Convex Relaxation for Low-Dimensional Representation: Phase Transitions and Limitations

There is a growing interest in taking advantage of possible patterns and structures in data so as to extract the desired information and overcome the curse of dimensionality. In a wide range of applications, including computer vision, machine learning, medical imaging, and social networks, the signal that gives rise to the observations can be modeled to be approximately sparse and exploiting this fact can be very beneficial. This has led to an immense interest in the problem of efficiently reconstructing a sparse signal from limited linear observations. More recently, low-rank approximation techniques have become prominent tools to approach problems arising in machine learning, system identification and quantum tomography.

In sparse and low-rank estimation problems, the challenge is the inherent intractability of the objective function, and one needs efficient methods to capture the low-dimensionality of these models. Convex optimization is often a promising tool to attack such problems. An intractable problem with a combinatorial objective can often be "relaxed" to obtain a tractable but almost as powerful convex optimization problem. This dissertation studies convex optimization techniques that can take advantage of low-dimensional representations of the underlying high-dimensional data. We provide provable guarantees that ensure that the proposed algorithms will succeed under reasonable conditions, and answer questions of the following flavor:

More specifically, i) Focusing on linear inverse problems, we generalize the classical error bounds known for the least-squares technique to the lasso formulation, which incorporates the signal model. ii) We show that intuitive convex approaches do not perform as well as expected when it comes to signals that have multiple low-dimensional structures simultaneously. iii) Finally, we propose convex relaxations for the graph clustering problem and give sharp performance guarantees for a family of graphs arising from the so-called stochastic block model. We pay particular attention to the following aspects. For i) and ii), we aim to provide a general geometric framework, in which the results on sparse and low-rank estimation can be obtained as special cases. For i) and iii), we investigate the precise performance characterization, which yields the right constants in our bounds and the true dependence between the problem parameters.

Yb：YAG晶体的红外闪烁特性

用脉冲电子束激发测量了不同Yb^3+掺杂浓度的Yb：YAG晶体的红外(IR)闪烁发光性能。Yb：YAG晶体的IR闪烁发光具有高的光产额和长的衰减时间，但存在浓度猝灭效应和温度依赖关系。Yb：YAG晶体的IR闪烁性能还与晶体品质有关，相同掺杂浓度的Yb：YAG晶体，品质优异的会获得更高的光产额。这一初步的研究成果表明，部分掺Yb^3+晶体有可能用于医学成像装置。

Meio quilo de gente! - produção do prazer de ver e construção da pessoa fetal mediada pela ultra-sonografia: um estudo etnográfico em clínicas de imagem na cidade do Rio de Janeiro

O foco central desta tese consiste em procurar compreender um fenômeno que se verifica na atualidade em torno das imagens ultra-sonográficas fetais. O que era a princípio e em princípio uma tecnologia de imagem médica, inventada com propósitos diagnósticos, gradualmente transformou-se em objeto de consumo e lazer. Para investigar o fenômeno, a pesquisa teórica aborda como foram construídos o olhar e o observador modernos, e de que modo as tecnologias de imageamento médico incidem na construção social do corpo. Outro aspecto teórico consiste na investigação, de um ponto de vista sócio-histórico, acerca da produção da gravidez e do feto como temas médicos, e de que modo a tecnologia de ultra-som aplicada à obstetrícia está situada na articulação de vários processos: o da construção de um novo olhar, o das reconfigurações do corpo, o da medicalização da gestação e do feto e, finalmente, o da construção do feto como Pessoa antes de seu nascimento. Estudos antropológicos produzidos no exterior, ao longo da década de 1990, apontaram que o fenômeno envolvendo as imagens fetais encontrava-se inscrito nos e delimitado pelos códigos socioculturais específicos de onde ocorriam. A inexistência de pesquisas acerca do tema, no contexto brasileiro, foi o ponto de partida para uma investigação empírica. Foi realizada uma observação antropológica de ultra-sonografias obstétricas, em abordagem etnográfica, em três clínicas privadas de imagem, ao longo de 2003, no Rio de Janeiro, visando compreender como tal fenômeno se dava, de que modo era produzido e significado pelos atores e quais os desdobramentos de tais práticas, modelados por especificidades culturais locais. O trabalho de campo evidenciou que a ultra-sonografia obstétrica caracteriza-se por ser uma tecnologia de imagem interativa, em contraste com outras técnicas de imageamento médico, uma peculiaridade que propicia a construção de diversos significados a partir das imagens fetais cinzentas e esfumaçadas. A produção do prazer de ver o feto é a pedra de toque que une o útil ao agradável, e o consumo de imagens é um ponto de articulação de diversas questões expostas ao longo da tese. Pode-se pensar nesta situação como parte de um panopticismo que devassa corpos femininos e fetais, em um mesmo processo normatizando-os e construindo novos sujeitos calcados em corporalidades virtuais.

