Fachbereich Informatik
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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.
Distributed computing environments allow collaborative problem solving across teams and organisations. A fundamental precondition for collaboration is the ability to find available participants and be able to exchange information. One way to approach this conceptual formulation are central directories or registry services. A major disadvantage of centralized components is, that they limit the flexibility to form ad hoc networks that are targeted to solve a specific problem. To facilitate flexible and dynamic collaborations, ideas from decentralized and self-organising networks can be combined with concepts of service oriented computing. This project aims to investigate potential solutions for dynamic discovery of network participants and outlines how to manage challenges associated with the development of a discovery protocol for distributed systems. During the course of this project a prototypical implementation was created that integrates into the open source distributed, collaborative problem solving environment RCE [9]. It is currently developed at the German Aerospace Center (DLR) but is planned to make the framework available to broader community.
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.
Segmentierung von 3D-Daten
(2011)
Die vorliegende Arbeit wird im Rahmen eines Projektes des Fraunhofer Instituts IAIS erstellt. Hier geht es um die Entwicklung eines neuen 3D-Laserscanners. Basierend auf diesem 3D-Laserscanner soll eine Sicherheits-Anwendung realisiert werden. Für eine Softwarekomponente - die Segmentierung von 3D-Daten - wird der Stand der Forschung untersucht und es werden drei Segmentierungs-Verfahren ausgewählt und implementiert. Der RANSAC-Algorithmus wird zur Detektion von Ebenen eingesetzt. In dieser Arbeit wird er um ein Abbruchkriterium erweitert, welches die Gesamtlaufzeit bei der Segmentierung von mehreren Ebenen verringert.
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.
Nowadays perception is still an up-to-date scienti fic issue on a mobile robot system. This thesis introduces an approach on how to recognize objects, namely numbers, using a digital camera on a Volksbot robot. The robot used in this thesis has been specifi cally designed for the SICK robot day. The development of the vision algorithm was done in two stages: the region of interest detection and the actual number recognition. Diff erent algorithms had been tested and evaluated and the Canny edge detector with contour finding has been proven to be the best choice for the region of interest detection and the Tesseract OCR engine was the best decision for number recognition. To integrate the vision component on an existing robot system, ROS was used. This thesis also discusses the integration of the EPOS motor controller into ROS.
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.
Robots integrated into a social environment with humans need the ability to locate persons in their surrounding area. This is also the case for the WelcomeBot which is developed at the Fraunhofer Institute IAIS. In the future, the robot should follow persons in the buildings and guide them to certain areas. Therefore, it needs the capability to detect and track a person in the environment. In this master thesis, an approach for fast and reliable tracking of a person via a mobile robotic platform is presented. Based on the investigation of different methods and sensors, a laser scanner and a camera are selected as the primary two sensors.
In dieser Arbeit wird eine von P. Ahlrichs und B. Dünweg entwickelte Methode [Ahlrichs und Dünweg, 1998] zur Simulation von Polymeren in Flüssigkeiten auf dem Cell-Prozessor implementiert. Dabei soll der Frage nachgegangen werden, wie performant der Cell-Processor in der Lage ist diese Simulation zu berechnen.
Zur Simulation der Polymere wird eine Molekular-Dynamik Simulation genutzt. Die Monomere der Polymerketten werden durch ein Kugel-Feder Modell gekoppelt. Die einzelnen Monomere der Polymere werden als einfache Punktteilchen betrachtet. Dies ermöglicht eine Interaktion der Monomere, unabhängig von deren Zeit- und Längenskalen, mit der Flüssigkeitssimulation durch Reibung. Die Flüssigkeit wird in dieser Arbeit durch die Lattice-Boltzmann-Methode simuliert.
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.
