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Die letzten zwei Jahrzehnte wurden durch das exponentielle Wachstum der zur Verfügung stehenden Daten geprägt. Täglich produzieren Menschen und Maschinen mehr und mehr Daten, die oftmals in verteilten Datenspeichern abgelegt werden. Anwendungsgebiete lassen sich beispielsweise in der Physik und Astronomie finden, wo immense Datenmengen von Teilchenbeschleunigern oder Satelliten erzeugt werden, die gespeichert und verarbeitet werden müssen. Aus diesen Datenmengen können weder vom Menschen direkt noch durch traditionelle Analysemethoden neue Erkenntnisse gewonnen werden. Zur Verarbeitung dieser Datenmassen sind parallele sowie verteilte Datenanalyseverfahren notwendig. [MTT18,NEKH+18]
Neural network based object detectors are able to automatize many difficult, tedious tasks. However, they are usually slow and/or require powerful hardware. One main reason is called Batch Normalization (BN) [1], which is an important method for building these detectors. Recent studies present a potential replacement called Self-normalizing Neural Network (SNN) [2], which at its core is a special activation function named Scaled Exponential Linear Unit (SELU). This replacement seems to have most of BNs benefits while requiring less computational power. Nonetheless, it is uncertain that SELU and neural network based detectors are compatible with one another. An evaluation of SELU incorporated networks would help clarify that uncertainty. Such evaluation is performed through series of tests on different neural networks. After the evaluation, it is concluded that, while indeed faster, SELU is still not as good as BN for building complex object detector networks.
Interactive Object Detection
(2019)
The success of state-of-the-art object detection methods depend heavily on the availability of a large amount of annotated image data. The raw image data available from various sources are abundant but non-annotated. Annotating image data is often costly, time-consuming or needs expert help. In this work, a new paradigm of learning called Active Learning is explored which uses user interaction to obtain annotations for a subset of the dataset. The goal of active learning is to achieve superior object detection performance with images that are annotated on demand. To realize active learning method, the trade-off between the effort to annotate (annotation cost) unlabeled data and the performance of object detection model is minimised.
Random Forests based method called Hough Forest is chosen as the object detection model and the annotation cost is calculated as the predicted false positive and false negative rate. The framework is successfully evaluated on two Computer Vision benchmark and two Carl Zeiss custom datasets. Also, an evaluation of RGB, HoG and Deep features for the task is presented.
Experimental results show that using Deep features with Hough Forest achieves the maximum performance. By employing Active Learning, it is demonstrated that performance comparable to the fully supervised setting can be achieved by annotating just 2.5% of the images. To this end, an annotation tool is developed for user interaction during Active Learning.
Zustandsregelung für ein Mikroflugsystem zur Ansteuerung vorgegebener Wegpunkte in Innenräumen
(2018)
In der Masterarbeit Zustandsregelung für ein Mikroflugsystem zur Ansteuerung vorgegebener Wegpunkte in Innenräumen wird die Entwicklung einer Positionsregelung für ein Mikroflugsystem vorgestellt. Damit ist es möglich, sowohl in einer bekannten als auch unbekannten Umgebung vorgegebene Wegpunkte automatisch anzusteuern. Die Lokalisation des Flugsystems findet mit interner Sensorik sowie mithilfe von zwei Laserscannern statt. Steht bereits eine Karte der Umgebung zur Verfügung, ist es möglich, einen Pfad zu einem vorgegebenen Zielpunkt zu berechnen und diesen Pfad automatisch abzufliegen.
The recent explosion of available audio-visual media is the new challenge for information retrieval research. Audio speech recognition systems translate spoken content to the text domain. There is a need for searching and indexing this data which possesses no logical structure. One possible way to structure it on a high level of abstraction is by finding topic boundaries. Two unsupervised topic segmentation methods were evaluated with real-world data in the course of this work. The first one, TSF, models topic shifts as fluctuations in the similarity function of the transcript. The second one, LCSeg, approaches topic changes as places with the least overlapping lexical chains. Only LCSeg performed close to a similar real-world corpus. Other reported results could not be outperformed. Topic analysis based on the repeated word usage models renders topic changes more ambiguous than expected. This issue has more impact on the segmentation quality than the state-of-the-art ASR word error rate. It could be concluded that it is advisable to develop topic segmentation algorithms with real-world data to avoid potential biases to artificial data. Unlike evaluated approaches based on word usage analysis, methods operating with local contexts can be expected to perform better through emulation of semantic dependencies.
