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.

RelMDD-A Library for Manipulating Relations Based on MDDs

Relation algebras is one of the state-of-the-art means used by mathematicians and computer scientists for solving very complex problems. As a result, a computer algebra system for relation algebras called RelView has been developed at Kiel University. RelView works within the standard model of relation algebras. On the other hand, relation algebras do have other models which may have different properties. For example, in the standard model we always have L;L=L (the composition of two (heterogeneous) universal relations yields a universal relation). This is not true in some non-standard models. Therefore, any example in RelView will always satisfy this property even though it is not true in general. On the other hand, it has been shown that every relation algebra with relational sums and subobjects can be seen as matrix algebra similar to the correspondence of binary relations between sets and Boolean matrices. The aim of my research is to develop a new system that works with both standard and non-standard models for arbitrary relations using multiple-valued decision diagrams (MDDs). This system will implement relations as matrix algebras. The proposed structure is a library written in C which can be imported by other languages such as Java or Haskell.

A game-theoretic network formation model

We study the dynamics of a game-theoretic network formation model that yields large-scale small-world networks. So far, mostly stochastic frameworks have been utilized to explain the emergence of these networks. On the other hand, it is natural to seek for game-theoretic network formation models in which links are formed due to strategic behaviors of individuals, rather than based on probabilities. Inspired by Even-Dar and Kearns (2007), we consider a more realistic model in which the cost of establishing each link is dynamically determined during the course of the game. Moreover, players are allowed to put transfer payments on the formation of links. Also, they must pay a maintenance cost to sustain their direct links during the game. We show that there is a small diameter of at most 4 in the general set of equilibrium networks in our model. Unlike earlier model, not only the existence of equilibrium networks is guaranteed in our model, but also these networks coincide with the outcomes of pairwise Nash equilibrium in network formation. Furthermore, we provide a network formation simulation that generates small-world networks. We also analyze the impact of locating players in a hierarchical structure by constructing a strategic model, where a complete b-ary tree is the seed network.

The time-course of lexical activation in Japanese morphographic word recognition: Evidence for a character-driven processing model

This lexical decision study with eye tracking of Japanese two-kanji-character words investigated the order in which a whole two-character word and its morphographic constituents are activated in the course of lexical access, the relative contributions of the left and the right characters in lexical decision, the depth to which semantic radicals are processed, and how nonlinguistic factors affect lexical processes. Mixed-effects regression analyses of response times and subgaze durations (i.e., first-pass fixation time spent on each of the two characters) revealed joint contributions of morphographic units at all levels of the linguistic structure with the magnitude and the direction of the lexical effects modulated by readers’ locus of attention in a left-to-right preferred processing path. During the early time frame, character effects were larger in magnitude and more robust than radical and whole-word effects, regardless of the font size and the type of nonwords. Extending previous radical-based and character-based models, we propose a task/decision-sensitive character-driven processing model with a level-skipping assumption: Connections from the feature level bypass the lower radical level and link up directly to the higher character level.

Testing Mean-Variance Efficiency in CAPM with Possibly Non-Gaussian Errors : An Exact Simulation-Based Approach

In this paper we propose exact likelihood-based mean-variance efficiency tests of the market portfolio in the context of Capital Asset Pricing Model (CAPM), allowing for a wide class of error distributions which include normality as a special case. These tests are developed in the frame-work of multivariate linear regressions (MLR). It is well known however that despite their simple statistical structure, standard asymptotically justified MLR-based tests are unreliable. In financial econometrics, exact tests have been proposed for a few specific hypotheses [Jobson and Korkie (Journal of Financial Economics, 1982), MacKinlay (Journal of Financial Economics, 1987), Gib-bons, Ross and Shanken (Econometrica, 1989), Zhou (Journal of Finance 1993)], most of which depend on normality. For the gaussian model, our tests correspond to Gibbons, Ross and Shanken’s mean-variance efficiency tests. In non-gaussian contexts, we reconsider mean-variance efficiency tests allowing for multivariate Student-t and gaussian mixture errors. Our framework allows to cast more evidence on whether the normality assumption is too restrictive when testing the CAPM. We also propose exact multivariate diagnostic checks (including tests for multivariate GARCH and mul-tivariate generalization of the well known variance ratio tests) and goodness of fit tests as well as a set estimate for the intervening nuisance parameters. Our results [over five-year subperiods] show the following: (i) multivariate normality is rejected in most subperiods, (ii) residual checks reveal no significant departures from the multivariate i.i.d. assumption, and (iii) mean-variance efficiency tests of the market portfolio is not rejected as frequently once it is allowed for the possibility of non-normal errors.

Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.

D’une structure de gouvernance canado-américaine pour la gestion du Passage du Nord-Ouest : l’apport du transgouvernementalisme

La théorie transgouvernementale s’appuie sur l’existence de réseaux transfrontaliers entre composantes de l’État exerçant des fonctions similaires dans une optique de gestion de problèmes communs. Le transgouvernementalisme canado-américain se caractérise par un faible abandon de souveraineté des partenaires, une forte participation des acteurs régionaux, une informalité dans les relations et une intégration des secteurs privé et public et de la société civile au sein de réseaux mixtes. Le modèle de gouvernance binationale en place dans la région du bassin du Saint-Laurent et des Grands Lacs présente toutes les caractéristiques du modèle typique d’intégration transgouvernementale canado-américain. Une analyse poussée révèle en effet une matrice complexe et solide de réseaux transgouvernementaux dont les multiples ramifications s’étendent aujourd’hui beaucoup plus loin que le strict cadre des ententes sous l’égide desquelles ces réseaux ont pris naissance. Si le modèle de l’intégration par réseaux transgouvernementaux apparaît comme la solution retenue par les pouvoirs publics dans la gestion collaborative du bassin du Saint-Laurent et des Grands Lacs, s’agit-il du modèle à privilégier en ce qui a trait à la gouvernance du Passage du Nord-Ouest? Bien que le modèle en place dans la région du Saint-Laurent et des Grands Lacs ne puisse être reproduit intégralement relativement à la gestion du Passage du Nord-Ouest, un modèle d’intégration transgouvernementale, du « bas vers le haut », axé sur la mise en place d’une réglementation commune en matière de navigation et sur une intégration opérationnelle visant à assurer la mise en œuvre de cette règlementation, s’avère approprié pour la gestion du Passage du Nord-Ouest.

