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Towards correctness of program transformations through unification and critical pair computation
(2010)
Correctness of program transformations in extended lambda-calculi with a contextual semantics is usually based on reasoning about the operational semantics which is a rewrite semantics. A successful approach is the combination of a context lemma with the computation of overlaps between program transformations and the reduction rules, which results in so-called complete sets of diagrams. The method is similar to the computation of critical pairs for the completion of term rewriting systems. We explore cases where the computation of these overlaps can be done in a first order way by variants of critical pair computation that use unification algorithms. As a case study of an application we describe a finitary and decidable unification algorithm for the combination of the equational theory of left-commutativity modelling multi-sets, context variables and many-sorted unification. Sets of equations are restricted to be almost linear, i.e. every variable and context variable occurs at most once, where we allow one exception: variables of a sort without ground terms may occur several times. Every context variable must have an argument-sort in the free part of the signature. We also extend the unification algorithm by the treatment of binding-chains in let- and letrec-environments and by context-classes. This results in a unification algorithm that can be applied to all overlaps of normal-order reductions and transformations in an extended lambda calculus with letrec that we use as a case study.
This paper shows the equivalence of applicative similarity and contextual approximation, and hence also of bisimilarity and contextual equivalence, in the deterministic call-by-need lambda calculus with letrec. Bisimilarity simplifies equivalence proofs in the calculus and opens a way for more convenient correctness proofs for program transformations. Although this property may be a natural one to expect, to the best of our knowledge, this paper is the first one providing a proof. The proof technique is to transfer the contextual approximation into Abramsky's lazy lambda calculus by a fully abstract and surjective translation. This also shows that the natural embedding of Abramsky's lazy lambda calculus into the call-by-need lambda calculus with letrec is an isomorphism between the respective term-models.We show that the equivalence property proven in this paper transfers to a call-by-need letrec calculus developed by Ariola and Felleisen.
This note shows that in non-deterministic extended lambda calculi with letrec, the tool of applicative (bi)simulation is in general not usable for contextual equivalence, by giving a counterexample adapted from data flow analysis. It also shown that there is a flaw in a lemma and a theorem concerning finite simulation in a conference paper by the first two authors.
A logical framework consisting of a polymorphic call-by-value functional language and a first-order logic on the values is presented, which is a reconstruction of the logic of the verification system VeriFun. The reconstruction uses contextual semantics to define the logical value of equations. It equates undefinedness and non-termination, which is a standard semantical approach. The main results of this paper are: Meta-theorems about the globality of several classes of theorems in the logic, and proofs of global correctness of transformations and deduction rules. The deduction rules of VeriFun are globally correct if rules depending on termination are appropriately formulated. The reconstruction also gives hints on generalizations of the VeriFun framework: reasoning on nonterminating expressions and functions, mutual recursive functions and abstractions in the data values, and formulas with arbitrary quantifier prefix could be allowed.
Zur genomweiten Genexpressionsanalyse werden Microarray-Experimente verwendet. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zur Präprozessierung von Microarrays der Firma Affymetrix zu evaluieren und die VSN-Methode für Experimente mit weniger als 1000 Zellen zu verbessern. Bei dieser Technologie wird die Expression jedes Gens durch mehrere Probessets gemessen. Jedes Probeset besteht aus einem Perfect-Match (PM) und einem dazugehörigen Mismatch (MM). Der Expressionswert pro Gen wird durch ein vierstufiges Verfahren aus den einzelnen Probe-Werten berechnet: Hintergrundkorrektur, Normalisierung, PM-Adjustierung und Aggregation. Für jeden dieser Schritte existieren mehrere Algorithmen. Dazu dienten die im affy-Paket des Bioconductor implementierten Methoden MAS5, RMA, VSN und die Methode sRMA von Cope et al. [Cope et al., 2006] in Kombination mit der Methode VSN von Huber et al. [Huber et al., 2002]. Den ersten Teil dieser Arbeit bildet die Reanalyse der Datensätze von Küppers et al. [Küppers et al., 2003] und Piccaluga et al. [Piccaluga et al., 2007] mit der VSN-Methode. Dabei konnte gezeigt werden, dass die VSN-Methode gegenüber Klein et al. [Klein et al., 2001] Vorteile zeigt. Bei beiden Datensätzen wurden zusätzliche Gene gefunden, die für die Pathogenese der jeweiligen Tumorarten wichtig sein können. Einige der zusätzlich gefunden Gene wurden durch andere wissenschaftliche Arbeiten bestätigt. Die Gene, die bisher in keinem Zusammenhang mit der untersuchten Tumorart stehen, sind eine Möglichkeit für die weitere Forschung. Vor allem der Zytokine/Zytokine Signalweg wurde bei beiden Reanalysen als überrepräsentiert erkannt. Da für einige Microarray-Experimente die Anzahl der Zellen und damit die Menge an mRNA nur begrenzt zur Verfügung stehen, müssen die Laborarbeit und die statistischen Analysen angepasst werden. Hierzu werden fünf Methoden für die Präprozessierung untersucht, um zu evaluieren, welche Methode geeignet ist, derartige Expressionsdaten zu verrechnen. Auf Basis eines Testdatensatzes der bereits zur Etablierung des Laborprozesses diente werden Expressionswerte durch empirische Verteilung, Gammaverteilung und ein linear gemischtes Modell simuliert. Die Simulation lässt sich in vier Schritte einteilen: Wahl der Verteilung, Simulation der Expressionsmatrix, Simulation der differentiellen Expression, Sortierung der Probes innerhalb des Probesets. Anschließend werden die fünf Präprozessierungsmethoden mit diesen simulierten Expressionsdaten auf ihre Sensitivität und Spezifität untersucht. Während sich bei den empirisch und gammaverteilt simulierten Expressionsdaten kein eindeutiges Ergebnis abzeichnet, hat sVSN bei den Daten aus dem linear gemischten Modell die größte Sensitivität und die größte Spezifität. Der in dieser Arbeit entwickelte sVSN-Algorithmus wurde zum ersten Mal angewendet und bewertet. Abschließend wird ein Teildatensatz von Brune et al. verwendet und hinsichtlich der fünf Präprozessierungsmethoden untersucht. Die Ergebnisse der sVSN-Methode wird im Detail weiter verfolgt. Die zusätzlich gefunden Gene können durch bereits veröffentlichte Arbeiten bestätigt werden. Letztendlich zeigt sich, dass neuere statistische Methoden (wie das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte sVSN) bei der Analyse von Affymetrix Microarrays einen Vorteil bringen. Die sVSN und sRMA Methoden zeigen Vorteile, da die Probes nach der Normalisierung gewichtet werden, bevor diese aggregiert werden. Die MAS5-Methode schneidet am schlechtesten ab und sollte bei geringen Zellmengen nicht eingesetzt werden. Für die Analyse mit geringer Menge an mRNA müssen weitere Untersuchungen vorgenommen werden, um eine geeignete statistische Methode für die Analyse der Expressionsdaten zu finden.
Ambiguity and communication
(2009)
The ambiguity of a nondeterministic finite automaton (NFA) N for input size n is the maximal number of accepting computations of N for an input of size n. For all k, r 2 N we construct languages Lr,k which can be recognized by NFA's with size k poly(r) and ambiguity O(nk), but Lr,k has only NFA's with exponential size, if ambiguity o(nk) is required. In particular, a hierarchy for polynomial ambiguity is obtained, solving a long standing open problem (Ravikumar and Ibarra, 1989, Leung, 1998).
Bayessche Methoden zur Schätzung von Stammbäumen mit Verzweigungszeitpunkten aus molekularen Daten
(2009)
Ein großes Ziel der Evolutionsbiologie ist es, die Stammesgeschichte der Arten zu rekonstruieren. Historisch verwendeten Systematiker hierfür morphologische und anatomische Merkmale. Mit dem stetigen Zuwachs an verfügbaren Sequenzdaten werden heute verstärkt Methoden entwickelt und eingesetzt, welche die Rekonstruktion auf Basis von molekularen Daten ermöglichen. Im Fokus der aktuellen Forschung steht die Anwendung und Weiterentwicklung Bayesscher Methoden. Diese Methoden besitzen große Popularität, da sie in Verbindung mit Markov-Ketten-Monte-Carlo-Verfahren eingesetzt werden können, um einen Stammbaum zu vorgegebenen Spezies zu schätzen und dessen Variabilität zu bestimmen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die erweiterbare Software TreeTime entwickelt. TreeTime bietet Schnittstellen für die Einbindung von molekularen Evolutions- und Ratenänderungsmodellen und stellt neu entwickelte Methoden bereit, um Stammbäume mit Verzweigungszeitpunkten zu rekonstruieren. In TreeTime werden die molekularen Daten und die zeitlichen Informationen, wie z.B. Fossilfunde, in einem Bayes-Verfahren simultan berücksichtigt, um die Zeitpunkte der Artaufspaltungen genauer zu datieren. Für die Anwendung Bayesscher Methoden in der Rekonstruktion von Stammbäumen wird ein stochastisches Modell benötigt, das die Evolution der molekularen Sequenzen entlang den Kanten eines Stammbaums beschreibt. Der Mutationsprozess der Sequenzen wird durch ein molekulares Evolutionsmodell definiert. Die Verwendung der klassischen molekularen Evolutionsmodelle impliziert die Annahme einer konstanten Evolutionsgeschwindigkeit der Sequenzen im Stammbaum. Diese Annahme wird als Hypothese der molekularen Uhr bezeichnet und bildet die Grundlage zum Schätzen der Verzweigungszeiten des Stammbaums. Der Verzweigungszeitpunkt, an dem sich zwei Spezies im Stammbaum aufspalten, spiegelt sich in der Ähnlichkeit der zugehörigen molekularen Sequenzen. Je älter dieser Verzweigungszeitpunkt ist, desto größer ist die Anzahl der unterschiedlichen Positionen in den Sequenzen. Häufig ist jedoch die Annahme der molekularen Uhr verletzt, so dass in gewissen Teilbereichen eines Stammbaums eine erhöhte Evolutionsgeschwindigkeit nachweisbar ist. Falls die Verletzung konstanter Evolutionsgeschwindigkeiten nicht ausgeschlossen werden kann, sollten schwankende Mutationsraten in der Modellierung explizit berücksichtigt werden. Hierfür wurden verschiedene Ratenänderungsmodelle vorgeschlagen. Bisher sind nur wenige dieser Ratenänderungsmodelle in Softwarepaketen verfügbar und ihre Eigenschaften sind nicht ausreichend erforscht. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Bereitstellung von Bayesschen Modellen und Methoden zum Schätzen von Stammbäumen mit Verzweigungszeitpunkten. Die Methoden sollten auch bei unterschiedlichen Evolutionsgeschwindigkeiten im Stammbaum anwendbar sein. Vorgestellt wird ein neues Ratenänderungsmodell, eine neue Möglichkeit der Angabe von flexiblen Beschränkungen für die Topologie des Stammbaums sowie die Nutzung dieser Beschränkungen für die zeitliche Kalibrierung. Das neue Raten Änderungsmodell sowie die topologischen und zeitlichen Beschränkungen werden in einen modularen Softwareentwurf eingebettet. Durch den erweiterbaren Entwurf können bestehende und zukünftige molekulare Evolutionsmodelle und Ratenänderungsmodelle in die Software eingebunden und verwendet werden. Die vorgestellten Modelle und Methoden werden gemäß dem Softwareentwurf in das neu entwickelte Programm TreeTime aufgenommen und effzient implementiert. Zusätzlich werden bereits vorhandene Modelle programmiert und eingebunden, die nicht in anderen Softwarepaketen verfügbar sind. Des Weiteren wird eine neue Methode entwickelt und angewendet, um die Passgenauigkeit eines Modells für die Apriori-Verteilung auf der Menge der Baumtopologien zu beurteilen. Diese Methode wird zur Auswahl geeigneter Modelle benutzt, indem eine Auswertung der beobachteten Baumtopologien der Datenbank TreeBASE durchgeführt wird. Anschließend wird die Software TreeTime in einer Simulationsstudie eingesetzt, um die Eigenschaften der implementierten Ratenänderungsmodelle zu vergleichen. Die Software wird für die Rekonstruktion des Stammbaums zu 38 Spezies aus der Familie der Eidechsen (Lacertidae) verwendet. Da die zugehörigen molekularen Daten von der Hypothese der molekularen Uhr abweichen, werden unterschiedliche Ratenänderungsmodelle bei der Rekonstruktion verwendet und abschließend bewertet. ........
Gegenstand dieser Arbeit war die Analyse der Komplexität von Kosten- und Erlösrechnungssystemen und ihrer Auswirkung auf die Auswahl geeigneter Instrumente für die EDV-gestützte Realisierung dieser Systeme, wobei insbesondere auf die bisherigen Ansätze der Datenbank- und Wissensuntersrutzung der Kosten- und Erlösrechnung eingegangen werden sollte. Das zweite Kapitel befaßt sich mit einer Analyse der Komplexität der in Deutschland am weitesten verbreiteten Kosten- und Erlösrechnungssysteme. Die Untersuchung der grundlegenden Gestaltungsmerkmale von Kosten- und Erlösrechnungssystemen auf ihre Komplexitätsrelevanz zeigte, daß einige Merkmale die Komplexität sehr stark beeinflussen, andere dagegen kaum, darunter auch in der betriebswirtschaftlichen Diskussion so wesentliche wie der verwendete Kostenbegriff. Den größten Einfluß auf die Komplexität von Kosten- und Erlösrechnungssystemen besitzen die Kosten- und Erlösstrukturierung sowie die Verarbeitungsarten, -methoden und -inhalte. Ein Vergleich der Grenzplankostenrechnung nach Kn.GER und FLAUT, stellvertretend Im überwiegend zweckmonistische Kostenrechnungssysteme, und der Einzelkostenrechnung nach RIEBEL als zweckpluralistischem Kosten- und Erlösrechnungssystem bezüglich der komplexitätsrelevanten Merkmale ergab eindeutige Unterschiede zwischen diesen Systemen. Während die Grenzplankostenrechnung polynomiale Platz- und Funktionskomplexitäten niedriger Grade (überwiegend quadratisch und nur im Rahmen der innerbetrieblichen Leistungsverrechnung kubisch) aufweist, treten in der Einzelkostenrechnung an mehreren entscheidenden Stellen exponentielle Komplexitäten auf. Die Analyse der Komplexität dieser beiden Kosten- und Erlösrechnungssystemen zeigt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen vielseitiger Auswertbarkeit und der Komplexität eines Systems auf, der bei einer Beurteilung von Kosten- und Erlösrechnungssystemen berücksichtigt werden muß. Für die Gestaltung von Kosten- und Erlösrechnungssystemen bedeutet dies eine grundsätzliche Wahlmöglichkeit zwischen Systemen begrenzter Auswertbarkeit und niedriger Komplexität sowie Systemen mit größerer Auswertungsvielfalt, aber deutlich höherer Komplexität. Die Komplexität von Kosten- und Erlösrechnungssystemen ist jedoch nicht als eine Folge der Auswahl eines Rechnungssystems zu betrachten, sondern resultiert letztlich aus der Komplexität einer Unternehmung und ihrer Umwelt, die unterschiedlich detailliert abgebildet werden können. Da diese Komplexitäten in Zukunft eher noch zunehmen werden, ist grundSätzlich mit einem Trend zu universelleren und komplexeren Systemen zu rechnen. Die Erweiterung der Grenzplankostenrechnung hin zu größerer Komplexität sowie die Entwicklung neuerer Ansätze wie der Prozeßkostenrechnung bestätigen beide diesen Trend. Für die weitere Untersuchung wird vorausgesetzt, daß die Grenzplankostenrechnung und die Einzelkostenrechnung die entgegengesetzten Enden eines Komplexitätsspektrums von Kosten- und Erlösrechnungssystemen bilden und daher auch das Spektrum der Anforderungen an die Instrumente zu ihrer EDV-Implementierung begrenzen. Unter einer Anzahl von neueren Entwicklungen in der EDV wurden daher zwei Konzepte ausgewählt, die zur Behandlung verschiedener Aspekte der Komplexität geeignet sind: Datenbanksysteme zur Behandlung der Platzkomplexität und Wissenssysteme zur Behandlung der Funktionskomplexität. Im folgenden werden die Erfahrungen, die bei der Realisierung von Datenbank- und Wissenssystemen für die Kosten- und Erlösrechnung gemacht wurden, unter dem Gesichtspunkt der Komplexität von Kosten- und Erlösrechnungssystemen bewertet. Bei der Betrachtung von Datenbanksystemen ist zu berücksichtigen, daß sich im Laufe der Zeit zwei unterschiedliche Anwendungstypen herauskristallisiert haben: konventionelle Datenbankanwendungen, die den herkömmlichen Paradigmen von Datenbanksystemen entsprechen, und neuere Datenbankanwendungen, die z.T. wesentlich höhere Anforderungen stellen und so die Entwicklung neuer Datenbanksysteme erforderlich machten. Beide Systeme der Kosten- und Erlösrechnung eignen sich grundSätzlich als Datenbankanwendungen, d.h. sie rechtfertigen den Einsatz von Datenbanksystemen zur Verwaltung ihrer Datenmengen. Während die Grenzplankostenrechnung aber den konventionellen Datenbankanwendungen zuzurechnen ist, weist die Einzelkostenrechnung bereits wesentliche Merkmale neuerer Datenbankanwendungen auf. Im Gegensatz zu Datenbanksystemen sind die Anforderungen an Wissenssysteme und ihre Eigenschaften sehr unpräzise, z.T. sogar widersprüchlich formuliert. Auf der Basis der gängigen Eigenschaftskataloge erscheint die Kosten- und Erlösrechnung nicht als typische Wissenssystemanwendung. Trotzdem wurden bereits mehrere Wissenssysteme für Kosten- und Erlösrechnungsprobleme (Abweichungsanalyse, Betriebsergebnisanalyse, Bestimmung von Preisuntergrenzen, konstruktionsbegleitende Kalkulation und Teilprobleme der Prozeßkostenrechnung) realisiert, von denen jedes einige der Eignungskriterien für Wissenssystemanwendungen erfüllt. Die behandelten Beispiele für Wissenssysteme im Rahmen der Kosten- und Erlösrechnung basieren überwiegend auf der Grenzplankostenrechnung. Es ist daher anzunehmen, daß die Einzelkostenrechnung auf Grund ihrer höheren Komplexität weitere Anwendungsprobleme für Wissenssysteme enthält. Insgesamt sind jedoch die Unterschiede zwischen der Grenzplankostenrechnung und der Einzelkostenrechnung im Hinblick auf den Einsatz von Wissenssystemen wesentlich weniger ausgeprägt als dies für den Einsatz von Datenbanksystemen der Fall war. Nachdem beide Systeme der Kosten- und Erlösrechnung sowohl als Datenbankanwendungen geeignet sind als auch Anwendungsprobleme für Wissenssysteme aufweisen, ist auch die Verbindung von Wissenssystemen und Datenbanksystemen in Betracht zu ziehen. Daher wurde im Anschluß die jeweiligen Vor- und Nachteile von Datenbank- und Wissenssysteme gegenübergestellt. Die Vorteile von Datenbanksystemen liegen auf den maschinennäheren Ebenen, auf denen die Vorkehrungen für Datenschutz, Datensicherung, reibungslosen Mehrbenutzerbetrieb sowie die effiziente Ausführung der Operationen geschaffen werden. Die Vorteile von Wissenssystemen liegen in der größeren Mächtigkeit der Problemlösungskomponente, der Wissenserweiterungskomponente und der Erklärungskomponente. Ein neueres Beispiel für eine Zusammenarbeit von Datenbank- und Wissenssystemen ist die Auswertung eines speziell für derartige Zwecke angelegten Data Warehouse durch das Data Mining sowie andere Analysesysteme. Ein Data Warehouse stimmt in wesentlichen Merkmalen mit der Grundrechnung der Einzelkostenrechnung überein und zeigt, daß eine Grundrechnung auf der Basis heutiger EDV -Systeme realisierbar ist. Zur Auswertung einer Datenbank dieser Größe sind spezielle Analysesysteme notwendig. Für standardisierte Auswertungen eines Data Warehouse wurden OLAP-Systeme entwickelt, deren Operationen Verallgemeinerungen mehrdimensionaler Deckungsbeitragsrechnungen sind. Bei nicht standardisierbaren Auswertungen empfiehlt sich dagegen der Einsatz von Wissenssystemen, für den das Data Mining ein Beispiel liefert. Diese Kombination von Datenbanksystem, konventionellen und Kl-Auswertungen erscheint für eine Verwendung in der Kosten- und Erlösrechnung bestens geeignet. Das vierte Kapitel befaßt sich mit Ansätzen zur Strukturierung von Daten- und Wissensbasen, die bei Datenbanksystemen als Datenmodelle, bei Wissenssystemen als Wissensrepräsentationstechniken bezeichnet werden. Dabei wurde der Unterteilung des dritten Kapitels gefolgt und zwischen konventionellen und neueren Datenmodellen sowie Wissensrepräsentationstechniken unterschieden. Die Betrachtung des Relationenmodells als Vertreters der konventionellen Datenmodelle ergab, daß es für die Grenzplankostenrechnung völlig ausreicht. Die Erfahrungen mit der Realisierung einer Grundrechnung auf der Basis des Relationenmodells haben dagegen gezeigt, daß seine syntaktischen und semantischen Mängel zu weitgehenden Vereinfachungen beim Schemaentwurf zwingen, die wiederum die Operationen der Auswertungsrechnungen unnötig komplizieren. Aus der Vielzahl semantischer und objektorientierter Datenmodelle, die für neuere Datenbankanwendungen entwickelt wurden, hat sich trotz Unterschieden in Details eine Anzahl von Konzepten herauskristallisiert, die den meisten dieser DatenmodelIe gemeinsam sind. Mit Hilfe dieser Konzepte sind die Probleme, die bei der Verwendung des Relationenmodelis auftraten, vermeidbar. Im Grunde sind daher fast alle semantischen und objektorientierten Entwurfsmodelle zur ModelIierung einer Grundrechnung geeignet. Wichtig ist jedoch,daß die Grundrechnung auch mit einem Datenbanksystem realisiert wird, dem eines dieser Datenmodelle zugrunde liegt, da bei einer Transformation auf ein relationales Datenmodell wesentliche Entwurfsüberlegungen - und damit der größte Teil des Vorteils,den semantische und objektorientierte Entwurfsmodelle bieten -, verloren gehen. Zur Realisierung einer Grundrechnung erscheinen objektrelationale Datenbanksysteme am besten geeignet, da sie einerseits objektorientierte Konzepte mit mächtigen und komfortablen Anfragesprachen verbinden und andererseits aufwärtskompatibel zu den weitverbreiteten relationalen Datenbanksystemen sind. Da sich die objektorientierten Datenmodelle als für die Modellierung einer Grundrechnung geeignet erwiesen haben, wurden unter dem Gesichtspunkt der Verbindung von Datenbank- und Wissenssystemen nur objektorientierte Wissensrepräsentationstechniken in Betracht gezogen. Zwischen semantischen und objektorientierten Datenmodellen einerseits und objektorientierten Wissensrepräsentationstechniken, vor allem semantischen Netzen und Frames, andererseits bestehen weitgehende Übereinstimmungen. Daher können z.B. framebasierte Wissenssysteme direkt auf objektorientierten Datenbanksystemen realisiert werden. Inzwischen werden aber auch objektorientierte Programmiersprachen wie C++ oder Smalltalk zur Implementierung von Wissenssystemen verwendet, von denen die objektorientierte Sprache C++ am geeignetsten erscheint, da die meisten objektorientierten und objektrelationalen Datenbanksysteme eine C++-Schnittstelle aufweisen. Abschließend ist daher festzustellen, daß das Paradigma der Objektorientierung, das in Entwurfssprachen, Datenmodellen, Wissensrepräsentationstechniken und Programmiersprachen wesentliche Einflüsse ausgeübt hat, für die Realisierung der datenbankgestützten Grundrechnung eines zweckpluralistischen Kosten- und Erlösrechnungssystems wie der Einzelkostenrechnung sowie darauf aufbauender Auswertungsrechnungen, die z.T. als Wissenssysteme realisiert werden, wesentliche Vorteile besitzt. Über die adäquatere ModelIierung der Strukturen hinaus entsteht durch den Einsatz objektorientierter Techniken zum Entwurf und zur Implementierung aller System teile ein möglichst homogenes System, das nicht zusätzlich zu der inhärenten Komplexität noch weitere Probleme durch ungeeignete Darstellungskonzepte oder schlechte Abstimmung schafft.
