Die Entwicklung effizienter Desktop Publishing Systeme wird behindert durch den Mangel an leistungsfähigen, automatischen Layoutalgorithmen. Aktuelle Algorithmen zum Layout ganzer Dokumente oder einzelner Seiten erfordern entweder die Formulierung des Layoutproblems in einer formalen Beschreibungssprache, oder sie benötigen fertige, detaillierte Layouttemplates. Layoutprobleme mit schwacher Semantik lassen sich schlecht in formale Sprachen umsetzen, Layout Templates verschieben den manuellen Aufwand nur vom Endnutzer zum Template Designer. Das erste Ergebnis dieser Dissertation ist ein Layoutalgorithmus, der ein allgemeines Layoutproblem löst, in dem er es als Ressourcenallokationsproblem interpretiert. Die Fläche einer einzelnen Seite ist eine Ressource, die zwischen den visuellen Elementen einer Seite verteilt wird. Das Layoutproblem wird in ein lexikographisches min-ordering Optimierungsproblem übersetzt, das durch lineare Optimierung in Echtzeit gelöst wird. Die Lösungen manuell erzeugter Layoutprobleme sind häufig über- oder unterbestimmt. Wenn das Problem überbestimmt ist, also keine gültige Lösung besitzt, muss der Algorithmus die Lösung finden, die am n\"achsten an der intendierten Lösung ist. Der Algorithmus erkennt nicht eindeutig definierte Probleme mit unbefriedigenden Lösungen und fügt die minimal notwendige Anzahl von Constraints hinzu um das vom Nutzer beabsichtigte Layout zu erzeugen. Das zweite Ergebnis ist die Entwicklung einer intuitiven Benutzerschnittstelle, die es erlaubt, die vorhergehend beschriebenen Layoutprobleme zu erzeugen. Sie verbirgt die Komplexität des Constraintsystems und vermeidet die Komplexität constraint-basierter Grafikanwendungen der Vergangenheit. Diese Benutzerschnittstelle macht formale Beschreibungssprachen und manuell erzeugte Layouttemplates überflüssig. Die Evaluation zeigt, dass die besten Tabellenlayoutalgorithmen keine signifikant besseren Ergebnisse produzieren als der allgemeinere ICBM Layout Algorithmus. / The efficiency of desktop publishing is severely limited by the lack of sophisticated automatic document layout systems. State-of-the-art algorithms either require the input to be written in a description language such as HTML and LaTeX, or to be a manually designed layout template. However, description languages are ill-suited to express layout problems with weak semantics and layout templates shift the burden from the end user to the template designer. The first contribution of this thesis is an algorithm that solves a general class of layout problems by treating them as equitable resource allocation problems. The available document area is a resource that is distributed among inter-element gaps. The layout problem is transformed into a lexicographic min-ordering optimization problem that is solved using linear programming techniques in real-time. If the layout problem is over-constrained, the quality of the solution layout degrades gracefully. The layout algorithm finds the solution layout with the most equitable distribution of constraint errors among the soft layout constraints, i.e., the solution closest to the user''s original intent. Conversely, the layout algorithm detects the under-constrained subproblems that adversely affect the solution layout. It adds the minimal number of constraints required to achieve the fully specified layout problem that is closest to the user''s input. The second contribution is the creation of an intuitive direct manipulation user interface that lets users create the aforementioned class of general constrained layout problems. It hides the complexity of the constraint system and avoids the usability problems that have plagued constraint drawing applications. It eliminates the need of document description languages and manually-created layout templates. In the evaluation, we show that the best state-of-the-art specialized table layout algorithms do not outperform the general ICBM layout algorithm by any significant margin.

