6,300 research outputs found

    UMSL Bulletin 2023-2024

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    The 2023-2024 Bulletin and Course Catalog for the University of Missouri St. Louis.https://irl.umsl.edu/bulletin/1088/thumbnail.jp

    Graduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Machine learning in solar physics

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    The application of machine learning in solar physics has the potential to greatly enhance our understanding of the complex processes that take place in the atmosphere of the Sun. By using techniques such as deep learning, we are now in the position to analyze large amounts of data from solar observations and identify patterns and trends that may not have been apparent using traditional methods. This can help us improve our understanding of explosive events like solar flares, which can have a strong effect on the Earth environment. Predicting hazardous events on Earth becomes crucial for our technological society. Machine learning can also improve our understanding of the inner workings of the sun itself by allowing us to go deeper into the data and to propose more complex models to explain them. Additionally, the use of machine learning can help to automate the analysis of solar data, reducing the need for manual labor and increasing the efficiency of research in this field.Comment: 100 pages, 13 figures, 286 references, accepted for publication as a Living Review in Solar Physics (LRSP

    Challenges for Monocular 6D Object Pose Estimation in Robotics

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    Object pose estimation is a core perception task that enables, for example, object grasping and scene understanding. The widely available, inexpensive and high-resolution RGB sensors and CNNs that allow for fast inference based on this modality make monocular approaches especially well suited for robotics applications. We observe that previous surveys on object pose estimation establish the state of the art for varying modalities, single- and multi-view settings, and datasets and metrics that consider a multitude of applications. We argue, however, that those works' broad scope hinders the identification of open challenges that are specific to monocular approaches and the derivation of promising future challenges for their application in robotics. By providing a unified view on recent publications from both robotics and computer vision, we find that occlusion handling, novel pose representations, and formalizing and improving category-level pose estimation are still fundamental challenges that are highly relevant for robotics. Moreover, to further improve robotic performance, large object sets, novel objects, refractive materials, and uncertainty estimates are central, largely unsolved open challenges. In order to address them, ontological reasoning, deformability handling, scene-level reasoning, realistic datasets, and the ecological footprint of algorithms need to be improved.Comment: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2302.1182

    Bayesian Forecasting in Economics and Finance: A Modern Review

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    The Bayesian statistical paradigm provides a principled and coherent approach to probabilistic forecasting. Uncertainty about all unknowns that characterize any forecasting problem -- model, parameters, latent states -- is able to be quantified explicitly, and factored into the forecast distribution via the process of integration or averaging. Allied with the elegance of the method, Bayesian forecasting is now underpinned by the burgeoning field of Bayesian computation, which enables Bayesian forecasts to be produced for virtually any problem, no matter how large, or complex. The current state of play in Bayesian forecasting in economics and finance is the subject of this review. The aim is to provide the reader with an overview of modern approaches to the field, set in some historical context; and with sufficient computational detail given to assist the reader with implementation.Comment: The paper is now published online at: https://doi.org/10.1016/j.ijforecast.2023.05.00

    Knowledge Distillation and Continual Learning for Optimized Deep Neural Networks

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    Over the past few years, deep learning (DL) has been achieving state-of-theart performance on various human tasks such as speech generation, language translation, image segmentation, and object detection. While traditional machine learning models require hand-crafted features, deep learning algorithms can automatically extract discriminative features and learn complex knowledge from large datasets. This powerful learning ability makes deep learning models attractive to both academia and big corporations. Despite their popularity, deep learning methods still have two main limitations: large memory consumption and catastrophic knowledge forgetting. First, DL algorithms use very deep neural networks (DNNs) with many billion parameters, which have a big model size and a slow inference speed. This restricts the application of DNNs in resource-constraint devices such as mobile phones and autonomous vehicles. Second, DNNs are known to suffer from catastrophic forgetting. When incrementally learning new tasks, the model performance on old tasks significantly drops. The ability to accommodate new knowledge while retaining previously learned knowledge is called continual learning. Since the realworld environments in which the model operates are always evolving, a robust neural network needs to have this continual learning ability for adapting to new changes

    Screen Correspondence: Mapping Interchangeable Elements between UIs

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    Understanding user interface (UI) functionality is a useful yet challenging task for both machines and people. In this paper, we investigate a machine learning approach for screen correspondence, which allows reasoning about UIs by mapping their elements onto previously encountered examples with known functionality and properties. We describe and implement a model that incorporates element semantics, appearance, and text to support correspondence computation without requiring any labeled examples. Through a comprehensive performance evaluation, we show that our approach improves upon baselines by incorporating multi-modal properties of UIs. Finally, we show three example applications where screen correspondence facilitates better UI understanding for humans and machines: (i) instructional overlay generation, (ii) semantic UI element search, and (iii) automated interface testing

    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
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