Bayesian networks for evaluating forensic DNA profiling evidence: a review and guide to literature

Almost 30 years ago, Bayesian networks (BNs) were developed in the field of artificial intelligence as a framework that should assist researchers and practitioners in applying the theory of probability to inference problems of more substantive size and, thus, to more realistic and practical problems. Since the late 1980s, Bayesian networks have also attracted researchers in forensic science and this tendency has considerably intensified throughout the last decade. This review article provides an overview of the scientific literature that describes research on Bayesian networks as a tool that can be used to study, develop and implement probabilistic procedures for evaluating the probative value of particular items of scientific evidence in forensic science. Primary attention is drawn here to evaluative issues that pertain to forensic DNA profiling evidence because this is one of the main categories of evidence whose assessment has been studied through Bayesian networks. The scope of topics is large and includes almost any aspect that relates to forensic DNA profiling. Typical examples are inference of source (or, 'criminal identification'), relatedness testing, database searching and special trace evidence evaluation (such as mixed DNA stains or stains with low quantities of DNA). The perspective of the review presented here is not exclusively restricted to DNA evidence, but also includes relevant references and discussion on both, the concept of Bayesian networks as well as its general usage in legal sciences as one among several different graphical approaches to evidence evaluation.

Line search multilevel optimization as computational methods for dense optical flow

We evaluate the performance of different optimization techniques developed in the context of optical flow computation with different variational models. In particular, based on truncated Newton methods (TN) that have been an effective approach for large-scale unconstrained optimization, we de- velop the use of efficient multilevel schemes for computing the optical flow. More precisely, we evaluate the performance of a standard unidirectional mul- tilevel algorithm - called multiresolution optimization (MR/OPT), to a bidrec- tional multilevel algorithm - called full multigrid optimization (FMG/OPT). The FMG/OPT algorithm treats the coarse grid correction as an optimiza- tion search direction and eventually scales it using a line search. Experimental results on different image sequences using four models of optical flow com- putation show that the FMG/OPT algorithm outperforms both the TN and MR/OPT algorithms in terms of the computational work and the quality of the optical flow estimation.

quantiNemo: an individual-based program to simulate quantitative traits with explicit genetic architecture in a dynamic metapopulation.

quantiNemo is an individual-based, genetically explicit stochastic simulation program. It was developed to investigate the effects of selection, mutation, recombination and drift on quantitative traits with varying architectures in structured populations connected by migration and located in a heterogeneous habitat. quantiNemo is highly flexible at various levels: population, selection, trait(s) architecture, genetic map for QTL and/or markers, environment, demography, mating system, etc. quantiNemo is coded in C++ using an object-oriented approach and runs on any computer platform. Availability: Executables for several platforms, user's manual, and source code are freely available under the GNU General Public License at http://www2.unil.ch/popgen/softwares/quantinemo.

Trust region versus line search for computing the optical flow

We consider the numerical treatment of the optical flow problem by evaluating the performance of the trust region method versus the line search method. To the best of our knowledge, the trust region method is studied here for the first time for variational optical flow computation. Four different optical flow models are used to test the performance of the proposed algorithm combining linear and nonlinear data terms with quadratic and TV regularization. We show that trust region often performs better than line search; especially in the presence of non-linearity and non-convexity in the model.

Bayesian Networks and the Value of the Evidence for the Forensic Two-Trace Transfer Problem

Forensic scientists face increasingly complex inference problems for evaluating likelihood ratios (LRs) for an appropriate pair of propositions. Up to now, scientists and statisticians have derived LR formulae using an algebraic approach. However, this approach reaches its limits when addressing cases with an increasing number of variables and dependence relationships between these variables. In this study, we suggest using a graphical approach, based on the construction of Bayesian networks (BNs). We first construct a BN that captures the problem, and then deduce the expression for calculating the LR from this model to compare it with existing LR formulae. We illustrate this idea by applying it to the evaluation of an activity level LR in the context of the two-trace transfer problem. Our approach allows us to relax assumptions made in previous LR developments, produce a new LR formula for the two-trace transfer problem and generalize this scenario to n traces.

Seguiment de les extremitats dels ratolins i les vibrisses del musell

El present TFM té per objectiu aplicar tècniques d'intel·ligència artificial per realitzar el seguiment de les extremitats dels ratolins i les vibrisses del seu musell. Aquest objectiu es deriva de la necessitat per part dels realitzadors d'experiments optogenètics de registrar els moviments dels ratolins.

