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Visualisierungssysteme nutzen die Mittel der modernen Computergraphik, um Informationen und Zusammenhänge zu veranschaulichen. Ein wichtiges Teilgebiet besteht dabei in der Veranschaulichung großer Informationsmengen zur Gewinnung eines Überblicks und Vorauswahl potentiell interessanter Teilmengen, die dann mit weiterführenden Methoden im Detail erforscht werden können. Das Relevanzkugelmodell wurde erstmals eingeführt, um als Bestandteil des LyberWorld-Projekts genau diese Vorselektion auf einer Menge von Textdokumenten zu leisten. Ziel dieser Arbeit ist es, dieses Modell in eine neue Form auf Basis des World Wide Web zu überführen und damit aus der engen Anbindung an das ursprüngliche System zu lösen und allgemeiner verwendbar zu machen. Zu diesem Zweck werden zunächst das Modell an sich und seine früheren Implementierungen genauer betrachtet, dann nach Auswahl geeigneter Hilfsmittel – VRML zur graphischen Modellierung und Java zur Handhabung der Funktionalität – Konzepte zur weiteren Ausgestaltung und zur Behebung existierender Schwächen des Ansatzes erarbeitet, und schließlich die resultierende Implementierung beschrieben und bewertet.
We study the approximability of the following NP-complete (in their feasibility recognition forms) number theoretic optimization problems: 1. Given n numbers a1 ; : : : ; an 2 Z, find a minimum gcd set for a1 ; : : : ; an , i.e., a subset S fa1 ; : : : ; ang with minimum cardinality satisfying gcd(S) = gcd(a1 ; : : : ; an ). 2. Given n numbers a1 ; : : : ; an 2 Z, find a 1-minimum gcd multiplier for a1 ; : : : ; an , i.e., a vector x 2 Z n with minimum max 1in jx i j satisfying P n...
Configuration, simulation and visualization of simple biochemical reaction-diffusion systems in 3D
(2004)
Background In biological systems, molecules of different species diffuse within the reaction compartments and interact with each other, ultimately giving rise to such complex structures like living cells. In order to investigate the formation of subcellular structures and patterns (e.g. signal transduction) or spatial effects in metabolic processes, it would be helpful to use simulations of such reaction-diffusion systems. Pattern formation has been extensively studied in two dimensions. However, the extension to three-dimensional reaction-diffusion systems poses some challenges to the visualization of the processes being simulated. Scope of the Thesis The aim of this thesis is the specification and development of algorithms and methods for the three-dimensional configuration, simulation and visualization of biochemical reaction-diffusion systems consisting of a small number of molecules and reactions. After an initial review of existing literature about 2D/3D reaction-diffusion systems, a 3D simulation algorithm (PDE solver), based on an existing 2D-simulation algorithm for reaction-diffusion systems written by Prof. Herbert Sauro, has to be developed. In a succeeding step, this algorithm has to be optimized for high performance. A prototypic 3D configuration tool for the initial state of the system has to be developed. This basic tool should enable the user to define and store the location of molecules, membranes and channels within the reaction space of user-defined size. A suitable data structure has to be defined for the representation of the reaction space. The main focus of this thesis is the specification and prototypic implementation of a suitable reaction space visualization component for the display of the simulation results. In particular, the possibility of 3D visualization during course of the simulation has to be investigated. During the development phase, the quality and usability of the visualizations has to be evaluated in user tests. The simulation, configuration and visualization prototypes should be compliant with the Systems Biology Workbench to ensure compatibility with software from other authors. The thesis is carried out in close cooperation with Prof. Herbert Sauro at the Keck Graduate Institute, Claremont, CA, USA. Due to this international cooperation the thesis will be written in English.
