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Unified probabilistic deep continual learning through generative replay and open set recognition
(2022)
Modern deep neural networks are well known to be brittle in the face of unknown data instances and recognition of the latter remains a challenge. Although it is inevitable for continual-learning systems to encounter such unseen concepts, the corresponding literature appears to nonetheless focus primarily on alleviating catastrophic interference with learned representations. In this work, we introduce a probabilistic approach that connects these perspectives based on variational inference in a single deep autoencoder model. Specifically, we propose to bound the approximate posterior by fitting regions of high density on the basis of correctly classified data points. These bounds are shown to serve a dual purpose: unseen unknown out-of-distribution data can be distinguished from already trained known tasks towards robust application. Simultaneously, to retain already acquired knowledge, a generative replay process can be narrowed to strictly in-distribution samples, in order to significantly alleviate catastrophic interference.
This thesis presents a first-of-its-kind phenomenological framework that formally describes the development of acquired epilepsy and the role of the neuro-immune axis in this development. Formulated as a system of nonlinear differential equations, the model describes the interaction of processes such as neuroinflammation, blood- brain barrier disruption, neuronal death, circuit remodeling, and epileptic seizures. The model allows for the simulation of epilepsy development courses caused by a variety of neurological injuries. The simulation results are in agreement with ex- perimental findings from three distinct animal models of epileptogenesis. Simula- tions capture injury-specific temporal patterns of seizure occurrence, neuroinflam- mation, blood-brain barrier leakage, and progression of neuronal death. In addition, the model provides insights into phenomena related to epileptogenesis such as the emergence of paradoxically long time scales of disease development after injury, the dose-dependence of epileptogenesis features on injury severity, and the variability of clinical outcomes in subjects exposed to identical injury. Moreover, the developed framework allows for the simulation of therapeutic interventions, which provides insights into the injury-specificity of prominent intervention strategies. Thus, the model can be used as an in silico tool for the generation of testable predictions, which may aid pre-clinical research for the development of epilepsy treatments.
The single-source shortest-path problem is a fundamental problem in computer science. We consider a generalization of the shortest-path problem, the $k$-shortest path problem. Let $G$ be a directed edge-weighted graph with $n$ nodes and $m$ edges and $s,t$ be two fixed nodes. The goal is to compute $k$ paths $P_1,\dots,P_k$ between two fixed nodes $s$ and $t$ in non-decreasing order of their length such that all other paths between $s$ and $t$ are at least as long as the $k$\nth path $P_k$. We focus on the version of the $k$-shortest path problem where the paths are not allowed to visit nodes multiple times, sometime referred to as $k$-shortest simple path problem.
The probably best known $k$-shortest path algorithm is Yen's algorithm. It has a worst-case time complexity of O(kn\cdot scp(n,m)), where scp(n,m) is the complexity of the single-source shortest-path algorithm used as a subroutine. In case of Dijkstra's algorithm scp(n,m) is O(m + n\log n). One of the more recent improvements of Yen's algorithm is by Feng.
Even though Feng's algorithm is much faster in practice, it has the same worst-case complexity as Yen's algorithm.
The main results presented in this thesis are upper bounds on the average-case of Yen's and Feng's algorithm, as well as practical improvements and a parallel implementation of Yen's and Feng's algorithms including these improvements. The implementation is publicly available under GPLv3 open source license.
We show in our analysis that Yen's algorithm has an average-case complexity of O(k \log(n)\cdot scp(n,m)) on G(n,p) graphs with at least logarithmic average-degree and random edge weights following a distribution with certain properties.
On G(n,p) graphs with constant to logarithmic average-degree and uniform random edge-weights over $[0;1]$, we show an average-case complexity of O(k\cdot\frac{\log^2 n}{np}\cdot scp(n,m)). Feng's algorithm has an even better average-case complexity of O(k\cdot scp(n,m)) on unweighted G(n,p) graphs with logarithmic average-degree and for constant values of $k$. We further provide evidence that the same holds true for G(n,p) graphs with uniform random edge-weights over $[0;1]$.
On the practical side, we suggest new heuristics to prune even more single-source shortest-path computations than Feng's algorithm and evaluate all presented algorithms on G(n,p) and Grid graphs with up to 256 million nodes. We demonstrate speedups by a factor of up to 40 compared to Feng's algorithm.
Finally we discuss two ways to parallelize the suggested algorithms and evaluate them on grid graphs showing speedups by a factor of 2 using 4 threads and by a factor of up to 8 using 16 threads, respectively.