Formalizing defeasible argumentation using a labeled deductive system

In the last years there has been an increasing demand of a variety of logical systems, prompted mostly by applications of logic in AI, logic programming and other related areas. Labeled Deductive Systems (LDS) were developed as a flexible methodology to formalize such a kind of complex logical systems. In the last decade, defeasible argumentation has proven to be a confluence point for many approaches to formalizing commonsense reasoning. Different formalisms have been developed, many of them sharing common features. This paper presents a formalization of an LDS for defensible argumentation, in which the main issues concerning defeasible argumentation are captured within a unified logical framework. The proposed framework is defined in two stages. First, defeasible inference will be formalized by characterizing an argumentative LDS. That system will be then extended in order to capture conflict among arguments using a dialectical approach. We also present some logical properties emerging from the proposed framework, discussing also its semantical characterization.

Sovellus meteorologisen tiedon tuotantojärjestelmän seurantaan

Työssä käsitellään selainkäyttöliittymää käyttävien oliopohjaisten tietokantasovellusten toteuttamista. Erityisesti keskitytään olio- ja relaatiomallien yhteensovittamiseen ja oliopohjaisten selainkäyttöliittymien toteutukseen Java-servlettien ja JSP-sivujen avulla. Myös hajautetut sovellusarkkitehtuurit käydään läpi ja niiden toteuttamista arvioidaan servlet-sovellusten näkökulmasta. Työssä on toteutettu selainkäyttöliittymän avulla hallittava kaksitasoarkkitehtuuria käyttävä oliopohjainen sovellus Ilmatieteen laitoksen tuotantojärjestelmän seurantaan. Sovellus mahdollistaa mm. tuotantoajojen ja laajempien tuotantoketjujen suoritusaikojen tilastollisen seurannan. Työn tuloksena todettiin Java-servlettien ja JSP-sivujen olevan suorituskykyinen ja monipuolinen ratkaisu selainkäyttöliittymien toteuttamiseen. Olio- ja relaatiomallien väliset erot sekä käyttöliittymän eriyttäminen toimintalogiikasta osoittautuivat ongelmakohdiksi.

Verkkokäyttöliittymäohjelmiston toteuttaminen TradeXpress-tietojärjestelmään.

Työssä perehdytään verkkokäyttöliittymien suunnitteluun ja toteutukseen. Erityisen huomion kohteena ovat Java-ohjelmointikieli ja ohjelmistosuunnittelussa suurta huomiota herättäneet suunnittelumallit. Java on kehittynyt lyhyen elinikänsä aikana huomattavasti, ja viimeaikaiset vakioluokkakirjastot ovat mahdollistaneet monipuolisten ja siirrettävien ohjelmistojen toteuttamisen. Vaikka Java ei sovellukaan kaikkiin tarkoituksiin, on se luotettavuutensa, siirrettävyytensä ja luokkakirjastojensa ilmaisuvoiman ansiosta hyvin houkutteleva kieli käyttöliittymien tekemiseen. Suunnittelumallit ovat merkittävä osa ammattimaista oliosuunnittelua. Ne tarjoavat valmiita ratkaisuja yleisiin suunnitteluongelmiin ja säästävät siten aikaa suunnittelu- ja toteutusvaiheissa. Suunnittelumallit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: luontimallit, rakennemallit ja toiminnalliset mallit. Käytännön osuudessa tarkastellaan Java-käyttöliittymän toteutusta olemassa olevaan Soneran TradeXpress-tietojärjestelmään. Tässä tehtävässä Java ja suunnittelumallit ovat olleet keskeisellä sijalla. Java-käyttöliittymä, JavaGUI, koostuu kahdesta osasta: asiakasappletista ja Jrls-palvelimesta. Näiden kahden väliseen tiedonsiirtoon käytetään pääasiassa Javan RMI-yhteyskäytäntöä. Jrls-palvelin toimii asiakkaana RLS-palvelimelle erityisen RLS-yhteyskäytännön avulla.

Trust region versus line search for computing the optical flow

We consider the numerical treatment of the optical flow problem by evaluating the performance of the trust region method versus the line search method. To the best of our knowledge, the trust region method is studied here for the first time for variational optical flow computation. Four different optical flow models are used to test the performance of the proposed algorithm combining linear and nonlinear data terms with quadratic and TV regularization. We show that trust region often performs better than line search; especially in the presence of non-linearity and non-convexity in the model.

