug zu Komplexitätstheorie, die wir im Laufe unserer Untersuchungen herstellen, ist ein Satz über Härte-Magnifizierung (engl. hardness magnification) für schrumpfende ZAs. Hier bezieht sich Härte-Magnifizierung auf eine Reihe neuerer Arbeiten, die bezeugen, dass selbst geringfügig nicht-triviale untere Schranken sehr beeindruckende Konsequenzen in der Komplexitätstheorie haben können. Unser Satz ist eine Abwandlung eines neuen Ergebnisses von McKay, Murray und Williams (STOC, 2019) für Streaming-Algorithmen. Wie wir zeigen kann die Aussage dabei genauso in Bezug auf schrumpfende ZAs formuliert werden, was sie auch beweisbar verstärkt. Eine Verbindung zu Sliding-Window Algorithmen. Wir verknüpfen das verteilte Zellularautomatenmodell mit dem sequenziellen Streaming-Algorithmen-Modell. Wie wir zeigen, können (gewisse Varianten von) ZAs von Streaming-Algorithmen simuliert werden, die bestimmten Lokalitätseinschränkungen unterliegen. Konkret ist der aktuelle Zustand des Algorithmus vollkommen bestimmt durch den Inhalt eines Fensters fester Größe, das wenige letzte Symbole enthält, die vom Algorithmus verarbeitet worden sind. Dementsprechend nennen wir diese eingeschränkte Form eines Streaming-Algorithmus einen Sliding-Window-Algorithmus. Wir zeigen, dass Sliding-Window-Algorithmen ZAs sehr effizient simulieren können und insbesondere in einer solchen Art und Weise, dass deren Platzkomplexität eng mit der Zeitkomplexität des simulierten ZA verbunden ist. Derandomisierungsergebnisse. Wir zeigen Derandomisierungsergebnisse für das Modell von Sliding-Window-Algorithmen, die Zufall aus einer binären Zufallsquelle beziehen. Dazu stützen wir uns auf die robuste Maschinerie von Branching-Programmen, die den gängigen Ansatz zur Derandomisierung von Platz-beschränkten Maschinen in der Komplexitätstheorie darstellen. Als eine Anwendung stellen sich Derandomisierungsergebnisse für probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs heraus, die durch die oben genannten Verknüpfung erlangt werden. Vorhersageproblem für Pilz-Sandhaufen. Ein letztes Problem, das wir behandeln und das auch einen Bezug zu Sublinear-Zeitkomplexität im Rahmen von Zellularautomaten hat (obwohl nicht zu Sublinear-Zeit-Zellularautomaten selber), ist das Vorhersageproblem für Sandhaufen-Zellularautomaten. Diese Automaten sind basierend auf zweidimensionalen ZAs definiert und modellieren einen deterministischen Prozess, in dem sich Partikel (in der Regel denkt man an Sandkörnern) durch den Raum verbreiten. Das Vorhersageproblem fragt ob, gegeben eine Zellennummer $y$ und eine initiale Konfiguration für den Sandhaufen, die Zelle mit Nummer $y$ irgendwann vor einer gewissen Zeitschranke einen von Null verschiedenen Zustand erreichen wird. Die Komplexität dieses mindestens zwei Jahrzehnte alten Vorhersageproblems ist für zweidimensionelle Sandhaufen bemerkenswerterweise nach wie vor offen. Wir lösen diese Frage im Wesentlichen für eine neue Variante von Sandhaufen namens Pilz-Sandhaufen, die von Goles u. a. (Phys. Lett. A, 2020) vorgeschlagen worden ist. Unser Ergebnis ist besonders relevant, weil es innovative Erkenntnisse und neue Techniken liefert, die für die Lösung des offenen Problems im allgemeinen Fall von hoher Relevanz sein könnten

