Strategies to scan pictures with automata based on Wang tiles

Wang automata are devices for picture language recognition recently introduced by us, which characterize the class REC of recognizable picture languages. Thus, Wang automata are equivalent to tiling systems or online tessellation acceptors, and are based like Wang systems on labeled Wang tiles. The present work focus on scanning strategies, to prove that the ones Wang automata are based on are those following four kinds of movements: boustrophedonic, ``L-like'', ``U-like'', and spirals

Deterministic recognizability of picture languages with Wang automata

special issue dedicated to the second edition of the conference AutoMathA: from Mathematics to ApplicationsInternational audienceWe present a model of automaton for picture language recognition, called Wang automaton, which is based on labeled Wang tiles. Wang automata combine features of both online tessellation acceptors and 4-way automata: as in online tessellation acceptors, computation assigns states to each picture position; as in 4-way automata, the input head visits the picture moving from one pixel to an adjacent one, according to some scanning strategy. Wang automata recognize the class REC, i.e. they are equivalent to tiling systems or online tessellation acceptors, and hence strictly more powerful than 4-way automata. We also introduce a natural notion of determinism for Wang automata, and study the resulting class, extending the more traditional approach of diagonal-based determinism, used e. g. by deterministic tiling systems. In particular, we prove that the concept of row (or column) ambiguity defines the class of languages recognized by Wang automata directed by boustrophedonic scanning strategies

Deterministic recognizability of picture languages with Wang automata

special issue dedicated to the second edition of the conference AutoMathA: from Mathematics to Application

Self-Assembly of Tiles: Theoretical Models, the Power of Signals, and Local Computing

DNA-based self-assembly is an autonomous process whereby a disordered system of DNA sequences forms an organized structure or pattern as a consequence of Watson-Crick complementarity of DNA sequences, without external direction. Here, we propose self-assembly (SA) hypergraph automata as an automata-theoretic model for patterned self-assembly. We investigate the computational power of SA-hypergraph automata and show that for every recognizable picture language, there exists an SA-hypergraph automaton that accepts this language. Conversely, we prove that for any restricted SA-hypergraph automaton, there exists a Wang Tile System, a model for recognizable picture languages, that accepts the same language. Moreover, we investigate the computational power of some variants of the Signal-passing Tile Assembly Model (STAM), as well as propose the concept of {\it Smart Tiles}, i.e., tiles with glues that can be activated or deactivated by signals, and which possess a limited amount of local computing capability. We demonstrate the potential of smart tiles to perform some robotic tasks such as replicating complex shapes

Échantillonnage basé sur les Tuiles de Penrose et applications en infographie

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Programmation et indécidabilités dans les systèmes complexes