Um Entwurf und Verifikation komplizierter verteilter Algorithmen leichter und verständlicher zu machen, wird oft eine Verfeinerungsmethode verwendet. Dabei wird ein einfacher Algorithmus, der gewünschte Eigenschaften erfüllt, schrittweise zu einem komplizierten Algorithmus verfeinert. In jedem Schritt sollen die gewünschten Eigenschaften erhalten bleiben. Für nachrichtenbasierte verteilte Algorithmen haben wir eine neue Verfeinerungsmethmode entwickelt. Wir beginnen mit einem Anfangsalgorithmus, der Aktionen enthält, die gemeinsame Aufgaben mehrerer Agenten beschreiben. In jedem Schritt verfeinern wir eine dieser Aktionen zu einem Netz, das nur solche Aktionen enthält, die die Aufgaben einzelner Agenten beschreiben. Jeder Schritt ist also eine Verteilung einer unverteilten Aktion. Die Analyse solcher Verfeinerungsschritte wird mit Hilfe eines neuen Verfeinerungsbegriffs - der verteilenden Verfeinerung - durchgeführt. Entscheidend dabei ist das Erhaltenbleiben der Halbordnungen des zu verfeinernden Algorithmus. Dies ist durch Kausalitäten der Aktionen der Agenten im lokalen Verfeinerungsnetz zu erreichen. Die Kausalitäten im lokalen Verfeinerungsnetz lassen sich einerseits beim Entwurf direkt durch Nachrichtenaustausch realisieren. Andererseits kann man bei der Verifikation die Gültigkeit einer Kausalität im lokalen Verfeinerungsnetz direkt vom Netz ablesen. Daher ist diese Methode leicht zu verwenden. Die Anwendung der Methode wird in der Arbeit an verschiedenen nicht trivialen Beispielen demonstriert. / In order to make design and verification of complicated distributed algorithms easier and more understandable, a refinement method is often used. A simple algorithm, which fulfills desired properties, is refined stepwise to a complicated algorithm. In each step the desired properties are preserved. For messages-based distributed algorithms we have developed a new refinement method. We begin with an initial algorithm, which contains actions, which describe common tasks of several agents. In each step we refine one of these actions to a net, which contains only such actions, which describe the tasks of individual agents. Thus, each step is a distribution of an undistributed action. The analysis of such refinement steps is accomplished with the help of a new refinement notation - the distributing refinement. Preservation of the partial order of the refined algorithm is important. This can be achieved by causalities of the actions of the agents in the local refinement net. Causalities in the local refinement net can be realized on the one hand at design directly by messages passing. On the other hand, at verification one can read the validity of causality in the local refinement net directly from the net. Therefore, this method is easy to use. The application of the method is demonstrated by several nontrivial examples in this thesis.

Viele moderne Dateisysteme unterstützen Snapshots zur Erzeugung konsistenter Online-Backups, zur Wiederherstellung verfälschter oder ungewollt geänderter Dateien, sowie zur Rückverfolgung von Änderungen an Dateien und Verzeichnissen. Während frühere Arbeiten zu Snapshots in Dateisystemen vorwiegend lokale Dateisysteme behandeln, haben moderne Trends wie Cloud- oder Cluster-Computing dazu geführt, dass die Datenhaltung in verteilten Speichersystemen an Bedeutung gewinnt. Solche Systeme umfassen häufig eine Vielzahl an Speicher-Servern, was besondere Herausforderungen mit Hinblick auf Skalierbarkeit, Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit mit sich bringt. Diese Arbeit beschreibt einen Snapshot-Algorithmus für großangelegte verteilte Dateisysteme und dessen Integration in XtreemFS, ein skalierbares objektbasiertes Dateisystem für Grid- und Cloud-Computing-Umgebungen. Die zwei Bausteine des Algorithmus sind ein System zur effizienten Erzeugung und Verwaltung von Dateiinhalts- und Metadaten-Versionen, sowie ein skalierbares, ausfallsicheres Verfahren zur Aggregation bestimmter Versionen in einem Snapshot. Um das Problem einer fehlenden globalen Zeit zu bewältigen, implementiert der Algorithmus ein weniger restriktives, auf Zeitstempeln lose synchronisierter Server-Uhren basierendes Konsistenzmodell für Snapshots. Die wesentlichen Beiträge der Arbeit sind: 1) ein formales Modell von Snapshots und Snapshot-Konsistenz in verteilten Dateisystemen; 2) die Beschreibung effizienter Verfahren zur Verwaltung von Metadaten- und Dateiinhalts-Versionen in objektbasierten Dateisystemen; 3) die formale Darstellung eines skalierbaren, ausfallsicheren Snapshot-Algorithmus für großangelegte objektbasierte Dateisysteme; 4) eine detaillierte Beschreibung der Implementierung des Algorithmus in XtreemFS. Eine umfangreiche Auswertung belegt, dass der vorgestellte Algorithmus die Nutzerdatenrate kaum negativ beeinflusst, und dass er mit großen Zahlen an Snapshots und