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We study Gaifman locality and Hanf locality of an extension of first-order logic with modulo p counting quantifiers (FO+MODp , for short) with arbitrary numerical predicates. We require that the validity of formulas is independent of the particular interpretation of the numerical predicates and refer to such formulas as arb-invariant formulas. This paper gives a detailed picture of locality and non-locality properties of arb-invariant FO+MODp . For example, on the class of all finite structures, for any p 2, arb-invariant FO+MODp is neither Hanf nor Gaifman local with respect to a sublinear locality radius. However, in case that p is an odd prime power, it is weakly Gaifman local with a polylogarithmic locality radius. And when restricting attention to the class of string structures, for odd prime powers p, arb-invariant FO+MODp is both Hanf and Gaifman local with a polylogarithmic locality radius. Our negative results build on examples of order-invariant FO+MODp formulas presented in Niemist ̈o’s PhD thesis. Our positive results make use of the close connection between FO+MODp and Boolean circuits built from NOT-gates and AND-, OR-, and MOD p - gates of arbitrary fan-in.
We consider the isolated spelling error correction problem as a specific subproblem of the more general string-to-string translation problem. In this context, we investigate four general string-to-string transformation models that have been suggested in recent years and apply them within the spelling error correction paradigm. In particular, we investigate how a simple ‘k-best decoding plus dictionary lookup’ strategy performs in this context and find that such an approach can significantly outdo baselines such as edit distance, weighted edit distance, and the noisy channel Brill and Moore model to spelling error correction. We also consider elementary combination techniques for our models such as language model weighted majority voting and center string combination. Finally, we consider real-world OCR post-correction for a dataset sampled from medieval Latin texts.
Research in the field of Digital Humanities, also known as Humanities Computing, has seen a steady increase over the past years. Situated at the intersection of computing science and the humanities, present efforts focus on making resources such as texts, images, musical pieces and other semiotic artifacts digitally available, searchable and analysable. To this end, computational tools enabling textual search, visual analytics, data mining, statistics and natural language processing are harnessed to support the humanities researcher. The processing of large data sets with appropriate software opens up novel and fruitful approaches to questions in the traditional humanities. This report summarizes the Dagstuhl seminar 14301 on “Computational Humanities - bridging the gap between Computer Science and Digital Humanities”.
1998 ACM Subject Classification I.2.7 Natural Language Processing, J.5 Arts and Humanities
In order to promote the accessibility of biodiversity data in historic and contemporary literature, we introduce a new interdisciplinary project called BIOfid (FID=Fachinformationsdienst, a service for providing specialized information). The project aims at a mobilization of data available in print only by combining digitization of scientific biodiversity literature with the development of innovative text mining tools for complex, eventually semantic searches throughout the complete text corpus. A major prerequisite for the development of such search tools is the provision of sophisticated anatomy ontologies on the one hand, and of complete lists of species names (currently considered valid as well as all synonyms) at a global scale on the other hand. In the initial stage, we chose examples from German publications of the past 250 years dealing with the geographic distribution and ecology of vascular plants (Tracheophyta), birds (Aves), as well as moths and butterflies (Lepidoptera) in Germany. These taxa have been prioritized according to current demands of German research groups (about 50 sites) aiming at analyses and modeling of distribution patterns and their changes through time. In the long term, we aim at providing data and open source software applicable for any taxon and geographic region. For this purpose, a platform for open access journals for long-term availability of professional e-journals will be established. All generated data will also be made accessible through GFBio (German Federation for Biological Data). BIOfid is supported by the LIS-Scientific Library Services and Information Systems program of the German Research Foundation (DFG).
We present results on transverse momentum (pT) and rapidity (y) differential production cross sections, mean transverse momentum and mean transverse momentum square of inclusive J/ψ and ψ(2S) at forward rapidity (2.5 < y < 4) as well as ψ(2S)-to-J/ψ cross section ratios. These quantities are measured in pp collisions at center of mass energies s√=5.02 and 13 TeV with the ALICE detector. Both charmonium states are reconstructed in the dimuon decay channel, using the muon spectrometer. A comprehensive comparison to inclusive charmonium cross sections measured at s√=2.76, 7 and 8 TeV is performed. A comparison to non-relativistic quantum chromodynamics and fixed-order next-to-leading logarithm calculations, which describe prompt and non-prompt charmonium production respectively, is also presented. A good description of the data is obtained over the full pT range, provided that both contributions are summed. In particular, it is found that for pT > 15 GeV/c the non-prompt contribution reaches up to 50% of the total charmonium yield.
We explore space improvements in LRP, a polymorphically typed call-by-need functional core language. A relaxed space measure is chosen for the maximal size usage during an evaluation. It Abstracts from the details of the implementation via abstract machines, but it takes garbage collection into account and thus can be seen as a realistic approximation of space usage. The results are: a context lemma for space improving translations and for space equivalences; all but one reduction rule of the calculus are shown to be space improvements, and the exceptional one, the copy-rule, is shown to increase space only moderately.
Several further program transformations are shown to be space improvements or space equivalences, in particular the translation into machine expressions is a space equivalence. These results are a step Forward in making predictions about the change in runtime space behavior of optimizing transformations in callbyneed functional languages.
Motivated by tools for automaed deduction on functional programming languages and programs, we propose a formalism to symbolically represent $\alpha$-renamings for meta-expressions. The formalism is an extension of usual higher-order meta-syntax which allows to $\alpha$-rename all valid ground instances of a meta-expression to fulfill the distinct variable convention. The renaming mechanism may be helpful for several reasoning tasks in deduction systems. We present our approach for a meta-language which uses higher-order abstract syntax and a meta-notation for recursive let-bindings, contexts, and environments. It is used in the LRSX Tool -- a tool to reason on the correctness of program transformations in higher-order program calculi with respect to their operational semantics. Besides introducing a formalism to represent symbolic $\alpha$-renamings, we present and analyze algorithms for simplification of $\alpha$-renamings, matching, rewriting, and checking $\alpha$-equivalence of symbolically $\alpha$-renamed meta-expressions.
We introduce rewriting of meta-expressions which stem from a meta-language that uses higher-order abstract syntax augmented by meta-notation for recursive let, contexts, sets of bindings, and chain variables. Additionally, three kinds of constraints can be added to meta-expressions to express usual constraints on evaluation rules and program transformations. Rewriting of meta-expressions is required for automated reasoning on programs and their properties. A concrete application is a procedure to automatically prove correctness of program transformations in higher-order program calculi which may permit recursive let-bindings as they occur in functional programming languages. Rewriting on meta-expressions can be performed by solving the so-called letrec matching problem which we introduce. We provide a matching algorithm to solve it. We show that the letrec matching problem is NP-complete, that our matching algorithm is sound and complete, and that it runs in non-deterministic polynomial time.
This is a short summary of a recent survey [FR03] focusing on the observed evidence, that Internet connectivity is positively correlated with spread of democracy at high levels of significance. The results of multivariate correlation analysis and probabilities regression estimate models are based on the combined analysis of mid - 1991’s, to 2001 data series of the Eurostat’s and US Census Bureau, the World Bank, and OECD’s statistical data service which track the growth of information technology and rating of freedom and democracy worldwide.
We present an implementation of an interpreter LRPi for the call-by-need calculus LRP, based on a variant of Sestoft's abstract machine Mark 1, extended with an eager garbage collector. It is used as a tool for exact space usage analyses as a support for our investigations into space improvements of call-by-need calculi.
50 years of amino acid hydrophobicity scales : revisiting the capacity for peptide classification
(2016)
Background: Physicochemical properties are frequently analyzed to characterize protein-sequences of known and unknown function. Especially the hydrophobicity of amino acids is often used for structural prediction or for the detection of membrane associated or embedded β-sheets and α-helices. For this purpose many scales classifying amino acids according to their physicochemical properties have been defined over the past decades. In parallel, several hydrophobicity parameters have been defined for calculation of peptide properties. We analyzed the performance of separating sequence pools using 98 hydrophobicity scales and five different hydrophobicity parameters, namely the overall hydrophobicity, the hydrophobic moment for detection of the α-helical and β-sheet membrane segments, the alternating hydrophobicity and the exact ß-strand score.
Results: Most of the scales are capable of discriminating between transmembrane α-helices and transmembrane β-sheets, but assignment of peptides to pools of soluble peptides of different secondary structures is not achieved at the same quality. The separation capacity as measure of the discrimination between different structural elements is best by using the five different hydrophobicity parameters, but addition of the alternating hydrophobicity does not provide a large benefit. An in silico evolutionary approach shows that scales have limitation in separation capacity with a maximal threshold of 0.6 in general. We observed that scales derived from the evolutionary approach performed best in separating the different peptide pools when values for arginine and tyrosine were largely distinct from the value of glutamate. Finally, the separation of secondary structure pools via hydrophobicity can be supported by specific detectable patterns of four amino acids.
Conclusion: It could be assumed that the quality of separation capacity of a certain scale depends on the spacing of the hydrophobicity value of certain amino acids. Irrespective of the wealth of hydrophobicity scales a scale separating all different kinds of secondary structures or between soluble and transmembrane peptides does not exist reflecting that properties other than hydrophobicity affect secondary structure formation as well. Nevertheless, application of hydrophobicity scales allows distinguishing between peptides with transmembrane α-helices and β-sheets. Furthermore, the overall separation capacity score of 0.6 using different hydrophobicity parameters could be assisted by pattern search on the protein sequence level for specific peptides with a length of four amino acids.
Magnetoencephalography (MEG) measures neural activity non-invasively and at an excellent temporal resolution. Since its invention (Cohen, 1968, 1972), MEG has proven a most valuable tool in neurocognitive (Salmelin et al., 1994) and clinical research (Stufflebeam et al., 2009; Van ’t Ent et al., 2003). MEG is able to measure rapid changes in electrophysiological neural signals related to sensory and cognitive processes. The magnetic fields measured outside the head by MEG directly reflect the cortical currents generated by the synchronised activity of thousands of neuronal sources. This distinguishes MEG from functional magnetic resonance imaging (fMRI), where measurements are only indirectly related to electrophysiological activity through neurovascular coupling...
Die zunehmende Verbreitung des Internets als universelles Netzwerk zum Transport von Daten aller Art hat in den letzten zwei Dekaden dazu geführt, dass die anfallenden Datenmengen von traditionellen Datenbanksystemen kaum mehr effektiv zu verarbeiten sind. Das liegt zum einen darin, dass ein immer größerer Teil der Erdbevölkerung Zugang zum Internet hat, zum Beispiel via
Internet-fähigen Smartphones, und dessen Dienste nutzen möchte. Zudem tragen immer höhere verfügbare Bandbreiten für den Internetzugang dazu bei, dass die weltweit erzeugten Informationen mittlerweile exponentiell steigen.
Das führte zur Entwicklung und Implementierung von Technologien, um diese immensen Datenmengen wirksam verarbeiten zu können. Diese Technologien können unter dem Sammelbegriff "Big Data" zusammengefasst werden und beschreiben dabei Verfahren, um strukturierte und unstrukturierte Informationen im Tera- und Exabyte-Bereich sogar in Echtzeit verarbeiten zu können. Als Basis dienen dabei Datenbanksysteme, da sie ein bewährtes und praktisches Mittel sind, um Informationen zu strukturieren, zu organisieren, zu manipulieren und effektiv abrufen zu können. Wie bereits erwähnt, hat sich herausgestellt, dass traditionelle Datenbanksysteme, die auf dem relationalen Datenmodell basieren, nun mit Datenmengen konfrontiert sind, mit denen sie nicht sehr gut hinsichtlich der Performance und dem Energieverbrauch skalieren. Dieser Umstand führte zu der Entwicklung von spezialisierten Datenbanksystemen, die andere Daten- und Speichermodelle implementieren und für diese eine deutlich höhere Performance bieten.
Zusätzlich erfordern Datenbanksysteme im Umfeld von "Big Data" wesentlich größere Investitionen in die Anzahl von Servern, was dazu geführt hat, dass immer mehr große und sehr große Datenverarbeitungszentren entstanden sind. In der Zwischenzeit sind die Aufwendungen für Energie zum Betrieb und Kühlen dieser Zentren ein signifikanter Kostenfaktor geworden. Dementsprechend sind bereits Anstrengungen unternommen worden, das Themenfeld Energieeffizienz (die Relation zwischen Performance und Energieverbrauch) von Datenbanksystemen eingehender zu untersuchen.
Mittlerweile sind über 150 Datenbanksysteme bekannt, die ihre eigenen Stärken und Schwächen in Bezug auf Performance, Energieverbrauch und schlussendlich Energieeffizienz haben. Die Endanwender von Datenbanksystemen sehen sich nun in der schwierigen Situation, für einen gegebenen Anwendungsfall das geeigneteste Datenbanksystem in Hinblick auf die genannten Faktoren zu ermitteln. Der Grund dafür ist, dass kaum objektive und unabhängige Vergleichszahlen zur Entscheidungsfindung existieren und dass die Ermittlung von Vergleichszahlen zumeist über die Ausführung von Benchmarks auf verschiedensten technischen Plattformen geschieht. Es ist offensichtlich, dass die mehrfache Ausführung eines Benchmarks mit unterschiedlichsten Parametern (unter anderem die Datenmenge, andere Kombinationen aus technischen Komponenten, Betriebssystem) große Investitionen in Zeit und Technik erfordern, um möglichst breit gefächerte Vergleichszahlen zu erhalten.
Eine Möglichkeit ist es, die Ausführung eines Benchmarks zu simulieren anstatt ihn real zu absolvieren, um die Investitionen in Technik und vor allem Zeit zu minimieren. Diese Simulationen haben auch den Vorteil, dass zum Beispiel die Entwickler von Datenbanksystemen die Auswirkungen auf Performance und Energieeffizienz bei der Änderungen an der Architektur simulieren können anstatt sie durch langwierige Regressionstests evaluieren zu müssen. Damit solche Simulationen eine praktische Relevanz erlangen können, muss natürlich die Differenz zwischen den simulierten und den real gewonnenen Vergleichsmetriken möglichst klein sein. Zudem muss eine geeignete Simulation eine möglichst große Anzahl an Datenbanksystemen und technischen Komponenten nachstellen können.
Die vorliegende Dissertation zeigt, dass eine solche Simulation realistisch ist. Dafür wurde in einem ersten Schritt die Einflussaktoren auf Performance, Energieverbrauch und Energieeffizienz eines Datenbanksystems ermittelt und deren Wirkung anhand von experimentellen Ergebnissen bestimmt. Zusätzlich wurden auch geeignete Metriken und generelle Eigenschaften von Datenbanksystemen und von Benchmarks evaluiert. In einem zweiten Schritt wurde dann ein geeignetes Simulationsmodell erarbeitet und sukzessiv weiterentwickelt. Bei jedem Entwicklungsschritt wurden dann reale Experimente in Form von Benchmarkausführungen für verschiedenste Datenbanksysteme und technische Plattformen durchgeführt. Diese Experimente wurden mittels des Simulationsmodells nachvollzogen, um die Differenz zwischen realen und simulierten Benchmarkergebnissen zu berechnen. Die Ergebnisse des letzten Entwicklungsschrittes zeigen, dass diese Differenz unter acht Prozent liegt. Die vorliegende Dissertation zeigt auch, dass das Simulationsmodell nicht nur dazu geeignet ist, anerkannte Benchmarks zu simulieren, sondern sich im allgemeinen auch dafür eignet, ein Datenbanksystem und die technische Plattform, auf der es ausgeführt wird, generell zu simulieren. Das ermöglicht auch die Simulation anderer Anwendungsfälle, zum Beispiel Regressionstests.
The amyloid precursor protein (APP) was discovered in the 1980s as the precursor protein of the amyloid A4 peptide. The amyloid A4 peptide, also known as A-beta (Aβ), is the main constituent of senile plaques implicated in Alzheimer’s disease (AD). In association with the amyloid deposits, increasing impairments in learning and memory as well as the degeneration of neurons especially in the hippocampus formation are hallmarks of the pathogenesis of AD. Within the last decades much effort has been expended into understanding the pathogenesis of AD. However, little is known about the physiological role of APP within the central nervous system (CNS). Allocating APP to the proteome of the highly dynamic presynaptic active zone (PAZ) identified APP as a novel player within this neuronal communication and signaling network. The analysis of the hippocampal PAZ proteome derived from APP-mutant mice demonstrates that APP is tightly embedded in the underlying protein network. Strikingly, APP deletion accounts for major dysregulation within the PAZ proteome network. Ca2+-homeostasis, neurotransmitter release and mitochondrial function are affected and resemble the outcome during the pathogenesis of AD. The observed changes in protein abundance that occur in the absence of APP as well as in AD suggest that APP is a structural and functional regulator within the hippocampal PAZ proteome. Within this review article, we intend to introduce APP as an important player within the hippocampal PAZ proteome and to outline the impact of APP deletion on individual PAZ proteome subcommunities.