Diese Arbeit soll sich mit dem Erstellen von High Dynamic Range Images beschäftigen und damit, es den Fotografen ein wenig leichter zu machen. Ein Algorithmus zum Entfernen von Bildartefakten wird ausgewählt und parallel unter Nutzung der NVIDIA CUDA API implementiert. Der dadurch erzielte Geschwindigkeitszuwachs macht dieses Verfahren tauglich für den Einsatz in Bildbearbeitungsprogrammen.
Grid services will form the base for future computational Grids. Web Services, have been extended to build Grid services. Grid Services are dened in the Open Grid Service Architecture (OGSA). The Globus Alliance has released a Web Service Resource Framework, which is still under development and which is still missing vital parts. One of them is a Concept that allows Grid-Service Requests to securely traverse Firewalls, and its realization. This Thesis aims at the development and realization of a detailed Concept for an Application Level Gateway for Grid services, based on an existing rough concept. This approach should enable a strict division between a local network and the Internet. The internet is considered as a untrusted site and the local network is considered as a trusted site. Grid resources are placed in the internet as well as in the local network. This means that the possibility to communicate through a Firewall is essential. Some further protocols like Grid Resource Allocation and Management (GRAM) and the Grid File Transfer Protocol (GridFTP) must be able to traverse the network borders securely as well, while no further actions must be taken from the user side. The German Federal Oce for Information Security (BSI) proposes a Firewall - Application Level Gateway (ALG) - Firewall solution to the German Aerospace Center (DLR) where this Thesis is written, as a principle approach. In this approach, the local network is divided from the Internet with two rewalls. Between those rewalls is a demilitarized zone (DMZ), where computers may be placed, which can be accessed from the Internet and from the local network. An ALG which is placed in this DMZ should represent the local Grid nodes to the Internet and it should act as a client to the local nodes. All Grid service requests must be directed to the ALG instead of the protected Grid nodes. The ALG then checks and validates the requests on the application level (OSI layer 7). Requests that pose no security threat and fulll certain criteria will then be forwarded to the local Grid nodes. The responses from the local Grid nodes are checked and validated by the ALG as well.
Ein wichtiges Themengebiet der Forschung ist die Beschleunigung von Berechnungen mittels Parallelisierung von Algorithmen. Grafikprozessoren, die für den General Purpose Computation on GPU’s (GPGPU) Betrieb geeignet sind, bieten eine aktuelle Möglichkeit der Parallelisierung. Anhand dieser Grafikkarten ist es möglich, die hohe Leistung der Grafikprozessoren zur Berechnung wissenschaftlicher Aufgabenstellungen zu nutzen. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus zur Ausrichtung von Belichtungsreihen, die bei der High-Dynamic-Range (HDR) Fotografie genutzt werden, ausgewählt und auf der Grafikkartenarchitektur von NVIDIA parallelisiert.
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)
Today publications are digitally available which enables researchers to search the text and often also the content of tables. On the contrary, images cannot be searched which is not a problem for most fields, but in chemistry most of the information are contained in images, especially structure diagrams. Next to the "normal" chemical structures, which represent exactly one molecule, there also exist generic structures, so called Markush structures. These contain variable parts and additional textual information which enable them to represent several molecules at once. This can vary between just a few and up to thousands or even millions. This ability lead to a spread of Markush structures in patents, because it enables patents to protect entire families of molecules at once. Next to the prevention of an enumeration of all structures it also has the advantage that, if a Markush structure is used in a patent, it is much harder to determine whether a specific structure is protected by it or not. To solve the question about the protection of a structure, it is necessary to search the patents. Appropriate databases for this task already do exist, but are filled manually. An automatic processing does not yet exist. In this project a Markush structure reconstruction prototype is developed which is able to reconstruct bitmaps including Markush structures (meaning a depiction of the structure and a text part describing the generic parts) into a digital format and save them in the newly developed context-free grammar based file format extSMILES. This format is searchable due to its context-free grammar based design. To be able to develop a Markush structure reconstruction prototype, an in depth analysis