Die Leistungsfähigkeit moderner Grafikhardware erreicht ein Niveau, auf dem sich selbst aufwändig gestaltete 3D-Szenen in kürzester Zeit berechnen lassen. Die Möglichkeiten, die diese Systeme zur Navigation und Interaktion im dreidimensionalen Raum bieten, erscheinen vielen Anwendern jedoch nicht intuitiv genug. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Navigations- und Interaktionstechniken für räumliche Anwendungen zu entwerfen und anhand einer prototypischen Implementierung die Eignung dieser Techniken für die Interaktion mit einem virtuellen Modell des Rubik’s Cube zu untersuchen. Da die entwickelten Verfahren ihre Tauglichkeit insbesondere bei der Interaktion über klassische Ein- und Ausgabegeräte unter Beweis stellen sollten (Maus, Tastatur und 2D-Display), waren geeignete Abbildungen der zu beherrschenden Freiheitsgrade zu konzipieren. Die Beschreibung grundlegender Aspekte der menschlichen Wahrnehmung führte zum Konzept der 3D-Metapher, welche die Durchführung einer dreidimensionalen Operation mit Hilfe von 2D-Eingabegeräten erklärt. Einzelne Interaktionsaufgaben des 3D-Raums wurden dargestellt und Beispiele von metaphorischen Konzepten für ihre Implementierung gegeben. Nach der Darstellung der am Rubik’s Cube auftretenden Interaktionsformen wurden metaphorische Konzepte für die Operationen Inspektion und Rotation entworfen und ihre besonderen Eigenschaften beschrieben; hierbei wurde zudem auf spezielle Verfahren eingegangen, die bei der Implementierung dieser Metaphern eingesetzt wurden. Im Rahmen einer Benutzerstudie wurde die Bedienung der konzipierten Interaktionsmetaphern im praktischen Einsatz getestet. Hierbei wurden insbesondere die Kriterien Intuitivität, Effizienz und Erlernbarkeit untersucht sowie die zeitliche Performance und Fehlerhäufigkeiten beim Einsatz der unterschiedlichen Werkzeuge analysiert. Die vorliegende Arbeit bietet eine Reihe von Ansätzen für künftige Erweiterungen, wie zum Beispiel die Weiterentwicklung zu einer Autorenumgebung für interaktive Anwendungen oder die Integration eines Kommunikationskanals zwischen den einzelnen Interaktionsmetaphern, um auf diese Weise auch komplexe Verhaltensmuster implementieren zu können.
Grafik-Hardware ist programmierbar geworden. Graphic Processing Units (GPUs) der neuen Generation wie der GeForce3 von NVIDIA enthalten Prozessoren, die es dem Software-Entwickler erlauben kurze Routinen auf der Grafik-Hardware auszuführen. Ich gebe in dieser Arbeit einen umfassenden Überblick über die Architekur und Leistungsfähigkeit dieser neuen Chipgeneration, zeige deren Stärken und Schwächen auf und diskutiere Verbesserungsvorschläge. Als Teil der Arbeit präsentiere ich einige von mir entwickelte Schattierungsverfahren, sowie eine Wassersimulation. Diese Demonstratoren sind darauf ausgerichtet vollständig auf den Prozessoren der neuen Grafikchip- Generation zu laufen. Als Antwort auf die Mängel der zur Zeit verfügbaren Application Programming Interfaces stelle ich ein alternatives Interface zur Steuerung der neuen GPUKomponenten vor, das insbesondere die Austauschbarkeit und Kombinierbarkeit von GPU-Programmen unterstützt.
Immer mehr Hersteller bringen kleine mobile Endgeräte (PDAs1) auf den Markt, die via WLAN2 (IEEE 802.11), Bluetooth oder UMTS3 drahtlos Kontakt mit der Außenwelt aufnehmen können. Dabei werden neben zunehmend höheren Übertragungsraten auch große Fortschritte in der Miniaturisierung erzielt. Viele PDAs besitzen bereits eingebaute Funknetzwerk-Karten, bei vielen läßt sich eine solche Karte einfach zusätzlich in das Gerät einstecken. Durch die steigende Rechenleistung der Geräte und die gleichzeitig steigenden Übertragungsraten der Funkverbindungen entstehen diverse neue Anwendungsmöglichkeiten, die allerdings noch wenig ausgenutzt werden. Es überwiegen die Standardaufgaben der PDAs, wie die Termin und die Adressenverwaltung. Ein eventuell vorhandener Zugang zu Netzwerken wird meist ebenfalls nur für Standardanwendungen verwendet, wie z.B. die Synchronisation von Daten mit einem Server, der Zugang zum World Wide Web oder zum Versenden von e-Mails. Der herkömmliche Zugang zu Netzwerken ist meist ortsgebunden. Im sogenannten Infrastruktur-Modus ist man auf eine Basisstation (Access-Point) angewiesen. Bewegt man sich in Bereichen, in