IBIA: An Incremental Build-Infer-Approximate Framework for Approximate Inference of Partition Function

Exact computation of the partition function is known to be intractable, necessitating approximate inference techniques. Existing methods for approximate inference are slow to converge for many benchmarks. The control of accuracy-complexity trade-off is also non-trivial in many of these methods. We propose a novel incremental build-infer-approximate (IBIA) framework for approximate inference that addresses these issues. In this framework, the probabilistic graphical model is converted into a sequence of clique tree forests (SCTF) with bounded clique sizes. We show that the SCTF can be used to efficiently compute the partition function. We propose two new algorithms which are used to construct the SCTF and prove the correctness of both. The first is an algorithm for incremental construction of CTFs that is guaranteed to give a valid CTF with bounded clique sizes and the second is an approximation algorithm that takes a calibrated CTF as input and yields a valid and calibrated CTF with reduced clique sizes as the output. We have evaluated our method using several benchmark sets from recent UAI competitions and our results show good accuracies with competitive runtimes

Towards lightweight and high-performance hardware transactional memory

Conventional lock-based synchronization serializes accesses to critical sections guarded by the same lock. Using multiple locks brings the possibility of a deadlock or a livelock in the program, making parallel programming a difficult task. Transactional Memory (TM) is a promising paradigm for parallel programming, offering an alternative to lock-based synchronization. TM eliminates the risk of deadlocks and livelocks, while it provides the desirable semantics of Atomicity, Consistency, and Isolation of critical sections. TM speculatively executes a series of memory accesses as a single, atomic, transaction. The speculative changes of a transaction are kept private until the transaction commits. If a transaction can break the atomicity or cause a deadlock or livelock, the TM system aborts the transaction and rolls back the speculative changes. To be effective, a TM implementation should provide high performance and scalability. While implementations of TM in pure software (STM) do not provide desirable performance, Hardware TM (HTM) implementations introduce much smaller overhead and have relatively good scalability, due to their better control of hardware resources. However, many HTM systems support only the transactions that fit limited hardware resources (for example, private caches), and fall back to software mechanisms if hardware limits are reached. These HTM systems, called best-effort HTMs, are not desirable since they force a programmer to think in terms of hardware limits, to use both HTM and STM, and to manage concurrent transactions in HTM and STM. In contrast with best-effort HTMs, unbounded HTM systems support overflowed transactions, that do not fit into private caches. Unbounded HTM systems often require complex protocols or expensive hardware mechanisms for conflict detection between overflowed transactions. In addition, an execution with overflowed transactions is often much slower than an execution that has only regular transactions. This is typically due to restrictive or approximative conflict management mechanism used for overflowed transactions. In this thesis, we study hardware implementations of transactional memory, and make three main contributions. First, we improve the general performance of HTM systems by proposing a scalable protocol for conflict management. The protocol has precise conflict detection, in contrast with often-employed inexact Bloom-filter-based conflict detection, which often falsely report conflicts between transactions. Second, we propose a best-effort HTM that utilizes the new scalable conflict detection protocol, termed EazyHTM. EazyHTM allows parallel commits for all non-conflicting transactions, and generally simplifies transaction commits. Finally, we propose an unbounded HTM that extends and improves the initial protocol for conflict management, and we name it EcoTM. EcoTM features precise conflict detection, and it efficiently supports large as well as small and short transactions. The key idea of EcoTM is to leverage an observation that very few locations are actually conflicting, even if applications have high contention. In EcoTM, each core locally detects if a cache line is non-conflicting, and