901 resultados para Algorithmic information theory


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We introduce a novel graph class we call universal hierarchical graphs (UHG) whose topology can be found numerously in problems representing, e.g., temporal, spacial or general process structures of systems. For this graph class we show, that we can naturally assign two probability distributions, for nodes and for edges, which lead us directly to the definition of the entropy and joint entropy and, hence, mutual information establishing an information theory for this graph class. Furthermore, we provide some results under which conditions these constraint probability distributions maximize the corresponding entropy. Also, we demonstrate that these entropic measures can be computed efficiently which is a prerequisite for every large scale practical application and show some numerical examples. (c) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

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Cascade control is one of the routinely used control strategies in industrial processes because it can dramatically improve the performance of single-loop control, reducing both the maximum deviation and the integral error of the disturbance response. Currently, many control performance assessment methods of cascade control loops are developed based on the assumption that all the disturbances are subject to Gaussian distribution. However, in the practical condition, several disturbance sources occur in the manipulated variable or the upstream exhibits nonlinear behaviors. In this paper, a general and effective index of the performance assessment of the cascade control system subjected to the unknown disturbance distribution is proposed. Like the minimum variance control (MVC) design, the output variances of the primary and the secondary loops are decomposed into a cascade-invariant and a cascade-dependent term, but the estimated ARMA model for the cascade control loop based on the minimum entropy, instead of the minimum mean squares error, is developed for non-Gaussian disturbances. Unlike the MVC index, an innovative control performance index is given based on the information theory and the minimum entropy criterion. The index is informative and in agreement with the expected control knowledge. To elucidate wide applicability and effectiveness of the minimum entropy cascade control index, a simulation problem and a cascade control case of an oil refinery are applied. The comparison with MVC based cascade control is also included.

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As técnicas estatísticas são fundamentais em ciência e a análise de regressão linear é, quiçá, uma das metodologias mais usadas. É bem conhecido da literatura que, sob determinadas condições, a regressão linear é uma ferramenta estatística poderosíssima. Infelizmente, na prática, algumas dessas condições raramente são satisfeitas e os modelos de regressão tornam-se mal-postos, inviabilizando, assim, a aplicação dos tradicionais métodos de estimação. Este trabalho apresenta algumas contribuições para a teoria de máxima entropia na estimação de modelos mal-postos, em particular na estimação de modelos de regressão linear com pequenas amostras, afetados por colinearidade e outliers. A investigação é desenvolvida em três vertentes, nomeadamente na estimação de eficiência técnica com fronteiras de produção condicionadas a estados contingentes, na estimação do parâmetro ridge em regressão ridge e, por último, em novos desenvolvimentos na estimação com máxima entropia. Na estimação de eficiência técnica com fronteiras de produção condicionadas a estados contingentes, o trabalho desenvolvido evidencia um melhor desempenho dos estimadores de máxima entropia em relação ao estimador de máxima verosimilhança. Este bom desempenho é notório em modelos com poucas observações por estado e em modelos com um grande número de estados, os quais são comummente afetados por colinearidade. Espera-se que a utilização de estimadores de máxima entropia contribua para o tão desejado aumento de trabalho empírico com estas fronteiras de produção. Em regressão ridge o maior desafio é a estimação do parâmetro ridge. Embora existam inúmeros procedimentos disponíveis na literatura, a verdade é que não existe nenhum que supere todos os outros. Neste trabalho é proposto um novo estimador do parâmetro ridge, que combina a análise do traço ridge e a estimação com máxima entropia. Os resultados obtidos nos estudos de simulação sugerem que este novo estimador é um dos melhores procedimentos existentes na literatura para a estimação do parâmetro ridge. O estimador de máxima entropia de Leuven é baseado no método dos mínimos quadrados, na entropia de Shannon e em conceitos da eletrodinâmica quântica. Este estimador suplanta a principal crítica apontada ao estimador de máxima entropia generalizada, uma vez que prescinde dos suportes para os parâmetros e erros do modelo de regressão. Neste trabalho são apresentadas novas contribuições para a teoria de máxima entropia na estimação de modelos mal-postos, tendo por base o estimador de máxima entropia de Leuven, a teoria da informação e a regressão robusta. Os estimadores desenvolvidos revelam um bom desempenho em modelos de regressão linear com pequenas amostras, afetados por colinearidade e outliers. Por último, são apresentados alguns códigos computacionais para estimação com máxima entropia, contribuindo, deste modo, para um aumento dos escassos recursos computacionais atualmente disponíveis.