We provide the first non-trivial result on dynamic breadth-first search (BFS) in external-memory: For general sparse undirected graphs of initially $n$ nodes and O(n) edges and monotone update sequences of either $\Theta(n)$ edge insertions or $\Theta(n)$ edge deletions, we prove an amortized high-probability bound of $O(n/B^{2/3}+\sort(n)\cdot \log B)$ I/Os per update. In contrast, the currently best approach for static BFS on sparse undirected graphs requires $\Omega(n/B^{1/2}+\sort(n))$ I/Os. 1998 ACM Subject Classification: F.2.2. Key words and phrases: External Memory, Dynamic Graph Algorithms, BFS, Randomization.
Algorithms and data structures constitute the theoretical foundations of computer science and are an integral part of any classical computer science curriculum. Due to their high level of abstraction, the understanding of algorithms is of crucial concern to the vast majority of novice students. To facilitate the understanding and teaching of algorithms, a new research field termed "algorithm visualisation" evolved in the early 1980's. This field is concerned with innovating techniques and concepts for the development of effective algorithm visualisations for teaching, study, and research purposes. Due to the large number of requirements that high-quality algorithm visualisations need to meet, developing and deploying effective algorithm visualisations from scratch is often deemed to be an arduous, time-consuming task, which necessitates high-level skills in didactics, design, programming and evaluation. A substantial part of this thesis is devoted to the problems and solutions related to the automation of three-dimensional visual simulation of algorithms. The scientific contribution of the research presented in this work lies in addressing three concerns: - Identifying and investigating the issues related to the full automation of visual simulations. - Developing an automation-based approach to minimising the effort required for creating effective visual simulations. - Designing and implementing a rich environment for the visualisation of arbitrary algorithms and data structures in 3D. The presented research in this thesis is of considerable interest to (1) researchers anxious to facilitate the development process of algorithm visualisations, (2) educators concerned with adopting algorithm visualisations as a teaching aid and (3) students interested in developing their own algorithm animations.
Various concurrency primitives had been added to functional programming languages in different ways. In Haskell such a primitive is a MVar, joins are described in JoCaml and AliceML uses futures to provide a concurrent behaviour. Despite these concurrency libraries seem to behave well, their equivalence between each other has not been proven yet. An expressive formal system is needed. In their paper "On proving the equivalence of concurrency primitives", Jan Schwinghammer, David Sabel, Joachim Niehren, and Manfred Schmidt-Schauß define a universal calculus for concurrency primitives known as the typed lambda calculus with futures. There, equivalence of processes had been proved. An encoding of simple one-place buffers had been worked out. This bachelor’s thesis is about encoding more complex concurrency abstractions in the lambda calculus with futures and proving correctness of its operational semantics. Given the new abstractions, we will discuss program equivalence between them. Finally, we present a library written in Haskell that exposes futures and our concurrency abstractions as a proof of concept.
This paper gives a brief overview of computation models for data stream processing, and it introduces a new model for multi-pass processing of multiple streams, the so-called mp2s-automata. Two algorithms for solving the set disjointness problem with these automata are presented. The main technical contribution of this paper is the proof of a lower bound on the size of memory and the number of heads that are required for solving the set disjointness problem with mp2s-automata.
Iterative arrays (IAs) are a, parallel computational model with a sequential processing of the input. They are one-dimensional arrays of interacting identical deterministic finite automata. In this note, realtime-lAs with sublinear space bounds are used to accept formal languages. The existence of a proper hierarchy of space complexity classes between logarithmic anel linear space bounds is proved. Furthermore, an optimal spacc lower bound for non-regular language recognition is shown. Key words: Iterative arrays, cellular automata, space bounded computations, decidability questions, formal languages, theory of computation
It is shown that between one-turn pushdown automata (1-turn PDAs) and deterministic finite automata (DFAs) there will be savings concerning the size of description not bounded by any recursive function, so-called non-recursive tradeoffs. Considering the number of turns of the stack height as a consumable resource of PDAs, we can show the existence of non-recursive trade-offs between PDAs performing k+ 1 turns and k turns for k >= 1. Furthermore, non-recursive trade-offs are shown between arbitrary PDAs and PDAs which perform only a finite number of turns. Finally, several decidability questions are shown to be undecidable and not semidecidable.
We investigate a restricted one-way cellular automaton (OCA) model where the number of cells is bounded by a constant number k, so-called kC-OCAs. In contrast to the general model, the generative capacity of the restricted model is reduced to the set of regular languages. A kC-OCA can be algorithmically converted to a deterministic finite automaton (DFA). The blow-up in the number of states is bounded by a polynomial of degree k. We can exhibit a family of unary languages which shows that this upper bound is tight in order of magnitude. We then study upper and lower bounds for the trade-off when converting DFAs to kC-OCAs. We show that there are regular languages where the use of kC-OCAs cannot reduce the number of states when compared to DFAs. We then investigate trade-offs between kC-OCAs with different numbers of cells and finally treat the problem of minimizing a given kC-OCA.
The effect of adding two-way communication to k cells one-way cellular automata (kC-OCAs) on their size of description is studied. kC-OCAs are a parallel model for the regular languages that consists of an array of k identical deterministic finite automata (DFAs), called cells, operating in parallel. Each cell gets information from its right neighbor only. In this paper, two models with different amounts of two-way communication are investigated. Both models always achieve quadratic savings when compared to DFAs. When compared to a one-way cellular model, the result is that minimum two-way communication can achieve at most quadratic savings whereas maximum two-way communication may provide savings bounded by a polynomial of degree k.
The descriptional complexity of iterative arrays (lAs) is studied. Iterative arrays are a parallel computational model with a sequential processing of the input. It is shown that lAs when compared to deterministic finite automata or pushdown automata may provide savings in size which are not bounded by any recursive function, so-called non-recursive trade-offs. Additional non-recursive trade-offs are proven to exist between lAs working in linear time and lAs working in real time. Furthermore, the descriptional complexity of lAs is compared with cellular automata (CAs) and non-recursive trade-offs are proven between two restricted classes. Finally, it is shown that many decidability questions for lAs are undecidable and not semidecidable.
It is known that deterministic finite automata (DFAs) can be algorithmically minimized, i.e., a DFA M can be converted to an equivalent DFA M' which has a minimal number of states. The minimization can be done efficiently [6]. On the other hand, it is known that unambiguous finite automata (UFAs) and nondeterministic finite automata (NFAs) can be algorithmically minimized too, but their minimization problems turn out to be NP-complete and PSPACE-complete [8]. In this paper, the time complexity of the minimization problem for two restricted types of finite automata is investigated. These automata are nearly deterministic, since they only allow a small amount of non determinism to be used. On the one hand, NFAs with a fixed finite branching are studied, i.e., the number of nondeterministic moves within every accepting computation is bounded by a fixed finite number. On the other hand, finite automata are investigated which are essentially deterministic except that there is a fixed number of different initial states which can be chosen nondeterministically. The main result is that the minimization problems for these models are computationally hard, namely NP-complete. Hence, even the slightest extension of the deterministic model towards a nondeterministic one, e.g., allowing at most one nondeterministic move in every accepting computation or allowing two initial states instead of one, results in computationally intractable minimization problems.
We study the descriptional complexity of cellular automata (CA), a parallel model of computation. We show that between one of the simplest cellular models, the realtime-OCA. and "classical" models like deterministic finite automata (DFA) or pushdown automata (PDA), there will be savings concerning the size of description not bounded by any recursive function, a so-called nonrecursive trade-off. Furthermore, nonrecursive trade-offs are shown between some restricted classes of cellular automata. The set of valid computations of a Turing machine can be recognized by a realtime-OCA. This implies that many decidability questions are not even semi decidable for cellular automata. There is no pumping lemma and no minimization algorithm for cellular automata.
Zellularautomaten sind ein massiv paralleles Berechnungsmodell, das aus sehr vielen identischen einfachen Prozessoren oder Zellen besteht, die homogen miteinander verbunden sind und parallel arbeiten. Es gibt Zellularautomaten in unterschiedlichen Ausprägungen. Beispielsweise unterscheidet man die Automaten nach der zur Verfügung stehenden Zeit, nach paralleler oder sequentieller Verarbeitung der Eingabe oder durch Beschränkungen der Kommunikation zwischen den einzelnen Zellen. Benutzt man Zellularautomaten zum Erkennen formaler Sprachen und betrachtet deren generative Mächtigkeit, dann kann bereits das einfachste zellulare Modell kontextsensitive Sprachen akzeptieren. In dieser Arbeit wird die Beschreibungskomplexität von Zellularautomaten betrachtet. Es wird untersucht, wie sich die Beschreibungsgröße einer formalen Sprache verändern kann, wenn die Sprache mit unterschiedlichen Typen von Zellularautomaten oder sequentiellen Modellen beschrieben wird. Ein wesentliches Ergebnis im ersten Teil der Arbeit ist, daß zwischen zwei Automatenklassen, deren entsprechende Sprachklassen echt ineinander enthalten oder unvergleichbar sind, nichtrekursive Tradeoffs existieren. Das heißt, der Größenzuwachs beim Wechsel von einem Automatenmodell in das andere läßt sich durch keine rekursive Funktion beschränken. Im zweiten Teil der Arbeit werden Zellularautomaten dahingehend beschränkt, daß nur eine feste Zellenzahl zugelassen ist. Zusätzlich werden Automaten mit unterschiedlichem Grad an bidirektionaler Kommunikation zwischen den einzelnen Zellen betrachtet, und es wird untersucht, welche Auswirkungen auf die Beschreibungsgröße unterschiedliche Grade an bidirektionaler Kommunikation haben können. Im Gegensatz zum unbeschränkten Modell können polynomielle und damit rekursive obere Schranken bei Umwandlungen zwischen den einzelnen Modellen bewiesen werden. Durch den Beweis unterer Schranken kann in fast allen Fällen auch die Optimalität der Konstruktionen belegt werden.
We propose a variation of online paging in two-level memory systems where pages in the fast cache get modified and therefore have to be explicitly written back to the slow memory upon evictions. For increased performance, up to alpha arbitrary pages can be moved from the cache to the slow memory within a single joint eviction, whereas fetching pages from the slow memory is still performed on a one-by-one basis. The main objective in this new alpha-paging scenario is to bound the number of evictions. After providing experimental evidence that alpha-paging can adequately model flash-memory devices in the context of translation layers we turn to the theoretical connections between alpha-paging and standard paging. We give lower bounds for deterministic and randomized alpha-paging algorithms. For deterministic algorithms, we show that an adaptation of LRU is strongly competitive, while for the randomized case we show that by adapting the classical Mark algorithm we get an algorithm with a competitive ratio larger than the lower bound by a multiplicative factor of approximately 1.7.
Die Menge digital zur Verfügung stehender Dokumente wächst zunehmend. Umso wichtiger sind adäquate Methoden, um sehr große Dokumentkollektionen durch-suchen zu können. Im Gegensatz zur exakten Suche, bei der nach Dokumenten mit bekannten Dateinamen gesucht wird, werden Techniken des Information Retrieval (IR) dazu eingesetzt, relevante Ergebnisse zu einer Anfrage ausfindig zu machen. Seit einigen Jahren werden verstärkt Kollektionen mit strukturierten Dokumenten durch¬sucht, insbesondere seit Durchsetzung der eXtensible Markup Language (XML) als offizieller Standard des World Wide Web Consortiums (W3C). Mittlerweile gibt es eine Reihe von Forschungsansätzen, bei denen IR-Methoden auf XML-Dokumente angewendet werden. XML Information Retrieval (XML-IR) nutzt dabei die Struktur der Dokumente, um die Suche nach und in denselben effektiver zu machen, d.h. die Qualität von Suchergebnissen zu verbessern, beispielsweise durch Fokussierung auf besonders relevante Dokumentteile. Die bisherigen Lösungen beziehen sich jedoch alle auf zentralisierte Stand-Alone Suchmaschinen zu Forschungszwecken. Sehr große, über eine Vielzahl von Rechnern verteilte Datenkollektionen lassen sich damit nicht durchsuchen. Techniken für verteiltes XML-IR werden in der Praxis auch dort benötigt, wo das zu durchsuchende System aus einer Vielzahl lokaler, heterogener XML-Kollektionen besteht, deren Benutzer ihre Dokumente nicht auf einem zent¬ralen Server speichern wollen oder können; solche Benutzer schließen sich häufig in Form eines dezentralen Peer-to-Peer (P2P) Netzes zusammen. Dennoch gibt es derzeit weder für Systeme im Allgemeinen, noch für P2P-Systeme im Speziellen Suchmaschinen, mit denen nach relevanten Dokumenten gesucht werden kann. In der vorliegenden Dissertation wird daher am Beispiel von P2P-Netzen erstmalig untersucht, inwiefern XML-IR in verteilten Systemen überhaupt effektiv und effizient möglich ist. Dazu wird ein allgemeines Architekturmodell für die Entwick-lung von P2P-Suchmaschinen für XML-Retrieval entworfen, in dem Funktionalität aus den Bereichen XML-IR und P2P in abstrakten Schichten angeordnet ist. Das Modell wird als Grundlage für den Entwurf einer konkreten P2P-Suchmaschine für XML-IR verwendet. Es werden dazu verschiedene Techniken für verteiltes XML-IR entwickelt, um die einzelnen Phasen der Suche umzusetzen: Indizierung der Doku¬mente, Routing der Anfragen, Ranking geeigneter Dokumente und Retrieval von Ergebnissen. Insbesondere die Problematik von aus mehreren Suchbegriffen bestehenden Multitermanfragen sowie Verteilungsaspekte werden berücksichtigt. Neben der zu erzie-lenden Suchqualität steht vor allem der notwendige Kommunikations¬aufwand im Vordergrund. Die entwickelten Methoden werden in Form einer P2P-Suchmaschine für verteiltes XML-Retrieval implementiert, die aus fast 40.000 Zeilen Java-Code besteht. Diese Suchmaschine namens SPIRIX kann voll-funktionsfähig nach XML-Dokumenten in einem P2P-Netz suchen und deren Relevanz inhaltsbasiert bewerten. Für die Kommunikation zwischen Peers wird ein P2P-Protokoll namens SpirixDHT entworfen, das auf Basis von Chord arbeitet und speziell für den Einsatz von XML-IR angepasst wird. Für die Evaluierung der entworfenen Techniken wird zunächst die Suchqualität von SPIRIX nachgewiesen. Dies geschieht durch die Teilnahme an INEX, der internationalen Initiative für die Evaluierung von XML-Retrieval. Im Rahmen von INEX werden jedes Jahr XML-IR Lösungen weltweit miteinander verglichen. Für 2008 konnte mit SPIRIX eine Suchpräzision erreicht werden, die vergleichbar mit der Qualität der Top-10 XML-IR Lösungen ist. In weiteren Experimenten werden die entworfenen Methoden für verteiltes XML-Retrieval mit INEX-Werkzeugen evaluiert; dabei werden jeweils die erzielte Such-qualität und der notwendige Aufwand gegenübergestellt. Die gewonnenen Er¬kenn-tnisse werden auf den Routingprozess angewendet; hier ist speziell die Frage-stellung interessant, wie XML-Struktur zur Performanzverbesserung in Bezug auf die Effizienz eines verteilten Systems genutzt werden kann. Die Evaluierung der konzi¬pier¬ten Routingtechniken zeigt eine signifikante Reduzierung der Anzahl versendeter Nachrichten, ihrer Größe und somit der Netzlast, wobei gleichzeitig eine Steigerung der Suchqualität erreicht wird. Im Rahmen der Dissertation wird somit der Nachweis erbracht, dass verteiltes XML-IR sowohl effektiv als auch effizient möglich ist. Zugleich wird gezeigt, wie die Ver¬wendung von XML-IR Techniken beim Routing der Anfragen dazu beitragen kann, den notwendige Suchaufwand – insbesondere den für die Kommunikation zwischen Peers – so weit zu reduzieren, dass das System auch zu einer großen Anzahl von teil¬nehmenden Peers skaliert und trotzdem eine hohe Suchqualität aufrecht erhalten werden kann.
Poster presentation: The analysis of neuronal processes distributed across multiple cortical areas aims at the identification of interactions between signals recorded at different sites. Such interactions can be described by measuring the stability of phase angles in the case of oscillatory signals or other forms of signal dependencies for less regular signals. Before, however, any form of interaction can be analyzed at a given time and frequency, it is necessary to assess whether all potentially contributing signals are present. We have developed a new statistical procedure for the detection of coincident power in multiple simultaneously recorded analog signals, allowing the classification of events as 'non-accidental co-activation'. This method can effectively operate on single trials, each lasting only for a few seconds. Signals need to be transformed into time-frequency space, e.g. by applying a short-time Fourier transformation using a Gaussian window. The discrete wavelet transform (DWT) is used in order to weight the resulting power patterns according to their frequency. Subsequently, the weighted power patterns are binarized via applying a threshold. At this final stage, significant power coincidence is determined across all subgroups of channel combinations for individual frequencies by selecting the maximum ratio between observed and expected duration of co-activation as test statistic. The null hypothesis that the activity in each channel is independent from the activity in every other channel is simulated by independent, random rotation of the respective activity patterns. We applied this procedure to single trials of multiple simultaneously sampled local field potentials (LFPs) obtained from occipital, parietal, central and precentral areas of three macaque monkeys. Since their task was to use visual cues to perform a precise arm movement, co-activation of numerous cortical sites was expected. In a data set with 17 channels analyzed, up to 13 sites expressed simultaneous power in the range between 5 and 240 Hz. On average, more than 50% of active channels participated at least once in a significant power co-activation pattern (PCP). Because the significance of such PCPs can be evaluated at the level of single trials, we are confident that this procedure is useful to study single trial variability with sufficient accuracy that much of the behavioral variability can be explained by the dynamics of the underlying distributed neuronal processes.
Poster presentation: Introduction The ability of neurons to emit different firing patterns is considered relevant for neuronal information processing. In dopaminergic neurons, prominent patterns include highly regular pacemakers with separate spikes and stereotyped intervals, processes with repetitive bursts and partial regularity, and irregular spike trains with nonstationary properties. In order to model and quantify these processes and the variability of their patterns with respect to pharmacological and cellular properties, we aim to describe the two dimensions of burstiness and regularity in a single model framework. Methods We present a stochastic spike train model in which the degree of burstiness and the regularity of the oscillation are described independently and with two simple parameters. In this model, a background oscillation with independent and normally distributed intervals gives rise to Poissonian spike packets with a Gaussian firing intensity. The variability of inter-burst intervals and the average number of spikes in each burst indicate regularity and burstiness, respectively. These parameters can be estimated by fitting the model to the autocorrelograms. This allows to assign every spike train a position in the two-dimensional space described by regularity and burstiness and thus, to investigate the dependence of the firing patterns on different experimental conditions. Finally, burst detection in single spike trains is possible within the model because the parameter estimates determine the appropriate bandwidth that should be used for burst identification. Results and Discussion We applied the model to a sample data set obtained from dopaminergic substantia nigra and ventral tegmental area neurons recorded extracellularly in vivo and studied differences between the firing activity of dopaminergic neurons in wildtype and K-ATP channel knock-out mice. The model is able to represent a variety of discharge patterns and to describe changes induced pharmacologically. It provides a simple and objective classification scheme for the observed spike trains into pacemaker, irregular and bursty processes. In addition to the simple classification, changes in the parameters can be studied quantitatively, also including the properties related to bursting behavior. Interestingly, the proposed algorithm for burst detection may be applicable also to spike trains with nonstationary firing rates if the remaining parameters are unaffected. Thus, the proposed model and its burst detection algorithm can be useful for the description and investigation of neuronal firing patterns and their variability with cellular and experimental conditions.
