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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.