Software evolves. Developers and programmers manifest the needs that arise due to evolving software by making changes to the source code. While developers make such changes, reusing old code and rewriting existing code are inevitable. There are many challenges that a developer faces when manually reusing old code or rewriting existing code. Software tools and program transformation systems aid such reuse or rewriting of program source code. But there are significantly occuring development tasks that are hard to accomplish manually, where the current state-of-the-art tools are still not able to adequately automate these tasks. In this thesis, we discuss some of these unexplored challenges that a developer faces while reusing and rewriting program source code, the significance of such challenges, the existing automation support for these challenges and how we can improve upon them.
Modern software development relies on code reuse, which software developers
typically realize through hand-written abstractions, such as functions,
methods, or classes. However, such abstractions can be challenging to
develop and maintain. An alternative form of reuse is \emph{copy-paste-modify}, in which developers explicitly duplicate source code to adapt the duplicate for a new purpose. Copy-pasted code results in code clones, i.e., groups of code fragments that are similar to each other. Past research strongly suggests that copy-paste-modify is a popular technique among software developers. In this paper, we perform a small user study that shows that copy-paste-modify can be substantially faster to use than manual abstraction.
One might propose that software developers should forego hand-written abstractions in favour of copying and pasting. However, empirical evidence also shows that copy-paste-modify complicates software maintenance and increases the frequency of bugs. Furthermore, the developers in an informal poll we conducted strongly preferred to read code written using abstractions. To address the concern around copy-paste-modify, we propose a tool that merges similar pieces of code and automatically creates suitable abstractions. Our tool allows developers to get the best of both worlds: easy reuse together with custom abstractions. Because different kinds of abstractions may be beneficial in different contexts, our tool provides multiple abstraction mechanisms, which we selected based on a study of popular open-source repositories.
To demonstrate the feasibility of our approach, we have designed and implemented a prototype merging tool for C++ and evaluated our tool on a number of clones exhibiting some variation, i.e near clones, in popular Open Source packages. We observed that maintainers find our algorithmically created abstractions to be largely preferable to existing duplicated code. Rewriting existing code can be considered as a form of program transformation, where a program in one form is transformed into a program in another form. One significant form of program transformation is data representation migration that involves changing the type of a particular data structure, and then updating all of the operations that has a control or data dependence on that data structure according to the new type. Changing the data representation can provide benefits such as improving efficiency and improving the quality of the computed results. Performing such a transformation is challenging, because it requires applying data-type specific changes to code fragments that may be widely scattered throughout the source code connected by dataflow dependencies. Refactoring systems are typically sensitive to dataflow dependencies, but are not programmable with respect to the features of particular data types. Existing program transformation languages provide the needed flexibility, but do not concisely support reasoning about dataflow dependencies.
To address the needs of data representation migration, we propose a new approach to program transformation that relies on a notion of semantic dependency: every transformation step propagates the transformation process onward to code that somehow depends on the transformed code. Our approach provides a declarative transformation specification language, for expressing type-specific transformation rules. We further provide scoped rules, a mechanism for guiding rule application, and tags, a device for simple program analysis within our framework, to enable more powerful program transformations.
We have implemented a prototype transformation system based on these ideas for C and C++ code and evaluate it against three example specifications, including vectorization, transformation of integers to big integers, and transformation of array-of-structs data types to struct-of-arrays format. Our evaluation shows that our approach can improve program performance and the precision of the computed results, and that it scales to programs of at least 3700 lines.
One of the main things that we as humans do in our lifetime is the recognition and/or classification of all kind of visual objects. It is known that about fifty percentage of the neocortex is responsible for visual processing. This fact tells us that object recognition (OR) is a complex task in our and in the animal brain, but we do it in a fraction of a second.
The main question is: How does the brain exactly do it? Does the brain use some feature extraction algorithm for OR tasks? The hierarchical structure of the visual cortex and studies on a part of the visual cortex called V1 tell us that our brain uses feature extraction for OR tasks by Gabor filters. We also use our previous knowledge in object recognition to detect and recognize the objects which we never saw before. Also, as we grow up we learn new objects faster than before.
These facts imply that the visual cortex of human and other animals uses some common (universal) features at least in the first stages to distinguish between different objects. In this context, we might ask: Do universal features in images exist, such that by using them we are able to efficiently recognize any unknown object? Is it necessary to extract new special features for any new object? How about using existing features from other tasks for this? Is it possible to efficiently use extracted feature of a specific task for other tasks? Are there some general features in natural and non-natural images which can also be used for specific object recognition? For example, can we use extracted features of natural images also for handwritten digit classification?
In this context, our work proposes a new information-based approach and tries to give some answers to the questions above. As a result, in our case we found that we could indeed extract unique features which are valid in all three different kinds of tasks. They give classification results that are about as good as the results reported by the corresponding literature for the specialized systems, or even better ones.
Another problem of the OR task is the recognition of objects, independently of any perception changes. We as humans or also animals can recognize objects in spite of many deformations (e.g. changes in illumination, rotation in any direction or angles, distortion and scaling up or down) in a fraction of a second. When observing an object which we never saw, we can imagine the rotated or scaled up objectin our mind. Here, also the question arises: How does the brain solve this problem? To do this, does the brain learn some mapping algorithm (transformation), independent of the objects or their features?
There are many approaches to model the mapping task. One of the most versatile ones is the idea of dynamically changing mappings, the dynamic link mapping (DLM). Although the dynamic link mapping systems show interesting results, the DLM system has the problem of a high computational complexity. In addition, because it uses the least mean squared error as risk function, the performance for classification is also not optimal. For random values where outliers are present, this system may not work well because outliers influence the mean squared error classification much more than probability-based systems. Therefore, we would like to complete the DLM system by a modified approach.
In our contribution, we will introduce a new system which employs the information criteria (i.e. probabilities) to overcome the outlier problem of the DLM systems and has a smaller computational complexity. The new information based selforganised system can solve the problem of invariant object recognition, especially in the task of rotation in depth, and does not have the disadvantage of current DLM systems and has a smaller computational complexity.
To accommodate the growth of the software industry, programming languages are getting increasingly easy to use. The latest trend in the simplification of the software development process is the usage of visual programming environments. To make visual programming effective, the graph-like representation of the source code must be clearly arranged. This thesis details some of the difficulties in automatic layout generation and proposes an interface as well as two different implementations of automatic layout generators to integrate into the VWorkflows visual programming framework.
Algorithms for the Maximum Cardinality Matching Problem which greedily add edges to the solution enjoy great popularity. We systematically study strengths and limitations of such algorithms, in particular of those which consider node degree information to select the next edge. Concentrating on nodes of small degree is a promising approach: it was shown, experimentally and analytically, that very good approximate solutions are obtained for restricted classes of random graphs. Results achieved under these idealized conditions, however, remained unsupported by statements which depend on less optimistic assumptions.
The KarpSipser algorithm and 1-2-Greedy, which is a simplified variant of the well-known MinGreedy algorithm, proceed as follows. In each step, if a node of degree one (resp. at most two) exists, then an edge incident with a minimum degree node is picked, otherwise an arbitrary edge is added to the solution.
We analyze the approximation ratio of both algorithms on graphs of degree at most D. Families of graphs are known for which the expected approximation ratio converges to 1/2 as D grows to infinity, even if randomization against the worst case is used. If randomization is not allowed, then we show the following convergence to 1/2: the 1-2-Greedy algorithm achieves approximation ratio (D-1)/(2D-3); if the graph is bipartite, then the more restricted KarpSipser algorithm achieves the even stronger factor D/(2D-2). These guarantees set both algorithms apart from other famous matching heuristics like e.g. Greedy or MRG: these algorithms depend on randomization to break the 1/2-barrier even for paths with D=2. Moreover, for any D our guarantees are strictly larger than the best known bounds on the expected performance of the randomized variants of Greedy and MRG.
To investigate whether KarpSipser or 1-2-Greedy can be refined to achieve better performance, or be simplified without loss of approximation quality, we systematically study entire classes of deterministic greedy-like algorithms for matching. Therefore we employ the adaptive priority algorithm framework by Borodin, Nielsen, and Rackoff: in each round, an adaptive priority algorithm requests one or more edges by formulating their properties---like e.g. "is incident with a node of minimum degree"---and adds the received edges to the solution. No constraints on time and space usage are imposed, hence an adaptive priority algorithm is restricted only by its nature of picking edges in a greedy-like fashion. If an adaptive priority algorithm requests edges by processing degree information, then we show that it does not surpass the performance of KarpSipser: our D/(2D-2)-guarantee for bipartite graphs is tight and KarpSipser is optimal among all such "degree-sensitive" algorithms even though it uses degree information merely to detect degree-1 nodes. Moreover, we show that if degrees of both nodes of an edge may be processed, like e.g. the Double-MinGreedy algorithm does, then the performance of KarpSipser can only be increased marginally, if at all. Of special interest is the capability of requesting edges not only by specifying the degree of a node but additionally its set of neighbors. This enables an adaptive priority algorithm to "traverse" the input graph. We show that on general degree-bounded graphs no such algorithm can beat factor (D-1)/(2D-3). Hence our bound for 1-2-Greedy is tight and this algorithm performs optimally even though it ignores neighbor information. Furthermore, we show that an adaptive priority algorithm deteriorates to approximation ratio exactly 1/2 if it does not request small degree nodes. This tremendous decline of approximation quality happens for graphs on which 1-2-Greedy and KarpSipser perform optimally, namely paths with D=2. Consequently, requesting small degree nodes is vital to beat factor 1/2.
Summarizing, our results show that 1-2-Greedy and KarpSipser stand out from known and hypothetical algorithms as an intriguing combination of both approximation quality and conceptual simplicity.
We present techniques to prove termination of cycle rewriting, that is, string rewriting on cycles, which are strings in which the start and end are connected. Our main technique is to transform cycle rewriting into string rewriting and then apply state of the art techniques to prove termination of the string rewrite system. We present three such transformations, and prove for all of them that they are sound and complete. In this way not only termination of string rewriting of the transformed system implies termination of the original cycle rewrite system, a similar conclusion can be drawn for non-termination. Apart from this transformational approach, we present a uniform framework of matrix interpretations, covering most of the earlier approaches to automatically proving termination of cycle rewriting. All our techniques serve both for proving termination and relative termination. We present several experiments showing the power of our techniques.
The brain is a highly dynamic and variable system: when the same stimulus is presented to the same animal on the same day multiple times, the neural responses show high trial-to-trial variability. In addition, even in the absence of sensory stimulation neural recordings spontaneously show seemingly random activity patterns. Evoked and spontaneous neural variability is not restricted to activity but is also found in structure: most synapses do not survive for longer than two weeks and even those that do show high fluctuations in their efficacy.
Both forms of variability are further affected by stochastic components of neural processing such as frequent transmission failure. At present it is unclear how these observations relate to each other and how they arise in cortical circuits.
Here, we will investigate how the self-organizational processes of neural circuits affect the high variability in two different directions: First, we will show that recurrent dynamics of self-organizing neural networks can account for key features of neural variability. This is achieved in the absence of any intrinsic noise sources by the neural network models learning a predictive model of their environment with sampling-like dynamics. Second, we will show that the same self-organizational processes can compensate for intrinsic noise sources. For this, an analytical model and more biologically plausible models are established to explain the alignment of parallel synapses in the presence of synaptic failure.
Both modeling studies predict properties of neural variability, of which two are subsequently tested on a synapse database from a dense electron microscopy reconstruction from mouse somatosensory cortex and on multi-unit recordings from the visual cortex of macaque monkeys during a passive viewing task. While both analyses yield interesting results, the predicted properties were not confirmed, guiding the next iteration of experiments and modeling studies.
Since Mobile Virtual Assistants are rising in popularity and come with most new smartphones out of the box and theoretical work in the field is hard to come by, a test is in order to establish the status quo of development. We did a manual test on six different Mobile Virtual Assistants in the categories Voice Recognition, Online Search, Phone Control and Natural Conversation and the results show that Siri is currently the best Mobile Virtual Assistant on the market with a success rate of 65.8% on average over all four categories.
The degradation of cytosol-invading pathogens by autophagy, a process known as xenophagy, is an important mechanism of the innate immune system. Inside the host, Salmonella Typhimurium invades epithelial cells and resides within a specialized intracellular compartment, the Salmonella-containing vacuole. A fraction of these bacteria does not persist inside the vacuole and enters the host cytosol. Salmonella Typhimurium that invades the host cytosol becomes a target of the autophagy machinery for degradation. The xenophagy pathway has recently been discovered, and the exact molecular processes are not entirely characterized. Complete kinetic data for each molecular process is not available, so far. We developed a mathematical model of the xenophagy pathway to investigate this key defense mechanism. In this paper, we present a Petri net model of Salmonella xenophagy in epithelial cells. The model is based on functional information derived from literature data. It comprises the molecular mechanism of galectin-8-dependent and ubiquitin-dependent autophagy, including regulatory processes, like nutrient-dependent regulation of autophagy and TBK1-dependent activation of the autophagy receptor, OPTN. To model the activation of TBK1, we proposed a new mechanism of TBK1 activation, suggesting a spatial and temporal regulation of this process. Using standard Petri net analysis techniques, we found basic functional modules, which describe different pathways of the autophagic capture of Salmonella and reflect the basic dynamics of the system. To verify the model, we performed in silico knockout experiments. We introduced a new concept of knockout analysis to systematically compute and visualize the results, using an in silico knockout matrix. The results of the in silico knockout analyses were consistent with published experimental results and provide a basis for future investigations of the Salmonella xenophagy pathway.
Author Summary
Salmonellae are Gram-negative bacteria, which cause the majority of foodborne diseases worldwide. Serovars of Salmonella cause a broad range of diseases, ranging from diarrhea to typhoid fever in a variety of hosts. In the year 2010, Salmonella Typhi caused 7.6 million foodborne diseases and 52 000 deaths, and Salmonella enterica was responsible for 78.7 million diseases and 59 000 deaths. After invasion of Salmonella into host epithelial cells, a small fraction of Salmonella escapes from a specialized intracellular compartment and replicates inside the host cytosol. Xenophagy is a host defense mechanism to protect the host cell from cytosolic pathogens. Understanding how Salmonella is recognized and targeted for xenophagy is an important subject of current research. To the best of our knowledge, no mathematical model has been presented so far, describing the process of Salmonella Typhimurium xenophagy. Here, we present a manually curated and mathematically verified theoretical model of Salmonella Typhimurium xenophagy in epithelial cells, which is consistent with the current state of knowledge. Our model reproduces literature data and postulates new hypotheses for future investigations.
Raytracing und Szenegraphen
(2006)
Raytracing ist ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung fotorealistischer Bilder. Globale Beleuchtungseffekte einer 3D-Szene werden durch das Raytracing-Verfahren physikalisch korrekt dargestellt. Erst aktuelle Forschungsarbeiten erm¨oglichen es, das sehr rechenintensive Verfahren bei interaktiven Bildraten in Echtzeit zu berechnen.
Komplexe 3D-Szenen, wie sie beispielsweise in 3D-Spielen oder Simulationen vorkommen, können durch einen Szenengraphen modelliert und animiert werden. Damit die Rendering-Ergebnisse eines Szenengraphen n¨aher an einem realen Bild liegen, ist es erforderlich das Raytracing-Verfahren in einen Szenengraphen einzugliedern.
In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten zur Integration eines Echtzeit-Raytracers in eine Szenengraph-API untersucht. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Darstellung dynamischer Szenen bei interaktiven Bildraten unter Verwendung des Raytracing-Verfahrens auf einem herk¨ommlichen PC. Zun¨achst m¨ussen bestehende Open Source Szenengraph-APIs und aktuelle Echtzeit-Raytracer auf ihre Eignung zur Integration hin überprüft werden.
Bei der Verarbeitung dynamischer Szenen spielt die verwendete Beschleunigungsdatenstruktur des Raytracers eine entscheidende Rolle. Da eine komplette Neuerstellung der Datenstruktur in jedem Bild zuviel Zeit in Anspruch nimmt, ist eine schnelle und kostengünstige Aktualisierung erforderlich. Die in [LAM01] vorgestellte Lösung, eine Hüllkörperhierarchie (BVH) als Beschleunigungsdatenstruktur zu verwenden, fügt sich sehr gut in das Konzept eines Szenengraphen ein. Dadurch wird eine einfache Aktualisierung ermöglicht.
Um das Ziel dieser Arbeit zu erreichen, ist es notwendig, die Parallelisierbarkeit des Raytracing-Verfahrens auszunutzen. Purcell zeigt in [Pur04], dass Grafikprozessoren (GPUs) neben ihrer eigentlichen Aufgabe auch für allgemeine, parallele Berechnungen wie das Raytracing verwendet werden können.
Die in bisherigen Arbeiten über GPU-basiertes Raytracing entwickelten Systeme können dynamische Szenen nicht bei interaktiven Bildraten darstellen. Aus diesem Grund wird in dieser Diplomarbeit ein neues System konzipiert und implementiert, das den in [TS05] entwickelten Raytracer erweitert und in die Open Source Szenengraph-API OGRE 3D integriert.