Poster presentation: An important challenge in neuroscience is understanding how networks of neurons go about processing information. Synapses are thought to play an essential role in cellular information processing however quantitative and mathematical models of the underlying physiologic processes that occur at synaptic active zones are lacking. We are generating mathematical models of synaptic vesicle dynamics at a well-characterized model synapse, the Drosophila larval neuromuscular junction. This synapse's simplicity, accessibility to various electrophysiological recording and imaging techniques, and the genetic malleability intrinsic to Drosophila system make it ideal for computational and mathematical studies. We have employed a reductionist approach and started by modeling single presynaptic boutons. Synaptic vesicles can be divided into different pools; however, a quantitative understanding of their dynamics at the Drosophila neuromuscular junction is lacking [4]. We performed biologically realistic simulations of high and low release probability boutons [3] using partial differential equations (PDE) taking into account not only the evolution in time but also the spatial structure in two dimensions (the extension to three dimensions will be implemented soon). PDEs are solved using UG, a program library for the calculation of multi-dimensional PDEs solved using a finite volume approach and implicit time stepping methods leading to extended linear equation systems be solvedwith multi-grid methods [3,4]. Numerical calculations are done on multi-processor computers for fast calculations using different parameters in order to asses the biological feasibility of different models. In preliminary simulations, we modeled vesicle dynamics as a diffusion process describing exocytosis as Neumann streams at synaptic active zones. The initial results obtained with these models are consistent with experimental data. However, this should be regarded as a work in progress. Further refinements will be implemented, including simulations using morphologically realistic geometries which were generated from confocal scans of the neuromuscular junction using NeuRA (a Neuron Reconstruction Algorithm). Other parameters such as glutamate diffusion and reuptake dynamics, as well as postsynaptic receptor kinetics will be incorporated as well.
Poster presentation: Introduction Dopaminergic neurons in the midbrain show a variety of firing patterns, ranging from very regular firing pacemaker cells to bursty and irregular neurons. The effects of different experimental conditions (like pharmacological treatment or genetical manipulations) on these neuronal discharge patterns may be subtle. Applying a stochastic model is a quantitative approach to reveal these changes. ...
Poster presentation: Introduction The brain is a highly interconnected network of constantly interacting units. Understanding the collective behavior of these units requires a multi-dimensional approach. The results of such analyses are hard to visualize and interpret. Hence tools capable of dealing with such tasks become imperative. ....
The pathogenesis of nodular lymphocyte–predominant Hodgkin lymphoma (NLPHL) and its relationship to other lymphomas are largely unknown. This is partly because of the technical challenge of analyzing its rare neoplastic lymphocytic and histiocytic (L&H) cells, which are dispersed in an abundant nonneoplastic cellular microenvironment. We performed a genome-wide expression study of microdissected L&H lymphoma cells in comparison to normal and other malignant B cells that indicated a relationship of L&H cells to and/or that they originate from germinal center B cells at the transition to memory B cells. L&H cells show a surprisingly high similarity to the tumor cells of T cell–rich B cell lymphoma and classical Hodgkin lymphoma, a partial loss of their B cell phenotype, and deregulation of many apoptosis regulators and putative oncogenes. Importantly, L&H cells are characterized by constitutive nuclear factor {kappa}B activity and aberrant extracellular signal-regulated kinase signaling. Thus, these findings shed new light on the nature of L&H cells, reveal several novel pathogenetic mechanisms in NLPHL, and may help in differential diagnosis and lead to novel therapeutic strategies.
Background Although current molecular clock methods offer greater flexibility in modelling historical evolutionary events, calibration of the clock with dates from the fossil record is still problematic for many groups. Here we implement several new approaches in molecular dating to estimate evolutionary ages of Lacertidae, an Old World family of lizards with a poor fossil record and uncertain phylogeny. Four different models of rate variation are tested in a new program for Bayesian phylogenetic analysis called TreeTime, based on a combination of mitochondrial and nuclear gene sequences. We incorporate paleontological uncertainty into divergence estimates by expressing multiple calibration dates as a range of probabilistic distributions. We also test the reliability of our proposed calibrations by exploring effects of individual priors on posterior estimates. Results According to the most reliable model, as indicated by Bayes factor comparison, modern lacertids arose shortly after the K/T transition and entered Africa about 45 million years ago, with the majority of their African radiation occurring in the Eocene and Oligocene. Our findings indicate much earlier origins for these clades than previously reported, and we discuss our results in light of paleogeographic trends during the Cenozoic. Conclusions This study represents the first attempt to estimate evolutionary ages of a specific group of reptiles exhibiting uncertain phylogenetic relationships, molecular rate variation and a poor fossil record. Our results emphasize the sensitivity of molecular divergence dates to fossil calibrations, and support the use of combined molecular data sets and multiple, well-spaced dates from the fossil record as minimum node constraints. The bioinformatics program used here, TreeTime, is publicly available, and we recommend its use for molecular dating of taxa faced with similar challenges.
Im heutigen Zahlungsverkehr übernehmen in zunehmendem Maße Zahlungen mit Kreditkarten eine entscheidende Rolle. Entsprechend der Verbreitung dieser Art des Zahlungsverkehrs nimmt ebenfalls der Mißbrauch mit diesem bargeldlosen Zahlungsmittel zu. Um die Verluste, die bei dem Kreditkarteninstitut auf diese Weise entstehen, so weit wie möglich einzudämmen, wird versucht, Mißbrauchstransaktionen bei der Autorisierung der Zahlungsaufforderung zu erkennen. Ziel dieser Diplomarbeit ist es zu bestimmen, in wie weit es möglich ist, illegale Transaktionen aus der Menge von Autorisierungsanfragen mit Hilfe adaptiver Algorithmen aufzudecken. Dabei sollen sowohl Methoden aus dem Bereich des Data-Mining, als auch aus den Bereichen der neuronalen Netze benutzt werden. Erschwerend bei der Mißbrauchsanalyse kommt hinzu, daß die Beurteilung der einzelnen Transaktionen in Sekundenbruchteilen abgeschlossen sein muß, um die hohe Anzahl an Autorisierungsanfragen verarbeiten zu können und den Kundenservice auf Seiten des Benutzers und des Händlers auf diese Weise zu optimieren. Weiter handelt es sich bei einem Großteil der bei der Analyse zu Verfügung stehenden Datensätze um symbolische Daten, also alpha-numerisch kodierte Werte, die stellvertretend für verschiedene Eigenschaften verwendet werden. Nur wenige der Transaktionsdaten sind analoger Natur, weisen also eine Linearität auf, die es erlaubt, "Nachbarschaften" zwischen den Daten bestimmen zu können. Damit scheidet eine reine Analyse auf Basis von neuronalen Netzwerken aus. Diese Problematik führte unter anderem zu dem verfolgten Ansatz. Als Grundlage der Analyse dienen bekannte Mißbrauchstransaktionen aus einem Zeitintervall von ungefähr einem Jahr, die jedoch aufgrund der hohen Anzahl nicht komplett als solche mit den eingehenden Transaktionen verglichen werden können, da ein sequentieller Vergleich zu viel Zeit in Anspruch nähme. Im übrigen würde durch einen einfachen Vergleich nur der schon bekannte Mißbrauch erkannt werden; eine Abstraktion der Erkenntnisse aus den Mißbrauchserfahrungen ist nicht möglich. Aus diesem Grund werden diese Mißbrauchstransaktionen mit Hilfe von Methoden aus dem Bereich des Data-Mining verallgemeinert und damit auf ein Minimum, soweit es die Verläßlichkeit dieser Datensätze zuläßt, reduziert. Desweiteren schließt sich eine Analyse der zu diesem Zeitpunkt noch nicht betrachteten analogen Daten an, um die maximale, enthaltene Information aus den Transaktionsdaten zu beziehen. Dafür werden moderne Methoden aus dem Bereich der neuronalen Netzwerke, sogenannte radiale Basisfunktionsnetze, verwendet. Da eine Mißbrauchsanalyse ohne eine entsprechende Profilanalyse unvollständig wäre, wurde abschließend mit den vorhanden Mitteln auf den zugrunde liegenden Daten in Anlehnung an die bisherige Methodik eine solche Profilauswertung und zeitabhängige Analyse realisiert. Mit dem so implementierten Modell wurde versucht, auf allgemeine Art und Weise, Verhaltens- beziehungsweise Transaktionsmuster einzuordnen und mit bei der Mißbrauchsentscheidung einfließen zu lassen. Aus den vorgestellten Analyseverfahren wurden verschiedene Klassifizierungsmodelle entwickelt, die zu guten Ergebnissen auf den Simulationsdaten führen. Es kann gezeigt werden, daß die Mißbrauchserkennung durch eine kombinierte Anwendung aus symbolischer und analoger Auswertung bestmöglich durchzuführen ist.
FIFO is the most prominent queueing strategy due to its simplicity and the fact that it only works with local information. Its analysis within the adversarial queueing theory however has shown, that there are networks that are not stable under the FIFO protocol, even at arbitrarily low rate. On the other hand there are networks that are universally stable, i.e., they are stable under every greedy protocol at any rate r < 1. The question as to which networks are stable under the FIFO protocol arises naturally. We offer the first polynomial time algorithm for deciding FIFO stability and simple-path FIFO stability of a directed network, answering an open question posed in [1, 4]. It turns out, that there are networks, that are FIFO stable but not universally stable, hence FIFO is not a worst case protocol in this sense. Our characterization of FIFO stability is constructive and disproves an open characterization in [4].
The efficient management of large multimedia databases requires the development of new techniques to process, characterize, and search for multimedia objects. Especially in the case of image data, the rapidly growing amount of documents prohibits a manual description of the images’ content. Instead, the automated characterization is highly desirable to support annotation and retrieval of digital images. However, this is a very complex and still unsolved task. To contribute to a solution of this problem, we have developed a mechanism for recognizing objects in images based on the query by example paradigm. Therefore, the most salient image features of an example image representing the searched object are extracted to obtain a scale-invariant object model. The use of this model provides an efficient and robust strategy for recognizing objects in images independently of their size. Further applications of the mechanism are classical recognition tasks such as scene decomposition or object tracking in video sequences.
For the efficient management of large image databases, the automated characterization of images and the usage of that characterization for searching and ordering tasks is highly desirable. The purpose of the project SEMACODE is to combine the still unsolved problem of content-oriented characterization of images with scale-invariant object recognition and modelbased compression methods. To achieve this goal, existing techniques as well as new concepts related to pattern matching, image encoding, and image compression are examined. The resulting methods are integrated in a common framework with the aid of a content-oriented conception. For the application, an image database at the library of the university of Frankfurt/Main (StUB; about 60000 images), the required operations are developed. The search and query interfaces are defined in close cooperation with the StUB project “Digitized Colonial Picture Library”. This report describes the fundamentals and first results of the image encoding and object recognition algorithms developed within the scope of the project.
The prevention of credit card fraud is an important application for prediction techniques. One major obstacle for using neural network training techniques is the high necessary diagnostic quality: Since only one financial transaction of a thousand is invalid no prediction success less than 99.9% is acceptable. Due to these credit card transaction proportions complete new concepts had to be developed and tested on real credit card data. This paper shows how advanced data mining techniques and neural network algorithm can be combined successfully to obtain a high fraud coverage combined with a low false alarm rate.
Classically, encoding of images by only a few, important components is done by the Principal Component Analysis (PCA). Recently, a data analysis tool called Independent Component Analysis (ICA) for the separation of independent influences in signals has found strong interest in the neural network community. This approach has also been applied to images. Whereas the approach assumes continuous source channels mixed up to the same number of channels by a mixing matrix, we assume that images are composed by only a few image primitives. This means that for images we have less sources than pixels. Additionally, in order to reduce unimportant information, we aim only for the most important source patterns with the highest occurrence probabilities or biggest information called „Principal Independent Components (PIC)“. For the example of a synthetic picture composed by characters this idea gives us the most important ones. Nevertheless, for natural images where no a-priori probabilities can be computed this does not lead to an acceptable reproduction error. Combining the traditional principal component criteria of PCA with the independence property of ICA we obtain a better encoding. It turns out that this definition of PIC implements the classical demand of Shannon’s rate distortion theory.
We study the effect of randomness in the adversarial queueing model. All proofs of instability for deterministic queueing strategies exploit a finespun strategy of insertions by an adversary. If the local queueing decisions in the network are subject to randomness, it is far from obvious, that an adversary can still trick the network into instability. We show that uniform queueing is unstable even against an oblivious adversary. Consequently, randomizing the queueing decisions made to operate a network is not in itself a suitable fix for poor network performances due to packet pileups.
This paper describes a method to treat contextual equivalence in polymorphically typed lambda-calculi, and also how to transfer equivalences from the untyped versions of lambda-calculi to their typed variant, where our specific calculus has letrec, recursive types and is nondeterministic. An addition of a type label to every subexpression is all that is needed, together with some natural constraints for the consistency of the type labels and well-scopedness of expressions. One result is that an elementary but typed notion of program transformation is obtained and that untyped contextual equivalences also hold in the typed calculus as long as the expressions are well-typed. In order to have a nice interaction between reduction and typing, some reduction rules have to be accompanied with a type modification by generalizing or instantiating types.
Motivated by the question of correctness of a specific implementation of concurrent buffers in the lambda calculus with futures underlying Alice ML, we prove that concurrent buffers and handled futures can correctly encode each other. Correctness means that our encodings preserve and reflect the observations of may- and must-convergence. This also shows correctness wrt. program semantics, since the encodings are adequate translations wrt. contextual semantics. While these translations encode blocking into queuing and waiting, we also provide an adequate encoding of buffers in a calculus without handles, which is more low-level and uses busy-waiting instead of blocking. Furthermore we demonstrate that our correctness concept applies to the whole compilation process from high-level to low-level concurrent languages, by translating the calculus with buffers, handled futures and data constructors into a small core language without those constructs.
We show on an abstract level that contextual equivalence in non-deterministic program calculi defined by may- and must-convergence is maximal in the following sense. Using also all the test predicates generated by the Boolean, forall- and existential closure of may- and must-convergence does not change the contextual equivalence. The situation is different if may- and total must-convergence is used, where an expression totally must-converges if all reductions are finite and terminate with a value: There is an infinite sequence of test-predicates generated by the Boolean, forall- and existential closure of may- and total must-convergence, which also leads to an infinite sequence of different contextual equalities.
Driving can be dangerous. Humans become inattentive when performing a monotonous task like driving. Also the risk implied while multi-tasking, like using the cellular phone while driving, can break the concentration of the driver and increase the risk of accidents. Others factors like exhaustion, nervousness and excitement affect the performance of the driver and the response time. Consequently, car manufacturers have developed systems in the last decades which assist the driver under various circumstances. These systems are called driver assistance systems. Driver assistance systems are meant to support the task of driving, and the field of action varies from alerting the driver, with acoustical or optical warnings, to taking control of the car, such as keeping the vehicle in the traffic lane until the driver resumes control. For such a purpose, the vehicle is equipped with on-board sensors which allow the perception of the environment and/or the state of the vehicle. Cameras are sensors which extract useful information about the visual appearance of the environment. Additionally, a binocular system allows the extraction of 3D information. One of the main requirements for most camera-based driver assistance systems is the accurate knowledge of the motion of the vehicle. Some sources of information, like velocimeters and GPS, are of common use in vehicles today. Nevertheless, the resolution and accuracy usually achieved with these systems are not enough for many real-time applications. The computation of ego-motion from sequences of stereo images for the implementation of driving intelligent systems, like autonomous navigation or collision avoidance, constitutes the core of this thesis. This dissertation proposes a framework for the simultaneous computation of the 6 degrees of freedom of ego-motion (rotation and translation in 3D Euclidean space), the estimation of the scene structure and the detection and estimation of independently moving objects. The input is exclusively provided by a binocular system and the framework does not call for any data acquisition strategy, i.e. the stereo images are just processed as they are provided. Stereo allows one to establish correspondences between left and right images, estimating 3D points of the environment via triangulation. Likewise, feature tracking establishes correspondences between the images acquired at different time instances. When both are used together for a large number of points, the result is a set of clouds of 3D points with point-to-point correspondences between clouds. The apparent motion of the 3D points between consecutive frames is caused by a variety of reasons. The most dominant motion for most of the points in the clouds is caused by the ego-motion of the vehicle; as the vehicle moves and images are acquired, the relative position of the world points with respect to the vehicle changes. Motion is also caused by objects moving in the environment. They move independently of the vehicle motion, so the observed motion for these points is the sum of the ego-vehicle motion and the independent motion of the object. A third reason, and of paramount importance in vision applications, is caused by correspondence problems, i.e. the incorrect spatial or temporal assignment of the point-to-point correspondence. Furthermore, all the points in the clouds are actually noisy measurements of the real unknown 3D points of the environment. Solving ego-motion and scene structure from the clouds of points requires some previous analysis of the noise involved in the imaging process, and how it propagates as the data is processed. Therefore, this dissertation analyzes the noise properties of the 3D points obtained through stereo triangulation. This leads to the detection of a bias in the estimation of 3D position, which is corrected with a reformulation of the projection equation. Ego-motion is obtained by finding the rotation and translation between the two clouds of points. This problem is known as absolute orientation, and many solutions based on least squares have been proposed in the literature. This thesis reviews the available closed form solutions to the problem. The proposed framework is divided in three main blocks: 1) stereo and feature tracking computation, 2) ego-motion estimation and 3) estimation of 3D point position and 3D velocity. The first block solves the correspondence problem providing the clouds of points as output. No special implementation of this block is required in this thesis. The ego-motion block computes the motion of the cameras by finding the absolute orientation between the clouds of static points in the environment. Since the cloud of points might contain independently moving objects and outliers generated by false correspondences, the direct computation of the least squares might lead to an erroneous solution. The first contribution of this thesis is an effective rejection rule that detects outliers based on the distance between predicted and measured quantities, and reduces the effects of noisy measurement by assigning appropriate weights to the data. This method is called Smoothness Motion Constraint (SMC). The ego-motion of the camera between two frames is obtained finding the absolute orientation between consecutive clouds of weighted 3D points. The complete ego-motion since initialization is achieved concatenating the individual motion estimates. This leads to a super-linear propagation of the error, since noise is integrated. A second contribution of this dissertation is a predictor/corrector iterative method, which integrates the clouds of 3D points of multiple time instances for the computation of ego-motion. The presented method considerably reduces the accumulation of errors in the estimated ego-position of the camera. Another contribution of this dissertation is a method which recursively estimates the 3D world position of a point and its velocity; by fusing stereo, feature tracking and the estimated ego-motion in a Kalman Filter system. An improved estimation of point position is obtained this way, which is used in the subsequent system cycle resulting in an improved computation of ego-motion. The general contribution of this dissertation is a single framework for the real time computation of scene structure, independently moving objects and ego-motion for automotive applications.
Various concurrency primitives have been added to sequential programming languages, in order to turn them concurrent. Prominent examples are concurrent buffers for Haskell, channels in Concurrent ML, joins in JoCaml, and handled futures in Alice ML. Even though one might conjecture that all these primitives provide the same expressiveness, proving this equivalence is an open challenge in the area of program semantics. In this paper, we establish a first instance of this conjecture. We show that concurrent buffers can be encoded in the lambda calculus with futures underlying Alice ML. Our correctness proof results from a systematic method, based on observational semantics with respect to may and must convergence.
Exported proteases of Helicobacter pylori (H. pylori) are potentially involved in pathogen-associated disorders leading to gastric inflammation and neoplasia. By comprehensive sequence screening of the H. pylori proteome for predicted secreted proteases, we retrieved several candidate genes. We detected caseinolytic activities of several such proteases, which are released independently from the H. pylori type IV secretion system encoded by the cag pathogenicity island (cagPAI). Among these, we found the predicted serine protease HtrA (Hp1019), which was previously identified in the bacterial secretome of H. pylori. Importantly, we further found that the H. pylori genes hp1018 and hp1019 represent a single gene likely coding for an exported protein. Here, we directly verified proteolytic activity of HtrA in vitro and identified the HtrA protease in zymograms by mass spectrometry. Overexpressed and purified HtrA exhibited pronounced proteolytic activity, which is inactivated after mutation of Ser205 to alanine in the predicted active center of HtrA. These data demonstrate that H. pylori secretes HtrA as an active protease, which might represent a novel candidate target for therapeutic intervention strategies.