Versionen skaliert. / Snapshots are present in many modern file systems, where they allow to create consistent on-line backups, to roll back corruptions or inadvertent changes of files, and to keep a record of changes to files and directories. While most previous work on file system snapshots refers to local file systems, modern trends like cloud and cluster computing have shifted the focus towards distributed storage infrastructures. Such infrastructures often comprise large numbers of storage servers, which presents particular challenges in terms of scalability, availability and failure tolerance. This thesis describes snapshot algorithm for large-scale distributed file systems and its integration in XtreemFS, a scalable object-based file system for grid and cloud computing environments. The two building blocks of the algorithm are a version management scheme, which efficiently records versions of file content and metadata, as well as a scalable and failure-tolerant mechanism that aggregates specific versions in a snapshot. To overcome the lack of a global time in a distributed system, the algorithm implements a relaxed consistency model for snapshots, which is based on timestamps assigned by loosely synchronized server clocks. The main contributions of the thesis are: 1) a formal model of snapshots and snapshot consistency in distributed file systems; 2) the description of efficient schemes for the management of metadata and file content versions in object-based file systems; 3) the formal presentation of a scalable, fault-tolerant snapshot algorithm for large-scale object-based file systems; 4) a detailed description of the implementation of the algorithm as part of XtreemFS. An extensive evaluation shows that the proposed algorithm has no severe impact on user I/O, and that it scales to large numbers of snapshots and versions.

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Die Netzwerkanalyse zielt darauf ab, nicht-triviale Erkenntnisse aus vernetzten Daten zu gewinnen. Beispiele für diese Erkenntnisse sind die Wichtigkeit einer Entität im Verhältnis zu anderen nach bestimmten Kriterien oder das Finden des am besten geeigneten Partners für jeden Teilnehmer eines Netzwerks - bekannt als Maximum Weighted Matching (MWM). Da der Begriff der Wichtigkeit an die zu betrachtende Anwendung gebunden ist, wurden zahlreiche Zentralitätsmaße eingeführt. Diese Maße stammen hierbei aus Jahrzehnten, in denen die Rechenleistung sehr begrenzt war und die Netzwerke im Vergleich zu heute viel kleiner waren. Heute sind massive Netzwerke mit Millionen von Kanten allgegenwärtig und eine triviale Berechnung von Zentralitätsmaßen ist oft zu zeitaufwändig. Darüber hinaus ist die Suche nach der Gruppe von k Knoten mit hoher Zentralität eine noch kostspieligere Aufgabe. Skalierbare Algorithmen zur Identifizierung hochzentraler (Gruppen von) Knoten in großen Graphen sind von großer Bedeutung für eine umfassende Netzwerkanalyse. Heutigen Netzwerke verändern sich zusätzlich im zeitlichen Verlauf und die effiziente Aktualisierung der Ergebnisse nach einer Änderung ist eine Herausforderung. Effiziente dynamische Algorithmen sind daher ein weiterer wesentlicher Bestandteil moderner Analyse-Pipelines. Hauptziel dieser Arbeit ist es, skalierbare algorithmische Lösungen für die zwei oben genannten Probleme zu finden. Die meisten unserer Algorithmen benötigen Sekunden bis einige Minuten, um diese Aufgaben in realen Netzwerken mit bis zu Hunderten Millionen von Kanten zu lösen, was eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt. Außerdem erweitern wir einen modernen Algorithmus für MWM auf dynamische Graphen. Experimente zeigen, dass unser dynamischer MWM-Algorithmus Aktualisierungen in Graphen mit Milliarden von Kanten in Millisekunden bewältigt. / Network analysis aims to unveil non-trivial insights from networked data by studying relationship patterns between the entities of a network. Among these insights, a popular one is to quantify the importance of an entity with respect to the others according to some criteria. Another one is to find the most suitable matching partner for each participant of a network knowing the pairwise preferences of the participants to be matched with each other - known as Maximum Weighted Matching (MWM). Since the notion of importance is tied to the application under consideration, numerous centrality measures have been introduced. Many of these measures, however, were conceived in a time when computing power was very limited and networks were much smaller compared to today's, and thus scalability to large datasets was not considered. Today, massive networks with millions of edges are ubiquitous, and a complete exact computation for traditional centrality measures are often too time-consuming. This issue is amplified if our objective is to find the group of k vertices that is