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Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

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Shape complexity has recently received attention from different fields, such as computer vision and psychology. In this paper, integral geometry and information theory tools are applied to quantify the shape complexity from two different perspectives: from the inside of the object, we evaluate its degree of structure or correlation between its surfaces (inner complexity), and from the outside, we compute its degree of interaction with the circumscribing sphere (outer complexity). Our shape complexity measures are based on the following two facts: uniformly distributed global lines crossing an object define a continuous information channel and the continuous mutual information of this channel is independent of the object discretisation and invariant to translations, rotations, and changes of scale. The measures introduced in this paper can be potentially used as shape descriptors for object recognition, image retrieval, object localisation, tumour analysis, and protein docking, among others

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El processament d'imatges mèdiques és una important àrea de recerca. El desenvolupament de noves tècniques que assisteixin i millorin la interpretació visual de les imatges de manera ràpida i precisa és fonamental en entorns clínics reals. La majoria de contribucions d'aquesta tesi són basades en Teoria de la Informació. Aquesta teoria tracta de la transmissió, l'emmagatzemament i el processament d'informació i és usada en camps tals com física, informàtica, matemàtica, estadística, biologia, gràfics per computador, etc. En aquesta tesi, es presenten nombroses eines basades en la Teoria de la Informació que milloren els mètodes existents en l'àrea del processament d'imatges, en particular en els camps del registre i la segmentació d'imatges. Finalment es presenten dues aplicacions especialitzades per l'assessorament mèdic que han estat desenvolupades en el marc d'aquesta tesi.

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This text contains papers presented at the Institute of Mathematics and its Applications Conference on Control Theory, held at the University of Strathclyde in Glasgow. The contributions cover a wide range of topics of current interest to theoreticians and practitioners including algebraic systems theory, nonlinear control systems, adaptive control, robustness issues, infinite dimensional systems, applications studies and connections to mathematical aspects of information theory and data-fusion.

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We consider bipartitions of one-dimensional extended systems whose probability distribution functions describe stationary states of stochastic models. We define estimators of the information shared between the two subsystems. If the correlation length is finite, the estimators stay finite for large system sizes. If the correlation length diverges, so do the estimators. The definition of the estimators is inspired by information theory. We look at several models and compare the behaviors of the estimators in the finite-size scaling limit. Analytical and numerical methods as well as Monte Carlo simulations are used. We show how the finite-size scaling functions change for various phase transitions, including the case where one has conformal invariance.

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This paper uses Shannon's information theory to give a quantitative definition of information flow in systems that transform inputs to outputs. For deterministic systems, the definition is shown to specialise to a simpler form when the information source and the known inputs jointly determine the inputs. For this special case, the definition is related to the classical security condition of non-interference and an equivalence is established between non-interference and independence of random variables. Quantitative information flow for deterministic systems is then presented in relational form. With this presentation, it is shown how relational parametricity can be used to derive upper and lower bounds on information flows through families of functions defined in the second order lambda calculus.

