TY  - THES
A1  - Abdelwahab Hussein Abdelwahab Elsayed, Ahmed
T1  - Probabilistic, deep, and metric learning for biometric identification from eye movements
N2  - A central insight from psychological studies on human eye movements is that eye movement patterns are highly individually characteristic. They can, therefore, be used as a biometric feature, that is, subjects can be identified based on their eye movements. This thesis introduces new machine learning methods to identify subjects based on their eye movements while viewing arbitrary content. The thesis focuses on probabilistic modeling of the problem, which has yielded the best results in the most recent literature. The thesis studies the problem in three phases by proposing a purely probabilistic, probabilistic deep learning, and probabilistic deep metric learning approach. In the first phase, the thesis studies models that rely on psychological concepts about eye movements. Recent literature illustrates that individual-specific distributions of gaze patterns can be used to accurately identify individuals. In these studies, models were based on a simple parametric family of distributions. Such simple parametric models can be robustly estimated from sparse data, but have limited flexibility to capture the differences between individuals. Therefore, this thesis proposes a semiparametric model of gaze patterns that is flexible yet robust for individual identification. These patterns can be understood as domain knowledge derived from psychological literature. Fixations and saccades are examples of simple gaze patterns. The proposed semiparametric densities are drawn under a Gaussian process prior centered at a simple parametric distribution. Thus, the model will stay close to the parametric class of densities if little data is available, but it can also deviate from this class if enough data is available, increasing the flexibility of the model. The proposed method is evaluated on a large-scale dataset, showing significant improvements over the state-of-the-art. Later, the thesis replaces the model based on gaze patterns derived from psychological concepts with a deep neural network that can learn more informative and complex patterns from raw eye movement data. As previous work has shown that the distribution of these patterns across a sequence is informative, a novel statistical aggregation layer called the quantile layer is introduced. It explicitly fits the distribution of deep patterns learned directly from the raw eye movement data. The proposed deep learning approach is end-to-end learnable, such that the deep model learns to extract informative, short local patterns while the quantile layer learns to approximate the distributions of these patterns. Quantile layers are a generic approach that can converge to standard pooling layers or have a more detailed description of the features being pooled, depending on the problem. The proposed model is evaluated in a large-scale study using the eye movements of subjects viewing arbitrary visual input. The model improves upon the standard pooling layers and other statistical aggregation layers proposed in the literature. It also improves upon the state-of-the-art eye movement biometrics by a wide margin. Finally, for the model to identify any subject — not just the set of subjects it is trained on — a metric learning approach is developed. Metric learning learns a distance function over instances. The metric learning model maps the instances into a metric space, where sequences of the same individual are close, and sequences of different individuals are further apart. This thesis introduces a deep metric learning approach with distributional embeddings. The approach represents sequences as a set of continuous distributions in a metric space; to achieve this, a new loss function based on Wasserstein distances is introduced. The proposed method is evaluated on multiple domains besides eye movement biometrics. This approach outperforms the state of the art in deep metric learning in several domains while also outperforming the state of the art in eye movement biometrics.
N2  - Die Art und Weise, wie wir unsere Augen bewegen, ist individuell charakteristisch. Augenbewegungen können daher zur biometrischen Identifikation verwendet werden. Die Dissertation stellt neuartige Methoden des maschinellen Lernens zur Identifzierung von Probanden anhand ihrer Blickbewegungen während des Betrachtens beliebiger visueller Inhalte vor. Die Arbeit konzentriert sich auf die probabilistische Modellierung des Problems, da dies die besten Ergebnisse in der aktuellsten Literatur liefert. Die Arbeit untersucht das Problem in drei Phasen.
In der ersten Phase stützt sich die Arbeit bei der Entwicklung eines probabilistischen Modells auf Wissen über Blickbewegungen aus der psychologischen Literatur. Existierende Studien haben gezeigt, dass die individuelle Verteilung von Blickbewegungsmustern verwendet werden kann, um Individuen genau zu identifizieren. Existierende probabilistische Modelle verwenden feste Verteilungsfamilien in Form von parametrischen Modellen, um diese Verteilungen zu approximieren. Die Verwendung solcher einfacher Verteilungsfamilien hat den Vorteil, dass sie robuste Verteilungsschätzungen auch auf kleinen Mengen von Beobachtungen ermöglicht. Ihre Flexibilität, Unterschiede zwischen Personen zu erfassen, ist jedoch begrenzt. Die Arbeit schlägt daher eine semiparametrische Modellierung der Blickmuster vor, die flexibel und dennoch robust individuelle Verteilungen von Blickbewegungsmustern schätzen kann. Die modellierten Blickmuster können als Domänenwissen verstanden werden, das aus der psychologischen Literatur abgeleitet ist. Beispielsweise werden Verteilungen über Fixationsdauern und Sprungweiten (Sakkaden) bei bestimmten Vor- und Rücksprüngen innerhalb des Textes modelliert. Das semiparametrische Modell bleibt nahe des parametrischen Modells, wenn nur wenige Daten verfügbar sind, kann jedoch auch vom parametrischen Modell abweichen, wenn genügend Daten verfügbar sind, wodurch die Flexibilität erhöht wird. Die Methode wird auf einem großen Datenbestand evaluiert und zeigt eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik der Forschung zur biometrischen Identifikation aus Blickbewegungen.
Später ersetzt die Dissertation die zuvor untersuchten aus der psychologischen Literatur abgeleiteten Blickmuster durch ein auf tiefen neuronalen Netzen basierendes Modell, das aus den Rohdaten der Augenbewegungen informativere komplexe Muster lernen kann. Tiefe neuronale Netze sind eine Technik des maschinellen Lernens, bei der in komplexen, mehrschichtigen Modellen schrittweise abstraktere Merkmale aus Rohdaten extrahiert werden. Da frühere Arbeiten gezeigt haben, dass die Verteilung von Blickbewegungsmustern innerhalb einer Blickbewegungssequenz informativ ist, wird eine neue Aggrgationsschicht für tiefe neuronale Netze eingeführt, die explizit die Verteilung der gelernten Muster schätzt. Die vorgeschlagene Aggregationsschicht für tiefe neuronale Netze ist nicht auf die Modellierung von Blickbewegungen beschränkt, sondern kann als Verallgemeinerung von existierenden einfacheren Aggregationsschichten in beliebigen Anwendungen eingesetzt werden. Das vorgeschlagene Modell wird in einer umfangreichen Studie unter Verwendung von Augenbewegungen von Probanden evaluiert, die Videomaterial unterschiedlichen Inhalts und unterschiedlicher Länge betrachten. Das Modell verbessert die Identifikationsgenauigkeit im Vergleich zu tiefen neuronalen Netzen mit Standardaggregationsschichten und existierenden probabilistischen Modellen zur Identifikation aus Blickbewegungen.
Damit das Modell zum Anwendungszeitpunkt beliebige Probanden identifizieren kann, und nicht nur diejenigen Probanden, mit deren Daten es trainiert wurde, wird ein metrischer Lernansatz entwickelt. Beim metrischen Lernen lernt das Modell eine Funktion, mit der die Ähnlichkeit zwischen Blickbewegungssequenzen geschätzt werden kann. Das metrische Lernen bildet die Instanzen in einen neuen Raum ab, in dem Sequenzen desselben Individuums nahe beieinander liegen und Sequenzen verschiedener Individuen weiter voneinander entfernt sind. Die Dissertation stellt einen neuen metrischen Lernansatz auf Basis tiefer neuronaler Netze vor. Der Ansatz repäsentiert eine Sequenz in einem metrischen Raum durch eine Menge von Verteilungen. Das vorgeschlagene Verfahren ist nicht spezifisch für die Blickbewegungsmodellierung, und wird in unterschiedlichen Anwendungsproblemen empirisch evaluiert. Das Verfahren führt zu genaueren Modellen im Vergleich zu existierenden metrischen Lernverfahren und existierenden Modellen zur Identifikation aus Blickbewegungen.
KW  - probabilistic deep metric learning
KW  - probabilistic deep learning
KW  - biometrics
KW  - eye movements
KW  - biometrische Identifikation
KW  - Augenbewegungen
KW  - probabilistische tiefe neuronale Netze
KW  - probabilistisches tiefes metrisches Lernen
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-467980
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A1  - Ahmad, Nadeem
T1  - People centered HMI’s for deaf and functionally illiterate users
T1  - Menschen zentrierte Mensch-Maschine-Schnittstellen für Schwerhörige und ungeschulte Anwender
N2  - The objective and motivation behind this research is to provide applications with easy-to-use interfaces to communities of deaf and functionally illiterate users, which enables them to work without any human assistance. Although recent years have witnessed technological advancements, the availability of technology does not ensure accessibility to information and communication technologies (ICT). Extensive use of text from menus to document contents means that deaf or functionally illiterate can not access services implemented on most computer software. Consequently, most existing computer applications pose an accessibility barrier to those who are unable to read fluently. Online technologies intended for such groups should be developed in continuous partnership with primary users and include a thorough investigation into their limitations, requirements and usability barriers. In this research, I investigated existing tools in voice, web and other multimedia technologies to identify learning gaps and explored ways to enhance the information literacy for deaf and functionally illiterate users. I worked on the development of user-centered interfaces to increase the capabilities of deaf and low literacy users by enhancing lexical resources and by evaluating several multimedia interfaces for them. The interface of the platform-independent Italian Sign Language (LIS) Dictionary has been developed to enhance the lexical resources for deaf users. The Sign Language Dictionary accepts Italian lemmas as input and provides their representation in the Italian Sign Language as output. The Sign Language dictionary has 3082 signs as set of Avatar animations in which each sign is linked to a corresponding Italian lemma. I integrated the LIS lexical resources with MultiWordNet (MWN) database to form the first LIS MultiWordNet(LMWN). LMWN contains information about lexical relations between words, semantic relations between lexical concepts (synsets), correspondences between Italian and sign language lexical concepts and semantic fields (domains). The approach enhances the deaf users’ understanding of written Italian language and shows that a relatively small set of lexicon can cover a significant portion of MWN. Integration of LIS signs with MWN made it useful tool for computational linguistics and natural language processing. The rule-based translation process from written Italian text to LIS has been transformed into service-oriented system. The translation process is composed of various modules including parser, semantic interpreter, generator, and spatial allocation planner. This translation procedure has been implemented in the Java Application Building Center (jABC), which is a framework for extreme model driven design (XMDD). The XMDD approach focuses on bringing software development closer to conceptual design, so that the functionality of a software solution could be understood by someone who is unfamiliar with programming concepts. The transformation addresses the heterogeneity challenge and enhances the re-usability of the system. For enhancing the e-participation of functionally illiterate users, two detailed studies were conducted in the Republic of Rwanda. In the first study, the traditional (textual) interface was compared with the virtual character-based interactive interface. The study helped to identify usability barriers and users evaluated these interfaces according to three fundamental areas of usability, i.e. effectiveness, efficiency and satisfaction. In another study, we developed four different interfaces to analyze the usability and effects of online assistance (consistent help) for functionally illiterate users and compared different help modes including textual, vocal and virtual character on the performance of semi-literate users. In our newly designed interfaces the instructions were automatically translated in Swahili language. All the interfaces were evaluated on the basis of task accomplishment, time consumption, System Usability Scale (SUS) rating and number of times the help was acquired. The results show that the performance of semi-literate users improved significantly when using the online assistance. The dissertation thus introduces a new development approach in which virtual characters are used as additional support for barely literate or naturally challenged users. Such components enhanced the application utility by offering a variety of services like translating contents in local language, providing additional vocal information, and performing automatic translation from text to sign language. Obviously, there is no such thing as one design solution that fits for all in the underlying domain. Context sensitivity, literacy and mental abilities are key factors on which I concentrated and the results emphasize that computer interfaces must be based on a thoughtful definition of target groups, purposes and objectives.
N2  - Das Ziel und die Motivation hinter dieser Forschungsarbeit ist es, Anwendungen mit benutzerfreundlichen Schnittstellen für Gehörlose und Analphabeten bereitzustellen, welche es ihnen ermöglichen ohne jede menschliche Unterstützung zu arbeiten. Obwohl es in den letzten Jahren technologische Fortschritte gab, garantiert allein die Verfügbarkeit von Technik nicht automatisch die Zugänglichkeit zu Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT). Umfangreiche Verwendung von Texten in Menüs bis hin zu Dokumenten führen dazu, dass Gehörlose und funktionale Analphabeten auf diese Dienste, die auf Computersystemen existieren, nicht zugreifen können. Folglich stellen die meisten bestehenden EDV-Anwendungen für diejenigen eine Hürde dar, die nicht fließend lesen können. Onlinetechnologien für solche Art von Gruppen sollten in kontinuierlichem Austausch mit den Hauptnutzern entwickelt werden und gründliche Untersuchung ihrer Einschränkungen, Anforderungen und Nutzungsbarrieren beinhalten. In dieser Forschungsarbeit untersuche ich vorhandene Tools im Bereich von Sprach-, Web- und anderen Multimedia-Technologien, um Lernlücken zu identifizieren und Wege zu erforschen, welche die Informationsalphabetisierung für Gehörlose und Analphabeten erweitert. Ich arbeitete an der Entwicklung einer nutzerzentrierten Schnittstelle, um die Fähigkeiten von Gehörlosen und Nutzern mit schlechter Alphabetisierung durch Verbesserung der lexikalischen Ressourcen und durch Auswertung mehrerer Multimediaschnittstellen zu erhöhen. Die Schnittstelle des plattformunabhängigen, italienischen Gebärdensprachen (LIS) Wörterbuches wurde entwickelt, um die lexikalischen Quellen für gehörlose Anwender zu verbessern. Ich integriere die LIS-lexikalischen Ressourcen mit der MultiWordNet (MWN)-Datenbank, um das erste LIS MultiWordNet (LMWN) zu bilden. LMWN enthält Informationen über lexikalische Beziehungen zwischen Wörtern, semantische Beziehungen zwischen lexikalischen Konzepten (Synsets), Gemeinsamkeiten zwischen italienischer und Gebärdensprache-lexikalischen Konzepten und semantischen Feldern (Domänen). Der Ansatz erhöht das Verständnis der tauben Nutzer geschriebene, italienischen Sprache zu verstehen und zeigt, dass ein relativ kleiner Satz an Lexika den wesentlichen Teil der MWN abdecken kann. Die Integration von LIS-Zeichen mit MWN machte es zu einem nützlichen Werkzeug für Linguistik und Sprachverarbeitung. Der regelbasierte Übersetzungsprozess von geschriebenem, italienischem Text zu LIS wurde in ein Service-orientiertes System überführt. Der Übersetzungsprozess besteht aus verschiedenen Modulen, einschließlich einem Parser, einem semantischen Interpreter, einem Generator und einem räumlichen Zuordnungs-Planer. Diese Übersetzungsprozedur wurde im Java Application Building Center (jABC) implementiert, welches ein Framework für das eXtrem Model Driven Design (XMDD) ist. Der XMDD-Ansatz konzentriert sich darauf die Softwareentwicklung näher zum konzeptionellen Design zu bringen, sodass die Funktionalität einer Softwarelösung von jemandem verstanden werden kann, der mit Programmierkonzepten unvertraut ist. Die Transformation richtet sich an die heterogene Herausforderung und verbessert die Wiederverwendbarkeit des Systems. Zur Verbesserung der E-Partizipation der funktionalen Analphabeten wurden zwei detaillierte Studien in der Republik Ruanda durchgeführt. In der ersten Studie wurde die traditionelle, textuelle Schnittstelle mit der virtuellen, charakterbasierten, interaktiven Schnittstelle verglichen. Diese Studie hat dazu beigetragen Barrieren der Benutzerfreundlichkeit zu identifizieren. Anwender evaluierten die Schnittstellen bezüglich drei grundlegender Bereiche der Benutzerfreundlichkeit: Effektivität, Effizienz und Zufriedenstellung bei der Problemlösung. In einer anderen Studie entwickelten wir vier verschiedene Schnittstellen, um die Benutzerfreundlichkeit und die Effekte der Online-Hilfe (konsequente Hilfe) für funktionale Analphabeten zu analysieren und verglichen verschiedene Hilfsmodi (einschließlich zusätzlicher Textinformationen, Audio-Unterstützung und mit Hilfe eines virtuellen Charakters) bezüglich der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von teilweisen Analphabeten, um ihre Zielstellung zu erreichen. In unseren neu gestalteten Schnittstellen wurden Anweisungen automatisch in die Swahili Sprache übersetzt. Alle Schnittstellen wurden auf der Grundlage der Aufgabenbewältigung, des Zeitaufwands, der System Usability Scale (SUS) Rate und der Anzahl der Hilfegesuche bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der teilweisen Analphabeten bei Nutzung der Online-Hilfe signifikant verbessert wurde. Diese Dissertation stellt somit einen neuen Entwicklungsansatz dar, bei welchem virtuelle Charaktere als zusätzliche Unterstützung genutzt werden, um Nutzer, die kaum lesen können oder sonstig eingeschränkt sind, zu unterstützen. Solche Komponenten erweitern die Anwendungsnutzbarkeit indem sie eine Vielzahl von Diensten wie das Übersetzen von Inhalten in eine Landessprache, das Bereitstellen von zusätzlichen akustisch, gesprochenen Informationen und die Durchführung einer automatischen Übersetzung von Text in Gebärdensprache bereitstellen. Offensichtlich gibt ist keine One Design-Lösung, die für alle zugrundeliegenden Domänen passt. Kontextsensitivität, Alphabetisierung und geistigen Fähigkeiten sind Schlüsselfaktoren, auf welche ich mich konzentriere. Die Ergebnisse unterstreichen, dass Computerschnittstellen auf einer exakten Definition der Zielgruppen, dem Zweck und den Zielen basieren müssen.
KW  - Mensch-Computer-Interaktion
KW  - assistive Technologien
KW  - HCI
KW  - user interfaces
KW  - sign language
KW  - online assistance
KW  - assistive technologies
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70391
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A1  - Al-Areqi, Samih Taha Mohammed
T1  - Semantics-based automatic geospatial service composition
T1  - Semantikbasierte automatische Komposition von GIS-Diensten
N2  - Although it has become common practice to build applications based on the reuse of existing components or services, technical complexity and semantic challenges constitute barriers to ensuring a successful and wide reuse of components and services. In the geospatial application domain, the barriers are self-evident due to heterogeneous geographic data, a lack of interoperability and complex analysis processes.
Constructing workflows manually and discovering proper services and data that match user intents and preferences is difficult and time-consuming especially for users who are not trained in software development. Furthermore, considering the multi-objective nature of environmental modeling for the assessment of climate change impacts and the various types of geospatial data (e.g., formats, scales, and georeferencing systems) increases the complexity challenges.
Automatic service composition approaches that provide semantics-based assistance in the process of workflow design have proven to be a solution to overcome these challenges and have become a frequent demand especially by end users who are not IT experts. In this light, the major contributions of this thesis are:
(i) Simplification of service reuse and workflow design of applications for climate impact analysis by following the eXtreme Model-Driven Development (XMDD) paradigm.
(ii) Design of a semantic domain model for climate impact analysis applications that comprises specifically designed services, ontologies that provide domain-specific vocabulary for referring to types and services, and the input/output annotation of the services using the terms defined in the ontologies.
(iii) Application of a constraint-driven method for the automatic composition of workflows for analyzing the impacts of sea-level rise. The application scenario demonstrates the impact of domain modeling decisions on the results and the performance of the synthesis algorithm.
N2  - Obwohl es gängige Praxis geworden ist, Anwendungen basierend auf der Wiederverwendung von existierenden Komponenten oder Diensten zu bauen, stellen technische Komplexität und semantische Herausforderungen Hindernisse beim Sicherstellen einer erfolgreichen und breiten Wiederverwendungen von Komponenten und Diensten. In der geowissenschaftlichen Anwendungsdomäne sind die Hindernisse durch heterogene geografische Daten, fehlende Interoperabilität und komplexe Analyseprozessen besonders offensichtlich.
Workflows manuell zu konstruieren und passende Dienste und Daten zu finden, welche die Nutzerabsichten und -präferenzen abdecken, ist schwierig und zeitaufwändig besonders für Nutzer, die nicht in der Softwareentwicklung ausgebildet sind. Zudem erhöhen die verschiedenen Zielrichtungen der Umweltmodellierung für die Bewertung der Auswirkungen von Klimaänderungen und die unterschiedlichen Typen geografischer Daten (z.B. Formate, Skalierungen, und Georeferenzsysteme) die Komplexität.
Automatische Dienstkompositionsansätze, die Semantik-basierte Unterstützung im Prozess des Workflowdesigns zur Verfügung stellen, haben bewiesen eine Lösung zur Bewältigung dieser Herausforderungen zu sein und sind besonders von Endnutzern, die keine IT-Experten sind, eine häufige Forderung geworden. Unter diesem Gesichtspunkt sind die Hauptbeiträge dieser Doktorarbeit:
I. Vereinfachung der Wiederverwendung von Diensten und des Workflowdesigns von Klimafolgenanalysen durch Anwendung des Paradigma des eXtreme Model-Driven Development (XMDD)
II. Design eines semantischen Domänenmodells für Anwendungen der Klimafolgenanalysen, welches speziell entwickelte Dienste, Ontologien (die domänen-spezifisches Vokabular zur Verfügung stellen, um Typen und Dienste zu beschreiben), und Eingabe-/Ausgabe-Annotationen der Dienste (unter Verwendung von Begriffen, die in den Ontologien definiert sind) enthält.
III. Anwendungen einer Constraint-getriebenen Methode für die automatische Komposition von Workflows zum Analysieren der Auswirkungen des Meeresspiegelanstiegs. Das Anwendungsszenario demonstriert die Auswirkung von Domänenmodellierungsentscheidungen auf die Ergebnisse und die Laufzeit des Synthesealgorithmus.
KW  - geospatial services
KW  - service composition
KW  - scientific workflows
KW  - semantic domain modeling
KW  - ontologies
KW  - climate impact analysis
KW  - GIS-Dienstkomposition
KW  - Wissenschaftlichesworkflows
KW  - semantische Domänenmodellierung
KW  - Ontologien
KW  - Klimafolgenanalyse
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402616
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TY  - THES
A1  - Al-Saffar, Loay Talib Ahmed
T1  - Analysing prerequisites, expectations, apprehensions, and attitudes of university students studying Computer science
T1  - Analyse von Voraussetzungen, Erwartungen, Haltungen, Einstellungen und Befürchtungen von Bachelor-Studierenden der Informatik
N2  - The main objective of this dissertation is to analyse prerequisites, expectations, apprehensions, and attitudes of students studying computer science, who are willing to gain a bachelor degree. The research will also investigate in the students’ learning style according to the Felder-Silverman model. These investigations fall in the attempt to make an impact on reducing the “dropout”/shrinkage rate among students, and to suggest a better learning environment. 
The first investigation starts with a survey that has been made at the computer science department at the University of Baghdad to investigate the attitudes of computer science students in an environment dominated by women, showing the differences in attitudes between male and female students in different study years. Students are accepted to university studies via a centrally controlled admission procedure depending mainly on their final score at school. This leads to a high percentage of students studying subjects they do not want. Our analysis shows that 75% of the female students do not regret studying computer science although it was not their first choice. And according to statistics over previous years, women manage to succeed in their study and often graduate on top of their class. We finish with a comparison of attitudes between the freshman students of two different cultures and two different university enrolment procedures (University of Baghdad, in Iraq, and the University of Potsdam, in Germany) both with opposite gender majority.  
The second step of investigation took place at the department of computer science at the University of Potsdam in Germany and analyzes the learning styles of students studying the three major fields of study offered by the department (computer science, business informatics, and computer science teaching). Investigating the differences in learning styles between the students of those study fields who usually take some joint courses is important to be aware of which changes are necessary to be adopted in the teaching methods to address those different students. It was a two stage study using two questionnaires; the main one is based on the Index of Learning Styles Questionnaire of B. A. Solomon and R. M. Felder, and the second questionnaire was an investigation on the students’ attitudes towards the findings of their personal first questionnaire. Our analysis shows differences in the preferences of learning style between male and female students of the different study fields, as well as differences between students with the different specialties (computer science, business informatics, and computer science teaching). 
The third investigation looks closely into the difficulties, issues, apprehensions and expectations of freshman students studying computer science. The study took place at the computer science department at the University of Potsdam with a volunteer sample of students. The goal is to determine and discuss the difficulties and issues that they are facing in their study that may lead them to think in dropping-out, changing the study field, or changing the university.  The research continued with the same sample of students (with business informatics students being the majority) through more than three semesters. Difficulties and issues during the study were documented, as well as students’ attitudes, apprehensions, and expectations.  Some of the professors and lecturers opinions and solutions to some students’ problems were also documented. Many participants had apprehensions and difficulties, especially towards informatics subjects. Some business informatics participants began to think of changing the university, in particular when they reached their third semester, others thought about changing their field of study. Till the end of this research, most of the participants continued in their studies (the study they have started with or the new study they have changed to) without leaving the higher education system.
N2  - Thema der Dissertation ist die Untersuchung von Voraussetzungen, Erwartungen, Haltungen, Einstellungen und Befürchtungen von Bachelor Studierenden der Informatik. Darüber hinaus werden in der vorliegenden Analyse anhand des Solomon/Felder-Modells Lerntypen unter den Informatik-Studierenden untersucht mit dem Ziel, mittels einer vorteilhafter gestalteten Lernumgebung zur Lernwirksamkeit und zur Reduktion der Abbrecherquote beizutragen.
Zunächst werden anhand einer Vergleichsstudie zwischen Informatik-Studierenden an der Universität Bagdad und an der Universität Potsdam sowie jeweils zwischen männlichen und weiblichen Studierenden Unterschiede in der Wahrnehmung des Fachs herausgearbeitet. Hierzu trägt insbesondere das irakische Studienplatzvergabeverfahren bei, das den Studierenden nur wenig Freiheiten lässt, ein Studienfach zu wählen mit dem Ergebnis, dass viele Studierende, darunter überwiegend weibliche Studierende, gegen ihre Absicht Informatik studieren. Dennoch arrangieren sich auch die weiblichen Studierenden mit dem Fach und beenden das Studium oft mit Best-Noten.
Der zweite Teil der Dissertation analysiert Lernstile von Studierenden des Instituts für Informatik der Universität Potsdam auf der Grundlage des Modells von Solomon/Felder mit dem Ziel, Hinweise für eine verbesserte Gestaltung der Lehrveranstaltungen zu gewinnen, die Lernende in der für sie geeigneten Form anspricht. Die Ergebnisse zeigen die Schwierigkeit, dieses Ziel zu erreichen, denn sowohl männliche und weibliche Studierende als auch Studierende von Informatik, Wirtschaftsinformatik und Lehramt Informatik weisen deutliche Unterschiede in den präferierten Lernstilen auf.
In einer dritten qualitativen Studie wurden mit Studierenden von Informatik, Wirtschaftsinformatik und Lehramt Informatik Interviews über einen Zeitraum der ersten drei Studiensemester geführt, um einen detaillierten Einblick in Haltungen, Einstellungen und Erwartungen zum Studium zu gewinnen sowie Probleme zu ermitteln, die möglicherweise zum Abbruch des Studiums oder zum Wechsel des Fachs oder der Universität führen können.
KW  - computer science education
KW  - dropout
KW  - changing the university
KW  - changing the study field
KW  - Computer Science
KW  - business informatics
KW  - study problems
KW  - tutorial section
KW  - higher education
KW  - teachers
KW  - professors
KW  - Informatikvoraussetzungen
KW  - Studentenerwartungen
KW  - Studentenhaltungen
KW  - Universitätseinstellungen
KW  - Bachelorstudierende der Informatik
KW  - Abbrecherquote
KW  - Wirtschaftsinformatik
KW  - Informatik
KW  - Universität Potsdam
KW  - Universität Bagdad
KW  - Probleme in der Studie
KW  - Lehrer
KW  - Professoren
KW  - Theoretischen Vorlesungen
KW  - Programmierung
KW  - Anleitung
KW  - Hochschulsystem
KW  - Informatik-Studiengänge
KW  - Didaktik der Informatik
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98437
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A1  - Andjelkovic, Marko
T1  - A methodology for characterization, modeling and mitigation of single event transient effects in CMOS standard combinational cells
T1  - Eine Methode zur Charakterisierung, Modellierung und Minderung von SET Effekten in kombinierten CMOS-Standardzellen
N2  - With the downscaling of CMOS technologies, the radiation-induced Single Event Transient (SET) effects in combinational logic have become a critical reliability issue for modern integrated circuits (ICs) intended for operation under harsh radiation conditions. The SET pulses generated in combinational logic may propagate through the circuit and eventually result in soft errors. It has thus become an imperative to address the SET effects in the early phases of the radiation-hard IC design. In general, the soft error mitigation solutions should accommodate both static and dynamic measures to ensure the optimal utilization of available resources. An efficient soft-error-aware design should address synergistically three main aspects: (i) characterization and modeling of soft errors, (ii) multi-level soft error mitigation, and (iii) online soft error monitoring. Although significant results have been achieved, the effectiveness of SET characterization methods, accuracy of predictive SET models, and efficiency of SET mitigation measures are still critical issues. Therefore, this work addresses the following topics: (i) Characterization and modeling of SET effects in standard combinational cells, (ii) Static mitigation of SET effects in standard combinational cells, and (iii) Online particle detection, as a support for dynamic soft error mitigation.
Since the standard digital libraries are widely used in the design of radiation-hard ICs, the characterization of SET effects in standard cells and the availability of accurate SET models for the Soft Error Rate (SER) evaluation are the main prerequisites for efficient radiation-hard design. This work introduces an approach for the SPICE-based standard cell characterization with the reduced number of simulations, improved SET models and optimized SET sensitivity database. It has been shown that the inherent similarities in the SET response of logic cells for different input levels can be utilized to reduce the number of required simulations. Based on characterization results, the fitting models for the SET sensitivity metrics (critical charge, generated SET pulse width and propagated SET pulse width) have been developed. The proposed models are based on the principle of superposition, and they express explicitly the dependence of the SET sensitivity of individual combinational cells on design, operating and irradiation parameters. In contrast to the state-of-the-art characterization methodologies which employ extensive look-up tables (LUTs) for storing the simulation results, this work proposes the use of LUTs for storing the fitting coefficients of the SET sensitivity models derived from the characterization results. In that way the amount of characterization data in the SET sensitivity database is reduced significantly.
The initial step in enhancing the robustness of combinational logic is the application of gate-level mitigation techniques. As a result, significant improvement of the overall SER can be achieved with minimum area, delay and power overheads. For the SET mitigation in standard cells, it is essential to employ the techniques that do not require modifying the cell structure. This work introduces the use of decoupling cells for improving the robustness of standard combinational cells. By insertion of two decoupling cells at the output of a target cell, the critical charge of the cell’s output node is increased and the attenuation of short SETs is enhanced. In comparison to the most common gate-level techniques (gate upsizing and gate duplication), the proposed approach provides better SET filtering. However, as there is no single gate-level mitigation technique with optimal performance, a combination of multiple techniques is required. This work introduces a comprehensive characterization of gate-level mitigation techniques aimed to quantify their impact on the SET robustness improvement, as well as introduced area, delay and power overhead per gate. By characterizing the gate-level mitigation techniques together with the standard cells, the required effort in subsequent SER analysis of a target design can be reduced. The characterization database of the hardened standard cells can be utilized as a guideline for selection of the most appropriate mitigation solution for a given design.
As a support for dynamic soft error mitigation techniques, it is important to enable the online detection of energetic particles causing the soft errors. This allows activating the power-greedy fault-tolerant configurations based on N-modular redundancy only at the high radiation levels. To enable such a functionality, it is necessary to monitor both the particle flux and the variation of particle LET, as these two parameters contribute significantly to the system SER. In this work, a particle detection approach based on custom-sized pulse stretching inverters is proposed. Employing the pulse stretching inverters connected in parallel enables to measure the particle flux in terms of the number of detected SETs, while the particle LET variations can be estimated from the distribution of SET pulse widths. This approach requires a purely digital processing logic, in contrast to the standard detectors which require complex mixed-signal processing. Besides the possibility of LET monitoring, additional advantages of the proposed particle detector are low detection latency and power consumption, and immunity to error accumulation.
The results achieved in this thesis can serve as a basis for establishment of an overall soft-error-aware database for a given digital library, and a comprehensive multi-level radiation-hard design flow that can be implemented with the standard IC design tools. The following step will be to evaluate the achieved results with the irradiation experiments.
N2  - Mit der Verkleinerung der Strukturen moderner CMOS-Technologien sind strahlungsinduzierte Single Event Transient (SET)-Effekte in kombinatorischer Logik zu einem kritischen Zuverlässigkeitsproblem in integrierten Schaltkreisen (ICs) geworden, die für den Betrieb unter rauen Strahlungsbedingungen (z. B. im Weltraum) vorgesehen sind. Die in der Kombinationslogik erzeugten SET-Impulse können durch die Schaltungen propagieren und schließlich in Speicherelementen (z.B. Flip-Flops oder Latches) zwischengespeichert werden, was zu sogenannten Soft-Errors  und folglich zu Datenbeschädigungen oder einem Systemausfall führt. Daher ist es in den frühen Phasen des strahlungsharten IC-Designs unerlässlich geworden, die SET-Effekte systematisch anzugehen. Im Allgemeinen sollten die Lösungen zur Minderung von Soft-Errors sowohl statische als auch dynamische Maßnahmen berücksichtigen, um die optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen sicherzustellen. Somit sollte ein effizientes Soft-Error-Aware-Design drei Hauptaspekte synergistisch berücksichtigen: (i) die Charakterisierung und Modellierung von Soft-Errors, (ii) eine mehrstufige-Soft-Error-Minderung und (iii) eine Online-Soft-Error-Überwachung. Obwohl signifikante Ergebnisse erzielt wurden, sind die Wirksamkeit der SET-Charakterisierung, die Genauigkeit von Vorhersagemodellen und die Effizienz der Minderungsmaßnahmen immer noch die kritischen Punkte. 
Daher stellt diese Arbeit die folgenden Originalbeiträge vor: 
• Eine ganzheitliche Methodik zur SPICE-basierten Charakterisierung von SET-Effekten in kombinatorischen Standardzellen und entsprechenden Härtungskonfigurationen auf Gate-Ebene mit reduzierter Anzahl von Simulationen und reduzierter SET-Sensitivitätsdatenbank.
• Analytische Modelle für SET-Empfindlichkeit (kritische Ladung, erzeugte SET-Pulsbreite und propagierte SET-Pulsbreite), basierend auf dem Superpositionsprinzip und Anpassung der Ergebnisse aus SPICE-Simulationen.
• Ein Ansatz zur SET-Abschwächung auf Gate-Ebene, der auf dem Einfügen von zwei Entkopplungszellen am Ausgang eines Logikgatters basiert, was den Anstieg der kritischen Ladung und die signifikante Unterdrückung kurzer SETs beweist.
• Eine vergleichende Charakterisierung der vorgeschlagenen SET-Abschwächungstechnik mit Entkopplungszellen und sieben bestehenden Techniken durch eine quantitative Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Verbesserung der SET-Robustheit einzelner Logikgatter.
• Ein Partikeldetektor auf Basis von Impulsdehnungs-Invertern in Skew-Größe zur Online-Überwachung des Partikelflusses und der LET-Variationen mit rein digitaler Anzeige.
Die in dieser Dissertation erzielten Ergebnisse können als Grundlage für den Aufbau einer umfassenden Soft-Error-aware-Datenbank für eine gegebene digitale Bibliothek und eines umfassenden mehrstufigen strahlungsharten Designflusses dienen, der mit den Standard-IC-Designtools implementiert werden kann. Im nächsten Schritt werden die mit den Bestrahlungsexperimenten erzielten Ergebnisse ausgewertet.
KW  - Single Event Transient
KW  - radiation hardness design
KW  - Single Event Transient
KW  - Strahlungshärte Entwurf
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-534843
ER  - 
TY  - THES
A1  - Awad, Ahmed Mahmoud Hany Aly
T1  - A compliance management framework for business process models
T1  - Ein Compliance-Management-Framework für Geschäftsprozessmodelle
N2  - Companies develop process models to explicitly describe their business operations. In the same time, business operations, business processes, must adhere to various types of compliance requirements. Regulations, e.g., Sarbanes Oxley Act of 2002, internal policies, best practices are just a few sources of compliance requirements. In some cases, non-adherence to compliance requirements makes the organization subject to legal punishment. In other cases, non-adherence to compliance leads to loss of competitive advantage and thus loss of market share. Unlike the classical domain-independent behavioral correctness of business processes, compliance requirements are domain-specific. Moreover, compliance requirements change over time. New requirements might appear due to change in laws and adoption of new policies. Compliance requirements are offered or enforced by different entities that have different objectives behind these requirements. Finally, compliance requirements might affect different aspects of business processes, e.g., control flow and data flow. As a result, it is infeasible to hard-code compliance checks in tools. Rather, a repeatable process of modeling compliance rules and checking them against business processes automatically is needed. This thesis provides a formal approach to support process design-time compliance checking. Using visual patterns, it is possible to model compliance requirements concerning control flow, data flow and conditional flow rules. Each pattern is mapped into a temporal logic formula. The thesis addresses the problem of consistency checking among various compliance requirements, as they might stem from divergent sources. Also, the thesis contributes to automatically check compliance requirements against process models using model checking. We show that extra domain knowledge, other than expressed in compliance rules, is needed to reach correct decisions. In case of violations, we are able to provide a useful feedback to the user. The feedback is in the form of parts of the process model whose execution causes the violation. In some cases, our approach is capable of providing automated remedy of the violation.