the most central as a group. Scalable algorithms to identify highly central (groups of) vertices on massive graphs are thus of pivotal importance for large-scale network analysis. In addition to their size, today's networks often evolve over time, which poses the challenge of efficiently updating results after a change occurs. Hence, efficient dynamic algorithms are essential for modern network analysis pipelines. In this work, we propose scalable algorithms for identifying important vertices in a network, and for efficiently updating them in evolving networks. In real-world graphs with hundreds of millions of edges, most of our algorithms require seconds to a few minutes to perform these tasks. Further, we extend a state-of-the-art algorithm for MWM to dynamic graphs. Experiments show that our dynamic MWM algorithm handles updates in graphs with billion edges in milliseconds.

Die Regulation der Genexpression ist einer der wichtigsten zellulären Prozesse und steht in Zusammenhang mit der Entstehung diverser Krankheiten. Regulationsmechanismen können mit einer Vielzahl von Methoden experimentell untersucht werden, zugleich erfordert die Integration der Datensätze in umfassende Modelle stringente rechnergestützte Methoden. Ein Teil dieser Methoden modelliert die genomweite Genexpression als (lineares) Gleichungssystem über die Aktivität und Beziehungen von Transkriptionsfaktoren (TF), Genen und anderen Faktoren und optimiert die Parameter, sodass die gemessenen Expressionsintensitäten möglichst genau wiedergegeben werden. Trotz ihrer gemeinsamen Wurzeln in der mathematischen Optimierung unterscheiden sich die Methoden stark in der Art der integrierten Daten, im für ihre Anwendung notwendigen Hintergrundwissen, der Granularität des Regulationsmodells, des konkreten Paradigmas zur Lösung des Optimierungsproblems, und der zur Evaluation verwendeten Datensätze. In dieser Arbeit betrachten wir fünf solcher Methoden und stellen einen qualitativen und quantitativen Vergleich auf. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Überschneidungen der Ergebnisse sehr gering sind, was nicht auf die Stichprobengröße oder das regulatorische Netzwerk zurückgeführt werden kann. Ein Grund für die genannten Defizite könnten die vereinfachten Modelle zellulärer Prozesse sein, da diese vorhandene Rückkopplungsschleifen ignorieren. Wir schlagen eine neue Methode (Florae) mit Schwerpunkt auf die Berücksichtigung von Rückkopplungsschleifen vor und beurteilen deren Ergebnisse. Mit Floræ können wir die Identifizierung von Knockout- und Knockdown-TF in synthetischen Datensätzen verbessern. Unsere Ergebnisse und die vorgeschlagene Methode erweitern das Wissen über genregulatorische Aktivität können die Identifizierung von Ursachen und Mechanismen regulatorischer (Dys-)Funktionen und die Entwicklung von medizinischen Biomarkern und Therapien unterstützen. / Gene regulation is one of the most important cellular processes and closely interlinked pathogenesis. The elucidation of regulatory mechanisms can be approached by many experimental methods, yet integration of the resulting heterogeneous, large, and noisy data sets into comprehensive models requires rigorous computational methods. A prominent class of methods models genome-wide gene expression as sets of (linear) equations over the activity and relationships of transcription factors (TFs), genes and other factors and optimizes parameters to fit the measured expression intensities. Despite their common root in mathematical optimization, they vastly differ in the types of experimental data being integrated, the background knowledge necessary for their application, the granularity of their regulatory model, the concrete paradigm used for solving the optimization problem and the data sets used for evaluation. We review five recent methods of this class and compare them qualitatively and quantitatively in a unified framework. Our results show that the result overlaps are very low, though sometimes statistically significant. This poor overall performance cannot be attributed to the sample size or to the specific regulatory network provided as background knowledge. We suggest that a reason for this deficiency might be the simplistic model of cellular processes in the presented methods, where TF self-regulation and feedback loops were not represented. We propose a new method for estimating transcriptional activity, named Florae, with a particular focus on the consideration of feedback loops and evaluate its results. Using Floræ, we are able to improve the identification of knockout and knockdown TFs in synthetic data sets. Our results and the proposed method extend the knowledge about gene regulatory activity and are a step towards the identification of causes and mechanisms of regulatory (dys)functions, supporting the development of medical biomarkers and therapies.

