Scalable Bayesian Spatial Analysis With Gaussian Markov Random Fields
Download Scalable Bayesian Spatial Analysis With Gaussian Markov Random Fields PDF/ePub or read online books in Mobi eBooks. Click Download or Read Online button to get Scalable Bayesian Spatial Analysis With Gaussian Markov Random Fields book now. This website allows unlimited access to, at the time of writing, more than 1.5 million titles, including hundreds of thousands of titles in various foreign languages.
Scalable Bayesian spatial analysis with Gaussian Markov random fields
Author: Per Sidén
language: en
Publisher: Linköping University Electronic Press
Release Date: 2020-08-17
Accurate statistical analysis of spatial data is important in many applications. Failing to properly account for spatial autocorrelation may often lead to false conclusions. At the same time, the ever-increasing sizes of spatial datasets pose a great computational challenge, as many standard methods for spatial analysis are limited to a few thousand data points. In this thesis, we explore how Gaussian Markov random fields (GMRFs) can be used for scalable analysis of spatial data. GMRFs are closely connected to the commonly used Gaussian processes, but have sparsity properties that make them computationally cheap both in time and memory. The Bayesian framework enables a GMRF to be used as a spatial prior, comprising the assumption of smooth variation over space, and gives a principled way to estimate the parameters and propagate uncertainty. We develop new algorithms that enable applying GMRF priors in 3D to the brain activity inherent in functional magnetic resonance imaging (fMRI) data, with millions of observations. We show that our methods are both faster and more accurate than previous work. A method for approximating selected elements of the inverse precision matrix (i.e. the covariance matrix) is also proposed, which is important for evaluating the posterior uncertainty. In addition, we establish a link between GMRFs and deep convolutional neural networks, which have been successfully used in countless machine learning tasks for images, resulting in a deep GMRF model. Finally, we show how GMRFs can be used in real-time robotic search and rescue operations, for modeling the spatial distribution of injured persons. Tillförlitlig statistisk analys av spatiala data är viktigt inom många tillämpningar. Om inte korrekt hänsyn tas till spatial autokorrelation kan det ofta leda till felaktiga slutsatser. Samtidigt ökar ständigt storleken på de spatiala datamaterialen vilket utgör en stor beräkningsmässig utmaning, eftersom många standardmetoder för spatial analys är begränsade till några tusental datapunkter. I denna avhandling utforskar vi hur Gaussiska Markov-fält (eng: Gaussian Markov random fields, GMRF) kan användas för mer skalbara analyser av spatiala data. GMRF-modeller är nära besläktade med de ofta använda Gaussiska processerna, men har gleshetsegenskaper som gör dem beräkningsmässigt effektiva både vad gäller tids- och minnesåtgång. Det Bayesianska synsättet gör det möjligt att använda GMRF som en spatial prior som innefattar antagandet om långsam spatial variation och ger ett principiellt tillvägagångssätt för att skatta parametrar och propagera osäkerhet. Vi utvecklar nya algoritmer som gör det möjligt att använda GMRF-priors i 3D för den hjärnaktivitet som indirekt kan observeras i hjärnbilder framtagna med tekniken fMRI, som innehåller milliontals datapunkter. Vi visar att våra metoder är både snabbare och mer korrekta än tidigare forskning. En metod för att approximera utvalda element i den inversa precisionsmatrisen (dvs. kovariansmatrisen) framförs också, vilket är viktigt för att kunna evaluera osäkerheten i posteriorn. Vidare gör vi en koppling mellan GMRF och djupa neurala faltningsnätverk, som har använts framgångsrikt för mängder av bildrelaterade problem inom maskininlärning, vilket mynnar ut i en djup GMRF-modell. Slutligen visar vi hur GMRF kan användas i realtid av autonoma drönare för räddningsinsatser i katastrofområden för att modellera den spatiala fördelningen av skadade personer.