conflict detection mechanism is invoked only for the few potentially conflicting cache lines.La Sincronización tradicional basada en los cerrojos de exclusión mutua (locks) serializa los accesos a las secciones críticas protegidas este cerrojo. La utilización de varios cerrojos en forma concurrente y/o paralela aumenta la posibilidad de entrar en abrazo mortal (deadlock) o en un bloqueo activo (livelock) en el programa, está es una de las razones por lo cual programar en forma paralela resulta ser mucho mas dificultoso que programar en forma secuencial. La memoria transaccional (TM) es un paradigma prometedor para la programación paralela, que ofrece una alternativa a los cerrojos. La memoria transaccional tiene muchas ventajas desde el punto de vista tanto práctico como teórico. TM elimina el riesgo de bloqueo mutuo y de bloqueo activo, mientras que proporciona una semántica de atomicidad, coherencia, aislamiento con características similares a las secciones críticas. TM ejecuta especulativamente una serie de accesos a la memoria como una transacción atómica. Los cambios especulativos de la transacción se mantienen privados hasta que se confirma la transacción. Si una transacción entra en conflicto con otra transacción o sea que alguna de ellas escribe en una dirección que la otra leyó o escribió, o se entra en un abrazo mortal o en un bloqueo activo, el sistema de TM aborta la transacción y revierte los cambios especulativos. Para ser eficaz, una implementación de TM debe proporcionar un alto rendimiento y escalabilidad. Las implementaciones de TM en el software (STM) no proporcionan este desempeño deseable, en cambio, las mplementaciones de TM en hardware (HTM) tienen mejor desempeño y una escalabilidad relativamente buena, debido a su mejor control de los recursos de hardware y que la resolución de los conflictos así el mantenimiento y gestión de los datos se hace en hardware. Sin embargo, muchos de los sistemas de HTM están limitados a los recursos de hardware disponibles, por ejemplo el tamaño de las caches privadas, y dependen de mecanismos de software para cuando esos límites son sobrepasados. Estos sistemas HTM, llamados best-effort HTM no son deseables, ya que obligan al programador a pensar en términos de los límites existentes en el hardware que se esta utilizando, así como en el sistema de STM que se llama cuando los recursos son sobrepasados. Además, tiene que resolver que transacciones hardware y software se ejecuten concurrentemente. En cambio, los sistemas de HTM ilimitados soportan un numero de operaciones ilimitadas o sea no están restringidos a límites impuestos artificialmente por el hardware, como ser el tamaño de las caches o buffers internos. Los sistemas HTM ilimitados por lo general requieren protocolos complejos o mecanismos muy costosos para la detección de conflictos y el mantenimiento de versiones de los datos entre las transacciones. Por otra parte, la ejecución de transacciones es a menudo mucho más lenta que en una ejecución sobre un sistema de HTM que este limitado. Esto es debido al que los mecanismos utilizados en el HTM limitado trabaja con conjuntos de datos relativamente pequeños que caben o están muy cerca del núcleo del procesador. En esta tesis estudiamos implementaciones de TM en hardware. Presentaremos tres contribuciones principales: Primero, mejoramos el rendimiento general de los sistemas, al proponer un protocolo escalable para la gestión de conflictos. El protocolo detecta los conflictos de forma precisa, en contraste con otras técnicas basadas en filtros Bloom, que pueden reportar conflictos falsos entre las transacciones. Segundo, proponemos un best-effort HTM que utiliza el nuevo protocolo escalable detección de conflictos, denominado EazyHTM. EazyHTM permite la ejecución completamente paralela de todas las transacciones sin conflictos, y por lo general simplifica la ejecución. Por último, proponemos una extensión y mejora del protocolo inicial para la gestión de conflictos, que llamaremos EcoTM. EcoTM cuenta con detección de conflictos precisa, eficiente y es compatible tanto con transacciones grandes como con pequeñas. La idea clave de EcoTM es aprovechar la observación que en muy pocas ubicaciones de memoria aparecen los conflictos entre las transacciones, incluso en aplicaciones tienen muchos conflictos. En EcoTM, cada núcleo detecta localmente si la línea es conflictiva, además existe un mecanismo de detección de conflictos detallado que solo se activa para las pocas líneas de memoria que son potencialmente conflictivas