N/AUn système complexe est un système constitué d'un ensemble d'entités quiinteragissent localement, engendrant des comportements globaux, émergeant dusystème, qu'on ne sait pas expliquer à partir du comportement local, connu, desentités qui le constituent. Nos travaux ont pour objet de mieux cerner lesliens entre certaines propriétés des systèmes complexes et le calcul. Parcalcul, il faut entendre l'objet d'étude de l'informatique, c'est-à-dire ledéplacement et la combinaison d'informations. À l'aide d'outils issus del'informatique, l'algorithmique et la programmation dans les systèmes complexessont abordées selon trois points de vue. Une première forme de programmation,dite externe, consiste à développer l'algorithmique qui permet de simuler lessystèmes étudiés. Une seconde forme de programmation, dite interne, consiste àdévelopper l'algorithmique propre à ces systèmes, qui permet de construire desreprésentants de ces systèmes qui exhibent des comportements programmés. Enfin,une troisième forme de programmation, de réduction, consiste à plonger despropriétés calculatoires complexes dans les représentants de ces systèmes pourétablir des résultats d'indécidabilité -- indice d'une grande complexitécalculatoire qui participe à l'explication de la complexité émergente. Afin demener à bien cette étude, les systèmes complexes sont modélisés par desautomates cellulaires. Le modèle des automates cellulaires offre une dualitépertinente pour établir des liens entre complexité des propriétés globales etcalcul. En effet, un automate cellulaire peut être décrit à la fois comme unréseau d'automates, offrant un point de vue familier de l'informatique, etcomme un système dynamique discret, une fonction définie sur un espacetopologique, offrant un point de vue familier de l'étude des systèmesdynamiques discrets.Une première partie de nos travaux concerne l'étude de l'objet automatecellulaire proprement dit. L'observation expérimentale des automatescellulaires distingue, dans la littérature, deux formes de dynamiques complexesdominantes. Certains automates cellulaires présentent une dynamique danslaquelle émergent des structures simples, sortes de particules qui évoluentdans un domaine régulier, se rencontrent lors de brèves collisions, avant degénérer d'autres particules. Cette forme de complexité, dans laquelletransparaît une notion de quanta d'information localisée en interaction, estl'objet de nos études. Un premier champ de nos investigations est d'établir uneclassification algébrique, le groupage, qui tend à rendre compte de ce type decomportement. Cette classification met à jour un type d'automate cellulaireparticulier : les automates cellulaires intrinsèquement universels. Un automatecellulaire intrinsèquement universel est capable de simuler le comportement detout automate cellulaire. C'est l'objet de notre second champ d'investigation.Nous caractérisons cette propriété et démontrons son indécidabilité. Enfin, untroisième champ d'investigation concerne l'algorithmique des automatescellulaires à particules et collisions. Étant donné un ensemble de particuleset de collisions d'un tel automate cellulaire, nous étudions l'ensemble desinteractions possibles et proposons des outils pour une meilleure programmationinterne à l'aide de ces collisions.Une seconde partie de nos travaux concerne la programmation par réduction. Afinde démontrer l'indécidabilité de propriétés dynamiques des automatescellulaires, nous étudions d'une part les problèmes de pavage du plan par desjeux de tuiles finis et d'autre part les problèmes de mortalité et depériodicité dans les systèmes dynamiques discrets à fonction partielle. Cetteétude nous amène à considérer des objets qui possèdent la même dualité entredescription combinatoire et topologique que les automates cellulaires. Unenotion d'apériodicité joue un rôle central dans l'indécidabilité des propriétésde ces objets

Blurring the boundaries between real and artificial in architecture and urban design through the use of artificial intelligence