N2  - Firmen entwickeln Prozessmodelle um ihre Geschäftstätigkeit explizit zu beschreiben. Geschäftsprozesse müssen verschiedene Arten von Compliance-Anforderungen einhalten. Solche Compliance-Anforderungen entstammen einer Vielzahl von Quellen, z.B. Verordnung wie dem Sarbanes Oxley Act von 2002, interne Richtlinien und Best Practices. Die Nichteinhaltung von Compliance-Anforderungen kann zu gesetzlichen Strafen oder dem Verlust von Wettbewerbsvorteilen und somit dem Verlust von Marktanteilen führen. Im Gegensatz zum klassischen, domänen-unabhängigen Begriff der Korrektheit von Geschäftsprozessen, sind Compliance-Anforderungen domain-spezifisch und ändern sich im Laufe der Zeit. Neue Anforderungen resultieren aus neuen Gesetzen und der Einführung neuer Unternehmensrichtlinien. Aufgrund der Vielzahl der Quellen für Compliance-Anforderungen, können sie unterschiedliche Ziele verfolgen und somit widersprüchliche Aussagen treffen. Schließlich betreffen Compliance-Anforderungen verschiedene Aspekte von Geschäftsprozessen, wie Kontrollfluss- und Datenabhängigkeiten. Auf Grund dessen können Compliance-Prüfungen nicht direkt Hard-coded werden. Vielmehr ist ein Prozess der wiederholten Modellierung von Compliance-Regeln und ihrer anschließenden automatischen Prüfung gegen die Geschäftsprozesse nötig. Diese Dissertation stellt einen formalen Ansatz zur Überprüfung der Einhaltung von Compliance-Regeln während der Spezifikation von Geschäftsprozessen vor. Mit visuellen Mustern ist es möglich, Compliance-Regeln hinsichtlich Kontrollfluss- und Datenabhängigkeiten sowie bedingte Regeln zu spezifizieren. Jedes Muster wird in eine Formel der temporalen Logik abgebildet. Die Dissertation behandelt das Problem der Konsistenzprüfung zwischen verschiedenen Compliance-Anforderungen, wie sie sich aus unterschiedlichen Quellen ergeben können. Ebenfalls zeigt diese Dissertation, wie Compliance-Regeln gegen die Geschäftsprozesse automatisch mittels Model Checking geprüft werden. Es wird aufgezeigt, dass zusätzliche Domänen-Kenntnisse notwendig sind, um richtige Entscheidungen zu treffen. Der vorgestelle Ansatz ermöglicht nützliches Feedback für Modellierer im Fall eines Compliance-Verstoßes. Das Feedback wird in Form von Teilen des Prozessmodells gegeben, deren Ausführung die Verletzung verursacht. In einigen Fällen ist der vorgestellte Ansatz in der Lage, den Compliance-Verstoß automatisch zu beheben.
KW  - Geschäftsprozessmodelle
KW  - Compliance
KW  - Temporallogik
KW  - Verletzung Erklärung
KW  - Verletzung Auflösung
KW  - Business Process Models
KW  - Compliance
KW  - Temporal Logic
KW  - Violation Explanation
KW  - Violation Resolution
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49222
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TY  - THES
A1  - Bickel, Steffen
T1  - Learning under differing training and test distributions
T1  - Lernen mit unterschiedlichen Trainings- und Testverteilungen
N2  - One of the main problems in machine learning is to train a predictive model from training data and to make predictions on test data. Most predictive models are constructed under the assumption that the training data is governed by the exact same distribution which the model will later be exposed to. In practice, control over the data collection process is often imperfect. A typical scenario is when labels are collected by questionnaires and one does not have access to the test population. For example, parts of the test population are underrepresented in the survey, out of reach, or do not return the questionnaire. In many applications training data from the test distribution are scarce because they are difficult to obtain or very expensive. Data from auxiliary sources drawn from similar distributions are often cheaply available. This thesis centers around learning under differing training and test distributions and covers several problem settings with different assumptions on the relationship between training and test distributions-including multi-task learning and learning under covariate shift and sample selection bias. Several new models are derived that directly characterize the divergence between training and test distributions, without the intermediate step of estimating training and test distributions separately. The integral part of these models are rescaling weights that match the rescaled or resampled training distribution to the test distribution. Integrated models are studied where only one optimization problem needs to be solved for learning under differing distributions. With a two-step approximation to the integrated models almost any supervised learning algorithm can be adopted to biased training data. In case studies on spam filtering, HIV therapy screening, targeted advertising, and other applications the performance of the new models is compared to state-of-the-art reference methods.
N2  - Eines der wichtigsten Probleme im Maschinellen Lernen ist das Trainieren von Vorhersagemodellen aus Trainingsdaten und das Ableiten von Vorhersagen für Testdaten. Vorhersagemodelle basieren üblicherweise auf der Annahme, dass Trainingsdaten aus der gleichen Verteilung gezogen werden wie Testdaten. In der Praxis ist diese Annahme oft nicht erfüllt, zum Beispiel, wenn Trainingsdaten durch Fragebögen gesammelt werden. Hier steht meist nur eine verzerrte Zielpopulation zur Verfügung, denn Teile der Population können unterrepräsentiert sein, nicht erreichbar sein, oder ignorieren die Aufforderung zum Ausfüllen des Fragebogens. In vielen Anwendungen stehen nur sehr wenige Trainingsdaten aus der Testverteilung zur Verfügung, weil solche Daten teuer oder aufwändig zu sammeln sind. Daten aus alternativen Quellen, die aus ähnlichen Verteilungen gezogen werden, sind oft viel einfacher und günstiger zu beschaffen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Lernen von Vorhersagemodellen aus Trainingsdaten, deren Verteilung sich von der Testverteilung unterscheidet. Es werden verschiedene Problemstellungen behandelt, die von unterschiedlichen Annahmen über die Beziehung zwischen Trainings- und Testverteilung ausgehen. Darunter fallen auch Multi-Task-Lernen und Lernen unter Covariate Shift und Sample Selection Bias. Es werden mehrere neue Modelle hergeleitet, die direkt den Unterschied zwischen Trainings- und Testverteilung charakterisieren, ohne dass eine einzelne Schätzung der Verteilungen nötig ist. Zentrale Bestandteile der Modelle sind Gewichtungsfaktoren, mit denen die Trainingsverteilung durch Umgewichtung auf die Testverteilung abgebildet wird. Es werden kombinierte Modelle zum Lernen mit verschiedenen Trainings- und Testverteilungen untersucht, für deren Schätzung nur ein einziges Optimierungsproblem gelöst werden muss. Die kombinierten Modelle können mit zwei Optimierungsschritten approximiert werden und dadurch kann fast jedes gängige Vorhersagemodell so erweitert werden, dass verzerrte Trainingsverteilungen korrigiert werden. In Fallstudien zu Email-Spam-Filterung, HIV-Therapieempfehlung, Zielgruppenmarketing und anderen Anwendungen werden die neuen Modelle mit Referenzmethoden verglichen.
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Verteilungsunterschied
KW  - Selektionsbias
KW  - Multi-Task-Lernen
KW  - Machine Learning
KW  - Covariate Shift
KW  - Sample Selection Bias
KW  - Multi Task Learning
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-33331
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TY  - THES
A1  - Blum, Niklas
T1  - Formalization of a converged internet and telecommunications service environment
T1  - Formalisierung einer konvergenten Telekommunikations- undInternet-Dienstumgebung
N2  - The programmable network envisioned in the 1990s within standardization and research for the Intelligent Network is currently coming into reality using IPbased Next Generation Networks (NGN) and applying Service-Oriented Architecture (SOA) principles for service creation, execution, and hosting. SOA is the foundation for both next-generation telecommunications and middleware architectures, which are rapidly converging on top of commodity transport services. Services such as triple/quadruple play, multimedia messaging, and presence are enabled by the emerging service-oriented IPMultimedia Subsystem (IMS), and allow telecommunications service providers to maintain, if not improve, their position in the marketplace. SOA becomes the de facto standard in next-generation middleware systems as the system model of choice to interconnect service consumers and providers within and between enterprises. We leverage previous research activities in overlay networking technologies along with recent advances in network abstraction, service exposure, and service creation to develop a paradigm for a service environment providing converged Internet and Telecommunications services that we call Service Broker. Such a Service Broker provides mechanisms to combine and mediate between different service paradigms from the two domains Internet/WWW and telecommunications. Furthermore, it enables the composition of services across these domains and is capable of defining and applying temporal constraints during creation and execution time. By adding network-awareness into the service fabric, such a Service Broker may also act as a next generation network-to-service element allowing the composition of crossdomain and cross-layer network and service resources. The contribution of this research is threefold: first, we analyze and classify principles and technologies from Information Technologies (IT) and telecommunications to identify and discuss issues allowing cross-domain composition in a converging service layer. Second, we discuss service composition methods allowing the creation of converged services on an abstract level; in particular, we present a formalized method for model-checking of such compositions. Finally, we propose a Service Broker architecture converging Internet and Telecom services. This environment enables cross-domain feature interaction in services through formalized obligation policies acting as constraints during service discovery, creation, and execution time.
N2  - Das programmierbare Netz, das Ende des 20. Jahrhunderts in der Standardisierung und Forschung für das Intelligente Netz entworfen wurde, wird nun Realität in einem auf das Internet Protokoll basierendem Netz der nächsten Generation (Next Generation Network). Hierfür kommen Prinzipien aus der Informationstechnologie, insbesondere aus dem Bereich dienstorientierte Architekturen (Service-Oriented Architecture / SOA) für die Diensterstellung, -ausführung und -betrieb zum Tragen. SOA bietet hierbei die theoretische Grundlage für Telekommunikationsnetze, vor allem jedoch für die dazugehörigen Dienstplattformen. Diese erlauben dem Telekommunikationsbetreiber seine Position in einem offenen Marktplatz der Dienste auszubauen. Dazu bedarf es allerdings möglichst flexibler Dienstumgebungen, die die Kooperation zwischen Dienstanbietern und Nutzern aus unterschiedlichsten Domänen durch Unterstützung geeigneter Werkzeuge und Mechanismen fördert. Im Rahmen dieser Dissertation definieren wir aufbauend auf Forschungsergebnisse im Bereich Overlay-Netze, Netzabstraktion und Zugriff auf exponierte Dienste eine Service Broker genannte Dienstumgebung für konvergente Internet- und Telekommunikationsdienste. Dieser Service Broker stellt Mechanismen für die Komposition von Diensten und Mediation zwischen unterschiedlichen Dienstparadigmen und Domänenspezifika beim Dienstaufruf zur Verfügung. Der Forschungsbeitrag dieser Arbeit findet auf unterschiedlichen Ebenen statt: Aufbauend auf einer Analyse und Klassifikation von Technologien und Paradigmen aus den Bereichen Informationstechnologie (IT) und Telekommunikation diskutieren wir die Problemstellung der Kooperation von Diensten und deren Komposition über Domänengrenzen hinweg. In einem zweiten Schritt diskutieren wir Methoden der Dienstkomposition und präsentieren eine formalisierte Methode der modellbasierten Diensterstellung. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Spezifikation der Service Broker Dienstumgebung und einem zugrundeliegenden Informations- und Datenmodell. Diese Architektur erlaubt die Komposition und Kooperation von Diensten über Domänengrenzen hinweg, um konvergente Internet- und Telekommunikationsdienste zu realisieren. Hierfür wird ein auf Obligationspolitiken basierendes Regelsystemformalisiert, das Interaktionen zwischen Dienstmerkmalen während der Diensterstellung und -ausführung definiert.
KW  - Telekommunikation
KW  - konvergente Dienste
KW  - Next Generation Network
KW  - Dienstplattform
KW  - Dienstkomposition
KW  - Service Delivery Platform
KW  - Next Generation Network
KW  - Service Creation
KW  - Service convergence
KW  - Policy Enforcement
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51146
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TY  - THES
A1  - Brauer, Falk
T1  - Extraktion und Identifikation von Entitäten in Textdaten im Umfeld der Enterprise Search
T1  - Extraction and identification of entities in text data in the field of enterprise search
N2  - Die automatische Informationsextraktion (IE) aus unstrukturierten Texten ermöglicht völlig neue Wege, auf relevante Informationen zuzugreifen und deren Inhalte zu analysieren, die weit über bisherige Verfahren zur Stichwort-basierten Dokumentsuche hinausgehen. Die Entwicklung von Programmen zur Extraktion von maschinenlesbaren Daten aus Texten erfordert jedoch nach wie vor die Entwicklung von domänenspezifischen Extraktionsprogrammen. Insbesondere im Bereich der Enterprise Search (der Informationssuche im Unternehmensumfeld), in dem eine große Menge von heterogenen Dokumenttypen existiert, ist es oft notwendig ad-hoc Programm-module zur Extraktion von geschäftsrelevanten Entitäten zu entwickeln, die mit generischen Modulen in monolithischen IE-Systemen kombiniert werden. Dieser Umstand ist insbesondere kritisch, da potentiell für jeden einzelnen Anwendungsfall ein von Grund auf neues IE-System entwickelt werden muss. Die vorliegende Dissertation untersucht die effiziente Entwicklung und Ausführung von IE-Systemen im Kontext der Enterprise Search und effektive Methoden zur Ausnutzung bekannter strukturierter Daten im Unternehmenskontext für die Extraktion und Identifikation von geschäftsrelevanten Entitäten in Doku-menten. Grundlage der Arbeit ist eine neuartige Plattform zur Komposition von IE-Systemen auf Basis der Beschreibung des Datenflusses zwischen generischen und anwendungsspezifischen IE-Modulen. Die Plattform unterstützt insbesondere die Entwicklung und Wiederverwendung von generischen IE-Modulen und zeichnet sich durch eine höhere Flexibilität und Ausdrucksmächtigkeit im Vergleich zu vorherigen Methoden aus. Ein in der Dissertation entwickeltes Verfahren zur Dokumentverarbeitung interpretiert den Daten-austausch zwischen IE-Modulen als Datenströme und ermöglicht damit eine weitgehende Parallelisierung von einzelnen Modulen. Die autonome Ausführung der Module führt zu einer wesentlichen Beschleu-nigung der Verarbeitung von Einzeldokumenten und verbesserten Antwortzeiten, z. B. für Extraktions-dienste. Bisherige Ansätze untersuchen lediglich die Steigerung des durchschnittlichen Dokumenten-durchsatzes durch verteilte Ausführung von Instanzen eines IE-Systems. Die Informationsextraktion im Kontext der Enterprise Search unterscheidet sich z. B. von der Extraktion aus dem World Wide Web dadurch, dass in der Regel strukturierte Referenzdaten z. B. in Form von Unternehmensdatenbanken oder Terminologien zur Verfügung stehen, die oft auch die Beziehungen von Entitäten beschreiben. Entitäten im Unternehmensumfeld haben weiterhin bestimmte Charakteristiken: Eine Klasse von relevanten Entitäten folgt bestimmten Bildungsvorschriften, die nicht immer bekannt sind, auf die aber mit Hilfe von bekannten Beispielentitäten geschlossen werden kann, so dass unbekannte Entitäten extrahiert werden können. Die Bezeichner der anderen Klasse von Entitäten haben eher umschreibenden Charakter. Die korrespondierenden Umschreibungen in Texten können variieren, wodurch eine Identifikation derartiger Entitäten oft erschwert wird. Zur effizienteren Entwicklung von IE-Systemen wird in der Dissertation ein Verfahren untersucht, das alleine anhand von Beispielentitäten effektive Reguläre Ausdrücke zur Extraktion von unbekannten Entitäten erlernt und damit den manuellen Aufwand in derartigen Anwendungsfällen minimiert. Verschiedene Generalisierungs- und Spezialisierungsheuristiken erkennen Muster auf verschiedenen Abstraktionsebenen und schaffen dadurch einen Ausgleich zwischen Genauigkeit und Vollständigkeit bei der Extraktion. Bekannte Regellernverfahren im Bereich der Informationsextraktion unterstützen die beschriebenen Problemstellungen nicht, sondern benötigen einen (annotierten) Dokumentenkorpus. Eine Methode zur Identifikation von Entitäten, die durch Graph-strukturierte Referenzdaten vordefiniert sind, wird als dritter Schwerpunkt untersucht. Es werden Verfahren konzipiert, welche über einen exakten Zeichenkettenvergleich zwischen Text und Referenzdatensatz hinausgehen und Teilübereinstimmungen und Beziehungen zwischen Entitäten zur Identifikation und Disambiguierung heranziehen. Das in der Arbeit vorgestellte Verfahren ist bisherigen Ansätzen hinsichtlich der Genauigkeit und Vollständigkeit bei der Identifikation überlegen.
N2  - The automatic information extraction (IE) from unstructured texts enables new ways to access relevant information and analyze text contents, which goes beyond existing technologies for keyword-based search in document collections. However, the development of systems for extracting machine-readable data from text still requires the implementation of domain-specific extraction programs. In particular in the field of enterprise search (the retrieval of information in the enterprise settings), in which a large amount of heterogeneous document types exists, it is often necessary to develop ad-hoc program-modules and to combine them with generic program components to extract by business relevant entities. This is particularly critical, as potentially for each individual application a new IE system must be developed from scratch. In this work we examine efficient methods to develop and execute IE systems in the context of enterprise search and effective algorithms to exploit pre-existing structured data in the business context for the extraction and identification of business entities in documents. The basis of this work is a novel platform for composition of IE systems through the description of the data flow between generic and application-specific IE modules. The platform supports in particular the development and reuse of generic IE modules and is characterized by a higher flexibility as compared to previous methods. A technique developed in this work interprets the document processing as data stream between IE modules and thus enables an extensive parallelization of individual modules. The autonomous execution of each module allows for a significant runtime improvement for individual documents and thus improves response times, e.g. for extraction services. Previous parallelization approaches focused only on an improved throughput for large document collections, e.g., by leveraging distributed instances of an IE system. Information extraction in the context of enterprise search differs for instance from the extraction from the World Wide Web by the fact that usually a variety of structured reference data (corporate databases or terminologies) is available, which often describes the relationships among entities. Furthermore, entity names in a business environment usually follow special characteristics: On the one hand relevant entities such as product identifiers follow certain patterns that are not always known beforehand, but can be inferred using known sample entities, so that unknown entities can be extracted. On the other hand many designators have a more descriptive character (concatenation of descriptive words). The respective references in texts might differ due to the diversity of potential descriptions, often making the identification of such entities difficult. To address IE applications in the presence of available structured data, we study in this work the inference of effective regular expressions from given sample entities. Various generalization and specialization heuristics are used to identify patterns at different syntactic abstraction levels and thus generate regular expressions which promise both high recall and precision. Compared to previous rule learning techniques in the field of information extraction, our technique does not require any annotated document corpus. A method for the identification of entities that are predefined by graph structured reference data is examined as a third contribution. An algorithm is presented which goes beyond an exact string comparison between text and reference data set. It allows for an effective identification and disambiguation of potentially discovered entities by exploitation of approximate matching strategies. The method leverages further relationships among entities for identification and disambiguation. The method presented in this work is superior to previous approaches with regard to precision and recall.
KW  - Informationsextraktion
KW  - Enterprise Search
KW  - Parallele Datenverarbeitung
KW  - Grammatikalische Inferenz
KW  - Graph-basiertes Ranking
KW  - information extraction
KW  - enterprise search
KW  - multi core data processing
KW  - grammar inference
KW  - graph-based ranking
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51409
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TY  - THES
A1  - Brückner, Michael
T1  - Prediction games : machine learning in the presence of an adversary
T1  - Prädiktionsspiele : maschinelles Lernen in Anwesenheit eines Gegners
N2  - In many applications one is faced with the problem of inferring some functional relation between input and output variables from given data. Consider, for instance, the task of email spam filtering where one seeks to find a model which automatically assigns new, previously unseen emails to class spam or non-spam. Building such a predictive model based on observed training inputs (e.g., emails) with corresponding outputs (e.g., spam labels) is a major goal of machine learning. Many learning methods assume that these training data are governed by the same distribution as the test data which the predictive model will be exposed to at application time. That assumption is violated when the test data are generated in response to the presence of a predictive model. This becomes apparent, for instance, in the above example of email spam filtering. Here, email service providers employ spam filters and spam senders engineer campaign templates such as to achieve a high rate of successful deliveries despite any filters. Most of the existing work casts such situations as learning robust models which are unsusceptible against small changes of the data generation process. The models are constructed under the worst-case assumption that these changes are performed such to produce the highest possible adverse effect on the performance of the predictive model. However, this approach is not capable to realistically model the true dependency between the model-building process and the process of generating future data. We therefore establish the concept of prediction games: We model the interaction between a learner, who builds the predictive model, and a data generator, who controls the process of data generation, as an one-shot game. The game-theoretic framework enables us to explicitly model the players' interests, their possible actions, their level of knowledge about each other, and the order at which they decide for an action. We model the players' interests as minimizing their own cost function which both depend on both players' actions. The learner's action is to choose the model parameters and the data generator's action is to perturbate the training data which reflects the modification of the data generation process with respect to the past data. We extensively study three instances of prediction games which differ regarding the order in which the players decide for their action. We first assume that both player choose their actions simultaneously, that is, without the knowledge of their opponent's decision. We identify conditions under which this Nash prediction game has a meaningful solution, that is, a unique Nash equilibrium, and derive algorithms that find the equilibrial prediction model. As a second case, we consider a data generator who is potentially fully informed about the move of the learner. This setting establishes a Stackelberg competition. We derive a relaxed optimization criterion to determine the solution of this game and show that this Stackelberg prediction game generalizes existing prediction models. Finally, we study the setting where the learner observes the data generator's action, that is, the (unlabeled) test data, before building the predictive model. As the test data and the training data may be governed by differing probability distributions, this scenario reduces to learning under covariate shift. We derive a new integrated as well as a two-stage method to account for this data set shift. In case studies on email spam filtering we empirically explore properties of all derived models as well as several existing baseline methods. We show that spam filters resulting from the Nash prediction game as well as the Stackelberg prediction game in the majority of cases outperform other existing baseline methods.
N2  - Eine der Aufgabenstellungen des Maschinellen Lernens ist die Konstruktion von Vorhersagemodellen basierend auf gegebenen Trainingsdaten. Ein solches Modell beschreibt den Zusammenhang zwischen einem Eingabedatum, wie beispielsweise einer E-Mail, und einer Zielgröße; zum Beispiel, ob die E-Mail durch den Empfänger als erwünscht oder unerwünscht empfunden wird. Dabei ist entscheidend, dass ein gelerntes Vorhersagemodell auch die Zielgrößen zuvor unbeobachteter Testdaten korrekt vorhersagt. Die Mehrzahl existierender Lernverfahren wurde unter der Annahme entwickelt, dass Trainings- und Testdaten derselben Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegen. Insbesondere in Fällen in welchen zukünftige Daten von der Wahl des Vorhersagemodells abhängen, ist diese Annahme jedoch verletzt. Ein Beispiel hierfür ist das automatische Filtern von Spam-E-Mails durch E-Mail-Anbieter. Diese konstruieren Spam-Filter basierend auf zuvor empfangenen E-Mails. Die Spam-Sender verändern daraufhin den Inhalt und die Gestaltung der zukünftigen Spam-E-Mails mit dem Ziel, dass diese durch die Filter möglichst nicht erkannt werden. Bisherige Arbeiten zu diesem Thema beschränken sich auf das Lernen robuster Vorhersagemodelle welche unempfindlich gegenüber geringen Veränderungen des datengenerierenden Prozesses sind. Die Modelle werden dabei unter der Worst-Case-Annahme konstruiert, dass diese Veränderungen einen maximal negativen Effekt auf die Vorhersagequalität des Modells haben. Diese Modellierung beschreibt die tatsächliche Wechselwirkung zwischen der Modellbildung und der Generierung zukünftiger Daten nur ungenügend. Aus diesem Grund führen wir in dieser Arbeit das Konzept der Prädiktionsspiele ein. Die Modellbildung wird dabei als mathematisches Spiel zwischen einer lernenden und einer datengenerierenden Instanz beschrieben. Die spieltheoretische Modellierung ermöglicht es uns, die Interaktion der beiden Parteien exakt zu beschreiben. Dies umfasst die jeweils verfolgten Ziele, ihre Handlungsmöglichkeiten, ihr Wissen übereinander und die zeitliche Reihenfolge, in der sie agieren. Insbesondere die Reihenfolge der Spielzüge hat einen entscheidenden Einfluss auf die spieltheoretisch optimale Lösung. Wir betrachten zunächst den Fall gleichzeitig agierender Spieler, in welchem sowohl der Lerner als auch der Datengenerierer keine Kenntnis über die Aktion des jeweils anderen Spielers haben. Wir leiten hinreichende Bedingungen her, unter welchen dieses Spiel eine Lösung in Form eines eindeutigen Nash-Gleichgewichts besitzt. Im Anschluss diskutieren wir zwei verschiedene Verfahren zur effizienten Berechnung dieses Gleichgewichts. Als zweites betrachten wir den Fall eines Stackelberg-Duopols. In diesem Prädiktionsspiel wählt der Lerner zunächst das Vorhersagemodell, woraufhin der Datengenerierer in voller Kenntnis des Modells reagiert. Wir leiten ein relaxiertes Optimierungsproblem zur Bestimmung des Stackelberg-Gleichgewichts her und stellen ein mögliches Lösungsverfahren vor. Darüber hinaus diskutieren wir, inwieweit das Stackelberg-Modell bestehende robuste Lernverfahren verallgemeinert. Abschließend untersuchen wir einen Lerner, der auf die Aktion des Datengenerierers, d.h. der Wahl der Testdaten, reagiert. In diesem Fall sind die Testdaten dem Lerner zum Zeitpunkt der Modellbildung bekannt und können in den Lernprozess einfließen. Allerdings unterliegen die Trainings- und Testdaten nicht notwendigerweise der gleichen Verteilung. Wir leiten daher ein neues integriertes sowie ein zweistufiges Lernverfahren her, welche diese Verteilungsverschiebung bei der Modellbildung berücksichtigen. In mehreren Fallstudien zur Klassifikation von Spam-E-Mails untersuchen wir alle hergeleiteten, sowie existierende Verfahren empirisch. Wir zeigen, dass die hergeleiteten spieltheoretisch-motivierten Lernverfahren in Summe signifikant bessere Spam-Filter erzeugen als alle betrachteten Referenzverfahren.
KW  - Prädiktionsspiel
KW  - Adversarial Learning
KW  - Angewandte Spieltheorie
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Spam-Filter
KW  - Prediction Game
KW  - Adversarial Learning
KW  - Applied Game Theory
KW  - Machine Learning
KW  - Spam Filtering
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60375
SN  - 978-3-86956-203-2
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
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TY  - THES
A1  - Buchholz, Henrik
T1  - Real-time visualization of 3D city models
T1  - Echtzeit-Visualisierung von 3D-Stadtmodellen
N2  - An increasing number of applications requires user interfaces that facilitate the handling of large geodata sets. Using virtual 3D city models, complex geospatial information can be communicated visually in an intuitive way. Therefore, real-time visualization of virtual 3D city models represents a key functionality for interactive exploration, presentation, analysis, and manipulation of geospatial data. This thesis concentrates on the development and implementation of concepts and techniques for real-time city model visualization. It discusses rendering algorithms as well as complementary modeling concepts and interaction techniques. Particularly, the work introduces a new real-time rendering technique to handle city models of high complexity concerning texture size and number of textures. Such models are difficult to handle by current technology, primarily due to two problems: - Limited texture memory: The amount of simultaneously usable texture data is limited by the memory of the graphics hardware. - Limited number of textures: Using several thousand different textures simultaneously causes significant performance problems due to texture switch operations during rendering. The multiresolution texture atlases approach, introduced in this thesis, overcomes both problems. During rendering, it permanently maintains a small set of textures that are sufficient for the current view and the screen resolution available. The efficiency of multiresolution texture atlases is evaluated in performance tests. To summarize, the results demonstrate that the following goals have been achieved: - Real-time rendering becomes possible for 3D scenes whose amount of texture data exceeds the main memory capacity. - Overhead due to texture switches is kept permanently low, so that the number of different textures has no significant effect on the rendering frame rate. Furthermore, this thesis introduces two new approaches for real-time city model visualization that use textures as core visualization elements: - An approach for visualization of thematic information. - An approach for illustrative visualization of 3D city models. Both techniques demonstrate that multiresolution texture atlases provide a basic functionality for the development of new applications and systems in the domain of city model visualization.
N2  - Eine zunehmende Anzahl von Anwendungen benötigt Benutzungsschnittstellen, um den Umgang mit großen Geodatenmengen zu ermöglichen. Virtuelle 3D-Stadtmodelle bieten eine Möglichkeit, komplexe raumbezogene Informationen auf intuitive Art und Weise visuell erfassbar zu machen. Echtzeit-Visualisierung virtueller Stadtmodelle bildet daher eine Grundlage für die interaktive Exploration, Präsentation, Analyse und Bearbeitung raumbezogener Daten. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung von Konzepten und Techniken für die Echtzeit-Visualisierung virtueller 3D-Stadtmodelle. Diese umfassen sowohl Rendering-Algorithmen als auch dazu komplementäre Modellierungskonzepte und Interaktionstechniken. Insbesondere wird in dieser Arbeit eine neue Echtzeit-Rendering-Technik für Stadtmodelle hoher Komplexität hinsichtlich Texturgröße und Texturanzahl vorgestellt. Solche Modelle sind durch die derzeit zur Verfügung stehende Technologie schwierig zu bewältigen, vor allem aus zwei Gründen: - Begrenzter Textur-Speicher: Die Menge an gleichzeitig nutzbaren Texturdaten ist beschränkt durch den Speicher der Grafik-Hardware. - Begrenzte Textur-Anzahl: Die gleichzeitige Verwendung mehrerer tausend Texturen verursacht erhebliche Performance-Probleme aufgrund von Textur-Umschaltungs-Operationen während des Renderings. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren, das Rendering mit Multiresolutions-Texturatlanten löst beide Probleme. Während der Darstellung wird dazu permanent eine kleine Textur-Menge verwaltet, die für die aktuelle Sichtperspektive und die zur Verfügung stehende Bildschirmauflösung hinreichend ist. Die Effizienz des Verfahrens wird in Performance-Tests untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die folgenden Ziele erreicht werden: - Echtzeit-Darstellung wird für Modelle möglich, deren Texturdaten-Menge die Kapazität des Hauptspeichers übersteigt. - Der Overhead durch Textur-Umschaltungs-Operationen wird permanent niedrig gehalten, so dass die Anzahl der unterschiedlichen Texturen keinen wesentlichen Einfluss auf die Bildrate der Darstellung hat. Die Arbeit stellt außerdem zwei neue Ansätze zur 3D-Stadtmodell-Visualisierung vor, in denen Texturen als zentrale Visualisierungselemente eingesetzt werden: - Ein Verfahren zur Visualisierung thematischer Informationen. - Ein Verfahren zur illustrativen Visualisierung von 3D-Stadtmodellen. Beide Ansätze zeigen, dass Rendering mit Multiresolutions-Texturatlanten eine Grundlage für die Entwicklung neuer Anwendungen und Systeme im Bereich der 3D-Stadtmodell-Visualisierung bietet.
KW  - Computergrafik
KW  - Geovisualisierung
KW  - 3D-Stadtmodelle
KW  - Texturen
KW  - computer graphics
KW  - geovisualization
KW  - 3d city models
KW  - textures
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13337
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TY  - THES
A1  - Böhm, Christoph
T1  - Enriching the Web of Data with topics and links
T1  - Anreicherung des Web of Data mit Themen und Verknüpfungen
N2  - This thesis presents novel ideas and research findings for the Web of Data – a global data space spanning many so-called Linked Open Data sources. Linked Open Data adheres to a set of simple principles to allow easy access and reuse for data published on the Web. Linked Open Data is by now an established concept and many (mostly academic) publishers adopted the principles building a powerful web of structured knowledge available to everybody. However, so far, Linked Open Data does not yet play a significant role among common web technologies that currently facilitate a high-standard Web experience. In this work, we thoroughly discuss the state-of-the-art for Linked Open Data and highlight several shortcomings – some of them we tackle in the main part of this work. First, we propose a novel type of data source meta-information, namely the topics of a dataset. This information could be published with dataset descriptions and support a variety of use cases, such as data source exploration and selection. For the topic retrieval, we present an approach coined Annotated Pattern Percolation (APP), which we evaluate with respect to topics extracted from Wikipedia portals. Second, we contribute to entity linking research by presenting an optimization model for joint entity linking, showing its hardness, and proposing three heuristics implemented in the LINked Data Alignment (LINDA) system. Our first solution can exploit multi-core machines, whereas the second and third approach are designed to run in a distributed shared-nothing environment. We discuss and evaluate the properties of our approaches leading to recommendations which algorithm to use in a specific scenario. The distributed algorithms are among the first of their kind, i.e., approaches for joint entity linking in a distributed fashion. Also, we illustrate that we can tackle the entity linking problem on the very large scale with data comprising more than 100 millions of entity representations from very many sources. Finally, we approach a sub-problem of entity linking, namely the alignment of concepts. We again target a method that looks at the data in its entirety and does not neglect existing relations. Also, this concept alignment method shall execute very fast to serve as a preprocessing for further computations. Our approach, called Holistic Concept Matching (HCM), achieves the required speed through grouping the input by comparing so-called knowledge representations. Within the groups, we perform complex similarity computations, relation conclusions, and detect semantic contradictions. The quality of our result is again evaluated on a large and heterogeneous dataset from the real Web. In summary, this work contributes a set of techniques for enhancing the current state of the Web of Data. All approaches have been tested on large and heterogeneous real-world input.
N2  - Die vorliegende Arbeit stellt neue Ideen sowie Forschungsergebnisse für das Web of Data vor. Hierbei handelt es sich um ein globales Netz aus sogenannten Linked Open Data (LOD) Quellen. Diese Datenquellen genügen gewissen Prinzipien, um Nutzern einen leichten Zugriff über das Internet und deren Verwendung zu ermöglichen. LOD ist bereits weit verbreitet und es existiert eine Vielzahl von Daten-Veröffentlichungen entsprechend der LOD Prinzipien. Trotz dessen ist LOD bisher kein fester Baustein des Webs des 21. Jahrhunderts. Die folgende Arbeit erläutert den aktuellen Stand der Forschung und Technik für Linked Open Data und identifiziert dessen Schwächen. Einigen Schwachstellen von LOD widmen wir uns in dem darauf folgenden Hauptteil. Zu Beginn stellen wir neuartige Metadaten für Datenquellen vor – die Themen von Datenquellen (engl. Topics). Solche Themen könnten mit Beschreibungen von Datenquellen veröffentlicht werden und eine Reihe von Anwendungsfällen, wie das Auffinden und Explorieren relevanter Daten, unterstützen. Wir diskutieren unseren Ansatz für die Extraktion dieser Metainformationen – die Annotated Pattern Percolation (APP). Experimentelle Ergebnisse werden mit Themen aus Wikipedia Portalen verglichen. Des Weiteren ergänzen wir den Stand der Forschung für das Auffinden verschiedener Repräsentationen eines Reale-Welt-Objektes (engl. Entity Linking). Für jenes Auffinden werden nicht nur lokale Entscheidungen getroffen, sondern es wird die Gesamtheit der Objektbeziehungen genutzt. Wir diskutieren unser Optimierungsmodel, beweisen dessen Schwere und präsentieren drei Ansätze zur Berechnung einer Lösung. Alle Ansätze wurden im LINked Data Alignment (LINDA) System implementiert. Die erste Methode arbeitet auf einer Maschine, kann jedoch Mehrkern-Prozessoren ausnutzen. Die weiteren Ansätze wurden für Rechnercluster ohne gemeinsamen Speicher entwickelt. Wir evaluieren unsere Ergebnisse auf mehr als 100 Millionen Entitäten und erläutern Vor- sowie Nachteile der jeweiligen Ansätze. Im verbleibenden Teil der Arbeit behandeln wir das Linking von Konzepten – ein Teilproblem des Entity Linking. Unser Ansatz, Holistic Concept Matching (HCM), betrachtet abermals die Gesamtheit der Daten. Wir gruppieren die Eingabe um eine geringe Laufzeit bei der Verarbeitung von mehreren Hunderttausenden Konzepten zu erreichen. Innerhalb der Gruppen berechnen wir komplexe Ähnlichkeiten, und spüren semantische Schlussfolgerungen und Widersprüche auf. Die Qualität des Ergebnisses evaluieren wir ebenfalls auf realen Datenmengen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zum aktuellen Stand der Forschung für das Web of Data bei. Alle diskutierten Techniken wurden mit realen, heterogenen und großen Datenmengen getestet.
KW  - Web of Data
KW  - graph clustering
KW  - topics
KW  - entity alignment
KW  - map/reduce
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68624
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böhne, Sebastian
T1  - Different degrees of formality
T1  - Verschiedene Formalitätsgrade
BT  - an introduction to the concept and a demonstration of its usefulness
BT  - Vorstellung des Konzepts und Nachweis seiner Nützlichkeit
N2  - In this thesis we introduce the concept of the degree of formality. It is directed against a dualistic point of view, which only distinguishes between formal and informal proofs. This dualistic attitude does not respect the differences between the argumentations classified as informal and it is unproductive because the individual potential of the respective argumentation styles cannot be appreciated and remains untapped.