Graph matching using position coordinates and local features for image analysis

Encontrar las correspondencias entre dos imágenes es un problema crucial en el campo de la visión por ordenador i el reconocimiento de patrones. Es relevante para un amplio rango de propósitos des de aplicaciones de reconocimiento de objetos en las áreas de biometría, análisis de documentos i análisis de formas hasta aplicaciones relacionadas con la geometría desde múltiples puntos de vista tales cómo la recuperación de la pose, estructura desde el movimiento y localización y mapeo. La mayoría de las técnicas existentes enfocan este problema o bien usando características locales en la imagen o bien usando métodos de registro de conjuntos de puntos (o bien una mezcla de ambos). En las primeras, un conjunto disperso de características es primeramente extraído de las imágenes y luego caracterizado en la forma de vectores descriptores usando evidencias locales de la imagen. Las características son asociadas según la similitud entre sus descriptores. En las segundas, los conjuntos de características son considerados cómo conjuntos de puntos los cuales son asociados usando técnicas de optimización no lineal. Estos son procedimientos iterativos que estiman los parámetros de correspondencia y de alineamiento en pasos alternados. Los grafos son representaciones que contemplan relaciones binarias entre las características. Tener en cuenta relaciones binarias al problema de la correspondencia a menudo lleva al llamado problema del emparejamiento de grafos. Existe cierta cantidad de métodos en la literatura destinados a encontrar soluciones aproximadas a diferentes instancias del problema de emparejamiento de grafos, que en la mayoría de casos es del tipo "NP-hard". El cuerpo de trabajo principal de esta tesis está dedicado a formular ambos problemas de asociación de características de imagen y registro de conjunto de puntos como instancias del problema de emparejamiento de grafos. En todos los casos proponemos algoritmos aproximados para solucionar estos problemas y nos comparamos con un número de métodos existentes pertenecientes a diferentes áreas como eliminadores de "outliers", métodos de registro de conjuntos de puntos y otros métodos de emparejamiento de grafos. Los experimentos muestran que en la mayoría de casos los métodos propuestos superan al resto. En ocasiones los métodos propuestos o bien comparten el mejor rendimiento con algún método competidor o bien obtienen resultados ligeramente peores. En estos casos, los métodos propuestos normalmente presentan tiempos computacionales inferiores.Trobar les correspondències entre dues imatges és un problema crucial en el camp de la visió per ordinador i el reconeixement de patrons. És rellevant per un ampli ventall de propòsits des d’aplicacions de reconeixement d’objectes en les àrees de biometria, anàlisi de documents i anàlisi de formes fins aplicacions relacionades amb geometria des de múltiples punts de vista tals com recuperació de pose, estructura des del moviment i localització i mapeig. La majoria de les tècniques existents enfoquen aquest problema o bé usant característiques locals a la imatge o bé usant mètodes de registre de conjunts de punts (o bé una mescla d’ambdós). En les primeres, un conjunt dispers de característiques és primerament extret de les imatges i després caracteritzat en la forma de vectors descriptors usant evidències locals de la imatge. Les característiques son associades segons la similitud entre els seus descriptors. En les segones, els conjunts de característiques son considerats com conjunts de punts els quals son associats usant tècniques d’optimització no lineal. Aquests son procediments iteratius que estimen els paràmetres de correspondència i d’alineament en passos alternats. Els grafs son representacions que contemplen relacions binaries entre les característiques. Tenir en compte relacions binàries al problema de la correspondència sovint porta a l’anomenat problema de l’emparellament de grafs. Existeix certa quantitat de mètodes a la literatura destinats a trobar solucions aproximades a diferents instàncies del problema d’emparellament de grafs, el qual en la majoria de casos és del tipus “NP-hard”. Una part del nostre treball està dedicat a investigar els beneficis de les mesures de ``bins'' creuats per a la comparació de característiques locals de les imatges. La resta està dedicat a formular ambdós problemes d’associació de característiques d’imatge i registre de conjunt de punts com a instàncies del problema d’emparellament de grafs. En tots els casos proposem algoritmes aproximats per solucionar aquests problemes i ens comparem amb un nombre de mètodes existents pertanyents a diferents àrees com eliminadors d’“outliers”, mètodes de registre de conjunts de punts i altres mètodes d’emparellament de grafs. Els experiments mostren que en la majoria de casos els mètodes proposats superen a la resta. En ocasions els mètodes proposats o bé comparteixen el millor rendiment amb algun mètode competidor o bé obtenen resultats lleugerament pitjors. En aquests casos, els mètodes proposats normalment presenten temps computacionals inferiors