[Abstract] This doctoral thesis explores the use of three-dimensional (3D) technologies for architectural representation and modelling of both ‘real world’ and ‘artificially generated’ 3D objects. Current 3D architectural representation has reached high levels of reality, to the extent that it’s often hard to distinguish between ‘pictures from the real world’ and ‘artificially generated’ 3D renderings. The thesis will make use of the latest available 3D technologies in combination with artificial intelligence (AI) processes to increase the visual realism and geometrical precision of 3D models. The first line of research relates to architectural representation and visualization, by exploring the use of ‘Light Imaging Detection And Ranging’ (LIDAR) technology and proposing a point-based rendering (PBR) methodology, to seamless merge models obtained directly from the ‘real world’ with ‘artificially generated’ ones. The second line of research is related to geometrical architectural modelling, and proposes the use of evolutionary computation and self-organization logic to achieve more geometrical realism and accuracy in the 3D modelling process, by exploring the idea of auto-form generation. The research consists of three case studies, and algorithms are proposed for each one. The first one is related to 3D visualization through LIDAR scans and PBR rendering, the second to geometrical generation through evolutionary morphogenesis and the third one to human made self-organized systems (cities). From the results obtained from each case study final conclusions will be draw. The final objective is to determine the efficiency of using point-based technologies and artificial intelligence as a methodology to further blur the boundaries between ‘real world’ 3D models and ‘artificially generated’ ones.[Resumen] La Tesis explora el uso de tecnologías tridimensionales (3D) para la representación arquitectónica y modelado 3D, tanto de objetos ‘reales’ como de objetos generados ‘artificialmente’. El uso de tecnologías 3D ha permitido a la representación arquitectónica alcanzar niveles de realidad similares a fotografías, hasta tal punto que a menudo es difícil distinguir entre imágenes reales y representaciones 3D generadas artificialmente por ordenadores. La Tesis estudia el uso de las últimas tecnologías 3D disponibles, combinadas con procesos de inteligencia artificial como una forma que permita aumentar el nivel de realidad visual y exactitud geométrica de modelos 3D. Para ello la Tesis sigue dos líneas principales de investigación. La primera está relacionada con la representación y visualización arquitectónica, explorando el uso de la tecnología láser para detectar imágenes y medidas (LIDAR) y proponiendo una metodología de visualización mediante el uso de técnicas de infografías basadas en puntos (PBR) con el fin de combinar directamente modelos 3D obtenidos directamente del ‘mundo real’ y modelos 3D ‘generados artificialmente’. La segunda línea de investigación está relacionada con el modelado de geometrías arquitectónicas. Mediante el uso de computación evolutiva y procesos de auto-organización con el fin de lograr un mayor grado de realismo y exactitud en el modelado 3D, mediante la introducción de parámetros del mundo real en los algoritmos de morfogénesis evolutiva, explorando así la idea de la auto-generación de formas. La Tesis propone a través de tres casos experimentales, algoritmos para cada uno de ellos. El primero está relacionado con la visualización, el segundo con la morfogénesis geométrica y el tercero con sistemas complejos auto-organizados realizados por el hombre (ciudades). A partir de la evaluación de los resultados obtenidos de cada caso experimental, la tesis extraerá conclusiones finales sobre el uso de técnicas de inteligencia artificial como metodología para difuminar los límites entre los 'modelos de 3D del ‘mundo real’ y los ‘generados artificialmente’.[Resumo] A Tese explora o uso de tecnoloxías 3D para representación arquitectonica e modelaxe 3D, tanto de obxectos ‘reais’, coma de obxectos xerados artificialmente. O uso de tecnoloxías 3D na representación arquitectónica pode acadar uns niveis de realidade similares a fotografías, na medida en que moitas veces é difícil distinguir entre imaxes reais e representacións 3D xeradas artificialmente por ordenadores. A tese estuda o uso das últimas tecnoloxías 3D dispoñibles, combinadas con procesos de intelixencia artificial como un xeito de aumentar o nivel de realidade visaual e exactitude xeometrica de modelos 3D. Esta tese segue dúas liñas principais de investigación. A primeira está relacionada coa representación e visualización arquitectónica, explorando o uso das tecnoloxías láser para detectar imáxes e medidas (LIDAR) e propoñe unha metodoloxía de visualización mediante o uso de infografías basadas en puntos (PBR) para combinar directamente modelos 3D obtidos directamente do ‘mundo real’ e modelos 3D ‘xerados artificialmente’. A segunda liña de investigación está relacionada coa modelaxe de xeometrías arquitectonicas. Usando procesos de computacion evolutiva e auto-organización a fin de acadar un maior grao de realismo en modelaxe 3D, a través da introdución de parámetros do mundo real en algoritmos evolutivos de morfoxénese, deste xeito explorando a idea de auto-xeración de formas. A tese propón a través de tres casos experimentais, algoritmos para cada un deles. O primeiro esta relaccionado coa a visualizacion, o segundo coa morfoxénese xeométrica eo terceiro cos sistemas complexos auto-organizados feitos polo home (cidades). A partir da avaliación dos resultados de cada caso experimental, a tese extraerá conclusións finais sobre o uso da intelixencia artificial como unha metodoloxía para difuminar as fronteiras entre os modelos 3D reais e os xerados artificialmente

Proceedings of AUTOMATA 2010: 16th International workshop on cellular automata and discrete complex systems

International audienceThese local proceedings hold the papers of two catgeories: (a) Short, non-reviewed papers (b) Full paper

Realistic reconstruction and rendering of detailed 3D scenarios from multiple data sources