Erkennung kritischer Zustände von Patienten mit der Diagnose "Septischer Schock" mit einem RBF-Netz
(2000)
Es wurde gezeigt, dass der Arzt mit dem wachsenden RBF-Netz durch die Ausgabe von verlässlichen Warnungen unterstützt werden kann. Wie in der Clusteranalyse erläutert, leiden die Ergebnisse jedoch unter den wenigen Patienten und unter der ungenauen zeitlichen Erfassung der Daten. Da jeder Patient sehr individuelle Zustände annimmt, ist ein größeres Patientenkollektiv notwendig, um eine umfassende Wissensbasis zu lernen. Eine medizinische Nachbearbeitung der Wissensbasis durch die Analyse der Fälle ließe eine weitere Verbesserung des Ergebnisses erwarten. Somit könnten unbekannte Zusammenhänge durch das Lernen aus Beispielen und medizinisches Fachwissen kombiniert werden. Abstraktere Merkmale, die weniger abhängig von individuellen Zuständen sind, könnten eine Klassifikation noch weiter verbessern. Ein Ansatzpunkt ist z.B. die Abweichung der Messwerte vom gleitenden Mittelwert. Dieses Maß ist unempfindlicher gegenüber den individuellen Arbeitspunkten der Patienten und bildet auch die Basis von relativen Abhängigkeiten zwischen zwei Variablen, die in einem weiteren Schritt ebenfalls als Merkmal herangezogen wurden. Obwohl die Verwendung der relativen Abhängigkeiten zwischen zwei Variablen als Merkmal nicht deutlichere oder häufigere Warnungen hervorbringen konnte, weist doch die Clusteranalyse auf eine bessere Verteilung der Patienten hin. Einige Cluster sind besser für die Vorhersage geeignet, als dieses bei einer Clusterung auf Basis der Zustände erreicht werden kann. Unterstützt wird dieses Ergebnis auch durch den größeren Unterschied der Sicherheiten von falschen und richtigen Klassifikationen. Neben den bisher untersuchten Merkmalen scheinen auch die Variablen interessant zu sein, bei denen festgestellt wurde, dass sie sich trotz Medikamentengabe und adäquater Behandlung schwer stabilisieren lassen. Durch den behandelnden Arzt werden diese Werte üblicherweise in einem gewissen Bereich gehalten. Falls sich das Paar Medikament/physiologischer Parameter nicht mehr in einem sinnvollen Verhältnis befindet, kann dieses ein wichtiger Indikator sein. Nach dem Aufbau der grundlegenden Funktionalität der hier untersuchten Methoden ist die Suche nach geeigneten Merkmalen als Eingabe für ein neuronales Netz ein wesentlicher Bestandteil folgender Arbeiten. Abgesehen von dem generell anspruchsvollen Vorhaben aus Klinikdaten deutliche Hinweise für die Mortalität septischer-Schock-Patienten zu erhalten, liegen die wesentlichen Probleme in dem Umfang und der Messhäufigkeit der Frankfurter Vorstudie begründet, so dass eine Anwendung von Klassifikationsverfahren auf das umfassendere Patientenkollektiv der MEDAN Multicenter-Studie klarere Ergebnisse erwarten lässt. Eine weitere, für medizinische Anwendungen interessante, Analysemöglichkeit ist die Regelgenerierung, die zur Zeit in einem anderen Teilprojekt in der MEDAN-Arbeitsgruppe bearbeitet wird. Hier können im Fall metrischer Daten zusätzliche Hinweise für die Leistung eines reinen Klassifikationsverfahrens gewonnen werden mit dem Vorteil einer expliziten Regelausgabe. Zum anderen werden in diesem Teilprojekt auch Verfahren zur Regelgenerierung eingesetzt, die ordinale und nominale Variablen wie Diagnosen, Operationen, Therapien und Medikamentenangaben (binär, ohne genaue Dosis) auswerten können. Diese werden in den Multicenter-Daten vorhanden sein. Durch Kopplung der Regelgeneratoren für metrische Daten auf der einen Seite und für diskrete Variablen auf der anderen Seite, besteht durchaus die Hoffnung bessere Ergebnisse zu erzielen. Da der Regelgenerator für metrische Daten auf dem RBF-DDA (Abk. für: Dynamic Decay Adjustment)-Netz [BERTHOLD und DIAMOND, 1995] beruht, bietet es sich innerhalb des MEDAN-Projekts an, einen (bislang nicht durchgeführten) Vergleich mit dem hier verwendeten Netztyp durchzuführen. Der Vergleich ist allerdings nur von prinzipiellem Interesse und kann auf den hier betrachteten Daten kein grundsätzlich besseres Ergebnis liefern als die bislang durchgeführten Analysen; er kann aber zu einer umfangreichen Bewertung der Ergebnisse beitragen.
In the context of information theory, the term Mutual Information has first been formulated by Claude Elwood Shannon. Information theory is the consistent mathematical description of technical communication systems. To this day, it is the basis of numerous applications in modern communications engineering and yet became indispensable in this field. This work is concerned with the development of a concept for nonlinear feature selection from scalar, multivariate data on the basis of the mutual information. From the viewpoint of modelling, the successful construction of a realistic model depends highly on the quality of the employed data. In the ideal case, high quality data simply consists of the relevant features for deriving the model. In this context, it is important to possess a suitable method for measuring the degree of the, mostly nonlinear, dependencies between input- and output variables. By means of such a measure, the relevant features could be specifically selected. During the course of this work, it will become evident that the mutual information is a valuable and feasible measure for this task and hence the method of choice for practical applications. Basically and without the claim of being exhaustive, there are two possible constellations that recommend the application of feature selection. On the one hand, feature selection plays an important role, if the computability of a derived system model cannot be guaranteed, due to a multitude of available features. On the other hand, the existence of very few data points with a significant number of features also recommends the employment of feature selection. The latter constellation is closely related to the so called "Curse of Dimensionality". The actual statement behind this is the necessity to reduce the dimensionality to obtain an adequate coverage of the data space. In other word, it is important to reduce the dimensionality of the data, since the coverage of the data space exponentially decreases, for a constant number of data points, with the dimensionality of the available data. In the context of mapping between input- and output space, this goal is ideally reached by selecting only the relevant features from the available data set. The basic idea for this work has its origin in the rather practical field of automotive engineering. It was motivated by the goals of a complex research project in which the nonlinear, dynamic dependencies among a multitude of sensor signals should be identified. The final goal of such activities was to derive so called virtual sensors from identified dependencies among the installed automotive sensors. This enables the real-time computability of the required variable without the expenses of additional hardware. The prospect of doing without additional computing hardware is a strong motive force in particular in automotive engineering. In this context, the major problem was to find a feasible method to capture the linear- as well as the nonlinear dependencies. As mentioned before, the goal of this work is the development of a flexibly applicable system for nonlinear feature selection. The important point here is to guarantee the practicable computability of the developed method even for high dimensional data spaces, which are rather realistic in technical environments. The employed measure for the feature selection process is based on the sophisticated concept of mutual information. The property of the mutual information, regarding its high sensitivity and specificity to linear- and nonlinear statistical dependencies, makes it the method of choice for the development of a highly flexible, nonlinear feature selection framework. In addition to the mere selection of relevant features, the developed framework is also applicable for the nonlinear analysis of the temporal influences of the selected features. Hence, a subsequent dynamic modelling can be performed more efficiently, since the proposed feature selection algorithm additionally provides information about the temporal dependencies between input- and output variables. In contrast to feature extraction techniques, the developed feature selection algorithm in this work has another considerable advantage. In the case of cost intensive measurements, the variables with the highest information content can be selected in a prior feasibility study. Hence, the developed method can also be employed to avoid redundance in the acquired data and thus prevent for additional costs.
We investigate methods and tools for analysing translations between programming languages with respect to observational semantics. The behaviour of programs is observed in terms of may- and must-convergence in arbitrary contexts, and adequacy of translations, i.e., the reflection of program equivalence, is taken to be the fundamental correctness condition. For compositional translations we propose a notion of convergence equivalence as a means for proving adequacy. This technique avoids explicit reasoning about contexts, and is able to deal with the subtle role of typing in implementations of language extension.
The paper proposes a variation of simulation for checking and proving contextual equivalence in a non-deterministic call-by-need lambda-calculus with constructors, case, seq, and a letrec with cyclic dependencies. It also proposes a novel method to prove its correctness. The calculus' semantics is based on a small-step rewrite semantics and on may-convergence. The cyclic nature of letrec bindings, as well as non-determinism, makes known approaches to prove that simulation implies contextual equivalence, such as Howe's proof technique, inapplicable in this setting. The basic technique for the simulation as well as the correctness proof is called pre-evaluation, which computes a set of answers for every closed expression. If simulation succeeds in finite computation depth, then it is guaranteed to show contextual preorder of expressions.
Die Erwartungen von Studieninteressierten weichen häufig beträchtlich von den tatsächlichen Studieninhalten und Anforderungen ab. Ein Grund dafür ist, dass viele sich nicht genügend Klarheit verschaffen, welche eigenen Stärken und Schwächen für den Erfolg in Studium und Beruf »tatsächlich« relevant sind. So könnte zum Beispiel ein Abiturient mit guten Noten in Mathematik und Physik und mäßigen Zensuren in Deutsch und Englisch noch schlussfolgern, dass ihm »das Naturwissenschaftliche mehr liegt«. Ob das naturwissenschaftliche Verständnis für ein erfolgreiches Studium der Informatik jedoch gut genug ausgeprägt ist, lässt sich nicht so leicht erschließen. Noch schwieriger ist es für Studieninteressierte einzuschätzen, wie ihre »Soft Skills« ausgeprägt sind – also die Persönlichkeitsmerkmale, die in der Schule nicht systematisch beurteilt werden, jedoch hochgradig aussagekräftig für langfristigen Erfolg in Studium und Beruf sind. Ein Wechsel des Studienfaches zu Beginn des Studiums führt häufig zu einer Verlängerung der Studiendauer. Auch wenn eine derartige »Orientierungsphase« oftmals als normal und wichtig eingeschätzt wird, zeigt die praktische Erfahrung, dass Studierende mit kurzer Studiendauer jenen, die länger studiert haben, bei der Stellenvergabe tendenziell vorgezogen werden. Eine längere Studiendauer wird von Arbeitgebern häufig als Zeichen mangelnder Zielstrebigkeit oder fehlender Berufsmotivation interpretiert und kann sich so Chancen mindernd für Berufseinsteiger auswirken. Ebenso ist es im Interesse der Universitäten, die Zahl der Studienfachwechsel und -abbrüche so gering wie möglich zu halten – nicht zuletzt aus wirtschaftlichen Gründen. Deshalb bietet die Universität Frankfurt Studieninteressierten – zunächst in den Fächern Informatik und Psychologie – mit dem Self-Assessment konkrete Entscheidungshilfen an. Der verfolgte Ansatz zielt darauf ab, Abiturientinnen und Abiturienten möglichst frühzeitig und mit vertretbarem Aufwand die Möglichkeit zu bieten, selbst zu überprüfen, inwieweit ihre Erwartungen an einen Studiengang mit den tatsächlichen Inhalten und Anforderungen übereinstimmen. Das Konzept zur Erstellung eines Self-Assessments, das hier beispielhaft für den Studiengang Informatik vorgestellt wird, entstand nicht umsonst in enger Kooperation mit dem Institut für Psychologie (Prof. Dr. Helfried Moosbrugger, Dr. Siegbert Reiß, Ewa Jonkisz). Denn neben der fachlichen Qualifikation entscheiden über den Studienerfolg auch persönliche Eigenschaften wie Leistungsbereitschaft und Hartnäckigkeit. Die Auswertung des anonym durchgeführten Self-Assessments deckt außerdem Wissenslücken bei den Studieninteressierten auf, so dass eine gezielte Vorbereitung auf das Studium möglich wird. Zum Beispiel bietet der Fachbereich Mathematik und Informatik gezielte Vorbereitungskurse für Studienanfänger an, und zwar in Programmierung und Mathematik. Auch werden in den Semesterferien Repetitorien und Vorbereitungskurse angeboten – alles aus Studienbeiträgen finanziert. Auf diese Weise kann es zu einem homogeneren Kenntnisstand speziell bei den Studierenden im ersten Semester kommen. Ziel ist es, dadurch auch den »Erstsemesterschock « zu mildern. Das Online-Beratungsangebot trägt damit zu einer direkten Verbesserung der Lern- und Lehrsituation bei.
In der klassischen Theorie der formalen Sprachen gehört die Beschreibung von Sprachen durch Grammatiken oder Automaten zu den wichtigen Themen. Im Gegensatz zu diesen Modellen, die aus einer einzelnen Komponente bestehen, beschäftigt sich die Informatik heute aber immer häufiger mit verteilten Systemen, deren Komponenten auf verschiedene Art und Weise zusammenarbeiten. Eine Möglichkeit, dieses Konzept auf die Theorie der formalen Sprachen zu übertragen, ist die Definition von Grammatiksystemen. Ein Grammatiksystem besteht aus mehreren Grammatiken, die nach bestimmten Regeln zusammenarbeiten. Hauptsächlich unterscheidet man dabei zwischen sequentieller und paralleler Kooperation. In dieser Arbeitwerden kontextfreie „cooperating distributed“ (CD) Grammatiksysteme, ein Modell mit sequentieller Kooperation, betrachtet. Zur Erzeugung eines Wortes arbeiten dabei mehrere kontextfreie Grammatiken, die Komponenten, an einer gemeinsamen Satzform. Zu jedem Zeitpunkt ist immer nur eine einzige Komponente aktiv. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Beschreibungskomplexität von CD Grammatiksystemen. Dabei wird zuerst auf die verschiedenen Maße für die Größe oder statische Komplexität eines CD Grammatiksystems eingegangen. Ein wichtiges Ergebnis im ersten Teil der Arbeit ist, daß man für CD Grammatiksysteme und insbesondere hybride CD Grammatiksysteme, eine Verallgemeinerung von kontextfreien CD Grammatiksystemen, einige dieser Maße nach oben beschränken kann. Darunter fallen die Anzahl der Komponenten und die maximale Anzahl von Produktionen in einer Komponente. Hält man einen der beiden Parameter fest, so entsteht eine unendliche Hierarchie über dem anderen Parameter. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich darauf, Ergebnisse für Größenmaße zu erzielen, die nicht nur einzelne Aspekte der Komplexität, sondern die gesamte Größe oder Länge eines CD Grammatiksystems darstellen. Dafür werden CD Grammatiksysteme geeignet eingeschränkt. Man erhält metalineare Systeme und Systeme von endlichem Index. Im Gegensatz zum unbeschränkten Modell kann hier die generative Mächtigkeit sehr genau charakterisiert werden und es können Hilfsmittel wie Pumpinglemmata gezeigt werden.Weitere Resultate sind eine unendliche Hierarchie über der Breite beziehungsweise dem Index solcher Grammatiksysteme. Das wesentliches Resultat im zweiten Teil dieser Arbeit besteht daraus, daß zwischen zwei Klassen von diesen eingeschränkten CD Grammatiksystemen, deren entsprechende Sprachklassen echt ineinander enthalten sind, nichtrekursive Tradeoffs existieren. Das heißt, daß sich der Größenzuwachs beim Wechsel von der stärkeren Klasse von CD Grammatiksystemen in die schwächere durch keine rekursive Funktion beschränken läßt.
The goal of this report is to prove correctness of a considerable subset of transformations w.r.t. contextual equivalence in a an extended lambda-calculus with case, constructors, seq, let, and choice, with a simple set of reduction rules. Unfortunately, a direct proof appears to be impossible. The correctness proof is by defining another calculus comprising the complex variants of copy, case-reduction and seq-reductions that use variablebinding chains. This complex calculus has well-behaved diagrams and allows a proof that of correctness of transformations, and also that the simple calculus defines an equivalent contextual order.
Das Bumpmapping-Verfahren, eine Methode zur realistischen Darstellung rauer Oberflächen, existiert schon seit 30 Jahren, aber erst durch aktuelle Entwicklungen der Hardware lässt es sich in Echtzeitumgebungen einsetzen. Die aktuellen Verfahren ermöglichen viele darüber hinausgehende Effekte, jedoch haben sie auch mit Problemen zu kämpfen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Weiterentwicklung der Verfahren zu betrachten. In dieser Arbeit werden die Grenzen der aktuellen Bumpmapping-Algorithmen aufgezeigt und nach neuen Wegen geforscht. Das erste Verfahren erzeugt durch ein Multipassrendern fraktale Landschaften im Shader. Die darin verwendeten Methoden lassen sich für einen weiteren Algorithmus nutzen, mit dem feine Unebenheiten der Oberfläche an jedem Pixel ausgewertet werden. So können anisotrope Materialien wie gebürstete Metalle oder Mikropartikellacke simuliert werden. Den Abschluss bilden zwei neue Verfahren für prozedurale Shader. Die zu imitierende Oberfläche wird im Modell nachgebildet und per Raytracing für jeden Oberflächenpixel ausgewertet. Durch diese Methode werden viele Probleme texturbasierter Verfahren komplett umgangen.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Konzept zur Extraktion von semantischen Informationen aus Wiki-Systemen entwickelt. Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass in einem Wiki-System eine Reihe von Informationen in strukturierten, semi-strukturierten oder unstrukturierten Texten vorliegen, deren Semantik nicht immer auf den ersten Blick ersichtlich ist. Daher umfasste die Analyse zum einen, welche Informationen explizit und welche implizit vorhanden sind und zum anderen, welche Beziehungen sich aus den gefundenen Informationen ableiten lassen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Beziehungen zwischen verschiedenen Seiten oder um Beziehungen zwischen Wörtern. Hierfür wurde eine Schablone definiert, die jede Information, die extrahiert werden kann, im Detail beschreibt. Dies beinhaltet sowohl die Semantik und die Datenquelle, aus der die Informationen extrahiert werden können, als auch eine Anleitung zur Extraktion und die abschließende Darstellung als XML-Element. Da aber nicht jede Information und deren Semantik sicher ist, wird zwischen sicheren und unsicheren Informationen unterschieden. Die Analyse hat allerdings ergeben, dass es eine Reihe an Informationen gibt, denen nicht automatisch eine Semantik zugewiesen werden kann. Außerdem wurden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der verschiedenen Wiki-Systeme analysiert, die für die Entwicklung des Konzeptes notwendig waren. Im Konzept ist die Gesamtarchitektur zur Extraktion von semantischen Informationen enthalten. Zwei Hauptsystemkomponenten waren hierfür notwendig: Wrapper und Mediator. Aufgrund der Unterschiede der Wiki-Systeme, wie beispielsweise die verwendete Programmiersprache, Datenbank oder Datei und Wiki-Syntax, wurde eine Wrapper eingesetzt. Der Mediator dient hingegen als Vermittler zwischen der jeweiligen Anwendung und dem Wiki-System. Durch die prototypische Implementation des Konzeptes ist die Durchführbarkeit bewiesen, bestimmte semantische Informationen zu extrahieren und diese in eine für die Weiterverarbeitung geeignete Form zu bringen. Das heißt, bestimmte Informationen können automatisch oder halb-automatisch in eine semantische Beziehung zueinander gesetzt werden.