Das implementierte System ermöglicht die Darstellung statischer und dynamischer Szenen unter Verwendung einer Consumer-Grafikkarte bei interaktiven Bildraten. Durch seine Erweiterbarkeit bildet das System das Grundger¨ust für ein Realtime-High-Quality-Rendering-System.
The constantly increasing memory density and performance of recent Field Programmable Gate Arrays (FPGA) has boosted a usage in many technical applications such as particle accelerators, automotive industry as well as defense and space. Some of these fields of interest are characterized by the presence of ionizing radiation as caused by natural decay or artificial excitation processes. Unfortunately, this type of radiation affects various digital circuits, including transistors forming Static Random Access Memory (SRAM) storage cells that constitute the technology node for high performance FPGAs. Various digital misbehavior in temporal or permanent manner as well as physical destruction of transistors are the consequence. Therefore, the mitigation of such effects becomes an essential design rule when using SRAM FPGAs in ionizing radiation environments. Tolerance against soft errors can be handled across various layers of modern FPGA design, starting with the most basic silicon manufacturing process, towards configuration, firmware, and system design, until finally ending up with application and software engineering. But only a highly optimized, joint concept of system-wide fault tolerance provides sufficient resilience against ionizing radiation effects without losing too much valuable device resources to the safety approach. This concept is introduced, analyzed, improved and validated in the present work. It includes, but is not limited to, static configuration scrubbing, various firmware redundancy approaches, dynamic memory conservation as well as state machine protection. Guidelines are given to improve manual design practices concerning fault tolerance and tools are shown to reduce necessary efforts. Finally, the SysCore development platform has been maintained to support the recommended design methods and act as Device Under Test (DUT) for all particle irradiation experiments that prove the efficiency of the proposed concept of system-wide fault tolerance for SRAM FPGAs in ionizing radiation environments.
The future heavy-ion experiment CBM (FAIR/GSI, Darmstadt, Germany) will focus on measurement of very rare probes at interaction rates up to 10 MHz with data flow of up to 1 TB/s. The beam will provide free stream of beam particles without bunch structure. That requires full online event reconstruction and selection not only in space, but also in time, so-called 4D event building and selection.
The FLES (First-Level Event Selection) reconstruction and selection package consists of several modules: track finding, track fitting, short-lived particles finding, event building and event selection. A time-slice is reconstructed in parallel between cores within a same CPU, thus minimizing the communication between CPUs. After all tracks are found and fitted in 4D, they are collected into clusters of tracks originated from common primary vertices, which then are fitted, thus identifying 4D interaction points registered within the time-slice. Secondary tracks are associated with primary vertices according to their estimated production time. After that, short-lived particles are found and the full event building process is finished. The last stage of the FLES package is the selection of events according to the requested trigger signatures.
This paper provides a theoretical assessment of gestures in the context of authoring image-related hypertexts by example of the museum information system WikiNect. To this end, a first implementation of gestural writing based on image schemata is provided (Lakoff in Women, fire, and dangerous things: what categories reveal about the mind. University of Chicago Press, Chicago, 1987). Gestural writing is defined as a sort of coding in which propositions are only expressed by means of gestures. In this respect, it is shown that image schemata allow for bridging between natural language predicates and gestural manifestations. Further, it is demonstrated that gestural writing primarily focuses on the perceptual level of image descriptions (Hollink et al. in Int J Hum Comput Stud 61(5):601–626, 2004). By exploring the metaphorical potential of image schemata, it is finally illustrated how to extend the expressiveness of gestural writing in order to reach the conceptual level of image descriptions. In this context, the paper paves the way for implementing museum information systems like WikiNect as systems of kinetic hypertext authoring based on full-fledged gestural writing.
In der folgenden Anleitung werden diverse Methoden für den Zugriff auf das Ressourcen-Management, entwickelt von der AG Texttechnologie, erläutert. Das Ressourcen-Management ist für alle Anwendungen identisch. Erklärt wird das Auslesen des Ressourcen-Managements der Projects „PHI Picturing Atlas“. Alle Anweisungen erfolgen per RESTful-Aufrufen. Die API-Dokumentation findet sich unter http://phi.resources.hucompute.org.
Die letzten Jahrzehnte brachten einen enormen Zuwachs des Wissens und Verständnisses über die molekularen Prozesse des Lebens.Möglich wurde dieser Zuwachs durch die Entwicklung diverser Methoden, mit denen beispielsweise gezielt die Konzentration einzelner Stoffe gemessen werden kann oder gar alle anwesenden Metaboliten eines biologischen Systems erfasst werden können. Die großflächige Anwendung dieser Methoden führte zur Ansammlung vieler unterschiedlicher -om-Daten, wie zum Beispiel Metabolom-, Proteom- oder Transkriptoms-Datensätzen. Die Systembiologie greift auf solche Daten zurück, um mathematische Modelle biologischer Systeme zu erstellen, und ermöglicht so ein Studium biologischer Systeme auch außerhalb des Labors.
Für größere biologische Systeme stehen jedoch meistens nicht alle Informationen über Stoffkonzentrationen oder Reaktionsgeschwindigkeiten zur Verfügung, um eine quantitative Modellierung, also die Beschreibung von Änderungsraten kontinuierlicher Variablen, durchführen zu können. In einem solchen Fall wird auf Methoden der qualitativen Modellierung zurückgegriffen. Eine dieser Methoden sind die Petrinetze (PN), welche in den 1960er Jahren von Carl Adam Petri entwickelt wurden, um nebenläufige Prozesse im technischen Umfeld zu beschreiben. Seit Anfang der 1990er Jahre finden PN auch Anwendung in der Systembiologie, um zum Beispiel metabolische Systeme oder Signaltransduktionswege zu modellieren. Einer der Vorteile dieser Methode ist zudem, dass Modelle als qualitative Beschreibung des Systems begonnen werden können und im Laufe der Zeit um quantitative Beschreibungen ergänzt werden können.
Zur Modellierung und Analyse von PN existieren bereits viele Anwendungen. Da das Konzept der PN jedoch ursprünglich nicht für die Systembiologie entwickelt wurde und meist im technischen Bereich verwendet wird, existierten kaum Anwendungen, die für den Einsatz in der Systembiologie entwickelt wurden. Daher ist auch die Durchführung der für die Systembiologie entwickelten Analysemethoden für PN nicht mit diesen Anwendungen möglich. Die Motivation des ersten Teiles dieser Arbeit war daher, eine Anwendung zu schaffen, die speziell für die PN-Modellierung und Analyse in der Systembiologie gedacht ist, also in ihren Analysemethoden und ihrer Terminologie sich an den Bedürfnissen der Systembiologie orientiert. Zudem sollte die Anwendung den Anwender bei der Auswertung der Resultate der Analysemethoden visuell unterstützen, indem diese direkt visuell im Kontext des PN gesetzt werden. Da bei komplexeren PN die Resultate der Analysemethoden in ihrer Zahl drastisch anwachsen, wird eine solche Auswertung dieser notwendig. Aus dieser Motivation heraus entstand die Anwendung MonaLisa, dessen Implementierung und Funktionen im ersten Teil der vorliegenden Arbeit beschrieben werden. Neben den klassischen Analysemethoden für PN, wie den Transitions- und Platz-Invarianten, mit denen grundlegende funktionale Module innerhalb eines PN gefunden werden können, wurden weitere, meist durch die Systembiologie entwickelte, Analysemethoden implementiert. Dazu zählen zum Beispiel die Minimal Cut Sets, die Maximal Common Transitions Sets oder Knock-out-Analysen. Mit MonaLisa ist aber auch die Simulation des dynamischen Verhaltens des modellierten biologischen Systems möglich. Hierzu stehen sowohl deterministische als auch stochastische Verfahren, beispielsweise der Algorithmus von Gillespie zur Simulation chemischer Systeme, zur Verfügung. Für alle zur Verfügung gestellten Analysemethoden wird ebenfalls eine visuelle Repräsentation ihrer Resultate bereitgestellt. Im Falle der Invarianten werden deren Elemente beispielsweise in der Visualisierung des PN eingefärbt. Die Resultate der Simulationen oder der topologischen Analyse können durch verschiedene Graphen ausgewertet werden. Um eine Schnittstelle zu anderen Anwendungen zu schaffen, wurde für MonaLisa eine Unterstützung einiger gängiger Dateiformate der Systembiologie geschaffen, so z.B. für SBML und KGML.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der topologischen Analyse eines Datensatzes von 2641 Gesamtgenom Modellen aus der path2models-Datenbank. Diese Modelle wurden automatisiert aus dem vorhandenen Wissen der KEGG- und der MetaCyc-Datenbank erstellt. Die Analyse der topologischen Eigenschaften eines Graphen ermöglicht es, grundlegende Aussagen über die globalen Eigenschaften des modellierten Systems und dessen Entstehungsprozesses zu treffen. Daher ist eine solche Analyse oft der erste Schritt für das Verständnis eines komplexen biologischen Systems. Für die Analyse der Knotengrade aller Reaktionen und Metaboliten dieser Modelle wurden sie in einem ersten Schritt in PN transformiert. Die topologischen Eigenschaften von metabolischen Systemen werden in der Literatur schon sehr gut beschrieben, wobei die Untersuchungen meist auf einem Netzwerk der Metaboliten oder der Reaktionen basieren. Durch die Verwendung von PN wird es möglich, die topologischen Eigenschaften von Metaboliten und Reaktionen in einem gemeinsamen Netzwerk zu untersuchen. Die Motivation hinter diesen Untersuchungen war, zu überprüfen, ob die schon beschriebenen Eigenschaften auch für eine Darstellung als PN zutreffen und welche neuen Eigenschaften gefunden werden können. Untersucht wurden der Knotengrad und der Clusterkoeffizient der Modelle. Es wird gezeigt, dass einige wenige Metaboliten mit sehr hohem Knotengrad für eine ganze Reihe von Effekten verantwortlich sind, wie beispielsweise dass die Verteilung des Knotengrades und des Clusterkoeffizienten, im Bezug auf Metaboliten, skalenfrei sind und dass sie für die Vernetzung der Nachbarschaft von Reaktionen verantwortlich sind. Weiter wird gezeigt, dass die Größe eines Modelles Einfluss auf dessen topologische Eigenschaften hat. So steigt die Vernetzung der Nachbarschaft eines Metaboliten, je mehr Metaboliten in einem biologischen System vorhanden sind, gleiches gilt für den durchschnittlichen Knotengrad der Metaboliten.
Trotz eines umfangreichen Angebots an Literatur und Ratgebern im Bereich des Projektmanagements scheitern auch heute noch viele IT-Projekte. Ursache sind oft Probleme im Projektteam oder Fehleinschätzungen in der Planung des Projektes und Überwachung des Projektstatus. Insbesondere durch neue Technologien und Globalisierung entstandene Arbeitsweisen wie das virtuelle Team sind davon betroffen. In dieser Arbeit wird auf die Frage eingegangen, was virtuelle Teams sind und welche Probleme die Arbeit von virtuellen Teams belastet. Dafür werden aktuell existierende Tools aus dem Bereich des Web 2.0 analysiert und aus dem Stand der angebotenen Tools vermeidbare Schwächen der Helfer herausgearbeitet. Anschließend wird ein mittels einer Anforderungsanalyse und eines Konzepts, welches neue Methoden zur Darstellung von Projektstatus und Verknüpfung mit Dokumentation und Kommunikation nutzt, das Tool „TeamVision“ erstellt, welches versucht, virtuelle Teams möglichst effizient zu managenen, Probleme schnell zu erkennen und somit die Arbeit innerhalb des Teams zu beschleunigen. Hierbei wird insbesondere das Ergebnis der Analyse benutzt, dass viele Tools einzelne Verwaltungsaufgaben getrennt durchführen. Informationen müssen vom Nutzer selbst aus den verschiedenen Grafiken, Listen oder anderen Darstellungen gesammelt und selbst assoziiert werden. Die prototypische Implementierung von TeamVision versucht den Informationsfluss beherrschbar zu machen, indem Übersichten in einem Projektbaum zusammengefasst werden, der mittels Zoomfunktionen und visueller Hilfsmitel wie Farbgebung versucht, die Informationsbeschaffung zu erleichtern.
Computing the diameter of a graph is a fundamental part of network analysis. Even if the data fits into main memory the best known algorithm needs O(n2) [3] with high probability to compute the exact diameter. In practice this is usually too costly. Therefore, heuristics have been developed to approximate the diameter much faster. The heuristic “double sweep lower bound” (dslb) has reasonably good results and needs only two Breadth-First Searches (BFS). Hence, dslb has a complexity of O(n+m). If the data does not fit into main memory, an external-memory algorithm is needed. In this thesis the I/O model by Vitter and Shriver [4] is used. It is widely accepted and has produced suitable results in the past. The best known external-memory BFS implementation has an I/O-complexity of W(pn B + sort(n)) for sparse graphs [5]. But this is still very expensive compared to the I/O complexity of sorting with O(N/B * logM/B (N/B)). While there is no improvement for the external-memory computation of BFS yet, Meyer published a different approach called “Parallel clustering growing approach” (PAR_APPROX) that is a trade-off between the I/O complexity and the approximation guarantee [6].
In this thesis different existing approaches will be evaluated. Also, PAR_APPROX will be implemented and analyzed if it is viable in practice. One main result will be that it is difficult to choose the parameter in a way that PAR_APPROX is reasonably fast for every graph class without using the semi external-memory Single Source Shortest Path (SSSP) implementation by [1]. However, the gain is small compared to external-memory BFS using this approach. Therefore, the approach PAR_APPROX_R will be developed. Furthermore, a lower bound for the expected error of PAR_APPROX_R will be proved on a carefully chosen difficult input class. With PAR_APPROX_R the desired gain will be reached.
Dieses Dokument beschreibt eine Applikation namens Stolperwege, die als prototypische Kommunikationstechnologie für eine mobile Public History of the Holocaust dienen soll, und zwar ausgehend vom Beispiel des Kunstprojekts namens Stolpersteine von Gunter Demnig. Auf diese Weise soll eine zentrale Herausforderung bezogen auf die Vermittlung der Geschichte des Holocaust aufgegriffen werden, welche in der Anknüpfung an die neuesten Entwicklungen von Kommunikationsmedien besteht. Die Stolperwege-App richtet sich an Schülerinnen und Schüler, Bewohnerinnen und Bewohner, Historikerinnen und Historiker und allgemein an Besucherinnen und Besucher einer Stadt, die vor Ort den Spuren des Holocaust nachspüren wollen, um sich an der Schreibung einer Public History of the Holocaust aktiv zu beteiligen.
Die folgende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Thema des Displacement-Mappings unter Verwendung eines Tessellation-Shaders. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Programm zu entwerfen, welches einen visuellen Einblick in die Tessellation und in das Displacement-Mapping bietet. Des Weiteren soll die Leistung der Tessellation mit der des Geometry-Shaders und einem QuadTree-Verfahren verglichen werden.
Dazu wird zuerst beschrieben, welche Umgebung zur Implementierung verwendet wurde. Anschließend werden zunächst einige geläufige Mappingverfahren betrachtet. Im nächsten Abschnitt wird dann auf die Tessellation und das Displacement-Mapping in Bezug auf Funktionsweise und Implementierung eingegangen. Es folgt ein Vergleich der Performance der unterschiedlichen Mapping-Verfahren untereinander. In einem weiteren Vergleich wird die Performance der Tessellation (mit Displacement-Mapping) mit einem Geometry-Shader und einem QuadTree-Verfahren anhand eines Terrains durchgeführt. Abschließend erfolgt die Beschreibung des Programms.
In dieser Arbeit wurde ausgehend von aktuellen Matchmaking Systemen ein 3D Lobbysystem geschaffen. Dabei wurde speziell auf ein intuitives Matchmaking und eine einfache Bedienung wertgelegt, um dieses nicht nur für Core Gamer, sondern auch für Casual Gamer interessant zu machen. Zudem versteht sich dieses Lobbysystem nicht als endgültig, sondern mehr als ein flexibles leicht anpassbares System. Daher ist sie besonders einfach für zukünftige Spiele anpassbar: Sämtliche Szenen, Avatare, Animationen, Einstellungen und GUI Dialoge lassen sich ohne Änderung des Quelltextes nur über Scripte, XML Tabellen und Datenbanken sehr leicht modifizieren. Um ein so komplexes Projekt in kurzer Zeit umzusetzen, war es nicht möglich ohne vorhandene Bibliotheken auszukommen. Aus diesem Grund wurden neben Nebula 2 als 3D Engine, das Mangalore Game Framework, sowie für die Netzwerktechnik die Rakknet Multiplayer Network Engine bei der Implementation des Lobbysystems verwendet. Wie die Tests zeigen befindet sich das entwickelte System in einem einsatzfähigen Zustand. So können sich gleichzeitig in der Lobby bis zu 200 Spieler aufhalten und das Matchmaking durchführen, ohne mit Lags oder Timeouts vom Server rechnen zu müssen. Lediglich die Framerate der einzelnen Clients kann bei sehr vielen eingeloggten Nutzern unter 20 FPS fallen. Je nach der erwarteten Anzahl von Spielern sollte hier ggf. auf Avatare mit weniger Polygonen zurückgegriffen werden.
