Automatic Structure Generation using Genetic Programming and Fractal Geometry

Three dimensional model design is a well-known and studied field, with numerous real-world applications. However, the manual construction of these models can often be time-consuming to the average user, despite the advantages o ffered through computational advances. This thesis presents an approach to the design of 3D structures using evolutionary computation and L-systems, which involves the automated production of such designs using a strict set of fitness functions. These functions focus on the geometric properties of the models produced, as well as their quantifiable aesthetic value - a topic which has not been widely investigated with respect to 3D models. New extensions to existing aesthetic measures are discussed and implemented in the presented system in order to produce designs which are visually pleasing. The system itself facilitates the construction of models requiring minimal user initialization and no user-based feedback throughout the evolutionary cycle. The genetic programming evolved models are shown to satisfy multiple criteria, conveying a relationship between their assigned aesthetic value and their perceived aesthetic value. Exploration into the applicability and e ffectiveness of a multi-objective approach to the problem is also presented, with a focus on both performance and visual results. Although subjective, these results o er insight into future applications and study in the fi eld of computational aesthetics and automated structure design.

Real-Time Automatic Object Classification and Tracking using Genetic Programming and NVIDIA R CUDA TM

Genetic Programming (GP) is a widely used methodology for solving various computational problems. GP's problem solving ability is usually hindered by its long execution times. In this thesis, GP is applied toward real-time computer vision. In particular, object classification and tracking using a parallel GP system is discussed. First, a study of suitable GP languages for object classification is presented. Two main GP approaches for visual pattern classification, namely the block-classifiers and the pixel-classifiers, were studied. Results showed that the pixel-classifiers generally performed better. Using these results, a suitable language was selected for the real-time implementation. Synthetic video data was used in the experiments. The goal of the experiments was to evolve a unique classifier for each texture pattern that existed in the video. The experiments revealed that the system was capable of correctly tracking the textures in the video. The performance of the system was on-par with real-time requirements.

Models, algorithms, and heuristics for multiobjetive commercial territory design.

Tesis (Doctor en Ingeniería de Sistemas) UANL, 2010.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

Dynamic Facility Location with Modular Capacities : Models, Algorithms and Applications in Forestry

Les décisions de localisation sont souvent soumises à des aspects dynamiques comme des changements dans la demande des clients. Pour y répondre, la solution consiste à considérer une flexibilité accrue concernant l’emplacement et la capacité des installations. Même lorsque la demande est prévisible, trouver le planning optimal pour le déploiement et l'ajustement dynamique des capacités reste un défi. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur des problèmes de localisation avec périodes multiples, et permettant l'ajustement dynamique des capacités, en particulier ceux avec des structures de coûts complexes. Nous étudions ces problèmes sous différents points de vue de recherche opérationnelle, en présentant et en comparant plusieurs modèles de programmation linéaire en nombres entiers (PLNE), l'évaluation de leur utilisation dans la pratique et en développant des algorithmes de résolution efficaces. Cette thèse est divisée en quatre parties. Tout d’abord, nous présentons le contexte industriel à l’origine de nos travaux: une compagnie forestière qui a besoin de localiser des campements pour accueillir les travailleurs forestiers. Nous présentons un modèle PLNE permettant la construction de nouveaux campements, l’extension, le déplacement et la fermeture temporaire partielle des campements existants. Ce modèle utilise des contraintes de capacité particulières, ainsi qu’une structure de coût à économie d’échelle sur plusieurs niveaux. L'utilité du modèle est évaluée par deux études de cas. La deuxième partie introduit le problème dynamique de localisation avec des capacités modulaires généralisées. Le modèle généralise plusieurs problèmes dynamiques de localisation et fournit de meilleures bornes de la relaxation linéaire que leurs formulations spécialisées. Le modèle peut résoudre des problèmes de localisation où les coûts pour les changements de capacité sont définis pour toutes les paires de niveaux de capacité, comme c'est le cas dans le problème industriel mentionnée ci-dessus. Il est appliqué à trois cas particuliers: l'expansion et la réduction des capacités, la fermeture temporaire des installations, et la combinaison des deux. Nous démontrons des relations de dominance entre notre formulation et les modèles existants pour les cas particuliers. Des expériences de calcul sur un grand nombre d’instances générées aléatoirement jusqu’à 100 installations et 1000 clients, montrent que notre modèle peut obtenir des solutions optimales plus rapidement que les formulations spécialisées existantes. Compte tenu de la complexité des modèles précédents pour les grandes instances, la troisième partie de la thèse propose des heuristiques lagrangiennes. Basées sur les méthodes du sous-gradient et des faisceaux, elles trouvent des solutions de bonne qualité même pour les instances de grande taille comportant jusqu’à 250 installations et 1000 clients. Nous améliorons ensuite la qualité de la solution obtenue en résolvent un modèle PLNE restreint qui tire parti des informations recueillies lors de la résolution du dual lagrangien. Les résultats des calculs montrent que les heuristiques donnent rapidement des solutions de bonne qualité, même pour les instances où les solveurs génériques ne trouvent pas de solutions réalisables. Finalement, nous adaptons les heuristiques précédentes pour résoudre le problème industriel. Deux relaxations différentes sont proposées et comparées. Des extensions des concepts précédents sont présentées afin d'assurer une résolution fiable en un temps raisonnable.