of the concept of Markush structures and their requirements for a reconstruction process was performed. Thereby it is stated, that the common connection table concept of the existing file formats is not able to store Markush structures. Especially challenging are conditions for most of the formats. Thus, a context-free grammar based file format is developed, which extends the SMILES format. This extSMILES called format assures the searchability of the results by its context-free grammar based concept, and is able to store all information contained in Markush structures. In addition it is generic, extendable and easily understandable. The developed prototype for the Markush structure reconstruction uses extSMILES as output format and is based on the chemical structure recognition tool chemoCR and the Unstructured Information Management Architecture UIMA. For chemoCR modules are developed which enable it to recognize and assemble Markush structures as well as to return the reconstruction result in extSMILES. For UIMA on the other hand, a pipeline is developed, which is able to analyse and translate the input text files to extSMILES. The results of both tools then are combined and presented in chemoCR. An evaluation of the prototype is performed on a representative set of twelve structures of interest and low image quality which contain all typical Markush elements. Trivial structures containing only one R-group are not evaluated. Due to the challenging nature of the images, no Markush structure could be correctly reconstructed. But by regarding the assumption, that R-group definitions which are described by natural language are excluded from the task, and under the condition that the core structure reconstruction is improved, the rate of success can be increased to 58.4%.
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.
The introduction of gestures as a supplementary input modality has become of increasing interest to human computer interaction design, especially for 3D computer environments. This thesis describes the concepts and development of a gesture recognition system based on the machine learning technique of Hidden Markov Models. Well-known from the field of speech recognition, this statistical method is employed in this thesis to represent and recognize predefined gestures. Within this work, gestures are defined as symbols, such as simple geometric shapes or Roman letters. They are extracted from a stream of three-dimensional optical tracking data which is resampled, reduced to 2D and quantized to be used as input to discrete Hidden Markov Models. A set of prerecorded training data is used to learn the parameters of the models and recognition is achieved by evaluating the trained models. The devised system was used to augment an existing virtual reality prototype application which serves as a demonstration and development platform for the VRGeo consortium. The consortium's goal is to investigate and utilize the benefits of virtual reality technology for the oil and gas industry. An isolated test of the system with seven gestures showed accuracies of up to 98.57% and the review from experts in the fields of virtual reality and geophysics was predominantly positive.
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.
Heutige Grid-Systeme sind in der Lage dem Nutzer verschiedenste Ressourcen einfach, transparent und sicher zur Verfügung zu stellen. Für die Ausführung von komplexen Workflows wird eine Advance Reservation benötigt, welche die Ausführung der einzelnen Workflowelemente zu vorher berechneten oder festgelegten Zeitpunkten ermöglicht. Durch die Advance Reservation werden die benötigten Ressourcen auf den Grid-Sites reserviert. In der von der Fraunhofer Gesellschaft eingesetzten Grid-Middleware-Software UNICORE wird eine solche Reservierung von Ressourcen bisher nicht unterstützt. Um die Reservierung in einem UNICORE Grid zu ermöglichen und die Co-Allokation von Ressourcen vorzunehmen, wurde im VIOLA Projekt der MetaScheduling Service (MSS) entwickelt. Über lokal auf den Grid-Ressourcen installierte Adapter kann der MSS Statusinformationen abfragen und Reservierungen vornehmen. Die Adapter sind als Webservice implementiert, was eine komplexe Installation und Konfiguration erfordert, da die Adapter Zugriff auf das lokale System benötigen. Durch eine doppelte Benutzerverwaltung und einer zur UNICORE Grid-Middleware parallelen Kommunikation wird die Anfälligkeit für Fehler erhöht.
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.
Data management is a challenge in both scientific and technical environments. Therefore researchers have developed a special interest in this field. Modern approaches (i.e. Subversion, CVS) already offer authoring and versioning in distributed systems. However this might be insufficient in a vast number of scenarios, where not only the data resulting from a process, but also data which describes the process that generated those results is crucial.