In dieser Diplomarbeit wird ein Echtzeit-Verfahren vorgestellt, um einen wassergefüllten Ballon zu simulieren. Grundlage des Verfahrens ist ein Feder-Masse-Dämpfer–System, das zusammen mit Methoden zur Erhaltung des Innenvolumens sowie einer topologieerhaltenden Datenstruktur kombiniert wurde. Die Masse des Wassers wird dabei auf Massepartikel an der Oberfläche des Gummiballons aufgeteilt, an denen die Wirkung der physikalischen Kräfte Gravitation, Innendruck und elastische Zugkraft der Oberfläche ausgewertet wird. Dies erfolgt durch iterative Anwendung eines Simulationsschrittes, bei dem die auf die Massepartikel wirkenden Beschleunigungen ermittelt und in eine Bewegung übertragen wird. Bei der Umsetzung in C++ wurde das Verfahren mit Hilfe des Echtzeit-3D-Szenengraphen OGRE (Object-oriented Graphics Rendering Engine) implementiert.
Mögliche Einsatzgebiete sind interaktive Simulationsumgebungen oder andere Echtzeit-Anwendungen in den Bereichen Multimedia und Unterhaltung sowie Nicht-Echtzeit-Verfahren zur Bildgenerierung und physikalischen Simulation.
In der Computergraphik werden immer wieder verschiedenste Objekte des realen Lebens modelliert. Dabei werden oft die Regeln ihres Aufbaus ausgenutzt, um diese Modelle automatisch zu erzeugen.
Gotische Architektur bietet daf¨ur gute Voraussetzungen. Auf Grund ihres hohen Grades an selbst¨ahnlichen Strukturen besteht die Möglichkeit, solche Regeln aus ihrem Aufbau abzuleiten. Wie bei vielen gotischen Elementen lassen sich auch bei den Pfeilern, die die Basis jedes gotischen Gewölbes bilden, solche Strukturen in ihrem teilweise komplexen Grundriss finden.
Die vorliegende Diplomarbeit stellt eine Methode vor, mit der die Grundrisse verschiedener gotischer Pfeiler beschrieben werden können. Die in dieser Arbeit entwickelte Querschnittsbeschreibung, wird die Darstellung der Grundrisse möglichst vieler verschiedener Pfeiler erlauben und automatisch erzeugbar sein. Der Aufbau der Beschreibung erm¨oglicht die Generierung eines 3D-Modells.
Um dies zu erreichen, wird zunächst eine Analyse der Querschnitte verschiedener gotischer Pfeiler vorgenommen. Mit den in der Analyse gewonnenen Informationen wird formal eine Querschnittsbeschreibung entwickelt, die die oben beschriebenen Anforderungen erf¨ullt. Die automatische Erzeugung erfolgt über ein parametrisches L-System. Aus der Beschreibung des Querschnitts wird schließlich das 3D-Modell erzeugt.
Die Implementierung erfolgt komplett in C++. Für die Erzeugung des 3D-Modells wird der Open Source Szenengraph Ogre3D verwendet, der die notwendige 3D-Grafik-Funktionalit¨at zur Verfügung stellt.
Mit der realisierten Anwendung ist es m¨oglich, mit wenigen Eingaben ein Modell eines komplexen gotischen Pfeilers zu erstellen.
Die Gotik ist eine Kunstepoche des Mittelalters, die eine große Anzahl beeindruckender Bauten hervorgebracht hat. Hierbei sind besonders die monumentalen Sakralbauten dieser Zeit mit ihren eindrucksvollen Fenstern hervorzuheben. Rosetten gehören zu den größten Fenstern in gotischen Kathedralen. Sie sind kreisförmige Fenster, die vor allem durch ihre komplexe Aufbauweise auffallen. Das Grundbauelement der Rosetten ist das sog. Maßwerk - ein Steinwerk das als dekoratives Muster für Fenster und Wände in gotischen Bauten eingesetzt wird. Charakteristisch für diese Muster sind sich wiederholende, verschieden große geometrische Formen, was an die Eigenschaft der Selbstähnlichkeit bei Fraktalen erinnert.
Die manuelle Modellierung gotischer Fenster ist auf Grund deren komplexen Aufbaus sehr aufwendig. Eine prozedurale Generierung hingegen automatisiert den Modellierungsprozess weitgehend und verringert damit den Zeit- und Modellierungsaufwand per Hand.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine prozedurale Methode beschrieben, die die aufwendige manuelle Modellierung der Rosetten bzw. des Maßwerks zum größten Teil ersetzt. Diese Methode basiert auf der Analyse der fraktalen Struktur des Maßwerks und nutzt dabei dessen Selbstähnlichkeit aus, um Rosetten automatisch zu generieren. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Implementierung ist es mögliche, eine große Vielfalt gotischer Rosetten zu beschreiben und mit Hilfe der 3D-Grafik-Engine OGRE graphisch darzustellen.
Manipulierte Bilder werden zu einem immer gröÿeren Problem in der aktuellen Berichterstattung und sie verursachen in vielen Fällen Empörung unter den Lesern.
In dieser Diplomarbeit werden verschiedene Ansätze aus der aktuellen Forschung aufgezeigt, die zur Erkennung von manipulierten digitalen Bildern benutzt werden können. Hierbei liegt der Schwerpunkt besonders auf verschiedenen statistischen Ansätzen von Farid, Johnson und Popescu. Ein Abriss über die wichtigsten inhaltsbasierten Algorithmen wird ebenfalls gegeben.
Weiterhin wird für die Algorithmen, die im Hinblick auf technische Realisierbarkeit, Laufzeit und ein breites Spektrum von möglichen Szenarien vielversprechend wirken, eine Automatisierung entwickelt, die die Analyse ohne weitere Benutzereingaben durchführt. Das Augenmerk liegt hier besonders darauf, dass die zu analysierenden Bilder möglichst wenige Vorraussetzungen erfüllen müssen, damit es eine Möglichkeit der korrekten Erkennung gibt.
Diese Automatisierungen werden implementiert, wenn möglich verbessert und auf einer Menge von Bildern getestet. Enthalten sind sowohl zufallsgenerierte Bilder, als auch aus geometrischen Formen synthetisierte und natürliche Bilder. Die Erkennung der auf die Bilder angewandten Fälschungstechniken beschäftigt sich vor allem mit Duplikationen, Einfügen und Interpolation von Bereichen.
Der Test dieser Implementierung konzentriert sich auf die absolute Effektivität und Effiienz gegen die gegebene Testmenge, betrachtet jedoch auch die spezifischen Vor- und Nachteile der ursprünglichen Algorithmen und der entwickelten Verbesserung. Ihre Ergebnisse, die sie auf den Testbildern erbringen, legen die Grundlage für eine Beurteilung der Algorithmen bezüglich Laufzeit und Effiienz.
Aufbauend auf diesen Analysen wird eine Bewertung der Algotihmen vorgenommen, die auch einen Ausblick auf mögliche Szenarien in der digitalen Bildbearbeitung und der Erkennung von Fälschungen für die nächsten Jahre geben soll.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde eine flashbasierte Anwendung zum Trainieren und Prüfen der Fähigkeit zur korrekten Interpretation von Bildinformationen entwickelt.
Den Ausgangspunkt der Entwicklung bildete eine Analyse von bisher existierenden Anwendungen am Beispiel der Radiologie. Die Analyse ergab, dass die bereits existierenden Anwendungen Interaktionen mit dem Bild in bestimmten Umfang erlauben, jedoch keine Anwendung gefunden werden konnte, bei der ein direktes Markieren von Strukturen im Bild mit z.B. einem Stift möglich ist. Ziel war es, dies zu entwickeln.
Die Entwicklung des Konzeptes begann mit einer Analyse der Anforderungen, die sich aus dem Bildmaterial in der Radiologie ergeben. Daraus wurden drei Aufgabenszenarien entwickelt: Nachfahren einer Struktur, einkreisen einer Struktur und markieren einer Struktur durch einen Stempel. Diese Aufgabenszenarien erfordern verschiedene Zeichen- und Hilfswerkzeuge. Implementiert wurden die Zeichenwerkzeuge Stift, Stempel und aufziehbarer Kreis, so wie die Hilfswerkzeuge Zoom und Helligkeitsregelung.
Für die drei Aufgabenszenarien wurden im Konzept Definitionen des Lösungsbereiches erstellt, den der Ersteller von Übungen im Flash Template an gibt. Diese drei Lösungsbereiche erfordern wiederum unterschiedliche Auswertungen und andere Verfahren zur Fehlerwertungen. Die Fehlerwertung setzt sich je nach Aufgabenszenario aus verschiedenen Verfahren zusammen.
Die anschließende Integration der Anwendung in die LernBar erfolgte über eine Integration von Schnittstellen in die Anwendung, die eine Kommunikation zwischen LernBar Player und der Anwendung erlauben. Zusätzlich wurde das Einlesen von XML Dateien ermöglicht und die Struktur einer XML Datei, zur Übergabe der nötigen Parameter, definiert. Diese XML Datei erlaubt die spätere Einbindung eines Wizards in das LernBar Studio, was im Ausblick erläutert wurde.
Die Implementierung der Anwendung beweist, dass das in dieser Bachelorarbeit aufgestellte Konzept funktioniert.
Diese Arbeit behandelt das Thema der Darstellung und der Simulation von Pflanzen mit Lindenmayer-Systemen. Zur Darstellung der aus Lindenmayer- Systemen entwickelten Strukturen wird das Programm Linde 3D entwickelt, welches dem Benutzer das Erstellen und die Simulation von Objekten unter Verwendung von deterministischen, geschachtelten, stochastischen, kontextsensitiven, umgebungssensitiven und offenen Lindenmayer-Systemen ermöglicht.
Neben der Entwicklung des Programms Linde 3D liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation. Für die Simulation dieser Prozesse werden Lindenmayer- Systeme entwickelt, welche die Grundfunktionalität der Prozesse simulieren und in Abhängigkeit dieser dreidimensionale Modelle der Pflanze erzeugen.
Das Programm Linde 3D ist so konzipiert, dass es allgemein eingesetzt werden kann. Neben dem Verständnis für die abstrakten Modelle der Lindenmayer-Systeme werden keine speziellen Kenntnisse des Anwenders vorausgesetzt. Die Eingabe der L-Systeme erfolgt entweder über die Auswahl vordefinierter Lindenmayer-Systeme und Umweltdaten oder durch Komposition von Lindenmayer-Systemen und Umweltdaten durch den Anwender. Die graphische Interpretation der Lindenmayer-Systeme erfolgt unter Verwendung des Schildkröten-Modells. Die Ausgabe des Programms Linde 3D besteht zum einen aus einer direkten Darstellung der generierten Szene im Programm und zum anderen aus der Ausgabe der Szene in Form einer oder mehrerer Dateien für den POVRay Raytracer. Die erzeugten Dateien können durch externe Programme aufbereitet und zu einer Animation zusammengefügt werden.
Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung in das Thema der Fraktale und Lindenmayer-Systeme, sowie den nötigen Grundlagen für das Verständnis der biologischen Hintergründe. Im Anschluss werden dem Leser die notwendigen theoretischen Grundkenntnisse zu Lindenmayer-Systemen und ein Einblick in aktuelle Anwendungen und Entwicklungen vermittelt. Nach einer Beschreibung der Anforderungen, des Aufbaus und der Implementierung des Programms Linde 3D werden die erworbenen Grundkenntnisse im Bereich der Lindenmayer-Systeme und das Programm Linde 3D eingesetzt, um Schritt für Schritt Lindenmayer-Systeme für die Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation zu entwickeln. Nach der Konstruktion der L-Systeme werden die erworbenen theoretischen Grundlagen für den Bereich des Testens von Parser und Schildkröten-Modell auf Funktionalität benötigt. Im Ausblick werden Ideen für Anwendungen und Erweiterungen des Programms Linde 3D beschrieben.
Konzeption und Implementierung einer Kommunikation zwischen Second Life und Web 2.0 Anwendungen
(2009)
Im Rahmen dieser Arbeit haben wir ein Konzept und einen Prototypen zur Kommunikation zwischen Second Life und Web 2.0 entwickelt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Konzept und ein Prototyp zur Kommunikation zwischen Second Life und Web 2.0-Anwendungen entwickelt. In der Übung zur Veranstaltung "Einführung in das Projektmanagement" wurden Meetings in Second Life abgehalten. Dabei haben die Studierenden im Rahmen der Übung Protokolle erstellt, die sie im Internet veröffentlichten. Die Protokollierung musste immer manuell durchgeführt werden und war dadurch fehleranfällig und nicht ausfallsicher. Hier entstand der Wunsch, die Protokollierung zu automatisieren und somit den administrativen Aufwand zu reduzieren.
Im Kapitel 2 werden die Grundlagen behandelt, die für das Verständnis der Arbeit notwendig sind. Hierbei werden Second Life, sowie Blog und Wiki als Repräsentanten von Web 2.0 vorgestellt. Außerdem wird eine klare Abgrenzung zwischen diesen Technologien aufgezeigt.
Die Analyse dieser Diplomarbeit umfaÿt unter anderem die verschiedenen Möglichkeiten der Übertragung der Informationen zwischen Second Life und den Web 2.0-Anwendungen.
Im Konzept ist die Gesamtarchitektur zur Kommunikation zwischen Second Life und den Web 2.0 Anwendungen enthalten. Die Hauptsystemkomponenten, die dafür notwendig sind, stellen eine Ansammlung aus Second Life Skripten, dem HTTP Supervisor und den Wiki Bot Skripten dar. Die Second Life und die Wiki Bot Skripten sind eine Ansammlung von Unterprogrammen, die jeweils auf eine Aufgabe spezialisiert sind. Die genaue Erklärung wird im Kapitel 4 Aufgrund der Unterschiede der Web 2.0 Anwendungen wurde ein Bot eingesetzt, der eine Web 2.0 Anwendung bedient. Der HTTP Supervisor dient der Vermittlung dient der Vermittlung der Daten zwischen Second Life und der Web 2.0 Anwendung. Auÿerdem speichert er die Daten in temporäre Dateien. Der Second Life Teil des Programms dient der Steuerung des gesamten Systes.
Durch die prototypische Umsetzung ist die Durchführbarkeit bewiesen, die Daten aus Second Life herauszuführen und im MediaWiki zu speichern.
Lernplattformen sind E-Learning-Systeme, deren Kernfunktionalität die Verwaltung und Verteilung von Lernmaterialien über das World Wide Web ist. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie durch Aufzeichnung (Tracking), Auswertung und Visualisierung von Lernaktivitäten in Lernplattformen eine Verbesserung der Lernqualität erreicht werden kann. Der Ansatzpunkt dafür war, Informationen zu Lernaktivitäten in geeigneter Weise Lehrenden und Lernenden zu präsentieren, so dass diese Rückschlüsse ziehen können, um Lernprozesse eigenständig zu optimieren. Viele Lernplattformen verfolgen bereits diesen Ansatz und verfügen deshalb über entsprechende Funktionalität.
Es mussten zwei wesentliche Fragen beantwortet werden:
1. Was müssen Lernende und Lehrende über erfolgte Lernaktivitäten wissen?
2. Wie werden Lernaktivitäten in geeigneter Weise präsentiert?
Diese Fragen wurden durch Betrachtung existierender Lernplattformen (State of the Art) sowie Befragung von Experten in Form von Interviews beantwortet. Zur Beantwortung der 2. Frage wurden außerdem allgemeine Grundlagen der Auswertung und Visualisierung von Daten verwendet sowie (zu einem geringen Teil) Auswertungs- und Visualisierungsverfahren von Systemen, die keine Lernplattformen sind. Besondere Aufmerksamkeit wurde auch dem
Datenschutz gewidmet.
Beruhend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde dann ein Konzept für ein Auswertungs-/Visualisierungssystem entwickelt das in verschiedenen Punkten eine Verbesserung des State of the Art darstellt.
Teile des Konzepts wurden schließlich für das webbasierte Softwaresystem LernBar, das über einen Großteil der Funktionalität einer Lernplattform verfügt, prototypisch implementiert. Durch die Implementierung soll es ermöglicht werden, das Konzept im praktischen Einsatz zu evaluieren, was im Rahmen dieser Arbeit nicht möglich war.
Diese Diplomarbeit hatte das Ziel ein Konzept zu erstellen, welches es ermöglicht, interessante und weniger interessante Artikel innerhalb eines Wikis zu erkennen und diese Informationen in verständlicher Form zur Recherche visuell bereitzustellen.