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Similarity measure is one of the main factors that affect the accuracy of intensity-based 2D/3D registration of X-ray fluoroscopy to CT images. Information theory has been used to derive similarity measure for image registration leading to the introduction of mutual information, an accurate similarity measure for multi-modal and mono-modal image registration tasks. However, it is known that the standard mutual information measure only takes intensity values into account without considering spatial information and its robustness is questionable. Previous attempt to incorporate spatial information into mutual information either requires computing the entropy of higher dimensional probability distributions, or is not robust to outliers. In this paper, we show how to incorporate spatial information into mutual information without suffering from these problems. Using a variational approximation derived from the Kullback-Leibler bound, spatial information can be effectively incorporated into mutual information via energy minimization. The resulting similarity measure has a least-squares form and can be effectively minimized by a multi-resolution Levenberg-Marquardt optimizer. Experimental results are presented on datasets of two applications: (a) intra-operative patient pose estimation from a few (e.g. 2) calibrated fluoroscopic images, and (b) post-operative cup alignment estimation from single X-ray radiograph with gonadal shielding.

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Three-dimensional flow visualization plays an essential role in many areas of science and engineering, such as aero- and hydro-dynamical systems which dominate various physical and natural phenomena. For popular methods such as the streamline visualization to be effective, they should capture the underlying flow features while facilitating user observation and understanding of the flow field in a clear manner. My research mainly focuses on the analysis and visualization of flow fields using various techniques, e.g. information-theoretic techniques and graph-based representations. Since the streamline visualization is a popular technique in flow field visualization, how to select good streamlines to capture flow patterns and how to pick good viewpoints to observe flow fields become critical. We treat streamline selection and viewpoint selection as symmetric problems and solve them simultaneously using the dual information channel [81]. To the best of my knowledge, this is the first attempt in flow visualization to combine these two selection problems in a unified approach. This work selects streamline in a view-independent manner and the selected streamlines will not change for all viewpoints. My another work [56] uses an information-theoretic approach to evaluate the importance of each streamline under various sample viewpoints and presents a solution for view-dependent streamline selection that guarantees coherent streamline update when the view changes gradually. When projecting 3D streamlines to 2D images for viewing, occlusion and clutter become inevitable. To address this challenge, we design FlowGraph [57, 58], a novel compound graph representation that organizes field line clusters and spatiotemporal regions hierarchically for occlusion-free and controllable visual exploration. We enable observation and exploration of the relationships among field line clusters, spatiotemporal regions and their interconnection in the transformed space. Most viewpoint selection methods only consider the external viewpoints outside of the flow field. This will not convey a clear observation when the flow field is clutter on the boundary side. Therefore, we propose a new way to explore flow fields by selecting several internal viewpoints around the flow features inside of the flow field and then generating a B-Spline curve path traversing these viewpoints to provide users with closeup views of the flow field for detailed observation of hidden or occluded internal flow features [54]. This work is also extended to deal with unsteady flow fields. Besides flow field visualization, some other topics relevant to visualization also attract my attention. In iGraph [31], we leverage a distributed system along with a tiled display wall to provide users with high-resolution visual analytics of big image and text collections in real time. Developing pedagogical visualization tools forms my other research focus. Since most cryptography algorithms use sophisticated mathematics, it is difficult for beginners to understand both what the algorithm does and how the algorithm does that. Therefore, we develop a set of visualization tools to provide users with an intuitive way to learn and understand these algorithms.

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The security of quantum key distribution protocols is guaranteed by the laws of quantum mechanics. However, a precise analysis of the security properties requires tools from both classical cryptography and information theory. Here, we employ recent results in non-asymptotic classical information theory to show that information reconciliation imposes fundamental limitations on the amount of secret key that can be extracted in the finite key regime. In particular, we find that an often used approximation for the information leakage during one-way information reconciliation is flawed and we propose an improved estimate.

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In the first part of this work, we show how certain techniques from quantum information theory can be used in order to obtain very sharp embeddings between noncommutative Lp-spaces. Then, we use these estimates to study the classical capacity with restricted assisted entanglement of the quantum erasure channel and the quantum depolarizing channel. In particular, we exactly compute the capacity of the first one and we show that certain nonmultiplicative results hold for the second one.

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