Towards vision based robots for monitoring built environments

In construction, projects are typically behind schedule and over budget, largely due to the difficulty of progress monitoring. Once a structure (e.g. a bridge) is built, inspection becomes an important yet dangerous and costly job. We can provide a solution to both problems if we can simplify or automate visual data collection, monitoring, and analysis. In this work, we focus specifically on improving autonomous image collection, building 3D models from the images, and recognizing materials for progress monitoring using the images and 3D models. Image capture can be done manually, but the process is tedious and better suited for autonomous robots. Robots follow a set trajectory to collect data of a site, but it is unclear if 3D reconstruction will be successful using the images captured by following this trajectory. We introduce a simulator that synthesizes feature tracks for 3D reconstruction to predict if images collected from a planned path will result in a successful 3D reconstruction. This can save time, money, and frustration because robot paths can be altered prior to the real image capture. When executing a planned trajectory, the robot needs to understand and navigate the environment autonomously. Robot navigation algorithms struggle in environments with few distinct features. We introduce a new fiducial marker that can be added to these scenes to increase the number of distinct features and a new detection algorithm that detects the marker with negligible computational overhead. Adding markers prior to data collection does not guarantee that the algorithms for 3D model generation will succeed. In fact, out of the box, these algorithms do not take advantage of the unique characteristics of markers. Thus, we introduce an improved structure from motion approach that takes advantage of marker detections when they are present. We also create a dataset of challenging indoor image collections with markers placed throughout and show that previous methods often fail to produce accurate 3D models. However, our approach produces complete, accurate 3D models for all of these new image collections. Recognizing materials on construction sites is useful for monitoring usage and tracking construction progress. However, it is difficult to recognize materials in real world scenes because shape and appearance vary considerably. Our solution is to introduce the first dataset of material patches that include both image data and 3D geometry. We then show that both independent and joint modeling of geometry are useful alongside image features to improve material recognition. Lastly, we use our material recognition with material priors from building plans to accurately identify progress on construction sites

Elevation and Deformation Extraction from TomoSAR

3D SAR tomography (TomoSAR) and 4D SAR differential tomography (Diff-TomoSAR) exploit multi-baseline SAR data stacks to provide an essential innovation of SAR Interferometry for many applications, sensing complex scenes with multiple scatterers mapped into the same SAR pixel cell. However, these are still influenced by DEM uncertainty, temporal decorrelation, orbital, tropospheric and ionospheric phase distortion and height blurring. In this thesis, these techniques are explored. As part of this exploration, the systematic procedures for DEM generation, DEM quality assessment, DEM quality improvement and DEM applications are first studied. Besides, this thesis focuses on the whole cycle of systematic methods for 3D & 4D TomoSAR imaging for height and deformation retrieval, from the problem formation phase, through the development of methods to testing on real SAR data. After DEM generation introduction from spaceborne bistatic InSAR (TanDEM-X) and airborne photogrammetry (Bluesky), a new DEM co-registration method with line feature validation (river network line, ridgeline, valley line, crater boundary feature and so on) is developed and demonstrated to assist the study of a wide area DEM data quality. This DEM co-registration method aligns two DEMs irrespective of the linear distortion model, which improves the quality of DEM vertical comparison accuracy significantly and is suitable and helpful for DEM quality assessment. A systematic TomoSAR algorithm and method have been established, tested, analysed and demonstrated for various applications (urban buildings, bridges, dams) to achieve better 3D & 4D tomographic SAR imaging results. These include applying Cosmo-Skymed X band single-polarisation data over the Zipingpu dam, Dujiangyan, Sichuan, China, to map topography; and using ALOS L band data in the San Francisco Bay region to map urban building and bridge. A new ionospheric correction method based on the tile method employing IGS TEC data, a split-spectrum and an ionospheric model via least squares are developed to correct ionospheric distortion to improve the accuracy of 3D & 4D tomographic SAR imaging. Meanwhile, a pixel by pixel orbit baseline estimation method is developed to address the research gaps of baseline estimation for 3D & 4D spaceborne SAR tomography imaging. Moreover, a SAR tomography imaging algorithm and a differential tomography four-dimensional SAR imaging algorithm based on compressive sensing, SAR interferometry phase (InSAR) calibration reference to DEM with DEM error correction, a new phase error calibration and compensation algorithm, based on PS, SVD, PGA, weighted least squares and minimum entropy, are developed to obtain accurate 3D & 4D tomographic SAR imaging results. The new baseline estimation method and consequent TomoSAR processing results showed that an accurate baseline estimation is essential to build up the TomoSAR model. After baseline estimation, phase calibration experiments (via FFT and Capon method) indicate that a phase calibration step is indispensable for TomoSAR imaging, which eventually influences the inversion results. A super-resolution reconstruction CS based study demonstrates X band data with the CS method does not fit for forest reconstruction but works for reconstruction of large civil engineering structures such as dams and urban buildings. Meanwhile, the L band data with FFT, Capon and the CS method are shown to work for the reconstruction of large manmade structures (such as bridges) and urban buildings