Dabei sollte das Konzept möglichst offen sein, so dass theoretisch jedes Wiki an die Visualisierung hätte angebunden werden können. Hier lag bereits das erste Problem, zum Zeitpunkt der Arbeit existieren bereits mehr als 100 unterschiedliche Wikis mit unterschiedlichen Architekturen. Wegen der Unterschiede der jeweiligen Wikisysteme entschloss man sich daher zwei Konzepte zu erarbeiten, ein allgemeines, welches wie in der gestellten Zielsetzung, das Einbinden jedes Wikis ermöglicht und ein Spezialfall, der die Vorteile einer API nutzt. Der Spezialfall wurde in ähnlicher Form in einer Implementierung umgesetzt.
Zu Beginn der Diplomarbeit mussten die unterschiedlichen Möglichkeiten der Extraktion von Informationen aus einem Wiki untersucht werden. Es hatte sich ziemlich früh herausgestellt das Links, Backlinks sowie Kategorien wichtige Indikatoren zur Bewertung eines Artikels darstellen. Damit die Bewertung der Informationen nicht nur alleine auf der Struktur eines Wikis beruht, wurde ein Thesaurus zur unterstützenden Bewertung miteinbezogen. Dieser lieferte durchgehend gute Ergebnisse, wobei - wie erwartet - der Thesaurus sehr schnell an seine Grenzen gekommen war, insbesondere wenn man die Anzahl der Artikel eines großen Wikis mit der Anzahl der Wörter die im Thesaurus gespeichert sind vergleicht.
Die extrahierten und gewichteten Informationen wurden im zweiten Schritt visualisiert, dabei hatte sich der Radial-Graph als eine gute Lösung zur Darstellung der Informationen herausgestellt. Neben einem Graphen mit gewichteten Knoten wurden in der Visualisierung unterschiedliche Ansichten der extrahierten Daten bereitgestellt: eine Autorenansicht, die zum gesuchten Artikel die Autoren darstellt, eine semantische Ansicht, die Wortbeziehungen veranschaulicht sowie eine Artikelansicht, die den Nutzer neben den gewichteten Artikeln auch wie gewohnt in einer Wiki lesen lässt.
Klassische Bildmanipulation spielt sich meist im Zweidimensionalen, also in der reinen Bild-ebene ab. So werden beispielsweise Objekte aus Fotos entfernt, indem die dahinterliegende Struktur nachgezeichnet wird, oder es werden mehrere Teilbilder zu einem neuen, verfälschten Motiv zusammengesetzt. Bei der sogenannten Bildretuschierung werden unschöne Bereiche übermalt, um einen besseren Gesamteindruck zu erreichen. All diese Manipulationen haben im Grunde das gleiche Ziel: Das Erstellen einer möglichst realistischen Verfälschung der darge-stellten Szene indem die eigentlich dreidimensionalen Elemente in 2D imitiert werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, von der reinen Zweidimensionalität eines Bildes Abstand zu nehmen und ein neues Verfahren zu entwickeln, Manipulationen im wirklichen 3D-Inhalt des Fotogra-fierten vorzunehmen. Dazu wird die klassische Bildmanipulation mit aktuellen Verfahren aus dem Bereich Multi View Stereo verknüpft. In einem ersten Schritt wird aus einer Fotoserie ein 3D-Modell mit passenden Texturen erstellt, welches anschließend nach Belieben manipuliert werden kann. Diese Veränderungen werden schließlich wieder in die Originalbilder übertragen, wodurch eine 3D-unterstützte Bildmanipulation realisiert wird.
Die praktische Umsetzung des vorgestellten Verfahrens basiert teilweise auf bereits vorhan-dener Software, die mit dem Ziel der Bildmanipulation neu kombiniert und durch eigene Um-setzungen ergänzt wird. So entsteht eine funktionierende Implementierung, die den kompletten Weg vom Original bis hin zum manipulierten Bild abdeckt.
Jede erfolgreiche Software muss in einer geeigneten Art und Weise mit der Person, die sie benutzt, in Verbindung treten. Diese Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine ist ein zentraler Baustein in der Softwareentwicklung. Eine noch so mächtige und ausgereifte Software kann ihr Potential nicht ausschöpfen, wenn Probleme und Missverständnisse bei der Kommunikation mit dem Anwender auftreten.
Bei graphischen Benutzeroberflächen erfolgt die Interaktion zwischen Benutzer und technischem System mittels graphischer Symbole, die am Bildschirm dargestellt werden. Die Oberfläche setzt sich aus verschiedenen Menüs und Steuerelementen mit dem Ziel zusammen, die zugrunde liegende Software für den Anwender bedienbar zu machen. Als Eingabegeräte dienen vor allem Maus und Tastatur. Für die Human Computer Interaction oder abgekürzt HCI (Mensch-Computer Interaktion) sind spezielle Normierungen und Anforderungen erstellt worden, die den Entwicklungsprozess unterstützten.
In dieser Arbeit wird eine graphische Benutzeroberfläche für einen Shader Viewer entworfen und implementiert. Beginnend bei ersten Skizzen und Prototypen wird der Entwicklungsprozess bis zur fertigen graphischen Oberfläche dargestellt. Probleme bei der Erstellung werden aufgezeigt und Lösungsstrategien entwickelt. Vor allem spielen Design und Usablity eine entscheidende Rolle. Verschiedene Aspekte und Alternativen, die im Entwicklungsprozess zu beachten sind, werden näher beleuchtet.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der konkreten Erzeugung von 2-3D Visualisierung. Im Fokus steht der notwendige Prozess zur Erzeugung von Computergrafik.
Da die Computergrafik heut zu Tage wichtiger Bestandteil vieler Aufgabengebiete ist, sollte deren Nutzung auch allen Menschen zugänglich sein. In den vergangen Jahren blieb dies meist nur Leuten aus den Fachgebieten vorbehalten, aufgrund der Komplexität und des notwendigen „Know-how“ über die Thematik. Mittlerweile gilt diese Tatsache als überholt. Viele Erneuerung im Bereich von Hardware und Software haben es ermöglicht, dass selbst ungeübte Anwender in der Lage sind, ansehnliche 3D Grafiken an ihren PCs bei der Arbeit oder zu Hause zu erzeugen. Dies soll ebenfalls das Ziel dieser Arbeit sein. Dazu wird in eine Applikation erstellt die die Visualisierung von graphischen Primitiven unter der Verwendug von Microsofts DirectX leicht und schnell ermöglichen soll. Als Basis dient ein Rendering-Framework, welches auf einheitliches Schnittstellenkonzept setzt, um die strikte Trennung zwischen Anwender- und Fachwissen zu vollziehen.
Weitere Schwerpunkte dieser Arbeit liegen im Bereich der Modellierung von graphischen Primtiven und der Nutzung von Shadern. Dazu wird in der Modellierung der Import von archivierten Modellen umgesetzt. Die Nutzung von Shadern soll soweit vereinfacht werden, dass Anwender auf Shader beleibig zugreifen können. Dies soll durch eine Verknüpfung zwischen Shadern und Modellen erfolgen, die ebenfalls im Bereich der Modellierung erfolgt.
Shader zur Bildbearbeitung
(2009)
In den letzten Jahren haben Grafikkarten eine starke Veränderung erfahren. Anfangs war lediglich die Darstellung vorberechneter Primitive möglich, mittlerweile lassen sich Vertex- und Pixelshader komplett frei programmieren. Die Spezialisierung auf den Rendervorgang hat die GPUs (Graphics Processing Units) zu massiv-parallelen Prozessoren wachsen lassen, die unter optimaler Ausnutzung ein Vielfaches der Rechenleistung aktueller CPUs erreichen. Die programmierbaren Shader haben Grafikkarten in der letzten Zeit vermehrt als weiteren Prozessor für General Purpose-Programmierung werden lassen.
Aktuelle Bildbearbeitungsprogramme zeigen, dass sich die Tendenz Richtung GPU bewegt, so wird sich auch in dieser Arbeit die enorme Rechenleistung der GPU für die Bildbearbeitung zu nutzen gemacht. Bildfilter lassen sich als Pixelshader realisieren und ermöglichen so die Ausführung direkt auf der GPU. Das vorgestellte Framework SForge wurde mit dem Ziel entwickelt, zu einem bestehenden Framework kompatibel zu sein. Als bestehendes Framework wurde auf AForge zurückgegriffen. Mit SForge können bestehende und eigene Bildfilter direkt auf der GPU ausgeführt werden, aber auch die Konvertierung von Farbräumen und Farbsystemen wurden realisiert. Das Framework arbeitet floatbasierend. Somit können auch HDR-Daten verarbeitet werden, um beispielsweise Tonemapping anzuwenden. Filter mit Parametern lassen sich über einen optionalen Dialog interaktiv ändern und modifizieren das Resultat in Echtzeit.
In erstem Teil der Arbeit wurde der Begriff Drehbuch in Hinsicht auf die Erstellung von eLearning Kursen erläutert und eLearning Inhalte auf ihre typischen Merkmale untersucht. Dabei war es wichtig zu verstehen, ob und wie die kooperative Arbeit an Inhalten in gängigen Textbearbeitungsprogrammen unterstützt wird und welche Vor- und Nachteile der jeweilige Editor aufweist. Wie sich herausgestellt hat, setzen bestehende Lösungen auf Auszeichnungen von Textbausteinen und der Kursstruktur mit Hilfe von speziellen Makros, so dass beim Transformieren des Kurses diese wiedererkannt werden können. Leider sind diese Lösungen auf einen bestimmten Editor spezialisiert und betrachten die kooperativen Aspekte der Arbeit an Inhalten nicht.
Da das Drehbuch in einem Textbearbeitungsprogramm erstellt wird, ist die Möglichkeit der Wahl von einem Editor für die Autoren vorteilhaft. Deshalb sieht der Lösungsansatz in meiner Arbeit vor, dass die Umsetzung des Drehbuches nicht auf einen bestimmten Editor beschränkt ist und dass für jeden Editor kooperative Bearbeitung ermöglicht wird. Dies wird zum einen durch Verwendung eines Versionskontrollesystems und zum anderen durch die kooperativen Eigenschaften der Editoren erreicht.
Das Transformieren eines Drehbuches zu einem eLearning Kurs wurde einheitlich gestaltet, da HTML als ein gemeinsames Format der Ausgabe von Editoren ausgewählt wurde. In der Implementierung des Lösungsansatzes konnte am Beispiel des Autorensprogramms LernBar die Unterstützung von bereits drei Editoren erreicht werden.
Einige Einschränkungen sind bei der Verwendung dieser Lösung zu beachten. Bei den Veränderungen in der HTML-Ausgabe der Editoren sind möglicherweise auch Anpassungen im Programm vorzunehmen. Die Verwendung von Tabellen impliziert, dass ihre Struktur durch den Autor nicht geändert wird, was durchaus auch versehentlich passieren kann. Bei der Erstellung von Tests ist eine umfassende Validierung empfehlenswert, damit die Tests wie erwartet durchgeführt werden können. Es wurden in der Implementierung nur einige Testtypen umgesetzt und möglicherweise sind einige Tests nicht für die Erfassung im Drehbuch geeignet. In dem Fall müssen sie in den verwendeten Autorenprogramm direkt erstellt werden.
Die rasante Entwicklung von Internettechnologien wird sicherlich neue Möglichkeiten sowohl für die kooperative Arbeit, als auch für Textbearbeitungsfunktionalitäten anbieten. Allein im Jahr 2010 wurden mehrere Neuerungen auf dem Markt von Online-Editoren eingeführt. Microsoft hat eine Online-Version1 von seiner Office-Suite veröffentlicht und damit eine neue Alternative zu Google Docs angeboten. In Google-Docs werden nahezu im monatlichen Takt neue nützliche Funktionen implementiert, die sowohl die Textverarbeitung als auch die Kooperation verbessern.
Das Internet als Informationsmedium ist Plattform für eine nie dagewesene Menge an Information, die für einen einzelnen Menschen nicht mehr zu überblicken ist.
Moderne Web-Suchmaschinen greifen auf die Methoden des Information Retrieval zurück um einem NutzerWerkzeuge anzubieten die zu ihrem Informationsbedürfnis relevanten Dokumente im Internet zu finden. Visualisierungen können diese Dokumentenmenge effektiver durch den Nutzer verarbeitbar machen. Eine komplexe Suchanfrage zu formulieren oder ein Suchergebnis nach bestimmten Kriterien zu filtern ist jedoch heute noch denjenigen vorbehalten die bereit sind, die erweiterten Funktionen der Suchmaschinen zu lernen.
Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz möchte durch die Kombination der Visualisierung, die einen effektiven Überblick über den Suchergebnisraum gibt, mit den mächtigen Filtermöglichkeiten moderner Suchmaschinen die einfache Filterung von Suchergebnismengen durch ein Direct Maniuplation Interface ermöglichen.
Interactive Gorilla
(2010)
Beeindruckt von einer auf Annäherung reagierenden Dinosaurier-Animation des Brüsseler Naturkundemuseums, entstand die Idee einen noch komplexeren interaktiven Gorilla zu entwerfen. Der Gorilla soll dabei auf einer großen Leinwand dargestellt werden und die Besucher können mit diesem anhand ihrer Position interagieren, worauf er seine Tätigkeit und Gestik an diese anpasst.
Da keine Umsetzung, die durch gezielte Anpassungen das gewünschte Ergebnis liefern würde, vorhanden war, wurde das System im Rahmen dieser Arbeit angefertigt. Der Aufbau lässt sich dabei in drei große Module aufteilen, die auf den Ergebnissen des vorherigen Moduls arbeiten.
Zuerst wurde ein System entwickelt, mit dem es möglich ist die Besucher im Raum zu erfassen und festzustellen an welchen Positionen sie sich aufhalten. Diese Informationen werden von einer Verhaltenssimulation weiterverarbeitet. Diese ist durch einen endlichen Automaten realisiert, der auf einem Graphen operiert. Die Ergebnisse, die vom Erkennungssystem geliefert werden, sind dann dafür verantwortlich, dass sich das Verhalten entsprechend ändert. Zuletzt wird das aktuelle Verhalten des Gorillas mit Hilfe eines 3D-Modells und Animationen auf der Leinwand dargestellt.
Des weiteren sind im Rahmen dieser Arbeit zusätzliche Editoren entstanden um die Zustände des Graphen und die dadurch darzustellenden Animationen nachträglich anzupassen.
Point-Based Animation
(2011)
Die punktbasierte Animation ist ein relativ neues Gebiet im Bereich der Animation. Der Unterschied zu den weit verbreiteten polygonnetzbasierten Verfahren liegt darin, dass zwischen den einzelnen Punkten, welche die Oberfläche des zu animierenden Objekts definieren, keine Topologieinformationen vorhanden sind. Mit polygonnetzbasierten Techniken ist keine Volumensimulation möglich, da keine Volumeninformationen vorhanden sind. Die aktuellen Verfahren im punktbasierten Feld ermöglichen die Animation von Flüssigkeiten, Rauch oder Explosionseffekten. In dieser Arbeit wird eine Animation auf Grundlage eines zur Verfügung gestellten Punktmodells ausgeführt. Um zu gewährleisten, dass die Animation korrekt nach den Gesetzen der Physik arbeitet, wird eine Physikengine zu Hilfe genommen. Diese beiden Bereiche werden in dieser Arbeit miteinander verknüpft. Zunächst werden einfache Simulationen im Sektor der starren Körperdynamik durchgeführt. Dabei werden einzelne Punkte unter Einfluss der Gravitation auf eine Ebene fallen gelassen. Vor allem die Berechnung der Kollision mit der Ebene und der Punkte untereinander ist hierbei interessant. Um sehenswerte physikalische Effekte animieren zu können, muss die Elastizität mit berücksichtigt werden. DesWeiteren wird in der Arbeit die Animation elastischer Körper verwirklicht. Hierbei wird eine an den Ecken fixierte elastische Ebene animiert. Einzelne Punkte können aus diesem elastischen Objekt herausgezogen werden, in Folge dessen sich das Objekt selbst repariert. Ebenfalls kann ein herausgeschnittner Punkt wieder in das Objekt eingefügt werden.