This thesis has two parts. In the first of them we analyse the concept of the degree of formality (including a discussion about the respective benefits for each degree) while in the second we demonstrate its usefulness in three case studies. In the first case study we will repair Haskell B. Curry's view of mathematics, which incidentally is of great importance in the first part of this thesis, in light of the different degrees of formality. In the second case study we delineate how awareness of the different degrees of formality can be used to help students to learn how to prove. Third, we will show how the advantages of proofs of different degrees of formality can be combined by the development of so called tactics having a medium degree of formality. Together the three case studies show that the degrees of formality provide a convincing solution to the problem of untapped potential.
N2  - In dieser Dissertation stellen wir das Konzept der Formalitätsgrade vor, welches sich gegen eine dualistische Sichtweise richtet, die nur zwischen formalen und informalen Beweisen unterscheidet. Letztere Sichtweise spiegelt nämlich die Unterschiede zwischen den als informal klassifizierten Argumentationen nicht wieder und ist außerdem unproduktiv, weil sie nicht in der Lage ist, das individuelle Potential der jeweiligen Argumentationsstile wertzuschätzen und auszuschöpfen.

Die Dissertation hat zwei Teile. Im ersten analysieren wir das Konzept der Formalitätsgrade (eine Diskussion über die Vorteile der jeweiligen Grade eingeschlossen), während wir im zweiten Teil die Nützlichkeit der Formalitätsgrade anhand von drei Fallbeispielen nachweisen. Im ersten von diesen werden wir Haskell B. Currys Sichtweise zur Mathematik, die nebenbei bemerkt von größter Wichtigkeit für den ersten Teil der Dissertation ist, mithilfe der verschiedenen Formalitätsgrade reparieren. Im zweiten Fallbeispiel zeigen wir auf, wie die Beachtung der verschiedenen Formalitätsgrade den Studenten dabei helfen kann, das Beweisen zu erlernen. Im letzten Fallbeispiel werden wir dann zeigen, wie die Vorteile von Beweisen verschiedener Formalitätsgrade durch die Anwendung sogenannter Taktiken mittleren Formalitätsgrades kombiniert werden können. Zusammen zeigen die drei Fallbeispiele, dass die Formalitätsgrade eine überzeugende Lösung für das Problem des ungenutzten Potentials darstellen.
KW  - argumentation
KW  - Coq
KW  - Curry
KW  - degree of formality
KW  - formalism
KW  - logic
KW  - mathematics education
KW  - philosophy of mathematics
KW  - proof
KW  - proof assistant
KW  - proof environment
KW  - tactic
KW  - Argumentation
KW  - Beweis
KW  - Beweisassistent
KW  - Beweisumgebung
KW  - Coq
KW  - Curry
KW  - Formalismus
KW  - Formalitätsgrad
KW  - Logik
KW  - Mathematikdidaktik
KW  - Mathematikphilosophie
KW  - Taktik
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423795
N1  - CCS -> Applied computing -> Education -> Interactive learning environments
CCS -> Theory of computation -> Logic
CCS -> Computing methodologies -> Symbolic and algebraic manipulation -> Symbolic and algebraic algorithms -> Theorem proving algorithms
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böken, Björn
T1  - Improving prediction accuracy using dynamic information
N2  - Accurately solving classification problems nowadays is likely to be the most relevant machine learning task. Binary classification separating two classes only is algorithmically simpler but has fewer potential applications as many real-world problems are multi-class. On the reverse, separating only a subset of classes simplifies the classification task. Even though existing multi-class machine learning algorithms are very flexible regarding the number of classes, they assume that the target set Y is fixed and cannot be restricted once the training is finished. On the other hand, existing state-of-the-art production environments are becoming increasingly interconnected with the advance of Industry 4.0 and related technologies such that additional information can simplify the respective classification problems. In light of this, the main aim of this thesis is to introduce dynamic classification that generalizes multi-class classification such that the target class set can be restricted arbitrarily to a non-empty class subset M of Y at any time between two consecutive predictions.

This task is solved by a combination of two algorithmic approaches. First, classifier calibration, which transforms predictions into posterior probability estimates that are intended to be well calibrated. The analysis provided focuses on monotonic calibration and in particular corrects wrong statements that appeared in the literature. It also reveals that bin-based evaluation metrics, which became popular in recent years, are unjustified and should not be used at all. Next, the validity of Platt scaling, which is the most relevant parametric calibration approach, is analyzed in depth. In particular, its optimality for classifier predictions distributed according to four different families of probability distributions as well its equivalence with Beta calibration up to a sigmoidal preprocessing are proven. For non-monotonic calibration, extended variants on kernel density estimation and the ensemble method EKDE are introduced. Finally, the calibration techniques are evaluated using a simulation study with complete information as well as on a selection of 46 real-world data sets.

Building on this, classifier calibration is applied as part of decomposition-based classification that aims to reduce multi-class problems to simpler (usually binary) prediction tasks. For the involved fusing step performed at prediction time, a new approach based on evidence theory is presented that uses classifier calibration to model mass functions. This allows the analysis of decomposition-based classification against a strictly formal background and to prove closed-form equations for the overall combinations. Furthermore, the same formalism leads to a consistent integration of dynamic class information, yielding a theoretically justified and computationally tractable dynamic classification model. The insights gained from this modeling are combined with pairwise coupling, which is one of the most relevant reduction-based classification approaches, such that all individual predictions are combined with a weight. This not only generalizes existing works on pairwise coupling but also enables the integration of dynamic class information.

Lastly, a thorough empirical study is performed that compares all newly introduced approaches to existing state-of-the-art techniques. For this, evaluation metrics for dynamic classification are introduced that depend on corresponding sampling strategies. Thereafter, these are applied during a three-part evaluation. First, support vector machines and random forests are applied on 26 data sets from the UCI Machine Learning Repository. Second, two state-of-the-art deep neural networks are evaluated on five benchmark data sets from a relatively recent reference work. Here, computationally feasible strategies to apply the presented algorithms in combination with large-scale models are particularly relevant because a naive application is computationally intractable. Finally, reference data from a real-world process allowing the inclusion of dynamic class information are collected and evaluated. The results show that in combination with support vector machines and random forests, pairwise coupling approaches yield the best results, while in combination with deep neural networks, differences between the different approaches are mostly small to negligible. Most importantly, all results empirically confirm that dynamic classification succeeds in improving the respective prediction accuracies. Therefore, it is crucial to pass dynamic class information in respective applications, which requires an appropriate digital infrastructure.
N2  - Klassifikationsprobleme akkurat zu lösen ist heutzutage wahrscheinlich die relevanteste Machine-Learning-Aufgabe. Binäre Klassifikation zur Unterscheidung von nur zwei Klassen ist algorithmisch einfacher, hat aber weniger potenzielle Anwendungen, da in der Praxis oft Mehrklassenprobleme auftreten. Demgegenüber vereinfacht die Unterscheidung nur innerhalb einer Untermenge von Klassen die Problemstellung. Obwohl viele existierende Machine-Learning-Algorithmen sehr flexibel mit Blick auf die Anzahl der Klassen sind, setzen sie voraus, dass die Zielmenge Y fest ist und nicht mehr eingeschränkt werden kann, sobald das Training abgeschlossen ist. Allerdings sind moderne Produktionsumgebungen mit dem Voranschreiten von Industrie 4.0 und entsprechenden Technologien zunehmend digital verbunden, sodass zusätzliche Informationen die entsprechenden Klassifikationsprobleme vereinfachen können. Vor diesem Hintergrund ist das Hauptziel dieser Arbeit, dynamische Klassifikation als Verallgemeinerung von Mehrklassen-Klassifikation einzuführen, bei der die Zielmenge jederzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vorhersagen zu einer beliebigen, nicht leeren Teilmenge eingeschränkt werden kann.

 Diese Aufgabe wird durch die Kombination von zwei algorithmischen Ansätzen gelöst. Zunächst wird Klassifikator-Kalibrierung eingesetzt, mittels der Vorhersagen in Schätzungen der A-Posteriori-Wahrscheinlichkeiten transformiert werden, die gut kalibriert sein sollen. Die durchgeführte Analyse zielt auf monotone Kalibrierung ab und korrigiert insbesondere Falschaussagen, die in Referenzarbeiten veröffentlicht wurden. Außerdem zeigt sie, dass Bin-basierte Fehlermaße, die in den letzten Jahren populär geworden sind, ungerechtfertigt sind und nicht verwendet werden sollten. Weiterhin wird die Validität von Platt Scaling, dem relevantesten, parametrischen Kalibrierungsverfahren, genau analysiert. Insbesondere wird seine Optimalität für Klassifikatorvorhersagen, die gemäß vier Familien von Verteilungsfunktionen verteilt sind, sowie die Äquivalenz zu Beta-Kalibrierung bis auf eine sigmoidale Vorverarbeitung gezeigt. Für nicht monotone Kalibrierung werden erweiterte Varianten der Kerndichteschätzung und die Ensemblemethode EKDE eingeführt. Schließlich werden die Kalibrierungsverfahren im Rahmen einer Simulationsstudie mit vollständiger Information sowie auf 46 Referenzdatensätzen ausgewertet.

 Hierauf aufbauend wird Klassifikator-Kalibrierung als Teil von reduktionsbasierter Klassifikation eingesetzt, die zum Ziel hat, Mehrklassenprobleme auf einfachere (üblicherweise binäre) Entscheidungsprobleme zu reduzieren. Für den zugehörigen, während der Vorhersage notwendigen Fusionsschritt wird ein neuer, auf Evidenztheorie basierender Ansatz eingeführt, der Klassifikator-Kalibrierung zur Modellierung von Massefunktionen nutzt. Dies ermöglicht die Analyse von reduktionsbasierter Klassifikation in einem formalen Kontext sowie geschlossene Ausdrücke für die entsprechenden Gesamtkombinationen zu beweisen. Zusätzlich führt derselbe Formalismus zu einer konsistenten Integration von dynamischen Klasseninformationen, sodass sich ein theoretisch fundiertes und effizient zu berechnendes, dynamisches Klassifikationsmodell ergibt. Die hierbei gewonnenen Einsichten werden mit Pairwise Coupling, einem der relevantesten Verfahren für reduktionsbasierte Klassifikation, verbunden, wobei alle individuellen Vorhersagen mit einer Gewichtung kombiniert werden. Dies verallgemeinert nicht nur existierende Ansätze für Pairwise Coupling, sondern führt darüber hinaus auch zu einer Integration von dynamischen Klasseninformationen.

 Abschließend wird eine umfangreiche empirische Studie durchgeführt, die alle neu eingeführten Verfahren mit denen aus dem Stand der Forschung vergleicht. Hierfür werden Bewertungsfunktionen für dynamische Klassifikation eingeführt, die auf Sampling-Strategien basieren. Anschließend werden diese im Rahmen einer dreiteiligen Studie angewendet. Zunächst werden Support Vector Machines und Random Forests auf 26 Referenzdatensätzen aus dem UCI Machine Learning Repository angewendet. Im zweiten Teil werden zwei moderne, tiefe neuronale Netze auf fünf Referenzdatensätzen aus einer relativ aktuellen Referenzarbeit ausgewertet. Hierbei sind insbesondere Strategien relevant, die die Anwendung der eingeführten Verfahren in Verbindung mit großen Modellen ermöglicht, da eine naive Vorgehensweise nicht durchführbar ist. Schließlich wird ein Referenzdatensatz aus einem Produktionsprozess gewonnen, der die Integration von dynamischen Klasseninformationen ermöglicht, und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass Pairwise-Coupling-Verfahren in Verbindung mit Support Vector Machines und Random Forests die besten Ergebnisse liefern, während in Verbindung mit tiefen neuronalen Netzen die Unterschiede zwischen den Verfahren oft klein bis vernachlässigbar sind. Am wichtigsten ist, dass alle Ergebnisse zeigen, dass dynamische Klassifikation die entsprechenden Erkennungsgenauigkeiten verbessert. Daher ist es entscheidend, dynamische Klasseninformationen in den entsprechenden Anwendungen zur Verfügung zu stellen, was eine entsprechende digitale Infrastruktur erfordert.
KW  - dynamic classification
KW  - multi-class classification
KW  - classifier calibration
KW  - evidence theory
KW  - Dempster–Shafer theory
KW  - Deep Learning
KW  - Deep Learning
KW  - Dempster-Shafer-Theorie
KW  - Klassifikator-Kalibrierung
KW  - dynamische Klassifikation
KW  - Evidenztheorie
KW  - Mehrklassen-Klassifikation
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-585125
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chen, Junchao
T1  - A self-adaptive resilient method for implementing and managing the high-reliability processing system
T1  - Eine selbstadaptive belastbare Methode zum Implementieren und Verwalten von hochzuverlässigen Verarbeitungssysteme
N2  - As a result of CMOS scaling, radiation-induced Single-Event Effects (SEEs) in electronic circuits became a critical reliability issue for modern Integrated Circuits (ICs) operating under harsh radiation conditions. SEEs can be triggered in combinational or sequential logic by the impact of high-energy particles, leading to destructive or non-destructive faults, resulting in data corruption or even system failure. Typically, the SEE mitigation methods are deployed statically in processing architectures based on the worst-case radiation conditions, which is most of the time unnecessary and results in a resource overhead. Moreover, the space radiation conditions are dynamically changing, especially during Solar Particle Events (SPEs). The intensity of space radiation can differ over five orders of magnitude within a few hours or days, resulting in several orders of magnitude fault probability variation in ICs during SPEs. This thesis introduces a comprehensive approach for designing a self-adaptive fault resilient multiprocessing system to overcome the static mitigation overhead issue. This work mainly addresses the following topics: (1) Design of on-chip radiation particle monitor for real-time radiation environment detection, (2) Investigation of space environment predictor, as support for solar particle events forecast, (3) Dynamic mode configuration in the resilient multiprocessing system. Therefore, according to detected and predicted in-flight space radiation conditions, the target system can be configured to use no mitigation or low-overhead mitigation during non-critical periods of time. The redundant resources can be used to improve system performance or save power. On the other hand, during increased radiation activity periods, such as SPEs, the mitigation methods can be dynamically configured appropriately depending on the real-time space radiation environment, resulting in higher system reliability. Thus, a dynamic trade-off in the target system between reliability, performance and power consumption in real-time can be achieved. All results of this work are evaluated in a highly reliable quad-core multiprocessing system that allows the self-adaptive setting of optimal radiation mitigation mechanisms during run-time. Proposed methods can serve as a basis for establishing a comprehensive self-adaptive resilient system design process. Successful implementation of the proposed design in the quad-core multiprocessor shows its application perspective also in the other designs.
N2  - Infolge der CMOS-Skalierung wurden strahleninduzierte Einzelereignis-Effekte (SEEs) in elektronischen Schaltungen zu einem kritischen Zuverlässigkeitsproblem für moderne integrierte Schaltungen (ICs), die unter rauen Strahlungsbedingungen arbeiten. SEEs können in der kombinatorischen oder sequentiellen Logik durch den Aufprall hochenergetischer Teilchen ausgelöst werden, was zu destruktiven oder nicht-destruktiven Fehlern und damit zu Datenverfälschungen oder sogar Systemausfällen führt. Normalerweise werden die Methoden zur Abschwächung von SEEs statisch in Verarbeitungsarchitekturen auf der Grundlage der ungünstigsten Strahlungsbedingungen eingesetzt, was in den meisten Fällen unnötig ist und zu einem Ressourcen-Overhead führt. Darüber hinaus ändern sich die Strahlungsbedingungen im Weltraum dynamisch, insbesondere während Solar Particle Events (SPEs). Die Intensität der Weltraumstrahlung kann sich innerhalb weniger Stunden oder Tage um mehr als fünf Größenordnungen ändern, was zu einer Variation der Fehlerwahrscheinlichkeit in ICs während SPEs um mehrere Größenordnungen führt. In dieser Arbeit wird ein umfassender Ansatz für den Entwurf eines selbstanpassenden, fehlerresistenten Multiprozessorsystems vorgestellt, um das Problem des statischen Mitigation-Overheads zu überwinden. Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit den folgenden Themen: (1) Entwurf eines On-Chip-Strahlungsteilchen Monitors zur Echtzeit-Erkennung von Strahlung Umgebungen, (2) Untersuchung von Weltraumumgebungsprognosen zur Unterstützung der Vorhersage von solaren Teilchen Ereignissen, (3) Konfiguration des dynamischen Modus in einem belastbaren Multiprozessorsystem. Daher kann das Zielsystem je nach den erkannten und vorhergesagten Strahlungsbedingungen während des Fluges so konfiguriert werden, dass es während unkritischer Zeiträume keine oder nur eine geringe Strahlungsminderung vornimmt. Die redundanten Ressourcen können genutzt werden, um die Systemleistung zu verbessern oder Energie zu sparen. In Zeiten erhöhter Strahlungsaktivität, wie z. B. während SPEs, können die Abschwächungsmethoden dynamisch und in Abhängigkeit von der Echtzeit-Strahlungsumgebung im Weltraum konfiguriert werden, was zu einer höheren Systemzuverlässigkeit führt. Auf diese Weise kann im Zielsystem ein dynamischer Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit, Leistung und Stromverbrauch in Echtzeit erreicht werden. Alle Ergebnisse dieser Arbeit wurden in einem hochzuverlässigen Quad-Core-Multiprozessorsystem evaluiert, das die selbstanpassende Einstellung optimaler Strahlungsschutzmechanismen während der Laufzeit ermöglicht. Die vorgeschlagenen Methoden können als Grundlage für die Entwicklung eines umfassenden, selbstanpassenden und belastbaren Systementwurfsprozesses dienen. Die erfolgreiche Implementierung des vorgeschlagenen Entwurfs in einem Quad-Core-Multiprozessor zeigt, dass er auch für andere Entwürfe geeignet ist.
KW  - single event upset
KW  - solar particle event
KW  - machine learning
KW  - self-adaptive multiprocessing system
KW  - maschinelles Lernen
KW  - selbstanpassendes Multiprozessorsystem
KW  - strahleninduzierte Einzelereignis-Effekte
KW  - Sonnenteilchen-Ereignis
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583139
ER  - 
TY  - THES
A1  - Christgau, Steffen
T1  - One-sided communication on a non-cache-coherent many-core architecture
T1  - Einseitige Kommunikation auf einer nicht-cache-kohärenten Vielkern-Prozessorarchitektur
N2  - Aktuelle Mehrkernprozessoren stellen parallele Systeme dar, die den darauf ausgeführten Programmen gemeinsamen Speicher zur Verfügung stellen. Sowohl die ansteigende Kernanzahlen in sogenannten Vielkernprozessoren (many-core processors) als auch die weiterhin steigende Leistungsfähigkeit der einzelnen Kerne erfordert hohe Bandbreiten, die das Speichersystem des Prozessors liefern muss. Hardware-basierte Cache-Kohärenz stößt in aktuellen Vielkernprozessoren an Grenzen des praktisch Machbaren. Dementsprechend müssen alternative Architekturen und entsprechend geeignete Programmiermodelle untersucht werden.

In dieser Arbeit wird der Single-Chip Cloud Computer (SCC), ein nicht-cachekohärenter Vielkernprozessor betrachtet, der aus 48, über ein Gitternetzwerk verbundenen Kernen besteht. Obwohl der Prozessor für nachrichten-basierte Kommunikation entwickelt worden ist, zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass einseitige Kommunikation auf Basis gemeinsamen Speichers effizient auf diesem Architekturtyp realisiert werden kann. Einseitige Kommunikation ermöglicht Datenaustausch zwischen Prozessen, bei der der Empfänger keine Details über die stattfindende Kommunikation besitzen muss. Im Sinne des MPI-Standards ist so ein Zugriff auf Speicher entfernter Prozesse möglich. Zur Umsetzung dieses Konzepts auf nicht-kohärenten Architekturen werden in dieser Arbeit sowohl eine effiziente Prozesssynchronisation als auch ein Kommunikationsschema auf Basis von software-basierter Cache-Kohärenz erarbeitet und untersucht.

Die Prozesssynchronisation setzt das Konzept der general active target synchronization aus dem MPI-Standard um. Ein existierendes Klassifikationsschema für dessen Implementierungen wird erweitert und zur Identifikation einer geeigneten Klasse für die nicht-kohärente Plattform des SCC verwendet. Auf Grundlage der Klassifikation werden existierende Implementierungen analysiert, daraus geeignete Konzepte extrahiert und ein leichtgewichtiges Synchronisationsprotokoll für den SCC entwickelt, das sowohl gemeinsamen Speicher als auch ungecachete Speicherzugriffe verwendet. Das vorgestellte Schema ist nicht anfällig für Verzögerungen zwischen Prozessen und erlaubt
direkte Kommunikation sobald beide Kommunikationspartner dafür bereit sind. Die experimentellen Ergebnisse zeigen ein sehr gutes Skaliserungsverhalten und eine fünffach geringere Latenz für die Prozesssynchronisation im Vergleich zu einer auf Nachrichten basierenden MPI-Implementierung des SCC.

Für die Kommunikation wird mit SCOSCo ein auf gemeinsamen Speicher und software-basierter Cache-Kohärenz basierenden Konzept vorgestellt. Entsprechende Anforderungen an die Kohärenz, die dem MPI-Standard entsprechen, werden aufgestellt und eine schlanke Implementierung auf Basis der Hard- und Software-Funktionalitäten des SCCs entwickelt. Trotz einer aufgedecktem Fehlfunktion im Speichersubsystem des SCC kann in den experimentellen Auswertungen von Mikrobenchmarks eine fünffach verbesserte Bandbreite und eine nahezu vierfach verringerte Latenz beobachtet werden. In Anwendungsexperimenten, wie einer dreidimensionalen schnellen Fourier-Transformation, kann der Anteil der Kommunikation an der Laufzeit um den Faktor fünf reduziert werden. In Ergänzung dazu werden in dieser Arbeit Konzepte aufgestellt, die in zukünftigen Architekturen, die Cache-Kohärenz nicht auf einer globalen Ebene des Prozessors liefern können, für die Umsetzung von Software-basierter Kohärenz für einseitige Kommunikation hilfreich sind.
N2  - Contemporary multi-core processors are parallel systems that also provide shared memory for programs running on them.  Both the increasing number of cores in so-called many-core systems and the still growing computational power of the cores demand for memory systems that are able to deliver high bandwidths. Caches are essential components to satisfy this requirement. Nevertheless, hardware-based cache coherence in many-core chips faces practical limits to provide both coherence and high memory bandwidths. In addition, a shift away from global coherence can be observed. As a result, alternative architectures and suitable programming models need to be investigated.

This thesis focuses on fast communication for non-cache-coherent many-core architectures. Experiments are conducted on the Single-Chip Cloud Computer (SCC), a non-cache-coherent many-core processor with 48 mesh-connected cores. Although originally designed for message passing, the results of this thesis show that shared memory can be efficiently used for one-sided communication on this kind of architecture. One-sided communication enables data exchanges between processes where the receiver is not required to know the details of the performed communication. In the notion of the Message Passing Interface (MPI) standard, this type of communication allows to access memory of remote processes. In order to support this communication scheme on non-cache-coherent architectures, both an efficient process synchronization and a communication scheme with software-managed cache coherence are designed and investigated.

The process synchronization realizes the concept of the general active target synchronization scheme from the MPI standard. An existing classification of implementation approaches is extended and used to identify an appropriate class for the non-cache-coherent shared memory platform. Based on this classification, existing implementations are surveyed in order to find beneficial concepts, which are then used to design a lightweight synchronization protocol for the SCC that uses shared memory and uncached memory accesses. The proposed scheme is not prone to process skew and also enables direct communication as soon as both communication partners are ready.  Experimental results show very good scaling properties and up to five times lower synchronization latency compared to a tuned message-based MPI implementation for the SCC.

For the communication, SCOSCo, a shared memory approach with software-managed cache coherence, is presented. According requirements for the coherence that fulfill MPI's separate memory model are formulated, and a lightweight implementation exploiting SCC hard- and software features is developed. Despite a discovered malfunction in the SCC's memory subsystem, the experimental evaluation of the design reveals up to five times better bandwidths and nearly four times lower latencies in micro-benchmarks compared to the SCC-tuned but message-based MPI library. For application benchmarks, like a parallel 3D fast Fourier transform, the runtime share of communication can be reduced by a factor of up to five. In addition, this thesis postulates beneficial hardware concepts that would support software-managed coherence for one-sided communication on future non-cache-coherent architectures where coherence might be only available in local subdomains but not on a global processor level.
KW  - parallel programming
KW  - middleware
KW  - Message Passing Interface
KW  - one-sided communication
KW  - software-based cache coherence
KW  - process synchronization
KW  - parallele Programmierung
KW  - einseitige Kommunikation
KW  - Software-basierte Cache-Kohärenz
KW  - Prozesssynchronisierung
KW  - Message Passing Interface
KW  - Middleware
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403100
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dawoud, Wesam
T1  - Scalability and performance management of internet applications in the cloud
T1  - Skalierbarkeit und Performance-Management von Internetanwendungen in der Cloud
N2  - Cloud computing is a model for enabling on-demand access to a shared pool of computing resources. With virtually limitless on-demand resources, a cloud environment enables the hosted Internet application to quickly cope when there is an increase in the workload. However, the overhead of provisioning resources exposes the Internet application to periods of under-provisioning and performance degradation. Moreover, the performance interference, due to the consolidation in the cloud environment, complicates the performance management of the Internet applications. In this dissertation, we propose two approaches to mitigate the impact of the resources provisioning overhead. The first approach employs control theory to scale resources vertically and cope fast with workload. This approach assumes that the provider has knowledge and control over the platform running in the virtual machines (VMs), which limits it to Platform as a Service (PaaS) and Software as a Service (SaaS) providers. The second approach is a customer-side one that deals with the horizontal scalability in an Infrastructure as a Service (IaaS) model. It addresses the trade-off problem between cost and performance with a multi-goal optimization solution. This approach finds the scale thresholds that achieve the highest performance with the lowest increase in the cost. Moreover, the second approach employs a proposed time series forecasting algorithm to scale the application proactively and avoid under-utilization periods. Furthermore, to mitigate the interference impact on the Internet application performance, we developed a system which finds and eliminates the VMs suffering from performance interference. The developed system is a light-weight solution which does not imply provider involvement. To evaluate our approaches and the designed algorithms at large-scale level, we developed a simulator called (ScaleSim). In the simulator, we implemented scalability components acting as the scalability components of Amazon EC2. The current scalability implementation in Amazon EC2 is used as a reference point for evaluating the improvement in the scalable application performance. ScaleSim is fed with realistic models of the RUBiS benchmark extracted from the real environment. The workload is generated from the access logs of the 1998 world cup website. The results show that optimizing the scalability thresholds and adopting proactive scalability can mitigate 88% of the resources provisioning overhead impact with only a 9% increase in the cost.
N2  - Cloud computing ist ein Model fuer einen Pool von Rechenressourcen, den sie auf Anfrage zur Verfuegung stellt. Internetapplikationen in einer Cloud-Infrastruktur koennen bei einer erhoehten Auslastung schnell die Lage meistern, indem sie die durch die Cloud-Infrastruktur auf Anfrage zur Verfuegung stehenden und virtuell unbegrenzten Ressourcen in Anspruch nehmen. Allerdings sind solche Applikationen durch den Verwaltungsaufwand zur Bereitstellung der Ressourcen mit Perioden von Verschlechterung der Performanz und Ressourcenunterversorgung konfrontiert. Ausserdem ist das Management der Performanz aufgrund der Konsolidierung in einer Cloud Umgebung kompliziert. Um die Auswirkung des Mehraufwands zur Bereitstellung von Ressourcen abzuschwächen, schlagen wir in dieser Dissertation zwei Methoden vor. Die erste Methode verwendet die Kontrolltheorie, um Ressourcen vertikal zu skalieren und somit schneller mit einer erhoehten Auslastung umzugehen. Diese Methode setzt voraus, dass der Provider das Wissen und die Kontrolle über die in virtuellen Maschinen laufende Plattform hat. Der Provider ist dadurch als „Plattform als Service (PaaS)“ und als „Software als Service (SaaS)“ Provider definiert. Die zweite Methode bezieht sich auf die Clientseite und behandelt die horizontale Skalierbarkeit in einem Infrastruktur als Service (IaaS)-Model. Sie behandelt den Zielkonflikt zwischen den Kosten und der Performanz mit einer mehrzieloptimierten Loesung. Sie findet massstaebliche Schwellenwerte, die die hoechste Performanz mit der niedrigsten Steigerung der Kosten gewaehrleisten. Ausserdem ist in der zweiten Methode ein Algorithmus der Zeitreifenvorhersage verwendet, um die Applikation proaktiv zu skalieren und Perioden der nicht optimalen Ausnutzung zu vermeiden. Um die Performanz der Internetapplikation zu verbessern, haben wir zusaetzlich ein System entwickelt, das die unter Beeintraechtigung der Performanz leidenden virtuellen Maschinen findet und entfernt. Das entwickelte System ist eine leichtgewichtige Lösung, die keine Provider-Beteiligung verlangt. Um die Skalierbarkeit unserer Methoden und der entwickelten Algorithmen auszuwerten, haben wir einen Simulator namens „ScaleSim“ entwickelt. In diesem Simulator haben wir Komponenten implementiert, die als Skalierbarkeitskomponenten der Amazon EC2 agieren. Die aktuelle Skalierbarkeitsimplementierung in Amazon EC2 ist als Referenzimplementierung fuer die Messesung der Verbesserungen in der Performanz von skalierbaren Applikationen. Der Simulator wurde auf realistische Modelle der RUBiS-Benchmark angewendet, die aus einer echten Umgebung extrahiert wurden. Die Auslastung ist aus den Zugriffslogs der World Cup Website von 1998 erzeugt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Optimierung der Schwellenwerte und der angewendeten proaktiven Skalierbarkeit den Verwaltungsaufwand zur Bereitstellung der Ressourcen bis um 88% reduziert kann, während sich die Kosten nur um 9% erhöhen.
KW  - Cloud Computing
KW  - Leistungsfähigkeit
KW  - Skalierbarkeit
KW  - Internetanwendungen
KW  - Cloud computing
KW  - Performance
KW  - Scalability
KW  - Internet applications
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68187
ER  - 
TY  - THES
A1  - Decker, Gero
T1  - Design and analysis of process choreographies
T1  - Design und Analyse von Prozesschoreographien
N2  - With the rise of electronic integration between organizations, the need for a precise specification of interaction behavior increases. Information systems, replacing interaction previously carried out by humans via phone, faxes and emails, require a precise specification for handling all possible situations. Such interaction behavior is described in process choreographies. Choreographies enumerate the roles involved, the allowed interactions, the message contents and the behavioral dependencies between interactions. Choreographies serve as interaction contract and are the starting point for adapting existing business processes and systems or for implementing new software components. As a thorough analysis and comparison of choreography modeling languages is missing in the literature, this thesis introduces a requirements framework for choreography languages and uses it for comparing current choreography languages. Language proposals for overcoming the limitations are given for choreography modeling on the conceptual and on the technical level. Using an interconnection modeling style, behavioral dependencies are defined on a per-role basis and different roles are interconnected using message flow. This thesis reveals a number of modeling "anti-patterns" for interconnection modeling, motivating further investigations on choreography languages following the interaction modeling style. Here, interactions are seen as atomic building blocks and the behavioral dependencies between them are defined globally. Two novel language proposals are put forward for this modeling style which have already influenced industrial standardization initiatives. While avoiding many of the pitfalls of interconnection modeling, new anomalies can arise in interaction models. A choreography might not be realizable, i.e. there does not exist a set of interacting roles that collectively realize the specified behavior. This thesis investigates different dimensions of realizability.
N2  - Elektronische Integration zwischen Organisationen erfordert eine präzise Spezifikation des Interaktionsverhaltens: Informationssysteme, die Kommunikation per Telefon, Fax und Email ablösen, können nicht so flexibel und selbständig auf Ausnahmesituationen reagieren wie Menschen. Choreographien ermöglichen es, Interaktionsverhalten genau zu spezifizieren. Diese Modelle zählen die beteiligten Rollen, die erlaubten Interaktionen, Nachrichteninhalte und Verhaltensabhängigkeiten auf und dienen somit als Interaktionsvertrag zwischen den Organisationen. Auch als Ausgangspunkt für eine Anpassung existierender Prozesse und Systeme sowie für die Implementierung neuer Softwarekomponenten finden Choreographien Anwendung. Da ein Vergleich von Choreographiemodellierungssprachen in der Literatur bislang fehlt, präsentiert diese Arbeit einen Anforderungskatalog, der als Basis für eine Evaluierung existierender Sprachen angewandt wird. Im Kern führt diese Arbeit Spracherweiterungen ein, um die Schwächen existierender Sprachen zu überwinden. Die vorgestellten Erweiterungen adressieren dabei Modellierung auf konzeptioneller und auf technischer Ebene. Beim Verlinkungsmodellierungsstil werden Verhaltensabhängigkeiten innerhalb der beteiligten Rollen spezifiziert und das Interaktionsverhalten entsteht durch eine Verlinkung der Kommunikationsaktivitäten. Diese Arbeit stellt einige "Anti-Pattern" für die Verlinkungsmodellierung vor, welche wiederum Untersuchungen bzgl. Choreographiesprachen des Interaktionsmodellierungsstils motivieren. Hier werden Interaktionen als atomare Blöcke verstanden und Verhaltensabhängigkeiten werden global definiert. Diese Arbeit führt zwei neue Choreographiesprachen dieses zweiten Modellierungsstils ein, welche bereits in industrielle Standardisierungsinitiativen eingeflossen sind. Während auf der einen Seite zahlreiche Fallstricke der Verlinkungsmodellierung umgangen werden, können in Interaktionsmodellen allerdings neue Anomalien entstehen. Eine Choreographie kann z.B. "unrealisierbar" sein, d.h. es ist nicht möglich interagierende Rollen zu finden, die zusammen genommen das spezifizierte Verhalten abbilden. Dieses Phänomen wird in dieser Arbeit über verschiedene Dimensionen von Realisierbarkeit untersucht.
KW  - Prozessmodellierung
KW  - Choreographien
KW  - Interaktionsmodellierung
KW  - Verifikation
KW  - Sprachdesign
KW  - Process modeling
KW  - choreographies
KW  - interaction modeling
KW  - verification
KW  - language design
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-40761
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dehne, Julian
T1  - Möglichkeiten und Limitationen der medialen Unterstützung forschenden Lernens
N2  - Forschendes Lernen und die digitale Transformation sind zwei der wichtigsten Einflüsse auf die Entwicklung der Hochschuldidaktik im deutschprachigen Raum. Während das forschende Lernen als normative Theorie das sollen beschreibt, geben die digitalen Werkzeuge, alte wie neue, das können in vielen Bereichen vor.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Prozessmodell aufgestellt, was den Versuch unternimmt, das forschende Lernen hinsichtlich interaktiver, gruppenbasierter Prozesse zu systematisieren. Basierend auf dem entwickelten Modell wurde ein Softwareprototyp implementiert, der den gesamten Forschungsprozess begleiten kann. Dabei werden Gruppenformation, Feedback- und Reflexionsprozesse und das Peer Assessment mit Bildungstechnologien unterstützt. Die Entwicklungen wurden in einem qualitativen Experiment eingesetzt, um Systemwissen über die Möglichkeiten und Grenzen der digitalen Unterstützung von forschendem Lernen zu gewinnen.
N2  - Research-based learning and digital transformation are two of the most important influences on the development of pedagogies of universities in German-speaking countries. While research-based learning as a normative theory explains the should, the digital tools, both old and new, provide the can in many areas.