Estimation of Prediction Uncertainty for Semantic Scene Labeling Using Bayesian Approximation
(2018)
With the advancement in technology, autonomous and assisted driving are close to being reality. A key component of such systems is the understanding of the surrounding environment. This understanding about the environment can be attained by performing semantic labeling of the driving scenes. Existing deep learning based models have been developed over the years that outperform classical image processing algorithms for the task of semantic labeling. However, the existing models only produce semantic predictions and do not provide a measure of uncertainty about the predictions. Hence, this work focuses on developing a deep learning based semantic labeling model that can produce semantic predictions and their corresponding uncertainties. Autonomous driving needs a real-time operating model, however the Full Resolution Residual Network (FRRN) [4] architecture, which is found as the best performing architecture during literature search, is not able to satisfy this condition. Hence, a small network, similar to FRRN, has been developed and used in this work. Based on the work of [13], the developed network is then extended by adding dropout layers and the dropouts are used during testing to perform approximate Bayesian inference. The existing works on uncertainties, do not have quantitative metrics to evaluate the quality of uncertainties estimated by a model. Hence, the area under curve (AUC) of the receiver operating characteristic (ROC) curves is proposed and used as an evaluation metric in this work. Further, a comparative analysis about the influence of dropout layer position, drop probability and the number of samples, on the quality of uncertainty estimation is performed. Finally, based on the insights gained from the analysis, a model with optimal configuration of dropout is developed. It is then evaluated on the Cityscape dataset and shown to be outperforming the baseline model with an AUC-ROC of about 90%, while the latter having AUC-ROC of about 80%.
This report presents an approach on a quadrotor dynamics stabilization based on ICP SLAM. Because the quadrotor lacks sensory information to detect its horizontal drift an additional sensor as Hokuyo-UTM has been used to perform on-line ICP-based SLAM. The obtained position estimates were used in control loops to maintain desired position and orientation of the vehicle. Such attitude parameters as height, yaw and position in space were controlled based on the laser data. As a result the quadrotor demonstrated two significant for autonomous navigation capabilities: performance of on-line SLAMon a flying vehicle and maintaining desired position in 3D space. Visual approach on optical flow based on Pyramid Lucas-Kanade algorithm has been touched and tested in different environmental conditions though hasn't been implemented in the control loop. Also the performance of the Hokuyo laser scanner and the related to it ICP SLAM algorithm have been tested in different environmental conditions indoors, outdoors and in presence of smoke. Results are presented and discussed. The requirement of performing on-line SLAM algorithm and to carry quite heavy equipment for it forced to seek a solution to increase the payload of the quadrotor with its computational power. A new hardware and distributed software architectures are therefore presented in the report.
In order to help journalists investigate inside large audiovisual archives, as maintained by news broadcast agencies, the multimedia data must be indexed by text-based search engies. By automatically creating a transcript through automatic speech recognition (ASR), the spoken word becomes accessible to text search, and queries for keywords are made possible. But stil, important contextual information like the identity of the speaker is not captured. Especially when gathering original footage in the political domain, the identity of the speaker can be the most important query constraint, although this name may not be prominent in the words spoken. It is thus desireable to have this information provided explicitely to the search engine. To provide this information, the archive must be an alyzed by automatic Speaker Identification (SID). While this research topic has seen substantial gains in accuracy and robustness over last years, it has not yet established itself as a helpful, large-scale tool outside the research community. This thesis sets out to establish a workflow to provide automatic speaker identification. Its application is to help journalists searching on speeches given in the German parliament (Bundestag). This is a contribution to the News-Stream 3.0 project, a BMBF funded research project that addresses accessibility of various data sources for journalists.