Es ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Entwicklung von Virtuellen Umgebungen und insbesondere deren Inhalte in der Art zu vereinfachen, dass die bestehende Lücke zwischen der abstrakten Beschreibung und Modellierung einer Problemstellung und der praktischen Umsetzung geschlossen wird. Dazu wurden in Kapitel 1 zunächst die Gründe und Überlegungen dargestellt, die zur Erstellung der vorliegenden Arbeit beigetragen haben. Es wurde gezeigt, dass zu einer großen Verbreitung und einer guten Integration von 3D Systemen nicht nur die Verfügbarkeit der entsprechenden Hardware gehört, sondern auch die Möglichkeit für jedermann - oder zumindest für viele - diese Techniken für die eigene Arbeit zu nutzen, wobei diese Verwendung die Erstellung von Interaktionsszenarien und Verhaltensbeschreibungen einschließt. Es wurde darauf hingewiesen, dass heutige Konzepte und Technologien der Verhaltenserstellung aufgrund ihrer Komplexität nicht zur weiten Verbreitung ausreichen, und es wurden Ideen und Vorschläge für neue Ansätze genannt. Zur Hervorhebung von Kernproblemen der heutigen Vorgehensweise bei der Erstellung Virtueller Umgebungen wurden in Kapitel 2 die Motivationen und die Überlegungen, die zu den technischen Lösungen führten, mit der Sicht und den Ansprüchen unterschiedlicher Disziplinen auf die Verhaltensbeschreibung verglichen. In diesem Zusammenhang wurden die Problematiken der Interdisziplinarität, der Verhaltenspartitionierung und der Darstellung von Verhalten vorgestellt. Das Ergebnis war die Forderung nach einem Paradigmenwechsel – weg von der technischen Orientierung, hin zu einer autorenfokussierten Erstellung Virtueller Welten. Darüber hinaus wurden grundlegende Konzepte der Ingenieurswissenschaften dargelegt. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse wurde in Kapitel 3 eine Analyse der Problemstellung anhand bestehender Arbeiten in drei Bereichen durchgeführt: Den Bereichen der manuellen und der automatisierten Erstellung sowie dem Bereich, in dem Ingenieurskonzepte auf die 3D Computergraphik angewendet werden. Aktuelle Arbeiten wurden im Hinblick darauf untersucht, welche Strukturen und Prozesse bei der Erstellung der Verhaltensbeschreibungen für Virtuelle Umgebungen auftreten und worin diese begründet sind. Zugleich wurde dabei die Unterstützung in Form von Hilfsmitteln und Vorlagen untersucht, die der Autor während der Erstellung erfährt. Es wurde aufgezeigt, dass heutige Technologien begründetermaßen meist auf einer hierarchischen Beschreibung des Inhalts aufbauen. Zum einen hilft die Hierarchie dem geübten Benutzer bei der Strukturierung und zum anderen lassen sich solche Beschreibungen schnell in ein mathematisches Modell der notwendigen Kinematik übertragen. Aber die innere Struktur einer Szene stimmt nicht notwendigerweise mit der eines baumförmigen Graphen überein. Darüber hinaus entspricht die Granularität der zum Aufbau des Szenengraphen verwendeten Elemente nicht den Vorkenntnissen der Autoren. In Kapitel 4 wurde als Lösungsansatz das Konzept der Visual Design Pattern zur Strukturbeschreibung hergeleitet. Es ermöglicht den Aufbau von Szenen aus der Perspektive des Autors. Diesem Konzept liegt die Idee zugrunde, dass in Verhaltensbeschreibungen für Virtuelle Umgebungen wiederkehrende Muster existieren, die für den Autor sichtbar und handhabbar gemacht werden sollen. Hierfür wurde basierend auf einer Betrachtung der Anforderungen und der Zielsetzung im Bereich der 3D Computergraphik, ausgehend von der ursprünglichen Idee der Design Pattern, durch eine Spezialisierung das Konzept der Visual Design Pattern zur visuellen Strukturbeschreibung Virtueller Umgebungen erarbeitet und definiert. Die Spezialisierung erfolgte im Hinblick auf die Integration einer Pattern-Visualisierung und die dadurch möglichen Interaktionsbeschreibungen zur Anpassung. Der vorgestellte Ansatz impliziert einen angepassten Produktionsprozess, bei dem die Erfahrungen und Anwendungsbeispiele, die durch ein Visual Design Pattern zusammengefasst und beschrieben sind, in der Form von Visual Templates umgesetzt wurden, so dass diese als Strukturelemente zum Aufbau neuer Szenen sowohl bei der manuellen, als auch bei der automatisierten Erstellung benutzt werden können. Die konzeptionelle Grundlage zum Aufbau der Visual Templates basiert auf dem Einsatz von 3D Komponenten als virtuelle Abbilder realer und imaginärer Entitäten. Ausgehend von den durch das Konzept der Visual Templates gegebenen Anforderungen zum einen und den Ergebnissen der Analyse zum anderen wurden die elementaren Eigenschaften für die 3D Komponenten hergeleitet und daraus die entsprechende Architektur spezifiziert. Abschließend wurde aufgezeigt, wie die erforderliche Persistenz auf der Basis eines XML-Dialekts konzeptionell umgesetzt wird. In Kapitel 5 wurde die Realisierung der vorgestellten Konzepte dargelegt. Das Konzept der Visual Design Pattern, das daraus abgeleitete Konzept der Visual Templates und das Konzept der zum Aufbau notwendigen 3D Komponenten stellen Ansätze zur Unterstützung eines Autors Virtueller Umgebungen dar. Entsprechend wurden in Kapitel 6 die beschriebenen Konzepte und deren Realisierung anhand von unterschiedlichen Anwendungsbeispielen aus den Bereichen des Notfalltrainings, der Medizin und der Innenarchitektur angewendet, wobei die Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Erstellung analysiert wurden. Auf dieser Grundlage erfolgte zum Abschluss eine Bewertung der in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte im Hinblick auf die erklärten Ziele. Als Kriterien dienten hierzu die vier Prinzipien der Erstellung. Demnach dient das zugrundeliegende Konzept der Visual Design Pattern in geeigneter Weise dazu, linguistische Konstruktionsmethoden zu integrieren. Durch die Nutzung der 3D-Komponenten in der Form der Component Markup Language ist es möglich geworden, diesen Ansatz auf eine formale Grundlage zu stellen und über die Visualisierung und die Anpassung in der Form von Vorlagen als visuelle Konstruktionsmethode in Autorenumgebungen zu integrieren.
Wir untersuchen das Verhalten von unären stochastischen endlichen Automaten mit Hilfe von Methoden der Theorie der homogenen Markovketten. Für unäre stochastische Automaten mit E-isoliertem Cutpoint lambda und n Zuständen bestimmen wir eine obere Schranke für die Größe des zyklischen Teils eines optimalen äquivalenten DFAs. Ein Ergebnis von Milani und Pighizzini zeigt bereits, dass für den zyklischen Teil des äquivalenten DFAs O(e exp(sqrt(n ln n))) Zustände ausreichen und in unendlich vielen Fällen auch Omega(eexp(sqrt(n ln n))) Zustände benötigt werden, wobei die Größe von E keine Rolle spielt. Wir zeigen die obere Schranke n exp (1/2E) für die Größe des zyklischen Teils und weisen nach, dass der optimale DFA für jedes c < 1 in unendlich vielen Fällen mehr als n exp (c/2E) viele Zustände im zyklischen Teil benötigt. Wir weisen auch nach, dass es eine unendliche Familie endlicher unärer Sprachen gibt, für die es jeweils einen PFA mit n Zuständen und 1/4-isoliertem Cutpoint gibt, während der optimale, DFA e exp(Omega x sqrt(n ln n)) Zustände im Anfangspfad benötigt.
Im Gegensatz zur Minimierung von DFAs ist die exakte Minimierung von NFAs oder regulären Ausdrücken nachweislich schwierig, im allgemeinen Fall PSpace-schwer. Wir zeigen, dass selbst schwache Approximationen zur Minimierung von NFAs und regulären Ausdrücken wahrscheinlich nicht effizient möglich sind. Falls als Eingabe ein NFA oder regulärer Ausdruck der Größe n gegeben ist, löst ein Approximationsalgorithmus für das Minimierungsproblem mit Approximationsfaktor o(n) bereits ein PSpace-vollständiges Problem. Wenn wir uns auf NFAs oder reguläre Ausdrücke über einem unären - also einelementigen - Alphabet beschränken, so ist das Problem der exakten Minimierung NP-vollständig. Wir weisen nach, dass effiziente Approximationen für das unäre Minimierungsproblem mit Approximationsfaktor n^(1-delta) für jedes delta>0 nicht möglich sind, sofern P != NP gilt. Liegt die Eingabe als DFA mit n Zuständen vor, kann sie exponentiell größer sein als ein äquivalenter NFA oder regulärer Ausdruck. Dennoch bleibt das Minimierungsproblem PSpace-schwer, wenn die Anzahl der Übergänge oder Zustände in einem äquivalenten NFA oder die Länge eines äquivalenten regulären Ausdrucks zu bestimmen ist. Wir zeigen, dass auch hierfür keine guten Approximationen zu erwarten sind. Unter der Annahme der Existenz von Pseudozufallsfunktionen, die wiederum auf der Annahme basiert, dass Faktorisierung schwierig ist, zeigen wir, dass kein effizienter Algorithmus einen Approximationsfaktor n/(poly(log n)) für die Zahl der Übergänge im NFA oder die Länge des regulären Ausdrucks garantieren kann. Für die Zahl der Zustände im NFA weisen wir nach, dass effiziente Approximationen mit Approximationsfaktor (n^(1/2))/(poly(log n)) ausgeschlossen sind. Wir betrachten dann Lernprobleme für reguläre Sprachen als Konzeptklasse. Mit den entwickelten Methoden, die auf der Annahme der Existenz von Pseudozufallsfunktionen beruhen, zeigen wir auch, dass es für das Problem des minimalen konsistenten DFAs keine effizienten Approximationen mit Approximationsfaktor n/(poly(log n)) gibt. Für den unären Fall hingegen weisen wir nach, dass es einen effizienten Algorithmus gibt, der einen minimalen konsistenten DFA konstruiert und erhalten somit auch einen effizienten PAC-Algorithmus für unäre reguläre Sprachen, die von DFAs mit n Zuständen akzeptiert werden. Für unäre Beispielmengen weisen wir außerdem nach, dass es keine effizienten Algorithmen gibt, die minimale konsistente NFAs konstruieren, falls NP-vollständige Probleme nicht in Zeit (n^(O(log n)) gelöst werden können. Andererseits geben wir einen effizienten Algorithmus an, der zu unären Beispielmengen einen konsistenten NFA mit höchstens O(opt^2) Zuständen konstruiert, wenn ein minimaler konsistenter NFA opt Zustände hat. Abschließend betrachten wir das Lernen von DFAs durch Äquivalenzfragen. Für den nicht-unären Fall ist bekannt, dass exponentiell viele Fragen für DFAs mit n Zuständen benötigt werden. Für unäre zyklische DFAs mit primer Zykluslänge und höchstens n Zuständen zeigen wir, dass Theta((n^2)/(ln n)) Äquivalenzfragen hinreichend und notwendig sind. Erlauben wir größere zyklische DFAs als Hypothesen, kommen wir mit weniger Fragen aus: Um zyklische DFAs mit höchstens n Zuständen durch Äquivalenzfragen mit zyklischen DFAs mit höchstens n^d Zuständen für d <= n als Hypothesen zu lernen, sind O((n^2)/d) Fragen hinreichend und Omega((n^2 ln d)/(d (ln n)^2)) Fragen nötig.
We investigate unary regular languages and compare deterministic finite automata (DFA’s), nondeterministic finite automata (NFA’s) and probabilistic finite automata (PFA’s) with respect to their size. Given a unary PFA with n states and an e-isolated cutpoint, we show that the minimal equivalent DFA has at most n exp 1/2e states in its cycle. This result is almost optimal, since for any alpha < 1 a family of PFA’s can be constructed such that every equivalent DFA has at least n exp alpha/2e states. Thus we show that for the model of probabilistic automata with a constant error bound, there is only a polynomial blowup for cyclic languages. Given a unary NFA with n states, we show that efficiently approximating the size of a minimal equivalent NFA within the factor sqrt(n)/ln n is impossible unless P = NP. This result even holds under the promise that the accepted language is cyclic. On the other hand we show that we can approximate a minimal NFA within the factor ln n, if we are given a cyclic unary n-state DFA.
Augmented Reality ist eine Technologie, mit der die Wahrnehmung der realen Umgebung durch computergenerierte Sinnesreize verändert bzw. erweitert wird. Zur Erweiterung dieser „angereicherten Realität“ werden virtuelle Informationen wie z.B. 3D-Objekte, Grafiken und Videos in Echtzeit in Abbildern der realen Umgebung dargestellt. Die Erweiterungen helfen dem Anwender Aufgaben in der Realität auszuführen, da sie ihm Informationen bereitstellen, die er – ohne AR – nicht unmittelbar wahrnehmen könnte. Die Zielsetzung ist, dem Benutzer den Eindruck zu vermitteln, dass die reale Umgebung und die virtuellen Objekte koexistent miteinander verschmelzen. Für AR-Anwendungen existieren zahlreiche potenzielle Einsatzgebiete, doch verhindern bisher einige Probleme die Verbreitung dieser Technologie. Einer breiten Nutzung von AR-Anwendungen steht beispielsweise die Problematik gegenüber, dass deren Erstellung hohe programmiertechnische Anforderungen an die Entwickler stellt. Zur Verminderung dieser Probleme ist es wünschenswert Benutzern ohne Programmierkenntnisse (Autoren) die Entwicklung von AR-Anwendungen zu ermöglichen. Zum anderen bestehen technologische Probleme bei den für die Registrierung der virtuellen Objekte essenziellen Trackingverfahren. Weiterhin weisen die bisherigen AR-Anwendungen im Allgemeinen und die mittels autorenorientierter Systeme erstellten AR-Applikationen im Besonderen Defizite bezüglich der Authentizität der Darstellungen auf. Dabei sind hauptsächlich inkorrekte Verdeckungen und unrealistische Schatten bei den virtuellen Objekten verantwortlich für den Verlust des Koexistenzeindrucks. In dieser Arbeit wird unter Berücksichtigung der Trackingprobleme und auf Basis von Analysen, die die wichtigsten Authentizitätskriterien bestimmen, ein Konzept zur authentischen Integration von virtuellen Objekten in AR-Anwendungen erarbeitet und dargelegt. Auf diesem Integrationsprozess basierend werden Konzepte für Werkzeuge mit grafischen Benutzungsschnittstellen abgeleitet, mit denen Autoren die Erstellung von AR-Anwendungen mit hoher Darstellungsauthentizität ermöglicht wird. Einerseits verfügen die mit diesen Werkzeugen erstellten AR-Anwendungen über eine verbesserte Registrierung der virtuellen Objekte. Andererseits stellen die Werkzeuge Lösungen bereit, damit die virtuellen Objekte der AR-Anwendungen korrekte Verdeckungen aufweisen und über Schatten und Schattierungseffekte verfügen, die mit der tatsächlichen Beleuchtungssituation der realen Umgebung übereinstimmen. Sämtliche dieser Autorenwerkzeuge basieren auf einem in dieser Arbeit dargelegten Prinzip, bei dem die authentische Integration mittels leicht verständlicher bzw. wenig komplexer Arbeitsschritte und auf Basis der Verwendung einer Bildsequenz der realen Zielumgebung stattfindet. Die Konzepte dieser Arbeit werden durch die Implementierung der Autorenwerkzeuge validiert. Dabei zeigt sich, dass die Konzepte technisch umsetzbar sind. Die Evaluierung basiert auf der Gegenüberstellung eines in dieser Arbeit entwickelten Anforderungskatalogs und verdeutlicht die Eignung des Integrationsprozesses und der davon abgeleiteten Konzepte der Autorenwerkzeuge. Die Autorenwerkzeuge werden in eine bestehende, frei verfügbare AR-Autorenumgebung integriert.
Raytracing und Szenengraphen
(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 ermöglichen 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 näher 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 herkömmlichen PC. Zunächst müssen 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 Grundgerüst für ein Realtime-High-Quality-Rendering-System.
We model sequential synchronous circuits on the logical level by signal-processing programs in an extended lambda calculus Lpor with letrec, constructors, case and parallel or (por) employing contextual equivalence. The model describes gates as (parallel) boolean operators, memory using a delay, which in turn is modeled as a shift of the list of signals, and permits also constructive cycles due to the parallel or. It opens the possibility of a large set of program transformations that correctly transform the expressions and thus the represented circuits and provides basic tools for equivalence testing and optimizing circuits. A further application is the correct manipulation by transformations of software components combined with circuits. The main part of our work are proof methods for correct transformations of expressions in the lambda calculus Lpor, and to propose the appropriate program transformations.
This paper extends the internal frank report 28 as follows: It is shown that for a call-by-need lambda calculus LRCCP-Lambda extending the calculus LRCC-Lambda by por, i.e in a lambda-calculus with letrec, case, constructors, seq and por, copying can be done without restrictions, and also that call-by-need and call-by-name strategies are equivalent w.r.t. contextual equivalence.
Call-by-need lambda calculi with letrec provide a rewritingbased operational semantics for (lazy) call-by-name functional languages. These calculi model the sharing behavior during evaluation more closely than let-based calculi that use a fixpoint combinator. In a previous paper we showed that the copy-transformation is correct for the small calculus LR-Lambda. In this paper we demonstrate that the proof method based on a calculus on infinite trees for showing correctness of instantiation operations can be extended to the calculus LRCC-Lambda with case and constructors, and show that copying at compile-time can be done without restrictions. We also show that the call-by-need and call-by-name strategies are equivalent w.r.t. contextual equivalence. A consequence is correctness of all the transformations like instantiation, inlining, specialization and common subexpression elimination in LRCC-Lambda. We are confident that the method scales up for proving correctness of copy-related transformations in non-deterministic lambda calculi if restricted to "deterministic" subterms.
This paper proves several generic variants of context lemmas and thus contributes to improving the tools to develop observational semantics that is based on a reduction semantics for a language. The context lemmas are provided for may- as well as two variants of mustconvergence and a wide class of extended lambda calculi, which satisfy certain abstract conditions. The calculi must have a form of node sharing, e.g. plain beta reduction is not permitted. There are two variants, weakly sharing calculi, where the beta-reduction is only permitted for arguments that are variables, and strongly sharing calculi, which roughly correspond to call-by-need calculi, where beta-reduction is completely replaced by a sharing variant. The calculi must obey three abstract assumptions, which are in general easily recognizable given the syntax and the reduction rules. The generic context lemmas have as instances several context lemmas already proved in the literature for specific lambda calculi with sharing. The scope of the generic context lemmas comprises not only call-by-need calculi, but also call-by-value calculi with a form of built-in sharing. Investigations in other, new variants of extended lambda-calculi with sharing, where the language or the reduction rules and/or strategy varies, will be simplified by our result, since specific context lemmas are immediately derivable from the generic context lemma, provided our abstract conditions are met.
Fraktale Planetengenerierung
(2006)
Wie die Diplomarbeit gezeigt hat, lassen sich zwar ganze Planeten ohne größere Verzerrungen mit Hilfe fraktaler Methoden modellieren. Allerdings stößt die Darstellungsqualität an ihre Grenzen, da sich gängige Level-of-Detail-Algorithmen, wie ROAM bzw. Röttger, nicht einfach an die durch das Surface-Refinement gegebenen Bedingungen anpassen. Insbesondere die Triangulierung durch gleichseitige Dreiecke hat sich als problematisch erwiesen. Ohne diese LOD-Techniken kann aber nur eine relativ geringe Auflösung berechnet werden. Der vorgestellte Level-of-Detail-Algorithmus stellt zwar keinen Ersatz für die obengenannten Verfahren dar. Er bietet aber eine sehr gute Grundlage, denn er schränkt einfach und dadurch sehr schnell den Bereich ein, in dem sich der Betrachter bzw. die virtuelle Kamera befindet. Dies ist vorallem auch deshalb wichtig, weil die bisher entwickelten LOD-Algorithmen nur mit vergleichsweise kleinen Flächen wirklich effizient funktionieren. Eine Kombination aus dem in der Diplomarbeit entwickelten Verfahren und einem ROAM/Röttger-ähnlichen Algorithmus würde deren jeweiligen Schwächen beheben. Die eigentliche Modellierung der Landschaft bzw. der Gebirgszüge lässt sich dagegen problemlos auch auf sphärische Körper übertragen, zumindest wenn man dafür den Plasma-Algorithmus verwendet.
Reasoning about the correctness of program transformations requires a notion of program equivalence. We present an observational semantics for the concurrent lambda calculus with futures Lambda(fut), which formalizes the operational semantics of the programming language Alice ML. We show that natural program optimizations, as well as partial evaluation with respect to deterministic rules, are correct for Lambda(fut). This relies on a number of fundamental properties that we establish for our observational semantics.
Wiki-Systeme im eLearning
(2006)
Wiki-Systeme lassen sich in den verschiedensten Anwendungsgebieten auf angenehme Weise, aufgrund ihrer Open-Source Lizenz, durch die Anreicherung entsprechender Zusatzmodule anpassen. An dieser Stelle muss jedoch bedacht werden, dass durch die Integration vermehrter Funktionen, das charakteristische Merkmal der Wiki-Systeme 'Einfachheit' an Präsenz verlieren kann. Dieses, für Wikis typische Charakteristikum ist eine nicht zu unterschätzende Stärke, da sowohl die Expansion der Enzyklopädie Wikipedia, als auch die zunehmende Anzahl bestehender Wikis im Internet geradezu Beweis dafür sind, dass keine anderen Anwendungen in diesem Verhältnis existiert haben. Würde somit das Wiki, aufgrund der Anpassung an ein vorliegendes Konzept an Einfachheit verlieren, so müssten die Beweggründe des Wiki-Einsatzes noch mal überdacht werden. Ebenso könnte in den Bereichen, in denen die Stärken von Wikis unbrauchbar sind, ein anderes System womöglich bessere Ergebnisse liefern als ein Wiki. Aus diesen Gründen sollte vor einem Wiki-Einsatz überprüft werden, ob die vorhandenen Merkmale und Funktionen eines Wikis mit den eigenen Anforderungen übereinstimmen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Befragung hat gezeigt, das Wikis größtenteils als Präsentationsmedium, zur gemeinsamen Texterstellung und als Informationsplattform genutzt werden. Es ist deutlich geworden, dass die Integration von Wikis im Lehrbereich geeignete Anwendung findet. Auffallend war, dass zwar bei (fast) allen Befragten Schwierigkeiten aufgetreten sind und sogar erhoffte Erwartungen teilweise nicht erfüllt wurden, dennoch war der größte Teil der Befragten mit dem Wiki-Einsatz zufrieden und bewertete diesen als positiv. Die Art der aufgetretenen Schwierigkeiten und Schwachstellen zeigt, dass den Lehrenden gewisse Anleitungen und Richtlinien für einen erfolgreichen Wiki-Einsatz fehlten. Denn Informationen zum didaktischen Rahmen - in denen Wikis eingesetzt werden können - und wie Wikis eingesetzt werden sollen, waren nicht vorhanden. Somit sollen die - in dieser Arbeit - erarbeiteten Empfehlungen und Kriterien, Lehrende zu einem optimierten Wiki-Einsatz in Lehrveranstaltungen verhelfen. Außerdem sind in dieser Arbeit Vorgaben enthalten, wie Wiki-Einsätze von Lehrenden gestaltet werden können, so dass die häufig auftretenden Probleme vermieden werden können. Die erarbeiteten Empfehlungen und Kriterien sind gleichermaßen aus den positiven, wie auch aus den negativen Erfahrungen der Befragten entstanden. Insbesondere sollen die Empfehlungen und Kriterien, die von den Befragten permanent beklagten auftretenden Schwierigkeiten und Probleme verhindern. Eine Garantie jedoch, dass die Einhaltung dieser Empfehlungen und Kriterien zu einem erfolgreichen Wiki-Einsatz führen und ob keine relevanten Kriterien unbeachtet gelassen sind, kann an dieser Stelle nicht gegeben werden. Ob sich nun die Probleme, die sich mit Wiki-Einsätzen wiederholt ergeben haben, durch die Befolgung dieser Kriterien und Empfehlungen vermeiden lassen, könnte im Rahmen einer nachfolgenden Diplomarbeit untersucht werden, in der Wiki- Einsätze, begleitet werden. Weiterhin sollte im Rahmen einer weiteren Arbeit die Situation der Lernenden und die Auswirkung auf das Lernverhalten in Verbindung mit Wiki-Systemen evaluiert werden, so dass einige Thesen dieser Arbeit belegt oder gar widerlegt werden können.
