Fachbereich Informatik
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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]
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) führt viele Forschungen und Studien im Bereich der Luft- und Raumfahrt durch. Dabei spielen die Studien für die Gesundheit und Medizin auch eine sehr wichtige Rolle bei der DLR. Zu diesem Zweck führt die DLR die Artificial Gravity bed rest study (AGBRESA) im Auftrag der European Space Agency (esa) und in Kooperation der NASA durch. In dieser Studie werden die negativen Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf dem Menschen im Weltall simuliert. Dabei werden Experimente durchgeführt, um die negative Auswirkungen entgegenzuwirken. Die Ergebnisse der Experimente werden in der DLR digital, aber auch auf Papier dokumentiert. In diesem Master-Projekt habe ich nun die Aufgabe, die Papierprotokolle für den Bereich der Blutabnahme und der Labordokumentation in eine digitale Form zu ersetzen.
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.
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.
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.
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.
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.
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].
Objektrelationale Datenbanken und Rough Sets für die Analyse von Contextualized Attention Metadata
(2009)
In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Aspekte zum gemeinsamen Arbeiten in gemeinsam genutzten virtuellen Umgebungen behandelt. Zum einen wurden verschiedene Verfahren vorgestellt, die eine gleichzeitige Betrachtung zweier unterschiedlicher Ansichten auf einer Projektionsfläche ermöglichen (Switchen, Picture in Picture und Splitscreen). Der Schwerpunkt bei diesem Teil der Arbeit lag bei dem Splitscreen, da er zwei gleichwertige verzerrungsfreie Bilder beider Ansichten erzeugt. Um die korrekte Perspektive zu erhalten, wird der Sichtkegel der Betrachter vertikal in der Mitte geteilt. Dadurch kann ein betrachtetes Objekt am Bildrand abgeschnitten werden, weshalb die Kamera der Betrachter neu auf dieses Objekt ausgerichtet werden muss. Hierdurch können unterschiedliche Transformationen für beide Anwender erfolgen, wodurch das kollaborative Arbeiten gestört wird. Der zweite Aspekt dieser Arbeit beschäftigte sich mit einem Kollisionsproblem, welches auftreten kann, wenn mehrereBenutzer gemeinsam einen schmalen Durchgang passieren. Die Darstellung der virtuellen Umgebung erfolgt im TwoView. Hier steht den Benutzern eine frei begehbare Fläche zur Verfügung, auf der ihre realen Positionen erfasst und in die virtuelle Umgebung übertragen werden. Das Beschreiten der virtuellen Umgebung erfolgt anhand von Wegen, deren Ablaufgeschwindigkeit von einem Benutzer gesteuert werden kann. Stehen die Personen zu weit auseinander, um durch einen Durchgang zu passen, muss mindestens einer durch eine Wand laufen. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine Pfadkorrektur implementiert, die entweder die Betrachter auf einem sicheren Weg durch diesen Durchgang leitet oder den begangenen Weg anhält. Da sowohl bei der Darstellung zweier Ansichten als auch bei der Pfadkorrektur der gemeinsame Raum beeinträchtigt werden kann, wurde zuletzt ein empirischer Test zur Bewertung dieses Effekts durchgeführt.
In der Forschung und Entwicklung finden komplexe Prozesse zur Datenerzeugung, -verarbeitung, -analyse und -visualisierung statt. Oftmals sind an diesen Prozessen Partner aus verschiedenen Einrichtungen beteiligt. Um ihr gemeinsames Ziel zu erreichen, stellen sich die Partner gegenseitig Ressourcen, Daten und Applikationen zur Verfügung. Eine Plattform, die diese Form der Zusammenarbeit erleichtert, wird in der Einrichtung für Simulations- und Softwaretechnik (SISTEC) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mitentwickelt. Die komplexen Prozesse erfordern aber nicht nur, dass Ressourcen, Daten und Applikationen zur Verfügung stehen, sondern auch, dass diese sinnvoll miteinander verknüpft werden können. Die Verknüpfung mehrerer Applikationen zu einer neuen Applikation, sowie deren Ausführung mit bestimmten Eingabedaten kann durch ein Workflowsystem für die Anwender stark vereinfacht werden. Im Rahmen dieser Master-Thesis wird die erwähnte Plattform um ein solches Workflowsystem erweitert.
Graphbasierte Diskussionen sind eine Form von Online-Diskussionen, bei denen eine Diskussion als Graph visualisiert wird. Beispielhafte Diskussionsanwendungen sind unter anderem Belvedere [SWCP95], FreeStyler [Gas03] oder Digalo [LK06]. Graphen dieser Art sind, was bestimmte Eigenschaften betrifft, vergleichbar mit Petri-Netzen [Pet62]. So gibt es bei Beiden gewichtete, gerichtete Kanten sowie Knoten verschiedenen Typs, die jeweils bestimmte Eigenschaften besitzen. Im Gegensatz zu einem Petri-Netz, das immer ein bipartiter Graph ist, können bei einem Diskussionsgraphen jedoch prinzipiell alle Knoten miteinander verbunden werden. Moderatoren solcher Diskussionen sind oftmals mit dem Problem konfrontiert, dass sie mehrere Diskussionen gleichzeitig beobachten wollen, was jedoch aufgrund der Komplexität der Struktur von Diskussionsgraphen kaum effizient möglich ist.
In einem Grid steht Benutzern mit entsprechendem Zugang eine Vielzahl verteilter Ressourcen zur Verfügung. Die daraus entstehenden wirtschaftlichen und technischen Vorteile rechtfertigen die Portierung von bestehenden Desktop-Anwendungen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, welche Einflussfaktoren bei der Portierung von Desktop-Anwendungen in ein Grid eine Rolle spielen können und wie diese in Hinblick auf die Machbarkeit zu bewerten sind. Basierend auf den zugrunde liegenden Softwarearchitekturen werden Architekturmerkmale von Desktop-Anwendungen identifiziert und Hypothesen darüber entwickelt, welche Aspekte den Portierungsprozess beeinflussen. Am Beispiel der Portierung der Anwendung „DataFinder“ der Abteilung Verteilte Systeme und Komponentensoftware des DLR werden die entwickelten Hypothesen überprüft. Die Erkenntnisse aus der Beispielportierung werden ausführlich dargestellt und anschließend kritisch diskutiert.