Entre crânios analógicos e imagens digitais: alguns antecedentes históricos e culturais das tecnologias de neuro-imageamento

Nos últimos anos, temos nos deparado com a difusão maciça e a popularização crescente de descrições biológicas para aspectos outrora pensados como mentais, sociais, ou relacionais. Visível em diversas arenas leigas e científicas, esta tendência freqüentemente elege o cérebro como o órgão privilegiado da sua atenção. A cada semana é divulgada uma nova localização cerebral correlacionada os mais variados aspectos comportamentais e ou de personalidade. Acompanhando este movimento, é notável o esforço intelectual e financeiro despendido nos últimos anos no campo da saúde mental, no sentido de fazer avançar pesquisas cujo foco central é a descoberta das bases neurobiológicas dos transtornos mentais. Esta tendência apontaria na direção de uma fusão entre a psiquiatria e a neurologia em uma disciplina única, de teor fisicalista, chamada por alguns de cerebrologia. Dentre os acontecimentos que serviram de alicerce para a legitimação e a popularização desta tendência, o desenvolvimento nas últimas décadas de novas técnicas e tecnologias de visualização médica, como a tomografia por emissão de pósitrons (PET scan) e a ressonância magnética funcional (fMRI), foi fundamental. Elas permitiram a construção de imagens das mais diversas categorias nosográficas construídas no campo psiquiátrico, veiculando tacitamente uma série de pressupostos e promessas. Malgrado o imaginário cultural sustentado por estas tecnologias e todo o esforço despendido nas últimas décadas no sentido de se tentar localizar os marcadores biológicos dos transtornos psiquiátricos, não há, até o presente momento, nenhum resultado conclusivo que autorize o diagnóstico por imagem de nosografias como a esquizofrenia, a depressão, e muito menos o jogo patológico. Apesar de todo o alarde midiático e dos montantes milionários direcionados para pesquisas nesta área, os resultados concretos obtidos até agora não estão livres das mais ferozes controvérsias. Entretanto, ainda que estejamos muito longe da construção de mapas precisos para as perturbações mentais é espantoso o poder de convencimento que as neuro-imagens comportam na atualidade. Os scans são exibidos como verdades visuais, ou fatos acerca das pessoas e do mundo, numa proporção muito superior aos dados que apresentam. Alguns críticos chamam este aspecto de neurorealismo, ou de retórica da auto-evidência. A intenção deste trabalho é problematizar o poder persuasivo que as neuro-imagens detém na contemporaneidade, especialmente quando utilizadas com a finalidade diagnóstica no campo da saúde mental. Se estas imagens transmitem uma ideia de neutralidade, transparência imediata e auto-evidência, este trabalho almeja inseri-las num contexto sócio-histórico, a partir do qual puderam adquirir sentido, familiaridade e valor de verdade. O ponto de partida é o de que elas estão localizadas no cruzamento de dois movimentos históricos distintos: o das ilustrações médicas, em sua relação com a produção de conhecimento objetivo; e o das pesquisas acerca da localização no córtex cerebral de comportamentos complexos e traços de personalidade. Além de estabelecer algumas condições históricas de possibilidade para a emergência de um neo-localizacionismo cerebral, mediado pelas novas tecnologias de imageamento, pretende-se enfatizar algumas descontinuidades com projetos anteriores e marcar a influência do contexto cultural da atualidade para o sucesso e poder persuasivo deste tipo de tecnologia.