This work extends the affordance-inspired robot control architecture introduced in the MACS project [35] and especially its approach to integrate symbolic planning systems given in [24] by providing methods to automated abstraction of affordances to high-level operators. It discusses how symbolic planning instances can be generated automatically based on these operators and introduces an instantiation method to execute the resulting plans. Preconditions and effects of agent behaviour are learned and represented in Gärdenfors conceptual spaces framework. Its notion of similarity is used to group behaviours to abstract operators based on the affordance-inspired, function-centred view on the environment. Ways on how the capabilities of conceptual spaces to map subsymbolic to symbolic representations to generate PDDL planning domains including affordance-based operators are discussed. During plan execution, affordance-based operators are instantiated by agent behaviour based on the situation directly before its execution. The current situation is compared to past ones and the behaviour that has been most successful in the past is applied. Execution failures can be repaired by action substitution. The concept of using contexts to dynamically change dimension salience as introduced by Gärdenfors is realized by using techniques from the field of feature selection. The approach is evaluated using a 3D simulation environment and implementations of several object manipulation behaviours.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Segmentierung von Außenszenen und Terrain-Klassifkation entwickelt. Dazu werden 360 Grad-Laserscanner-Aufnahmen von Straßen, Gebäudefassaden und Waldwegen aufgenommen. Von diesen Aufnahmen werden verschiedene visuelle Repräsentationen in 2D erstellt. Dazu werden die Distanzinformationen und Winkelübergänge der Polarkoordinaten, die Remissionswerte und der Normalenvektor eingesetzt. Die Berechnung des Normalenvektors wird über ein modernes Verfahren mit einerniedrigen Laufzeit durchgeführt. Anschließend werden Oberflächeneigenschaften innerhalb einer Punktwolke analysiert und vier Klassen unterschieden: Untergrund, Vegetation, Hindernis und Himmel. Die Segmentierung und Klassifkation geschieht in einem Schritt. Dazuwird die Varianz auf den N ormalen über eine Filtermaske berechnet und ein Deskriptor erstellt. Der Deskriptor beinhaltet die Normalenvektoren und die Normalenvarianz fürdie x-, y- und z-Achse. Die Ergebnisse werden als Überblendung auf dem Remissionsbilddargestellt. Die Auswertung wird über eigens erstellte Ground-Truth-Daten vorgenommen. Dazu wird das Remissionsbild genutzt und der Ground-Truth mit verschiedenen Farben eingezeichnet. Die Klassifkationsergebnisse sind in Precision-Recall-Diagrammen dargestellt.
Das Optimalziel für ein Logistiklager ist eine hohe Auslastung des Transportsystems. Es stellt sich somit die Frage nach der Auswahl der Aufträge, die gleichzeitig innerhalb des Lagers abgearbeitet werden, ohne Staus, Blockaden oder Überlastungen entstehen zu lassen. Dieser Auswahlprozess wird auch als Path-Packing bezeichnet. Diese Masterthesis untersucht das Path-Packing auf graphentheoretischer Ebene und stellt verschiedene Greedy-Heuristiken, eine Optimallösung auf Basis der Linearen Programmierung sowie einen kombinierten Ansatz gegenüber. Die Ansätze werden anhand von Messzeiten und Auslastungen unterschiedlich randomisiert erstellter Testdaten ausgewertet.
Semantic Image Segmentation Combining Visible and Near-Infrared Channels with Depth Information
(2015)
Image understanding is a vital task in computer vision that has many applications in areas such as robotics, surveillance and the automobile industry. An important precondition for image understanding is semantic image segmentation, i.e. the correct labeling of every image pixel with its corresponding object name or class. This thesis proposes a machine learning approach for semantic image segmentation that uses images from a multi-modal camera rig. It demonstrates that semantic segmentation can be improved by combining different image types as inputs to a convolutional neural network (CNN), when compared to a single-image approach. In this work a multi-channel near-infrared (NIR) image, an RGB image and a depth map are used. The detection of people is further improved by using a skin image that indicates the presence of human skin in the scene and is computed based on NIR information. It is also shown that segmentation accuracy can be enhanced by using a class voting method based on a superpixel pre-segmentation. Models are trained for 10-class, 3-class and binary classification tasks using an original dataset. Compared to the NIR-only approach, average class accuracy is increased by 7% for 10-class, and by 22% for 3-class classification, reaching a total of 48% and 70% accuracy, respectively. The binary classification task, which focuses on the detection of people, achieves a classification accuracy of 95% and true positive rate of 66%. The report at hand describes the proposed approach and the encountered challenges and shows that a CNN can successfully learn and combine features from multi-modal image sets and use them to predict scene labeling.