denen kein solcher Access-Point zur Verfügung steht, kann eine Netzwerkverbindung nicht hergestellt werden. Die Mobilität des Benutzers ist auf die Funkreichweite seines Geräts zu dieser Basisstation beschränkt. Die Bezeichnung „mobil“ trifft also nur auf das Endgerät, nicht auf die Basisstation zu. Genutzt werden üblicherweise die gleichen Dienste wie in einem kabelgebundenem Netz, nämlich Server des Intra-, bzw. Internets. Die eigenständige Vernetzung mobiler Geräte untereinander, der sogenannte Ad-hoc-Modus, eröffnet neuartige Anwendungsgebiete. Ursprünglich dafür gedacht, zwei Stationen schnell und einfach über Funk miteinander zu verbinden, können durch eine Erweiterung beliebig viele Stationen zu einem spontanen und mobilen Netzwerk zusammengefaßt werden (mobiles Ad-hoc Netzwerk, MANET). Eine zentral verwaltete Infrastruktur entfällt dabei vollständig. Die Aufgaben des Routings muß jede einzelne der beteiligten Stationen übernehmen. Auf diese Weise erhöht sich die Funkreichweite aller beteiligten Stationen, da nicht ein zentraler Access-Point, sondern jeder beliebige Teilnehmer in Reichweite den Zugriff auf das Netzwerk ermöglicht. Es muß dabei allerdings davon ausgegangen werden, daß sich die Stationen in einem solchen Netz ständig bewegen, das Netz verlassen oder neu hinzukommen können. Somit verändert sich andauernd die Netzwerktopologie und ein kontinuierliches und selbstständiges Neuorganisieren des Netzes wird notwendig. Man spricht daher von selbstorganisierenden mobilen Netzen. Der Informationsfluß in Ad-hoc Netzen ist üblicherweise ein anderer als in Festnetzen. Es entsteht eine eher interessensbezogene Kommunikation, weniger eine, die auf dem Wissen von bekannten Endpunkten im Netzwerk basiert. In Ad-hoc Netzwerken können Endpunkte und Adressen aufgrund der sich permanent ändernden Nutzerzusammensetzung naturgemäß nicht bekannt sein. Stattdessen gibt jeder Nutzer Informationen über seine Interessen und seine Angebote im Netzwerk bekannt. Findet sich ein zu diesem Interessensprofil passendes Angebot, so kommt eine Verbindung zustande. Die Flexibilität der PDAs, ihre Mobilität und ihre ständig steigende Leistung lassen die Entwicklung von mobilen Ad-hoc-Anwendungen sinnvoll erscheinen. MANET Netzwerke sind in ihrer Auslegung flexibel und schnell, genau so, wie es die modernen PDAs sind. Es eröffnet sich durch durch beides eine große Zahl neuer und innovativer Anwendungsmöglichkeiten. Eine davon, das so genannte E-Learning, soll im Folgenden näher betrachtet werden. E-Learning ist ein Beispiel für eine Anwendung in Ad-hoc Netzen, die besonders geeignet erscheint, die Beweglichkeit ihrer Anwender in vielerlei Hinsicht zu unterstützen. Durch die Eigenschaft, geeignete Kollaborationspartner und Informationen schnell und gezielt im Netzwerk finden zu können, wird ein spontaner Wissensaustausch über die bisher bestehende Grenzen hinaus möglich. Es werden im Rahmen dieser Diplomarbeit Mechanismen behandelt, die dem Anwender die Nutzung von kollaborativen Anwendungen wie dem E-Learning ermöglichen und ihn bei dessen Nutzung unterstützen sollen.
Die Gitterbasenreduktion hat in der algorithmischen Zahlentheorie und der Kryptologie bedeutende und praktisch relevante Anwendungen [Joux und Stern, 1998; Nguyen und Stern, 2000; Nguyen, 2001]. Ein wesentlicher Beitrag auf dem Gebiet der Gitter-Reduktionsalgorithmen ist der LLL-Algorithmus [Lenstra, Lenstra und Lov´asz, 1982] und auch die Beta-Reduktion (BKZ-Reduktion) von Gitterbasen [Schnorr, 1987, 1988, 1994] ist von großer Bedeutung. Bei Implementierungen dieser Algorithmen auf modernen Rechnerarchitekturen erfolgen viele Berechnungen aus Gründen der schnelleren Verarbeitungsgeschwindigkeit in Gleitpunktzahlen-Arithmetik. Aufgrund inhärenter Rundungsfehler kommt es dabei zu numerischen Instabilitäten. Vor [Koy und Schnorr, 2001b] gab es keine erfolgreichen Ansätze die bei der Gitterbasenreduktion auftretenden Rundungsfehler so zu kontrollieren, dass auch Gitterbasen in der Dimension >= 400 reduziert werden können. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit den praktischen Aspekten der Gitterbasenreduktion in Segmenten. Dabei handelt es sich um die erstmalige Implementierung und experimentelle Evaluierung der folgenden beiden Verfahren: ....
