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 - THES A1 - Hoffmann, Marie T1 - Approximate Algorithms for Distributed Systems N2 - Peer-to-peer (P2P) systems form a special class of distributed systems. Typically, nodes in a P2P system are flat and share the same responsabilities. In this thesis we focus on three problems that occur in P2P systems: the storage of data replicates, quantile computation on distributed data streams, and churn rate estimation. Data replication is one of the oldest techniques to maintain stored data in a P2P system and to reply to read requests. Applications, which use data replication are distributed databases. They are part of an abstract overlay network and do not see the underlying network topology. The question is how to place a set of data replicates in a distributed system such that response times and failure probabilities become minimal without a priori knowledge of the topology of the underlying hardware nodes? We show how to utilize an agglomerative clustering procedure to reach this goal. State-of-the-art algorithms for aggregation of distributed data or data streams require at some point synchronization, or merge data aggregates hierarchically, which does not accompany the basic principle of P2P systems. We test whether randomized communication and merging of data aggregates are able to produce the same results. These data aggregates serve for quantile queries. Constituting and maintaining a P2P overlay network requires frequent message passing. It is a goal to minimize the number of maintenance messages since they consume bandwidth which might be missing for other applications. The lower bound of the frequency for mainte- nance messages is highly dependent on the churn rate of peers. We show how to estimate the mean lifetime of peers and to reduce the frequency for maintenance messages without destabilizing the infrastructure of the constituting overlay. KW - peer-to-peer, machine learning, approximate, clustering, quantile, linear regression Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-42370 ER - TY - THES A1 - Keidel, Stefan T1 - Snapshots in Scalaris N2 - Eines der größten Hindernisse beim praktischen Einsatz von Scalaris, einer skalierbaren Implementierung einer verteilten Hashtabelle mit Unterstützung für Transaktionen, ist das Fehlen eines Verfahrens zur Aufnahme eines konsistenten Zustandes des gesamten Systems. Wir stellen in dieser Arbeit ein einfaches Protokoll vor, dass diese Aufgabe erfüllt und sich, auf Grund der von uns gewählten Herangehensweise, leicht implementieren lässt. Als Ausgangspunkt dafür wählen wir aus einer Reihe von „klassischen“ Snapshot-Algorithmen ein 1993 von Mattern entworfenes Verfahren, welches auf dem Algorithmus von Lai und Yang basiert, aus. Diese Entscheidung basiert auf einer gründlichen Analyse der Protokolle unter Berücksichtigung der Architektur der existierenden Software. Im nächsten Arbeitsschritt benutzen wir unser vollständiges Wissen über die Interna des Transaktionssystems von Scalaris und vereinfachen damit das Verfahren hinsichtlich Benutzbarkeit und Implementierungskomplexität, ohne die Anforderungen an den aufgenommenen Zustand aufzuweichen. Statt einer losen Anhäufung lokaler Zustände der einzelnen Teilnehmerknoten können wir am Ende eine große Schlüssel-Wert-Tabelle als Ergebnis erzeugen, die konsistent ist, sich leicht weiterverarbeiten lässt und die einem Zustand entspricht, in dem sich das System einmal befunden haben könnte. Nachdem wir das Verfahren dann in Software umgesetzt haben, werten wir die Ergebnisse hinsichtlich des Einflusses auf die Performanz des Gesamtsystems aus und diskutieren mögliche Weiterentwicklungen. KW - scalaris KW - dht KW - algorithm Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-42282 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 - Hasler, Tim A1 - Peters-Kottig, Wolfgang T1 - Vorschrift oder Thunfisch? – Zur Langzeitverfügbarkeit von Forschungsdaten N2 - „Ich mache ihm ein Angebot, das er nicht ablehnen kann.” Diese Aussage aus einem gänzlich anderen Kontext lässt sich recht treffend übertragen als Wunsch von Dienstleistern und Zweck von Dienstleistungen für Datenproduzenten im Forschungsdatenmanagement. Zwar wirkt Druck zur Datenübergabe nicht förderlich, die Eröffnung einer Option aber sehr wohl. Im vorliegenden Artikel geht es um das Verständnis der Nachhaltigkeit von Forschung und ihren Daten anhand der Erkenntnisse und Erfahrungen aus der ersten Phase des DFG-Projekts EWIG. [Fn 01] Eine Auswahl von Fallstricken beim Forschungsdatenmanagement wird anhand der Erkenntnisse aus Expertengesprächen und eigenen Erfahrungen beim Aufbau von LZA-Workflows vorgestellt. Erste Konzepte in EWIG zur Datenübertragung aus unterschiedlich strukturierten Datenquellen in die „Langfristige Domäne” werden beschrieben. N2 - "I'm gonna make him an offer he can't refuse". This quote from a completely different context can be aptly rendered as a statement of service providers as well as the purpose of services for data producers in the field of research data management. Although pressure is not the leverage of choice if you want researchers to deposit their research data in some kind of repository, offering an option does the trick quite well. In this article we present some of the concepts for sustainability of research and its data from the first phase the of the project EWIG, funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft. A selection of pitfalls in research data management is presented based on the findings from expert interviews and our own experiences in the construction of LTP workflows. First concepts in EWIG to transfer data from differently structured data sources into the "Permanent Domain" are described. T3 - ZIB-Report - 13-70 KW - Langzeitverfügbarkeit KW - Forschungsdatenmanagement Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-43010 UR - http://libreas.eu/ausgabe23/08hasler/ SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Dercksen, Vincent J. A1 - Hege, Hans-Christian A1 - Oberlaender, Marcel T1 - The Filament Editor: An Interactive Software Environment for Visualization, Proof-Editing and Analysis of 3D Neuron Morphology N2 - Neuroanatomical analysis, such as classification