Wavelength-tuneable liquid crystal lasers from the visible to the near-infrared

The study of band-edge lasing from dye-doped chiral nematic liquid crystals has thus far been largely restricted to visible wavelengths. In this paper, a wide range of commercially available laser dyes are examined for their suitability as infrared emitters within a chiral nematic host. Problems such as poor solubility and reduced quantum efficiencies are overcome, and successful band-edge lasing is demonstrated within the range of 735-850 nm, using the dyes LD800, HITC-P and DOTC-P. This paper also reports on progress towards widely tuneable liquid crystal lasers, capable of emission in the region 460- 850 nm. Key to this is the use of common pump source, capable of simultaneously exciting all of the dyes (both infrared and visible) that are present within the system. Towards this aim, we successfully demonstrate near-infrared lasing (800 nm) facilitated by Förster energy transfer between the visible dye DCM, and the infra-red dye LD800, enabling pump wavelengths anywhere between 420 and 532 nm to be used. These results demonstrate that small and low-cost tuneable visible to near-infrared laser sources are achievable, using a single common pump source. Such devices are envisaged to have wide-ranging applications including medical imaging (including optical coherence tomography), point-of-care optical medical diagnostics (such as flow cytometry), telecommunications, and optical signatures for security coatings. © 2011 Copyright Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE).

Increasing top-down suppression from prefrontal cortex facilitates tactile working memory

Navigated transcranial magnetic stimulation (TMS) combined with diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) and tractography allows investigating functional anatomy of the human brain with high precision. Here we demonstrate that working memory (WM) processing of tactile temporal information is facilitated by delivering a single TMS pulse to the middle frontal gyrus (MFG) during memory maintenance. Facilitation was obtained only with a TMS pulse applied to a location of the MFG with anatomical connectivity to the primary somatosensory cortex (S1). TMS improved tactile WM also when distractive tactile stimuli interfered with memory maintenance. Moreover, TMS to the same MFG site attenuated somatosensory evoked responses (SEPs). The results suggest that the TMS-induced memory improvement is explained by increased top-down suppression of interfering sensory processing in S1 via the MFG-S1 link. These results demonstrate an anatomical and functional network that is involved in maintenance of tactile temporal WM. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

High-speed switchable lens enables the development of a volumetric stereoscopic display

Stereoscopic displays present different images to the two eyes and thereby create a compelling three-dimensional (3D) sensation. They are being developed for numerous applications including cinema, television, virtual prototyping, and medical imaging. However, stereoscopic displays cause perceptual distortions, performance decrements, and visual fatigue. These problems occur because some of the presented depth cues (i.e., perspective and binocular disparity) specify the intended 3D scene while focus cues (blur and accommodation) specify the fixed distance of the display itself. We have developed a stereoscopic display that circumvents these problems. It consists of a fast switchable lens synchronized to the display such that focus cues are nearly correct. The system has great potential for both basic vision research and display applications. © 2009 Optical Society of America.

High-speed switchable lens enables the development of a volumetric stereoscopic display

Stereoscopic displays present different images to the two eyes and thereby create a compelling three-dimensional (3D) sensation. They are being developed for numerous applications including cinema, television, virtual prototyping, and medical imaging. However, stereoscopic displays cause perceptual distortions, performance decrements, and visual fatigue. These problems occur because some of the presented depth cues (i.e., perspective and binocular disparity) specify the intended 3D scene while focus cues (blur and accommodation) specify the fixed distance of the display itself. We have developed a stereoscopic display that circumvents these problems. It consists of a fast switchable lens synchronized to the display such that focus cues are nearly correct. The system has great potential for both basic vision research and display applications.