Production, purification, genetic characterization and application studies of tannase enzyme from marine fungus Aspergillus awamori

Marine fungi remain totally unexplored as a source of industrial enzyme and prospective applications. Further tannase production by a marine organism has so far not been established. The primary objective of this study included the evaluation of the potential of Aspergillus awamori isolated from sea water as part of an earlier study and available in the culture collection of the Microbial technology laboratory for tannase production through different fermentation methods, optimization of bioprocess variables by statistical methods, purification and characterization of the enzyme, genetic study, and assessment of its potential applications.

On the Tailoring of Magnetic Properties of Fe-Based Alloy Thin Films by Swift Heavy Ion Irradiation and Thermal Annealing

The development of new materials has been the hall mark of human civilization. The quest for making new devices and new materials has prompted humanity to pursue new methods and techniques that eventually has given birth to modern science and technology. With the advent of nanoscience and nanotechnology, scientists are trying hard to tailor materials by varying their size and shape rather than playing with the composition of the material. This, along with the discovery of new and sophisticated imaging tools, has led to the discovery of several new classes of materials like (3D) Graphite, (2D) graphene, (1D) carbon nanotubes, (0D) fullerenes etc. Magnetic materials are in the forefront of applications and have beencontributing their share to remove obsolescence and bring in new devices based on magnetism and magnetic materials. They find applications in various devices such as electromagnets, read heads, sensors, antennas, lubricants etc. Ferromagnetic as well as ferrimagnetic materials have been in use in the form of various devices. Among the ferromagnetic materials iron, cobalt and nickel occupy an important position while various ferrites finds applications in devices ranging from magnetic cores to sensors.

"Genetic Diversity and Selection in Three Plasmodium vivax Merozoite Surface Protein 7 (Pvmsp-7) Genes in a Colombian Population"

A completely effective vaccine for malaria (one of the major infectious diseases worldwide) is not yet available; different membrane proteins involved in parasite-host interactions have been proposed as candidates for designing it. It has been found that proteins encoded by the merozoite surface protein (msp)-7 multigene family are antibody targets in natural infection; the nucleotide diversity of three Pvmsp-7 genes was thus analyzed in a Colombian parasite population. By contrast with P. falciparum msp-7 loci and ancestral P. vivax msp-7 genes, specie-specific duplicates of the latter specie display high genetic variability, generated by single nucleotide polymorphisms, repeat regions, and recombination. At least three major allele types are present in Pvmsp-7C, Pvmsp-7H and Pvmsp-7I and positive selection seems to be operating on the central region of these msp-7 genes. Although this region has high genetic polymorphism, the C-terminus (Pfam domain ID: PF12948) is conserved and could be an important candidate when designing a subunit-based antimalarial vaccine.

Low genetic diversity and functional constraint in loci encoding Plasmodium vivax P12 and P38 proteins in the Colombian population

Background Plasmodium vivax is one of the five species causing malaria in human beings, affecting around 391 million people annually. The development of an anti-malarial vaccine has been proposed as an alternative for controlling this disease. However, its development has been hampered by allele-specific responses produced by the high genetic diversity shown by some parasite antigens. Evaluating these antigens’ genetic diversity is thus essential when designing a completely effective vaccine. Methods The gene sequences of Plasmodium vivax p12 (pv12) and p38 (pv38), obtained from field isolates in Colombia, were used for evaluating haplotype polymorphism and distribution by population genetics analysis. The evolutionary forces generating the variation pattern so observed were also determined. Results Both pv12 and pv38 were shown to have low genetic diversity. The neutral model for pv12 could not be discarded, whilst polymorphism in pv38 was maintained by balanced selection restricted to the gene’s 5′ region. Both encoded proteins seemed to have functional/structural constraints due to the presence of s48/45 domains, which were seen to be highly conserved.

Genetic diversity and selection in three plasmodium vivax merozoite surface protein 7 (pvmsp-7) genes in a colombian population

A completely effective vaccine for malaria (one of the major infectious diseases worldwide) is not yet available; different membrane proteins involved in parasite-host interactions have been proposed as candidates for designing it. It has been found that proteins encoded by the merozoite surface protein (msp)-7 multigene family are antibody targets in natural infection; the nucleotide diversity of three Pvmsp-7 genes was thus analyzed in a Colombian parasite population. By contrast with P. falciparum msp-7 loci and ancestral P. vivax msp-7 genes, specie-specific duplicates of the latter specie display high genetic variability, generated by single nucleotide polymorphisms, repeat regions, and recombination. At least three major allele types are present in Pvmsp-7C, Pvmsp-7H and Pvmsp-7I and positive selection seems to be operating on the central region of these msp-7 genes. Although this region has high genetic polymorphism, the C-terminus (Pfam domain ID: PF12948) is conserved and could be an important candidate when designing a subunit-based antimalarial vaccine.

How robust are observed and simulated precipitation responses to tropical ocean warming?

Robust responses and links between the tropical energy and water cycles are investigated using multiple datasets and climate models over the period 1979-2006. Atmospheric moisture and net radiative cooling provide powerful constraints upon future changes in precipitation. While moisture amount is robustly linked with surface temperature, the response of atmospheric net radiative cooling, derived from satellite data, is less coherent. Precipitation trends and relationships with surface temperature are highly sensitive to the data product and the time-period considered. Data from the Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) produces the strongest trends in precipitation and response to warming of all the datasets considered. The tendency for moist regions to become wetter while dry regions become drier in response to warming is captured by both observations and models. Citation: John, V. O., R. P. Allan, and B. J. Soden (2009), How robust are observed and simulated precipitation responses to tropical ocean warming?