of cell types, depends on reliable reconstruction of large numbers of complete 3D dendrite and axon morphologies. At present, the majority of neuron reconstructions are obtained from preparations in a single tissue slice in vitro, thus suffering from cut off dendrites and, more dramatically, cut off axons. In general, axons can innervate volumes of several cubic millimeters and may reach path lengths of tens of centimeters. Thus, their complete reconstruction requires in vivo labeling, histological sectioning and imaging of large fields of view. Unfortunately, anisotropic background conditions across such large tissue volumes, as well as faintly labeled thin neurites, result in incomplete or erroneous automated tracings and even lead experts to make annotation errors during manual reconstructions. Consequently, tracing reliability renders the major bottleneck for reconstructing complete 3D neuron morphologies. Here, we present a novel set of tools, integrated into a software environment named ‘Filament Editor’, for creating reliable neuron tracings from sparsely labeled in vivo datasets. The Filament Editor allows for simultaneous visualization of complex neuronal tracings and image data in a 3D viewer, proof-editing of neuronal tracings, alignment and interconnection across sections, and morphometric analysis in relation to 3D anatomical reference structures. We illustrate the functionality of the Filament Editor on the example of in vivo labeled axons and demonstrate that for the exemplary dataset the final tracing results after proof-editing are independent of the expertise of the human operator. T3 - ZIB-Report - 13-75 Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-43157 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Wende, Florian A1 - Steinke, Thomas T1 - Swendsen-Wang Multi-Cluster Algorithm for the 2D/3D Ising Model on Xeon Phi and GPU N2 - Simulations of the critical Ising model by means of local update algorithms suffer from critical slowing down. One way to partially compensate for the influence of this phenomenon on the runtime of simulations is using increasingly faster and parallel computer hardware. Another approach is using algorithms that do not suffer from critical slowing down, such as cluster algorithms. This paper reports on the Swendsen-Wang multi-cluster algorithm on Intel Xeon Phi coprocessor 5110P, Nvidia Tesla M2090 GPU, and x86 multi-core CPU. We present shared memory versions of the said algorithm for the simulation of the two- and three-dimensional Ising model. We use a combination of local cluster search and global label reduction by means of atomic hardware primitives. Further, we describe an MPI version of the algorithm on Xeon Phi and CPU, respectively. Significant performance improvements over known im plementations of the Swendsen-Wang algorithm are demonstrated. T3 - ZIB-Report - 13-44 KW - Swendsen-Wang Multi-Cluster Algorithm KW - Ising Model KW - Xeon Phi KW - GPGPU KW - Connected Component Labeling Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-42187 SN - 1438-0064 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 - TY - GEN A1 - Nielsen, Adam A1 - Weber, Marcus T1 - Computing the nearest reversible Markov chain N2 - Reversible Markov chains are the basis of many applications. However, computing transition probabilities by a finite sampling of a Markov chain can lead to truncation errors. Even if the original Markov chain is reversible, the approximated Markov chain might be non-reversible and will lose important properties, like the real valued spectrum. In this paper, we show how to find the closest reversible Markov chain to a given transition matrix. It turns out that this matrix can be computed by solving a convex minimization problem. T3 - ZIB-Report - 14-48 KW - Reversible Markov Chain KW - Convex Optimization KW - MSM Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-53292 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Weber, Britta A1 - Tranfield, Erin M. A1 - Höög, Johanna L. A1 - Baum, Daniel A1 - Antony, Claude A1 - Hyman, Tony A1 - Verbavatz, Jean-Marc A1 - Prohaska, Steffen T1 - Automated stitching of microtubule centerlines across serial electron tomograms N2 - Tracing microtubule centerlines in serial section electron tomography requires microtubules to be stitched across sections, that is lines from different sections need to be aligned, endpoints need to be matched at section boundaries to establish a correspondence between neighboring sections, and corresponding lines need to be connected across multiple sections. We present computational methods for these tasks: 1) An initial alignment is computed using a distance compatibility graph. 2) A fine alignment is then computed with a probabilistic variant of the iterative closest points algorithm, which we extended to handle the orientation of lines by introducing a periodic random variable to the probabilistic formulation. 3) Endpoint correspondence is established by formulating a matching problem in terms of a Markov random field and computing the best matching with belief propagation. Belief propagation is not generally guaranteed to converge to a minimum. We show how convergence can be achieved, nonetheless, with minimal manual input. In addition to stitching microtubule centerlines, the correspondence is also applied to transform and merge the electron tomograms. We applied the proposed methods to samples from the mitotic spindle in C. elegans, the meiotic spindle in X. laevis, and sub-pellicular microtubule arrays in T. brucei. The methods were able to stitch microtubules across section boundaries in good agreement with experts’ opinions for the spindle samples. Results, however, were not satisfactory for the microtubule arrays. For certain experiments, such as an analysis of the spindle, the proposed methods can replace manual expert tracing and thus enable the analysis of microtubules over long distances with reasonable manual effort. T3 - ZIB-Report - 14-41 KW - electron tomography KW - microtubules KW - serial sectioning KW - image analysis KW - geometry reconstruction KW - image and geometry alignment KW - point correspondence Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-52958 SN - 1438-0064 ER -