TY - GEN A1 - Tateiwa, Nariaki A1 - Shinano, Yuji A1 - Yasuda, Masaya A1 - Kaji, Shizuo A1 - Yamamura, Keiichiro A1 - Fujisawa, Katsuki T1 - Massively parallel sharing lattice basis reduction N2 - For cryptanalysis in lattice-based schemes, the performance evaluation of lattice basis reduction using high-performance computers is becoming increasingly important for the determination of the security level. We propose a distributed and asynchronous parallel reduction algorithm based on randomization and DeepBKZ, which is an improved variant of the block Korkine-Zolotarev (BKZ) reduction algorithm. Randomized copies of a lattice basis are distributed to up to 103,680 cores and independently reduced in parallel, while some basis vectors are shared asynchronously among all processes via MPI. There is a trade-off between randomization and information sharing; if a substantial amount of information is shared, all processes will work on the same problem, thereby diminishing the benefit of parallelization. To monitor this balance between randomness and sharing, we propose a metric to quantify the variety of lattice bases. We empirically find an optimal parameter of sharing for high-dimensional lattices. We demonstrate the efficacy of our proposed parallel algorithm and implementation with respect to both performance and scalability through our experiments. T3 - ZIB-Report - 21-38 KW - Discrete optimization KW - Lattice problem KW - Lattice-based cryptography KW - Shortest vector problem KW - Parallel algorithms KW - Ubiquity Generator Framework Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-85209 SN - 1438-0064 N1 - under review ER - TY - GEN A1 - Clasen, Malte A1 - Paar, Philip A1 - Prohaska, Steffen T1 - Level of Detail for Trees Using Clustered Ellipsoids N2 - We present a level of detail method for trees based on ellipsoids and lines. We leverage the Expectation Maximization algorithm with a Gaussian Mixture Model to create a hierarchy of high-quality leaf clusterings, while the branches are simplified using agglomerative bottom-up clustering to preserve the connectivity. The simplification runs in a preprocessing step and requires no human interaction. For a fly by over and through a scene of 10k trees, our method renders on average at 40 ms/frame, up to 6 times faster than billboard clouds with comparable artifacts. T3 - ZIB-Report - 11-41 KW - level of detail KW - rendering KW - natural scene KW - Gaussian mixture model Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-14251 SN - 1438-0064 ER - TY - THES A1 - Krause, Jan T1 - Investigation of Options to Handle 3D MRI Data via Convolutional Neural Networks Application in Knee Osteoarthritits Classification KW - Machine Learning KW - Computational Diagnosis KW - Knee Osteoarthritis Y1 - 2021 ER - TY - GEN A1 - Ribera Borrell, Enric A1 - Quer, Jannes A1 - Richter, Lorenz A1 - Schütte, Christof T1 - Improving control based importance sampling strategies for metastable diffusions via adapted metadynamics N2 - Sampling rare events in metastable dynamical systems is often a computationally expensive task and one needs to resort to enhanced sampling methods such as importance sampling. Since we can formulate the problem of finding optimal importance sampling controls as a stochastic optimization problem, this then brings additional numerical challenges and the convergence of corresponding algorithms might as well suffer from metastabilty. In this article we address this issue by combining systematic control approaches with the heuristic adaptive metadynamics method. Crucially, we approximate the importance sampling control by a neural network, which makes the algorithm in principle feasible for high dimensional applications. We can numerically demonstrate in relevant metastable problems that our algorithm is more effective than previous attempts and that only the combination of the two approaches leads to a satisfying convergence and therefore to an efficient sampling in certain metastable settings. T3 - ZIB-Report - 21-40 KW - importance sampling KW - stochastic optimal control KW - rare event simulation KW - metastability KW - neural networks KW - metadynamics Y1 - 2021 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Masing, Berenike A1 - Lindner, Niels A1 - Ebert, Patricia T1 - Forward and Line-Based Cycle Bases for Periodic Timetabling N2 - The optimization of periodic timetables is an indispensable planning task in public transport. Although the periodic event scheduling problem (PESP) provides an elegant mathematical formulation of