Proceedings of JAC 2010. Journées Automates Cellulaires

The second Symposium on Cellular Automata “Journ´ees Automates Cellulaires” (JAC 2010) took place in Turku, Finland, on December 15-17, 2010. The first two conference days were held in the Educarium building of the University of Turku, while the talks of the third day were given onboard passenger ferry boats in the beautiful Turku archipelago, along the route Turku–Mariehamn–Turku. The conference was organized by FUNDIM, the Fundamentals of Computing and Discrete Mathematics research center at the mathematics department of the University of Turku. The program of the conference included 17 submitted papers that were selected by the international program committee, based on three peer reviews of each paper. These papers form the core of these proceedings. I want to thank the members of the program committee and the external referees for the excellent work that have done in choosing the papers to be presented in the conference. In addition to the submitted papers, the program of JAC 2010 included four distinguished invited speakers: Michel Coornaert (Universit´e de Strasbourg, France), Bruno Durand (Universit´e de Provence, Marseille, France), Dora Giammarresi (Universit` a di Roma Tor Vergata, Italy) and Martin Kutrib (Universit¨at Gie_en, Germany). I sincerely thank the invited speakers for accepting our invitation to come and give a plenary talk in the conference. The invited talk by Bruno Durand was eventually given by his co-author Alexander Shen, and I thank him for accepting to make the presentation with a short notice. Abstracts or extended abstracts of the invited presentations appear in the first part of this volume. The program also included several informal presentations describing very recent developments and ongoing research projects. I wish to thank all the speakers for their contribution to the success of the symposium. I also would like to thank the sponsors and our collaborators: the Finnish Academy of Science and Letters, the French National Research Agency project EMC (ANR-09-BLAN-0164), Turku Centre for Computer Science, the University of Turku, and Centro Hotel. Finally, I sincerely thank the members of the local organizing committee for making the conference possible. These proceedings are published both in an electronic format and in print. The electronic proceedings are available on the electronic repository HAL, managed by several French research agencies. The printed version is published in the general publications series of TUCS, Turku Centre for Computer Science. We thank both HAL and TUCS for accepting to publish the proceedings.Siirretty Doriast

Research-study of a self-organizing computer

It is shown that a self organizing system has two main components: an organizable physical part, and a programing part. This report presents the organizable part in the form of a programable hardware and its programing language

Choreographing the extended agent : performance graphics for dance theater

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2005.Includes bibliographical references (v. 2, leaves 448-458).The marriage of dance and interactive image has been a persistent dream over the past decades, but reality has fallen far short of potential for both technical and conceptual reasons. This thesis proposes a new approach to the problem and lays out the theoretical, technical and aesthetic framework for the innovative art form of digitally augmented human movement. I will use as example works a series of installations, digital projections and compositions each of which contains a choreographic component - either through collaboration with a choreographer directly or by the creation of artworks that automatically organize and understand purely virtual movement. These works lead up to two unprecedented collaborations with two of the greatest choreographers working today; new pieces that combine dance and interactive projected light using real-time motion capture live on stage. The existing field of"dance technology" is one with many problems. This is a domain with many practitioners, few techniques and almost no theory; a field that is generating "experimental" productions with every passing week, has literally hundreds of citable pieces and no canonical works; a field that is oddly disconnected from modern dance's history, pulled between the practical realities of the body and those of computer art, and has no influence on the prevailing digital art paradigms that it consumes.(cont.) This thesis will seek to address each of these problems: by providing techniques and a basis for "practical theory"; by building artworks with resources and people that have never previously been brought together, in theaters and in front of audiences previously inaccessible to the field; and by proving through demonstration that a profitable and important dialogue between digital art and the pioneers of modern dance can in fact occur. The methodological perspective of this thesis is that of biologically inspired, agent-based artificial intelligence, taken to a high degree of technical depth. The representations, algorithms and techniques behind such agent architectures are extended and pushed into new territory for both interactive art and artificial intelligence. In particular, this thesis ill focus on the control structures and the rendering of the extended agents' bodies, the tools for creating complex agent-based artworks in intense collaborative situations, and the creation of agent structures that can span live image and interactive sound production. Each of these parts becomes an element of what it means to "choreograph" an extended agent for live performance.Marc Downie.Ph.D