The objective of this thesis is to implement a computer game based motivation system for maximal strength testing on the Biodex System 3 Isokinetic Dynamometer. The prototype game has been designed to improve the peak torque produced in an isometric knee extensor strength test. An extensive analysis is performed on a torque data set from a previous study. The torque responses for five second long maximal voluntary contractions of the knee extensor are analyzed to understand torque response characteristics of different subjects. The parameters identifed in the data analysis are used in the implementation of the 'Shark and School of Fish' game. The behavior of the game for different torque responses is analyzed on a different torque data set from the previous study. The evaluation shows that the game rewards and motivates continuously over a repetition to reach the peak torque value. The evaluation also shows that the game rewards the user more if he overcomes a baseline torque value within the first second and then gradually increase the torque to reach peak torque.
This master thesis describes a supervised approach to the detection and the identification of humans in TV-style video sequences. In still images and video sequences, humans appear in different poses and views, fully visible and partly occluded, with varying distances to the camera, at different places, under different illumination conditions, etc. This diversity in appearance makes the task of human detection and identification to a particularly challenging problem. A possible solution of this problem is interesting for a wide range of applications such as video surveillance and content-based image and video processing. In order to detect humans in views ranging from full to close-up view and in the presence of clutter and occlusion, they are modeled by an assembly of several upper body parts. For each body part, a detector is trained based on a Support Vector Machine and on densely sampled, SIFT-like feature points in a detection window. For a more robust human detection, localized body parts are assembled using a learned model for geometric relations based on Gaussians. For a flexible human identification, the outward appearance of humans is captured and learned using the Bag-of-Features approach and non-linear Support Vector Machines. Probabilistic votes for each body part are combined to improve classification results. The combined votes yield an identification accuracy of about 80% in our experiments on episodes of the TV series "Buffy the Vampire Slayer". The Bag-of-Features approach has been used in previous work mainly for object classification tasks. Our results show that this approach can also be applied to the identification of humans in video sequences. Despite the difficulty of the given problem, the overall results are good and encourage future work in this direction.
Augmented Reality (AR) findet heutzutage sehr viele Anwendungsbereiche. Durch die Überlagerung von virtuellen Informationen mit der realen Umgebung eignet sich diese Technologie besonders für die Unterstützung der Benutzer bei technischen Wartungs- oder Reparaturvorgängen. Damit die virtuellen Daten korrekt mit der realen Welt überlagert werden, müssen Position und Orientierung der Kamera durch ein Trackingverfahren ermittelt werden. In dieser Arbeit wurde für diesen Zweck ein markerloses, modellbasiertes Trackingsystem implementiert. Während einer Initialisierungs-Phase wird die Kamerapose mithilfe von kalibrierten Referenzbildern, sogenannten Keyframes, bestimmt. In einer darauffolgenden Tracking-Phase wird das zu trackende Objekt weiterverfolgt. Evaluiert wurde das System an dem 1:1 Trainingsmodell des biologischen Forschungslabors Biolab, welches von der Europäischen Weltraumorganisation ESA zur Verfügung gestellt wurde.