the periodic timetabling problem that led to many insights for primal heuristics, it is notoriously hard to solve to optimality. One reason is that for the standard mixed-integer linear programming formulations, linear programming relaxations are weak and the integer variables are of pure technical nature and in general do not correlate with the objective value. While the first problem has been addressed by developing several families of cutting planes, we focus on the second aspect. We discuss integral forward cycle bases as a concept to compute improved dual bounds for PESP instances. To this end, we develop the theory of forward cycle bases on general digraphs. Specifically for the application of timetabling, we devise a generic procedure to construct line-based event-activity networks, and give a simple recipe for an integral forward cycle basis on such networks. Finally, we analyze the 16 railway instances of the benchmark library PESPlib, match them to the line-based structure and use forward cycle bases to compute better dual bounds for 14 out of the 16 instances. T3 - ZIB-Report - 23-05 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-89731 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Shinano, Yuji A1 - Heinz, Stefan A1 - Vigerske, Stefan A1 - Winkler, Michael T1 - FiberSCIP - A shared memory parallelization of SCIP N2 - Recently, parallel computing environments have become significantly popular. In order to obtain the benefit of using parallel computing environments, we have to deploy our programs for these effectively. This paper focuses on a parallelization of SCIP (Solving Constraint Integer Programs), which is a MIP solver and constraint integer programming framework available in source code. There is a parallel extension of SCIP named ParaSCIP, which parallelizes SCIP on massively parallel distributed memory computing environments. This paper describes FiberSCIP, which is yet another parallel extension of SCIP to utilize multi-threaded parallel computation on shared memory computing environments, and has the following contributions: First, the basic concept of having two parallel extensions and the relationship between them and the parallelization framework provided by UG (Ubiquity Generator) is presented, including an implementation of deterministic parallelization. Second, the difficulties to achieve a good performance that utilizes all resources on an actual computing environment and the difficulties of performance evaluation of the parallel solvers are discussed. Third, a way to evaluate the performance of new algorithms and parameter settings of the parallel extensions is presented. Finally, current performance of FiberSCIP for solving mixed-integer linear programs (MIPs) and mixed-integer non-linear programs (MINLPs) in parallel is demonstrated. T3 - ZIB-Report - 13-55 KW - parallel KW - branch-and-bound KW - deterministic parallelism KW - constraint integer programming KW - mixed integer programming KW - mixed integer nonlinear programming KW - SCIP KW - MIP KW - MINLP Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-42595 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Ehlke, Moritz A1 - Ramm, Heiko A1 - Lamecker, Hans A1 - Hege, Hans-Christian A1 - Zachow, Stefan T1 - Fast Generation of Virtual X-ray Images from Deformable Tetrahedral Meshes N2 - We propose a novel GPU-based approach to render virtual X-ray projections of deformable tetrahedral meshes. These meshes represent the shape and the internal density distribution of a particular anatomical structure and are derived from statistical shape and intensity models (SSIMs). We apply our method to improve the geometric reconstruction of 3D anatomy (e.g.\ pelvic bone) from 2D X-ray images. For that purpose, shape and density of a tetrahedral mesh are varied and virtual X-ray projections are generated within an optimization process until the similarity between the computed virtual X-ray and the respective anatomy depicted in a given clinical X-ray is maximized. The OpenGL implementation presented in this work deforms and projects tetrahedral meshes of high resolution (200.000+ tetrahedra) at interactive rates. It generates virtual X-rays that accurately depict the density distribution of an anatomy of interest. Compared to existing methods that accumulate X-ray attenuation in deformable meshes, our novel approach significantly boosts the deformation/projection performance. The proposed projection algorithm scales better with respect to mesh resolution and complexity of the density distribution, and