ALPHA ist die Architektur einer lokationssensitiven Puppe für hydropneumatische Animation. Es ist ein Animations-Eingabegerät. Die Puppe soll ein Objekt repräsentieren, welches animiert werden soll. Ihre Gliedmaßen, welche aus Knochen und Gelenken bestehen, sind beweglich. Sie wird an einen Computer angeschlossen und die gegenwärtige Stellung ihrer Gelenke kann mittels eines ebenfalls entwickelten Treibers von diesem Computer eingelesen werden. Des Weiteren wird erklärt was eine hydropneumatische Animation ist. Die Diplomarbeit weist die folgende Gliederung auf: • Motivation • Technische Grundlagen und State-Of-The-Art-Analyse • Anforderungsanalyse • Das eigene Konzept, die lokationssensitive Puppe (ALPHA) • Evaluation • Ausblick Die Motivation beschäftigt sich mit der Entwicklung der Filmanimation und einiger Errungenschaften in der Laufbahn der Animationstechnologischen Entwicklung. Die technischen Grundlagen beschränken sich auf die Funktionsweise von Messapparaturen, welche als Gelenkstellungssensoren fungieren können. Im Einzelnen sind das der optische Resolver, der Optoencoder und die Kombination von einem Drehpotentiometer und einem Analog/Digital-Wandler. Zur State-Of-The-Art-Analyse gehört die Erläuterung bereits entwickelter Stellungs- und Bewegungsmessender Technologien, wie das Stop-Motion-Verfahren, das Motion-Capturing, das Dinosaur-Input-Device und der Datenhandschuh. Eine Zusammenstellung der Defizite dieser Verfahren schließt dieses Kapitel ab. Die Analyse der Anforderungen an ein zu entwickelndes System ist im Kapitel Anforderungsanalyse zu finden. Zum eigenen Konzept gehört die gesamte Entwicklung einer lokationssensitiven Puppe. Die Puppe ist das Ebenbild des Skeletts eines zu animierendes Objekts. Sie besteht aus mehreren Gliedmaßen, welche an ihren Gelenken beweglich sind. Die Gelenkstellung wird von Potentiometern gemessen, dessen Signal ein A/D-Wandler empfängt. Die Umschaltung der einzelnen Messwerte erfolgt über Analog-Multiplexer. Die gesamte Steuerung der Bauteile und das Auslesen des A/D-Wandler werden durch einen Treiber über den Parallelport eines PCs gesteuert. Die Funktionsweise des Treibers und seine Implementierung werden ebenfalls in diesem Kapitel erläutert. Im Kapitel Evaluation befindet sich eine Bewertung des Konzepts und der Erfüllung der Anforderungsanalyse. Schließlich zeigt der Ausblick die Möglichkeiten der Anwendungen der Puppe und einen Blick in zukünftige Technologien.
We develop a proof method to show that in a (deterministic) lambda calculus with letrec and equipped with contextual equivalence the call-by-name and the call-by-need evaluation are equivalent, and also that the unrestricted copy-operation is correct. Given a let-binding x = t, the copy-operation replaces an occurrence of the variable x by the expression t, regardless of the form of t. This gives an answer to unresolved problems in several papers, it adds a strong method to the tool set for reasoning about contextual equivalence in higher-order calculi with letrec, and it enables a class of transformations that can be used as optimizations. The method can be used in different kind of lambda calculi with cyclic sharing. Probably it can also be used in non-deterministic lambda calculi if the variable x is "deterministic", i.e., has no interference with non-deterministic executions. The main technical idea is to use a restricted variant of the infinitary lambda-calculus, whose objects are the expressions that are unrolled w.r.t. let, to define the infinite developments as a reduction calculus on the infinite trees and showing a standardization theorem.
Simulation von Prüfungsordnungen und Studiengängen mit Hilfe von Constraint-logischer Programmierung
(2006)
In dieser Arbeit wurde versucht die Prüfungsordnung des Bachelorstudiengangs Informatik mit Hilfe der Constraint-logischen Programmiersprache - genauer der Programmiersprache ECLiPSe e zu simulieren und diese auf logische Fehler zu überprüfen. Hierfür wurden die beiden deklarativen Programmierparadigmen, die logische Programmierung und die Constraint-Programmierung, getrennt erläutert, da sie unterschiedliche Techniken bei der Problembehandlung einsetzen. Zunächst wurde als Grundlage die Prädikatenlogik (Kapitel 2), erarbeitet und ausführlich dargestellt. Anschließend wurde die logische Programmierung mit der, auf Prädikatenlogik basierenden, Programmiersprache Prolog erläutert (Kapitel 3). Nach der Erläuterung des logischen Teils wurde die Constraint-Programmierung (Kapitel 4) eingehend erläutert. Damit wurde eine Basis geschaffen, um die Constraint-logische Programmierung zu erläutern. Die Constraint-logische Programmierung (Kapitel 5) wurde als eine Erweiterung der logischen Programmierung um Constraints und deren Behandlung dargestellt. Dabei wurde zunächst ein allgemeiner Ansatz der Constraint-logischen Programmierung (CLP-Paradigma) erläutert. Mit der Einführung der Programmiersprache ECLiPSe, wurden alle Werkzeuge behandelt, die für die Simulation benötigt wurden. Schließlich wurde genauer auf die Modellierung des Problems und seine Implementierung in der Sprache ECLiPSe eingegangen (Kapitel 6). Grundidee der Simulation war, die Regeln der Prüfungsordnung als Constraints zu formulieren, so dass sie formal bearbeitet werden konnten. Hier wurden zwei Arten von Tests durchgeführt: • Constraint-Erfüllbarkeitsproblem: Mit dem ersten Test wurde nach eine Lösung gesucht, in der alle Constraints erfüllt sind. • Constraint-Optimierungsproblem: Hier wurde nach einer optimalen Lösung gesucht unter mehreren Kandidaten, in der alle Constraints erfüllt sind. Fazit: Die Constraint-logische Programmierung ist ein viel versprechendes Gebiet, da sie ein Mittel zur Behandlung kombinatorischer Probleme darstellt. Solche Probleme treten in vielen verschiedenen Berufsfeldern auf und lassen sich sonst nur mit großem Aufwand bewältigen. Beim Auftreten solcher Probleme kann schnell ein konzeptuelles Modell erstellt werden, das sehr einfach in ein ausführbares Programm (Design-Modell) umgewandelt wird. Programm-Modifikation ist erheblich leichter als in den prozeduralen Programmiersprachen.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein klinisches Alarmsystem für septische Schock-Patienten aufgebaut. Zweckmäßigerweise wurden hierfür metrische körpereigene Variablen verwendet, da Analysen belegt haben, dass die metrischen Daten besser zur Alarmgenerierung geeignet sind als die symbolischen Daten. Für das Training des adaptiven Neuro-Fuzzy-Systems wurden die Daten der letzten Tage des Intensivaufenthalts verwendet, da in diesem Zeitraum, im Gegensatz zu den ersten Tagen, eine gute Klassifikationsperformanz erreicht wurde. Die daraus resultierenden Alarmhistorien liefern zuverlässige Hinweise für den Intensivmediziner auf besonders kritische Patienten. Durch diese Arbeit wird es möglich werden, den medizinischen SOFA-Score, der aus 10 Variablen zusammengesetzt ist, durch die einfachere Kombination "Systolischer Blutdruck / Diastolischer Blutdruck / Thrombozyten" zu ersetzen mit einer mindestens genauso guten Performanz. Durch die Hinzunahme weiterer Variablen ist es möglich, die Performanz des SOFA-Scores zu überbieten, wobei der SOFA-Score bereits die beste Klassifikationsperformanz unter den getesteten Scores erreichte. Die erzeugten Regeln konnten die Klassifikationsentscheidung sinnvoll untermauern. Im Gegensatz zur automatischen Regelgenerierung war es Ärzten nicht möglich ahnlich sinnvolle formale Regeln zu formulieren.
Wir betrachten in dieser Diplomarbeit die Sicherheit des ringbasierten Public Key Kryptosystems NTRU, das 1996 von J. Hoffstein, J. Pipher und J.H. Silverman vorgeschlagen wurde. Dieses Kryptosystem bietet schnelle Kodierung und Dekodierung in Laufzeit O(n exp 2) bei kleinem Sicherheitsparameter n. Die Sicherheit des Systems beruht auf einem Polynomfaktorisierungsproblem (PFP)im Polynomring Zq[X]/(X exp n -1). Das PFP wurde von Coppersmith und Shamir auf ein Kürzestes Vektor Problem im Gitter Lcs reduziert. Die neuen Ergebnisse dieser Arbeit bauen auf dem Gitter Lcs auf. Wir betrachten die Nachteile von Lcs und konstruieren verbesserte Gitterbasen zum Angriff auf das NTRU-Kryptosystem. Dabei nutzen wir Strukturen des Polynomrings Zq[X]/(X exp n -1) und der geheimen Schlüssel aus. Durch die neuen Gitterbasen wird der Quotient aus der Länge des zweitkürzesten und der Länge des kürzesten Gittervektors vergrößert. Da wir Approximationsalgorithmen zum Finden eines kürzesten Vektors verwenden, beschleunigt dies die Attacken. Wir präsentieren verschiedene Methoden, wie man die Dimension der Gitterbasen verkleinern kann. Durch die verbesserten Gitterattacken erhalten wir eine Cryptanalyse des NTRU-Systems in der vorgeschlagenen mittleren Sicherheitsstufe. Beträgt die Zeit zum Brechen eines Public-Keys unter Verwendung der Coppersmith/Shamir-Basis 1 Monat, so verringert sich die Laufzeit durch einen kombinierten Einsatz der neuen Gitterbasen auf ca. 5 Stunden auf einem Rechner und bei Parallelisierung auf ca. 1:20 Stunde auf 4 Rechnern. Wir erwarten, daß die neuen Methoden NTRU in hoher Sicherheitsstufe n = 167 brechen, obwohl für dieses n bisher nur "schwache" Schlüssel gebrochen wurden. Trotz signifikanter Verbesserungen deuten die experimentellen Ergebnisse auf ein exponentielles Laufzeitverhalten bei steigendem Sicherheitsparameter n hin. Der Laufzeitexponent kann allerdings gesenkt werden, so daß man n größer wählen muß, um Sicherheit gegenüber den neuen Attacken zu erzielen. Auch wenn das NTRU-Kryptosystem nicht vollständig gebrochen wird, verliert es seinen größten Vorteil gegenüber anderen Public Key Kryptosystemen: Die effiziente Kodierung und Dekodierung bei kleinem Sicherheitsparameter n.
Durch zunehmende Vernetzung steigt auch das Interesse elektronische Wahlen mit Hilfe kryptographischer Methoden auf Rechnernetzen zu verwirklichen. In der folgendern Arbeit werden Wahlschemata behandelt, deren Ziel es ist, die gesamte Wahl auf einem Rechnernetz durchzuführen. Die Arbeit beschränkt sich auf Wahlen mit zwei Wahlvorschlägen. Auf Wahlen mit drei oder mehr Wahlvorschlägen wird nicht eingegangen. Im ersten Kapitel wird eine Einleitung in die elektronischen Wahlen gegeben. Im zweiten Kapitel wird das verwendete Modell eines Wahlschemas und die Anforderungen, bezüglich der die Wahlschemata untersucht werden, vorgestellt. Im dritten Kapitel werden die kryptographische Methoden für die folgenden Kapitel vorgestellt. Im vierten Kapitel werden zwei Wahlschemata betrachtet, deren Ansatz es ist, die Stimmen mit Hilfe von Schwellenwerten auf mehrere Behörden zu verteilen. Die Sicherheit der Wahlschemata in diesem Kapitel basiert auf dem diskreten Logarithmus. Im fünften Kapitel werden weitere Wahlschemata betrachet, bei denen die Wähler mit Hilfe von Verschlüsselungsmethoden ihre Stimmen an die Behörden senden. Die Sicherheit dieser Schemata basiert auf dem Wurzelziehen modulo einer zusammengesetzten Zahl mit unbekannter Faktorisierung. In diesem Kapitel lernen wir auch das erste quittungsfreie Wahlschema kennen. Im sechsten Kapitel werden Wahlschemata betrachtet, die das Konzept eines Mixes benutzen. Auch in diesem Kapitel lernen wir ein quittungsfreies Wahlschema kennen.
Durch das Semantische Web soll es Maschinen ermöglicht werden Metadaten zu verstehen. Hierin steckt ein enormes Potenzial, wodurch sich der Umgang mit dem heutigen Internet grundlegend ändern kann. Das Semantische Web steht jedoch noch am Anfang. Es gilt noch einige offene und strittige Punkte zu klären. Das Fundament des Semantischen Webs wird durch das Resource Description Framework (RDF) gebildet, worauf sich diese Arbeit konzentriert. Hauptziel meiner Arbeit war die Verbesserung der Funktionalität und der Nutzungsfreundlichkeit für RDF-Speicher- und Anfragesysteme. Dabei stand die allgemeine Nutzung für ein Informationsportal oder eine Internetsuchmaschine im Vordergrund. Meine Überlegungen hierzu wurden in dem Speichersystem RDF-Source related Storage System (RDF-S3) und der darauf aufsetzenden Anfragesprache easy RDF Query Language (eRQL) umgesetzt. Insbesondere wurden die folgende Kernpunkte berücksichtigt: • Allgemeine Nutzbarkeit der Anfragesprache, sodass auch unerfahrene Nutzer einfach und schnell Anfragen erstellen können. Um auch von unerfahrenen Nutzern bedient werden zu können, konnte keine komplexe Syntax verwendet werden, wie dies bei den meisten existierenden Anfragesprachen der Fall ist. Es wurde sich daher an Anfragesprachen existierender Suchmaschinen angelehnt. Entsprechend bilden sogenannte Ein-Wort-Anfragen, die den Suchbegriffen entsprechen, eine wichtige Rolle. Um gezieltere Anfragen stellen zu können, sind jedoch die Schemainformationen der gespeicherten Daten sehr wichtig. Hier bietet bereits die RDF Query Language (RQL) viele hilfreiche Kurzschreibweisen, an die sich eRQL anlehnt. • Bereitstellung glaubwürdiger Metadaten, sodass den Anfrageergebnissen vertraut werden kann. Das Semantische Web ist ein verteiltes System, wobei keine Kontrolle auf die Datenquellen ausgeübt werden kann. Den Daten kann daher nicht ohne weiteres vertraut werden. Anders ist dies mit Metadaten, die von eigenen Systemen erzeugt wurden. Man weiß wie sie erzeugt wurden und kann ihnen entsprechend vertrauen. Wichtig ist eine klare Trennung zwischen den Daten und den Metadaten über diese, da sonst eine absichtliche Nachbildung der Metadaten von außen (Suchmaschinen-Spamming) das System unterlaufen kann. Für die Glaubwürdigkeit von Anfrageergebnissen sind vor allem die Herkunft der Daten und deren Aktualität entscheidend. In den umgesetzten Entwicklungen zu dieser Arbeit wurde sich daher auf diese Informationen konzentriert. In RDF-S3 wird die Verknüpfung der RDF-Aussage mit ihren Herkunftsdaten im Speichermodell abgebildet. Dies ermöglicht eine gezielte Ausnutzung dieser Daten in eRQL-Anfragen. Durch den sogenannten Dokumenten-Modus bietet eRQL die Möglichkeit Anfragen auf eine Gruppe von Quellen zu begrenzen oder bestimmte unglaubwürdige Quellen auszuschließen. Auch können die Herkunftsdaten das Anfrageergebniss erweitern und dadurch das Verständnis und die Glaubwürdigkeit für das Ergebnis erhöhen. • Anfrageergebnisse können um ihre Umgebung erweitert werden, sodass sie besser verstanden werden können. Für eRQL-Anfragen besteht die Möglichkeit die Umgebnung zu den Treffern (RDF-Aussagen) mit zu berücksichtigen und im Ergebnis mit anzuzeigen. Dies erhöht das Verständnis für die Ergebnisse. Weiterhin ergeben sich hierdurch neue Möglichkeiten wie das Auffinden von Pfaden zwischen Teilergebnissen einer Anfrage. • Unterstützung und Kombination von Daten- und Schemaanfragen. Mit eRQL werden beide Anfragetypen unterstützt und können sinnvoll miteinander kombiniert werden. Die Einbeziehung der Umgebung ermöglicht für die Kombination von Daten- und Schemaanfragen neue Möglichkeiten. Dabei werden sowohl Daten- als auch Schemaanfragen (oder deren Kombination) durch das Speichermodell von RDF-S3 optimal unterstützt. Weitere nennenswerte Eigenschaften von RDF-S3 und eRQL sind: • Durch die Möglichkeit gezielt einzelne Quellen wieder zu entfernen oder zu aktualisieren, bietet RDF-S3 eine gute Wartbarkeit der gespeicherten Daten. • RDF-S3 und eRQL sind zu 100 % in Java entwickelt, wodurch ihr Einsatz unabhängig vom Betriebssystem möglich ist. • Der Datenbankzugriff erfolgt über JDBC, wobei keine besonderen Eigenschaften für die verwendete RDBMS nötig sind . Dies sorgt für eine hohe Portabilität. RDF-S3 und eRQL wurden als Beispielimplementierungen entwickelt. Für einen produktiven Einsatz sollten die Systeme an die gegebene Hardware-Umgebung und Anwendungsfall angepasst werden. In Kapitel 6 werden Erweiterungen und Änderungsmöglichkeiten genannt, die je nach Situation geprüft werden sollten. Ein noch vorhandenes Problem für einen produktiven Einsatz auf großen Datenmengen ist die aufwendige Berechnung der Umgebungen für Anfrageergebnisse. Die Berechnung von Umgebungen im Vorhinein könnte hier eine Lösung sein, die jedoch durch die Möglichkeit der Einschränkung auf glaubwürdige Quellen erschwert wird.
RDF is widely used in order to catalogue the chaos of data across the internet. But these descriptions must be stored, evaluated, analyzed and verified. This creates the need to search for an environment to realize these aspects and strengthen RDFs influence. InterSystems postrelational database Caché exposes many features that are similar to RDF and provide persistence with semantic part. Some models for relational databases exist but these lack features like object-oriented data-structures and multidimensional variables. The aim of this thesis is to develop an RDF model for Caché that saves RDF data in an object-oriented form. Furthermore an interface for importing RDF data will be presented and implemented.
Wir haben in dieser Arbeit einige Probleme auf Objekten betrachtet, deren Struktur wohlgeformten Klammerworten entspricht. Dies waren spezielle Routing-Probleme, das Umformen und Auswerten algebraischer Ausdrücke, sowie die Berechnung korrespondierender Symbole zweier Ausdrücke. Eine effiziente Lösung dieser Probleme gelang durch einen rekursiven Divide-and-Conquer Ansatz, der auf Grund der “natürlichen” rekursiven Definition der betrachteten Objekte auch nahe liegt. Im Divide-Schritt wurde das jeweilige Problem in viele wesentlich kleinere Teilprobleme zerlegt, so daß die gesamte Laufzeit des Algorithmus asymptotisch gleich der des Divide-Schrittes und des Conquer-Schrittes blieb. Das Zerlegen der Probleme erfolgte im wesentlichen unter Anwendung bekannter Routing-Algorithmen für monotone Routings und Bit-Permute-Complement Permutationen. Im Conquer-Schritt für das Klammerrouting und das Knotenkorrespondenzproblem wurden nur die Datenbewegungen des Divide-Schrittes rückwärts ausgeführt. Für das Tree-Contraction-Problem wurde dagegen im Conquer-Schritt die Hauptarbeit geleistet. Die Methode der Simulation eines PRAMAlgorithmus durch die Berechnung seiner Kommunikationsstruktur und eine entsprechende Umordnung der Datenelemente konnte sowohl für eine effiziente Implementierung des Tree-Contraction Conquer-Schrittes auf dem Hyperwürfel als auch für die Konstruktion eines einfachen NC1-Schaltkreises zum Auswerten Boolescher Formeln angewandt werden. In einer Implementierung eines Divide-and-Conquer Algorithmus auf einem Netzwerk müssen den generierten Teilproblemen für ihre weitere Bearbeitung Teile des Netzwerks zugeordnet werden. Um die weiteren Divide-Schritte nach der gleichen Methode ausführen zu können, sollte die Struktur dieser Teilnetzwerke analog zu der des gesamten Netzwerks sein. Wir haben das Teilnetzwerk-Zuweisungsproblem für den Hyperwürfel und einige hyperwürfelartige Netzwerke untersucht. Der Hyperwürfel und das Butterfly-Netzwerk können so in Teilnetzwerke vorgegebener Größen aufgeteilt werden, daß nur ein geringer Anteil der Prozessoren ungenutzt bleibt, und die Teilprobleme können schnell in die ihnen zugeordneten Teilnetzwerke gesendet werden. Unter Anwendung dieser Teilnetzwerk-Zuweisungs-Algorithmen haben wir optimale Implementierungen für eine große Klasse von Divide-and-Conquer Algorithmen auf dem Hyperwüfel und hyperwürfelartigen Netzwerken erhalten. Wir konnten garantieren, daß die Laufzeit der gesamten Implementierung des Divide-and-Conquer Algorithmus asymptotisch gleich der Laufzeit ist, die sich aus dem gegebenen Divide-Schritt und Conquer-Schritt ergibt, wenn man alle mit der Teilnetzwerk-Zuweisung verbundenen Probleme außer acht läßt. Wir haben die hier vorgestellte allgemeine Divide-and-Conquer Implementierung im optimalen Teilwürfel-Zuweisungs-Algorithmus, im Klammerrouting-Algorithmus, der selbst ein wesentlicher Teil des Tree-Contraction-Algorithmus ist, und im Algorithmus für das Knotenkorrespondenzproblem eingesetzt.