Durch die steigende Bedeutung von multimedialen Lernmaterialien in der Lehre und in der Wirtschaft, wachsen die Anforderungen, die an die Herstellung der Materialien gestellt werden. Verwaltung, Archivierung und Wiederverwendbarkeit sind die zentralen Begriffe um die Effektivität von multimedialen Lernmaterialien zu steigern und damit auch kommerziellen Erfolg zu erzielen. Es ist effektiv wenn Lernmaterialien ein Thema nicht erneut aufarbeiten, wenn es bereits ausreichend Materialien dazu gibt. Vorhandene Materialien können genutzt werden und sparen somit Ressourcen, die ansonsten zur Herstellung neuer Materialien genutzt werden müssten. In dieser Arbeit werden Metadaten als Mittel eingesetzt, um die Effektivität zu steigern. Dabei soll vor allem der Mehrwert durch die Verwendung von Metadaten deutlich gemacht werden. Eine Analyse aktueller Autorensysteme soll zeigen, wie Metadaten bereits eingesetzt werden und wo Probleme existieren. Die Stärken und Schwächen der untersuchten Autorensysteme werden für die Anforderungsanalyse einer Erweiterung des Autorensystems LernBar verwendet. Um den Mehrwert der Metadaten deutlich zu machen, soll der gesamte Autorenprozess innerhalb der LernBar erweitert werden. Das heißt, dass der gesamte Ablauf, vom Erfassen bis zum Verwenden der Metadaten, abgebildet wird. Im Fokus der Erweiterung steht die Unterstützung des Autors bei der Erstellung von Lernmaterialien. Vorlagen und automatisierte Vorgänge dienen der Bedienbarkeit der neuen Funktionen.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden verschiedene Non-Photorealistic Rendering Verfahren zur Darstellung von rekonstruierten Artefakten, im Bereich der Paläontologie, beschrieben und implementiert. Hauptsächlich arbeiten die vorgestellten Verfahren im zweidimensionalen Bildraum, um beispielsweise Kanten in Bildern zu detektieren. Hierbei bedienen wir uns sogenannter Normal- und Depthmaps, welche als Zwischenresultate dienen, um die nötigen Informationen zu sammeln, welche zur Erkennung von Kanten im Bild notwendig sind. Neben der Kantendetektion werden NPR Verfahren genutzt, um skizzenhafte Illustrationen zu erzeugen, welche per Hand gezeichnete wissenschaftliche bzw. technische Illustrationen nachahmen und somit (halb)automatisieren sollen. Mithilfe von (programmierbaren) Shadern werden dann spezielle Texturen auf die Oberflächen der Modelle gelegt, um eine skizzenhafte Darstellung zu erzeugen. Solche Verfahren erleichtern demnach die aufwändige Arbeit der Künstler, welche gewöhnlich viel Zeit für ihre Illustrationen benötigen.
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht die Möglichkeiten der mobilen Produktion und Verwaltung von Web- und Multimedia-Inhalten, welche mit geografischen Koordinaten verknüpft sind.
Durch die stetig wachsende Verbreitung mobiler Geräte wie Smartphones, Tablets oder Netbooks und der damit in Anspruch genommenen Verfügbarkeit von mobilen Internetzugängen in Form von WLAN, GPRS, UMTS oder LTE, wird die gemeinsame Erstellung und Verwaltung von geolokalisierten Inhalten durch Teilnehmer einer Interessengruppe ermöglicht.
Besonders Inhalte deren Standort relevant ist, können von automatisierter Lokalisierung profitieren. Durch Ortungsmechanismen können Daten bei ihrer Erstellung oder Bearbeitung automatisch mit dem Standort des Geräts versehen werden. So lassen sich zum einen geografische Daten sammeln und zum anderen Inhalte auf unkomplizierte Art und Weise mit dem Standort des Autors zum Zeitpunkt ihrer Erstellung verknüpfen.
Darüber hinaus können Anwender abhängig von ihrem Aufenthaltsort Informationen über ihre Umgebung abrufen, ohne zuvor in einer Kartenansicht zu ihrer aktuellen Position navigieren zu müssen.
Die vorliegende Arbeit behandelt sowohl das Erhalten als auch das Erzeugen multimedialer Inhalte in Abhängigkeit von ihren geografischen Koordinaten. Die technische Realisierung dieses Konzepts findet mit Hilfe der frei verfügbaren MediaWiki-Software[1] als Content-Management-System sowie einer, für mobile Geräte optimierten Webseite als Frontend statt.
Der Umfang der Arbeit umfasst neben dem Entwurf eines Konzepts und der ausführlichen Beschreibung einer möglichen Implementierung eine Einführung in die Grundlagen der verwendeten Komponenten. Zuletzt sollen ein Fazit und ein Ausblick Konzept und Realisierung kritisch betrachten, um einen Einblick in vorhandene Potenziale der Lösung zu bieten.
In dieser Arbeit wurden Web Browser bezüglich ihrer Eignung zum Erstellen interaktiver eLearning Fragen untersucht. Vor dem Hintergrund der speziellen Charakteristika von mobilen Endgeräten wurden insbesondere die Aspekte der Beschränkung auf standardisierte Technologien, sowie die Clientseitigkeit der Applikation hervorgehoben. Es konnte eine Grundlage geschaffen werden, die das Erstellen von interaktiven Fragen nur mit Hilfe von HTML und Javascript ermöglicht und es wurde ein weitgehender Verzicht auf serverseitige Komponenten erreicht.
Scenegraph LoD-Analyse
(2012)
Level of Detail-Verfahren sind in der Computergrafik alltäglich und allgegenwärtig. Da das Thema seit Jahren ein aktiv bearbeitetes Feld in der Wissenschaft ist, existiert eine extreme Fülle an Verfahren mit unterschiedlichen Ansätzen oder Verfeinerungen. Es ist jedoch sehr schwer, die Unterschiede zwischen den Verfahren zu quantifizieren. Jede Arbeit nutzt ihre eigenen Testfälle und Methoden, wodurch sich selten echte Rückschlüsse auf Vergleiche zu anderen Verfahren ziehen lassen. Um hier einen Ansatz zur Lösung dieses Problems zu präsentieren, wird vorgeschlagen, ein allgemein nutzbares Testframework zu erstellen, das geeignet ist, LOD-Verfahren auf unterschiedliche Aspekte hin zu untersuchen. Es wird eine Reihe von konkreten Tests und ein dazugehöriges Programm als Rahmenwerk vorgestellt werden, das einen solchen Ansatz implementiert. Diese Testimplementierung ist bewusst einfach gehalten, sie wird jedoch einen guten Überblick darüber geben, welche Probleme es zu lösen gilt und worauf dabei geachtet werden muss.
In der heutigen Zeit werden viele Anwendungen als Webanwendungen entwickelt, weil man sie schneller auf den Markt werfen kann. Neue Methoden wurden entwickelt um den Softwareentwicklungsprozess zu verschlanken, um damit noch schneller und öfter eine Produkt auf den Markt zu bringen. Diese Methoden erschweren die Arbeit von manuellen Tester ungemein. Sie müssen jetzt noch schneller und noch öfter testen.
Um dieser Miesere entgegenzuwirken wurden Testautomatisierungsmechanismen und Testautomatisierungswerkzeuge entwickelt. In dieser Arbeit wollte ich zeigen, dass Testautomatisierung in bestehenden Projekten nachträglich noch eingefügt werden kann. Und das diese für eine verbesserte Qualität des Produktes sorgen kann.
Ich habe in dieser Arbeit den Testfallkatalog für das Produkt „Email4Tablet“ der Firma Deutsche Telekom AG zu 70% mit dem Testwerkzeug Selenium automatisiert.
Lernmodule wie Web Based Trainings (WBT) sind eine Methode um eLearning Inhalte anzubieten. Web Based Trainings basieren per Definition auf dem Word Wide Web (WWW). Durch die Entwicklung des Web zum Web 2.0 sind für Benutzer neue Möglichkeiten entstanden am Web teilzunehmen. Dadurch wurde auch das eLearning beeinflusst. In dieser Arbeit werden die Innovationen für den Autorenprozess von Web Based Trainings betrachtet. Ihre Nützlichkeit soll anhand dem Autorensystem LernBar deutlich gemacht werden. Die Analyse weiterer Autorensysteme verdeutlicht den aktuellen Stand. Die Stärken und Schwächen der untersuchten Autorensysteme werden für die Anforderungsanalyse einer web-basierten LernBar verwendet. Das Konzept für Web 2.0 Based Training beschreibt den neuen Autorenprozess in der LernBar. Das neue Konzept ermöglicht Flexibilität, die zu neuen Einsatzszenarien führt. Schwierigkeiten in der Umsetzung werden diskutiert.
In dieser Bachelorarbeit werden Modelle, mit einer hohen Anzahl an Vertices, mittels CPU und GPU geclustered und die Performance der hierzu verwendeten Algorithmen miteinander verglichen. Die Nutzung der GPU findet hierbei unter Verwendung von OpenGL statt. Zunächst werden Grundlagen von Clustering, die für die später implementierten Algorithmen wichtig sind, geklärt. Zusätzlich werden Prozesse erkärt mit denen die Ergebnisse der, auf der GPU ausgeführten, Algorithmen, auf die CPU zurückgeführt werden können. Anschließend erfolgt eine Beschreibung der implementierten Algorithmen sowie eine Erklärung ihrer Funktionsweise. Abschließend wurde ein Benchmarking der Algorithmen vorgenommen, um ihre Laufzeiten miteinander zu vergleichen.
In der Realität setzen sich Farben aus einzelnen Wellen zusammen, welche in Kombination mit zugehörigen Wellenlängen und Intensitäten bei Menschen den Sinneseindruck einer Farbe hervorrufen. Die Computergraphik definert Farben mit dem RGB-Modell, in dem durch 3 Grundfarben (Rot, Grün, Blau) der darstellbare Farbbereich festgelegt wird. Ein Spektrum (genauer Spectral Power Distribution, SPD) ermöglicht eine variablere, physikalisch exaktere Darstellung von Farbe, kann aber nicht einfach mit dem RGB-Modell verwendet werden. Das von der Commission Internationale de l'Eclairage definierte XYZ-Farbmodell erlaubt es mit Wellenlängen zu rechnen, und bildet die Grundlage der Beleuchtungsrechnung mit Spektren.
Farben mittels Spektren zu ermitteln ist die Paradedisziplin von Raytracern, da der Berechnungsaufwand für Echtzeitanwendungen meist zu groß ist. Die neueste Graphikkarten-Generation kann große Datenmengen effizient parallel verarbeiten, und es wurden entsprechende Ansätze gesucht, wellenlängenbasiert zu rechnen. Das hier vorgestellte System erlaubt auf Grundlage von physikalischen Formeln einzelne Intensitäten zu beeinflusen, welche in Kombination mit den Tristimulus-Werten des Menschen in dem XYZ-Farbmodell abgebildet werden können. Diese XYZ-Koordinaten können anschließend in das RGBModell transformiert werden.
Im Gegensatz zu bestehenden Systemen wird direkt mit Spektren gearbeitet und diese nicht von einer RGB-Farbe abgeleitet, so dass für bestimmte Effekte eine höhere Genauigkeit entsteht. Durch die Verwendung einer SPD ist es möglich, Interferenzeffekte an dünnen Schichten und CDs in einem Polygon-Renderer zu visualisieren. In dieser Arbeit wird eine Berechnung von mehrlagigen dünnen Schichten mit komplexen Brechungsindizes präsentiert und ein LOD-System vorgestellt, welches es ermöglicht den Berechnungsaufwand frei zu skalieren.
Already today modern driver assistance systems contribute more and more to make individual mobility in road traffic safer and more comfortable. For this purpose, modern vehicles are equipped with a multitude of sensors and actuators which perceive, interpret and react to the environment of the vehicle. In order to reach the next set of goals along this path, for example to be able to assist the driver in increasingly complex situations or to reach a higher degree of autonomy of driver assistance systems, a detailed understanding of the vehicle environment and especially of other moving traffic participants is necessary.
It is known that motion information plays a key role for human object recognition [Spelke, 1990]. However, full 3D motion information is mostly not taken into account for Stereo Vision-based object segmentation in literature. In this thesis, novel approaches for motion-based object segmentation of stereo image sequences are proposed from which a generic environmental model is derived that contributes to a more precise analysis and understanding of the respective traffic scene. The aim of the environmental model is to yield a minimal scene description in terms of a few moving objects and stationary background such as houses, crash barriers or parking vehicles. A minimal scene description aggregates as much information as possible and it is characterized by its stability, precision and efficiency.
Instead of dense stereo and optical flow information, the proposed object segmentation builds on the so-called Stixel World, an efficient superpixel-like representation of space-time stereo data. As it turns out this step substantially increases stability of the segmentation and it reduces the computational time by several orders of magnitude, thus enabling real-time automotive use in the first place. Besides the efficient, real-time capable optimization, the object segmentation has to be able to cope with significant noise which is due to the measurement principle of the used stereo camera system. For that reason, in order to obtain an optimal solution under the given extreme conditions, the segmentation task is formulated as a Bayesian optimization problem which allows to incorporate regularizing prior knowledge and redundancies into the object segmentation.
Object segmentation as it is discussed here means unsupervised segmentation since typically the number of objects in the scene and their individual object parameters are not known in advance. This information has to be estimated from the input data as well.
For inference, two approaches with their individual pros and cons are proposed, evaluated and compared. The first approach is based on dynamic programming. The key advantage of this approach is the possibility to take into account non-local priors such as shape or object size information which is impossible or which is prohibitively expensive with more local, conventional graph optimization approaches such as graphcut or belief propagation.
In the first instance, the Dynamic Programming approach is limited to one-dimensional data structures, in this case to the first Stixel row. A possible extension to capture multiple Stixel rows is discussed at the end of this thesis.
Further novel contributions include a special outlier concept to handle gross stereo errors associated with so-called stereo tear-off edges. Additionally, object-object interactions are taken into account by explicitly modeling object occlusions. These extensions prove to be dramatic improvements in practice.
This first approach is compared with a second approach that is based on an alternating optimization of the Stixel segmentation and of the relevant object parameters in an expectation maximization (EM) sense. The labeling step is performed by means of the _−expansion graphcut algorithm, the parameter estimation step is done via one-dimensional sampling and multidimensional gradient descent. By using the Stixel World and due to an efficient implementation, one step of the optimization only takes about one millisecond on a standard single CPU core. To the knowledge of the author, at the time of development there was no faster global optimization in a demonstrator car.
For both approaches, various testing scenarios have been carefully selected and allow to examine the proposed methods thoroughly under different real-world conditions with limited groundtruth at hand. As an additional innovative application, the first approach was successfully implemented in a demonstrator car that drove the so-called Bertha Benz Memorial Route from Mannheim to Pforzheim autonomously in real traffic.
At the end of this thesis, the limits of the proposed systems are discussed and a prospect on possible future work is given.
Musik und Mathematik haben eine Sache gemeinsam: viele Menschen glauben, dass sie in dem einen oder anderen Fach (oder beiden) nicht gut seien. Schlimmer noch, die Aussage „Ich kann nicht singen“ oder „Mathematik habe ich noch nie verstanden“ wird sie sicher nicht von einer erfolgreichen Karriere abhalten, noch wird es die Meinung anderer über sie ändern.
Das Projekt „European Music Portfolio – Sounding Ways into Mathematics“ (EMP-Maths) möchte dieses Verständnis ändern. Jeder kann singen und Musik machen und jeder kann Mathematik treiben. Beide Themen sind integraler Bestandteil unseres Lebens und unserer Gesellschaft. Was geändert werden muss, ist die Fähigkeit von Lehrpersonen, Lernenden die Gelegenheit zu geben, sie zu mögen.
Dieses Handbuch für Lehrpersonen stellt Aktivitäten mit unterschiedlichen mathematischen und musikalischen Inhalten vor, um Lehrpersonen ein möglichst breites Spektrum an Hilfsmitteln, Ideen und Beispielen anbieten zu können. Diese Aktivitäten sind so aufgebaut, dass sie erweiter- und anpassbar an unterschiedliche Kontexte sowie auf die Bedürfnisse einer jeden Lehrperson und deren Schülerinnen und Schülern sind. Ferner wurden diese Aktivitäten nicht nur entwickelt, um von der Lehrperson instruktiv ausgeführt zu werden, sondern, um sie gemeinsam mit der Lerngruppe zu nutzen und eventuell sogar gemeinsam zu verändern und weiter zu entwickeln.
Neben diesem Handbuch stellt das Projekt Weiterbildungsangebote zur Verfügung, eine Web-Seite (http://maths.emportfolio.eu), von der Materialien heruntergeladen werden können sowie eine Online Plattform zur interaktiven Zusammenarbeit. Ein Überblick über relevante Literatur und Forschung ist in einem separaten Dokument zusammengestellt. Zusätzliche Arbeitsbücher für Lehrpersonen enthalten weitere Aktivitäten sowie ausgewählte Aspekte aus dem hier zusammengestellten theoretischen Hintergrund. Diese Arbeitsbücher bilden die Grundlage der Weiterbildungskurse. Das Projekt „Sounding Ways into Mathematics“ steht in Verbindung zum EMP-Sprachen Projekt „A creative Way into Languages“ (http://emportfolio.eu/emp/).
The behaviour of electronic circuits is influenced by ageing effects. Modelling the behaviour of circuits is a standard approach for the design of faster, smaller, more reliable and more robust systems. In this thesis, we propose a formalization of robustness that is derived from a failure model, which is based purely on the behavioural specification of a system. For a given specification, simulation can reveal if a system does not comply with a specification, and thus provide a failure model. Ageing usually works against the specified properties, and ageing models can be incorporated to quantify the impact on specification violations, failures and robustness. We study ageing effects in the context of analogue circuits. Here, models must factor in infinitely many circuit states. Ageing effects have a cause and an impact that require models. On both these ends, the circuit state is highly relevant, an must be factored in. For example, static empirical models for ageing effects are not valid in many cases, because the assumed operating states do not agree with the circuit simulation results. This thesis identifies essential properties of ageing effects and we argue that they need to be taken into account for modelling the interrelation of cause and impact. These properties include frequency dependence, monotonicity, memory and relaxation mechanisms as well as control by arbitrary shaped stress levels. Starting from decay processes, we define a class of ageing models that fits these requirements well while remaining arithmetically accessible by means of a simple structure.