Für die Durchführung größerer Projekte innerhalb des DLR ist es häufig notwendig, dass sich Wissenschaftler fachübergreifend in Themengebiete einarbeiten müssen. Im Rahmen dieser Einarbeitung führen Wissenschaftler Recherchen in fremden Fachbereichen durch. Das DLR hat zu diesem Zweck das Wissensportal KnowledgeFinder entwickelt. Dieses Framework setzt klassische Suchverfahren zum Auffinden von Informationen in beliebigen Datenbeständen ein. Wenn Wissenschaftler in fremden Fachbereichen recherchieren, dann fällt es ihnen aufgrund des oberflächlichen Einblicks oftmals schwer, zielgerichtet nach Informationen zu suchen. Die im KnowledgeFinder eingesetzten klassischen Suchverfahren, die auf textueller und struktureller Ähnlichkeit basieren, können bei diesen unspezifischen Suchanfragen nur bedingt beim Auffinden von relevanten Informationen helfen. Aufgrund von Mehrdeutigkeiten und unterschiedlichen Kontexten stoße solche Verfahren oftmals an ihre Grenzen. Semantische Technologien haben zum Ziel diesen Mangel zu beheben. Hier wird neben der textuellen und strukturellen Ähnlichkeit zusätzlich die Dimension der Bedeutung betrachtet. In dieser Masterthesis wurde untersucht, ob die Suchergebnisqualität des KnowledgeFinder durch den Einsatz semantischer Technologien verbessert werden kann. Innerhalb einer Machbarkeitsstudie wurde dazu das KnowledgeFinder Framework um semantische Suchverfahren erweitert. Diese Verfahren sollen die fachübergreifende Recherche von DLR-Wissenschaftlern erleichtern, indem sie ihnen helfen, passende Suchergebnisse in den entsprechenden Fachbereichen zu finden.
Distributed systems comprise distributed computing systems, distributed information systems, and distributed pervasive systems. They are often very complex and their implementation is challenging. Intensive and continuous testing is indispensable to ensure reliability and high quality of a distributed system. The testing process should have a high degree of automation, not only on lower levels (i.e. unit and module testing), but also on higher testing levels (e.g. system, integration, and acceptance tests). To achieve automation on higher testing levels virtual infrastructure components (e.g. virtual machines, virtual networks) that are offered as a Service (IaaS) can be employed. The elasticity of on-demand computation resources fits well together with the varying resource demands of automated test execution.
A methodology for automated acceptance testing of distributed systems that uses virtual infrastructure is presented. It is founded on a task-oriented model that is used to abstract concurrency and asynchronous, remote communication in distributed systems. The model is used as groundwork for a domain-specific language that allows expressing tests for distributed systems in the form of scenarios. On the one hand, test scenarios are executable and, therefore, fully automated. On the other hand, test scenarios represent requirements to the system under test making an automated, example-based verification possible.
A prototypical implementation is used to apply the developed methodology in the context of two different case studies. The first case study uses RCE as an example of a distributed, workflow-driven integration environment for scientific computing. The second one uses MongoDB as an example of a document-oriented database system that offers distributed data storage through master-slave replication. The results of the experimental evaluation indicate that the developed acceptance testing methodology is a useful approach to design, build, and execute tests for distributed systems with high quality and a high degree of automation.
Die Matrix-Vektor-Multiplikation für dünn besetzte Matrizen (SpMV) stellt für weitreichende wissenschaftliche Anwendungen eine der Kernoperationen des High-Performance-Computing-Bereichs dar. Für die verteilte Berechnung mit immer beliebter werdenden hybriden Rechenclustern kommt dabei die Frage nach einer geeigneten Partitionierungsstrategie für die Verteilung von Daten und Berechnung auf. Diese Arbeit beschäftigt sich damit welchen Einfluss die Struktur der Matrix und die unterschiedlichen Prozessortypen auf die Leistung der SpMV haben und schlägt ein Modell vor, um für diese eine lastbalancierte Verteilung zu erreichen. Wesentliche Bestandteile sind dabei die Laufzeitvorhersage für aktuelle CPUs und GPUs basierend auf einem abgewandelten Roofline-Modell sowie die bewährte Methode der Graph-Partitionierung.
In der Arbeit wurde ein Steuerungsframework für die LAMA-Bibliothek (http://www.libama.org) zur Konfiguration von Lösern linearer Gleichungssysteme entwickelt. Hierzu wurde ein Parser mit der Boost.Spirit-Biblithek realisiert, der die Laufzeitinterpretation einer domänenspezifische Sprache (DSL) erlaubt. Durch die Konfigurationssprache ist es möglich, Löser ohne Einschränkungen über ihre ID zu verknüpfen, diesen Lösern Logger und logisch verknüpfte Haltekriterien zuzuordnen.