In den Anwendungsbereichen der Mixed Reality (MR) werden die reale und die virtuelle Welt kombiniert, so dass ein Eindruck der Koexistenz beider Welten entsteht. Meist wird dabei die reale Umgebung durch virtuelle Objekte angereichert, die dem Anwender zusätzliche Informationen bieten sollen. Um die virtuellen Objekte richtig zu positionieren, muss die reale Umgebung erkannt werden. Diese Erkennung der realen Umgebung wird meist durch Bestimmung und Verfolgung von Orientierung und Positionierung der realen Objekte realisiert, was als Tracking bezeichnet wird und einen der wichtigsten Bestandteile für MR-Anwendung darstellt. Ohne die exakte Ausrichtung von realen und virtuellen Objekten, geht die Illusion verloren, dass die virtuellen Objekte Teil der realen Umgebung sind und mit ihr verschmelzen. Markerkombination Das markerbasierte Tracking ist ein Verfahren, das die Bestimmung der Positionierung von realen Objekten durch zusätzliche Markierungen in der realen Umgebung ermöglicht. Diese Markierungen können besonders gut durch Bildanalyseverfahren extrahiert werden und bieten anhand ihrer speziellen Form Positionierungsinformationen. Der Einsatz dieser Trackingtechnologie ist dabei denkbar einfache und kostengünstig. Ein breiter Anwendungsbereich ist durch den kostengünstigen Einsatz dieser Technologien gegeben, allerdings ist das Erstellen von MR-Anwendungen fast ausschließlich MR-Spezialisten vorbehalten, die über Programmierfertigkeiten und spezielle Kenntnisse aus dem MR-Bereich besitzen. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Umsetzung der Konzepte, die einem Personenkreis, der lediglich über geringe Kenntnisse von MR-Technologien und deren Anwendung verfügt, den kostengünstigen und einfachen Einsatz von markerbasierten Trackingtechnologien ermöglicht. Die im Rahmen der Arbeit durchgeführte Analyse verweist auf die problematischen Anwendungsfälle des markerbasierten Trackings, die durch die Verdeckung von Markern zustande kommen, in der Beschränkung der Markeranzahl begründet sind, oder durch die Schwankung der Trackingangaben entstehen. Diese Problembereiche sind bei der Entwicklung berücksichtigt worden und können mit Hilfe der entwickelten Konzepte vom Autor bewältigt werden. Das Konzept der Markerkategorien ermöglicht dabei den Einsatz von angepassten Filterungstechniken. Die redundante Markerkombination behebt das Verdeckungsproblem und eliminiert Schwankungen durch das Kombinieren von mehreren Trackinginformationen. Die Gütefunktion ermöglicht die Bewertung von Trackinginformationen und wird zur Gewichtung der Trackingangaben innerhalb einer Markerkombination genutzt. Das Konzept der Markertupel ermöglicht eine Wiederverwendung von Markern, durch den Ansatz der Bereichsunterteilung. Die Konzepte sind in der AMIRE-Umgebung vollständig implementiert und getestet worden. Zum Abschluss ist rückblickend eine kritische Betrachtung der Arbeit, in punkto Vorgehensweise und erreichter Ergebnisse durchgeführt worden.
Die Anfänge der Gittertheorie reichen in das letzte Jahrhundert, wobei die wohl bekanntesten Ergebnisse auf Gauß, Hermite und Minkowski zurückgehen. Die Arbeiten sind jedoch zumeist in der Schreibweise der quadratischen Formen verfaßt, erst in den letzten Jahrzehnten hat sich die von uns verwendete Gitterschreibweise durchgesetzt. Diese ist zum einen geometrisch anschaulicher, zum anderen wurden in den letzten Jahren für diese Schreibweise effiziente Algorithmen entwickelt, so daß Probleme der Gittertheorie mittels Computer gelöst werden können. Ein wichtiges Problem ist, in einem Gitter einen kürzesten nicht verschwindenden Vektor zu bestimmen. Den Grundstein für diese algorithmische Entwicklung legten A.K. Lenstra, H.W. Lenstra Jr. und L. Lovasz mit ihrer Arbeit. In dieser führten sie einen Reduktionsbegriff ein, der durch einen Polynomialzeitalgorithmus erreicht werden kann. Ein weiterer Reduktionsbegriff, die Blockreduktion, geht auf Schnorr zurück. Euchner hat im Rahmen seiner Diplomarbeit effiziente Algorithmen für diese beiden Reduktionsbegriffe auf Workstations implementiert und auch in Dimensionen > 100 erfolgreich getestet. Die Verbesserungen von Schnittechniken des in der Blockreduktion verwendeten Aufzählungsverfahrens und die Einführung einer geschnittenen Aufzählung über die gesamte Gitterbasis hat Hörner in seiner Diplomarbeit beschrieben. Ziel der folgenden Arbeit war es nun, diese bereits auf sequentiellen Computern implementierten Algorithmen zu modifizieren, um auf parallelen Rechnern, speziell Vektorrechnern, einen möglichst hohen Geschwindigkeitsgewinn zu erzielen. Wie in den seriellen Algorithmen werden die Basisvektoren stets in exakter Darstellung mitgeführt, so daß das Endergebnis einer Berechnung nicht durch Rundungsfehler verfälscht wird.