Designing Human-Swarm Interaction Systems
Author: Oscar Bjurling
language: en
Publisher: Linköping University Electronic Press
Release Date: 2025-02-20
Swarms of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs, or drones) are envisioned to transform various fields, from emergency response to law enforcement and military operations. Drone swarms provide scalable, adaptable, and decentralized solutions for dynamic work environments. However, the successful integration of these multi-agent systems into real-world settings presents significant challenges, particularly in terms of how humans can safely and effectively interact with and control these systems. Human-Swarm Interaction (HSI) aims to address these challenges by exploring how human operators can manage multiple drones in a cohesive manner, even under highly complex, uncertain conditions. This thesis studies the problem of designing effective interaction mechanisms and interfaces for human operators to command drone swarms, specifically addressing challenges such as managing a large number of drones, supporting operators’ situational awareness, and balancing between centralized and decentralized control. The research highlights the necessity of rethinking conventional approaches by introducing alternative conceptual models, such as the "choir" metaphor, which re-imagines drone swarms as coordinated, semi-centralized ensembles rather than purely emergent, decentralized collectives. This metaphor aims to balance the collective, often unpredictable behavior of drone swarms with the predictable, directed actions needed in operational environments. By demonstrating how this metaphor can be operationalized in an HSI system architecture, the thesis provides new avenues for conceptualizing human interaction with autonomous systems. Using a design research approach incorporating multiple-case study and scenario-based design activities to envision future swarm application in dialogue with prospective end users, the thesis develops and evaluates prototypes that embody these nuanced HSI concepts. The interface prototypes draw design inspiration from Real-Time Strategy (RTS) games. These elements include group commands, high-level mission planning, and resource pooling to create a hybrid interaction model that allows operators to maintain both a broad overview and precise control of multiple autonomous and collaborating drones. Domain expert evaluations of these prototypes in contexts such as firefighting and airport management validate the practical utility of these concepts. The findings emphasize the value of adopting a Human-Technology-Organization (HTO) perspective in the design of HSI systems. Rather than focusing solely on the interaction between humans and technology, this systems-thinking approach acknowledges that drone swarms must be integrated into larger organizational frameworks, such as emergency response command structures or airport ground operations teams. It demonstrates that successful deployment requires accounting for the broader organizational context, including roles, workflows, and coordination needs. This holistic approach to HSI system design ensures that drone swarms not only meet technical performance criteria, such as reliability, responsiveness, and scalability, but also align with human and organizational needs, facilitating their adoption and effective use in a wide range of real-world scenarios. Ultimately, these contributions are intended to bridge the gap between theoretical models of swarm control and practical deployment, advancing both the field of HSI and the broader adoption of drone swarm technologies. Svärmar av obemannade luftfarkoster (UAV, eller drönare) förväntas omvandla flera områden, exempelvis räddningsinsatser, brottsbekämpning, och militäroperationer. Drönarsvärmar innebar skalbara, anpassningsbara, och decentraliserade lösningar for dynamiska arbetsuppgifter. Den lyckade integreringen av dessa multi-agent-system i verkliga miljöer innebar dock betydande utmaningar, särskilt med avseende på hur människor säkert och effektivt interagerar med och kontrollerar dessa system. Forskningsfältet Människa-Svärm Interaktion (MSI) syftar till att möta dessa utmaningar genom att undersöka hur mänskliga operatorer kan hantera flera drönare på ett sammanhängande vis, även under komplexa och osäkra förhållanden. Denna avhandling utreder problemet att utforma effektiva och säkra interaktionsmekanismer och gränssnitt for mänskliga operatorer att leda drönarsvärmar, specifikt genom att adressera utmaningar som att hantera ett stort antal drönare, stödja operatorers situationsmedvetenhet, och balansera mellan centraliserad och decentraliserad kontroll. Avhandlingen betonar vikten av att ifrågasatta konventionella tillvägagångssätt genom att introducera alternativa konceptuella modeller, såsom "kör"-metaforen, som omtolkar drönarsvärmar som koordinerade, semicentraliserade ensembler snarare än rent decentraliserade kollektiv. Denna metafor syftar till att balansera det kollektiva, ofta oförutsägbara beteendet hos drönarsvärmar med de förutsägbara, riktade handlingar som behövs i operativa miljöer. Genom att visa hur denna metafor kan operationaliseras i en MSI-systemarkitektur, erbjuder avhandlingen nya sätt att konceptualisera mänsklig interaktion med autonoma system. Genom att tillämpa en designforskningsmetod som innefattar fallstudier och scenariobaserade designaktiviteter för att föreställa sig framtida svärmtillämpningar i dialog med potentiella slutanvändare, utvecklar och utvärderar avhandlingen prototyper som manifesterar dessa nyanserade MSI-koncept. Gränssnittens prototyper drar designinspiration från realtidsstrategispel (RTS). Dessa element inkluderar enhetshantering och kommandon på gruppnivå, strategisk uppdragsplanering, och resursdelning för att skapa en hybrid interaktionsmodell som gör det möjligt för operatörer att både bibehålla en bred lägesbild och utöva precis kontroll över flera autonoma och samverkande drönare. Domänexperters utvärderingar av dessa prototyper i arbetskontexter som brandbekämpning och flygplatsledning påvisar den praktiska användbarheten av dessa koncept. Resultaten betonar värdet av att anta ett Människa-Teknik-Organisation (MTO)-perspektiv vid utformningen av MSI-system. Snarare än att enbart fokusera på interaktionen mellan människor och teknik, erkänner detta systemtänkande tillvägagångssätt att drönarsvärmar måste integreras i större organisatoriska ramar, såsom ledningsstrukturer for räddningsinsatser eller markoperativa team på flygplatser. Det visar att framgångsrik implementering av drönarsvärmar kräver att systemutvecklare tar hänsyn till det bredare organisatoriska sammanhanget, inklusive roller, arbetsflöden, och samverkansbehov. Detta holistiska tillvägagångssatt för utformningen av MSI-system säkerställer att drönarsvärmar inte bara uppfyller tekniska prestandakriterier, såsom tillförlitlighet, responsivitet, och skalbarhet, utan också överensstämmer med mänskliga och organisatoriska behov, vilket underlättar deras införande och effektiv användning i en mängd olika tillämpningsscenarier. Över lag är dessa forskningsbidrag avsedda att överbrygga gapet mellan teoretiska modeller för svärmstyrning och praktisk implementering, och därmed avancera och främja både MSI-området och den bredare användningen av svärmteknologier.