Goal-Conditioned Reinforcement Learning (GCRL) is a popular framework for training agents to solve multiple tasks in a single environment. It is cru- cial to train an agent on a diverse set of goals to ensure that it can learn to generalize to unseen downstream goals. Therefore, current algorithms try to learn to reach goals while simultaneously exploring the environment for new ones (Aubret et al., 2021; Mendonca et al., 2021). This creates a form of the prominent exploration-exploitation dilemma. To relieve the pres- sure of a single agent having to optimize for two competing objectives at once, this thesis proposes the novel algorithm family Goal-Conditioned Re- inforcement Learning with Prior Intrinsic Exploration (GC-π), which sep- arates exploration and goal learning into distinct phases. In the first ex- ploration phase, an intrinsically motivated agent explores the environment and collects a rich dataset of states and actions. This dataset is then used to learn a representation space, which acts as the distance metric for the goal- conditioned reward signal. In the final phase, a goal-conditioned policy is trained with the help of the representation space, and its training goals are randomly sampled from the dataset collected during the exploration phase. Multiple variations of these three phases have been extensively evaluated in the classic AntMaze MuJoCo environment (Nachum et al., 2018). The fi- nal results show that the proposed algorithms are able to fully explore the environment and solve all downstream goals while using every dimension of the state space for the goal space. This makes the approach more flexible compared to previous GCRL work, which only ever uses a small subset of the dimensions for the goals (S. Li et al., 2021a; Pong et al., 2020).
Ausgangspunkt der Forschungsarbeit ist der Gebrauch von Gesten in mathematischen Interaktionen von Lernenden. Es wird untersucht, inwiefern Gesten Teil des mathematischen Aushandlungsprozesses sind. Damit ist die Rekonstruktion einer potentiell fachlichen Bedeutung des Gestengebrauchs beim Mathematiklernen das zentrale Forschungsanliegen.
Theoretisch gerahmt wird die Arbeit von Erkenntnissen aus der psychologisch-linguistischen Gestenforschung zur systematischen Beschreibung von Gestik im Zusammenspiel mit der gleichzeitig geäußerten Lautsprache (McNeill, 1992; Kendon, 2004). Es werden ebenso ausgewählte Forschungen zur Gestik beim Mathematiklernen beleuchtet (Arzarello, 2006; Wille, 2020; Kiesow, 2016). Die mathematikdidaktische Interaktionstheorie begründet den sozial-konstruktivistischen Lernbegriff (Krummheuer, 1992). Ausgewählte Aspekte der Semiotik nach C. S. Peirce bieten eine theoretische Fundierung des Zeichenbegriffs und des Kerns mathematischen Agierens, verstanden als diagrammatisches Arbeiten (Peirce, 1931, CP 1.54 u. 1932, CP 2.228).
Von besonderer Bedeutung für die vorliegende Forschungsarbeit ist der linguistische Ansatz der Code-Integration und -Manifestation von redebegleitenden Gesten im Sprachsystem nach Fricke (2007, 2012) in Verbindung mit dem Peirce’schen Diagrammbegriff. Diese Perspektive ermöglicht eine theoretische Fundierung der zunächst empirisch beobachtbaren Multimodalität der Ausdrucksweisen von Lernenden beim gemeinsamen Mathematiktreiben. Der Peirce’sche Diagrammbegriff dient hierbei zur Rekonstruktion einer systemischen Relevanz von Gesten für das Betreiben von Mathematik: Bestimmte Gesten sind semiotisch als mathematische Zeichen beschreibbar und haben potentiell konstituierende Funktion für das diagrammatische Arbeiten der Lernenden. Der übergeordnete Forschungsfokus lautet: Wie nutzen Grundschüler*innen Gestik und Lautsprache, insbesondere in deren Zusammenspiel, um ihre mathematischen Ideen in den interaktiven Aushandlungsprozess einzubringen und über den Verlauf der Interaktion aufzugreifen, möglicherweise weiterzuentwickeln oder auch zu verwerfen? In der Ausdifferenzierung wird die Funktion der verwendeten Gesten und die Rekonstruktion von potentiell gemeinsam gebrauchten Gesten der Interagierenden in den Blick genommen.