In the present work, a process model was developed, which captures research-based learning with regard to interactive, group-based processes. Based on this model a software prototype was implemented that can accompany the entire research process. Thereby group formation, feedback and reflection processes and peer assessment are supported with educational technology. The developed software was used in a qualitative experiment to gain knowledge about the possibilities and limits of digital support for research-based learning.
T2  - Limits and chances of supporting inquiry-based learning with digital media
KW  - Forschendes Lernen
KW  - Digitale Medien
KW  - Modellierung
KW  - Bildungstechnologien
KW  - Educational Technologies
KW  - Digital Media
KW  - Inquiry-based learning
KW  - Modelling
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-497894
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dick, Uwe
T1  - Discriminative Classification Models for Internet Security
T1  - Diskriminative Klassifikationsmodelle in der Internet-Sicherheit
BT  - Mitigating Email Spam and HTTP-Layer DDoS Attacks
BT  - Verhindern von Email-Spam und HTTP-Layer DDoS-Attacken
N2  - Services that operate over the Internet are under constant threat of being exposed to fraudulent use. Maintaining good user experience for legitimate users often requires the classification of entities as malicious or legitimate in order to initiate countermeasures. As an example, inbound email spam filters decide for spam or non-spam. They can base their decision on both the content of each email as well as on features that summarize prior emails received from the sending server. In general, discriminative classification methods learn to distinguish positive from negative entities. Each decision for a label may be based on features of the entity and related entities. When labels of related entities have strong interdependencies---as can be assumed e.g. for emails being delivered by the same user---classification decisions should not be made independently and dependencies should be modeled in the decision function. This thesis addresses the formulation of discriminative classification problems that are tailored for the specific demands of the following three Internet security applications. Theoretical and algorithmic solutions are devised to protect an email service against flooding of user inboxes, to mitigate abusive usage of outbound email servers, and to protect web servers against distributed denial of service attacks. 

In the application of filtering an inbound email stream for unsolicited emails, utilizing features that go beyond each individual email's content can be valuable. Information about each sending mail server can be aggregated over time and may help in identifying unwanted emails. However, while this information will be available to the deployed email filter, some parts of the training data that are compiled by third party providers may not contain this information. The missing features have to be estimated at training time in order to learn a classification model. In this thesis an algorithm is derived that learns a decision function that integrates over a distribution of values for each missing entry. The distribution of missing values is a free parameter that is optimized to learn an optimal decision function.

The outbound stream of emails of an email service provider can be separated by the customer IDs that ask for delivery. All emails that are sent by the same ID in the same period of time are related, both in content and in label. Hijacked customer accounts may send batches of unsolicited emails to other email providers, which in turn might blacklist the sender's email servers after detection of incoming spam emails. The risk of being blocked from further delivery depends on the rate of outgoing unwanted emails and the duration of high spam sending rates. An optimization problem is developed that minimizes the expected cost for the email provider by learning a decision function that assigns a limit on the sending rate to customers based on the each customer's email stream.

Identifying attacking IPs during HTTP-level DDoS attacks allows to block those IPs from further accessing the web servers. DDoS attacks are usually carried out by infected clients that are members of the same botnet and show similar traffic patterns. HTTP-level attacks aim at exhausting one or more resources of the web server infrastructure, such as CPU time. If the joint set of attackers cannot increase resource usage close to the maximum capacity, no effect will be experienced by legitimate users of hosted web sites. However, if the additional load raises the computational burden towards the critical range, user experience will degrade until service may be unavailable altogether. As the loss of missing one attacker depends on block decisions for other attackers---if most other attackers are detected, not blocking one client will likely not be harmful---a structured output model has to be learned. In this thesis an algorithm is developed that learns a structured prediction decoder that searches the space of label assignments, guided by a policy.

Each model is evaluated on real-world data and is compared to reference methods. The results show that modeling each classification problem according to the specific demands of the task improves performance over solutions that do not consider the constraints inherent to an application.
N2  - Viele Dienste im Internet benötigen zur Gewährleistung ihrer Erreichbarkeit die Möglichkeit, Entitäten als entweder gefährlich oder harmlos zu klassifizieren. Diskriminative Methoden des maschinellen Lernens verwenden Features von Entitäten oder Entitätengruppen, um zwischen positiven und negativen Labels zu unterscheiden. So können beispielsweise Email-Spamfilter Entscheidungen  aufgrund sowohl des Inhalts der Email als auch von Informationen treffen, die vorherige Emails des gleichen versendenden Servers zusammenfassen. Darüber hinaus sind Labels zueinander in Verbindung stehender Entitäten, wie z.B. Emails des gleichen Nutzers, oftmals nicht unabhängig, so dass auch Klassifikationsentscheidungen nicht unabhängig getroffen werden sollten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Formulierung diskriminativer Klassifikationsprobleme, die den speziellen Anforderungen von drei Internetsicherheitsanwendungen Rechnung tragen. Theoretische und algorithmische Lösungen zum Spamschutz von Nutzer-Inboxen eines Emailanbieters, zum Schutz von ausgehenden Emailservern gegen Missbrauch und zur Abwehr von Distributed Denial of Service-Attacken auf Webserver werden entwickelt. 

Beim Säubern der bei einem Emailanbieter eingehenden Menge von Emails von ungewollten Emails wie Spam  können Informationen, die über den Inhalt einzelner Emails hinausgehen, von großem Nutzen sein. Etwa können Informationen über einen Mailserver zeitlich aggregiert und zum Klassifizieren neuer Emails des gleichen Servers verwendet werden. Diese Informationen sind in der Regel nur für Emails verfügbar, die vom Emailanbieter selbst empfangen werden, und fehlen bei Datensätzen, die extern gesammelte Emails beinhalten. Während des Trainings eines Spamklassifikators müssen diese Features entsprechend geschätzt werden. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus entwickelt, der eine Entscheidungsfunktion lernt, die über eine Verteilung von fehlenden Werten integriert. Die Verteilung ist ein freier Parameter, der während des Lernens der Entscheidungsfunktion optimiert wird.

Der Strom ausgehender Emails eines Emailanbieters setzt sich zusammen aus Emails einzelner Kunden. Alle Emails, die vom gleichen Kunden im gleichen Zeitraum gesendet werden, sind sowohl bzgl. Inhalt als auch Label abhängig.  Kompromittierte Kundenaccounts können beispielsweise Batches von Spams an andere Emailanbieter schicken. Nach erfolgter Spamerkennung könnten diese Anbieter die Mailserver des sendenden Anbieters auf eine Blacklist setzen und somit am Versand weiterer Emails hindern. Das Risiko einer solchen Blockierung ist abhängig von der Rate ausgehender ungewollter Emails und der Dauer hoher Senderaten. Es wird ein Optimierungsproblem entwickelt, das die erwarteten Kosten des Emailproviders minimiert, indem eine Entscheidungsfunktion gelernt wird, die die erlaubte Versenderate von Kunden aufgrund der gesendeten Emails dynamisch einstellt.  

Um angreifende IPs während einer HTTP-Level-DDoS-Attacke zu blockieren, müssen sie als solche erkannt werden. DDoS-Angriffe werden üblicherweise von Clients durchgeführt, die dem gleichen Botnet angehören und ähnliche Traffic-Muster aufweisen. HTTP-Level-Angriffe zielen darauf, eine oder mehrere Ressourcen der Webserverinfrastruktur, wie etwa CPU-Zeit, aufzubrauchen. Für legitime Besucher ergeben sich erst dann Einschränkungen der User Experience, bis hin zur Unerreichbarkeit der Webseite, wenn Angreifer den Ressourcenverbrauch in die Nähe oder über die Maximalkapazität steigern können. Dieser durch einen Angreifer verursachte Verlust hängt von Entscheidungen für andere Angreifer ab; werden z.B. die meisten anderen Angreifer erkannt, wird ein nicht geblockter Angreifer kaum Schaden anrichten. Es wird deshalb ein Algorithmus entwickelt, der einen Dekodierer für strukturierte Vorhersagen trainiert, der, geleitet durch eine Policy, den Raum der gemeinsamen Labelzuweisungen durchsucht.

Alle Modelle werden auf industriellen Daten evaluiert und mit Referenzmethoden verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass anforderungsspezifische Modellierung der Klassifikationsprobleme die Performance gegenüber den Vergleichsmethoden verbessert.
KW  - Machine Learning
KW  - Internet Security
KW  - DDoS
KW  - Spam-Filtering
KW  - DDoS
KW  - Internet-Sicherheit
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Spam-Erkennung
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102593
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TY  - THES
A1  - Dietze, Stefan
T1  - Modell und Optimierungsansatz für Open Source Softwareentwicklungsprozesse
N2  - Gerade in den letzten Jahren erfuhr Open Source Software (OSS) eine zunehmende Verbreitung und Popularität und hat sich in verschiedenen Anwendungsdomänen etabliert. Die Prozesse, welche sich im Kontext der OSS-Entwicklung (auch: OSSD – Open Source Software-Development) evolutionär herausgebildet haben, weisen in den verschiedenen OSS-Entwicklungsprojekten z.T. ähnliche Eigenschaften und Strukturen auf und auch die involvierten Entitäten, wie z.B. Artefakte, Rollen oder Software-Werkzeuge sind weitgehend miteinander vergleichbar. Dies motiviert den Gedanken, ein verallgemeinerbares Modell zu entwickeln, welches die generalisierbaren Entwicklungsprozesse im Kontext von OSS zu einem übertragbaren Modell abstrahiert. Auch in der Wissenschaftsdisziplin des Software Engineering (SE) wurde bereits erkannt, dass sich der OSSD-Ansatz in verschiedenen Aspekten erheblich von klassischen (proprietären) Modellen des SE unterscheidet und daher diese Methoden einer eigenen wissenschaftlichen Betrachtung bedürfen. In verschiedenen Publikationen wurden zwar bereits einzelne Aspekte der OSS-Entwicklung analysiert und Theorien über die zugrundeliegenden Entwicklungsmethoden formuliert, aber es existiert noch keine umfassende Beschreibung der typischen Prozesse der OSSD-Methodik, die auf einer empirischen Untersuchung existierender OSS-Entwicklungsprojekte basiert. Da dies eine Voraussetzung für die weitere wissenschaftliche Auseinandersetzung mit OSSD-Prozessen darstellt, wird im Rahmen dieser Arbeit auf der Basis vergleichender Fallstudien ein deskriptives Modell der OSSD-Prozesse hergeleitet und mit Modellierungselementen der UML formalisiert beschrieben. Das Modell generalisiert die identifizierten Prozesse, Prozessentitäten und Software-Infrastrukturen der untersuchten OSSD-Projekte. Es basiert auf einem eigens entwickelten Metamodell, welches die zu analysierenden Entitäten identifiziert und die Modellierungssichten und -elemente beschreibt, die zur UML-basierten Beschreibung der Entwicklungsprozesse verwendet werden. In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine weiterführende Analyse des identifizierten Modells durchgeführt, um Implikationen, und Optimierungspotentiale aufzuzeigen. Diese umfassen beispielsweise die ungenügende Plan- und Terminierbarkeit von Prozessen oder die beobachtete Tendenz von OSSD-Akteuren, verschiedene Aktivitäten mit unterschiedlicher Intensität entsprechend der subjektiv wahrgenommenen Anreize auszuüben, was zur Vernachlässigung einiger Prozesse führt. Anschließend werden Optimierungszielstellungen dargestellt, die diese Unzulänglichkeiten adressieren, und ein Optimierungsansatz zur Verbesserung des OSSD-Modells wird beschrieben. Dieser Ansatz umfasst die Erweiterung der identifizierten Rollen, die Einführung neuer oder die Erweiterung bereits identifizierter Prozesse und die Modifikation oder Erweiterung der Artefakte des generalisierten OSS-Entwicklungsmodells. Die vorgestellten Modellerweiterungen dienen vor allem einer gesteigerten Qualitätssicherung und der Kompensation von vernachlässigten Prozessen, um sowohl die entwickelte Software- als auch die Prozessqualität im OSSD-Kontext zu verbessern. Desweiteren werden Softwarefunktionalitäten beschrieben, welche die identifizierte bestehende Software-Infrastruktur erweitern und eine gesamtheitlichere, softwaretechnische Unterstützung der OSSD-Prozesse ermöglichen sollen. Abschließend werden verschiedene Anwendungsszenarien der Methoden des OSS-Entwicklungsmodells, u.a. auch im kommerziellen SE, identifiziert und ein Implementierungsansatz basierend auf der OSS GENESIS vorgestellt, der zur Implementierung und Unterstützung des OSSD-Modells verwendet werden kann.
N2  - In recent years Open Source Software (OSS) has become more widespread and its popularity has grown so that it is now established in various application domains. The processes which have emerged evolutionarily within the context of OSS development (OSSD – Open Source Software Development) display, to some extent, similar properties and structures in the various OSSD projects. The involved entities, e.g., artifacts, roles or software tools, are also widely comparable. This leads to the idea of developing a generalizable model which abstracts the generalizable development processes within the context of OSS to a transferable model. Even the scientific discipline of Software Engineering (SE) has recognized that the OSSD approach is, in various aspects, considerably different from traditional (proprietary) models of SE, and that these methods therefore require their own scientific consideration. Numerous publications have already analyzed individual aspects of OSSD and formulated theories about the fundamental development methods, but to date there is still no comprehensive description of the typical processes of OSSD methodology based on an empirical study of existing OSSD projects. Since this is a precondition for the further scientific examination of OSSD processes, a descriptive model of OSSD processes is obtained on the basis of comparative case studies and described in a formalized manner with UML modeling elements within the context of this dissertation. The model generalizes the identified processes, process entities and software infrastructures of the analyzed OSSD projects. It is based on a specially developed meta model which identifies the entities to be analyzed and describes the modeling viewpoints and elements which are used for the UML-based description of the development processes. Another procedure step includes the further analysis of the identified model in order to display the implications, and the potential for optimization. For example, these encompass the insufficient planning and scheduling capability of processes or the observed tendency of OSSD actors to carry out various activities at different intensities depending on the subjectively perceived incentives which leads to some processes being neglected. Subsequently, the optimization targets which address these inadequacies are displayed, and an optimization approach for the improvement of the OSSD model is described. The approach incorporates the expansion of the identified roles, the introduction of new or the expansion of already identified processes and the modification or expansion of artifacts of the generalized OSSD model. The presented model enhancements serve, above all, to increase quality assurance and to compensate neglected processes in order to improve developed software quality as well as process quality in the context of OSSD. Furthermore, software functionalities are described which expand the existing identified software infrastructure and should enable an overall, software-technical support of OSSD processes. Finally, the various application scenarios of OSSD model methods - also in commercial SE - are identified and an implementation approach based on the OSS GENESIS is presented which can be used to implement and support the OSSD model.
T2  - Modell und Optimierungsansatz für Open Source Softwareentwicklungsprozesse
KW  - Prozessmodell
KW  - Software Engineering
KW  - Open Source
KW  - Prozessmodellierung
KW  - Metamodell
KW  - Softwareentwicklung
KW  - Prozess Verbesserung
KW  - process model
KW  - software engineering
KW  - open source
KW  - process modelling
KW  - meta model
KW  - software development
KW  - process improvement
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001594
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TY  - THES
A1  - Dornhege, Guido
T1  - Increasing information transfer rates for brain-computer interfacing
T1  - Erhöhung der Informationstransferrate einer Gehirn-Computer-Schnittstelle
N2  - The goal of a Brain-Computer Interface (BCI) consists of the development of a unidirectional interface between a human and a computer to allow control of a device only via brain signals. While the BCI systems of almost all other groups require the user to be trained over several weeks or even months, the group of Prof. Dr. Klaus-Robert Müller in Berlin and Potsdam, which I belong to, was one of the first research groups in this field which used machine learning techniques on a large scale. The adaptivity of the processing system to the individual brain patterns of the subject confers huge advantages for the user. Thus BCI research is considered a hot topic in machine learning and computer science. It requires interdisciplinary cooperation between disparate fields such as neuroscience, since only by combining machine learning and signal processing techniques based on neurophysiological knowledge will the largest progress be made. In this work I particularly deal with my part of this project, which lies mainly in the area of computer science. I have considered the following three main points: <b>Establishing a performance measure based on information theory:</b> I have critically illuminated the assumptions of Shannon's information transfer rate for application in a BCI context. By establishing suitable coding strategies I was able to show that this theoretical measure approximates quite well to what is practically achieveable. <b>Transfer and development of suitable signal processing and machine learning techniques:</b> One substantial component of my work was to develop several machine learning and signal processing algorithms to improve the efficiency of a BCI. Based on the neurophysiological knowledge that several independent EEG features can be observed for some mental states, I have developed a method for combining different and maybe independent features which improved performance. In some cases the performance of the combination algorithm outperforms the best single performance by more than 50 %. Furthermore, I have theoretically and practically addressed via the development of suitable algorithms the question of the optimal number of classes which should be used for a BCI. It transpired that with BCI performances reported so far, three or four different mental states are optimal. For another extension I have combined ideas from signal processing with those of machine learning since a high gain can be achieved if the temporal filtering, i.e., the choice of frequency bands, is automatically adapted to each subject individually. <b>Implementation of the Berlin brain computer interface and realization of suitable experiments:</b> Finally a further substantial component of my work was to realize an online BCI system which includes the developed methods, but is also flexible enough to allow the simple realization of new algorithms and ideas. So far, bitrates of up to 40 bits per minute have been achieved with this system by absolutely untrained users which, compared to results of other groups, is highly successful.
N2  - Ein Brain-Computer Interface (BCI) ist eine unidirektionale Schnittstelle zwischen Mensch und Computer, bei der ein Mensch in der Lage ist, ein Gerät einzig und allein Kraft seiner Gehirnsignale zu steuern. In den BCI Systemen fast aller Forschergruppen wird der Mensch in Experimenten über Wochen oder sogar Monaten trainiert, geeignete Signale zu produzieren, die vordefinierten allgemeinen Gehirnmustern entsprechen. Die BCI Gruppe in Berlin und Potsdam, der ich angehöre, war in diesem Feld eine der ersten, die erkannt hat, dass eine Anpassung des Verarbeitungssystems an den Menschen mit Hilfe der Techniken des Maschinellen Lernens große Vorteile mit sich bringt. In unserer Gruppe und mittlerweile auch in vielen anderen Gruppen wird BCI somit als aktuelles Forschungsthema im Maschinellen Lernen und folglich in der Informatik mit interdisziplinärer Natur in Neurowissenschaften und anderen Feldern verstanden, da durch die geeignete Kombination von Techniken des Maschinellen Lernens und der Signalverarbeitung basierend auf neurophysiologischem Wissen der größte Erfolg erzielt werden konnte. In dieser Arbeit gehe ich auf meinem Anteil an diesem Projekt ein, der vor allem im Informatikbereich der BCI Forschung liegt. Im Detail beschäftige ich mich mit den folgenden drei Punkten: <b>Diskussion eines informationstheoretischen Maßes für die Güte eines BCI's:</b> Ich habe kritisch die Annahmen von Shannon's Informationsübertragungsrate für die Anwendung im BCI Kontext beleuchtet. Durch Ermittlung von geeigneten Kodierungsstrategien konnte ich zeigen, dass dieses theoretische Maß den praktisch erreichbaren Wert ziemlich gut annähert. <b>Transfer und Entwicklung von geeigneten Techniken aus dem Bereich der Signalverarbeitung und des Maschinellen Lernens:</b> Eine substantielle Komponente meiner Arbeit war die Entwicklung von Techniken des Machinellen Lernens und der Signalverarbeitung, um die Effizienz eines BCI's zu erhöhen. Basierend auf dem neurophysiologischem Wissen, dass verschiedene unabhängige Merkmale in Gehirnsignalen für verschiedene mentale Zustände beobachtbar sind, habe ich eine Methode zur Kombination von verschiedenen und unter Umständen unabhängigen Merkmalen entwickelt, die sehr erfolgreich die Fähigkeiten eines BCI's verbessert. Besonders in einigen Fällen übertraf die Leistung des entwickelten Kombinationsalgorithmus die beste Leistung auf den einzelnen Merkmalen mit mehr als 50 %. Weiterhin habe ich theoretisch und praktisch durch Einführung geeigneter Algorithmen die Frage untersucht, wie viele Klassen man für ein BCI nutzen kann und sollte. Auch hier wurde ein relevantes Resultat erzielt, nämlich dass für BCI Güten, die bis heute berichtet sind, die Benutzung von 3 oder 4 verschiedenen mentalen Zuständen in der Regel optimal im Sinne von erreichbarer Leistung sind. Für eine andere Erweiterung wurden Ideen aus der Signalverarbeitung mit denen des Maschinellen Lernens kombiniert, da ein hoher Erfolg erzielt werden kann, wenn der temporale Filter, d.h. die Wahl des benutzten Frequenzbandes, automatisch und individuell für jeden Menschen angepasst wird. <b>Implementation des Berlin Brain-Computer Interfaces und Realisierung von geeigneten Experimenten:</b> Eine weitere wichtige Komponente meiner Arbeit war eine Realisierung eines online BCI Systems, welches die entwickelten Methoden umfasst, aber auch so flexibel ist, dass neue Algorithmen und Ideen einfach zu verwirklichen sind. Bis jetzt wurden mit diesem System Bitraten von bis zu 40 Bits pro Minute von absolut untrainierten Personen in ihren ersten BCI Experimenten erzielt. Dieses Resultat übertrifft die bisher berichteten Ergebnisse aller anderer BCI Gruppen deutlich.  <hr> Bemerkung: Der Autor wurde mit dem Michelson-Preis 2005/2006 für die beste Promotion des Jahrgangs der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam ausgezeichnet.
KW  - Kybernetik
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Gehirn-Computer-Schnittstelle
KW  - BCI
KW  - EEG
KW  - Spatio-Spectral Filter
KW  - Feedback
KW  - Multi-Class
KW  - Classification
KW  - Signal Processing
KW  - Brain Computer Interface
KW  - Information Transfer Rate
KW  - Machine Learning
KW  - Single Trial Analysis
KW  - Feature Combination
KW  - Common Spatial Pattern
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7690
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TY  - THES
A1  - Dramlitsch, Thomas
T1  - Distributed computations in a dynamic, heterogeneous Grid environment
N2  - Die immer dichtere und schnellere Vernetzung von Rechnern und Rechenzentren über Hochgeschwindigkeitsnetzwerke ermöglicht eine neue Art des wissenschaftlich verteilten Rechnens, bei der geographisch weit auseinanderliegende Rechenkapazitäten zu einer Gesamtheit zusammengefasst werden können. Dieser so entstehende virtuelle Superrechner, der selbst aus mehreren Grossrechnern besteht, kann dazu genutzt werden Probleme zu berechnen, für die die einzelnen Grossrechner zu klein sind. Die Probleme, die numerisch mit heutigen Rechenkapazitäten nicht lösbar sind, erstrecken sich durch sämtliche Gebiete der heutigen Wissenschaft, angefangen von Astrophysik, Molekülphysik, Bioinformatik, Meteorologie, bis hin zur Zahlentheorie und Fluiddynamik um nur einige Gebiete zu nennen.  Je nach Art der Problemstellung und des Lösungsverfahrens gestalten sich solche "Meta-Berechnungen" mehr oder weniger schwierig. Allgemein kann man sagen, dass solche Berechnungen um so schwerer und auch um so uneffizienter werden, je mehr Kommunikation zwischen den einzelnen Prozessen (oder Prozessoren) herrscht. Dies ist dadurch begründet, dass die Bandbreiten bzw. Latenzzeiten zwischen zwei Prozessoren auf demselben Grossrechner oder Cluster um zwei bis vier Grössenordnungen höher bzw. niedriger liegen als zwischen Prozessoren, welche hunderte von Kilometern entfernt liegen.  Dennoch bricht nunmehr eine Zeit an, in der es möglich ist Berechnungen auf solch virtuellen Supercomputern auch mit kommunikationsintensiven Programmen durchzuführen. Eine grosse Klasse von kommunikations- und berechnungsintensiven Programmen ist diejenige, die die Lösung von Differentialgleichungen mithilfe von finiten Differenzen zum Inhalt hat. Gerade diese Klasse von Programmen und deren Betrieb in einem virtuellen Superrechner wird in dieser vorliegenden Dissertation behandelt. Methoden zur effizienteren Durchführung von solch verteilten Berechnungen werden entwickelt, analysiert und implementiert. Der Schwerpunkt liegt darin vorhandene, klassische Parallelisierungsalgorithmen zu analysieren und so zu erweitern, dass sie vorhandene Informationen (z.B. verfügbar durch das Globus Toolkit) über Maschinen und Netzwerke zur effizienteren Parallelisierung nutzen. Soweit wir wissen werden solche Zusatzinformationen kaum in relevanten Programmen genutzt, da der Grossteil aller Parallelisierungsalgorithmen implizit für die Ausführung auf Grossrechnern oder Clustern entwickelt wurde.
N2  - In order to face the rapidly increasing need for computational resources of various scientific and engineering applications one has to think of new ways to make more efficient use of the worlds current computational resources. In this respect, the growing speed of wide area networks made a new kind of distributed computing possible: Metacomputing or (distributed) Grid computing. This is a rather new and uncharted field in computational science. The rapidly increasing speed of networks even outperforms the average increase of processor speed: Processor speeds double on average each 18 month whereas network bandwidths double every 9 months. Due to this development of local and wide area networks Grid computing will certainly play a key role in the future of parallel computing.  This type of distributed computing, however, distinguishes from the traditional parallel computing in many ways since it has to deal with many problems not occurring in classical parallel computing. Those problems are for example heterogeneity, authentication and slow networks to mention only a few. Some of those problems, e.g. the allocation of distributed resources along with the providing of information about these resources to the application have been already attacked by the Globus software.  Unfortunately, as far as we know, hardly any application or middle-ware software takes advantage of this information, since most parallelizing algorithms for finite differencing codes are implicitly designed for single supercomputer or cluster execution. We show that although it is possible to apply classical parallelizing algorithms in a Grid environment, in most cases the observed efficiency of the executed code is very poor.  In this work we are closing this gap. In our thesis, we will - show that an execution of classical parallel codes in Grid environments is possible but very slow - analyze this situation of bad performance, nail down bottlenecks in communication, remove unnecessary overhead and other reasons for low performance - develop new and advanced algorithms for parallelisation that are aware of a Grid environment in order to generelize the traditional parallelization schemes - implement and test these new methods, replace and compare with the classical ones - introduce dynamic strategies that automatically adapt the running code to the nature of the underlying Grid environment.  The higher the performance one can achieve for a single application by manual tuning for a Grid environment, the lower the chance that those changes are widely applicable to other programs. In our analysis as well as in our implementation we tried to keep the balance between high performance and generality. None of our changes directly affect code on the application level which makes our algorithms applicable to a whole class of real world applications.  The implementation of our work is done within the Cactus framework using the Globus toolkit, since we think that these are the most reliable and advanced programming frameworks for supporting computations in Grid environments. On the other hand, however, we tried to be as general as possible, i.e. all methods and algorithms discussed in this thesis are independent of Cactus or Globus.
KW  - Paralleles Rechnen
KW  - Verteiltes Rechnen
KW  - Cactus
KW  - Globus
KW  - dynamisch
KW  - adaptiv
KW  - Grid Computing
KW  - Distributed Computing
KW  - Cactus
KW  - Globus
KW  - dynamic
KW  - adaptive
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000759
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TY  - THES
A1  - Flöter, André
T1  - Analyzing biological expression data based on decision tree induction
T1  - Analyse biologischer Expressionsdaten mit Hilfe von Entscheidungsbauminduktion
N2  - Modern biological analysis techniques supply scientists with various forms of data. One category of such data are the so called "expression data". These data indicate the quantities of biochemical compounds present in tissue samples. Recently, expression data can be generated at a high speed. This leads in turn to amounts of data no longer analysable by classical statistical techniques. Systems biology is the new field that focuses on the modelling of this information. At present, various methods are used for this purpose. One superordinate class of these meth­ods is machine learning. Methods of this kind had, until recently, predominantly been used for classification and prediction tasks. This neglected a powerful secondary benefit: the ability to induce interpretable models. Obtaining such models from data has become a key issue within Systems biology. Numerous approaches have been proposed and intensively discussed. This thesis focuses on the examination and exploitation of one basic technique: decision trees. The concept of comparing sets of decision trees is developed. This method offers the pos­sibility of identifying significant thresholds in continuous or discrete valued attributes through their corresponding set of decision trees. Finding significant thresholds in attributes is a means of identifying states in living organisms. Knowing about states is an invaluable clue to the un­derstanding of dynamic processes in organisms. Applied to metabolite concentration data, the proposed method was able to identify states which were not found with conventional techniques for threshold extraction. A second approach exploits the structure of sets of decision trees for the discovery of com­binatorial dependencies between attributes. Previous work on this issue has focused either on expensive computational methods or the interpretation of single decision trees ­ a very limited exploitation of the data. This has led to incomplete or unstable results. That is why a new method is developed that uses sets of decision trees to overcome these limitations. Both the introduced methods are available as software tools. They can be applied consecu­tively or separately. That way they make up a package of analytical tools that usefully supplement existing methods. By means of these tools, the newly introduced methods were able to confirm existing knowl­edge and to suggest interesting and new relationships between metabolites.
N2  - Neuere biologische Analysetechniken liefern Forschern verschiedenste Arten von Daten. Eine Art dieser Daten sind die so genannten "Expressionsdaten". Sie geben die Konzentrationen biochemischer Inhaltsstoffe in Gewebeproben an. Neuerdings können Expressionsdaten sehr schnell erzeugt werden. Das führt wiederum zu so großen Datenmengen, dass sie nicht mehr mit klassischen statistischen Verfahren analysiert werden können. "System biology" ist eine neue Disziplin, die sich mit der Modellierung solcher Information befasst. Zur Zeit werden dazu verschiedenste Methoden benutzt. Eine Superklasse dieser Methoden ist das maschinelle Lernen. Dieses wurde bis vor kurzem ausschließlich zum Klassifizieren und zum Vorhersagen genutzt. Dabei wurde eine wichtige zweite Eigenschaft vernachlässigt, nämlich die Möglichkeit zum Erlernen von interpretierbaren Modellen. Die Erstellung solcher Modelle hat mittlerweile eine Schlüsselrolle in der "Systems biology" erlangt. Es sind bereits zahlreiche Methoden dazu vorgeschlagen und diskutiert worden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Nutzung einer ganz grundlegenden Technik: den Entscheidungsbäumen. Zunächst wird ein Konzept zum Vergleich von Baummengen entwickelt, welches das Erkennen bedeutsamer Schwellwerte in reellwertigen Daten anhand ihrer zugehörigen Entscheidungswälder ermöglicht. Das Erkennen solcher Schwellwerte dient dem Verständnis von dynamischen Abläufen in lebenden Organismen. Bei der Anwendung dieser Technik auf metabolische Konzentrationsdaten wurden bereits Zustände erkannt, die nicht mit herkömmlichen Techniken entdeckt werden konnten. Ein zweiter Ansatz befasst sich mit der Auswertung der Struktur von Entscheidungswäldern zur Entdeckung von kombinatorischen Abhängigkeiten zwischen Attributen. Bisherige Arbeiten hierzu befassten sich vornehmlich mit rechenintensiven Verfahren oder mit einzelnen Entscheidungsbäumen, eine sehr eingeschränkte Ausbeutung der Daten. Das führte dann entweder zu unvollständigen oder instabilen Ergebnissen. Darum wird hier eine Methode entwickelt, die Mengen von Entscheidungsbäumen nutzt, um diese Beschränkungen zu überwinden. Beide vorgestellten Verfahren gibt es als Werkzeuge für den Computer, die entweder hintereinander oder einzeln verwendet werden können. Auf diese Weise stellen sie eine sinnvolle Ergänzung zu vorhandenen Analyswerkzeugen dar. Mit Hilfe der bereitgestellten Software war es möglich, bekanntes Wissen zu bestätigen und interessante neue Zusammenhänge im Stoffwechsel von Pflanzen aufzuzeigen.
KW  - Molekulare Bioinformatik
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Entscheidungsbäume
KW  - machine learning
KW  - decision trees
KW  - computational biology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6416
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TY  - THES
A1  - Frank, Mario
T1  - On synthesising Linux kernel module components from Coq formalisations
T1  - Über die Synthese von Linux Kernel- Modul-Komponenten aus Coq-Formalisierungen
N2  - This thesis presents an attempt to use source code synthesised from Coq formalisations of device drivers for existing (micro)kernel operating systems, with a particular focus on the Linux Kernel.

In the first part, the technical background and related work are described. The focus is here on the possible approaches to synthesising certified software with Coq, namely the extraction to functional languages using the Coq extraction plugin and the extraction to Clight code using the CertiCoq plugin. It is noted that the implementation of CertiCoq is verified, whereas this is not the case for the Coq extraction plugin. Consequently, there is a correctness guarantee for the generated Clight code which does not hold for the code being generated by the Coq extraction plugin. Furthermore, the differences between user space and kernel space software are discussed in relation to Linux device drivers. It is elaborated that it is not possible to generate working Linux kernel module components using the Coq extraction plugin without significant modifications. In contrast, it is possible to produce working user space drivers both with the Coq extraction plugin and CertiCoq. The subsequent parts describe the main contributions of the thesis.

In the second part, it is demonstrated how to extend the Coq extraction plugin to synthesise foreign function calls between the functional language OCaml and the imperative language C. This approach has the potential to improve the type-safety of user space drivers. Furthermore, it is shown that the code being synthesised by CertiCoq cannot be used in kernel space without modifications to the necessary runtime. Consequently, the necessary modifications to the runtimes of CertiCoq and VeriFFI are introduced, resulting in the runtimes becoming compatible components of a Linux kernel module. Furthermore, justifications for the transformations are provided and possible further extensions to both plugins and solutions to failing garbage collection calls in kernel space are discussed.

The third part presents a proof of concept device driver for the Linux Kernel. To achieve this, the event handler of the original PC Speaker driver is partially formalised in Coq. Furthermore, some relevant formal properties of the formalised functionality are discussed. Subsequently, a kernel module is defined, utilising the modified variants of CertiCoq and VeriFFI to compile a working device driver. It is furthermore shown that it is possible to compile the synthesised code with CompCert, thereby extending the guarantee of correctness to the assembly layer. This is followed by a performance evaluation that compares a naive formalisation of the PC speaker functionality with the original PC Speaker driver pointing out the weaknesses in the formalisation and possible improvements. The part closes with a summary of the results, their implications and open questions being raised.

The last part lists all used sources, separated into scientific literature, documentations or reference manuals and artifacts, i.e. source code.
N2  - Die vorliegende Dissertation präsentiert einen Ansatz zur Nutzung von Quellcode, der aus der Coq-Formalisierung eines Gerätetreibers generiert wurde, für bestehende (Mikrokernel-)Betriebssysteme, im Speziellen den Linux-Kernel.

Im ersten Teil erfolgt eine Beschreibung der relevanten technischen Aspekte sowie des aktuellen Forschungsstandes. Dabei liegt der Fokus auf der Synthese von funktionalem Code durch das Coq Extraction Plugin und von Clight Code durch das CertiCoq Plugin. Des Weiteren wird dargelegt, dass die Implementierung von CertiCoq im Gegensatz zu der des Coq Extraction Plugin verifiziert ist, wodurch sich eine Korrektheitsgarantie für den generierten Clight Code ableiten lässt. Darüber hinaus werden die Unterschiede zwischen User Space und Kernel Space Software in Bezug auf Linux-Treiber erörtert. Unter Berücksichtigung der technischen Einschränkungen wird dargelegt, dass der durch das Coq Extraction Plugin generierte Code ohne gravierende Anpassungen der Laufzeitumgebung nicht als Teil eines Kernel Space Treibers nutzbar ist. Die nachfolgenden Teile der Dissertation behandeln den Beitrag dieser Arbeit.