During the last years, we have witnessed significant improvements in digital terrain modeling, mainly through photogrammetric techniques based on satellite and aerial photography, as well as laser scanning. These techniques allow the creation of Digital Elevation Models (DEM) and Digital Surface Models (DSM) that can be streamed over the network and explored through virtual globe applications like Google Earth or NASA WorldWind. The resolution of these 3D scenes has improved noticeably in the last years, reaching in some urban areas resolutions up to 1m or less for DEM and buildings, and less than 10 cm per pixel in the associated aerial imagery. However, in rural, forest or mountainous areas, the typical resolution for elevation datasets ranges between 5 and 30 meters, and typical resolution of corresponding aerial photographs ranges between 25 cm to 1 m. This current level of detail is only sufficient for aerial points of view, but as the viewpoint approaches the surface the terrain loses its realistic appearance. One approach to augment the detail on top of currently available datasets is adding synthetic details in a plausible manner, i.e. including elements that match the features perceived in the aerial view. By combining the real dataset with the instancing of models on the terrain and other procedural detail techniques, the effective resolution can potentially become arbitrary. There are several applications that do not need an exact reproduction of the real elements but would greatly benefit from plausibly enhanced terrain models: videogames and entertainment applications, visual impact assessment (e.g. how a new ski resort would look), virtual tourism, simulations, etc. In this thesis we propose new methods and tools to help the reconstruction and synthesis of high-resolution terrain scenes from currently available data sources, in order to achieve realistically looking ground-level views. In particular, we decided to focus on rural scenarios, mountains and forest areas. Our main goal is the combination of plausible synthetic elements and procedural detail with publicly available real data to create detailed 3D scenes from existing locations. Our research has focused on the following contributions: - An efficient pipeline for aerial imagery segmentation - Plausible terrain enhancement from high-resolution examples - Super-resolution of DEM by transferring details from the aerial photograph - Synthesis of arbitrary tree picture variations from a reduced set of photographs - Reconstruction of 3D tree models from a single image - A compact and efficient tree representation for real-time rendering of forest landscapesDurant els darrers anys, hem presenciat avenços significatius en el modelat digital de terrenys, principalment gràcies a tècniques fotogramètriques, basades en fotografia aèria o satèl·lit, i a escàners làser. Aquestes tècniques permeten crear Models Digitals d'Elevacions (DEM) i Models Digitals de Superfícies (DSM) que es poden retransmetre per la xarxa i ser explorats mitjançant aplicacions de globus virtuals com ara Google Earth o NASA WorldWind. La resolució d'aquestes escenes 3D ha millorat considerablement durant els darrers anys, arribant a algunes àrees urbanes a resolucions d'un metre o menys per al DEM i edificis, i fins a menys de 10 cm per píxel a les fotografies aèries associades. No obstant, en entorns rurals, boscos i zones muntanyoses, la resolució típica per a dades d'elevació es troba entre 5 i 30 metres, i per a les corresponents fotografies aèries varia entre 25 cm i 1m. Aquest nivell de detall només és suficient per a punts de vista aeris, però a mesura que ens apropem a la superfície el terreny perd tot el realisme. Una manera d'augmentar el detall dels conjunts de dades actuals és afegint a l'escena detalls sintètics de manera plausible, és a dir, incloure elements que encaixin amb les característiques que es perceben a la vista aèria. Així, combinant les dades reals amb instàncies de models sobre el terreny i altres tècniques de detall procedural, la resolució efectiva del model pot arribar a ser arbitrària. Hi ha diverses aplicacions per a les quals no cal una reproducció exacta dels elements reals, però que es beneficiarien de models de terreny augmentats de manera plausible: videojocs i aplicacions d'entreteniment, avaluació de l'impacte visual (per exemple, com es veuria una nova estació d'esquí), turisme virtual, simulacions, etc. En aquesta tesi, proposem nous mètodes i eines per ajudar a la reconstrucció i síntesi de terrenys en alta resolució partint de conjunts de dades disponibles públicament, per tal d'aconseguir vistes a nivell de terra realistes. En particular, hem decidit centrar-nos en escenes rurals, muntanyes i àrees boscoses. El nostre principal objectiu és la combinació d'elements sintètics plausibles i detall procedural amb dades reals disponibles públicament per tal de generar escenes 3D d'ubicacions existents. La nostra recerca s'ha centrat en les següents contribucions: - Un pipeline eficient per a segmentació d'imatges aèries - Millora plausible de models de terreny a partir d'exemples d’alta resolució - Super-resolució de models d'elevacions transferint-hi detalls de la fotografia aèria - Síntesis d'un nombre arbitrari de variacions d’imatges d’arbres a partir d'un conjunt reduït de fotografies - Reconstrucció de models 3D d'arbres a partir d'una única fotografia - Una representació compacta i eficient d'arbres per a navegació en temps real d'escenesPostprint (published version

Diagrammatic Reasoning and Modelling in the Imagination: The Secret Weapons of the Scientific Revolution

Just before the Scientific Revolution, there was a "Mathematical Revolution", heavily based on geometrical and machine diagrams. The "faculty of imagination" (now called scientific visualization) was developed to allow 3D understanding of planetary motion, human anatomy and the workings of machines. 1543 saw the publication of the heavily geometrical work of Copernicus and Vesalius, as well as the first Italian translation of Euclid