Moderne Softwaresysteme gewinnen zunehmend an Komplexität und bestehen inzwischen aus einer für Menschen nicht mehr überschaubaren Menge an Quellcode-Zeilen. Die Problematik könnte damit zusammenhängen, dass Programmiersprachen als Sprachen linear orientiert sind. Es stellt sich die Frage, ob graphische Darstellungen besser geeignet wären. Durch das Hinzufügen einer zweiten Dimension könnten Vererbungshierarchien und vernetzte Zusammenhänge – wie beispielsweise Funktionsaufrufe – besser visualisiert und durch das Ausblenden von Implementierungsdetails auf einen Blick erfasst werden. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten der Visualisierung untersucht, bei denen der Sourcecode graphisch dargestellt wird und bei denen eine Änderung in der graphischen Darstellung in einem veränderten Sourcecode resultiert. Die Kernfrage, die in dieser Arbeit untersucht werden soll, ist, ob graphisch orientierte Tools die Programmierung wesentlich beschleunigen können. Dabei wird hauptsächlich auf die Visualisierung der vernetzten Strukturen von Klassen und Methoden Wert gelegt sowie auf die automatische Generierung. Ohne eine Automatisierung muss zu viel Zeit investiert werden, um die Darstellung zu erzeugen und mit geänderten Code konsistent zu halten. Dabei werden bisherige Konzepte wie die graphische Modellierungssprache UML beschrieben und die Umsetzung in unterschiedlichen Programmen untersucht. Die Abbildung von UML-Diagrammen in Sourcecode und von Sourcecode in UMLDiagramme bereitet jedoch einige Probleme, da viele Konzepte von UML zu stark abstrahieren und eine Abbildung nicht eindeutig und teilweise nicht möglich ist. Aus diesem Grund wird aufbauend auf den vorhandenen Möglichkeiten ein neues Konzept entwickelt, das prototypisch implementiert wird. Dabei werden viele Elemente von UML genutzt und auf die gestellten Anforderungen angepasst, sodass eine automatische graphische Darstellung parallel zur Programmierung in Textform möglich ist.
Konzept und Implementierung eines Systems zur Visualisierung von Zelldifferenzierungssimulationen
(2004)
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zunächst den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Zelldifferenzierungssimulatoren und –visualisierungen zu ermitteln. Davon ausgehend wurde ein eigenes Konzept für ein Visualisierungssystem entwickelt. Es wurde in einer prototypischen Implementierung mit dem Titel D-VISION umgesetzt. Die Recherchearbeiten ergaben, dass in der Forschung bisher hauptsächlich biochemische Reaktions-Netzwerke, die mithilfe von Differentialgleichungen gelöst werden, für Zell-Simulationen benutzt werden. Der dabei verwendete Abstraktionsgrad der repräsentierten Zellen ist zu hoch, um die gestellten Anforderungen einer realistischen 3D-Darstellung der Zellen zu erfüllen. Die grundlegende Idee, die Zelldifferenzierung aufgrund ihrer Genexpression also der in den Zellen vorhandenen Substanzen zu beschreiben, wurde als Basis für das Konzept für D-VISION verwendet. Die Daten, die visualisiert werden sollen, sind die Zellen selbst, die Substanzen, die in der Zelle vorhanden sind, Substanzen an der Zellhülle und die Gene, die in einer Zelle aktiv sind. Die Visualisierung wird durch Darstellung von aufeinander folgenden Standbildern vorgenommen, in denen navigiert werden kann. Zellen werden in Form von Kugeln repräsentiert, die, um eine realistischere Ansicht zu erreichen, so deformiert werden, dass sich die Kugeloberflächen aneinander angleichen. Die Deformation bietet nicht nur in der Ansicht von außen ein natürliches Bild. Auch die Möglichkeit, ein Schnittbild durch den Zellhaufen zu erzeugen, ergibt durch die Deformation eine mit realen Mikroskopieaufnahmen vergleichbare Darstellung. Ein solches zweidimensionales Schnittbild kann durch Verschieben der Schnittebene eine stufenlose Fahrt durch die Schichten des simulierten Zellhaufens zeigen. Neben den Zellen selbst, liegt ein besonderes Augenmerk auf der Darstellung von Substanzkonzentrationen. Sie werden durch kleine Objekte (Tiny Cubes) dargestellt. Allerdings unterscheidet sich ihr Einsatz von der bisher verbreiteten Methode, volumetrische Daten durch Farbskalen zu repräsentieren. Sie geben die Stoffmengen allein durch ihre Anzahl wieder. Um Zusammenhänge mit der Zelldifferenzierung erkennbar zu machen, können bis zu drei verschiedene Stoffe gleichzeitig angezeigt werden. Der Benutzer hat die Möglichkeit, Regeln bezüglich des Zustandes von Zellen zu formulieren. Die so definierten Zellklassen, fassen Zellen gleichen Typs zusammen und ermöglichen so die Darstellung von Zelldifferenzierung. D-VISION wurde konzipiert, um auch mit Simulatoren zusammen zu arbeiten, die Grid Computing für ihre Berechnungen nutzen. Ein separater Datenaufbereiter soll die Simulationsdaten verwalten. Der entwickelte Prototyp ist flexibel genug, um auch mit einfacheren Simulatoren zusammenzuarbeiten. Auf welchem Weg die visualisierten Daten gewonnen werden, spielt keine Rolle. Auch reine Messwerte, können zu guten Bildern führen.
Die Darstellung photorealistischer Szenen durch Computer hat in Folge der Entwicklung immer effizienterer Algorithmen und leistungsfähigerer Hardware in den vergangenen Jahren gewaltige Fortschritte gemacht. Täuschend echt simulierte Spezialeffekte sind aus kaum einem Hollywood-Spielfilm mehr wegzudenken und sind zum Teil nur sehr schwierig als computergenerierte Bilder zu erkennen. Aufgrund der Komplexität von lebenden Organismen gibt es allerdings noch kein einwandfreies Verfahren, welches ein komplettes Lebewesen realistisch, sei es statisch oder in Bewegung, mit dem Computer simulieren kann. Im Bereich der Animation sind wirkungsvolle Resultate zu verzeichnen, da das Skelett eines Menschen oder Wirbeltieres durch geeignete Methoden simuliert und Bewegungen damit täuschend echt mit dem Computer nachgebildet werden können. Die Schwierigkeit, eine komplett realistische Visualisierung eines Lebewesens zu erreichen, liegt allerdings in der Darstellung weiterer Strukturen eines Organismus, die zwar nicht direkt sichtbar sind aber dennoch Einfluss auf die sichtbaren Bereiche haben. Bei diesen Strukturen handelt es sich um Muskel- und Fettgewebeschichten. Die Oberfläche von Figuren wird durch Muskeln sowohl in der Bewegung als auch in statischen Positionen deutlich sichtbar verändert. Dieser Effekt wird bisher bei der Visualisierung von Lebewesen nur unzureichend beachtet, was zu den aufgeführten nicht vollständig realistisch wirkenden Ergebnissen führt. Bei der Simulation von Muskeln wurden bis heute verschiedene Muskelmodelle entwickelt, die einen Muskel als Gesamtheit in Hinblick auf seine grundsätzlichen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Kraftentwicklung oder Kontraktionsgeschwindigkeit, sehr gut beschreiben. Viele Effekte des Muskels, die sich hauptsächlich auf einer tiefer liegenden Ebene abspielen, sind bis heute noch nicht erforscht, was folglich auch keine entsprechende Simulation auf dem Computer zulässt. Beschrieben werden die verschiedenen Muskeltypen (Skelett-, glatte und Herzmuskulatur) und Muskelformen (spindelförmige, einfach/doppelt gefiedert, etc.). Des weiteren wird auf die unterschiedlichen Muskelfasertypen (FTO, STO, usw.) mit ihren Eigenschaften und Funktionen eingegangen. Weitere Themen sind der strukturelle Aufbau eines Skelettmuskels, der Kontraktionsmechanismus und die Ansteuerung durch Nervenreize. Im Bereich Biomechanik, also der Forschung nach den physikalischen Vorgängen im Muskel, führte die Komplexität der Struktur und Funktionsweise eines Muskels zu einer ausgedehnten Vielfalt an Forschungsarbeiten. Zahlreiche Effekte, die bei einem arbeitenden Muskel beobachtet werden können, konnten bis heute noch nicht erklärt werden. Die Erkenntnisse, die für diese Arbeit relevant sind, sind jedoch in einem ausreichenden Maße erforscht und durch entsprechende mathematische Modelle repräsentierbar. Die Mechanik, die einem Muskel zugrunde liegt, wird auf diesen Modelle aufbauend beschrieben. Neben den Größen, die im später vorgestellten Modell verwendet worden sind, wird auch auf sonstige für biomechanische Untersuchungen relevante Eigenschaften eingegangen. Weiterhin wird dargestellt, wie verschiedene Kontraktionen (Einzelzuckung, Tetanus) mechanisch funktionieren. Für Muskelarbeit und Muskelleistung werden verschiedene Diagramme vorgestellt, welche die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen Kraft, Geschwindigkeit, Arbeit und Leistung zeigen. Nach Vorstellung der ISOFIT-Methode zur Bestimmung von Muskel-Sehnen-Eigenschaften werden mathematische Formeln und Gleichungen zur Beschreibung von Kraft-Geschwindigkeits- und Kraft-Längen-Verhältnissen sowie der serienelastischen Komponente und der Muskelaktivierung, die zur Bewegungsgleichung führen, angegeben. Es folgen weitere mathematische Funktionen, welche die Aktivierungsvorgänge unterschiedlicher Muskelkontraktionen beschreiben, sowie das Muskelmodell nach Hill, welches seit vielen Jahren eine geeignete Basis für Forschungen im Bereich der Biomechanik darstellt. Bezüglich der Computergraphik wird ein kurzer Abriss gegeben, wie künstliche Menschen modelliert und animiert werden. Eine Übersicht über verschiedene Methoden zur Repräsentation der Oberfläche von Körpern, sowie deren Deformation unter Berücksichtigung der Einwirkung von Muskeln gibt die State-of-the-Art-Recherche. Neben den Oberflächenmodellen (Starrkörperdeformation, lokale Oberflächen-Operatoren, Skinning, Konturverformung, Deformation durch Keyshapes) werden auch Volumen- (Körperrepräsentation durch Primitive, Iso-Flächen) und Multi-Layer-Modelle (3-Layer-Modell, 4-Layer-Modell) vorgestellt und deren Vor- und Nachteile herausgearbeitet. Eine geeignete Repräsentation der Oberfläche, die Verformungen durch Muskelaktivität einbezieht, wurde durch die Benutzung von Pneus gekoppelt mit der Quaoaring-Technik gefunden. Dieses Verfahren, das auf Beobachtungen aus der Biologie basiert und zur Darstellung von organischen Körpern benutzt wird, ist ausgesprochen passend, um einen Muskel-Sehnen-Apparat graphisch darzustellen, handelt es sich doch hierbei auch um eine organische Struktur. Um die beiden Teilmodelle Simulation und Visualisierung zu verbinden, bietet sich die aus der Biomechanik bekannte Actionline an, die eine imaginäre Kraftlinie im Muskel und der Sehne darstellt. Die bei der Quaoaring-Methode verwendete Centerline, welches die Basis zur Modellierung des volumenkonstanten Körpers ist, kann durch die Kopplung an die physikalischen Vorgänge zu einer solchen Actionline erweitert werden. Veränderungen in der Länge und des Verlaufs der Actionline z. B. durch Muskelkontraktion wirken sich dadurch direkt auf die Form des Muskels aus und die Verbindung zur Visualisierung ist hergestellt.
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich sowohl mit der Akquisition, der Verwaltung und der winkelabhängigen, spektralen Reflexionsfunktion BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) und BTFs (Bidirection Texture Functions) von einigen ausgewählten realistischen Materialoberflächen bei fester Beleuchtung, als auch der Generierung der BTFs aus vorhandenen BRDFs und BTFs und der Anwendung der Beschreibung von Oberflächen mittels BRDFs und BTFs bei Erzeugungen von 3D-Szenen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden Konzepte für eine effektivere Nutzung von BTFs in der photorealistischen Bilderzeugung entwickelt und prototypisch umgesetzt. Der Fokus liegt dabei auf einer vereinfachten Synthese von BTFs aus vorhandenen BRDF- und BTF-Daten, sowie in einer effizienten Nutzbarmachung dieser Informationen für Rendering-Prozesse.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Generierung virtueller Organismen respektive mit der dreidimensionalen Nachbildung anatomischer Strukturen von Pflanzen, Tieren, Menschen und imaginärer Wesen per Computer. Berücksichtigt werden dabei sowohl die verschiedenen Aspekte der Visualisierung, der Modellierung, der Animation sowie der Wachstums-, Deformations- und Bewegungssimulation. Dazu wird zuerst eine umfassende State-of-the-Art-Analyse konventioneller Methoden zur Organismengenerierung durchgeführt. Im Laufe dieser Analyse werden die Defizite herkömmlicher Verfahren aufgezeigt und damit eine gezielte Anforderungsanalyse für neue Verfahren erstellt. Mit Hilfe dieser Anforderungsanalyse wurde nach neuen Lösungsansätzen gesucht. Besonders hilfreich hat sich in diesem Zusammenhang die Frankfurter Organismus- und Evolutionstheorie erwiesen. Gemäß dieser Theorie stellen Organismen aus biomechanischer Sicht komplexe hydropneumatische Konstruktionen dar. Ihre Körperformen und Bewegungen werden weitgehend durch stabilisierende, kräfteerzeugende und kräfteübertragende Strukturen generiert, die den Gesetzen der klassischen Hydropneumatik folgen. So entstand die Idee, Organismen auf der anatomischen Ebene als eine komplexe Hierarchie unterschiedlicher hydropneumatischer Einheiten anzusehen, welche mechanisch miteinander interagieren. Diese Sichtweise liefert die Grundlage für ein neues biologisches Simulationsmodell. Es erlaubt der Computergraphik, sowohl die Form eines Organismus zu beschreiben als auch sein Verhalten bezüglich seiner Bewegungsabläufe, seiner evolutionären Formveränderungen, seiner Wachstumsprozesse und seiner Reaktion auf externe mechanische Krafteinwirkungen numerisch zu simulieren. Aufbauend auf diesem biologischen Simulationsmodell wurde ein neues Verfahren (Quaoaring) entwickelt und implementiert, das es erlaubt, beliebige organische Einheiten interaktiv in Echtzeit zu modellieren. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren die Animation von Bewegungen, Wachstumsprozessen und sogar evolutionären Entwicklungen. Die Animation verhält sich dabei im Wesentlichen biologisch stringent, z.B. wird das interne Volumen während komplexer Bewegungsabläufe konstant gehalten. Die größte Stärke der neuen Modellierungs- und Animationstechnik ist die holistische Verschmelzung des biologischen Simulationsmodells mit einem computergraphischen Geometriemodell. Dieses erlaubt dem Modellierer, biologische Konzepte für die Beschreibung der Form und anderer Attribute einer organischen Einheit zu verwenden. Darüber hinaus ermöglicht es die Animation des geometrischen Modells durch einfache Parameterspezifikation auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu wird ein utorenprozess beschrieben, wie Quaoaring für Modellierungs- und Animationszwecke verwendet werden kann. Es werden Aspekte der prototypischen Implementierung der Quaoaringtechnologie behandelt und über die Ergebnisse berichtet, die bei der Implementierung und der Anwendung dieses Softwareframeworks gewonnen wurden. Schließlich wird die Quaoaringtechnologie in ihrem technologischen Kontext beleuchtet, um ihr Zukunftspotential einzuschätzen.
We present a biologically-inspired system for real-time, feed-forward object recognition in cluttered scenes. Our system utilizes a vocabulary of very sparse features that are shared between and within different object models. To detect objects in a novel scene, these features are located in the image, and each detected feature votes for all objects that are consistent with its presence. Due to the sharing of features between object models our approach is more scalable to large object databases than traditional methods. To demonstrate the utility of this approach, we train our system to recognize any of 50 objects in everyday cluttered scenes with substantial occlusion. Without further optimization we also demonstrate near-perfect recognition on a standard 3-D recognition problem. Our system has an interpretation as a sparsely connected feed-forward neural network, making it a viable model for fast, feed-forward object recognition in the primate visual system.
We present a higher-order call-by-need lambda calculus enriched with constructors, case-expressions, recursive letrec-expressions, a seq-operator for sequential evaluation and a non-deterministic operator amb, which is locally bottom-avoiding. We use a small-step operational semantics in form of a normal order reduction. As equational theory we use contextual equivalence, i.e. terms are equal if plugged into an arbitrary program context their termination behaviour is the same. We use a combination of may- as well as must-convergence, which is appropriate for non-deterministic computations. We evolve different proof tools for proving correctness of program transformations. We provide a context lemma for may- as well as must- convergence which restricts the number of contexts that need to be examined for proving contextual equivalence. In combination with so-called complete sets of commuting and forking diagrams we show that all the deterministic reduction rules and also some additional transformations keep contextual equivalence. In contrast to other approaches our syntax as well as semantics does not make use of a heap for sharing expressions. Instead we represent these expressions explicitely via letrec-bindings.
Static analysis of different non-strict functional programming languages makes use of set constants like Top, Inf, and Bot denoting all expressions, all lists without a last Nil as tail, 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. This paper proves decidability, in particular EXPTIMEcompleteness, of subset relationship of co-inductively defined sets by using algorithms and results from tree automata. This shows decidability of the test for set inclusion, which is required by certain strictness analysis algorithms in lazy functional programming languages.
Extending the method of Howe, we establish a large class of untyped higher-order calculi, in particular such with call-by-need evaluation, where similarity, also called applicative simulation, can be used as a proof tool for showing contextual preorder. The paper also demonstrates that Mann’s approach using an intermediate “approximation” calculus scales up well from a basic call-by-need non-deterministic lambdacalculus to more expressive lambda calculi. I.e., it is demonstrated, that after transferring the contextual preorder of a non-deterministic call-byneed lambda calculus to its corresponding approximation calculus, it is possible to apply Howe’s method to show that similarity is a precongruence. The transfer is not treated in this paper. The paper also proposes an optimization of the similarity-test by cutting off redundant computations. Our results also applies to deterministic or non-deterministic call-by-value lambda-calculi, and improves upon previous work insofar as it is proved that only closed values are required as arguments for similaritytesting instead of all closed expressions.
Die Implementation der Striktheits-Analyse, die im Zuge dieser Arbeit vorgenommen wurde, stellt eine effiziente Approximation der abstrakten Reduktion mit Pfadanalyse dar. Durch die G#-Maschine, ein neues, auf der G-Maschine basierendes Maschinenmodell, wurde die verwendete Methode systematisch dargelegt. Die große Ähnlichkeit mit der G-Maschin, die in unserer Implementation beibehalten werden konnte, zeigt, wie natürlich die verwendete Methode der Reduktion in funktionalen Programmiersprachen entspricht. Obwohl die Umsetzung mehr Wert auf Nachvollziehbarkeit, als auf Effizienz legt, zeigt sie, daß die Methode der abstrakten Reduktion mit Pfadanalyse auch in einer funktionalen Implementierung durchaus alltagstauglich ist und Striktheits-Information findet, die Umsetzungen anderer Methoden nicht finden. Es bestehen Möglichkeiten zur Optimierung u. a. von Programmteilen, die für jede simulierte G#-Maschinen-Anweisung ausgeführt werden. Bei vorsichtiger Einschätzung erscheint eine Halbierung der Laufzeit mit vertretbarem Aufwand erreichbar.
Gegenstand der Arbeit ist ein Gleichheitskalkül für den Kern einer nicht-strikten funktionalen Programmiersprache. Funktionale Programmiersprachen unterstützen bestens die Prinzipien Abstraktion, Einkapselung, Hierarchiesierung und Modularisierung, die gemeinhin als Grundelemente des Software-Engineering betrachtet werden. Darüber hinaus bieten funktionale Programmiersprachen aufgrund ihrer Entwicklung aus dem Lambda-Kalkül eine große Nähe zu mathematischen Modellen. Daher besitzen sie im Bereich der Programmverifikation ausgeprägte Vorteile gegenüber imperativen oder objekt-orientierten Programmiersprachen. In der Arbeit wird nun ein Gleichheitsbegriff für Ausdrücke in funktionalen Programmiersprachen entwickelt und dessen Praktikabilität durch die Implementierung eines Beweisers untermauert. Dieser Gleichheitsbegriff ist die kontextuelle Gleichheit, die Ausdrücke aufgrund ihres Terminierungsverhaltens als Unterprogramme in allen möglichen Kontexten einordnet. Kontextuelle Gleichheit wird in Kapitel 2 vorgestellt, nachdem der klassische und der sogenannte "lazy" Lambda-Kalkül eingeführt wurden. Kapitel 3 enthält einen Überblick über die funktionale Programmierung, da auch die Implementierung des o.g. Beweisers in einer funktionalen Programmiersprache, nämlich Haskell, durchgeführt wird. In Kapitel 4 wird die funktionale Kernsprache, die Gegenstand der Untersuchung sein wird, beschrieben. Sie enthält alle wesentlichen Elemente wie z.B. Funktionsdefinition und -anwendung sowie Datentypen. Im selben Kapitel wird auch der Gleichheitsbegriff für diese Kernsprache definiert. Kapitel 5 schließlich entwickelt auf Basis der zuvor erfolgten Definitionen einen Kalkül für den Gleichheitsbeweis. Außerdem wird in diesem Kapitel auch die Umsetzung dieses Gleichheitskalküls präsentiert. Aus der Dissertation von Marko Schütz werden hierbei Erkenntnisse über die Kontextanalyse verwendet, um erfüllende Belegungen von freien Variablen zu berechnen. Die Arbeit schließt mit Beispielanalysen und Meßwerten sowie einer Diskussion der Ergebnisse und möglicher Erweiterungen.