Human-Centred Design of Socially Interactive Virtual Agents
Author: Emma Mainza Chilufya
language: en
Publisher: Linköping University Electronic Press
Release Date: 2025-02-24
The thesis is within the field of cognitive science, set within the domains of situated cognition and mediated action with a focus on mediation in Human- Computer Interaction (HCI). It discusses cognition in relation to users, Intelligent Virtual Agents (IVAs), and the interaction environment. The perspectives and actions of users (humans) significantly influence the course of the interaction. IVAs as mediators facilitate interactions between users and their environments. As agents, they actively engage with users, influencing their decisions and behaviours. User involvement in the design process is important for the design of interactive systems. When properly implemented, using the correct methods, principles, and techniques can lead to the development of systems that are effective, efficient, and satisfying to use. IVA research has shown a lack of user participation methodologies in the design process. The design of IVAs often focuses on individual elements and not the IVA as an integrated whole. As a result, these design insights do not easily convert into actionable guidelines. User involvement is primarily seen during the evaluation phase. This leads to the purpose of looking at the design of interactive interfaces of embodied agents (virtual and physical) set in social interactive spaces by involving the users in the conceptual generation and prototyping phase. The research questions are: How can we design interactive virtual agents for social interactive spaces? and How can we apply human-centred design methods to develop interactive virtual agents for social interactive spaces? Two case studies: a virtual receptionist for a university department and a reading robot (BookBot) for fourth-grade pupils are conducted. Each case study involved a concept generation and prototyping phase with the users using human-centred design (HCD) methods and tools. Prototypes were developed based on the conceptual phase findings and evaluated with the users. One key contribution is the application of HCD methodologies in the design of IVAs within social interactive spaces. This includes considerations of the context of interaction: mediation patterns, and the spaces of interaction. Another contribution is the introduction of novel design approaches/ solution features and competencies that designers should have when designing IVAs in social interactive spaces. The thesis presents exemplars of IVAs in these spaces. Avhandlingen ligger inom området kognitiv vetenskap, med fokus på situerad kognition och medierad handling inom Human-Computer Interaction (HCI). Den diskuterar kognition i relation till användare, intelligenta virtuella agenter (IVAs) och interaktionsmiljön. Användarnas (människors) perspektiv och handlingar påverkar i hög grad interaktionens förlopp. IVAs som medlare underlättar interaktioner mellan användare och deras miljöer. Som agenter engagerar de sig aktivt med användare och påverkar deras beslut och beteenden. Användarinvolvering i designprocessen är viktig for utformningen av interaktiva system. När den genomförs korrekt, med rätt metoder, principer och tekniker, kan den leda till utveckling av system som är effektiva, ändamålsenliga och tillfredsställande att använda. Forskning om IVAs har visat en brist på användarmetoder i designprocessen. Designen av IVAs fokuserar ofta på individuella element och inte på IVA som en integrerad helhet. Som ett resultat är dessa designinsikter svara att omvandla till handlingsbara riktlinjer. Användardeltagande ses främst under utvärderingsfasen. Detta leder till syftet att undersöka designen av interaktiva gränssnitt för forkroppsligade agenter (virtuella och fysiska) i sociala interaktiva utrymmen genom att involvera användarna i den konceptuella genereringen och prototypfasen. Forskningsfrågorna är: Hur kan vi designa interaktiva virtuella agenter for sociala interaktiva utrymmen? och Hur kan vi tillämpa användarcentrerade designmetoder för att utveckla interaktiva virtuella agenter för sociala interaktiva utrymmen? Två fallstudier: en virtuell receptionist för en universitetsavdelning och en läsrobot (BookBot) för fjärdeklassare utförs. Varje fallstudie involverade en konceptgenererings- och prototypfas med användarna med hjälp av användarcentrerade designmetoder och verktyg. Prototyper utvecklades baserat på resultaten från den konceptuella fasen och utvärderades med användarna. Ett viktigt bidrag är tillämpningen av användarcentrerade designmetoder i designen av IVAs inom sociala interaktiva utrymmen. Detta inkluderar överväganden av interaktionskontexten: medlingsmönster och interaktionsutrymmen. Ett annat bidrag är introduktionen av nya designmetoder/lösningsfunktioner och kompetenser som designers bör ha när de designar IVAs i sociala interaktiva utrymmen. Avhandlingen presenterar exempel på IVAs i dessa utrymmen.