the combined deformation and projection on the GPU scales better with respect to the number of deformation parameters. The gain in performance allows for a larger number of cycles in the optimization process. Consequently, it reduces the risk of being stuck in a local optimum. We believe that our approach contributes in orthopedic surgery, where 3D anatomy information needs to be extracted from 2D X-rays to support surgeons in better planning joint replacements. T3 - ZIB-Report - 13-38 KW - digitally reconstructed radiographs KW - volume rendering KW - mesh deformation KW - statistical shape and intensity models KW - image registration KW - GPU acceleration Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-41896 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Orlowski, Sebastian A1 - Werner, Axel A1 - Wessäly, Roland T1 - Estimating trenching costs in FTTx network planning N2 - In this paper we assess to which extent trenching costs of an FTTx network are unavoidable, even if technical side constraints are neglected. For that purpose we present an extended Steiner tree model. Using a variety of realistic problem instances we demonstrate that the total trenching cost can only be reduced by about 5 percent in realistic scenarios. This work has been funded by BMBF (German Federal Ministry of Education and Research) within the program "KMU-innovativ". T3 - ZIB-Report - 11-49 KW - Optical access networks KW - Optimization KW - Steiner trees Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-14884 SN - 1438-0064 ER - TY - THES A1 - Paskin, Martha T1 - Estimating 3D Shape of the Head Skeleton of Basking Sharks Using Annotated Landmarks on a 2D Image N2 - Basking sharks are thought to be one of the most efficient filter-feeding fish in terms of the throughput of water filtered through their gills. Details about the underlying morphology of their branchial region have not been studied due to various challenges in acquiring real-world data. The present thesis aims to facilitate this, by developing a mathematical shape model which constructs the 3D structure of the head skeleton of a basking shark using annotated landmarks on a single 2D image. This is an ill-posed problem as estimating the depth of a 3D object from a single 2D view is, in general, not possible. To reduce this ambiguity, we create a set of pre-defined training shapes in 3D from CT scans of basking sharks. First, the damaged structures of the sharks in the scans are corrected via solving a set of optimization problems, before using them as accurate 3D representations of the object. Then, two approaches are employed for the 2D-to-3D shape fitting problem–an Active Shape Model approach and a Kendall’s Shape Space approach. The former represents a shape as a point on a high-dimensional Euclidean space, whereas the latter represents a shape as an equivalence class of points in this Euclidean space. Kendall’s shape space approach is a novel technique that has not yet been applied in this context, and a comprehensive comparison of the two approaches suggests this approach to be superior for the problem at hand. This can be credited to an improved interpolation of the training shapes. N2 - Riesenhaie zählen zu den effizientesten Filtrierern hinsichtlich des durch die Kiemen gefilterten Wasservolumens. Die Kiemenregion dieser Tiere besitzt eine markante Morphologie, die jedoch bisher nicht umfassend erforscht werden konnte, da es schwierig ist, reale Daten dieser Tiere zu erheben. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, dies durch die Entwicklung eines mathematischen Formmodels zu ermöglichen, das es erlaubt, die 3D-Struktur des Schädelskeletts anhand von Landmarken, die auf einem 2D-Bild platziert werden, zu rekonstruieren. Die hierzu benötigte Tiefenbestimmung der Landmarken aus einer 2D-Projektion ist ein unterbestimmtes Problem. Wir lösen dies durch die Hinzunahme von Trainingsformen, welche wir aus CT-Scans von Riesenhaien gewinnen. Der Zustand der tomografierten Exemplare erfordert jedoch einen vorhergehenden Korrekturschritt, den wir mit Hilfe eines Optimierungsansatzes lösen, bevor die extrahierten Strukturen als 3D-Trainingsformen dienen können. Um die 3D-Struktur des Schädelskelettes aus 2D-Landmarken zu rekonstruieren, vergleichen wir zwei Ansätze – den sogenannten Active-Shape-Model (ASM)-Ansatz und einen Ansatz basierend auf Kendalls Formenraum. Während eine Form des ASM-Ansatzes durch einen Punkt in einem hochdimensionalen Euklidischen Raum repräsentiert ist, repräsentiert eine Form im Kendall-Formenraum