Methodisch lässt sich die Forschungsarbeit der qualitativen Sozialforschung (Bohnsack, 2008) bzw. der interpretativen mathematikdidaktischen Unterrichtsforschung zuordnen (Krummheuer & Naujok, 1999). Es werden Beispiele aus mathematischen Interaktionssituationen ausgewertet, in denen sich Paare von Zweitklässler*innen mit einem mathematischen Problem aus der Kombinatorik und der Geometrie beschäftigen. Eine eigens theoriekonform entwickelte Transkriptpartitur dient zur Aufarbeitung der Videodaten. Mit der textbasierten Interaktionsanalyse (Krummheuer, 1992) und der grafisch angelegten Semiotischen Analyse (Schreiber, 2010) in einer Weiterentwicklung der Semiotischen Prozess-Karten (Huth, 2014) werden zwei hierarchisch aufeinander aufbauende Analyseverfahren verwendet.
Zentrale Forschungsergebnisse sind 1) die funktionale und gestalterische Flexibilität des Gestengebrauchs beim diagrammatischen Arbeiten der Lernenden, 2) die Rekonstruktion von Modusschnittstellen der Gesten mit anderen Ausdrucksmodi in Funktion, interaktionaler Bedeutungszuschreibung und Chronologie, und 3) die häufige Verwendung der Gesten als Modus der Wahl der Lernenden in mathematischen Interaktionen. Gesten weisen eine unmittelbare und voraussetzungslose Verfügbarkeit auf, eine funktionale und gestalterische Flexibilität in der mathematischen Auseinandersetzung und die Möglichkeit, Funktionen anderer Modi (vorübergehen) zu übernehmen. Es zeigt sich eine konstitutive und fachliche Bedeutung der Gestik für das mathematisch-diagrammatische Agieren der Lernenden. In der Arbeit wird daraus schließlich das doppelte Kontinuum der Gesten für das Mathematiklernen entwickelt. Es zeigt in der Dimension der Funktion des Gestengebrauchs und der Dimension des Objektbezugs der Gestengestalt die Vielfältigkeit der Gestenfunktionen im gemeinsamen diagrammatischen Arbeiten der Lernenden und gibt Einblick in die verwendeten Gestengestalten.
Die Forschungsarbeit offenbart den Bedarf einer Beachtung von Gesten in der fachdidaktischen Planung und Gestaltung von Mathematikunterricht und in der Erforschung und Diagnostik der mathematischen Entwicklung von Lernenden. Es handelt sich bei Gesten in mathematischen Interaktionen nicht um ein reines Beiwerk der Äußerung, sondern um einen fachlich bedeutsamen Modus in Bezug auf das Mathematiklernen. Der Gebrauch von Gestik ermöglicht die Erzeugung von Diagrammen im Handumdrehen und eröffnet perspektivisch eine Erforschung ihrer Bedeutung für mathematische Lehr-Lern-Prozesse.
Die in dieser Zusammenfassung angegebene Literatur findet sich im Literaturverzeichnis der vorgelegten Forschungsarbeit.
This dissertation is concerned with the task of map-based self-localization, using images of the ground recorded with a downward-facing camera. In this context, map-based (self-)localization is the task of determining the position and orientation of a query image that is to be localized. The map used for this purpose consists of a set of reference images with known positions and orientations in a common coordinate system. For localization, the considered methods determine correspondences between features of the query image and those of the reference images.
In comparison with localization approaches that use images of the surrounding environment, we expect that using images of the ground has the advantage that, unlike the surrounding, the visual appearance of the ground is often long-term stable. Also, by using active lighting of the ground, localization becomes independent of external lighting conditions.
This dissertation includes content of several published contributions, which present research on the development and testing of methods for feature-based localization of ground images. Our first contribution examines methods for the extraction of image features that have not been designed to be used on ground images. This survey shows that, with appropriate parametrization, several of these methods are well suited for the task.
Based on this insight, we develop and examine methods for various subtasks of map-based localization in the following contributions. We examine global localization, where all reference images have to be considered, as well as local localization, where an approximation of the query image position is already known, which allows for disregarding reference images with a large distance to this position.
In our second contribution, we present the first systematic comparison of state-of-the-art methods for ground texture based localization. Furthermore, we present a method, which is characterized by its usage of our novel feature matching technique. This technique is called identity matching, as it matches only those features with identical descriptors, in contrast to the state-of-the-art that also matches features with similar descriptors. We show that our method is well suited for global and local localization, as it has favorable scaling with the number of reference images considered during the localization process. In another contribution, we develop a variant of our localization method that is significantly faster to compute, as it applies a sampling approach to determine the image positions at which local features are extracted, instead of using classical feature detectors.
Two further contributions are concerned with global localization. The first one introduces a prediction model for the global localization performance, based on an evaluation of the local localization performance. This allows us to quickly evaluate any considered parameter settings of global localization methods. The second contribution introduces a learning-based method that computes compact descriptors of ground images. This descriptor can be used to retrieve the overlapping reference images of a query image from a large set of reference images with little computational effort.