Im zweiten Teil wird dargelegt, wie das Coq Extraction Plugin derart erweitert werden kann, dass typsichere Aufrufe zwischen den Sprachen OCaml und C generiert werden können. Dies verhindert spezifische Kompilationsfehler aufgrund von Typfehlern. Des Weiteren wird aufgezeigt, dass der durch CertiCoq generierte Code ebenfalls nicht im Kernel Space genutzt werden kann, da die Laufzeitumgebung technische Einschränkungen verletzt. Daher werden die notwendigen Anpassungen an der vergleichsweise kleinen Laufzeitumgebung sowie an VeriFFI vorgestellt und deren Korrektheit begründet. Anschließend werden mögliche Erweiterungen beider Plugins sowie die Möglichkeit der  Behandlung von fehlschlagenden Aufrufen der Garbage Collection von CertiCoq im Kernel Space erörtert.

Im dritten Teil wird als Machbarkeitsstudie im ersten Schritt der Event-Handler des Linux PC Speaker Treibers beschrieben und eine naive Coq-Formalisierung sowie wichtige formale Eigenschaften dargelegt. Dann wird beschrieben, wie ein Kernel-Modul und dessen Kompilation definiert werden muss, um einen lauffähigen Linux Kernel Treiber zu erhalten. Des Weiteren wird erläutert, wie die generierten
Teile dieses Treibers mit dem verifizierten Kompiler CompCert übersetzt werden können, wodurch auch eine Korrektheit für den resultierenden Assembler-Code gilt. Im Anschluss erfolgt eine Evaluierung der Performance des aus der naiven Coq-Formalisierung generierten Codes im Vergleich zum originalen PC-Speaker Treiber.
Dabei werden die Schwächen der Formalisierung sowie mögliche Verbesserungen diskutiert. Der Teil wird mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse sowie der daraus resultierenden offenen Fragen abgeschlossen.

Der letzte Teil gibt eine Übersicht über genutzte Quellen und Hilfsmittel, unterteilt in wissenschaftliche Literatur, Dokumentationen sowie Software-Artefakte.
KW  - Linux device drivers
KW  - Coq
KW  - CertiCoq
KW  - synthesis
KW  - compilation
KW  - Geräte-Treiber
KW  - Linux
KW  - Coq
KW  - CertiCoq
KW  - Synthese
KW  - Kompilation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-642558
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TY  - THES
A1  - Gebser, Martin
T1  - Proof theory and algorithms for answer set programming
T1  - Beweistheorie und Algorithmen für die Antwortmengenprogrammierung
N2  - Answer Set Programming (ASP) is an emerging paradigm for declarative programming, in which a computational problem is specified by a logic program such that particular models, called answer sets, match solutions. ASP faces a growing range of applications, demanding for high-performance tools able to solve complex problems. ASP integrates ideas from a variety of neighboring fields. In particular, automated techniques to search for answer sets are inspired by Boolean Satisfiability (SAT) solving approaches. While the latter have firm proof-theoretic foundations, ASP lacks formal frameworks for characterizing and comparing solving methods. Furthermore, sophisticated search patterns of modern SAT solvers, successfully applied in areas like, e.g., model checking and verification, are not yet established in ASP solving. We address these deficiencies by, for one, providing proof-theoretic frameworks that allow for characterizing, comparing, and analyzing approaches to answer set computation. For another, we devise modern ASP solving algorithms that integrate and extend state-of-the-art techniques for Boolean constraint solving. We thus contribute to the understanding of existing ASP solving approaches and their interconnections as well as to their enhancement by incorporating sophisticated search patterns. The central idea of our approach is to identify atomic as well as composite constituents of a propositional logic program with Boolean variables. This enables us to describe fundamental inference steps, and to selectively combine them in proof-theoretic characterizations of various ASP solving methods. In particular, we show that different concepts of case analyses applied by existing ASP solvers implicate mutual exponential separations regarding their best-case complexities. We also develop a generic proof-theoretic framework amenable to language extensions, and we point out that exponential separations can likewise be obtained due to case analyses on them. We further exploit fundamental inference steps to derive Boolean constraints characterizing answer sets. They enable the conception of ASP solving algorithms including search patterns of modern SAT solvers, while also allowing for direct technology transfers between the areas of ASP and SAT solving. Beyond the search for one answer set of a logic program, we address the enumeration of answer sets and their projections to a subvocabulary, respectively. The algorithms we develop enable repetition-free enumeration in polynomial space without being intrusive, i.e., they do not necessitate any modifications of computations before an answer set is found. Our approach to ASP solving is implemented in clasp, a state-of-the-art Boolean constraint solver that has successfully participated in recent solver competitions. Although we do here not address the implementation techniques of clasp or all of its features, we present the principles of its success in the context of ASP solving.
N2  - Antwortmengenprogrammierung (engl. Answer Set Programming; ASP) ist ein Paradigma zum deklarativen Problemlösen, wobei Problemstellungen durch logische Programme beschrieben werden, sodass bestimmte Modelle, Antwortmengen genannt, zu Lösungen korrespondieren. Die zunehmenden praktischen Anwendungen von ASP verlangen nach performanten Werkzeugen zum Lösen komplexer Problemstellungen. ASP integriert diverse Konzepte aus verwandten Bereichen. Insbesondere sind automatisierte Techniken für die Suche nach Antwortmengen durch Verfahren zum Lösen des aussagenlogischen Erfüllbarkeitsproblems (engl. Boolean Satisfiability; SAT) inspiriert. Letztere beruhen auf soliden beweistheoretischen Grundlagen, wohingegen es für ASP kaum formale Systeme gibt, um Lösungsmethoden einheitlich zu beschreiben und miteinander zu vergleichen. Weiterhin basiert der Erfolg moderner Verfahren zum Lösen von SAT entscheidend auf fortgeschrittenen Suchtechniken, die in gängigen Methoden zur Antwortmengenberechnung nicht etabliert sind. Diese Arbeit entwickelt beweistheoretische Grundlagen und fortgeschrittene Suchtechniken im Kontext der Antwortmengenberechnung. Unsere formalen Beweissysteme ermöglichen die Charakterisierung, den Vergleich und die Analyse vorhandener Lösungsmethoden für ASP. Außerdem entwerfen wir moderne Verfahren zum Lösen von ASP, die fortgeschrittene Suchtechniken aus dem SAT-Bereich integrieren und erweitern. Damit trägt diese Arbeit sowohl zum tieferen Verständnis von Lösungsmethoden für ASP und ihrer Beziehungen untereinander als auch zu ihrer Verbesserung durch die Erschließung fortgeschrittener Suchtechniken bei. Die zentrale Idee unseres Ansatzes besteht darin, Atome und komposite Konstrukte innerhalb von logischen Programmen gleichermaßen mit aussagenlogischen Variablen zu assoziieren. Dies ermöglicht die Isolierung fundamentaler Inferenzschritte, die wir in formalen Charakterisierungen von Lösungsmethoden für ASP selektiv miteinander kombinieren können. Darauf aufbauend zeigen wir, dass unterschiedliche Einschränkungen von Fallunterscheidungen zwangsläufig zu exponentiellen Effizienzunterschieden zwischen den charakterisierten Methoden führen. Wir generalisieren unseren beweistheoretischen Ansatz auf logische Programme mit erweiterten Sprachkonstrukten und weisen analytisch nach, dass das Treffen bzw. Unterlassen von Fallunterscheidungen auf solchen Konstrukten ebenfalls exponentielle Effizienzunterschiede bedingen kann. Die zuvor beschriebenen fundamentalen Inferenzschritte nutzen wir zur Extraktion inhärenter Bedingungen, denen Antwortmengen genügen müssen. Damit schaffen wir eine Grundlage für den Entwurf moderner Lösungsmethoden für ASP, die fortgeschrittene, ursprünglich für SAT konzipierte, Suchtechniken mit einschließen und darüber hinaus einen transparenten Technologietransfer zwischen Verfahren zum Lösen von ASP und SAT erlauben. Neben der Suche nach einer Antwortmenge behandeln wir ihre Aufzählung, sowohl für gesamte Antwortmengen als auch für Projektionen auf ein Subvokabular. Hierfür entwickeln wir neuartige Methoden, die wiederholungsfreies Aufzählen in polynomiellem Platz ermöglichen, ohne die Suche zu beeinflussen und ggf. zu behindern, bevor Antwortmengen berechnet wurden.
KW  - Wissensrepräsentation und -verarbeitung
KW  - Antwortmengenprogrammierung
KW  - Beweistheorie
KW  - Algorithmen
KW  - Knowledge Representation and Reasoning
KW  - Answer Set Programming
KW  - Proof Theory
KW  - Algorithms
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55425
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TY  - THES
A1  - Ghasemzadeh, Mohammad
T1  - A new algorithm  for  the quantified satisfiability problem, based on zero-suppressed binary decision diagrams and memoization
T1  - Ein neuer Algorithmus für die quantifizierte Aussagenlogik, basierend auf Zero-suppressed BDDs und Memoization
N2  - Quantified Boolean formulas (QBFs) play an important role in theoretical computer science. QBF extends propositional logic in such a way that many advanced forms of reasoning can be easily formulated and evaluated. In this dissertation we present our ZQSAT, which is an algorithm for evaluating quantified Boolean formulas. ZQSAT is based on ZBDD: Zero-Suppressed Binary Decision Diagram , which is a variant of BDD, and an adopted version of the DPLL algorithm. It has been implemented in C using the CUDD: Colorado University Decision Diagram package.  The capability of ZBDDs in storing sets of subsets efficiently enabled us to store the clauses of a QBF very compactly and let us to embed the notion of memoization to the DPLL algorithm. These points led us to implement the search algorithm in such a way that we could store and reuse the results of all previously solved subformulas with a little overheads. ZQSAT can solve some sets of standard QBF benchmark problems (known to be hard for DPLL based algorithms) faster than the best existing solvers. In addition to prenex-CNF, ZQSAT accepts prenex-NNF formulas. We show and prove how this capability can be exponentially beneficial.
N2  - In der Dissertation stellen wir einen neuen Algorithmus vor, welcher Formeln der quantifizierten Aussagenlogik (engl. Quantified Boolean formula, kurz QBF) löst. QBFs sind eine Erweiterung der klassischen Aussagenlogik um die Quantifizierung über aussagenlogische Variablen. Die quantifizierte Aussagenlogik ist dabei eine konservative Erweiterung der Aussagenlogik, d.h. es können nicht mehr Theoreme nachgewiesen werden als in der gewöhnlichen Aussagenlogik. Der Vorteil der Verwendung von QBFs ergibt sich durch die Möglichkeit, Sachverhalte kompakter zu repräsentieren.  SAT (die Frage nach der Erfüllbarkeit einer Formel der Aussagenlogik) und QSAT (die Frage nach der Erfüllbarkeit einer QBF) sind zentrale Probleme in der Informatik mit einer Fülle von Anwendungen, wie zum Beispiel in der Graphentheorie, bei Planungsproblemen, nichtmonotonen Logiken oder bei der Verifikation. Insbesondere die Verifikation von Hard- und Software ist ein sehr aktuelles und wichtiges Forschungsgebiet in der Informatik.  Unser Algorithmus zur Lösung von QBFs basiert auf sogenannten ZBDDs (engl. Zero-suppressed Binary decision Diagrams), welche eine Variante der BDDs (engl. Binary decision Diagrams) sind. BDDs sind eine kompakte Repräsentation von Formeln der Aussagenlogik. Der Algorithmus kombiniert nun bekannte Techniken zum Lösen von QBFs mit der ZBDD-Darstellung unter Verwendung geeigneter Heuristiken und Memoization. Memoization ermöglicht dabei das einfache Wiederverwenden bereits gelöster Teilprobleme.  Der Algorithmus wurde unter Verwendung des CUDD-Paketes (Colorado University Decision Diagram) implementiert und unter dem Namen ZQSAT veröffentlicht. In Tests konnten wir nachweisen, dass ZQSAT konkurrenzfähig zu existierenden QBF-Beweisern ist, in einigen Fällen sogar bessere Resultate liefern kann.
KW  - Binäres Entscheidungsdiagramm
KW  - Erfüllbarkeitsproblem
KW  - DPLL
KW  - Zero-Suppressed Binary Decision Diagram (ZDD)
KW  - Formeln der quantifizierten Aussagenlogik
KW  - Erfüllbarkeit einer Formel der Aussagenlogik
KW  - ZQSA
KW  - DPLL
KW  - Zero-Suppressed Binary Decision Diagram (ZDD)
KW  - Quantified Boolean Formula (QBF)
KW  - Satisfiability
KW  - ZQSAT
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6378
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TY  - THES
A1  - Glander, Tassilo
T1  - Multi-scale representations of virtual 3D city models
T1  - Maßstabsabhängige Repräsentationen virtueller 3D-Stadtmodelle
N2  - Virtual 3D city and landscape models are the main subject investigated in this thesis. They digitally represent urban space and have many applications in different domains, e.g., simulation, cadastral management, and city planning. Visualization is an elementary component of these applications. Photo-realistic visualization with an increasingly high degree of detail leads to fundamental problems for comprehensible visualization. A large number of highly detailed and textured objects within a virtual 3D city model may create visual noise and overload the users with information. Objects are subject to perspective foreshortening and may be occluded or not displayed in a meaningful way, as they are too small. In this thesis we present abstraction techniques that automatically process virtual 3D city and landscape models to derive abstracted representations. These have a reduced degree of detail, while essential characteristics are preserved. After introducing definitions for model, scale, and multi-scale representations, we discuss the fundamentals of map generalization as well as techniques for 3D generalization. The first presented technique is a cell-based generalization of virtual 3D city models. It creates abstract representations that have a highly reduced level of detail while maintaining essential structures, e.g., the infrastructure network, landmark buildings, and free spaces. The technique automatically partitions the input virtual 3D city model into cells based on the infrastructure network. The single building models contained in each cell are aggregated to abstracted cell blocks. Using weighted infrastructure elements, cell blocks can be computed on different hierarchical levels, storing the hierarchy relation between the cell blocks. Furthermore, we identify initial landmark buildings within a cell by comparing the properties of individual buildings with the aggregated properties of the cell. For each block, the identified landmark building models are subtracted using Boolean operations and integrated in a photo-realistic way. Finally, for the interactive 3D visualization we discuss the creation of the virtual 3D geometry and their appearance styling through colors, labeling, and transparency. We demonstrate the technique with example data sets. Additionally, we discuss applications of generalization lenses and transitions between abstract representations. The second technique is a real-time-rendering technique for geometric enhancement of landmark objects within a virtual 3D city model. Depending on the virtual camera distance, landmark objects are scaled to ensure their visibility within a specific distance interval while deforming their environment. First, in a preprocessing step a landmark hierarchy is computed, this is then used to derive distance intervals for the interactive rendering. At runtime, using the virtual camera distance, a scaling factor is computed and applied to each landmark. The scaling factor is interpolated smoothly at the interval boundaries using cubic Bézier splines. Non-landmark geometry that is near landmark objects is deformed with respect to a limited number of landmarks. We demonstrate the technique by applying it to a highly detailed virtual 3D city model and a generalized 3D city model. In addition we discuss an adaptation of the technique for non-linear projections and mobile devices. The third technique is a real-time rendering technique to create abstract 3D isocontour visualization of virtual 3D terrain models. The virtual 3D terrain model is visualized as a layered or stepped relief. The technique works without preprocessing and, as it is implemented using programmable graphics hardware, can be integrated with minimal changes into common terrain rendering techniques. Consequently, the computation is done in the rendering pipeline for each vertex, primitive, i.e., triangle, and fragment. For each vertex, the height is quantized to the nearest isovalue. For each triangle, the vertex configuration with respect to their isovalues is determined first. Using the configuration, the triangle is then subdivided. The subdivision forms a partial step geometry aligned with the triangle. For each fragment, the surface appearance is determined, e.g., depending on the surface texture, shading, and height-color-mapping. Flexible usage of the technique is demonstrated with applications from focus+context visualization, out-of-core terrain rendering, and information visualization. This thesis presents components for the creation of abstract representations of virtual 3D city and landscape models. Re-using visual language from cartography, the techniques enable users to build on their experience with maps when interpreting these representations. Simultaneously, characteristics of 3D geovirtual environments are taken into account by addressing and discussing, e.g., continuous scale, interaction, and perspective.
N2  - Gegenstand der Arbeit sind virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle, die den städtischen Raum in digitalen Repräsentationen abbilden. Sie werden in vielfältigen Anwendungen und zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Dabei ist die Visualisierung ein elementarer Bestandteil dieser Anwendungen. Durch realitätsnahe Darstellung und hohen Detailgrad entstehen jedoch zunehmend fundamentale Probleme für eine verständliche Visualisierung. So führt beispielsweise die hohe Anzahl von detailliert ausmodellierten und texturierten Objekten eines virtuellen 3D-Stadtmodells zu Informationsüberflutung beim Betrachter. In dieser Arbeit werden Abstraktionsverfahren vorgestellt, die diese Probleme behandeln. Ziel der Verfahren ist die automatische Transformation virtueller 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle in abstrakte Repräsentationen, die bei reduziertem Detailgrad wichtige Charakteristika erhalten. Nach der Einführung von Grundbegriffen zu Modell, Maßstab und Mehrfachrepräsentationen werden theoretische Grundlagen zur Generalisierung von Karten sowie Verfahren zur 3D-Generalisierung betrachtet. Das erste vorgestellte Verfahren beschreibt die zellbasierte Generalisierung von virtuellen 3DStadtmodellen. Es erzeugt abstrakte Repräsentationen, die drastisch im Detailgrad reduziert sind, erhält dabei jedoch die wichtigsten Strukturen, z.B. das Infrastrukturnetz, Landmarkengebäude und Freiflächen. Dazu wird in einem vollautomatischen Verfahren das Eingabestadtmodell mithilfe des Infrastrukturnetzes in Zellen zerlegt. Pro Zelle wird abstrakte Gebäudegeometrie erzeugt, indem die enthaltenen Einzelgebäude mit ihren Eigenschaften aggregiert werden. Durch Berücksichtigung gewichteter Elemente des Infrastrukturnetzes können Zellblöcke auf verschiedenen Hierarchieebenen berechnet werden. Weiterhin werden Landmarken gesondert berücksichtigt: Anhand statistischer Abweichungen der Eigenschaften der Einzelgebäudes von den aggregierten Eigenschaften der Zelle werden Gebäude gegebenenfalls als initiale Landmarken identifiziert. Schließlich werden die Landmarkengebäude aus den generalisierten Blöcken mit Booleschen Operationen ausgeschnitten und realitätsnah dargestellt. Die Ergebnisse des Verfahrens lassen sich in interaktiver 3D-Darstellung einsetzen. Das Verfahren wird beispielhaft an verschiedenen Datensätzen demonstriert und bezüglich der Erweiterbarkeit diskutiert. Das zweite vorgestellte Verfahren ist ein Echtzeit-Rendering-Verfahren für geometrische Hervorhebung von Landmarken innerhalb eines virtuellen 3D-Stadtmodells: Landmarkenmodelle werden abhängig von der virtuellen Kameradistanz vergrößert, so dass sie innerhalb eines spezifischen Entfernungsintervalls sichtbar bleiben; dabei wird ihre Umgebung deformiert. In einem Vorverarbeitungsschritt wird eine Landmarkenhierarchie bestimmt, aus der die Entfernungsintervalle für die interaktive Darstellung abgeleitet werden. Zur Laufzeit wird anhand der virtuellen Kameraentfernung je Landmarke ein dynamischer Skalierungsfaktor bestimmt, der das Landmarkenmodell auf eine sichtbare Größe skaliert. Dabei wird der Skalierungsfaktor an den Intervallgrenzen durch kubisch interpoliert. Für Nicht-Landmarkengeometrie in der Umgebung wird die Deformation bezüglich einer begrenzten Menge von Landmarken berechnet. Die Eignung des Verfahrens wird beispielhaft anhand verschiedener Datensätze demonstriert und bezüglich der Erweiterbarkeit diskutiert. Das dritte vorgestellte Verfahren ist ein Echtzeit-Rendering-Verfahren, das eine abstrakte 3D-Isokonturen-Darstellung von virtuellen 3D-Geländemodellen erzeugt. Für das Geländemodell wird eine Stufenreliefdarstellung für eine Menge von nutzergewählten Höhenwerten erzeugt. Das Verfahren arbeitet ohne Vorverarbeitung auf Basis programmierbarer Grafikkarten-Hardware. Entsprechend erfolgt die Verarbeitung in der Prozesskette pro Geometrieknoten, pro Dreieck, und pro Bildfragment. Pro Geometrieknoten wird zunächst die Höhe auf den nächstliegenden Isowert quantisiert. Pro Dreieck wird dann die Konfiguration bezüglich der Isowerte der drei Geometrieknoten bestimmt. Anhand der Konfiguration wird eine geometrische Unterteilung vorgenommen, so dass ein Stufenausschnitt entsteht, der dem aktuellen Dreieck entspricht. Pro Bildfragment wird schließlich die finale Erscheinung definiert, z.B. anhand von Oberflächentextur, durch Schattierung und Höheneinfärbung. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten werden mit verschiedenen Anwendungen demonstriert. Die Arbeit stellt Bausteine für die Erzeugung abstrakter Darstellungen von virtuellen 3D-Stadt und Landschaftsmodellen vor. Durch die Orientierung an kartographischer Bildsprache können die Nutzer auf bestehende Erfahrungen bei der Interpretation zurückgreifen. Dabei werden die charakteristischen Eigenschaften 3D geovirtueller Umgebungen berücksichtigt, indem z.B. kontinuierlicher Maßstab, Interaktion und Perspektive behandelt und diskutiert werden.
KW  - Generalisierung
KW  - virtuelle 3D-Stadtmodelle
KW  - Gebäudemodelle
KW  - Landmarken
KW  - Geländemodelle
KW  - generalization
KW  - virtual 3D city models
KW  - building models
KW  - landmarks
KW  - terrain models
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64117
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TY  - THES
A1  - Gröne, Bernhard
T1  - Konzeptionelle Patterns und ihre Darstellung
N2  - Zur Beherrschung großer Systeme, insbesondere zur Weitergabe und Nutzung von Erfahrungswissen in der frühen Entwurfs- und Planungsphase, benötigt man Abstraktionen für deren Strukturen. Trennt man Software- von Systemstrukturen, kann man mit letzteren Systeme auf ausreichend hohem Abstraktionsgrad beschreiben.Software-Patterns dienen dazu, Erfahrungswissen bezüglich programmierter Systeme strukturiert weiterzugeben. Dabei wird unterschieden zwischen Idiomen, die sich auf Lösungen mit einer bestimmten Programmiersprache beziehen, Design-Patterns, die nur einen kleinen Teil des Programms betreffen und Architektur-Patterns, deren Einfluss über einen größeren Teil oder gar das komplette Programm reicht. Eine Untersuchung von existierenden Patterns zeigt, dass deren Konzepte nützlich zum Finden von Systemstrukturen sind. Die grafische Darstellung dieser Patterns ist dagegen oft auf Software-Strukturen eingeschränkt und ist für die Vermittlung von Erfahrungen zum Finden von Systemstrukturen meist nicht geeignet. Daher wird die Kategorie der konzeptionellen Patterns mit einer darauf abgestimmten grafischen Darstellungsform vorgeschlagen, bei denen Problem und Lösungsvorschlag im Bereich der Systemstrukturen liegen. Sie betreffen informationelle Systeme, sind aber nicht auf Lösungen mit Software beschränkt. Die Systemstrukturen werden grafisch dargestellt, wobei dafür die Fundamental Modeling Concepts (FMC) verwendet werden, die zur Darstellung von Systemstrukturen entwickelt wurden.
N2  - Planning large and complex software systems is an important task of a system architect. It includes communicating with the customer, planning the overall system structure as well as preparing the division of labor among software engineers. What's more, a system architect benefits from other professionals' experiences concerning system architecture. By separating system from software structures, one can now describe a system by its system structure on an adequate level of abstraction. Patterns provide a common form for the transfer of experiences. A pattern describes a widely used and proven solution to a problem that occurs in a certain context. A study of existing architectural and design patterns shows that the concepts of many patterns carry valuable experiences concerning finding system structures. On the other hand, the graphical representations of these patterns usually focus on the software structures resulting from the solution in terms of classes and their relationships. This can be a problem if the solution doesn't imply one specific software structure but rather describes a concept which may be even independent from an implementation via software at all.For that reason, Conceptual Patterns are introduced. A pattern can be called conceptual if both problem and solution concern system structures. Here, the functional aspects and structures of the system are relevant while code structures or even the use of software for implementation are not. To support the focus on system structures, terminology and notation of conceptual patterns should use an adequate means such as provided by the Fundamental Modeling Concepts (FMC).
KW  - Patterns
KW  - Systemstruktur
KW  - FMC
KW  - Konzeptionell
KW  - Patterns
KW  - System structure
KW  - FMC
KW  - Conceptual
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2302
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TY  - THES
A1  - Haider, Peter
T1  - Prediction with Mixture Models
T1  - Vorhersage mit Mischmodellen
N2  - Learning a model for the relationship between the attributes and the annotated labels of data examples serves two purposes. Firstly, it enables the prediction of the label for examples without annotation. Secondly, the parameters of the model can provide useful insights into the structure of the data. If the data has an inherent partitioned structure, it is natural to mirror this structure in the model. Such mixture models predict by combining the individual predictions generated by the mixture components which correspond to the partitions in the data. Often the partitioned structure is latent, and has to be inferred when learning the mixture model. Directly evaluating the accuracy of the inferred partition structure is, in many cases, impossible because the ground truth cannot be obtained for comparison. However it can be assessed indirectly by measuring the prediction accuracy of the mixture model that arises from it. This thesis addresses the interplay between the improvement of predictive accuracy by uncovering latent cluster structure in data, and further addresses the validation of the estimated structure by measuring the accuracy of the resulting predictive model. In the application of filtering unsolicited emails, the emails in the training set are latently clustered into advertisement campaigns. Uncovering this latent structure allows filtering of future emails with very low false positive rates. In order to model the cluster structure, a Bayesian clustering model for dependent binary features is developed in this thesis. Knowing the clustering of emails into campaigns can also aid in uncovering which emails have been sent on behalf of the same network of captured hosts, so-called botnets. This association of emails to networks is another layer of latent clustering. Uncovering this latent structure allows service providers to further increase the accuracy of email filtering and to effectively defend against distributed denial-of-service attacks. To this end, a discriminative clustering model is derived in this thesis that is based on the graph of observed emails. The partitionings inferred using this model are evaluated through their capacity to predict the campaigns of new emails. Furthermore, when classifying the content of emails, statistical information about the sending server can be valuable. Learning a model that is able to make use of it requires training data that includes server statistics. In order to also use training data where the server statistics are missing, a model that is a mixture over potentially all substitutions thereof is developed. Another application is to predict the navigation behavior of the users of a website. Here, there is no a priori partitioning of the users into clusters, but to understand different usage scenarios and design different layouts for them, imposing a partitioning is necessary. The presented approach simultaneously optimizes the discriminative as well as the predictive power of the clusters. Each model is evaluated on real-world data and compared to baseline methods. The results show that explicitly modeling the assumptions about the latent cluster structure leads to improved predictions compared to the baselines. It is beneficial to incorporate a small number of hyperparameters that can be tuned to yield the best predictions in cases where the prediction accuracy can not be optimized directly.
N2  - Das Lernen eines Modells für den Zusammenhang zwischen den Eingabeattributen und annotierten Zielattributen von Dateninstanzen dient zwei Zwecken. Einerseits ermöglicht es die Vorhersage des Zielattributs für Instanzen ohne Annotation. Andererseits können die Parameter des Modells nützliche Einsichten in die Struktur der Daten liefern. Wenn die Daten eine inhärente Partitionsstruktur besitzen, ist es natürlich, diese Struktur im Modell widerzuspiegeln. Solche Mischmodelle generieren Vorhersagen, indem sie die individuellen Vorhersagen der Mischkomponenten, welche mit den Partitionen der Daten korrespondieren, kombinieren. Oft ist die Partitionsstruktur latent und muss beim Lernen des Mischmodells mitinferiert werden. Eine direkte Evaluierung der Genauigkeit der inferierten Partitionsstruktur ist in vielen Fällen unmöglich, weil keine wahren Referenzdaten zum Vergleich herangezogen werden können. Jedoch kann man sie indirekt einschätzen, indem man die Vorhersagegenauigkeit des darauf basierenden Mischmodells misst. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel zwischen der Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit durch das Aufdecken latenter Partitionierungen in Daten, und der Bewertung der geschätzen Struktur durch das Messen der Genauigkeit des resultierenden Vorhersagemodells. Bei der Anwendung des Filterns unerwünschter E-Mails sind die E-Mails in der Trainingsmende latent in Werbekampagnen partitioniert. Das Aufdecken dieser latenten Struktur erlaubt das Filtern zukünftiger E-Mails mit sehr niedrigen Falsch-Positiv-Raten. In dieser Arbeit wird ein Bayes'sches Partitionierunsmodell entwickelt, um diese Partitionierungsstruktur zu modellieren. Das Wissen über die Partitionierung von E-Mails in Kampagnen hilft auch dabei herauszufinden, welche E-Mails auf Veranlassen des selben Netzes von infiltrierten Rechnern, sogenannten Botnetzen, verschickt wurden. Dies ist eine weitere Schicht latenter Partitionierung. Diese latente Struktur aufzudecken erlaubt es, die Genauigkeit von E-Mail-Filtern zu erhöhen und sich effektiv gegen verteilte Denial-of-Service-Angriffe zu verteidigen. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein diskriminatives Partitionierungsmodell hergeleitet, welches auf dem Graphen der beobachteten E-Mails basiert. Die mit diesem Modell inferierten Partitionierungen werden via ihrer Leistungsfähigkeit bei der Vorhersage der Kampagnen neuer E-Mails evaluiert. Weiterhin kann bei der Klassifikation des Inhalts einer E-Mail statistische Information über den sendenden Server wertvoll sein. Ein Modell zu lernen das diese Informationen nutzen kann erfordert Trainingsdaten, die Serverstatistiken enthalten. Um zusätzlich Trainingsdaten benutzen zu können, bei denen die Serverstatistiken fehlen, wird ein Modell entwickelt, das eine Mischung über potentiell alle Einsetzungen davon ist. Eine weitere Anwendung ist die Vorhersage des Navigationsverhaltens von Benutzern einer Webseite. Hier gibt es nicht a priori eine Partitionierung der Benutzer. Jedoch ist es notwendig, eine Partitionierung zu erzeugen, um verschiedene Nutzungsszenarien zu verstehen und verschiedene Layouts dafür zu entwerfen. Der vorgestellte Ansatz optimiert gleichzeitig die Fähigkeiten des Modells, sowohl die beste Partition zu bestimmen als auch mittels dieser Partition Vorhersagen über das Verhalten zu generieren. Jedes Modell wird auf realen Daten evaluiert und mit Referenzmethoden verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das explizite Modellieren der Annahmen über die latente Partitionierungsstruktur zu verbesserten Vorhersagen führt. In den Fällen bei denen die Vorhersagegenauigkeit nicht direkt optimiert werden kann, erweist sich die Hinzunahme einer kleinen Anzahl von übergeordneten, direkt einstellbaren Parametern als nützlich.
KW  - maschinelles Lernen
KW  - Vorhersage
KW  - Clusteranalyse
KW  - Mischmodelle
KW  - machine learning
KW  - prediction
KW  - clustering
KW  - mixture models
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69617
ER  - 
TY  - THES
A1  - Harmeling, Stefan
T1  - Independent component analysis and beyond
N2  - 'Independent component analysis' (ICA) ist ein Werkzeug der statistischen Datenanalyse und Signalverarbeitung, welches multivariate Signale in ihre Quellkomponenten zerlegen kann. Obwohl das klassische ICA Modell sehr nützlich ist, gibt es viele Anwendungen, die Erweiterungen von ICA erfordern. In dieser Dissertation präsentieren wir neue Verfahren, die die Funktionalität von ICA erweitern: (1) Zuverlässigkeitsanalyse und Gruppierung von unabhängigen Komponenten durch Hinzufügen von Rauschen, (2) robuste und überbestimmte ('over-complete') ICA durch Ausreissererkennung, und (3) nichtlineare ICA mit Kernmethoden.
N2  - Independent component analysis (ICA) is a tool for statistical data analysis and signal processing that is able to decompose multivariate signals into their underlying source components. Although the classical ICA model is highly useful, there are many real-world applications that require powerful extensions of ICA. This thesis presents new methods that extend the functionality of ICA: (1) reliability and grouping of independent components with noise injection, (2) robust and overcomplete ICA with inlier detection, and (3) nonlinear ICA with kernel methods.
T2  - Independent component analysis and beyond
KW  - ICA
KW  - Zuverlässigkeitsanalyse
KW  - robuste ICA
KW  - überbestimmte ICA
KW  - Ausreissererkennung
KW  - nichtlineare ICA
KW  - Kern-PCA
KW  - Kernmethoden
KW  - ICA
KW  - reliability assessment
KW  - robust ICA
KW  - overcomplete ICA
KW  - outlier detection
KW  - nonlinear ICA
KW  - kernel PCA
KW  - kernel methods
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001540
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hecher, Markus
T1  - Advanced tools and methods for treewidth-based problem solving
N2  - In the last decades, there was a notable progress in solving the well-known Boolean satisfiability (Sat) problem, which can be witnessed by powerful Sat solvers. One of the reasons why these solvers are so fast are structural properties of instances that are utilized by the solver’s interna. This thesis deals with the well-studied structural property treewidth, which measures the closeness of an instance to being a tree. In fact, there are many problems parameterized by treewidth that are solvable in polynomial time in the instance size when parameterized by treewidth.
In this work, we study advanced treewidth-based methods and tools for problems in knowledge representation and reasoning (KR). Thereby, we provide means to establish precise runtime results (upper bounds) for canonical problems relevant to KR. Then, we present a new type of problem reduction, which we call decomposition-guided (DG) that
allows us to precisely monitor the treewidth when reducing from one problem to another problem. This new reduction type will be the basis for a long-open lower bound result for quantified Boolean formulas and allows us to design a new methodology for establishing runtime lower bounds for problems parameterized by treewidth.
Finally, despite these lower bounds, we provide an efficient implementation of algorithms that adhere to treewidth. Our approach finds suitable abstractions of instances, which are subsequently refined in a recursive fashion, and it uses Sat solvers for solving subproblems. It turns out that our resulting solver is quite competitive for two canonical counting problems related to Sat.
N2  - In den letzten Jahrzehnten konnte ein beachtlicher Fortschritt im Bereich der Aussagenlogik verzeichnet werden. Dieser äußerte sich dadurch, dass für das wichtigste Problem in diesem Bereich, genannt „Sat“, welches sich mit der Fragestellung befasst, ob eine gegebene aussagenlogische Formel erfüllbar ist oder nicht, überwältigend schnelle Computerprogramme („Solver“) entwickelt werden konnten. Interessanterweise liefern diese Solver eine beeindruckende Leistung, weil sie oft selbst Probleminstanzen mit mehreren Millionen von Variablen spielend leicht lösen können. Auf der anderen Seite jedoch glaubt man in der Wissenschaft weitgehend an die Exponentialzeithypothese (ETH), welche besagt, dass man im schlimmsten Fall für das Lösen einer Instanz in diesem Bereich exponentielle Laufzeit in der Anzahl der Variablen benötigt. Dieser vermeintliche Widerspruch ist noch immer nicht vollständig geklärt, denn wahrscheinlich gibt es viele ineinandergreifende Gründe für die Schnelligkeit aktueller Sat Solver. Einer dieser Gründe befasst sich weitgehend mit strukturellen Eigenschaften von Probleminstanzen, die wohl indirekt und intern von diesen Solvern ausgenützt werden.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit solchen strukturellen Eigenschaften, nämlich mit der sogenannten Baumweite. Die Baumweite ist sehr gut erforscht und versucht zu messen, wie groß der Abstand von Probleminstanzen zu Bäumen ist (Baumnähe). Allerdings ist dieser Parameter sehr generisch und bei Weitem nicht auf Problemstellungen der Aussagenlogik beschränkt. Tatsächlich gibt es viele weitere Probleme, die parametrisiert mit Baumweite in polynomieller Zeit gelöst werden können. Interessanterweise gibt es auch viele Probleme in der Wissensrepräsentation (KR), von denen man davon ausgeht, dass sie härter sind als das Problem Sat, die bei beschränkter Baumweite in polynomieller Zeit gelöst werden können. Ein prominentes Beispiel solcher Probleme ist das Problem QSat, welches sich für die Gültigkeit einer gegebenen quantifizierten, aussagenlogischen Formel (QBF), das sind aussagenlogische Formeln, wo gewisse Variablen existenziell bzw. universell quantifiziert werden können, befasst. Bemerkenswerterweise wird allerdings auch im Zusammenhang mit Baumweite, ähnlich zu Methoden der klassischen Komplexitätstheorie, die tatsächliche Komplexität (Härte) solcher Problemen quantifiziert, wo man die exakte Laufzeitabhängigkeit beim Problemlösen in der Baumweite (Stufe der Exponentialität) beschreibt.