Oliopohjainen konenäkösovelluskehys

Monet teollisuuden konenäkö- ja hahmontunnistusongelmat ovat hyvin samantapaisia, jolloin prototyyppisovelluksia suunniteltaessa voitaisiin hyödyntää pitkälti samoja komponentteja. Oliopohjaiset sovelluskehykset tarjoavat erinomaisen tavan nopeuttaa ohjelmistokehitystä uudelleenkäytettävyyttä parantamalla. Näin voidaan sekä mahdollistaa konenäkösovellusten laajempi käyttö että säästää kustannuksissa. Tässä työssä esitellään konenäkösovelluskehys, joka on perusarkkitehtuuriltaan liukuhihnamainen. Ylätason rakenne koostuu sensorista, datankäsittelyoperaatioista, piirreirrottimesta sekä luokittimesta. Itse sovelluskehyksen lisäksi on toteutettu joukko kuvankäsittely- ja hahmontunnistusoperaatioita. Sovelluskehys nopeuttaa selvästi ohjelmointityötä ja helpottaa uusien kuvankäsittelyoperaatioiden lisää mistä.

Kahden merkkijonon pisimmän yhteisen alijonon ongelma ja sen ratkaiseminen

Tämä tutkielma kuuluu merkkijonoalgoritmiikan piiriin. Merkkijono S on merkkijonojen X[1..m] ja Y[1..n] yhteinen alijono, mikäli se voidaan muodostaa poistamalla X:stä 0..m ja Y:stä 0..n kappaletta merkkejä mielivaltaisista paikoista. Jos yksikään X:n ja Y:n yhteinen alijono ei ole S:ää pidempi, sanotaan, että S on X:n ja Y:n pisin yhteinen alijono (lyh. PYA). Tässä työssä keskitytään kahden merkkijonon PYAn ratkaisemiseen, mutta ongelma on yleistettävissä myös useammalle jonolle. PYA-ongelmalle on sovelluskohteita – paitsi tietojenkäsittelytieteen niin myös bioinformatiikan osa-alueilla. Tunnetuimpia niistä ovat tekstin ja kuvien tiivistäminen, tiedostojen versionhallinta, hahmontunnistus sekä DNA- ja proteiiniketjujen rakennetta vertaileva tutkimus. Ongelman ratkaisemisen tekee hankalaksi ratkaisualgoritmien riippuvuus syötejonojen useista eri parametreista. Näitä ovat syötejonojen pituuden lisäksi mm. syöttöaakkoston koko, syötteiden merkkijakauma, PYAn suhteellinen osuus lyhyemmän syötejonon pituudesta ja täsmäävien merkkiparien lukumäärä. Täten on vaikeaa kehittää algoritmia, joka toimisi tehokkaasti kaikille ongelman esiintymille. Tutkielman on määrä toimia yhtäältä käsikirjana, jossa esitellään ongelman peruskäsitteiden kuvauksen jälkeen jo aikaisemmin kehitettyjä tarkkoja PYAalgoritmeja. Niiden tarkastelu on ryhmitelty algoritmin toimintamallin mukaan joko rivi, korkeuskäyrä tai diagonaali kerrallaan sekä monisuuntaisesti prosessoiviin. Tarkkojen menetelmien lisäksi esitellään PYAn pituuden ylä- tai alarajan laskevia heuristisia menetelmiä, joiden laskemia tuloksia voidaan hyödyntää joko sellaisinaan tai ohjaamaan tarkan algoritmin suoritusta. Tämä osuus perustuu tutkimusryhmämme julkaisemiin artikkeleihin. Niissä käsitellään ensimmäistä kertaa heuristiikoilla tehostettuja tarkkoja menetelmiä. Toisaalta työ sisältää laajahkon empiirisen tutkimusosuuden, jonka tavoitteena on ollut tehostaa olemassa olevien tarkkojen algoritmien ajoaikaa ja muistinkäyttöä. Kyseiseen tavoitteeseen on pyritty ohjelmointiteknisesti esittelemällä algoritmien toimintamallia hyvin tukevia tietorakenteita ja rajoittamalla algoritmien suorittamaa tuloksetonta laskentaa parantamalla niiden kykyä havainnoida suorituksen aikana saavutettuja välituloksia ja hyödyntää niitä. Tutkielman johtopäätöksinä voidaan yleisesti todeta tarkkojen PYA-algoritmien heuristisen esiprosessoinnin lähes systemaattisesti pienentävän niiden suoritusaikaa ja erityisesti muistintarvetta. Lisäksi algoritmin käyttämällä tietorakenteella on ratkaiseva vaikutus laskennan tehokkuuteen: mitä paikallisempia haku- ja päivitysoperaatiot ovat, sitä tehokkaampaa algoritmin suorittama laskenta on.