Urban Detection From Hyperspectral Images Using Dimension-Reduction Model and Fusion of Multiple Segmentations Based on Stuctural and Textural Features

Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche non supervisée pour détecter et segmenter les régions urbaines dans les images hyperspectrales. La méthode proposée n ́ecessite trois étapes. Tout d’abord, afin de réduire le coût calculatoire de notre algorithme, une image couleur du contenu spectral est estimée. A cette fin, une étape de réduction de dimensionalité non-linéaire, basée sur deux critères complémentaires mais contradictoires de bonne visualisation; à savoir la précision et le contraste, est réalisée pour l’affichage couleur de chaque image hyperspectrale. Ensuite, pour discriminer les régions urbaines des régions non urbaines, la seconde étape consiste à extraire quelques caractéristiques discriminantes (et complémentaires) sur cette image hyperspectrale couleur. A cette fin, nous avons extrait une série de paramètres discriminants pour décrire les caractéristiques d’une zone urbaine, principalement composée d’objets manufacturés de formes simples g ́eométriques et régulières. Nous avons utilisé des caractéristiques texturales basées sur les niveaux de gris, la magnitude du gradient ou des paramètres issus de la matrice de co-occurrence combinés avec des caractéristiques structurelles basées sur l’orientation locale du gradient de l’image et la détection locale de segments de droites. Afin de réduire encore la complexité de calcul de notre approche et éviter le problème de la ”malédiction de la dimensionnalité” quand on décide de regrouper des données de dimensions élevées, nous avons décidé de classifier individuellement, dans la dernière étape, chaque caractéristique texturale ou structurelle avec une simple procédure de K-moyennes et ensuite de combiner ces segmentations grossières, obtenues à faible coût, avec un modèle efficace de fusion de cartes de segmentations. Les expérimentations données dans ce rapport montrent que cette stratégie est efficace visuellement et se compare favorablement aux autres méthodes de détection et segmentation de zones urbaines à partir d’images hyperspectrales.

Statistical model based 3D shape prediction of postoperative trunks for non-invasive scoliosis surgery planning

One of the major concerns of scoliosis patients undergoing surgical treatment is the aesthetic aspect of the surgery outcome. It would be useful to predict the postoperative appearance of the patient trunk in the course of a surgery planning process in order to take into account the expectations of the patient. In this paper, we propose to use least squares support vector regression for the prediction of the postoperative trunk 3D shape after spine surgery for adolescent idiopathic scoliosis. Five dimensionality reduction techniques used in conjunction with the support vector machine are compared. The methods are evaluated in terms of their accuracy, based on the leave-one-out cross-validation performed on a database of 141 cases. The results indicate that the 3D shape predictions using a dimensionality reduction obtained by simultaneous decomposition of the predictors and response variables have the best accuracy.

Patient-specific anisotropic model of human trunk based on MR data

There are many ways to generate geometrical models for numerical simulation, and most of them start with a segmentation step to extract the boundaries of the regions of interest. This paper presents an algorithm to generate a patient-specific three-dimensional geometric model, based on a tetrahedral mesh, without an initial extraction of contours from the volumetric data. Using the information directly available in the data, such as gray levels, we built a metric to drive a mesh adaptation process. The metric is used to specify the size and orientation of the tetrahedral elements everywhere in the mesh. Our method, which produces anisotropic meshes, gives good results with synthetic and real MRI data. The resulting model quality has been evaluated qualitatively and quantitatively by comparing it with an analytical solution and with a segmentation made by an expert. Results show that our method gives, in 90% of the cases, as good or better meshes as a similar isotropic method, based on the accuracy of the volume reconstruction for a given mesh size. Moreover, a comparison of the Hausdorff distances between adapted meshes of both methods and ground-truth volumes shows that our method decreases reconstruction errors faster. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

STUDIES ON THE CELL STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF NR/LATEX RECLAIM/HSR BASED MICROCELLULAR SHEETS

In natural rubber/high styrene resin microcellular sheets, part of natural rubber was replaced by latex reclaim prepared from waste latex products. The mechanical properties and cell structure of the products were evaluated. It was found that latex reclaim can replace about 30% of natural rubber without affecting the technical properties of the microcellular sheets.

Low backscattered dual-polarised metallo-dielectric structure based on sierpinski carpet

A novel technique for backscattering reduction for both TE and TM polarisation, employing a metallo-dielectric structure based on Sierpinski carpet fractal geometry, is reported. A reduction in backscattered power of --30 dB is obtained for normal incidence in the X-band for the structure using the third iterated stage of the fractal geometry

A Novel Radar-Absorbing-Material Based on EBG Structure

A navel ultra-thin radar-absorbing material (RAM) using metanwterials is presented and the absorption performance is examined. Due to the high-impedance property of the metamalerials. the thickness of the RAM is about several tenths of the center wavelength of the absorption band, which is considerably thinner than conventional absorbers. The absorption bandwidth of the RAM is about several hundred megahertz