Diese Arbeit befasst sich mit fortgeschrittenen, Baumweite-basierenden Methoden und Werkzeugen für Probleme der Wissensrepräsentation und künstlichen Intelligenz (AI). Dabei präsentieren wir Methoden, um präzise Laufzeitresultate (obere Schranken) für prominente Fragmente der Antwortmengenprogrammierung (ASP), welche ein kanonisches Paradigma zum Lösen von Problemen der Wissensrepräsentation darstellt, zu erhalten. Unsere Resultate basieren auf dem Konzept der dynamischen Programmierung, die angeleitet durch eine sogenannte Baumzerlegung und ähnlich dem Prinzip „Teile-und-herrsche“ funktioniert. Solch eine Baumzerlegung ist eine konkrete, strukturelle Zerlegung einer Probleminstanz, die sich stark an der Baumweite orientiert.

Des Weiteren präsentieren wir einen neuen Typ von Problemreduktion, den wir als „decomposition-guided (DG)“, also „zerlegungsangeleitet“, bezeichnen. Dieser Reduktionstyp erlaubt es, Baumweiteerhöhungen und -verringerungen während einer Problemreduktion von einem bestimmten Problem zu einem anderen Problem präzise zu untersuchen und zu kontrollieren. Zusätzlich ist dieser neue Reduktionstyp die Basis, um ein lange offen gebliebenes Resultat betreffend quantifizierter, aussagenlogischer Formeln zu zeigen. Tatsächlich sind wir damit in der Lage, präzise untere Schranken, unter der Annahme der Exponentialzeithypothese, für das Problem QSat bei beschränkter Baumweite zu zeigen. Genauer gesagt können wir mit diesem Konzept der DG Reduktionen zeigen, dass das Problem QSat, beschränkt auf Quantifizierungsrang ` und parametrisiert mit Baumweite k, im Allgemeinen nicht besser als in einer Laufzeit, die `-fach exponentiell in der Baumweite und polynomiell in der Instanzgröße ist1, lösen. Dieses Resultat hebt auf nicht-inkrementelle Weise ein bekanntes Ergebnis für Quantifizierungsrang 2 auf beliebige Quantifizierungsränge, allerdings impliziert es auch sehr viele weitere Konsequenzen.

Das Resultat über die untere Schranke des Problems QSat erlaubt es, eine neue Methodologie zum Zeigen unterer Schranken einer Vielzahl von Problemen der Wissensrepräsentation und künstlichen Intelligenz, zu etablieren. In weiterer Konsequenz können wir damit auch zeigen, dass die oberen Schranken sowie die DG Reduktionen dieser Arbeit unter der Hypothese ETH „eng“ sind, d.h., sie können wahrscheinlich nicht mehr signifikant verbessert werden. Die Ergebnisse betreffend der unteren Schranken für QSat und die dazugehörige Methodologie konstituieren in gewisser Weise eine Hierarchie von über Baumweite parametrisierte Laufzeitklassen. Diese Laufzeitklassen können verwendet werden, um die Härte von Problemen für das Ausnützen von Baumweite zu quantifizieren und diese entsprechend ihrer Laufzeitabhängigkeit bezüglich Baumweite zu kategorisieren.

Schlussendlich und trotz der genannten Resultate betreffend unterer Schranken sind wir im Stande, eine effiziente Implementierung von Algorithmen basierend auf dynamischer Programmierung, die entlang einer Baumzerlegung angeleitet wird, zur Verfügung zu stellen. Dabei funktioniert unser Ansatz dahingehend, indem er probiert, passende Abstraktionen von Instanzen zu finden, die dann im Endeffekt sukzessive und auf rekursive Art und Weise verfeinert und verbessert werden. Inspiriert durch die enorme Effizienz und Effektivität der Sat Solver, ist unsere Implementierung ein hybrider Ansatz, weil sie den starken Gebrauch von Sat Solvern zum Lösen diverser Subprobleme, die während der dynamischen Programmierung auftreten, pflegt. Dabei stellt sich heraus, dass der resultierende Solver unserer Implementierung im Bezug auf Effizienz beim Lösen von zwei kanonischen, Sat-verwandten Zählproblemen mit bestehenden Solvern locker mithalten kann. Tatsächlich sind wir im Stande, Instanzen, wo die oberen Schranken von Baumweite 260 übersteigen, zu lösen. Diese überraschende Beobachtung zeigt daher, dass Baumweite ein wichtiger Parameter sein könnte, der wohl in modernen Designs von Solvern berücksichtigt werden sollte.
KW  - Treewidth
KW  - Dynamic Programming
KW  - Knowledge Representation and Reasoning
KW  - Artificial Intelligence
KW  - Computational Complexity
KW  - Parameterized Complexity
KW  - Answer Set Programming
KW  - Exponential Time Hypothesis
KW  - Lower Bounds
KW  - Algorithms
KW  - Algorithmen
KW  - Antwortmengenprogrammierung
KW  - Künstliche Intelligenz
KW  - Komplexitätstheorie
KW  - Dynamische Programmierung
KW  - Exponentialzeit Hypothese
KW  - Wissensrepräsentation und Schlussfolgerung
KW  - Untere Schranken
KW  - Parametrisierte Komplexität
KW  - Baumweite
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512519
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hitz, Michael
T1  - Modellierung und Generierung kombinierbarer Benutzungsschnittstellenvarianten und deren gemeinschaftliche Nutzung in Dienst-Ökosystemen
T1  - Modeling and generation of composable user interface variants and their shared use in digital service ecosystems
N2  - Digitalisierung ermöglicht es uns, mit Partnern (z.B. Unternehmen, Institutionen) in einer IT-unterstützten Umgebung zu interagieren und Tätigkeiten auszuführen, die vormals manuell erledigt wurden. Ein Ziel der Digitalisierung ist dabei, Dienstleistungen unterschiedlicher fachlicher Domänen zu Prozessen zu kombinieren und vielen Nutzergruppen bedarfsgerecht zugänglich zu machen. Hierzu stellen Anbieter technische Dienste bereit, die in unterschiedliche Anwendungen integriert werden können.

Die Digitalisierung stellt die Anwendungsentwicklung vor neue Herausforderungen. Ein Aspekt ist die bedarfsgerechte Anbindung von Nutzern an Dienste. Zur Interaktion menschlicher Nutzer mit den Diensten werden Benutzungsschnittstellen benötigt, die auf deren Bedürfnisse zugeschnitten sind. Hierzu werden Varianten für spezifische Nutzergruppen (fachliche Varianten) und variierende Umgebungen (technische Varianten) benötigt. Zunehmend müssen diese mit Diensten anderer Anbieter kombiniert werden können, um domänenübergreifend Prozesse zu Anwendungen mit einem erhöhten Mehrwert für den Endnutzer zu verknüpfen (z.B. eine Flugbuchung mit einer optionalen Reiseversicherung). 

Die Vielfältigkeit der Varianten lässt die Erstellung von Benutzungsschnittstellen komplex und die Ergebnisse sehr individuell erscheinen. Daher werden die Varianten in der Praxis vorwiegend manuell erstellt. Dies führt zur parallelen Entwicklung einer Vielzahl sehr ähnlicher Anwendungen, die nur geringes Potential zur Wiederverwendung besitzen. Die Folge sind hohe Aufwände bei Erstellung und Wartung. Dadurch wird häufig auf die Unterstützung kleiner Nutzerkreise mit speziellen Anforderungen verzichtet (z.B. Menschen mit physischen Einschränkungen), sodass diese weiterhin von der Digitalisierung ausgeschlossen bleiben.

Die Arbeit stellt eine konsistente Lösung für diese neuen Herausforderungen mit den Mitteln der modellgetriebenen Entwicklung vor. Sie präsentiert einen Ansatz zur Modellierung von Benutzungsschnittstellen, Varianten und Kompositionen und deren automatischer Generierung für digitale Dienste in einem verteilten Umfeld. Die Arbeit schafft eine Lösung zur Wiederverwendung und gemeinschaftlichen Nutzung von Benutzungsschnittstellen über Anbietergrenzen hinweg. Sie führt zu einer Infrastruktur, in der eine Vielzahl von Anbietern ihre Expertise in gemeinschaftliche Anwendungen einbringen können.

Die Beiträge bestehen im Einzelnen in Konzepten und Metamodellen zur Modellierung von Benutzungsschnittstellen, Varianten und Kompositionen sowie einem Verfahren zu deren vollständig automatisierten Transformation in funktionale Benutzungsschnittstellen. Zur Umsetzung der gemeinschaftlichen Nutzbarkeit werden diese ergänzt um eine universelle Repräsentation der Modelle, einer Methodik zur Anbindung unterschiedlicher Dienst-Anbieter sowie einer Architektur zur verteilten Nutzung der Artefakte und Verfahren in einer dienstorientierten Umgebung.

Der Ansatz bietet die Chance, unterschiedlichste Menschen bedarfsgerecht an der Digitalisierung teilhaben zu lassen. Damit setzt die Arbeit Impulse für zukünftige Methoden zur Anwendungserstellung in einem zunehmend vielfältigen Umfeld.
N2  - Digitalization enables us to interact with partners (e.g., companies, institutions) and perform operations in an IT-supported, digital environment. A major objective of the digitalization efforts is to combine and integrate services of different business domains in order to make them accessible to a wide variety of users. To achieve that objective, service suppliers provide technical services that can be integrated into applications.

This brings new challenges for the development of applications. An important aspect is the needs-oriented accessibility of services for users. To interact with technical services, human users need user interfaces (UIs) tailored to suit their needs. This requires a variety of UI variants focusing on the different requirements of special user groups (user specific variants) and tailored for multiple technical environments (technical variants). In addition, user interfaces increasingly need to combine services from different suppliers and business domains to build applications with added value for the customer (e.g., a flight booking in combination with a travel insurance product).

The diversity of the variants lets the development of user interfaces seems to be a complex and very individual task. Therefore, in daily practice variants are mostly built manually. This leads to concurrent developments of very similar, yet hardly reusable applications. This results in increasing expenses for application building and maintenance. One consequence is that service providers shy away from the effort to build variants for small user groups with special needs (e.g., visually impaired persons), excluding them from digital offerings and leaving them behind.

This thesis offers a consistent solution for these new challenges by applying model driven development techniques to the problem. It presents an approach for modeling dialog-based user interfaces, variants and compositions including their completely automatic generation as UIs for digital services in a distributed environment. The thesis provides a solution for reuse and sharing of user interfaces across different domains and suppliers. It leads to an infrastructure where a variety of suppliers can share their expertise to build applications.

The contributions of this work are concepts and metamodels for modeling user interfaces, variants and compositions along with a process for a completely automated transformation into fully functional UIs. To achieve reusability and shareability the solutions are complemented by a universal representation of the models, a method to reuse them with different service suppliers and a distributed architecture for sharing the artifacts and functional components of the approach in a service oriented environment.

The approach offers the opportunity to a variety of people to participate in digitalization. It provides impetus for future application development methods within an increasingly diverse environment.
KW  - Digitalisierung
KW  - Dienst-Ökosysteme
KW  - Dialogbasierte Benutzerschnittstellen
KW  - Multimodale Benutzerschnittstellen
KW  - Modellgetriebene UI Entwicklung
KW  - UI-Komponenten
KW  - Digitalisation
KW  - Service Ecosystems
KW  - Tailored UI Variants
KW  - User Interfaces
KW  - Dialog-based User Interfaces
KW  - Multimodal User Interfaces
KW  - Model Driven UI Development
KW  - Automatic UI Generation
KW  - Reuseable UIs
KW  - UI Components
KW  - Composed UIs
KW  - UI Metamodels
KW  - Softwareentwicklung
KW  - Domänenspezifische Sprachen
KW  - Generative Programmierung
KW  - Modellgetriebene Softwareentwicklung
KW  - Serviceorientierte Architektur
KW  - Benutzungsschnittstellen Ontologien
KW  - Linked Data Anwendungen
KW  - Applications and Software Development
KW  - Model-Driven Software Development
KW  - Service Oriented Architectures
KW  - Software Engineering
KW  - User Interface Ontologies
KW  - Linked Data Application Modelling
KW  - Application Aggregation
KW  - Generative Programming
KW  - Domain-Specific Languages
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500224
ER  - 
TY  - THES
A1  - Holz, Christian
T1  - 3D from 2D touch
T1  - 3D von 2D-Berührungen
N2  - While interaction with computers used to be dominated by mice and keyboards, new types of sensors now allow users to interact through touch, speech, or using their whole body in 3D space. These new interaction modalities are often referred to as "natural user interfaces" or "NUIs." While 2D NUIs have experienced major success on billions of mobile touch devices sold, 3D NUI systems have so far been unable to deliver a mobile form factor, mainly due to their use of cameras. The fact that cameras require a certain distance from the capture volume has prevented 3D NUI systems from reaching the flat form factor mobile users expect. In this dissertation, we address this issue by sensing 3D input using flat 2D sensors. The systems we present observe the input from 3D objects as 2D imprints upon physical contact. By sampling these imprints at very high resolutions, we obtain the objects' textures. In some cases, a texture uniquely identifies a biometric feature, such as the user's fingerprint. In other cases, an imprint stems from the user's clothing, such as when walking on multitouch floors. By analyzing from which part of the 3D object the 2D imprint results, we reconstruct the object's pose in 3D space. While our main contribution is a general approach to sensing 3D input on 2D sensors upon physical contact, we also demonstrate three applications of our approach. (1) We present high-accuracy touch devices that allow users to reliably touch targets that are a third of the size of those on current touch devices. We show that different users and 3D finger poses systematically affect touch sensing, which current devices perceive as random input noise. We introduce a model for touch that compensates for this systematic effect by deriving the 3D finger pose and the user's identity from each touch imprint. We then investigate this systematic effect in detail and explore how users conceptually touch targets. Our findings indicate that users aim by aligning visual features of their fingers with the target. We present a visual model for touch input that eliminates virtually all systematic effects on touch accuracy. (2) From each touch, we identify users biometrically by analyzing their fingerprints. Our prototype Fiberio integrates fingerprint scanning and a display into the same flat surface, solving a long-standing problem in human-computer interaction: secure authentication on touchscreens. Sensing 3D input and authenticating users upon touch allows Fiberio to implement a variety of applications that traditionally require the bulky setups of current 3D NUI systems. (3) To demonstrate the versatility of 3D reconstruction on larger touch surfaces, we present a high-resolution pressure-sensitive floor that resolves the texture of objects upon touch. Using the same principles as before, our system GravitySpace analyzes all imprints and identifies users based on their shoe soles, detects furniture, and enables accurate touch input using feet. By classifying all imprints, GravitySpace detects the users' body parts that are in contact with the floor and then reconstructs their 3D body poses using inverse kinematics. GravitySpace thus enables a range of applications for future 3D NUI systems based on a flat sensor, such as smart rooms in future homes. We conclude this dissertation by projecting into the future of mobile devices. Focusing on the mobility aspect of our work, we explore how NUI devices may one day augment users directly in the form of implanted devices.
N2  - Die Interaktion mit Computern war in den letzten vierzig Jahren stark von Tastatur und Maus geprägt. Neue Arten von Sensoren ermöglichen Computern nun, Eingaben durch Berührungs-, Sprach- oder 3D-Gestensensoren zu erkennen. Solch neuartige Formen der Interaktion werden häufig unter dem Begriff "natürliche Benutzungsschnittstellen" bzw. "NUIs" (englisch natural user interfaces) zusammengefasst. 2D-NUIs ist vor allem auf Mobilgeräten ein Durchbruch gelungen; über eine Milliarde solcher Geräte lassen sich durch Berührungseingaben bedienen. 3D-NUIs haben sich jedoch bisher nicht auf mobilen Plattformen durchsetzen können, da sie Nutzereingaben vorrangig mit Kameras aufzeichnen. Da Kameras Bilder jedoch erst ab einem gewissen Abstand auflösen können, eignen sie sich nicht als Sensor in einer mobilen Plattform. In dieser Arbeit lösen wir dieses Problem mit Hilfe von 2D-Sensoren, von deren Eingaben wir 3D-Informationen rekonstruieren. Unsere Prototypen zeichnen dabei die 2D-Abdrücke der Objekte, die den Sensor berühren, mit hoher Auflösung auf. Aus diesen Abdrücken leiten sie dann die Textur der Objekte ab. Anhand der Stelle der Objektoberfläche, die den Sensor berührt, rekonstruieren unsere Prototypen schließlich die 3D-Ausrichtung des jeweiligen Objektes. Neben unserem Hauptbeitrag der 3D-Rekonstruktion stellen wir drei Anwendungen unserer Methode vor. (1) Wir präsentieren Geräte, die Berührungseingaben dreimal genauer als existierende Geräte messen und damit Nutzern ermöglichen, dreimal kleinere Ziele zuverlässig mit dem Finger auszuwählen. Wir zeigen dabei, dass sowohl die Haltung des Fingers als auch der Benutzer selbst einen systematischen Einfluss auf die vom Sensor gemessene Position ausübt. Da existierende Geräte weder die Haltung des Fingers noch den Benutzer erkennen, nehmen sie solche Variationen als Eingabeungenauigkeit wahr. Wir stellen ein Modell für Berührungseingabe vor, das diese beiden Faktoren integriert, um damit die gemessenen Eingabepositionen zu präzisieren. Anschließend untersuchen wir, welches mentale Modell Nutzer beim Berühren kleiner Ziele mit dem Finger anwenden. Unsere Ergebnisse deuten auf ein visuelles Modell hin, demzufolge Benutzer Merkmale auf der Oberfläche ihres Fingers an einem Ziel ausrichten. Bei der Analyse von Berührungseingaben mit diesem Modell verschwinden nahezu alle zuvor von uns beobachteten systematischen Effekte. (2) Unsere Prototypen identifizieren Nutzer anhand der biometrischen Merkmale von Fingerabdrücken. Unser Prototyp Fiberio integriert dabei einen Fingerabdruckscanner und einen Bildschirm in die selbe Oberfläche und löst somit das seit Langem bestehende Problem der sicheren Authentifizierung auf Berührungsbildschirmen. Gemeinsam mit der 3D-Rekonstruktion von Eingaben ermöglicht diese Fähigkeit Fiberio, eine Reihe von Anwendungen zu implementieren, die bisher den sperrigen Aufbau aktueller 3D-NUI-Systeme voraussetzten. (3) Um die Flexibilität unserer Methode zu zeigen, implementieren wir sie auf einem großen, berührungsempfindlichen Fußboden, der Objekttexturen bei der Eingabe ebenfalls mit hoher Auflösung aufzeichnet. Ähnlich wie zuvor analysiert unser System GravitySpace diese Abdrücke, um Nutzer anhand ihrer Schuhsolen zu identifizieren, Möbelstücke auf dem Boden zu erkennen und Nutzern präzise Eingaben mittels ihrer Schuhe zu ermöglichen. Indem GravitySpace alle Abdrücke klassifiziert, erkennt das System die Körperteile der Benutzer, die sich in Kontakt mit dem Boden befinden. Aus der Anordnung dieser Kontakte schließt GravitySpace dann auf die Körperhaltungen aller Benutzer in 3D. GravitySpace hat daher das Potenzial, Anwendungen für zukünftige 3D-NUI-Systeme auf einer flachen Oberfläche zu implementieren, wie zum Beispiel in zukünftigen intelligenten Wohnungen. Wie schließen diese Arbeit mit einem Ausblick auf zukünftige interaktive Geräte. Dabei konzentrieren wir uns auf den Mobilitätsaspekt aktueller Entwicklungen und beleuchten, wie zukünftige mobile NUI-Geräte Nutzer in Form implantierter Geräte direkt unterstützen können.
KW  - HCI
KW  - Berührungseingaben
KW  - Eingabegenauigkeit
KW  - Modell
KW  - Mobilgeräte
KW  - HCI
KW  - touch input
KW  - input accuracy
KW  - model
KW  - mobile devices
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67796
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hu, Ji
T1  - A virtual machine architecture for IT-security laboratories
T1  - Eine virtuelle maschinenbasierte Architektur für IT-Sicherheitslabore
N2  - This thesis discusses challenges in IT security education, points out a gap between e-learning and practical education, and presents a work to fill the gap.  E-learning is a flexible and personalized alternative to traditional education. Nonetheless, existing e-learning systems for IT security education have difficulties in delivering hands-on experience because of the lack of proximity. Laboratory environments and practical exercises are indispensable instruction tools to IT security education, but security education in conventional computer laboratories poses particular problems such as immobility as well as high creation and maintenance costs. Hence, there is a need to effectively transform security laboratories and practical exercises into e-learning forms.  In this thesis, we introduce the Tele-Lab IT-Security architecture that allows students not only to learn IT security principles, but also to gain hands-on security experience by exercises in an online laboratory environment. In this architecture, virtual machines are used to provide safe user work environments instead of real computers. Thus, traditional laboratory environments can be cloned onto the Internet by software, which increases accessibility to laboratory resources and greatly reduces investment and maintenance costs.  Under the Tele-Lab IT-Security framework, a set of technical solutions is also proposed to provide effective functionalities, reliability, security, and performance. The virtual machines with appropriate resource allocation, software installation, and system configurations are used to build lightweight security laboratories on a hosting computer. Reliability and availability of laboratory platforms are covered by a virtual machine management framework. This management framework provides necessary monitoring and administration services to detect and recover critical failures of virtual machines at run time. Considering the risk that virtual machines can be misused for compromising production networks, we present a security management solution to prevent the misuse of laboratory resources by security isolation at the system and network levels.  This work is an attempt to bridge the gap between e-learning/tele-teaching and practical IT security education. It is not to substitute conventional teaching in laboratories but to add practical features to e-learning. This thesis demonstrates the possibility to implement hands-on security laboratories on the Internet reliably, securely, and economically.
N2  - Diese Dissertation beschreibt die Herausforderungen in der IT Sicherheitsausbildung und weist auf die noch vorhandene Lücke zwischen E-Learning und praktischer Ausbildung hin. Sie erklärt einen Ansatz sowie ein System, um diese Lücke zwischen Theorie und Praxis in der elektronischen Ausbildung zu schließen.  E-Learning ist eine flexible und personalisierte Alternative zu traditionellen Lernmethoden. Heutigen E-Learning Systemen mangelt es jedoch an der Fähigkeit, praktische Erfahrungen über große Distanzen zu ermöglichen. Labor- bzw. Testumgebungen sowie praktische Übungen sind jedoch unverzichtbar, wenn es um die Ausbildung von Sicherheitsfachkräften geht. Konventionelle Laborumgebungen besitzen allerdings einige Nachteile wie bspw. hoher Erstellungsaufwand, keine Mobilität, hohe Wartungskosten, etc. Die Herausforderung heutiger IT Sicherheitsausbildung ist es daher, praktische Sicherheitslaborumgebungen und Übungen effektiv mittels E-Learning zu unterstützen.  In dieser Dissertation wird die Architektur von Tele-Lab IT-Security vorgestellt, die Studenten nicht nur erlaubt theoretische Sicherheitskonzepte zu erlernen, sondern darüber hinaus Sicherheitsübungen in einer Online-Laborumgebung praktisch zu absolvieren. Die Teilnehmer können auf diese Weise wichtige praktische Erfahrungen im Umgang mit Sicherheitsprogrammen sammeln. Zur Realisierung einer sicheren Übungsumgebung, werden virtuelle Maschinen anstatt reale Rechner im Tele-Lab System verwendet. Mittels virtueller Maschinen können leicht Laborumgebungen geklont, verwaltet und über das Internet zugänglich gemacht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Offline-Laboren können somit erhebliche Investitions- und Wartungskosten gespart werden.  Das Tele-Lab System bietet eine Reihe von technischen Funktionen, die den effektiven, zuverlässigen und sicheren Betrieb dieses Trainingssystems gewährleistet. Unter Beachtung angemessener Ressourcennutzung, Softwareinstallationen und Systemkonfigurationen wurden virtuelle Maschinen als Übungsstationen erstellt, die auf einem einzelnen Rechner betrieben werden. Für ihre Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ist das Managementsystem der virtuellen Maschinen verantwortlich. Diese Komponente besitzt die notwendigen Überwachungs- und Verwaltungsfunktionen, um kritische Fehler der virtuellen Maschinen während der Laufzeit zu erkennen und zu beheben. Damit die Übungsstationen nicht bspw. zur Kompromittierung von Produktivnetzwerken genutzt werden, beschreibt die Dissertation Sicherheits-Managementlösungen, die mittels Isolation auf System und Netzwerk Ebene genau dieses Risiko verhindern sollen.  Diese Arbeit ist der Versuch, die Lücke zwischen E-Learning/Tele-Teaching und praktischer Sicherheitsausbildung zu schließen. Sie verfolgt nicht das Ziel, konventionelle Ausbildung in Offline Laboren zu ersetzen, sondern auch praktische Erfahrungen via E-Learning zu unterstützen. Die Dissertation zeigt die Möglichkeit, praktische Erfahrungen mittels Sicherheitsübungsumgebungen über das Internet auf zuverlässige, sichere und wirtschaftliche Weise zu vermitteln.
KW  - Computersicherheit
KW  - VM
KW  - E-Learning
KW  - IT security
KW  - virtual machine
KW  - E-Learning
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7818
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TY  - THES
A1  - Huang, Wanjun
T1  - Temporary binding for dynamic middleware construction and web services composition
T1  - Temporäre Anbindung für dynamischen Middlewareaufbau und Web Services Integration
N2  - With increasing number of applications in Internet and mobile environments, distributed software systems are demanded to be more powerful and flexible, especially in terms of dynamism and security. This dissertation describes my work concerning three aspects: dynamic reconfiguration of component software, security control on middleware applications, and web services dynamic composition.  Firstly, I proposed a technology named Routing Based Workflow (RBW) to model the execution and management of collaborative components and realize temporary binding for component instances. The temporary binding means component instances are temporarily loaded into a created execution environment to execute their functions, and then are released to their repository after executions. The temporary binding allows to create an idle execution environment for all collaborative components, on which the change operations can be immediately carried out. The changes on execution environment will result in a new collaboration of all involved components, and also greatly simplifies the classical issues arising from dynamic changes, such as consistency preserving etc.  To demonstrate the feasibility of RBW, I created a dynamic secure middleware system - the Smart Data Server Version 3.0 (SDS3). In SDS3, an open source implementation of CORBA is adopted and modified as the communication infrastructure, and three secure components managed by RBW, are created to enhance the security on the access of deployed applications. SDS3 offers multi-level security control on its applications from strategy control to application-specific detail control. For the management by RBW, the strategy control of SDS3 applications could be dynamically changed by reorganizing the collaboration of the three secure components.  In addition, I created the Dynamic Services Composer (DSC) based on Apache open source projects, Apache Axis and WSIF. In DSC, RBW is employed to model the interaction and collaboration of web services and to enable the dynamic changes on the flow structure of web services.  Finally, overall performance tests were made to evaluate the efficiency of the developed RBW and SDS3. The results demonstrated that temporary binding of component instances makes slight impacts on the execution efficiency of components, and the blackout time arising from dynamic changes can be extremely reduced in any applications.
N2  - Heutige Softwareanwendungen fuer das Internet und den mobilen Einsatz erfordern bezueglich Funktionalitaet und Sicherheit immer leistungsstaerkere verteilte Softwaresysteme. Diese Dissertation befasst sich mit der dynamischen Rekonfiguration von Komponentensoftware, Sicherheitskontrolle von Middlewareanwendungen und der dynamischen Komposition von Web Services.  Zuerst wird eine Routing Based Workflow (RBW) Technologie vorgestellt, welche die Ausfuehrung und das Management von kollaborierenden Komponenten modelliert, sowie fuer die Realisierung einer temporaeren Anbindung von Komponenteninstanzen zustaendig ist. D.h., Komponenteninstanzen werden zur Ausfuehrung ihrer Funktionalitaet temporaer in eine geschaffene Ausfuehrungsumgebung geladen und nach Beendigung wieder freigegeben. Die temporaere Anbindung erlaubt das Erstellen einer Ausfuehrungsumgebung, in der Rekonfigurationen unmittelbar vollzogen werden koennen. Aenderungen der Ausfuehrungsumgebung haben neue Kollaborations-Beziehungen der Komponenten zufolge und vereinfachen stark die Schwierigkeiten wie z.B. Konsistenzerhaltung, die mit dynamischen Aenderungen verbunden sind.  Um die Durchfuehrbarkeit von RBW zu demonstrieren, wurde ein dynamisches, sicheres Middleware System erstellt - der Smart Data Server, Version 3 (SDS3). Bei SDS3 kommt eine Open Source Softwareimplementierung von CORBA zum Einsatz, die modifiziert als Kommunikationsinfrasturkutur genutzt wird. Zudem wurden drei Sicherheitskomponenten erstellt, die von RBW verwaltet werden und die Sicherheit beim Zugriff auf die eingesetzten Anwendungen erhoehen. SDS3 bietet den Anwendungen Sicherheitskontrollfunktionen auf verschiedenen Ebenen, angefangen von einer Strategiekontrolle bis zu anwendungsspezifischen Kontrollfunktionen. Mittels RBW kann die Strategiekontrolle des SDS3 dynamisch durch Reorganisation von Kollabortions-Beziehungen zwischen den Sicherheitskomponenten angepasst werden.  Neben diesem System wurde der Dynamic Service Composer (DSC) implementiert, welcher auf den Apache Open Source Projekten Apache Axis und WSIF basiert. Im DSC wird RBW eingesetzt, um die Interaktion und Zusammenarbeit von Web Services zu modellieren sowie dynamische Aenderungen der Flussstruktur von Web Services zu ermoeglichen.  Nach der Implementierung wurden Performance-Tests bezueglich RBW und SDS3 durchgefuehrt. Die Ergebnisse der Tests zeigen, dass eine temporaere Anbindung von Komponenteninstanzen nur einen geringen Einfluss auf die Ausfuehrungseffizienz von Komponeten hat. Ausserdem bestaetigen die Testergebnisse, dass die mit der dynamischen Rekonfiguration verbundene Ausfallzeit extrem niedrig ist.
KW  - Middleware
KW  - Web Services
KW  - Temporäre Anbindung
KW  - Dynamische Rekonfiguration
KW  - temporary binding
KW  - dynamic reconfiguration
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7672
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TY  - THES
A1  - Höllerer, Reinhard
T1  - Modellierung und Optimierung von Bürgerdiensten am Beispiel der Stadt Landshut
T1  - Modeling and optimization of civil services on the example of the city of Landshut
N2  - Die Projektierung und Abwicklung sowie die statische und dynamische Analyse von Geschäftsprozessen im Bereich des Verwaltens und Regierens auf kommunaler, Länder- wie auch Bundesebene mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechniken beschäftigen Politiker und Strategen für Informationstechnologie ebenso wie die Öffentlichkeit seit Langem.
Der hieraus entstandene Begriff E-Government wurde in der Folge aus den unterschiedlichsten technischen, politischen und semantischen Blickrichtungen beleuchtet.

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich dabei auf zwei Schwerpunktthemen:

•	Das erste Schwerpunktthema behandelt den Entwurf eines hierarchischen Architekturmodells, für welches sieben hierarchische Schichten identifiziert werden können. Diese erscheinen notwendig, aber auch hinreichend, um den allgemeinen Fall zu beschreiben.
Den Hintergrund hierfür liefert die langjährige Prozess- und Verwaltungserfahrung als Leiter der EDV-Abteilung der Stadtverwaltung Landshut, eine kreisfreie Stadt mit rund 69.000 Einwohnern im Nordosten von München. Sie steht als Repräsentant für viele Verwaltungsvorgänge in der Bundesrepublik Deutschland und ist dennoch als Analyseobjekt in der Gesamtkomplexität und Prozessquantität überschaubar.
Somit können aus der Analyse sämtlicher Kernabläufe statische und dynamische Strukturen extrahiert und abstrakt modelliert werden.
Die Schwerpunkte liegen in der Darstellung der vorhandenen Bedienabläufe in einer Kommune. Die Transformation der Bedienanforderung in einem hierarchischen System, die Darstellung der Kontroll- und der Operationszustände in allen Schichten wie auch die Strategie der Fehlererkennung und Fehlerbehebung schaffen eine transparente Basis für umfassende Restrukturierungen und Optimierungen.
Für die Modellierung wurde FMC-eCS eingesetzt, eine am Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik GmbH (HPI) im Fachgebiet Kommunikationssysteme entwickelte Methodik zur Modellierung zustandsdiskreter Systeme unter Berücksichtigung möglicher Inkonsistenzen (Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Werner Zorn [ZW07a, ZW07b]). 

•	Das zweite Schwerpunktthema widmet sich der quantitativen Modellierung und Optimierung von E-Government-Bediensystemen, welche am Beispiel des Bürgerbüros der Stadt Landshut im Zeitraum 2008 bis 2015 durchgeführt wurden. Dies erfolgt auf Basis einer kontinuierlichen Betriebsdatenerfassung mit aufwendiger Vorverarbeitung zur Extrahierung mathematisch beschreibbarer Wahrscheinlichkeitsverteilungen.
Der hieraus entwickelte Dienstplan wurde hinsichtlich der erzielbaren Optimierungen im dauerhaften Echteinsatz verifiziert.


[ZW07a]	Zorn, Werner: «FMC-QE A New Approach in Quantitative Modeling», Vortrag anlässlich: MSV'07- The 2007 International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods WorldComp2007, Las Vegas, 28.6.2007.
[ZW07b]	Zorn, Werner: «FMC-QE, A New Approach in Quantitative Modeling», Veröffentlichung, Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik an der Universität Potsdam, 28.6.2007.
N2  - The project development and implementation as well as the static and dynamic analysis of business processes in the context of administration and governance on a municipal, federal state or national level by information and communication technology, has concerned the media along with politicians and strategists for information technology as well as the general public for a long time.

The here-from defined term of E-Government has been examined as the focal point of discussion from most diverse technical, political and semantic perspectives.

The present work focuses on two main topics:

•	The first main topic approaches the development of a hierarchical architecture model for which seven hierarchical layers can be identified. These seem to be necessary as well as sufficient to describe the general case.
The background is provided by the long-term processual and administrative experience as head of the IT department at the municipality of Landshut, an independent city with 69.000 inhabitants located in the north-east of Munich. It is representative of many administrative processes in the Federal Republic of Germany, but nonetheless still manageable concerning its complexity and quantity of processes.
Therefore, static and dynamic structures can be extracted from the analysis of all core workflows and modelled abstractly.
The emphases lie on the description of the existing operating procedures in a municipality. The transformation of the operating requirements in a hierarchical system, the modeling of the control and operational states within all layers, as well as the strategy of error recognition and troubleshooting create a transparent basis for extensive restructuring and optimisation.
For modeling was used FMC-eCS, a methodology for the description of state discrete systems, developed at the Hasso-Plattner-Institute for Software Systems Engineering (HPI) in the subject area of communication systems. Furthermore inconsistent system statuses are taken into consideration (advisor: Prof. Dr.-Ing. Werner Zorn [ZW02, …, ZW10]).