eine Äquivalenzklasse von Punkten des Euklidischen Raumes. Die Anwendung des Kendall-Formenraumes für das beschriebene Problem ist neu und ein umfassender Vergleich der Methoden hat ergeben, dass dieser Ansatz für die spezielle Anwendung zu besseren Ergebnissen führt. Wir führen dies auf die überlegene Interpolation der Trainingsformen in diesem Raum zurück. Y1 - 2022 UR - https://arxiv.org/abs/2207.12687 ER - TY - THES A1 - Witzig, Jakob T1 - Effiziente Reoptimierung in Branch&Bound-Verfahren für die Steuerung von Aufzügen N2 - Heutzutage ist eine Vielzahl der mehrstöckigen Gebäude mit Personenaufzugsgruppen ausgestattet. Uns wohl bekannt sind die sogenannten konventionellen Systeme. Bei diesen Systemen betätigt jeder ankommende Passagier eine der beiden Richtungstasten und teilt dem dahinterstehenden Steuerungsalgorithmus seine gewünschte Startetage und Fahrtrichtung mit. Betreten wird der zuerst auf der Startetage ankommende Aufzug mit gleicher Fahrtrichtung und ausreichend Kapazität. Die entsprechende Zieletage wird dem System erst nach dem Betreten der Fahrgastkabine mitgeteilt. Neben diesen konventionellen Systemen gibt es Aufzugsgruppen mit Zielrufsteuerung. Die Besonderheit eines zielrufgesteuerten Systems ist, dass ein ankommender Passagier bereits auf der Startetage seine gewünschte Zieletage angibt und eine Rückmeldung vom System erhält, welchen Aufzug er nutzen soll. Diese Zuweisung durch das System hat das Ziel, die Warte- und Reisezeiten der Passagiere zu minimieren. Ein wesentlicher Faktor bei der Berechnung warte- und reisezeitminimaler Fahrpläne ist das momentane Verkehrsmuster. Eine Einteilung der Verkehrsszenarien lässt sich am besten bei Bürogebäuden vornehmen. So ist es typisch für die Morgenstunden, dass jeder Passagier auf einer Zugangsebene seine Fahrt beginnt und alle Passagiere die gleiche Fahrtrichtung haben. Unter einer Zugangsebene ist z. B. der Haupteingang oder ein Parkdeck zu verstehen. Ein weiterer wesentlicher Punkt bei Zielrufsystemen ist die Art der Zuweisung der Passagiere durch das System. Zum einen gibt es unmittelbar zuweisende (UZ-) Systeme. In einem UZ-System wird nach jeder Ankunft eines Passagiers eine Momentaufnahme des momentanen Verkehrs erstellt und es findet eine Neuplanung und Zuweisung statt. Eine solche Momentaufnahme werden wir im späteren Verkauf als Schnappschussproblem bezeichnen. Jeder Passagier bekommt im Anschluss an die Lösung des Schnappschussproblems eine Mitteilung vom System, z. B. über ein Display, welchen Aufzug er benutzen soll. Zum anderen gibt es verzögert zuweisende (VZ-) Systeme. In diesen Systemen wird die Erstellung und Lösung eines Schnappschussproblems bis kurz vor Ankunft eines Aufzuges auf einer Etage verzögert. In einem VZ-System teilt das System allen wartenden Passagieren die geplanten Zieletagen des ankommenden Aufzugs mit. Jeder Passagier, der einen Ruf getätigt hat und zu einer dieser Zieletagen fahren will, kann jetzt diesen Aufzug betreten. Durch die Verzögerung muss im Vergleich zu einem UZ-System eine weitaus größere Menge von Passagieren zugewiesen werden. Dadurch kann der Lösungsprozess bedeutend aufwändiger werden. Vorteil eines VZ-Systems ist hingegen der größere Freiheitsgrad bei der Optimierung, da aufgrund der späten Zuweisung die weitere Verkehrsentwicklung mit einbezogen werden kann. VZ-Systeme sind aufgrund des größeren Freiheitsgrades interessant für die Praxis ist, wir uns demzufolge in dieser Arbeit mit einer effizienteren Lösung dieser Art von Schnappschussproblemen befassen. Es genügt dabei den Lösungsprozess eines Schnappschussproblems zu betrachten. Das Ziel ist eine Reduzierung der benötigten Rechenzeit. Unter Reoptimierung verstehen wir die Konstruktion zulässiger Spalten in den jeweiligen Iterationsrunden der Spaltengenerierung innerhalb eines Schnappschussproblems. Als eine Iterationsrunde bezeichnet wir einer Menge zulässiger Touren mit negativen reduzierten Kosten. Eine effiziente Reoptimierung zeichnet sich durch die Wiederverwendung und Aufbereitung von Informationen aus vorangegangenen Iterationsrunden desselben Schnappschussproblems aus. Zu den wichtigen Informationen gehört der konstruierte Suchbaum der vorherigen Iterationsrunde mit seinen ausgeloteten (abgeschnittenen) Blättern sowie konstruierten Touren bzw. Spalten, welche in der Iterationsrunde ihrer Konstruktion nicht zur Lösung des Teilproblems der Spaltengenerierung beitrugen. Eine solche Wiederverwendung und Aufbereitung von Informationen nennen wir Warmstart. Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-42210 ER -