Die Analyse von großen Datensätzen von Mikroskopiebilddaten, insbesondere Segmentierung und Tracking, ist ein sehr wichtiger Aspekt vieler biologischer Studien. Für die leistungsfähige und verlässliche Nutzung ist der derzeitige Stand der Wissenschaft dennoch noch nicht ausreichend. Die vorhandenen Methoden sind oft schwer zu benutzen für ungeübte Nutzer, die Leistung auf anderen Datensätzen ist häufig verbesserungswürdig und sehr große Mengen an Trainingsdaten werden benötigt. Ich ging dieses Problem aus verschiedenen Richtungen an: (i) Ich präsentiere klare Richtlinien wie Artefakte beim Arbeiten mit sehr großen Bilddaten verhindert werden können. (ii) Ich präsentiere eine Erweiterung für eine Reihe von grundlegenden Methoden zur Instanzsegmentierung von Zellkernen. Durch Verwendung einer unterstützenden Hilfsaufgabe ermöglicht die Erweiterung auf einfache und unkomplizierte Art und Weise Leistung auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft. Dabei zeige ich zudem, dass schwache Label ausreichend sind, um eine effiziente Objekterkennung auf 3d Zellkerndaten zu ermöglichen. (iii) Ich stelle eine neue Methode zur Instanzsegmentierung vor, die auf eine große Auswahl von Objekten anwendbar ist, von einfachen Formen bis hin zu Überlagerungen und komplexen Baumstrukturen, die das gesamte Bild umfassen. (iv) Auf den vorherigen Arbeiten aufbauend präsentiere ich eine neue Trackingmethode, die auch mit sehr großen Bilddaten zurecht kommt, aber nur schwache und dünnbesetzte Labels benötigt und trotzdem besser als die bisherigen besten Methoden funktioniert. Die Anpassungsfähigkeit an neue Datensätze wird durch eine automatisierte Parametersuche gewährleistet. (v) Für Nutzer, die das Tracking von Objekten in ihrer Arbeit verwenden möchten, präsentiere ich zusätzlich einen detaillierten Leitfaden, der es ihnen ermöglicht fundierte Entscheidungen zu treffen, welche Methode am besten zu ihrem Projekt passt. / Image analysis of large datasets of microscopy data, in particular segmentation and tracking, is an important aspect of many biological studies. Yet, the current state of research is still not adequate enough for copious and reliable everyday use. Existing methods are often hard to use, perform subpar on new datasets and require vast amounts of training data. I approached this problem from multiple angles: (i) I present clear guidelines on how to operate artifact-free on huge images. (ii) I present an extension for existing methods for instance segmentation of nuclei. By using an auxiliary task, it enables state-of-the-art performance in a simple and straightforward way. In the process I show that weak labels are sufficient for efficient object detection for 3d nuclei data. (iii) I present an innovative method for instance segmentation that performs extremely well on a wide range of objects, from simple shapes to complex image-spanning tree structures and objects with overlaps. (iv) Building upon the above, I present a novel tracking method that operates on huge images but only requires weak and sparse labels. Yet, it outperforms previous state-of-the-art methods. An automated weight search method enables adaptability to new datasets. (v) For practitioners seeking to employ cell tracking, I provide a comprehensive guideline on how to make an informed decision about what methods to use for their project.