•	The second main topic focuses on the quantitative modeling and optimisation of the E-Government process chain at Landshut´s Citizens Advice Bureau (2008 up to 2015). This is based on a continuous data acquisition with sophisticated pre-processing to extract mathematically describable probability distributions.
The derivation of a duty roster for actual application and a quality control conclusively verify the developed stochastic method.
KW  - E-Government
KW  - Modellierung
KW  - Optimierung
KW  - eGovernment
KW  - modeling
KW  - optimization
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425986
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TY  - THES
A1  - Ishebabi, Harold
T1  - Architecture synthesis for adaptive multiprocessor systems on chip
T1  - Architektursynthese adaptiver On-Chip Multiprozessor-Systeme
N2  - This thesis presents methods for automated synthesis of flexible chip multiprocessor systems from parallel programs targeted at FPGAs to exploit both task-level parallelism and architecture customization. Automated synthesis is necessitated by the complexity of the design space. A detailed description of the design space is provided in order to determine which parameters should be modeled to facilitate automated synthesis by optimizing a cost function, the emphasis being placed on inclusive modeling of parameters from application, architectural and physical subspaces, as well as their joint coverage in order to avoid pre-constraining the design space. Given a parallel program and a set of an IP library, the automated synthesis problem is to simultaneously (i) select processors (ii) map and schedule tasks to them, and (iii) select one or several networks for inter-task communications such that design constraints and optimization objectives are met. The research objective in this thesis is to find a suitable model for automated synthesis, and to evaluate methods of using the model for architectural optimizations. Our contributions are a holistic approach for the design of such systems, corresponding models to facilitate automated synthesis, evaluation of optimization methods using state of the art integer linear and answer set programming, as well as the development of synthesis heuristics to solve runtime challenges.
N2  - Aktuelle Technologien erlauben es komplexe Multiprozessorsysteme auf einem Chip mit Milliarden von Transistoren zu realisieren. Der Entwurf solcher Systeme ist jedoch zeitaufwendig und schwierig. Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, wie On-Chip Multiprozessorsysteme ausgehend von parallelen Programmen automatisch synthetisiert werden können. Die Implementierung der Multiprozessorsysteme auf rekonfigurierbaren Chips erlaubt es die gesamte Architektur an die Struktur eines vorliegenden parallelen Programms anzupassen. Auf diese Weise ist es möglich die aktuellen technologischen Unzulänglichkeiten zu umgehen, insbesondere die nicht weitersteigende Taktfrequenzen sowie den langsamen Zugriff auf Datenspeicher. Eine Automatisierung des Entwurfs von Multiprozessorsystemen ist notwendig, da der Entwurfsraum von Multiprozessorsystemen zu groß ist, um vom Menschen überschaut zu werden. In einem ersten Ansatz wurde das Syntheseproblem mittels linearer Gleichungen modelliert, die dann durch lineare Programmierungswerkzeuge gelöst werden können. Ausgehend von diesem Ansatz wurde untersucht, wie die typischerweise langen Rechenzeiten solcher Optimierungsmethoden durch neuere Methode aus dem Gebiet der Erfüllbarkeitsprobleme der Aussagenlogik minimiert werden können. Dabei wurde die Werkzeugskette Potassco verwendet, in der lineare Programme direkt in Logikprogramme übersetzt werden können. Es wurde gezeigt, dass dieser zweite Ansatz die Optimierungszeit um bis zu drei Größenordnungen beschleunigt. Allerdings lassen sich große Syntheseprobleme auf diese weise wegen Speicherbegrenzungen nicht lösen. Ein weiterer Ansatz zur schnellen automatischen Synthese bietet die Verwendung von Heuristiken. Es wurden im Rahmen diese Arbeit drei Heuristiken entwickelt, die die Struktur des vorliegenden Syntheseproblems ausnutzen, um die Optimierungszeit zu minimieren. Diese Heuristiken wurden unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse entwickelt, deren Ursprung in der mathematische Struktur des Syntheseproblems liegt. Dadurch lassen sich optimale Architekturen in kurzer Zeit ermitteln. Die durch diese Dissertation offen gewordene Forschungsarbeiten sind u. a. die Berücksichtigung der zeitlichen Reihenfolge des Datenaustauschs zwischen parallelen Tasks, die Optimierung des logik-basierten Ansatzes, die Integration von Prozessor- und Netzwerksimulatoren zur funktionalen Verifikation synthetisierter Architekturen, sowie die Entwicklung geeigneter Architekturkomponenten.
KW  - Multiprozessor
KW  - rekonfigurierbar
KW  - Synthese
KW  - Parallelrechner
KW  - Exploration
KW  - Multiprocessor
KW  - Reconfigurable
KW  - High-Level Synthesis
KW  - Parallel Programming
KW  - Exploration
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41316
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TY  - THES
A1  - Jiang, Chunyan
T1  - Multi-visualization and hybrid segmentation approaches within telemedicine framework
T1  - Multi-Visualisierung und hybride Segmentierungsansätze auf dem Gebiet der Telemedizin
N2  - The innovation of information techniques has changed many aspects of our life. In health care field, we can obtain, manage and communicate high-quality large volumetric image data by computer integrated devices, to support medical care. In this dissertation I propose several promising methods that could assist physicians in processing, observing and communicating the image data. They are included in my three research aspects: telemedicine integration, medical image visualization and image segmentation. And these methods are also demonstrated by the demo software that I developed. One of my research point focuses on medical information storage standard in telemedicine, for example DICOM, which is the predominant standard for the storage and communication of medical images. I propose a novel 3D image data storage method, which was lacking in current DICOM standard. I also created a mechanism to make use of the non-standard or private DICOM files. In this thesis I present several rendering techniques on medical image visualization to offer different display manners, both 2D and 3D, for example, cut through data volume in arbitrary degree, rendering the surface shell of the data, and rendering the semi-transparent volume of the data. A hybrid segmentation approach, designed for semi-automated segmentation of radiological image, such as CT, MRI, etc, is proposed in this thesis to get the organ or interested area from the image. This approach takes advantage of the region-based method and boundary-based methods. Three steps compose the hybrid approach: the first step gets coarse segmentation by fuzzy affinity and generates homogeneity operator; the second step divides the image by Voronoi Diagram and reclassifies the regions by the operator to refine segmentation from the previous step; the third step handles vague boundary by level set model. Topics for future research are mentioned in the end, including new supplement for DICOM standard for segmentation information storage, visualization of multimodal image information, and improvement of the segmentation approach to higher dimension.
N2  - Innovative Informationstechnologien haben viele Bereiche unseres Lebens verändert. Im Gesundheitsbereich ist es mittels Computer möglich, qualitativ hochwertige und große volumetrische Bilddaten zu verwalten, zu verarbeiten und dadurch die medizinische Betreuung zu unterstützen. In dieser Dissertation stelle ich verschiedene Methoden vor, die Mediziner beim Prozess der Beobachtung, Verarbeitung und Nutzung von Bilddaten verstärkt unterstützten können. Meine Forschungsarbeit befasst sich mit drei Schwerpunktthemen: Telemedizinintegration, Visualisierung von medizinischen Bildern und Bildsegmentierung. Zur Demonstration der Machbarkeit der vorgeschlagenen Methoden implementierte ich zudem eine Anwendungssoftware. Das entwickelte System kann in punkto Telemedizinintegration nicht nur Dateien im DICOM Format lesen und schreiben, sondern auch nicht-standardisierte Dateien reparieren. In meiner Arbeit gebe ich außerdem einen Vorschlag für eine Erweiterung des DICOM Standards für die Speicherung von 3D Bildinformationen. Zur Darstellung der Bilddaten wurden in dem entwickelten System drei verschiedene Ansichten implementiert: Volumen Ansicht, Oberflächen Ansicht sowie Querschnitt Ansicht. Ein Großteil meiner Arbeit ist der Vorschlag eines neuen hybriden Bildsegmentierungsansatzes. Durch das neu vorgeschlagene Verfahren können komplexe neurale MRI Daten effizient und präzise segmentiert werden. Zusätzlich wird der manuelle Arbeitsaufwand der Experten drastisch verringert.
KW  - medizinisch
KW  - bild
KW  - Segmentierung
KW  - medical
KW  - image
KW  - segmentation
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12829
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TY  - THES
A1  - Kirsch, Florian
T1  - Entwurf und Implementierung eines computergraphischen Systems zur Integration komplexer, echtzeitfähiger 3D-Renderingverfahren
T1  - Design and implementation of a graphics system to integrate complex, real-time capable 3D rendering algorithms
N2  - Thema dieser Arbeit sind echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren, die 3D-Geometrie mit über der Standarddarstellung hinausgehenden Qualitäts- und Gestaltungsmerkmalen rendern können. Beispiele sind Verfahren zur Darstellung von Schatten, Reflexionen oder Transparenz. Mit heutigen computergraphischen Software-Basissystemen ist ihre Integration in 3D-Anwendungssysteme sehr aufwändig: Dies liegt einerseits an der technischen, algorithmischen Komplexität der Einzelverfahren, andererseits an Ressourcenkonflikten und Seiteneffekten bei der Kombination mehrerer Verfahren. Szenengraphsysteme, intendiert als computergraphische Softwareschicht zur Abstraktion von der Graphikhardware, stellen derzeit keine Mechanismen zur Nutzung dieser Renderingverfahren zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Software-Architektur für ein Szenengraphsystem zu konzipieren und umzusetzen, die echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren als Komponenten modelliert und es damit erlaubt, diese Verfahren innerhalb des Szenengraphsystems für die Anwendungsentwicklung effektiv zu nutzen. Ein Entwickler, der ein solches Szenengraphsystem nutzt, steuert diese Komponenten durch Elemente in der Szenenbeschreibung an, die die sichtbare Wirkung eines Renderingverfahrens auf die Geometrie in der Szene angeben, aber keine Hinweise auf die algorithmische Implementierung des Verfahrens enthalten. Damit werden Renderingverfahren in 3D-Anwendungssystemen nutzbar, ohne dass ein Entwickler detaillierte Kenntnisse über sie benötigt, so dass der Aufwand für ihre Entwicklung drastisch reduziert wird. Ein besonderer Augenmerk der Arbeit liegt darauf, auf diese Weise auch verschiedene Renderingverfahren in einer Szene kombiniert einsetzen zu können. Hierzu ist eine Unterteilung der Renderingverfahren in mehrere Kategorien erforderlich, die mit Hilfe unterschiedlicher Ansätze ausgewertet werden. Dies erlaubt die Abstimmung verschiedener Komponenten für Renderingverfahren und ihrer verwendeten Ressourcen. Die Zusammenarbeit mehrerer Renderingverfahren hat dort ihre Grenzen, wo die Kombination von Renderingverfahren graphisch nicht sinnvoll ist oder fundamentale technische Beschränkungen der Verfahren eine gleichzeitige Verwendung unmöglich machen. Die in dieser Arbeit vorgestellte Software-Architektur kann diese Grenzen nicht verschieben, aber sie ermöglicht den gleichzeitigen Einsatz vieler Verfahren, bei denen eine Kombination aufgrund der hohen Komplexität der Implementierung bislang nicht erreicht wurde. Das Vermögen zur Zusammenarbeit ist dabei allerdings von der Art eines Einzelverfahrens abhängig: Verfahren zur Darstellung transparenter Geometrie beispielsweise erfordern bei der Kombination mit anderen Verfahren in der Regel vollständig neuentwickelte Renderingverfahren; entsprechende Komponenten für das Szenengraphsystem können daher nur eingeschränkt mit Komponenten für andere Renderingverfahren verwendet werden. Das in dieser Arbeit entwickelte System integriert und kombiniert Verfahren zur Darstellung von Bumpmapping, verschiedene Schatten- und Reflexionsverfahren sowie bildbasiertes CSG-Rendering. Damit stehen wesentliche Renderingverfahren in einem Szenengraphsystem erstmalig komponentenbasiert und auf einem hohen Abstraktionsniveau zur Verfügung. Das System ist trotz des zusätzlichen Verwaltungsaufwandes in der Lage, die Renderingverfahren einzeln und in Kombination grundsätzlich in Echtzeit auszuführen.
N2  - This thesis is about real-time rendering algorithms that can render 3D-geometry with quality and design features beyond standard display. Examples include algorithms to render shadows, reflections, or transparency. Integrating these algorithms into 3D-applications using today’s rendering libraries for real-time computer graphics is exceedingly difficult: On the one hand, the rendering algorithms are technically and algorithmically complicated for their own, on the other hand, combining several algorithms causes resource conflicts and side effects that are very difficult to handle. Scene graph libraries, which intend to provide a software layer to abstract from computer graphics hardware, currently offer no mechanisms for using these rendering algorithms, either. The objective of this thesis is to design and to implement a software architecture for a scene graph library that models real-time rendering algorithms as software components allowing an effective usage of these algorithms for 3D-application development within the scene graph library. An application developer using the scene graph library controls these components with elements in a scene description that describe the effect of a rendering algorithm for some geometry in the scene graph, but that do not contain hints about the actual implementation of the rendering algorithm. This allows for deploying rendering algorithms in 3D-applications even for application developers that do not have detailed knowledge about them. In this way, the complexity of development of rendering algorithms can be drastically reduced. In particular, the thesis focuses on the feasibility of combining several rendering algorithms within a scene at the same time. This requires to classify rendering algorithms into different categories, which are, each, evaluated using different approaches. In this way, components for different rendering algorithms can collaborate and adjust their usage of common graphics resources. The possibility of combining different rendering algorithms can be limited in several ways: The graphical result of the combination can be undefined, or fundamental technical restrictions can render it impossible to use two rendering algorithms at the same time. The software architecture described in this work is not able to remove these limitations, but it allows to combine a lot of different rendering algorithms that, until now, could not be combined due to the high complexities of the required implementation. The capability of collaboration, however, depends on the kind of rendering algorithm: For instance, algorithms for rendering transparent geometry can be combined with other algorithms only with a complete redesign of the algorithm. Therefore, components in the scene graph library for displaying transparency can be combined with components for other rendering algorithms in a limited way only. The system developed in this work integrates and combines algorithms for displaying bump mapping, several variants of shadow and reflection algorithms, and image-based CSG algorithms. Hence, major rendering algorithms are available for the first time in a scene graph library as components with high abstraction level. Despite the required additional indirections and abstraction layers, the system, in principle, allows for using and combining the rendering algorithms in real-time.
KW  - Dreidimensionale Computergraphik
KW  - Rendering
KW  - Softwarearchitektur
KW  - Szenengraph
KW  - Constructive solid geometry
KW  - 3D computer graphics
KW  - Rendering
KW  - Software architecture
KW  - Scene graph systems
KW  - Constructive solid geometry
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6079
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TY  - THES
A1  - Kluth, Stephan
T1  - Quantitative modeling and analysis with FMC-QE
T1  - Quantitative Modellierung und Analyse mit FMC-QE
N2  - The modeling and evaluation calculus FMC-QE, the Fundamental Modeling Concepts for Quanti-tative Evaluation [1], extends the Fundamental Modeling Concepts (FMC) for performance modeling and prediction. In this new methodology, the hierarchical service requests are in the main focus, because they are the origin of every service provisioning process. Similar to physics, these service requests are a tuple of value and unit, which enables hierarchical service request transformations at the hierarchical borders and therefore the hierarchical modeling. Through reducing the model complexity of the models by decomposing the system in different hierarchical views, the distinction between operational and control states and the calculation of the performance values on the assumption of the steady state, FMC-QE has a scalable applica-bility on complex systems. According to FMC, the system is modeled in a 3-dimensional hierarchical representation space, where system performance parameters are described in three arbitrarily fine-grained hierarchi-cal bipartite diagrams. The hierarchical service request structures are modeled in Entity Relationship Diagrams. The static server structures, divided into logical and real servers, are de-scribed as Block Diagrams. The dynamic behavior and the control structures are specified as Petri Nets, more precisely Colored Time Augmented Petri Nets. From the structures and pa-rameters of the performance model, a hierarchical set of equations is derived. The calculation of the performance values is done on the assumption of stationary processes and is based on fundamental laws of the performance analysis: Little's Law and the Forced Traffic Flow Law. Little's Law is used within the different hierarchical levels (horizontal) and the Forced Traffic Flow Law is the key to the dependencies among the hierarchical levels (vertical). This calculation is suitable for complex models and allows a fast (re-)calculation of different performance scenarios in order to support development and configuration decisions. Within the Research Group Zorn at the Hasso Plattner Institute, the work is embedded in a broader research in the development of FMC-QE. While this work is concentrated on the theoretical background, description and definition of the methodology as well as the extension and validation of the applicability, other topics are in the development of an FMC-QE modeling and evaluation tool and the usage of FMC-QE in the design of an adaptive transport layer in order to fulfill Quality of Service and Service Level Agreements in volatile service based environments. This thesis contains a state-of-the-art, the description of FMC-QE as well as extensions of FMC-QE in representative general models and case studies. In the state-of-the-art part of the thesis in chapter 2, an overview on existing Queueing Theory and Time Augmented Petri Net models and other quantitative modeling and evaluation languages and methodologies is given. Also other hierarchical quantitative modeling frameworks will be considered. The description of FMC-QE in chapter 3 consists of a summary of the foundations of FMC-QE, basic definitions, the graphical notations, the FMC-QE Calculus and the modeling of open queueing networks as an introductory example. The extensions of FMC-QE in chapter 4 consist of the integration of the summation method in order to support the handling of closed networks and the modeling of multiclass and semaphore scenarios. Furthermore, FMC-QE is compared to other performance modeling and evaluation approaches. In the case study part in chapter 5, proof-of-concept examples, like the modeling of a service based search portal, a service based SAP NetWeaver application and the Axis2 Web service framework will be provided. Finally, conclusions are given by a summary of contributions and an outlook on future work in chapter 6. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Procee-dings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, pages 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, June 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
N2  - FMC-QE (Fundamental Modeling Concepts for Quantitative Evaluation [1]) ist eine auf FMC, den Fundamental Modeling Concepts, basierende Methodik zur Modellierung des Leistungsverhaltens von Systemen mit einem dazugehörenden Kalkül zur Erstellung von Leistungsvorhersagen wie Antwortzeiten und Durchsatz. In dieser neuen Methodik steht die Modellierung der hierarchischen Bedienanforderungen im Mittelpunkt, da sie der Ursprung aller dienstbasierenden Systeme sind. Wie in der Physik sind in FMC-QE die Bedienanforderungen Tupel aus Wert und Einheit, um Auftragstransformationen an Hierarchiegrenzen zu ermöglichen. Da die Komplexität durch eine Dekomposition in mehreren Sichten und in verschiedene hierarchische Schichten, die Unterscheidung von Operations- und Kontrollzuständen, sowie dazugehörige Berechungen unter Annahme der Stationarität reduziert wird, skaliert die Anwendbarkeit von FMC-QE auf komplexe Systeme. Gemäß FMC wird das zu modellierende System in einem 3-dimensionalen hierarchischen Beschreibungsraum dargestellt. Die quantitativen Kenngrößen der Systeme werden in drei beliebig frei-granularen hierarchischen bi-partiten Graphen beschrieben. Die hierarchische Struktur der Bedienanforderungen wird in Entity Relationship Diagrammen beschrieben. Die statischen Bedienerstrukturen, unterteilt in logische und reale Bediener, sind in Aufbaudiagrammen erläutert. Außerdem werden Petri Netze, genauer Farbige Zeit-behaftete Petri Netze, dazu verwendet, die dynamischen Abläufe, sowie die Kontrollflüsse im System zu beschreiben. Anschließend wird eine Menge von hierarchischen Gleichungen von der Struktur und den Parametern des Modells abgeleitet. Diese Gleichungen, die auf dem stationären Zustand des Systems beruhen, basieren auf den beiden Fundamental Gesetzen der Leistungsanalyse, dem Gesetz von Little und dem Verkehrsflussgesetz. Das Gesetz von Little definiert hierbei Beziehungen innerhalb einer hierarchischen Schicht (horizontal) und das Verkehrsflussgesetz wiederum Beziehungen zwischen hierarchischen Schichten (vertikal). Die Berechungen erlauben Leistungsvorhersagen für komplexe Systeme durch eine effiziente Berechnung von Leistungsgrößen für eine große Auswahl von System- und Lastkonfigurationen. Innerhalb der Forschungsgruppe von Prof. Dr.-Ing Werner Zorn am Hasso Plattner Institut an der Universität Potsdam ist die vorliegende Arbeit in einen größeren Forschungskontext im Bereich FMC-QE eingebettet. Während hier ein Fokus auf dem theoretischen Hintergrund, der Beschreibung und der Definition der Methodik als auch der Anwendbarkeit und Erweiterung gelegt wurde, sind andere Arbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung einer Anwendung zur Modellierung und Evaluierung von Systemen mit FMC-QE bzw. der Verwendung von FMC-QE zur Entwicklung einer adaptiven Transportschicht zur Einhaltung von Dienstgüten (Quality of Service) und Dienstvereinbarungen (Service Level Agreements) in volatilen dienstbasierten Systemen beheimatet. Diese Arbeit umfasst einen Einblick in den Stand der Technik, die Beschreibung von FMC-QE sowie die Weiterentwicklung von FMC-QE in repräsentativen allgemeinen Modellen und Fallstudien. Das Kapitel 2: Stand der Technik gibt einen Überblick über die Warteschlangentheorie, Zeit-behaftete Petri Netze, weitere Leistungsbeschreibungs- und Leistungsvorhersagungstechniken sowie die Verwendung von Hierarchien in Leistungsbeschreibungstechniken. Die Beschreibung von FMC-QE in Kapitel 3 enthält die Erläuterung der Grundlagen von FMC-QE, die Beschreibung einiger Grundannahmen, der graphischen Notation, dem mathematischen Modell und einem erläuternden Beispiel. In Kapitel 4: Erweiterungen von FMC-QE wird die Behandlung weiterer allgemeiner Modelle, wie die Modellklasse von geschlossenen Netzen, Synchronisierung und Mehrklassen-Modelle beschrieben. Außerdem wird FMC-QE mit dem Stand der Technik verglichen. In Kapitel 5 werden Machbarkeitsstudien beschrieben. Schließlich werden in Kapitel 6 eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Proceedings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, Juni 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
KW  - FMC-QE
KW  - Quantitative Modellierung
KW  - Leistungsvorhersage
KW  - Warteschlangentheorie
KW  - Zeitbehaftete Petri Netze
KW  - FMC-QE
KW  - Quantitative Modeling
KW  - Performance Prediction
KW  - Queuing Theory
KW  - Time Augmented Petri Nets
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52987
ER  - 
TY  - THES
A1  - Knöpfel, Andreas
T1  - Konzepte der Beschreibung interaktiver Systeme
T1  - Concepts of describing interactive systems
N2  - Interaktive System sind dynamische Systeme mit einem zumeist informationellen Kern, die über eine Benutzungsschnittstelle von einem oder mehreren Benutzern bedient werden können. Grundlage für die Benutzung interaktiver Systeme ist das Verständnis von Zweck und Funktionsweise. Allein aus Form und Gestalt der Benutzungsschnittstelle ergibt sich ein solches Verständnis nur in einfachen Fällen. Mit steigender Komplexität ist daher eine verständliche Beschreibung solcher Systeme für deren Entwicklung und Benutzung unverzichtbar.  Abhängig von ihrem Zweck variieren die Formen vorgefundener Beschreibungen in der Literatur sehr stark. Ausschlaggebend für die Verständlichkeit einer Beschreibung ist jedoch primär die ihr zugrundeliegende Begriffswelt. Zur Beschreibung allgemeiner komplexer diskreter Systeme - aufbauend auf einer getrennten Betrachtung von Aufbau-, Ablauf- und Wertestrukturen - existiert eine bewährte Begriffswelt. Eine Spezialisierung dieser Begriffs- und Vorstellungswelt, die den unterschiedlichen Betrachtungsebenen interaktiver Systeme gerecht wird und die als Grundlage beliebiger Beschreibungsansätze interaktiver Systeme dienen kann, gibt es bisher nicht.  Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer solchen Begriffswelt zur effizienten Kommunikation der Strukturen interaktiver Systeme. Dadurch soll die Grundlage für eine sinnvolle Ergänzung bestehender Beschreibungs- und Entwicklungsansätze geschaffen werden. Prinzipien der Gestaltung von Benutzungsschnittstellen, Usability- oder Ergonomiebetrachtungen stehen nicht im Mittelpunkt der Arbeit.  Ausgehend von der informationellen Komponente einer Benutzungsschnittstelle werden drei Modellebenen abgegrenzt, die bei der Betrachtung eines interaktiven Systems zu unterscheiden sind. Jede Modellebene ist durch eine typische Begriffswelt gekennzeichnet, die ihren Ursprung in einer aufbauverwurzelten Vorstellung hat. Der durchgängige Bezug auf eine Systemvorstellung unterscheidet diesen Ansatz von dem bereits bekannten Konzept der Abgrenzung unterschiedlicher Ebenen verschiedenartiger Entwurfsentscheidungen. Die Fundamental Modeling Concepts (FMC) bilden dabei die Grundlage für die Findung und die Darstellung von Systemstrukturen.  Anhand bestehender Systembeschreibungen wird gezeigt, wie die vorgestellte Begriffswelt zur Modellfindung genutzt werden kann. Dazu wird eine repräsentative Auswahl vorgefundener Systembeschreibungen aus der einschlägigen Literatur daraufhin untersucht, in welchem Umfang durch sie die Vorstellungswelt dynamischer Systeme zum Ausdruck kommt. Defizite in der ursprünglichen Darstellung werden identifiziert. Anhand von Alternativmodellen zu den betrachteten Systemen wird der Nutzen der vorgestellten Begriffswelt und Darstellungsweise demonstriert.
N2  - Interactive systems are dynamic systems which provide services to one or more users via a user interface. Many of these systems have an information processing core. To effectively use such a system, a user needs to know about the purpose and functional concepts of the system. Only in case of a rather simple functionality, the required knowledge is likely to be obtained by mere exploration of the user interface. For complex systems, a comprehensive description is essential for effective and efficient operation, but also for system development. Especially in the context of this publication, the focus is on the diagrams that are used for communication in the development process of interactive systems. With regard to its purpose these descriptions vary in form and notation. In any case, it is the underlying terminology which is crucial to the understandability. Established concepts and notations for the description of generic information processing systems promote a strict separation of three categories of system structures: Compositional structures, behavioral structures and value-range structures. This publication suggests a specialization of this approach for the description of interactive systems. The definition of specific notions and semantic layers is intended to provide a complement to existing description approaches in that field that constitutes a mental framework to enhance the efficiency of communication about interactive systems. In focusing to the description aspect only, design principles, system architectures and development methods are the context but not the subject of this work. The separation of three semantic layers provides the foundation to distinguish purpose-related, interaction-related and implementation-related models of interactive systems. Each semantic layer is characterized by a specific terminology. Referring to the idea of equivalent models, the compositional system structure varies from layer to layer and provides the framework to ask for the observable behavior and values. The strict assignment of system aspects to system components distinguishes this approach from a simple layering of design decisions in the development of interactive systems as commonly found in the relevant literature. The Fundamental Modeling Concepts (FMC) provide the foundation for the identification and representation of system structures. A selection of system descriptions taken from the relevant literature provides the starting point to demonstrate the application of the suggested concept. Purpose, content and form of each example are analyzed with regard to the implied system structure. Weaknesses in the original representation are identified. Alternative models complement the examples to illustrate the benefit of the new approach.
KW  - Systementwurf
KW  - Benutzeroberfläche
KW  - Modellierung
KW  - Interaktives System
KW  - Systemstruktur
KW  - FMC
KW  - Betrachtungsebenen
KW  - Interactive system
KW  - model-driven architecture
KW  - FMC
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2898
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TY  - THES
A1  - Konczak, Kathrin
T1  - Preferences in answer set programming
T1  - Präferenzen in der Antwortmengenprogrammierung
N2  - Answer Set Programming (ASP) emerged in the late 1990s as a new logic programming paradigm, having its roots in nonmonotonic reasoning, deductive databases, and logic programming with negation as failure. The basic idea of ASP is to represent a computational problem as a logic program whose answer sets correspond to solutions, and then to use an answer set solver for finding answer sets of the program. ASP is particularly suited for solving NP-complete search problems. Among these, we find applications to product configuration, diagnosis, and graph-theoretical problems, e.g. finding Hamiltonian cycles. On different lines of ASP research, many extensions of the basic formalism have been proposed. The most intensively studied one is the modelling of preferences in ASP. They constitute a natural and effective way of selecting preferred solutions among a plethora of solutions for a problem. For example, preferences have been successfully used for timetabling, auctioning, and product configuration. In this thesis, we concentrate on preferences within answer set programming. Among several formalisms and semantics for preference handling in ASP, we concentrate on ordered logic programs with the underlying D-, W-, and B-semantics. In this setting, preferences are defined among rules of a logic program. They select preferred answer sets among (standard) answer sets of the underlying logic program. Up to now, those preferred answer sets have been computed either via a compilation method or by meta-interpretation. Hence, the question comes up, whether and how preferences can be integrated into an existing ASP solver. To solve this question, we develop an operational graph-based framework for the computation of answer sets of logic programs. Then, we integrate preferences into this operational approach. We empirically observe that our integrative approach performs in most cases better than the compilation method or meta-interpretation. Another research issue in ASP are optimization methods that remove redundancies, as also found in database query optimizers. For these purposes, the rather recently suggested notion of strong equivalence for ASP can be used. If a program is strongly equivalent to a subprogram of itself, then one can always use the subprogram instead of the original program, a technique which serves as an effective optimization method. Up to now, strong equivalence has not been considered for logic programs with preferences. In this thesis, we tackle this issue and generalize the notion of strong equivalence to ordered logic programs. We give necessary and sufficient conditions for the strong equivalence of two ordered logic programs. Furthermore, we provide program transformations for ordered logic programs and show in how far preferences can be simplified. Finally, we present two new applications for preferences within answer set programming. First, we define new procedures for group decision making, which we apply to the problem of scheduling a group meeting. As a second new application, we reconstruct a linguistic problem appearing in German dialects within ASP. Regarding linguistic studies, there is an ongoing debate about how unique the rule systems of language are in human cognition. The reconstruction of grammatical regularities with tools from computer science has consequences for this debate: if grammars can be modelled this way, then they share core properties with other non-linguistic rule systems.
N2  - Die Antwortmengenprogrammierung entwickelte sich in den späten 90er Jahren als neues Paradigma der logischen Programmierung und ist in den Gebieten des nicht-monotonen Schließens und der deduktiven Datenbanken verwurzelt. Dabei wird eine Problemstellung als logisches Programm repräsentiert, dessen Lösungen, die so genannten Antwortmengen, genau den Lösungen des ursprünglichen Problems entsprechen. Die Antwortmengenprogrammierung bildet ein geeignetes Fundament zur Repräsentation und zum Lösen von Entscheidungs- und Suchproblemen in der Komplexitätsklasse NP. Anwendungen finden wir unter anderem in der Produktkonfiguration, Diagnose und bei graphen-theoretischen Problemen, z.B. der Suche nach Hamiltonschen Kreisen. In den letzten Jahren wurden viele Erweiterungen der Antwortmengenprogrammierung betrachtet. Die am meisten untersuchte Erweiterung ist die Modellierung von Präferenzen. Diese bilden eine natürliche und effektive Möglichkeit, unter einer Vielzahl von Lösungen eines Problems bevorzugte Lösungen zu selektieren. Präferenzen finden beispielsweise in der Stundenplanung, bei Auktionen und bei Produktkonfigurationen ihre Anwendung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Modellierung, Implementierung und Anwendung von Präferenzen in der Antwortmengenprogrammierung. Da es verschiedene Ansätze gibt, um Präferenzen darzustellen, konzentrieren wir uns auf geordnete logische Programme, wobei Präferenzen als partielle Ordnung der Regeln eines logischen Programms ausgedrückt werden. Dabei betrachten wir drei verschiedene Semantiken zur Interpretation dieser Präferenzen. Im Vorfeld wurden für diese Semantiken die bevorzugten Antwortmengen durch einen Compiler oder durch Meta-Interpretation berechnet. Da Präferenzen Lösungen selektieren, stellt sich die Frage, ob es möglich ist, diese direkt in den Berechnungsprozeß von präferenzierten Antwortmengen zu integrieren, so dass die bevorzugten Antwortmengen ohne Zwischenschritte berechnet werden können. Dazu entwickeln wir zuerst ein auf Graphen basierendes Gerüst zur Berechnung von Antwortmengen. Anschließend werden wir darin Präferenzen integrieren, so dass bevorzugte Antwortmengen ohne Compiler oder Meta-Interpretation berechnet werden. Es stellt sich heraus, dass die integrative Methode auf den meisten betrachteten Problemklassen wesentlich leistungsfähiger ist als der Compiler oder Meta-Interpretation. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Frage, inwieweit sich geordnete logische Programme vereinfachen lassen. Dazu steht die Methodik der strengen Äquivalenz von logischen Programmen zur Verfügung. Wenn ein logisches Programm streng äquivalent zu einem seiner Teilprogramme ist, so kann man dieses durch das entsprechende Teilprogramm ersetzen, ohne dass sich die zugrunde liegende Semantik ändert. Bisher wurden strenge Äquivalenzen nicht für logische Programme mit Präferenzen untersucht. In dieser Arbeit definieren wir erstmalig strenge Äquivalenzen für geordnete logische Programme. Wir geben notwendige und hinreichende Bedingungen für die strenge Äquivalenz zweier geordneter logischer Programme an. Des Weiteren werden wir auch die Frage beantworten, inwieweit geordnete logische Programme und deren Präferenzstrukturen vereinfacht werden können. Abschließend präsentieren wir zwei neue Anwendungsbereiche von Präferenzen in der Antwortmengenprogrammierung. Zuerst definieren wir neue Prozeduren zur Entscheidungsfindung innerhalb von Gruppenprozessen. Diese integrieren wir anschließend in das Problem der Planung eines Treffens für eine Gruppe. Als zweite neue Anwendung rekonstruieren wir mit Hilfe der Antwortmengenprogrammierung eine linguistische Problemstellung, die in deutschen Dialekten auftritt. Momentan wird im Bereich der Linguistik darüber diskutiert, ob Regelsysteme von (menschlichen) Sprachen einzigartig sind oder nicht. Die Rekonstruktion von grammatikalischen Regularitäten mit Werkzeugen aus der Informatik erlaubt die Unterstützung der These, dass linguistische Regelsysteme Gemeinsamkeiten zu anderen nicht-linguistischen Regelsystemen besitzen.
KW  - Präferenzen
KW  - Antwortmengenprogrammierung
KW  - logische Programmierung
KW  - Künstliche Intelligenz
KW  - preferences
KW  - priorities
KW  - answer set programming
KW  - logic programming
KW  - artificial intelligence
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12058
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TY  - THES
A1  - Kyprianidis, Jan Eric
T1  - Structure adaptive stylization of images and video
T1  - Strukturadaptive Stilisierung von Bildern und Videos
N2  - In the early days of computer graphics, research was mainly driven by the goal to create realistic synthetic imagery. By contrast, non-photorealistic computer graphics, established as its own branch of computer graphics in the early 1990s, is mainly motivated by concepts and principles found in traditional art forms, such as painting, illustration, and graphic design, and it investigates concepts and techniques that abstract from reality using expressive, stylized, or illustrative rendering techniques. This thesis focuses on the artistic stylization of two-dimensional content and presents several novel automatic techniques for the creation of simplified stylistic illustrations from color images, video, and 3D renderings. Primary innovation of these novel techniques is that they utilize the smooth structure tensor as a simple and efficient way to obtain information about the local structure of an image. More specifically, this thesis contributes to knowledge in this field in the following ways. First, a comprehensive review of the structure tensor is provided. In particular, different methods for integrating the minor eigenvector field of the smoothed structure tensor are developed, and the superiority of the smoothed structure tensor over the popular edge tangent flow is demonstrated. Second, separable implementations of the popular bilateral and difference of Gaussians filters that adapt to the local structure are presented. These filters avoid artifacts while being computationally highly efficient. Taken together, both provide an effective way to create a cartoon-style effect. Third, a generalization of the Kuwahara filter is presented that avoids artifacts by adapting the shape, scale, and orientation of the filter to the local structure. This causes directional image features to be better preserved and emphasized, resulting in overall sharper edges and a more feature-abiding painterly effect. In addition to the single-scale variant, a multi-scale variant is presented, which is capable of performing a highly aggressive abstraction. Fourth, a technique that builds upon the idea of combining flow-guided smoothing with shock filtering is presented, allowing for an aggressive exaggeration and an emphasis of directional image features. All presented techniques are suitable for temporally coherent per-frame filtering of video or dynamic 3D renderings, without requiring expensive extra processing, such as optical flow. Moreover, they can be efficiently implemented to process content in real-time on a GPU.