Consistency of UML based designs using ontology reasoners

Software plays an important role in our society and economy. Software development is an intricate process, and it comprises many different tasks: gathering requirements, designing new solutions that fulfill these requirements, as well as implementing these designs using a programming language into a working system. As a consequence, the development of high quality software is a core problem in software engineering. This thesis focuses on the validation of software designs. The issue of the analysis of designs is of great importance, since errors originating from designs may appear in the final system. It is considered economical to rectify the problems as early in the software development process as possible. Practitioners often create and visualize designs using modeling languages, one of the more popular being the Uni ed Modeling Language (UML). The analysis of the designs can be done manually, but in case of large systems, the need of mechanisms that automatically analyze these designs arises. In this thesis, we propose an automatic approach to analyze UML based designs using logic reasoners. This approach firstly proposes the translations of the UML based designs into a language understandable by reasoners in the form of logic facts, and secondly shows how to use the logic reasoners to infer the logical consequences of these logic facts. We have implemented the proposed translations in the form of a tool that can be used with any standard compliant UML modeling tool. Moreover, we authenticate the proposed approach by automatically validating hundreds of UML based designs that consist of thousands of model elements available in an online model repository. The proposed approach is limited in scope, but is fully automatic and does not require any expertise of logic languages from the user. We exemplify the proposed approach with two applications, which include the validation of domain specific languages and the validation of web service interfaces.

Scalable algorithms for height field illumination

Global illumination algorithms are at the center of realistic image synthesis and account for non-trivial light transport and occlusion within scenes, such as indirect illumination, ambient occlusion, and environment lighting. Their computationally most difficult part is determining light source visibility at each visible scene point. Height fields, on the other hand, constitute an important special case of geometry and are mainly used to describe certain types of objects such as terrains and to map detailed geometry onto object surfaces. The geometry of an entire scene can also be approximated by treating the distance values of its camera projection as a screen-space height field. In order to shadow height fields from environment lights a horizon map is usually used to occlude incident light. We reduce the per-receiver time complexity of generating the horizon map on N N height fields from O(N) of the previous work to O(1) by using an algorithm that incrementally traverses the height field and reuses the information already gathered along the path of traversal. We also propose an accurate method to integrate the incident light within the limits given by the horizon map. Indirect illumination in height fields requires information about which other points are visible to each height field point. We present an algorithm to determine this intervisibility in a time complexity that matches the space complexity of the produced visibility information, which is in contrast to previous methods which scale in the height field size. As a result the amount of computation is reduced by two orders of magnitude in common use cases. Screen-space ambient obscurance methods approximate ambient obscurance from the depth bu er geometry and have been widely adopted by contemporary real-time applications. They work by sampling the screen-space geometry around each receiver point but have been previously limited to near- field effects because sampling a large radius quickly exceeds the render time budget. We present an algorithm that reduces the quadratic per-pixel complexity of previous methods to a linear complexity by line sweeping over the depth bu er and maintaining an internal representation of the processed geometry from which occluders can be efficiently queried. Another algorithm is presented to determine ambient obscurance from the entire depth bu er at each screen pixel. The algorithm scans the depth bu er in a quick pre-pass and locates important features in it, which are then used to evaluate the ambient obscurance integral accurately. We also propose an evaluation of the integral such that results within a few percent of the ray traced screen-space reference are obtained at real-time render times.

Harjoitustyön kehittäminen ohjelmoinnin perusteet kurssille

Työn tarkoituksena on luoda uusi harjoitustyö Ohjelmoinnin perusteet –kurssille. Harjoitustyön tavoitteena oli olla nykyistä työtä mielekkäämpi, sekä sidottu käytäntöön. Näiden avulla tavoiteltiin kurssin harjoitustyön suorittavien opiskelijoiden osuuden kasvattamista. Lopputuloksena on kolmeosainen harjoitustyö, jossa opiskelija suorittaa kuvamanipulointia sekä hyödyntää avoimia rajapintoja. Tulevaisuuteen jää haasteeksi harjoitustyön tarkastaminen ja siihen liittyvät ongelmat, sekä työn jatkokehitys.