Systeme der Computer Vision spielen in der Automatisierung vieler Prozesse eine wichtige Rolle. Die wichtigste Aufgabe solcher Systeme ist die Automatisierung des visuellen Erkennungsprozesses und die Extraktion der relevanten Information aus Bildern oder Bildsequenzen. Eine wichtige Komponente dieser Systeme ist die Bildsegmentierung, denn sie bestimmt zu einem großen Teil die Qualitaet des Gesamtsystems. Fuer die Segmentierung von Bildern und Bildsequenzen werden neue Algorithmen vorgeschlagen. Das Konzept der Multiresolution wird als eigenstaendig dargestellt, es existiert unabhaengig von der Wavelet-Transformation. Die Wavelet-Transformation wird zur Verarbeitung von Bildern und Bildsequenzen zu einer 2D- bzw. 3D-Wavelet- Transformation erweitert. Fuer die Segmentierung von Bildern wird der Algorithmus Resolution Mosaic Expectation Maximization (RM-EM) vorgeschlagen. Das Ergebnis der Vorverarbeitung sind unterschiedlich aufgeloesten Teilbilder, das Aufloesungsmosaik. Durch dieses Mosaik lassen sich raeumliche Korrelationen zwischen den Pixeln ausnutzen. Die Verwendung unterschiedlicher Aufloesungen beschleunigt die Verarbeitung und verbessert die Ergebnisse. Fuer die Extraktion von bewegten Objekten aus Bildsequenzen werden neue Algorithmen vorgeschlagen, die auf der 3D-Wavelet-Transformation und auf der Analyse mit 3D-Wavelet-Packets beruhen. Die neuen Algorithmen haben den Vorteil, dass sie sowohl die raeumlichen als auch die zeitlichen Bewegungsinformationen beruecksichtigen. Wegen der geringen Berechnungskomplexitaet der Wavelet-Transformation ist fuer den ersten Segmentierungsschritt Hardware auf der Basis von FPGA entworfen worden. Aktuelle Anwendungen werden genutzt, um die Algorithmen zu evaluieren: die Segmentierung von Magnetresonanzbildern des menschlichen Gehirns und die Detektion von bewegten Objekten in Bildsequenzen von Verkehrsszenen. Die neuen Algorithmen sind robust und fuehren zu besseren Segmentierungsergebnissen. / More and more computer vision systems take part in the automation of various applications. The main task of such systems is to automate the process of visual recognition and to extract relevant information from the images or image sequences acquired or produced by such applications. One essential and critical component in almost every computer vision system is image segmentation. The quality of the segmentation determines to a great extent the quality of the final results of the vision system. New algorithms for image and video segmentation based on the multiresolution analysis and the wavelet transform are proposed. The concept of multiresolution is explained as existing independently of the wavelet transform. The wavelet transform is extended to two and three dimensions to allow image and video processing. For still image segmentation the Resolution Mosaic Expectation Maximization (RM-EM) algorithm is proposed. The resolution mosaic enables the algorithm to employ the spatial correlation between the pixels. The level of the local resolution depends on the information content of the individual parts of the image. The use of various resolutions speeds up the processing and improves the results. New algorithms based on the 3D wavelet transform and the 3D wavelet packet analysis are proposed for extracting moving objects from image sequences. The new algorithms have the advantage of considering the relevant spatial as well as temporal information of the movement. Because of the low computational complexity of the wavelet transform an FPGA hardware for the primary segmentation step was designed. Actual applications are used to investigate and evaluate all algorithms: the segmentation of magnetic resonance images of the human brain and the detection of moving objects in image sequences of traffic scenes. The new algorithms show robustness against noise and changing ambient conditions and gave better segmentation results.