N2  - In den Anfängen der Computergrafik war die Forschung hauptsächlich von dem Anspruch getragen, realistisch aussehende synthetische Bilder zu erstellen. Im Gegensatz dazu ist die nicht-photorealistische Computergraphik, ein Untergebiet der Computergrafik, welches in den frühen 1990er Jahren gegründet wurde, vor allem motiviert durch Konzepte und Prinzipien der traditionellen Kunst wie Malerei, Illustration und Grafikdesign. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der künstlerischen Verarbeitung von zweidimensionalen Bildinhalten und präsentiert mehrere neue automatische Verfahren für die Erstellung von vereinfachten künstlerischen Darstellungen von Farbbildern, Videos und 3D- Renderings. Wichtigste Neuerung dieser Techniken ist die Verwendung des Strukturtensors als eine einfache und effiziente Möglichkeit, Informationen über die lokale Struktur eines Bildes zu erhalten. Konkret werden die folgenden Beiträge gemacht. Erstens wird eine umfassende übersicht über den Strukturtensor gegeben. Insbesondere werden verschiedene Methoden für die Integration des kleineren Eigenvektorfeldes des geglätteten Strukturtensors entwickelt, und die Überlegenheit des geglätteten Strukturtensors gegenüber dem populären Edge-Tangent-Flow demonstriert. Zweitens werden separable Implementierungen des bilateralen Filters und des Difference of Gaussians Filters vorgestellt. Durch die Anpassung der Filter an die lokale Struktur des Bildes werden Bildfehler vermieden, wobei der Vorgang rechnerisch effizient bleibt. Zusammengenommen bieten beide Techniken eine effektive Möglichkeit, um einen Cartoon-ähnlichen Effekt zu erzielen. Drittens wird eine Verallgemeinerung des Kuwahara-Filters vorgestellt. Durch die Anpassung von Form, Umfang und Orientierung der Filter an die lokale Struktur werden Bildfehler verhindert. Außerdem werden direktionale Bildmerkmale besser berücksichtigt und betont, was zu schärferen Kanten und einem malerischen Effekt führt. Neben der single-scale Variante wird auch eine multi-scale Variante vorgestellt, welche im Stande ist, eine höhere Abstraktion zu erzielen. Viertens wird eine Technik vorgestellt, die auf der Kombination von flussgesteuerter Glättung und Schock-Filterung beruht, was zu einer intensiven Verstärkung und Betonung der direktionalen Bildmerkmale führt. Alle vorgestellten Techniken erlauben die zeitlich kohärente Verarbeitung von Einzelbildern eines Videos oder einer dynamischen 3D-Szene, ohne dass andere aufwendige Verfahren wie zum Beispiel die Berechnung des optischen Flusses, benötigt werden. Darüberhinaus können die Techniken effizient implementiert werden und ermöglichen die Verarbeitung in Echtzeit auf einem Grafikprozessor (GPU).
KW  - Nicht-photorealistisches Rendering
KW  - Flussgesteuerter Bilateraler Filter
KW  - Differenz von Gauss Filtern
KW  - Anisotroper Kuwahara Filter
KW  - non-photorealistic rendering
KW  - flow-based bilateral filter
KW  - difference of Gaussians
KW  - anisotropic Kuwahara filter
KW  - coherence-enhancing filtering
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64104
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TY  - THES
A1  - Lanfermann, Gerd
T1  - Nomadic migration : a service environment for autonomic computing on the Grid
N2  - In den vergangenen Jahren ist es zu einer dramatischen Vervielfachung der verfügbaren Rechenzeit gekommen. Diese 'Grid Ressourcen' stehen jedoch nicht als kontinuierlicher Strom zur Verfügung, sondern sind über verschiedene Maschinentypen, Plattformen und Betriebssysteme verteilt, die jeweils durch Netzwerke mit fluktuierender Bandbreite verbunden sind.  Es wird für Wissenschaftler zunehmend schwieriger, die verfügbaren Ressourcen für ihre Anwendungen zu nutzen. Wir glauben, dass intelligente, selbstbestimmende Applikationen in der Lage sein sollten, ihre Ressourcen in einer dynamischen und heterogenen Umgebung selbst zu wählen: Migrierende Applikationen suchen eine neue Ressource, wenn die alte aufgebraucht ist. 'Spawning'-Anwendungen lassen Algorithmen auf externen Maschinen laufen, um die Hauptanwendung zu beschleunigen. Applikationen werden neu gestartet, sobald ein Absturz endeckt wird. Alle diese Verfahren können ohne menschliche Interaktion erfolgen. Eine verteilte Rechenumgebung besitzt eine natürliche Unverlässlichkeit. Jede Applikation, die mit einer solchen Umgebung interagiert, muss auf die gestörten Komponenten reagieren können: schlechte Netzwerkverbindung, abstürzende Maschinen, fehlerhafte Software. Wir konstruieren eine verlässliche Serviceinfrastruktur, indem wir der Serviceumgebung eine 'Peer-to-Peer'-Topology aufprägen. Diese “Grid Peer Service” Infrastruktur beinhaltet Services wie Migration und Spawning, als auch Services zum Starten von Applikationen, zur Dateiübertragung und Auswahl von Rechenressourcen. Sie benutzt existierende Gridtechnologie wo immer möglich, um ihre Aufgabe durchzuführen. Ein Applikations-Information- Server arbeitet als generische Registratur für alle Teilnehmer in der Serviceumgebung. Die Serviceumgebung, die wir entwickelt haben, erlaubt es Applikationen z.B. eine Relokationsanfrage an einen Migrationsserver zu stellen. Der Server sucht einen neuen Computer, basierend auf den übermittelten Ressourcen-Anforderungen. Er transferiert den Statusfile des Applikation zu der neuen Maschine und startet die Applikation neu. Obwohl das umgebende Ressourcensubstrat nicht kontinuierlich ist, können wir kontinuierliche Berechnungen auf Grids ausführen, indem wir die Applikation migrieren. Wir zeigen mit realistischen Beispielen, wie sich z.B. ein traditionelles Genom-Analyse-Programm leicht modifizieren lässt, um selbstbestimmte Migrationen in dieser Serviceumgebung durchzuführen.
N2  - In recent years, there has been a dramatic increase in available compute capacities. However, these “Grid resources” are rarely accessible in a continuous stream, but rather appear scattered across various machine types, platforms and operating systems, which are coupled by networks of fluctuating bandwidth. It becomes increasingly difficult for scientists to exploit available resources for their applications. We believe that intelligent, self-governing applications should be able to select resources in a dynamic and heterogeneous environment: Migrating applications determine a resource when old capacities are used up. Spawning simulations launch algorithms on external machines to speed up the main execution. Applications are restarted as soon as a failure is detected. All these actions can be taken without human interaction.   A distributed compute environment possesses an intrinsic unreliability. Any application that interacts with such an environment must be able to cope with its failing components: deteriorating networks, crashing machines, failing software. We construct a reliable service infrastructure by endowing a service environment with a peer-to-peer topology. This “Grid Peer Services” infrastructure accommodates high-level services like migration and spawning, as well as fundamental services for application launching, file transfer and resource selection. It utilizes existing Grid technology wherever possible to accomplish its tasks. An Application Information Server acts as a generic information registry to all participants in a service environment.   The service environment that we developed, allows applications e.g. to send a relocation requests to a migration server. The server selects a new computer based on the transmitted resource requirements. It transfers the application's checkpoint and binary to the new host and resumes the simulation. Although the Grid's underlying resource substrate is not continuous, we achieve persistent computations on Grids by relocating the application. We show with our real-world examples that a traditional genome analysis program can be easily modified to perform self-determined migrations in this service environment.
KW  - Peer-to-Peer-Netz ; GRID computing ; Zuverlässigkeit ; Web Services ; Betriebsmittelverwaltung ; Migration
KW  - Grid
KW  - 'Peer To Peer'
KW  - Migration
KW  - Spawning
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000773
ER  - 
TY  - THES
A1  - Linckels, Serge
T1  - An e-librarian service : supporting explorative learning by a description logics based semantic retrieval tool
T1  - Ein E-Bibliothekar-Dienst : unterstütztes exploratives Lernen durch ein Beschreibungslogik basiertes, semantisches Retrievalwerkzeug
N2  - Although educational content in electronic form is increasing dramatically, its usage in an educational environment is poor, mainly due to the fact that there is too much of (unreliable) redundant, and not relevant information. Finding appropriate answers is a rather difficult task being reliant on the user filtering of the pertinent information from the noise. Turning knowledge bases like the online tele-TASK archive into useful educational resources requires identifying correct, reliable, and "machine-understandable" information, as well as developing simple but efficient search tools with the ability to reason over this information. Our vision is to create an E-Librarian Service, which is able to retrieve multimedia resources from a knowledge base in a more efficient way than by browsing through an index, or by using a simple keyword search. In our E-Librarian Service, the user can enter his question in a very simple and human way; in natural language (NL). Our premise is that more pertinent results would be retrieved if the search engine understood the sense of the user's query. The returned results are then logical consequences of an inference rather than of keyword matchings. Our E-Librarian Service does not return the answer to the user's question, but it retrieves the most pertinent document(s), in which the user finds the answer to his/her question. Among all the documents that have some common information with the user query, our E-Librarian Service identifies the most pertinent match(es), keeping in mind that the user expects an exhaustive answer while preferring a concise answer with only little or no information overhead. Also, our E-Librarian Service always proposes a solution to the user, even if the system concludes that there is no exhaustive answer. Our E-Librarian Service was implemented prototypically in three different educational tools. A first prototype is CHESt (Computer History Expert System); it has a knowledge base with 300 multimedia clips that cover the main events in computer history. A second prototype is MatES (Mathematics Expert System); it has a knowledge base with 115 clips that cover the topic of fractions in mathematics for secondary school w.r.t. the official school programme. All clips were recorded mainly by pupils. The third and most advanced prototype is the "Lecture Butler's E-Librarain Service"; it has a Web service interface to respect a service oriented architecture (SOA), and was developed in the context of the Web-University project at the Hasso-Plattner-Institute (HPI). Two major experiments in an educational environment - at the Lycée Technique Esch/Alzette in Luxembourg - were made to test the pertinence and reliability of our E-Librarian Service as a complement to traditional courses. The first experiment (in 2005) was made with CHESt in different classes, and covered a single lesson. The second experiment (in 2006) covered a period of 6 weeks of intensive use of MatES in one class. There was no classical mathematics lesson where the teacher gave explanations, but the students had to learn in an autonomous and exploratory way. They had to ask questions to the E-Librarian Service just the way they would if there was a human teacher.
N2  - Obwohl sich die Verfügbarkeit von pädagogischen Inhalten in elektronischer Form stetig erhöht, ist deren Nutzen in einem schulischen Umfeld recht gering. Die Hauptursache dessen ist, dass es zu viele unzuverlässige, redundante und nicht relevante Informationen gibt. Das Finden von passenden Lernobjekten ist eine schwierige Aufgabe, die vom benutzerbasierten Filtern der passenden Informationen abhängig ist. Damit Wissensbanken wie das online Tele-TASK Archiv zu nützlichen, pädagogischen Ressourcen werden, müssen Lernobjekte korrekt, zuverlässig und in maschinenverständlicher Form identifiziert werden, sowie effiziente Suchwerkzeuge entwickelt werden. Unser Ziel ist es, einen E-Bibliothekar-Dienst zu schaffen, der multimediale Ressourcen in einer Wissensbank auf effizientere Art und Weise findet als mittels Navigieren durch ein Inhaltsverzeichnis oder mithilfe einer einfachen Stichwortsuche. Unsere Prämisse ist, dass passendere Ergebnisse gefunden werden könnten, wenn die semantische Suchmaschine den Sinn der Benutzeranfrage verstehen würde. In diesem Fall wären die gelieferten Antworten logische Konsequenzen einer Inferenz und nicht die einer Schlüsselwortsuche. Tests haben gezeigt, dass unser E-Bibliothekar-Dienst unter allen Dokumenten in einer gegebenen Wissensbank diejenigen findet, die semantisch am besten zur Anfrage des Benutzers passen. Dabei gilt, dass der Benutzer eine vollständige und präzise Antwort erwartet, die keine oder nur wenige Zusatzinformationen enthält. Außerdem ist unser System in der Lage, dem Benutzer die Qualität und Pertinenz der gelieferten Antworten zu quantifizieren und zu veranschaulichen. Schlussendlich liefert unser E-Bibliothekar-Dienst dem Benutzer immer eine Antwort, selbst wenn das System feststellt, dass es keine vollständige Antwort auf die Frage gibt. Unser E-Bibliothekar-Dienst ermöglicht es dem Benutzer, seine Fragen in einer sehr einfachen und menschlichen Art und Weise auszudrücken, nämlich in natürlicher Sprache. Linguistische Informationen und ein gegebener Kontext in Form einer Ontologie werden für die semantische Übersetzung der Benutzereingabe in eine logische Form benutzt. Unser E-Bibliothekar-Dienst wurde prototypisch in drei unterschiedliche pädagogische Werkzeuge umgesetzt. In zwei Experimenten wurde in einem pädagogischen Umfeld die Angemessenheit und die Zuverlässigkeit dieser Werkzeuge als Komplement zum klassischen Unterricht geprüft. Die Hauptergebnisse sind folgende: Erstens wurde festgestellt, dass Schüler generell akzeptieren, ganze Fragen einzugeben - anstelle von Stichwörtern - wenn dies ihnen hilft, bessere Suchresultate zu erhalten. Zweitens, das wichtigste Resultat aus den Experimenten ist die Erkenntnis, dass Schuleresultate verbessert werden können, wenn Schüler unseren E-Bibliothekar-Dienst verwenden. Wir haben eine generelle Verbesserung von 5% der Schulresultate gemessen. 50% der Schüler haben ihre Schulnoten verbessert, 41% von ihnen sogar maßgeblich. Einer der Hauptgründe für diese positiven Resultate ist, dass die Schüler motivierter waren und folglich bereit waren, mehr Einsatz und Fleiß in das Lernen und in das Erwerben von neuem Wissen zu investieren.
KW  - Terminologische Logik
KW  - Deskriptive Logik
KW  - Semantische Suche
KW  - Ontologie
KW  - e-Learning
KW  - Semantik Web
KW  - Description Logics
KW  - Semantic Search
KW  - Ontologies
KW  - e-Learning
KW  - Semantic Web
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-17452
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lindauer, T. Marius
T1  - Algorithm selection, scheduling and configuration of Boolean constraint solvers
N2  - Boolean constraint solving technology has made tremendous progress over the last decade, leading to industrial-strength solvers, for example, in the areas of answer set programming (ASP), the constraint satisfaction problem (CSP), propositional satisfiability (SAT) and satisfiability of quantified Boolean formulas (QBF). However, in all these areas, there exist multiple solving strategies that work well on different applications; no strategy dominates all other strategies. Therefore, no individual solver shows robust state-of-the-art performance in all kinds of applications. Additionally, the question arises how to choose a well-performing solving strategy for a given application; this is a challenging question even for solver and domain experts. One way to address this issue is the use of portfolio solvers, that is, a set of different solvers or solver configurations. We present three new automatic portfolio methods: (i) automatic construction of parallel portfolio solvers (ACPP) via algorithm configuration,(ii) solving the $NP$-hard problem of finding effective algorithm schedules with Answer Set Programming (aspeed), and (iii) a flexible algorithm selection framework (claspfolio2) allowing for fair comparison of different selection approaches. All three methods show improved performance and robustness in comparison to individual solvers on heterogeneous instance sets from many different applications. Since parallel solvers are important to effectively solve hard problems on parallel computation systems (e.g., multi-core processors), we extend all three approaches to be effectively applicable in parallel settings. We conducted extensive experimental studies different instance sets from ASP, CSP, MAXSAT, Operation Research (OR), SAT and QBF that indicate an improvement in the state-of-the-art solving heterogeneous instance sets. Last but not least, from our experimental studies, we deduce practical advice regarding the question when to apply which of our methods.
N2  - Bool'sche Solver Technologie machte enormen Fortschritt im letzten Jahrzehnt, was beispielsweise zu industrie-relevanten Solvern auf der Basis von Antwortmengenprogrammierung (ASP), dem Constraint Satisfcation Problem (CSP), dem Erfüllbarkeitsproblem für aussagenlogische Formeln (SAT) und dem Erfüllbarkeitsproblem für quantifizierte boolesche Formeln (QBF) führte. Allerdings gibt es in all diesen Bereichen verschiedene Lösungsstrategien, welche bei verschiedenen Anwendungen unterschiedlich effizient sind. Dabei gibt es keine einzelne Strategie, die alle anderen Strategien dominiert. Das führt dazu, dass es keinen robusten Solver für das Lösen von allen möglichen Anwendungsprobleme gibt. Die Wahl der richtigen Strategie für eine neue Anwendung ist eine herausforderne Problemstellung selbst für Solver- und Anwendungsexperten. Eine Möglichkeit, um Solver robuster zu machen, sind Portfolio-Ansätze. Wir stellen drei automatisch einsetzbare Portfolio-Ansätze vor: (i) automatische Konstruktion von parallelen Portfolio-Solvern (ACPP) mit Algorithmen-Konfiguration, (ii) das Lösen des $NP$-harten Problems zur Algorithmen-Ablaufplanung (aspeed) mit ASP, und (iii) ein flexibles Algorithmen-Selektionsframework (claspfolio2), was viele Techniken von Algorithmen-Selektion parametrisiert implementiert und eine faire Vergleichbarkeit zwischen Ihnen erlaubt. Alle drei Methoden verbessern die Robustheit des Solvingprozesses für heterogenen Instanzmengen bestehend aus unterschiedlichsten Anwendungsproblemen. Parallele Solver sind zunehmend der Schlüssel zum effektiven Lösen auf multi-core Maschinen. Daher haben wir all unsere Ansätze auch für den Einsatz auf parallelen Architekturen erweitert. Umfangreiche Experimente auf ASP, CSP, MAXSAT, Operation Research (OR), SAT und QBF zeigen, dass der Stand der Technik durch verbesserte Performanz auf heterogenen Instanzmengen verbessert wurde. Auf Grundlage dieser Experimente leiten wir auch Ratschläge ab, in welchen Anwendungsszenarien welches unserer Verfahren angewendet werden sollte.
T2  - Algorithmen-Selektion, -Ablaufplanung und -Konfiguration von Bool'schen Constraint Solvern
KW  - algorithm configuration
KW  - algorithm scheduling
KW  - algorithm selection
KW  - parallel solving
KW  - Boolean constraint solver
KW  - Algorithmenselektion
KW  - Algorithmenablaufplanung
KW  - Algorithmenkonfiguration
KW  - paralleles Lösen
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-71260
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lorenz, Haik
T1  - Texturierung und Visualisierung virtueller 3D-Stadtmodelle
T1  - Texturing and Visualization of Virtual 3D City Models
N2  - Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen virtuelle 3D-Stadtmodelle, die Objekte, Phänomene und Prozesse in urbanen Räumen in digitaler Form repräsentieren. Sie haben sich zu einem Kernthema von Geoinformationssystemen entwickelt und bilden einen zentralen Bestandteil geovirtueller 3D-Welten. Virtuelle 3D-Stadtmodelle finden nicht nur Verwendung als Mittel für Experten in Bereichen wie Stadtplanung, Funknetzplanung, oder Lärmanalyse, sondern auch für allgemeine Nutzer, die realitätsnah dargestellte virtuelle Städte in Bereichen wie Bürgerbeteiligung, Tourismus oder Unterhaltung nutzen und z. B. in Anwendungen wie GoogleEarth eine räumliche Umgebung intuitiv erkunden und durch eigene 3D-Modelle oder zusätzliche Informationen erweitern. Die Erzeugung und Darstellung virtueller 3D-Stadtmodelle besteht aus einer Vielzahl von Prozessschritten, von denen in der vorliegenden Arbeit zwei näher betrachtet werden: Texturierung und Visualisierung. Im Bereich der Texturierung werden Konzepte und Verfahren zur automatischen Ableitung von Fototexturen aus georeferenzierten Schrägluftbildern sowie zur Speicherung oberflächengebundener Daten in virtuellen 3D-Stadtmodellen entwickelt. Im Bereich der Visualisierung werden Konzepte und Verfahren für die multiperspektivische Darstellung sowie für die hochqualitative Darstellung nichtlinearer Projektionen virtueller 3D-Stadtmodelle in interaktiven Systemen vorgestellt. Die automatische Ableitung von Fototexturen aus georeferenzierten Schrägluftbildern ermöglicht die Veredelung vorliegender virtueller 3D-Stadtmodelle. Schrägluftbilder bieten sich zur Texturierung an, da sie einen Großteil der Oberflächen einer Stadt, insbesondere Gebäudefassaden, mit hoher Redundanz erfassen. Das Verfahren extrahiert aus dem verfügbaren Bildmaterial alle Ansichten einer Oberfläche und fügt diese pixelpräzise zu einer Textur zusammen. Durch Anwendung auf alle Oberflächen wird das virtuelle 3D-Stadtmodell flächendeckend texturiert. Der beschriebene Ansatz wurde am Beispiel des offiziellen Berliner 3D-Stadtmodells sowie der in GoogleEarth integrierten Innenstadt von München erprobt. Die Speicherung oberflächengebundener Daten, zu denen auch Texturen zählen, wurde im Kontext von CityGML, einem international standardisierten Datenmodell und Austauschformat für virtuelle 3D-Stadtmodelle, untersucht. Es wird ein Datenmodell auf Basis computergrafischer Konzepte entworfen und in den CityGML-Standard integriert. Dieses Datenmodell richtet sich dabei an praktischen Anwendungsfällen aus und lässt sich domänenübergreifend verwenden. Die interaktive multiperspektivische Darstellung virtueller 3D-Stadtmodelle ergänzt die gewohnte perspektivische Darstellung nahtlos um eine zweite Perspektive mit dem Ziel, den Informationsgehalt der Darstellung zu erhöhen. Diese Art der Darstellung ist durch die Panoramakarten von H. C. Berann inspiriert; Hauptproblem ist die Übertragung des multiperspektivischen Prinzips auf ein interaktives System. Die Arbeit stellt eine technische Umsetzung dieser Darstellung für 3D-Grafikhardware vor und demonstriert die Erweiterung von Vogel- und Fußgängerperspektive. Die hochqualitative Darstellung nichtlinearer Projektionen beschreibt deren Umsetzung auf 3D-Grafikhardware, wobei neben der Bildwiederholrate die Bildqualität das wesentliche Entwicklungskriterium ist. Insbesondere erlauben die beiden vorgestellten Verfahren, dynamische Geometrieverfeinerung und stückweise perspektivische Projektionen, die uneingeschränkte Nutzung aller hardwareseitig verfügbaren, qualitätssteigernden Funktionen wie z.~B. Bildraumgradienten oder anisotroper Texturfilterung. Beide Verfahren sind generisch und unterstützen verschiedene Projektionstypen. Sie ermöglichen die anpassungsfreie Verwendung gängiger computergrafischer Effekte wie Stilisierungsverfahren oder prozeduraler Texturen für nichtlineare Projektionen bei optimaler Bildqualität. Die vorliegende Arbeit beschreibt wesentliche Technologien für die Verarbeitung virtueller 3D-Stadtmodelle: Zum einen lassen sich mit den Ergebnissen der Arbeit Texturen für virtuelle 3D-Stadtmodelle automatisiert herstellen und als eigenständige Attribute in das virtuelle 3D-Stadtmodell einfügen. Somit trägt diese Arbeit dazu bei, die Herstellung und Fortführung texturierter virtueller 3D-Stadtmodelle zu verbessern. Zum anderen zeigt die Arbeit Varianten und technische Lösungen für neuartige Projektionstypen für virtueller 3D-Stadtmodelle in interaktiven Visualisierungen. Solche nichtlinearen Projektionen stellen Schlüsselbausteine dar, um neuartige Benutzungsschnittstellen für und Interaktionsformen mit virtuellen 3D-Stadtmodellen zu ermöglichen, insbesondere für mobile Geräte und immersive Umgebungen.
N2  - This thesis concentrates on virtual 3D city models that digitally encode objects, phenomena, and processes in urban environments. Such models have become core elements of geographic information systems and constitute a major component of geovirtual 3D worlds. Expert users make use of virtual 3D city models in various application domains, such as urban planning, radio-network planning, and noise immision simulation. Regular users utilize virtual 3D city models in domains, such as tourism, and entertainment. They intuitively explore photorealistic virtual 3D city models through mainstream applications such as GoogleEarth, which additionally enable users to extend virtual 3D city models by custom 3D models and supplemental information. Creation and rendering of virtual 3D city models comprise a large number of processes, from which texturing and visualization are in the focus of this thesis. In the area of texturing, this thesis presents concepts and techniques for automatic derivation of photo textures from georeferenced oblique aerial imagery and a concept for the integration of surface-bound data into virtual 3D city model datasets. In the area of visualization, this thesis presents concepts and techniques for multiperspective views and for high-quality rendering of nonlinearly projected virtual 3D city models in interactive systems. The automatic derivation of photo textures from georeferenced oblique aerial imagery is a refinement process for a given virtual 3D city model. Our approach uses oblique aerial imagery, since it provides a citywide highly redundant coverage of surfaces, particularly building facades. From this imagery, our approach extracts all views of a given surface and creates a photo texture by selecting the best view on a pixel level. By processing all surfaces, the virtual 3D city model becomes completely textured. This approach has been tested for the official 3D city model of Berlin and the model of the inner city of Munich accessible in GoogleEarth. The integration of surface-bound data, which include textures, into virtual 3D city model datasets has been performed in the context of CityGML, an international standard for the exchange and storage of virtual 3D city models. We derive a data model from a set of use cases and integrate it into the CityGML standard. The data model uses well-known concepts from computer graphics for data representation. Interactive multiperspective views of virtual 3D city models seamlessly supplement a regular perspective view with a second perspective. Such a construction is inspired by panorama maps by H. C. Berann and aims at increasing the amount of information in the image. Key aspect is the construction's use in an interactive system. This thesis presents an approach to create multiperspective views on 3D graphics hardware and exemplifies the extension of bird's eye and pedestrian views. High-quality rendering of nonlinearly projected virtual 3D city models focuses on the implementation of nonlinear projections on 3D graphics hardware. The developed concepts and techniques focus on high image quality. This thesis presents two such concepts, namely dynamic mesh refinement and piecewise perspective projections, which both enable the use of all graphics hardware features, such as screen space gradients and anisotropic texture filtering under nonlinear projections. Both concepts are generic and customizable towards specific projections. They enable the use of common computer graphics effects, such as stylization effects or procedural textures, for nonlinear projections at optimal image quality and interactive frame rates. This thesis comprises essential techniques for virtual 3D city model processing. First, the results of this thesis enable automated creation of textures for and their integration as individual attributes into virtual 3D city models. Hence, this thesis contributes to an improved creation and continuation of textured virtual 3D city models. Furthermore, the results provide novel approaches to and technical solutions for projecting virtual 3D city models in interactive visualizations. Such nonlinear projections are key components of novel user interfaces and interaction techniques for virtual 3D city models, particularly on mobile devices and in immersive environments.
KW  - Computergrafik
KW  - virtuelle 3D-Stadtmodelle
KW  - CityGML
KW  - nichtlineare Projektionen
KW  - Texturen
KW  - computer graphics
KW  - virtual 3D city models
KW  - CityGML
KW  - nonlinear projections
KW  - textures
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53879
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mahr, Philipp
T1  - Resource efficient communication in network-based reconfigurable on-chip systems
T1  - Ressourcen-effiziente Kommunikation in netzwerk-basierten, rekonfigurierbaren Systemen auf einem Chip
N2  - The constantly growing capacity of reconfigurable devices allows simultaneous execution of complex applications on those devices. The mere diversity of applications deems it impossible to design an interconnection network matching the requirements of every possible application perfectly, leading to suboptimal performance in many cases. However, the architecture of the interconnection network is not the only aspect affecting performance of communication. The resource manager places applications on the device and therefore influences latency between communicating partners and overall network load. Communication protocols affect performance by introducing data and processing overhead putting higher load on the network and increasing resource demand. Approaching communication holistically not only considers the architecture of the interconnect, but communication-aware resource management, communication protocols and resource usage just as well. Incorporation of different parts of a reconfigurable system during design- and runtime and optimizing them with respect to communication demand results in more resource efficient communication. Extensive evaluation shows enhanced performance and flexibility, if communication on reconfigurable devices is regarded in a holistic fashion.
N2  - Die Leistungsfähigkeit rekonfigurierbarer Rechensysteme steigt kontinuierlich und ermöglicht damit die parallele Ausführung von immer mehr und immer größeren Anwendungen. Die Vielfalt an Anwendungen macht es allerdings unmöglich ein optimales Kommunikationsnetzwerk zu entwickeln, welches die Anforderung jeder denkbaren Anwendung berücksichtigt. Die Performanz des rekonfigurierbaren Rechensystems sinkt. Das Kommunikationsnetzwerk ist jedoch nicht der einzige Teil des Systems, der Einfluss auf die Kommunikation- sperformanz nimmt. Die Ressourcenverwaltung des Systems beeinflusst durch die Platzierung der Anwendungen die Latenz zwischen Kommunikationspartnern und die Kommunikationslast im Netzwerk. Kommunikationsprotokolle beeinträchtigen die Performanz der Kommunikation durch Daten und Rechen- overhead, die ebenso zu erhöhter Netzwerklast sowie Ressourcenanforderungen führen. In einem ganzheitlichen Kommunikationsansatz wird nicht nur das Kommunikationsnetzwerk berücksichtigt, sondern außerdem Ressourcenverwaltung, Kommunikationsprotokolle und die anderweitige Verwendung vorhandener, temporär ungenutzter Kommunikationsressourcen. Durch Einbeziehung dieser Aspekte während Entwurfs- und Laufzeit und durch Optimierung unter Berücksichtigung der Kommunikationsanforderungen, wird eine ressourceneneffizien tere Kommunikation erreicht. Ausführliche Evaluationen zeigen, dass eine ganzheitliche Betrachtung von Kommunikationsfaktoren, Verbesserungen von Performanz und Flexibilität erzielt.
KW  - Rekonfiguration
KW  - Platzierung
KW  - Netzwerke
KW  - Kommunikation
KW  - reconfiguration
KW  - networks-on-chip
KW  - communication
KW  - placement
KW  - scheduling
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59914
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TY  - THES
A1  - Menzel, Michael
T1  - Model-driven security in service-oriented architectures : leveraging security patterns to transform high-level security requirements to technical policies
T1  - Modell-getriebene Sicherheit in Service-orientierten Architekturen
N2  - Service-oriented Architectures (SOA) facilitate the provision and orchestration of business services to enable a faster adoption to changing business demands. Web Services provide a technical foundation to implement this paradigm on the basis of XML-messaging. However, the enhanced flexibility of message-based systems comes along with new threats and risks. To face these issues, a variety of security mechanisms and approaches is supported by the Web Service specifications. The usage of these security mechanisms and protocols is configured by stating security requirements in security policies. However, security policy languages for SOA are complex and difficult to create due to the expressiveness of these languages. To facilitate and simplify the creation of security policies, this thesis presents a model-driven approach that enables the generation of complex security policies on the basis of simple security intentions. SOA architects can specify these intentions in system design models and are not required to deal with complex technical security concepts. The approach introduced in this thesis enables the enhancement of any system design modelling languages – for example FMC or BPMN – with security modelling elements. The syntax, semantics, and notion of these elements is defined by our security modelling language SecureSOA. The metamodel of this language provides extension points to enable the integration into system design modelling languages. In particular, this thesis demonstrates the enhancement of FMC block diagrams with SecureSOA. To enable the model-driven generation of security policies, a domain-independent policy model is introduced in this thesis. This model provides an abstraction layer for security policies. Mappings are used to perform the transformation from our model to security policy languages. However, expert knowledge is required to generate instances of this model on the basis of simple security intentions. Appropriate security mechanisms, protocols and options must be chosen and combined to fulfil these security intentions. In this thesis, a formalised system of security patterns is used to represent this knowledge and to enable an automated transformation process. Moreover, a domain-specific language is introduced to state security patterns in an accessible way. On the basis of this language, a system of security configuration patterns is provided to transform security intentions related to data protection and identity management. The formal semantics of the security pattern language enable the verification of the transformation process introduced in this thesis and prove the correctness of the pattern application. Finally, our SOA Security LAB is presented that demonstrates the application of our model-driven approach to facilitate a dynamic creation, configuration, and execution of secure Web Service-based composed applications.
N2  - Im Bereich der Enterprisearchitekturen hat das Paradigma der Service-orientierten Architektur (SOA) in den vergangenen Jahren eine große Bedeutung erlangt. Dieser Ansatz ermöglicht die Strukturierung und Umsetzung verteilter, IT-basierter Geschäftsfunktionen, um einen effizienten und flexiblen Einsatz von IT-Ressourcen zu ermöglichen. Während in der Vergangenheit fachliche Anforderungen in monolithischen Applikationen umgesetzt wurden, setzt dieser Architekturansatz auf wiederverwendbare Dienste, die spezifische Geschäftsfunktionen implementieren. Diese Dienste können dann dynamisch zur Umsetzung von Geschäftsprozessen herangezogen werden und ermöglichen eine schnelle Reaktion auf verändernde geschäftliche Rahmenbedingungen durch Anpassung der Prozesse. Die einzelnen Dienste existieren unabhängig voneinander und sind lose über einen Nachrichtenaustausch gekoppelt. Diese Unabhängigkeit unterscheidet den SOA-Ansatz von der bisherigen Entwicklung klassischer verteilter Anwendungen. Die Verwendung unabhängiger Dienste geht aber auch mit einem größeren Gefährdungspotential einher, da eine Vielzahl von Schnittstellen bereitgestellt wird, die mittels komplexer Protokolle angesprochen werden können. Somit ist die korrekte Umsetzung von Sicherheitsmechanismen in allen Diensten und SOA-Infrastrukturkomponeten essentiell. Kommunikationspartner müssen an jedem Kommunikationsendpunkt authentifiziert und autorisiert werden und ausgetauschte Nachrichten müssen immer geschützt werden. Solche Sicherheitsanforderungen werden in technischen Sicherheitskonfigurationen (Policydokumenten) mittels einer Policysprache kodiert und werden an die Dienste verteilt, die diese Anforderungen durchsetzen. Da Policysprachen für SOA aber durch die Vielzahl und Vielfalt an Sicherheitsmechanismen, -protokollen und -standards eine hohe Komplexität aufweisen, sind Sicherheitskonfigurationen höchst fehleranfällig und mit viel Fachwissen zu erstellen. Um die Generierung von Sicherheitskonfigurationen in komplexen Systemen zu vereinfachen, wird in dieser Arbeit ein modellgetriebener Ansatz vorgestellt, der eine visuelle Modellierung von Sicherheitsanforderungen in Architekturmodellen ermöglicht und eine automatisierte Generierung von Sicherheitskonfigurationen auf Basis dieser Anforderungen unterstützt. Die Modellierungsebene ermöglicht eine einfache und abstrakte Darstellung von Sicherheitsanforderungen, die sich auch für Systemarchitekten erschließen, welche keine Sicherheits-experten sind. Beispielsweise können modellierte Daten einfach mit einem Schloss annotiert werden, um den Schutz dieser Daten zu fordern. Die Syntax, die Semantik und die Darstellung dieser Anforderungen werden durch die in dieser Arbeit vorgestellte Sicherheitsmodellierungssprache SecureSOA spezifiziert. Der vorgestellte modellgetriebene Ansatz transformiert die modellierten Anforderungen auf ein domänen-unabhängiges Policymodell, das eine Abstraktionsschicht zu konkreten Policysprachen bildet. Diese Abstrak-tionsschicht vereinfacht die Generierung von Sicherheitspolicies in verschiedenen Policysprachen. Allerdings kann diese Transformation nur erfolgen, wenn im System Expertenwissen hinterlegt ist, das die Auswahl von konkreten Sicherheitsmechanismen und -optionen bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Entwurfsmuster für SOA-Sicherheit zur Transformation herangezogen, die dieses Wissen repräsentieren. Dazu wird ein Katalog von Entwurfsmustern eingeführt, der die Abbildung von abstrakten Sicherheitsanforderungen auf konkrete Konfigurationen ermöglicht. Diese Muster sind mittels einer Entwurfsmustersprache definiert, die in dieser Arbeit eingeführt wird. Die formale Semantik dieser Sprache ermöglicht die formale Verifikation des Transformationsprozesses, um die Korrektheit der Entwurfsmusteranwendung nachzuweisen. Die Definition dieses Entwurfsmusterkatalogs und der darauf basierende Transformationsprozess ermöglichen die Abbildung von abstrakten Sicherheitsanforderungen auf konkrete technische Sicherheitskonfigurationen und stellen den Beitrag dieser Arbeit dar. Abschließend wird in dieser Arbeit das SOA-Security-Lab vorgestellt, das die Umsetzung dieses Ansatzes demonstriert.
KW  - IT-Sicherheit
KW  - Service-Orientierte Architekturen
KW  - Modell-getriebene Sicherheit
KW  - Sicherheitsmodellierung
KW  - Entwurfsmuster für SOA-Sicherheit
KW  - IT-Security
KW  - Service-oriented Architectures
KW  - Modell-driven Security
KW  - Security Modelling
KW  - SOA Security Pattern
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59058
ER  -