Modeling ageing effects in semiconductor circuits becomes more relevant with higher integration and smaller structure sizes. With respect to miniaturization, digital systems are ahead of analogue systems, and similarly ageing models predominantly focus on digital applications. In the digital domain, the signal levels are either on or off or switching in between. Given an ageing model as a physical effect bound to signal levels, ageing models for components and whole systems can be inferred by means of average operation modes and cycle counts. Functional and faithful ageing effect models for analogue components often require a more fine-grained characterization for physical processes. Here, signal levels can take arbitrary values, to begin with. Such fine-grained, physically inspired ageing models do not scale for larger applications and are hard to simulate in reasonable time. To close the gap between physical processes and system level ageing simulation, we propose a data based modelling strategy, according to which measurement data is turned into ageing models for analogue applications. Ageing data is a set of pairs of stress patterns and the corresponding parameter deviations. Assuming additional properties, such as monotonicity or frequency independence, learning algorithm can find a complete model that is consistent with the data set. These ageing effect models decompose into a controlling stress level, an ageing process, and a parameter that depends on the state of this process. Using this representation, we are able to embed a wide range of ageing effects into behavioural models for circuit components. Based on the developed modelling techniques, we introduce a novel model for the BTI effect, an ageing effect that permits relaxation. In the following, a transistor level ageing model for BTI that targets analogue circuits is proposed. Similarly, we demonstrate how ageing data from analogue transistor level circuit models lift to purely behavioural block models. With this, we are the first to present a data based hierarchical ageing modeling scheme. An ageing simulator for circuits or system level models computes long term transients, solutions of a differential equation. Long term transients are often close to quasi-periodic, in some sense repetitive. If the evaluation of ageing models under quasi-periodic conditions can be done efficiently, long term simulation becomes practical. We describe an adaptive two-time simulation algorithm that basically skips periods during simulation, advancing faster on a second time axis. The bottleneck of two-time simulation is the extrapolation through skipped frames. This involves both the evaluation of the ageing models and the consistency of the boundary conditions. We propose a simulator that computes long term transients exploiting the structure of the proposed ageing models. These models permit extrapolation of the ageing state by means of a locally equivalent stress, a sort of average stress level. This level can be computed efficiently and also gives rise to a dynamic step control mechanism. Ageing simulation has a wide range of applications. This thesis vastly improves the applicability of ageing simulation for analogue circuits in terms of modelling and efficiency. An ageing effect model that is a part of a circuit component model accounts for parametric drift that is directly related to the operation mode. For example asymmetric load on a comparator or power-stage may lead to offset drift, which is not an empiric effect. Monitor circuits can report such effects during operation, when they become significant. Simulating the behaviour of these monitors is important during their development. Ageing effects can be compensated using redundant parts, and annealing can revert broken components to functional. We show that such mechanisms can be simulated in place using our models and algorithms. The aim of automatized circuit synthesis is to create a circuit that implements a specification for a certain use case. Ageing simulation can identify candidates that are more reliable. Efficient ageing simulation allows to factor in various operation modes and helps refining the selection. Using long term ageing simulation, we have analysed the fitness of a set of synthesized operational amplifiers with similar properties concerning various use cases. This procedure enables the selection of the most ageing resilient implementation automatically.
Contents:
Yuki Chiba, Santiago Escobar, Naoki Nishida, and David Sabel, and Manfred Schmidt-Schauß : Preface:
The Collection of all Abstracts of the Talks at WPTE 2015 xi
Brigitte Pientka : Mechanizing Meta-Theory in Beluga
Giulio Guerrieri : Head reduction and normalization in a call-by-value lambda-calculus
Adrián Palacios and Germán Vidal : Towards Modelling Actor-Based Concurrency in Term Rewriting
David Sabel and Manfred Schmidt-Schauß : Observing Success in the Pi-Calculus
Sjaak Smetsers, Ken Madlener, and Marko van Eekelen : Formalizing Bialgebraic Semantics in PVS 6.0
Various static analyses of functional programming languages that permit infinite data structures make use of set constants like Top, Inf, and Bot, denoting all terms, all lists not eventually ending in Nil, and all non-terminating programs, respectively. We use a set language that permits union, constructors and recursive definition of set constants with a greatest fixpoint semantics in the set of all, also infinite, computable trees, where all term constructors are non-strict. This internal report proves decidability, in particular DEXPTIME-completeness, of inclusion of co-inductively defined sets by using algorithms and results from tree automata and set constraints, and contains detailed proofs. The test for set inclusion is required by certain strictness analysis algorithms in lazy functional programming languages and could also be the basis for further set-based analyses.
The calculus LRP is a polymorphically typed call-by-need lambda calculus extended by data constructors, case-expressions, seq-expressions and type abstraction and type application. This report is devoted to the extension LRPw of LRP by scoped sharing decorations. The extension cannot be properly encoded into LRP if improvements are defined w.r.t. the number of lbeta, case, and seq-reductions, which makes it necessary to reconsider the claims and proofs of properties. We show correctness of improvement properties of reduction and transformation rules and also of computation rules for decorations in the extended calculus LRPw. We conjecture that conservativity of the embedding of LRP in LRPw holds.
The calculus LRP is a polymorphically typed call-by-need lambda calculus extended by data constructors, case-expressions, seq-expressions and type abstraction and type application. This report is devoted to the extension LRPw of LRP by scoped sharing decorations. The extension cannot be properly encoded into LRP if improvements are defined w.r.t. the number of lbeta, case, and seq-reductions, which makes it necessary to reconsider the claims and proofs of properties. We show correctness of improvement properties of reduction and transformation rules and also of computation rules for decorations in the extended calculus LRPw. We conjecture that conservativity of the embedding of LRP in LRPw holds.
This report documents the extension LRPw of LRP by sharing decorations. We show correctness of improvement properties of reduction and transformation rules and also of computation rules for decorations in the extended calculus LRPw. We conjecture that conservativity of the embedding of LRP in LRPw holds.
An improvement is a correct program transformation that optimizes the program, where the criterion is that the number of computation steps until a value is obtained is decreased. This paper investigates improvements in both { an untyped and a polymorphically typed { call-by-need lambda-calculus with letrec, case, constructors and seq. Besides showing that several local optimizations are improvements, the main result of the paper is a proof that common subexpression elimination is correct and an improvement, which proves a conjecture and thus closes a gap in Moran and Sands' improvement theory. We also prove that several different length measures used for improvement in Moran and Sands' call-by-need calculus and our calculus are equivalent.
An improvement is a correct program transformation that optimizes the program, where the criterion is that the number of computation steps until a value is obtained is decreased. This paper investigates improvements in both { an untyped and a polymorphically typed { call-by-need lambda-calculus with letrec, case, constructors and seq. Besides showing that several local optimizations are improvements, the main result of the paper is a proof that common subexpression elimination is correct and an improvement, which proves a conjecture and thus closes a gap in Moran and Sands' improvement theory. We also prove that several different length measures used for improvement in Moran and Sands' call-by-need calculus and our calculus are equivalent.
An improvement is a correct program transformation that optimizes the program, where the criterion is that the number of computation steps until a value is obtained is decreased. This paper investigates improvements in both { an untyped and a polymorphically typed { call-by-need lambda-calculus with letrec, case, constructors and seq. Besides showing that several local optimizations are improvements, the main result of the paper is a proof that common subexpression elimination is correct and an improvement, which proves a conjecture and thus closes a gap in Moran and Sands' improvement theory. We also prove that several different length measures used for improvement in Moran and Sands' call-by-need calculus and our calculus are equivalent.
Viruses rely completely on the hosts' machinery for translation of viral transcripts. However, for most viruses infecting humans, codon usage preferences (CUPrefs) do not match those of the host. Human papillomaviruses (HPVs) are a showcase to tackle this paradox: they present a large genotypic diversity and a broad range of phenotypic presentations, from asymptomatic infections to productive lesions and cancer. By applying phylogenetic inference and dimensionality reduction methods, we demonstrate first that genes in HPVs are poorly adapted to the average human CUPrefs, the only exception being capsid genes in viruses causing productive lesions. Phylogenetic relationships between HPVs explained only a small proportion of CUPrefs variation. Instead, the most important explanatory factor for viral CUPrefs was infection phenotype, as orthologous genes in viruses with similar clinical presentation displayed similar CUPrefs. Moreover, viral genes with similar spatiotemporal expression patterns also showed similar CUPrefs. Our results suggest that CUPrefs in HPVs reflect either variations in the mutation bias or differential selection pressures depending on the clinical presentation and expression timing. We propose that poor viral CUPrefs may be central to a trade-off between strong viral gene expression and the potential for eliciting protective immune response.
Modern experiments in heavy ion collisions operate with huge data rates that can not be fully stored on the currently available storage devices. Therefore the data flow should be reduced by selecting those collisions that potentially carry the information of the physics interest. The future CBM experiment will have no simple criteria for selecting such collisions and requires the full online reconstruction of the collision topology including reconstruction of short-lived particles.
In this work the KF Particle Finder package for online reconstruction and selection of short-lived particles is proposed and developed. It reconstructs more than 70 decays, covering signals from all the physics cases of the CBM experiment: strange particles, strange resonances, hypernuclei, low mass vector mesons, charmonium, and open-charm particles.
The package is based on the Kalman filter method providing a full set of the particle parameters together with their errors including position, momentum, mass, energy, lifetime, etc. It shows a high quality of the reconstructed particles, high efficiencies, and high signal to background ratios.
The KF Particle Finder is extremely fast for achieving the reconstruction speed of 1.5 ms per minimum-bias AuAu collision at 25 AGeV beam energy on single CPU core. It is fully vectorized and parallelized and shows a strong linear scalability on the many-core architectures of up to 80 cores. It also scales within the First Level Event Selection package on the many-core clusters up to 3200 cores.
The developed KF Particle Finder package is a universal platform for short- lived particle reconstruction, physics analysis and online selection.
We provide elementary algorithms for two preservation theorems for first-order sentences (FO) on the class ℭd of all finite structures of degree at most d: For each FO-sentence that is preserved under extensions (homomorphisms) on ℭd, a ℭd-equivalent existential (existential-positive) FO-sentence can be constructed in 5-fold (4-fold) exponential time. This is complemented by lower bounds showing that a 3-fold exponential blow-up of the computed existential (existential-positive) sentence is unavoidable. Both algorithms can be extended (while maintaining the upper and lower bounds on their time complexity) to input first-order sentences with modulo m counting quantifiers (FO+MODm). Furthermore, we show that for an input FO-formula, a ℭd-equivalent Feferman-Vaught decomposition can be computed in 3-fold exponential time. We also provide a matching lower bound
This paper shows equivalence of several versions of applicative similarity and contextual approximation, and hence also of applicative bisimilarity and contextual equivalence, in LR, the deterministic call-by-need lambda calculus with letrec extended by data constructors, case-expressions and Haskell's seq-operator. LR models an untyped version of the core language of Haskell. The use of bisimilarities simplifies equivalence proofs in calculi and opens a way for more convenient correctness proofs for program transformations. The proof is by a fully abstract and surjective transfer into a call-by-name calculus, which is an extension of Abramsky's lazy lambda calculus. In the latter calculus equivalence of our similarities and contextual approximation can be shown by Howe's method. Similarity is transferred back to LR on the basis of an inductively defined similarity. The translation from the call-by-need letrec calculus into the extended call-by-name lambda calculus is the composition of two translations. The first translation replaces the call-by-need strategy by a call-by-name strategy and its correctness is shown by exploiting infinite trees which emerge by unfolding the letrec expressions. The second translation encodes letrec-expressions by using multi-fixpoint combinators and its correctness is shown syntactically by comparing reductions of both calculi. A further result of this paper is an isomorphism between the mentioned calculi, which is also an identity on letrec-free expressions.
Die vorliegende Arbeit stellt ein organisches Taskverarbeitungssystem vor, das die zuverlässige Verwaltung und Verarbeitung von Tasks auf Multi-Core basierten SoC-Architekturen umsetzt. Aufgrund der zunehmenden Integrationsdichte treten bei der planaren Halbleiter-Fertigung vermehrt Nebeneffekte auf, die im Systembetrieb zu Fehler und Ausfällen von Komponenten führen, was die Zuverlässigkeit der SoCs zunehmend beeinträchtigt. Bereits ab einer Fertigungsgröße von weniger als 100 nm ist eine drastische Zunahme von Elektromigration und der Strahlungssensitivität zu beobachten. Gleichzeitig nimmt die Komplexität (Applikations-Anforderungen) weiter zu, wobei der aktuelle Trend auf eine immer stärkere Vernetzung von Geräten abzielt (Ubiquitäre Systeme). Um diese Herausforderungen autonom bewältigen zu können, wird in dieser Arbeit ein biologisch inspiriertes Systemkonzept vorgestellt. Dieses bedient sich der Eigenschaften und Techniken des menschlichen endokrinen Hormonsystems und setzt ein vollständig dezentrales Funktionsprinzip mit Selbst-X Eigenschaften aus dem Organic Computing Bereich um. Die Durchführung dieses organischen Funktionsprinzips erfolgt in zwei getrennten Regelkreisen, die gemeinsam die dezentrale Verwaltung und Verarbeitung von Tasks übernehmen. Der erste Regelkreis wird durch das künstliche Hormonsystem (KHS) abgebildet und führt die Verteilung aller Tasks auf die verfügbaren Kerne durch. Die Verteilung erfolgt durch das Mitwirken aller Kerne und berücksichtigt deren lokale Eignung und aktueller Zustand. Anschließend erfolgt die Synchronisation mit dem zweiten Regelkreis, der durch die hormongeregelte Taskverarbeitung (HTV) abgebildet wird und einen dynamischen Task-Transfer gemäß der aktuellen Verteilung vollzieht. Dabei werden auch die im Netz verfügbaren Zustände von Tasks berücksichtigt und es entsteht ein vollständiger Verarbeitungspfad, ausgehend von der initialen Taskzuordnung, hinweg über den Transfer der Taskkomponenten, gefolgt von der Erzeugung der lokalen Taskinstanz bis zum Start des zugehörigen Taskprozesses auf dem jeweiligen Kern. Die System-Implementierung setzt sich aus modularen Hardware- und Software-Komponenten zusammen. Dadurch kann das System entweder vollständig in Hardware, Software oder in hybrider Form betrieben und genutzt werden. Mittels eines FPGA-basierten Prototyps konnten die formal bewiesenen Zeitschranken durch Messungen in realer Systemumgebung bestätigt werden. Die Messergebnisse zeigen herausragende Zeitschranken bezüglich der Selbst-X Eigenschaften. Des Weiteren zeigt der quantitative Vergleich gegenüber anderen Systemen, dass der hier gewählte dezentrale Regelungsansatz bezüglich Ausfallsicherheit, Flächen- und Rechenaufwand deutlich überlegen ist.
Viele auf allgemeinen Graphen NP-schwere Probleme (z.B. Hamiltonkreis, k-Färbbarkeit) sind auf Bäumen einfach effizient zu lösen. Baumzerlegungen, Zerlegungen von Graphen in kleine Teilgraphen entlang von Bäumen, erlauben, dies zu effizienten Algorithmen auf baumähnlichen Graphen zu verallgemeinern. Die Baumähnlichkeit wird dabei durch die Baumweite abgebildet: Je kleiner die Baumweite, desto baumähnlicher der Graph.
Die Bedeutung der Baumzerlegungen wurde seit ihrer Verwendung in einer Reihe von 23 Veröffentlichungen von Robertson und Seymour zur Graphminorentheorie allgemein erkannt. Das Hauptresultat der Reihe war der Beweis des Graphminorensatzes, der aussagt, dass die Minorenrelation auf den Graphen Wohlquasiordnung ist. Baumzerlegungen wurden in verschiedenen Bereichen angewandt. So bei probabilistischen Netzen, in der Biologie, bei kombinatorischen Problemen und im Übersetzerbau. Außerdem gibt es algorithmische Metatheoreme, die zeigen, dass sie für weite Problemklassen nützlich sind. Baumzerlegungen sind in dieser Arbeit von zentraler Bedeutung. Die mittels Baumzerlegungen erzielten Erfolge auf baumähnlichen Graphen motivieren Versuche, diese auf größere Graphklassen zu verallgemeinern. Ein erfolgreicher Ansatz beruht auf irrelevanten Knoten und reduziert damit die Probleme auf der größeren Graphklasse auf Probleme auf einer Graphklasse kleiner Baumweite: Wenn der Eingabegraph zu einem Problem kleine Baumweite hat, wird das Problem mittels Baumzerlegungen gelöst. Andernfalls gibt es einen irrelevanten Knoten, so dass das Problem genau dann eine Lösung auf dem ursprünglichen Graphen hat, wenn es auch im Graphen ohne diesen irrelevanten Knoten eine Lösung hat. Es werden solange irrelevante Knoten gefunden und entfernt, bis ein Graph kleiner Baumweite verbleibt.