Die moderne Biochemie ist eine Wissenschaft, die sich im Wandel befindet. Während die bisherige Forschung sehr stark experimentell geprägt ist, existiert eine theoretische Biologie, analog zur theoretischen Chemie, nur in Ansätzen. Trotzdem wandelt sich auch diese Wissenschaft hin zu einer stärkeren Einbindung theoretischer Ansätze. Der Grund hierfür liegt in der Betrachtung von zunehmend komplexeren Systemen. So beschäftigt man sich in der Systembiologie, einem Teilbereich der Biochemie, unter anderem mit der Aufklärung komplexer Reaktionsnetzwerke. Während Ausschnitte dieser Netzwerke weiterhin experimentell aufgeklärt und verstanden werden, lässt sich das zusammenhängende Bild zunehmend nur noch durch eine theoretisch geprägte Modellbildung fassen. Darüber hinaus zeigen neuere Forschungsergebnisse die Bedeutung der Tatsache, dass Moleküle, Zellen und Zellhaufen, also wichtige Forschungsubjekte der Biochmie, dreidimensionale Gebilde sind – eine Tatsache, die bei der Modellbildung berücksichtigt werden muss. Eine Antwort auf die genannten Herausforderungen ist der konzertierte Einsatz von Simulation und Visualisierung als Mittel des Erkenntnisgewinns. Damit ist die Informatik gefordert entsprechende dedizierte Werkzeuge zu entwickeln, die Simulation, Visualisierung und Interaktion im Kontext des von der Anwendungsdisziplin gesetzten räumlich-zeitlichen Problemkreises miteinander verbinden. In dieser Arbeit wird ein integriertes Konzept zu Simulation, Interaktivität und Visualisierung vorgelegt, das auf einer Anforderungsanalyse in Bezug auf Anforderungen an die Simulation und Anforderungen an die Interaktivität und Visualisierung basiert. Zur Lösung der aufgeworfenen Probleme wird ein „Baukastensystem“ auf Basis von Multi-Agenten-Systemen vorgeschlagen. Die Auswahl des geeigneten Simulationsverfahrens, z. B. die Auswahl eines stochastischen Verfahrens gegenüber einem deterministischen Verfahrens, wird so zur Auswahl eines Bausteins, wobei gezeigt wird, wie z. B. mit Hilfe von Regeln die Auswahl auch automatisiert werden kann. Ebenso wird gezeigt, wie man „Baussteine“ auch im räumlichen Sinne verstehen kann, als Dinge, die in einem dreidimensionalen Kontext einen bestimmten Raum einnehmen und die, in ihrer Gesamtheit betrachtet, den Beobachtungsraum der Simulation ausfüllen. Diese Bausteine finden sich entsprechend ebenfalls im Kontext der Interaktion wieder. Ein wichtiger Aspekt in diesem Baukastenkonzept ist die Frage der Kommunikationsstruktur und des Kommunikationsprotokolls, für den ein Vorschlag erarbeitet wird. Das entwickelte Gesamtkonzept besteht aus zwei Teilen: Einem Konzept für Ein- und Ausgabegeräte mit einer gemeinsamen Metapher, die die Geräte logisch in den Anwendungskontext einbettet und einem Simulations- und Visualisierungskonzept auf der Basis der Kopplung heterogener intelligenter Agenten in eine gemeinsame Simulationsumgebung. Hierfür wurde ein spezieller Dialekt einer Agentenkommunikationssprache entwickelt, der dabei insbesondere den Aspekt der dreidimensionalen Visualierung einer solchen Simulation berücksichtigt.
In Abschnitt 4.1 wurden Algebren auf Mengen und Relationen vorgestellt. Desweitern wurde in Abschnitt 4.2 eine zu ALC erweiterte terminologische Wissensrepräsentationssprache ALCX definiert und gezeigt, daß die in Abschnitt 4.1 vorgestellten Algebren zur Festlegung der odell-theoretischen Semantik der Sprache ALCX benutzt werden können. Als Ergebnis einer derartigen Festlegung kann jeder terminologische Ausdruck direkt mit einem algebraischen Term assoziiert werden. Desweitern können alle in den Algebren aufgeführten universellen Identitäten in semantisch äquivalente terminologische Identitäten überführt werden. Eine mittels ALCX repräsentierte Wissensbasis ist in meinem Programm mit Hilfe der in der funktionalen Programmiersprache Gofer (Version 2.28) gegebenen Möglichkeiten formuliert. Mein Programm bietet durch Simplifizierung von Anfrageausdrücken eine optimierte Lösung des aus dem Bereich der Wissensrepräsentation bekannten Retrieval-Problems. Die Simplifizierung von Anfrageausdrücken wird in meinem Programm erzielt, indem in den oben genannten Algebren erfüllte universelle Identitäten als Simplifikationshilfsmittel benutzt werden. Die in den Algebren aufgeführten universellen Identitäten bestehen stets aus zwei äquivalenten Termen, für die eine unterschiedliche Anzahl von Reduktionsschritten zur Evaluierung benötigt werden. Es existieren universelle Identitäten, bei denen unabhängig von den Instanzen der Argumentterme ein Term gegenüber einem anderen Term effizienter auswertbar ist. Bei diesen universellen Identitäten kann eine Simplifikation von einem Term zu einem anderen Term immer unproblematisch realisiert werden. Es gibt jedoch auch universelle Identitäten, bei denen die Unabhängigkeit von den Instanzen der Argumentterme nicht gegeben ist. In diesen Fällen wird ein von der Wissensbasis abhängiges Komplexitätsabschätzungsverfahren eingesetzt, um den effizienter auswertbaren Term von zwei an einer universellen Identität beteiligten Termen zu ermitteln. Daß die Simplifikation eines Anfrageausdrucks große Einsparungen bei dessen Auswertung nach sich ziehen kann, wurde an verschiedenen Beispielen in Abschnitt 5.4.4 gezeigt. Über eine weitere Möglichkeit, die zum Simplifizieren von Anfrageausdrucken verwendet werden kann, wurde in Abschnitt 5.4.5 berichtet. Die Genauigkeit der Komplexitätsabschätzung kann erhöht werden, indem das Komplexitätsabschätzungsverfahren erweitert wird. So kann beispielsweise die Komplexität der Funktion "oder" genauer abgeschätzt werden, indem für zu vereinigende Mengen überprüft wird, ob Teilmengenbeziehungen vorhanden sind. Durch eine genauere Abschätzung der Mächtigkeit entstehender Vereinigungsmengen wird die Komplexitätsabschätzung insgesamt in ihrer Genauigkeit gesteigert. Eine Änderung der Instanzen meiner terminologischen Datenbank erfordert eine Änderung des Skripts meines Programms. Indem die Instanzen-Daten in einer veränderlichen Datenbank festgehalten würden, könnte hier Abhilfe geschaffen werden. Dies könnte im Rahmen der Erstellung einer benutzterfreundlichen Ein- und Ausgabe-Schnittstelle realisiert werden.
In this dissertation a non-deterministic lambda-calculus with call-by-need evaluation is treated. Call-by-need means that subexpressions are evaluated at most once and only if their value must be known to compute the overall result. Also called "sharing", this technique is inevitable for an efficient implementation. In the lambda-ND calculus of chapter 3 sharing is represented explicitely by a let-construct. Above, the calculus has function application, lambda abstractions, sequential evaluation and pick for non-deterministic choice. Non-deterministic lambda calculi play a major role as a theoretical foundation for concurrent processes or side-effected input/output. In this work, non-determinism additionally makes visible when sharing is broken. Based on the bisimulation method this work develops a notion of equality which respects sharing. Using bisimulation to establish contextual equivalence requires substitutivity within contexts, i.e., the ability to "replace equals by equals" within every program or term. This property is called congruence or precongruence if it applies to a preorder. The open similarity of chapter 4 represents a new concept, insofar that the usual definition of a bisimulation is impossible in the lambda-ND calculus. So in section 3.2 a further calculus lambda-Approx has to be defined. Section 3.3 contains the proof of the so-called Approximation Theorem which states that the evaluation in lambda-ND and lambda-Approx agrees. The foundation for the non-trivial precongruence proof is set out in chapter 2 where the trailblazing method of Howe is extended to be capable with sharing. By the use of this (extended) method, the Precongruence Theorem proves open similarity to be a precongruence, involving the so-called precongruence candidate relation. Joining with the Approximation Theorem we obtain the Main Theorem which says that open similarity of the lambda-Approx calculus is contained within the contextual preorder of the lambda-ND calculus. However, this inclusion is strict, a property whose non-trivial proof involves the notion of syntactic continuity. Finally, chapter 6 discusses possible extensions of the base calculus such as recursive bindings or case and constructors. As a fundamental study the calculus lambda-ND provides neither of these concepts, since it was intentionally designed to keep the proofs as simple as possible. Section 6.1 illustrates that the addition case and constructors could be accomplished without big hurdles. However, recursive bindings cannot be represented simply by a fixed point combinator like Y, thus further investigations are necessary.
Ziel dieser Arbeit war es, ein System zu entwickeln, mit dem Sätze von Reduktionsdiagrammen auf ihre Vollständigkeit überprüft werden können. Das System sollte in der puren, funktionalen Programmiersprache Haskell realisiert werden und speziell auf einen nichtdeterministischen Kalkül mit Konstruktoren, einem case-Konstrukt und einem rekursiven let- Ausdruck (letrec) ausgerichtet sein. Dazu wurde in Kapitel 2 der lambda-Kalkül und funktionale Programmiersprachen eingeführt, um die Entwicklung der Kalküle lambda-nd und lambda-nd,rec zu motivieren. Die Basis-Kalküle lambda-nd und lamda-nd,rec wurden in Kapitel 3 bezüglich ihrer Sprachdefinition und Reduktionsregeln vorgestellt. Die Implementierung der beiden Kalküle und der Parser für die verwendete Kernsprache wurden ebenso angegeben wie die Mechanismen zur Markierung und Reduktion der Terme. Die Unterscheidung eines reduzierbaren Terms in NO- und internen Redex, sowie deren Erkennung wurde in diesem Kapitel besonders herausgestellt, da sie die Grundlage für die zu validierenden Reduktionsdiagramme darstellt. Damit ist der Grundstock für diese Arbeit gelegt worden. In Kapitel 4 haben wir kurz Methoden vorgestellt, die lamda-Kalkülen und deren Derivate eine Bedeutung zuzumessen versuchen, um Programme oder Terme miteinander vergleichen zu können. Also nicht nur ihre Termstruktur, sondern ihr Verhalten zu vergleichen. Dabei ist festgestellt worden, daß für nichtdeterministische Kalküle nur eine Methode verfügbar ist, und zwar die der kontextuellen Äquivalenz. Da wir gängige Programmtransformationen dahingehend überprüfen wollten, ob sie der kontextuellen Äquivalenz genügen, also nicht die Auswertung oder das Ergebnis derselben verändern, haben wir ein Kontext-Lemma vorgestellt. Mit Hilfe des Kontext-Lemmas ist es uns möglich gewesen, die Gültigkeit von Beweisen in Reduktionskontexten auf beliebige Kontexte auszudehnen. Für die eigentlichen Beweise werden Reduktionsdiagramme benötigt, die Reduktionsfolgen in verschiedener Weise umstellen. Wir haben die Reduktionsdiagramme ebenfalls in Kapitel 4 definiert. Die Reduktionsdiagramme müssen an jeder Stelle einer Reduktionsfolge anwendbar sein, da sonst die Äquivalenz-Beweise nicht möglich sind. D. h. es müßte bewiesen werden, daß mindestens ein Reduktionsdiagramm einer definierten Menge von Reduktionsdiagrammen für jeden Term und jede seiner Reduktionsfolgen anwendbar ist. Der naive Weg wäre, alle Terme und seine Reduktionsfolgen dahingehend zu überprüfen. Da dies jedoch nicht möglich ist, haben wir uns dazu entschlossen so viele Terme wie möglich zu untersuchen, nicht um die Vollständigkeit der Diagramme zu beweisen, sondern um zu zeigen, daß auf viele verschiedenartige Terme Reduktionsdiagramme erfolgreich angewendet werden können. Die Generierung der Terme haben wir in Kapitel 5 ausführlich dargestellt. In Kapitel 6 haben wir die Sprache zur Darstellung von Reduktionsdiagrammen und die Implementierung der Diagramm-Validierung beschrieben. Weiterhin haben wir ein Verfahren vorgestellt, mit dem wir fehlende Diagramme für Terme suchen und meist auch finden können. Das gesamte System haben wir so aufgebaut, daß eine große Menge an Termen generiert wird, für die Diagramme anwendbar sein müssen. Wenn keines der Diagramme auf einen Term anwendbar ist, also nicht validiert werden kann, dann wird ein passendes Diagramm gesucht. Mit Hilfe des entwickelten Systems Jonah sind in Kapitel 7 verschiedene Programmtransformationen dahingehend überprüft worden, ob die angegebenen Reduktionsdiagramme für große Mengen von Termen gültig sind. Dabei ist als Ergebnis herausgekommen, daß ein vollständiger Satz an Reduktionsdiagrammen für die (cp)-Reduktion nur sehr schwer zu finden ist. Selbst neu hinzugefügte Transformationen, die dabei helfen sollten, die Schwierigkeiten zu umgehen, konnten nicht verwendet werden, da es uns ebenfalls nicht möglich gewesen ist, für sie vollständige Diagrammsätze zu finden. Daraufhin haben wir den Basis-Kalkül zweimal erweitert, um die Schwierigkeiten der (cp)-Diagramme in den Griff zu bekommen. Aber auch diese Ansätze haben kein zufriedenstellendes Ergebnis geliefert. Als positives Ergebnis dieser Arbeit kann aber festgestellt werden, daß das System Jonah bei der Entwicklung nichtdeterministischer Kalküle auf Basis von lambda-Kalkülen eine sehr gute Hilfestellung sein kann, auch wenn es nicht zum vollständigen Beweis der Gültigkeit von Reduktionsdiagrammen dienen kann.
In dieser Diplomarbeit wurde zunächst eine Einführung in das Gebiet der Unifikationstheorie gegeben, um dann zum Teilgebiet des Kontextmatchings zu kommen. Dieses wurde in das Gesamtgebiet der Unifikation eingeordnet. In Anlehnung an [Schm2003] wurde die Komplexität einiger Einschränkungen des Kontextmatchings betrachtet. Insbesondere wurde ein Algorithmus zur Lösung linearer Kontextmatchingprobleme in polynomieller Zeit vorgestellt. Es folgte die Einführung des Transformationsalgorithmus aus [Schm2003] zur Lösung allgemeiner Kontextmatchingprobleme, wobei nach und nach verbesserte Transformationsregeln für einzelne spezielle Problemsituationen vorgestellt wurden. Über [Schm2003] hinausgehend wurden die Regeln Split: Korrespondierende Lochpfade und Konstantenelimination vorgestellt. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden die genannten Algorithmen in der funktionalen Programmiersprache Haskell implementiert, wobei auf eine einfache Erweiterbarkeit um neue Transformationsregeln sowie alternative Heuristiken zur Auswahl der in einem Schritt anzuwendenden Transformationsregel geachtet wurde. Die Implementierung (und damit auch die in ihr implementierten Algorithmen) wurde mit Hilfe von zufällig erzeugten Termen auf ihre Leistungsfähigkeit getestet. Hauptaugenmerk lag dabei darauf, inwiefern sich Regeln, die über die Basisregeln aus Tabelle 3.4.1 hinausgehen, positiv auf die Anzahl der Transformationsschritte auswirken. Das Ergebnis ist beeindruckend: durch die Einführung komplexerer Transformationsregeln ließen sich in unseren Testfällen bis zu 87% der Transformationsschritte einsparen, im Durchschnitt immerhin noch 83%. Speziell komplexere Kontextmatchingprobleme mit einer größeren Anzahl an Kontextvariablen profitieren hiervon. Insbesondere die Erkennung korrespondierender Positionen in Verbindung mit der Regel Split führte zu erheblichen Verbesserungen. Die implementierten Algorithmen zur Erkennung korrespondierender Positionen stellen teilweise nur ein notwendiges Kriterium für die Existenz korrespondierender Löcher dar. Dies kann zu fehlerhaften Erkennungen solcher Positionen führen. Wie sich in unseren Tests zeigte, scheint das jedoch kein gravierendes Problem zu sein, da die entsprechenden Split- Transformationen ohnehin äußerst sparsam eingesetzt werden.
Wir haben ein Softwaresystem entwickelt, das in der Lage ist, Beschreibungen von Termersetzungssystemen höherer Ordnung, deren Reduktionsregeln auf einer strukturellen operationalen Semantik basieren, einzulesen und zu interpretieren. Das System ist dabei fähig, Reduktionskontexte für die Redexsuche zu benutzen, die entweder vom Benutzer definiert werden können oder automatisch anhand der strikten Positionen berechnet werden. Außerdem dürfen Kontexte und spezielle Definitionen für Term-Mengen, die wir Domains nennen, in den Reduktionsregeln verwendet werden. Mit dem resultierenden Reduktionssystem-Format können wir somit nicht nur den „lazy“ Lambda-Kalkül, den Call-by-Value Lambda-Kalkül und verwandte, um Konstruktoren und Fallunterscheidungen erweiterte Kalküle, wie die in Kapitel 4 vorgestellten Kernsprachen KFP und PCF, darstellen, sondern auch den (in Abschnitt 4.3 vorgestellten) Call-by-Need Lambda-Kalkül, welcher sich durch die Verwendung von Kontexten innerhalb der Regeln deutlich von den anderen Kalkülen abhebt. Allerdings hält sich der Call-by-Need Lambda-Kalkül damit nicht an das in Kapitel 5 vorgestellte GDSOS-Format, das u.a. sicherstellt, dass Bisimulation eine Kongruenz ist. Wir haben dabei in Abschnitt 5.3.3 bewiesen, dass sich ein GDSOS-Reduktionssystem in ein äquivalentes strukturiertes Auswertungssystem nach Howe übersetzen lässt. Unser System ist in der Lage, die GDSOS-Bedingungen zu prüfen und gibt eine Warnung aus, falls eine der nötigen Bedingungen nicht erfüllt ist (wobei aus dieser auch gleich der Grund des Verstoßes hervorgeht). Wie wir gesehen haben, ist unser System nicht nur befähigt, die einzelnen Reduktionsschritte für kleinere Bespiele ordnungsgemäß auszuführen, sondern es ist durchaus in der Lage, auch aufwendigere KFP-Ausdrücke, wie in unserem Quicksort- Beispiel, auszuwerten.
A new approach to optimize multilevel logic circuits is introduced. Given a multilevel circuit, the synthesis method optimizes its area while simultaneously enhancing its random pattern testability. The method is based on structural transformations at the gate level. New transformations involving EX-OR gates as well as Reed–Muller expansions have been introduced in the synthesis of multilevel circuits. This method is augmented with transformations that specifically enhance random-pattern testability while reducing the area. Testability enhancement is an integral part of our synthesis methodology. Experimental results show that the proposed methodology not only can achieve lower area than other similar tools, but that it achieves better testability compared to available testability enhancement tools such as tstfx. Specifically for ISCAS-85 benchmark circuits, it was observed that EX-OR gate-based transformations successfully contributed toward generating smaller circuits compared to other state-of-the-art logic optimization tools.
Retiming is a widely investigated technique for performance optimization. It performs powerful modifications on a circuit netlist. However, often it is not clear, whether the predicted performance improvement will still be valid after placement has been performed. This paper presents a new retiming algorithm using a highly accurate timing model taking into account the effect of retiming on capacitive loads of single wires as well as fanout systems. We propose the integration of retiming into a timing-driven standard cell placement environment based on simulated annealing. Retiming is used as an optimization technique throughout the whole placement process. The experimental results show the benefit of the proposed approach. In comparison with the conventional design flow based on standard FEAS our approach achieved an improvement in cycle time of up to 34% and 17% on the average.
Retiming is a widely investigated technique for performance optimization. In general, it performs extensive modifications on a circuit netlist, leaving it unclear, whether the achieved performance improvement will still be valid after placement has been performed. This paper presents an approach for integrating retiming into a timing-driven placement environment. The experimental results show the benefit of the proposed approach on circuit performance in comparison with design flows using retiming only as a pre- or postplacement optimization method.
Channel routing is an NP-complete problem. Therefore, it is likely that there is no efficient algorithm solving this problem exactly.In this paper, we show that channel routing is a fixed-parameter tractable problem and that we can find a solution in linear time for a fixed channel width.We implemented our approach for the restricted layer model. The algorithm finds an optimal route for channels with up to 13 tracks within minutes or up to 11 tracks within seconds.Such narrow channels occur for example as a leaf problem of hierarchical routers or within standard cell generators.
We present a theoretical analysis of structural FSM traversal, which is the basis for the sequential equivalence checking algorithm Record & Play presented earlier. We compare the convergence behaviour of exact and approximative structural FSM traversal with that of standard BDD-based FSM traversal. We show that for most circuits encountered in practice exact structural FSM traversal reaches the fixed point as fast as symbolic FSM traversal, while approximation can significantly reduce in the number of iterations needed. Our experiments confirm these results.
We present the FPGA implementation of an algorithm [4] that computes implications between signal values in a boolean network. The research was performed as a masterrsquos thesis [5] at the University of Frankfurt. The recursive algorithm is rather complex for a hardware realization and therefore the FPGA implementation is an interesting example for the potential of reconfigurable computing beyond systolic algorithms. A circuit generator was written that transforms a boolean network into a network of small processing elements and a global control logic which together implement the algorithm. The resulting circuit performs the computation two orders of magnitudes faster than a software implementation run by a conventional workstation.