The most recent contribution included in this dissertation presents a new ground image database, which was recorded with a dedicated platform using a downward-facing camera. In addition to the data, we also explain our guidelines for the construction of the platform. In comparison with existing databases, our database contains more images and presents a larger variety of ground textures. Furthermore, this database enables us to perform the first systematic evaluation of how localization performance is affected by the time interval between the point in time at which the reference images are recorded and the point in time at which the query image is recorded. We find out that for outdoor areas all ground texture based localization methods have reliability issues, if the time interval between the recording of the query and reference images is large, and also if there are different weather conditions. These findings point to remaining challenges in ground texture base localization that should be addressed in future work.
Matroids are combinatorial objects that generalize linear independence. A matroid can be represented geometrically by its Bergman fan and we compare the symmetries of these two objects. Sometimes, the Bergman fan has additional automorphisms, which are related to Cremona transformations in projective space. Their existence depends on a combinatorial property of the matroid, as has been shown by Shaw and Werner, and we study the consequences for the structure of such matroids. This allows us to gain a better understanding of the so-called Cremona group of a matroid and we apply our results to root system matroids.
Das adaptive Immunsystem schützt den Menschen vor extra- wie auch intrakorporal auftretenden Pathogenen und Krebszellen. Die Funktionalität dieses Prozesses geht hierbei auf die Interaktion und Kooperation einer Vielzahl verschiedener Zelltypen des Körpers zurück und ist vorwiegend innerhalb der Lymphknoten lokalisiert. Ist auch nur ein Bestandteil dieses sensiblen Prozesses gestört, kann dies zu einem teilweisen oder vollständigen Verlust der immunologischen Fitness des Menschen führen. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, solche Aberrationen des humanen Lymphknotengewebes umfassend digital-pathologisch zu detektieren und zu definieren.
Hierfür wurde zunächst eine digitale Gewebedatenbank etabliert. Diese basiert auf dem im Rahmen dieser Arbeit implementierten Content-Management-System Digital Tissue Management Suite. Weiterhin wurde die Software Feature analysis in tissue histomorphometry entwickelt, welche die Analyse von zweidimensionalen whole slide images ermöglicht. Hierbei werden Methoden aus dem Bereich Computer Vision und Graphentheorie eingesetzt, um morphologische und distributionale Eigenschaften der Zelltypen des Lymphknotens zu charakterisieren. Darüber hinaus enthält diese Software Plug-ins zur Visualisierung und statistischen Analyse der Daten.
Aufbauend auf der eigens implementierten, digitalen Infrastruktur, in Kombination mit der Software Imaris wurden zweidimensional und dreidimensional gescannte, reaktive und neoplastische Gewebeproben digital phänotypisiert. Hierbei konnten neue mechanische Barrieren zur Kompartimentalisierung der Keimzentren aufgeklärt werden. Weiterhin konnte der Erhalt des quantitativen Verhältnisses einzelner Zellpopulationen innerhalb der Keimzentren beschrieben werden. Ausgehend von den reaktiven Phänotypen des Lymphknotens, wurden pathophysiologische Aberrationen in verschiedenen lymphatischen Neoplasien untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass speziell die strukturelle Destruktion häufig mit einer morphologischen Veränderung der fibroblastischen Retikulumzellen einhergeht.
Neben strukturellen Veränderungen sind auch zytologische Veränderungen der Tumormikroumgebung zu verzeichnen. Eine besondere Rolle spielen hierbei sogenannte Tumor-assoziierte Makrophagen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass speziell Makrophagen in der Tumormikroumgebung des diffus großzelligen B-Zell-Lymphoms und der chronisch lymphatischen Leukämie spezifische pathophysiologische Veränderungen aufzeigen. Auch konnte gezeigt werden, dass genetische Änderungen neoplastischer B-Zellen mit einer generellen Reduktion der CD20-Antigendichte einhergehen.
Zusammenfassend ermöglichten die Ergebnisse die Generierung eines umfassenden digital-pathologischen Profils des klassischen Hodgkin-Lymphoms. Hierbei konnten morphologische Veränderungen neoplastischer, CD30-positiver Hodgkin-Reed-Sternberg-Zellen validiert und beschrieben werden. Auch konnten pathologische Veränderungen des Konnektoms und der Tumormikroumgebung dieser Zellen parametrisiert und quantifiziert werden. Abschließend wurde unter Anwendung eines Random forest-Klassifikators die diagnostische Potenz digital-pathologischer Profile evaluiert und validiert.