Ein wichtiges Hilfsmittel zum Finden irrelevanter Knoten ist der Gitterminorensatz: Nach diesem Satz enthalten Graphen großer Baumweite auch große Gitter als Minoren. Die Gitter Baumweite-Dualität ist auch in der Bidimensionalitätstheorie, einem weiteren erfolgreichen Ansatz, um auf größeren Graphklassen, als nur denen kleiner Baumweite, Probleme effizient zu lösen, von zentraler Bedeutung.
Effiziente kryptographische Algorithmen sind ein wichtiger Grundstein für viele neue Anwendungen, wie zum Beispiel das Internet der Dinge (IoT) oder kontaktlose Zahlungssysteme. Daher ist es wichtig, dass neue Algorithmen mit verbesserten Sicherheitseigenschaften und speziellen Leistungseigenschaften entwickelt und analysiert werden. Ein Beispiel ist der aktuelle Trend zu leichtgewichtigen Algorithmen. Diese Entwicklungen erleichtern die Implementierung neuartiger Systeme und ermöglichen auch einen Schutz von bestehenden Systemen durch eine Anpassung auf den neuesten Stand der Technik. Neben der kryptologischen Analyse, ist die Bewertung von Implementierungs-Aspekten sehr wichtig, damit eine realistische Einschätzung der erzielbaren Leistung möglich ist.
Daher müssen für jeden neuen Algorithmus unterschiedliche Software- und Hardwarearchitekturen evaluiert werden. Die systematische Bewertung von Software-Implementierungen für unterschiedliche Hardware-Architekturen hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, zum Beispiel durch den SHA-3 Wettbewerb. Im Vergleich dazu ist die Evaluation für Hardware-Plattformen wie z.B. FPGAs weiterhin sehr zeitaufwendig und fehleranfällig. Dies liegt an vielen Faktoren, z.B. an den mannigfaltigen Möglichkeiten der verschiedenen Zieltechnologien. Ein möglicher Verbesserungsansatz besteht darin, die Bewertung mit einem abstrakteren Ansatz zu beginnen, um interessante Architekturen und Implementierungen anhand von theoretischen Eigenschaften auszuwählen.
Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer abstrakten Bewertungsmethodik, die auf einem theoretischen Modell von getakteten Schaltungen basiert. Das Modell verbessert das Verständnis von Grundeigenschaften dieser Schaltungen und erleichtert auch die abstrakte Modellierung von Architekturen für einen spezifischen Algorithmus. Wenn mehrere verschiedene Architekturen für den gleichen Algorithmus ausgewertet werden, ist es auch möglich zu bestimmen, ob ein Algorithmus gut skaliert. Beispielsweise können Auswirkungen einer Verkleinerung des Datenpfades auf die Größe des Speicherverbrauchs analysiert werden. Basierend auf der entwickelten Methodik können wichtige Eigenschaften, wie der Speicherbedarf, die Anzahl an Taktzyklen oder die Pipeline-Tiefe systematisch bewertet werden. Damit kann eine grobe Schätzung für die Effektivtät einer Architektur abgeleitet werden.
Die Performance-Abschätzung wird auch durch ein theoretisches Konzept der Optimalität der Anzahl an Taktzyklen untermauert. Optimal in diesem Sinne ist eine Architektur, wenn sie verzögerungsfrei ist, d.h. keine Wartezyklen benötigt. Durch die Betrachtung von Datenabhängigkeiten zwischen den einzelnen Runden kann eine minimale und maximale Anzahl an Taktzyklen ermittelt werden. Eine Verletzung dieser Grenzen würde bedeuten, dass die Berechnung der Runden-Funktion nicht alle Ausgangs-Bits produziert hat, wenn diese für die nächste Runde benötigt werden und somit würden Wartezyklen entstehen.
Der zweite Beitrag der Dissertation nutzt die Analysemethodik für mehrere Hash-Funktion. Es werden sechs Hash-Funktionen bewertet: BLAKE, Grøstl, Keccak, JH, Skein und Photon. Die ersten fünf Hash-Funktionen sind die Finalisten des SHA-3 Wettbewerb. Die SHA-3 Finalisten haben eine hohe Sicherheit als oberstes Design-Ziel und nur in zweiter Linie eine hohe Performance. Im Gegensatz dazu wurde Photon für leichtgewichtige Anwendungen konzipiert, z.B. RFID-Tags. Dazu wurde auch die Sicherheit von Photon reduziert. Für jeden Algorithmus wird eine oder mehrere mögliche Organisationensformen des Speichers entwickelt. Als nächstes wird die Anzahl von Taktzyklen auf der Grundlage der Speicherorganisation ermittelt. Das generelle Ziel dabei ist die Entwicklung von Architekturen mit einer optimalen Anzahl von Taktzyklen. Die Diskussion konzentriert sich als nächstes auf verschiedene Möglichkeiten die Runden-Funktion optimal umzusetzen. Das Ergebnis der Evaluierung umfasst mindestens die Schätzung der minimalen Speicheranforderung, die analysierte Pipeline-Tiefe und den theoretischen Durchsatz für lange Nachrichten mit einer festgelegten Taktfrequenz. Diese Ergebnisse lassen eine Einschätzung über die mögliche Leistung der jeweiligen Architekturen zu.
Der dritte Beitrag der Arbeit besteht aus mehreren Implementierungs-Ergebnissen. Zunächst werden Ergebnisse für die SHA-3 Finalisten BLAKE, Grøstl, JH, Keccak und Skein gezeigt. Von den fünf Algorithmen haben alle außer Skein eine relativ hohe Performanz, während Skein abgeschlagen ist. Eine weitere Untersuchung konzentriert sich auf kleinere Implementierungen des SHA-3 Siegers Keccak. Dazu gehören auch nicht standardisierte Varianten mit einem kleineren Zustand. Diese kleineren Versionen werden mit ersten FPGA-Ergebnissen für die Photon Hash-Funktion verglichen. Eine wesentliche Erkenntnis davon ist, dass Keccak auch für FPGA-Anwendungen mit beschränktem Ressourcen-Bedarf prinzipiell sehr wettbewerbsfähig ist.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Behandlung elasto-plastischer Materialmodelle unter großen Deformationen. Elasto-plastisches Materialverhalten zeichnet sich dadurch aus, dass neben den reversiblen (elastischen) Deformationen auch irreversible (plastische) Deformationen betrachtet werden, die einem Evolutionsgesetz folgen. Ein numerischer Algorithmus der Elasto-Plastizität muss daher dieses plastische Evolutionsgesetz zusammen mit den klassischen Erhaltungsgleichungen der Kontinuumsmechanik lösen und geeignet behandeln. Der prominenteste Vertreter eines elasto-plastischen Algorithmus' ist der sogenannte Return-Mapping-Algorithmus (RMA). Neben seiner Funktionalität werden allerdings auch die einschränkenden Modellannahmen beleuchtet, auf denen der RMA gründet. Diese beschränkte Anwendungsmöglichkeit motiviert die Entwicklung eines neuen Plastizitätsalgorithmus'. Der in dieser Arbeit entwickelte Verallgemeinerte Plastizitätsalgorithmus (GPA: Generalised Plasticity Algorithm) führt eine zusätzliche Linearisierung bezüglich der plastischen Variable ein, in der das plastische Evolutionsgesetz formuliert ist. In der vorliegenden Arbeit ist diese Variable durch den plastischen Deformationstensor gegeben, der die Inverse des plastischen rechten Cauchy-Greenschen Deformationstensors beschreibt. Somit erlaubt der GPA eine Behandlung von allgemeineren und komplexeren elasto-plastischen Modellen als der RMA.
Anhand von bekannten Benchmark-Problemen werden die beiden Algorithmen in dieser Arbeit validiert und verglichen. Ein numerischer Test zur Poroplastizität unter großen Deformationen dient schließlich als Beleg dafür, dass der GPA auf Modelle anwendbar ist, die durch komplexes elasto-plastisches Materialverhalten charakterisiert sind und für die der RMA in seiner klassischen Form nicht als Lösungsstrategie gewählt werden kann.
Neben der Entwicklung des Verallgemeinerten Plastizitätsalgorithmus' hat diese Arbeit das Ziel industrielle Anwendungen effizient zu lösen. Dazu wird für ein Problem der linearen Elastizität der effiziente Einsatz des Mehrgitterlösers bis zu einer viertel Million Prozessoren gezeigt und es werden elasto-plastische Rechnungen für zwei industrielle Beispiele mit einer anspruchsvollen Geometrie durchgeführt.
This thesis contributes to the field of machine learning with a specific focus on the methods for learning relations between the inputs. Learning relationships between images is the most common primitive in vision. There are many vision tasks in which relationships across images play an important role. Some of them are motion estimation, activity recognition, stereo vision, multi-view geometry and visual odometry. Many of such tasks mainly depend on motion and disparity cues, which are inferred based on the relations across multiple image pairs. The approaches presented in this thesis mainly deal with, but are not limited to, learning of the representations for motion and depth. This thesis by articles consists of five articles which present relational feature learning models along with their applications in computer vision. In the first article, we present an approach for encoding motion in videos. To this end, we show that the detection of spatial transformations can be viewed as detection of coincidence or synchrony between the given sequence of frames and a sequence of features which are related by the transformation we wish to detect. Learning to detect synchrony is possible by introducing "multiplicative interactions'' into the hidden units of single layered sparse coding models.
We show that the learned motion representations employed for the task of activity recognition achieve competitive performance on multiple benchmarks. Stereo vision is an important challenge in computer vision and useful for many applications in that field. In the second article, we extend the energy based learning models, which were previously used for motion encoding, to the context of depth perception. Given the common architecture of the models for encoding motion and depth, we show that it is possible to define a single model for learning a unified representation for both the cues. Our experimental results show that learning a combined representation for depth and motion makes it possible to achieve state-of-the-art performance at the task of 3-D activity analysis, and to perform better than the existing hand-engineered 3-D motion features. Autoencoder is a popular unsupervised learning method for learning efficient encoding for a given set of data samples. Typically, regularized autoencoders which are used to learn over-complete and sparse representations for the input data, were shown to fail on intrinsically high dimensional data like videos. In the third article, we investigate the reason for such a behavior. It can be observed that the regularized autoencoders typically learn negative hidden unit biases. We show that the learning of negative biases is the result of hidden units being responsible for both the sparsity and the representation of the input data. It is shown that, as a result, the behavior of the model resembles clustering methods which would require exponentially large number of features to model intrinsically high dimensional data. Based on this understanding, we propose a new activation function which decouples the roles of hidden layer and uses linear encoding. This allows to learn representations on data with very high intrinsic dimensionality. We also show that gating connections in the bi-linear models and the single layer models from articles one and two of this thesis can be thought of as a way to attain a linear encoding scheme which allows them to learn good representations on videos. Visual odometry is the task of inferring egomotion of a moving object from visual information such as images and videos. It can primarily be used for the task of localization and has many applications in the fields of robotics and navigation. The work in article four was motivated by the idea of using deep learning techniques, which are successful methods for many vision tasks, for visual odometry. The visual odometry task mainly requires inference of motion and depth information from visual input which can then be mapped to velocity and change in direction. We use relational feature models presented in the articles one and two for inferring a combined motion and depth representation from stereo video sequences. The combined representation is then mapped to discrete velocity and change in direction labels using convolutional neural networks. Our approach is an end-to-end deep learning-based architecture which uses a single type of computational model and learning rule. Preliminary results show that the architecture is capable of learning the mapping from input video to egomotion. Activity recognition is a challenging computer vision task with many real world applications. It is well know that it is a hard task to use computer vision research for real-time applications. In the fifth article of this thesis, we present a real-time activity recognition system based on deep learning based methods. Our approach uses energy based relational feature learning models for the computation of local motion features directly from videos. A bag-of-words over the local motion features is used for the analysis of activity in a given video sequence. We implement this system on a distributed computational platform and demonstrate its performance on the iCub robot. Using GPUs we demonstrate real time performance which makes the deployment of activity recognition systems in real world scenarios possible.
Network graphs have become a popular tool to represent complex systems composed of many interacting subunits; especially in neuroscience, network graphs are increasingly used to represent and analyze functional interactions between multiple neural sources. Interactions are often reconstructed using pairwise bivariate analyses, overlooking the multivariate nature of interactions: it is neglected that investigating the effect of one source on a target necessitates to take all other sources as potential nuisance variables into account; also combinations of sources may act jointly on a given target. Bivariate analyses produce networks that may contain spurious interactions, which reduce the interpretability of the network and its graph metrics. A truly multivariate reconstruction, however, is computationally intractable because of the combinatorial explosion in the number of potential interactions. Thus, we have to resort to approximative methods to handle the intractability of multivariate interaction reconstruction, and thereby enable the use of networks in neuroscience. Here, we suggest such an approximative approach in the form of an algorithm that extends fast bivariate interaction reconstruction by identifying potentially spurious interactions post-hoc: the algorithm uses interaction delays reconstructed for directed bivariate interactions to tag potentially spurious edges on the basis of their timing signatures in the context of the surrounding network. Such tagged interactions may then be pruned, which produces a statistically conservative network approximation that is guaranteed to contain non-spurious interactions only. We describe the algorithm and present a reference implementation in MATLAB to test the algorithm’s performance on simulated networks as well as networks derived from magnetoencephalographic data. We discuss the algorithm in relation to other approximative multivariate methods and highlight suitable application scenarios. Our approach is a tractable and data-efficient way of reconstructing approximative networks of multivariate interactions. It is preferable if available data are limited or if fully multivariate approaches are computationally infeasible.
In dieser Arbeit werden Verfahren vorgestellt, mit dem sich hochaufgelöste wissenschaftliche Illustrationen in einem interaktiven Vorgang erstellen lassen. Die Basis dafür bildet die neu eingeführte GPU-basierte Illustrations-Pipeline, in der auf Grundlage eines 3D-Modells Bildebenen frei angelegt und miteinander kombiniert werden können. In einer Ebene wird ein bestimmter Aspekt der Illustration mit einer auswählbaren Technik gezeigt. Die Parameter der Technik sind interaktiv editierbar. Um Effizienz zu gewährleisten ist das gesamte Verfahren so konzipiert, dass es soweit wie möglich die Berechnungen auf der GPU durchführt. So ist es möglich, dass die Illustrationen mit interaktiven Frameraten gerendert werden.
Detectors of modern high-energy physics experiments generate huge data rates during operation. The efficient read-out of this data from the front-end electronics is a sophisticated task, the main challenges, however, may vary from experiment to experiment. The Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment that is currently under construction at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt/Germany foresees a novel approach for data acquisition.
Unlike previous comparable experiments that organize data read-out based on global, hierarchical trigger decisions, CBM is based on free-running and self-triggered front-end electronics. Data is pushed to the next stage of the read-out chain rather than pulled from the buffers of the previous stage. This new paradigm requires a completely new development of read-out electronics.
As one part of this thesis, a firmware for a read-out controller to interface such a free-running and self-triggered front-end ASIC, the GET4 chip, was implemented. The firmware in question was developed to run on a Field Programmable Gate Array (FPGA). An FPGA is an integrated circuit whose behavior can be reconfigured "in the field" which offers a lot of flexibility, bugs can be fixed and also completely new features can be added, even after the hardware has already been installed. Due to these general advantages, the usage of FPGAs is desired for the final experiment. However, there is also a drawback to the usage of FPGAs. The only affordable FPGAs today are based on either SRAM or Flash technology and both cannot easily be operated in a radiation environment.
SRAM-based devices suffer severely from Single Event Upsets (SEUs) and Flash-based FPGAs deteriorate too fast from Total Ionizing Dose (TID) effects.
Several radiation mitigation techniques exist for SRAM-based FPGAs, but careful evaluation for each use case is required. For CBM it is not clear if the higher resource consumption of added redundancy, that more or less directly translates in to additional cost, outweighs the advantaged of using FPGAs. In addition, it is even not clear if radiation mitigation techniques (e.g. scrubbing) that were already successfully put into operation in space applications also work as efficiently at the much higher particle rates expected at CBM.
In this thesis, existing radiation mitigation techniques have been analyzed and eligible techniques have been implemented for the above-mentioned read-out controller. To minimize additional costs, redundancy was only implemented for selected parts of the design.
Finally, the radiation mitigated read-out controller was tested by mounting the device directly into a particle beam at Forschungszentrum Jülich. The tests show that the radiation mitigation effect of the implemented techniques remains sound, even at a very high particle flux and with only part of the design protected by costly redundancy.
The promising results of the in-beam tests suggest to use FPGAs in the read-out chain of the CBM-ToF detector.