The task of this thesis is to develop an OGC-compliant Sensor Observation Service (SOS) { a component of the SWE { for GPS related sensor data in this context. It should, in contrast to existing implementations, support full mobility of the sensors and be con gurable with respect to adding di erent kinds of sensors. In particular, mobile phones should be considered as sensors, which transmit their data to the SOS server through the transactional SOS interface.
In the eld of accessing and visualization mobile sensors and their recorded data, di erent approaches were realized. The OGC1 Sensor observation Service supplies a standard to access these information, stored on servers. To be able to access these servers, an interface must be developed and implemented. The result should be a con gurable development framework for web-based GIS clients supporting the OGC sensor observation services. In particular the framework should allow continuous position updates of mobile sensors. Visualization features like charts, bounding boxes of sensors and data series should be included.
Das WebDAV-Protokoll (Web-based Distributed Authoring and Versioning) ermöglicht die Bearbeitung und Verwaltung von Dateien auf einem Web-Server. Aus technischer Sicht ist WebDAV eine Erweiterung des HTTP-Protokolls. Durch die rasche Zunahme und den steigenden Verbreitungsgrad von WebDAV-basierten Anwendungen, wie etwa Dokumentenmanagementsystemen, steigen auch die Anforderungen an deren Zuverlässigkeit. Die voll umfassende Unterstützung von Transaktionen, d.h. die Zusammenfassung einer Menge von Verarbeitungsschritten zu einer logischen Einheit, würde hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Die für Transaktionen geforderten Eigenschaften, die gleichzeitig auch deren Hauptvorteile darstellen, werden durch das bekannte Akronym ACID beschrieben, welches für Atomarität (atomicity), Konsistenz (consistency), Isoliertheit (isolation) und Dauerhaftigkeit (durability) steht. Zurzeit unterstützt das WebDAV-Protokoll allerdings nur die Punkte Konsistenz und Dauerhaftigkeit, eine komplette und vor allem standardkonforme Unterstützung der ACID-Eigenschaften von Transaktionen ist nicht gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nun ein Transaktionsmodell für den WebDAVStandard erarbeitet. Das Modell ermöglicht es, eine Menge von Dateioperationen transaktionsbasiert durchzuführen. Das Modell unterstützt dabei zur Sicherstellung der Serialisierbarkeit sowohl optimistische als auch pessimistische Verfahren. Die Unterstützung des optimistischen Verfahrens wurde dabei von der IETF (Internet Engineering Task Force) als zulässiges und sinnvolles Vorgehen zur Realisierung von Transaktionen mittels WebDAV bestätigt. Für die pessimistischen Verfahren wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt, wie die bestehenden Konzepte des WebDAV-Standards erweitert werden müssen, um dies ebenfalls umsetzen zu können. Um die getroffene Entwurfsentscheidung zu verifizieren, wurde eine prototypische Implementierung des Modells vorgenommen. Hierbei wurde, nach einer entsprechenden Evaluierung und Bewertung, die optimistische Nebenläufigkeitskontrolle umgesetzt. Clientseitig setzt die Implementierung auf der Jackrabit-Library auf, die serverseitige Implementierung verwendet als Grundlage den WebDAV-Server von Subversion.
Heutzutage ist die Entwicklung von Luft- und Raumfahrzeugen ein komplexer und standardisierter Prozess, der verschiedene Disziplinen der Wissenschaft und des Ingenieurwesens vereint. Die Kenntnis flugphysikalischer Eigenschaften, insbesondere Aerodynamik und Strömung, ist für den Entwurf von Luft- und Raumfahrzeugen unerlässlich. Um den Aufwand zur Berechnung dieser Eigenschaften zu verringern, wurden Methoden und Werkzeuge zur computergestützten Simulation entworfen. Diese werden in integrierten simulationsbasierten Entwicklungsprozessen zusammengefasst. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Zeitersparnisse von bis zu mehreren Jahren, gegenüber physikalischen Tests in Windkanälen, zu erzielen [Bec08].