TY - JOUR
A1 - Kujath, Bertold
T1 - Lernwirksamkeits- und Zielgruppenanalyse für ein Lehrvideo zum informatischen Problemlösen
JF - Commentarii informaticae didacticae (CID)
N2 - Aus einer Vergleichsstudie mit starken und schwachen Problemlösern konnten Erkenntnisse über die effizienten Herangehensweisen von Hochleistern an Informatikprobleme gewonnen werden. Diese Erkenntnisse wurden in einem Lehrvideo zum informatischen Problemlösen didaktisch aufgearbeitet, sodass Lernenden der Einsatz von Baumstrukturen und Rekursion im konkreten Kontext gezeigt werden kann. Nun wurde die tatsächliche Lernwirksamkeit des Videos sowie die Definition der Zielgruppe in einer Vergleichsstudie mit 66 Studienanfängern überprüft.
Y1 - 2016
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94797
SN - 978-3-86956-376-3
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 10
SP - 25
EP - 39
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Zscheyge, Oliver
A1 - Weicker, Karsten
T1 - Werkzeugunterstützung bei der Vermittlung der Grundlagen wissenschaftlichen Schreibens
JF - Commentarii informaticae didacticae (CID)
N2 - Der Unterricht großer Studierendengruppen im wissenschaftlichen Schreiben birgt vielfältige organisatorische Herausforderungen und eine zeitintensive Betreuung durch die Dozenten. Diese Arbeit stellt ein Lehrkonzept mit Peer-Reviews vor, in dem das Feedback der Peers durch eine automatisierte Analyse ergänzt wird. Die Software Confopy liefert metrik- und strukturbasierte Hinweise für die Verbesserung des wissenschaftlichen Schreibstils. Der Nutzen von Confopy wird an 47 studentischen Arbeiten in Draft- und Final-Version illustriert.
Y1 - 2016
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94814
SN - 978-3-86956-376-3
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 10
SP - 57
EP - 68
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Böhne, Sebastian
A1 - Kreitz, Christoph
A1 - Knobelsdorf, Maria
T1 - Mathematisches Argumentieren und Beweisen mit dem Theorembeweiser Coq
JF - Commentarii informaticae didacticae (CID)
N2 - Informatik-Studierende haben in der Mehrzahl Schwierigkeiten, einen Einstieg in die Theoretische
Informatik zu finden und die Leistungsanforderungen in den
Endklausuren der zugehörigen Lehrveranstaltungen zu erfüllen. Wir argumentieren, dass dieser Symptomatik mangelnde Kompetenzen im Umgang mit abstrakten und stark formalisierten Themeninhalten zugrunde liegen und schlagen vor, einen Beweisassistenten als interaktives Lernwerkzeug in der Eingangslehre der Theoretischen Informatik zu nutzen, um entsprechende Kompetenzen zu stärken.
Y1 - 2016
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94824
SN - 978-3-86956-376-3
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 10
SP - 69
EP - 80
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Steen, Alexander
A1 - Wisniewski, Max
A1 - Benzmüller, Christoph
T1 - Einsatz von Theorembeweisern in der Lehre
JF - Commentarii informaticae didacticae (CID)
N2 - Dieser Beitrag diskutiert den Einsatz von interaktiven und automatischen Theorembeweisern in der universitären Lehre. Moderne Theorembeweiser scheinen geeignet zur Implementierung des dialogischen Lernens und als E-Assessment-Werkzeug in der Logikausbilding. Exemplarisch skizzieren wir ein innovaties Lehrprojekt zum Thema „Komputationale Metaphysik“, in dem die zuvor genannten Werkzeuge eingesetzt werden.
Y1 - 2016
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94853
SN - 978-3-86956-376-3
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 10
SP - 81
EP - 92
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Gebhardt, Kai
T1 - Kooperative und kompetenzorientierte Übungen in der Softwaretechnik
JF - Commentarii informaticae didacticae (CID)
N2 - Die Unterrichtsmethode Stationsarbeit kann verwendet werden, um Individualisierung und Differenzierung im Lernprozess zu ermöglichen. Dieser Beitrag schlägt Aufgabenformate vor, die in einer Stationsarbeit über das Klassendiagramm aus der Unified Modeling Language verwendet werden können. Die Aufgabenformate wurden bereits mit Studierenden erprobt.
Y1 - 2016
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94867
SN - 978-3-86956-376-3
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 10
SP - 95
EP - 98
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Froitzheim, Manuel
A1 - Bergner, Nadine
A1 - Schroeder, Ulrik
ED - Schwill, Andreas
T1 - Android-Workshop zur Vertiefung der Kenntnisse bezüglich Datenstrukturen und Programmierung in der Studieneingangsphase
JF - HDI 2014 : Gestalten von Übergängen
N2 - Die Studieneingangsphase stellt für Studierende eine Schlüsselphase des tertiären Ausbildungsabschnitts dar. Fachwissenschaftliches Wissen wird praxisfern vermittelt und die Studierenden können die Zusammenhänge zwischen den Themenfeldern der verschiedenen Vorlesungen nicht erkennen. Zur Verbesserung der Situation wurde ein Workshop entwickelt, der die Verbindung der Programmierung und der Datenstrukturen vertieft. Dabei wird das Spiel Go-Moku1 als Android-App von den Studierenden selbständig entwickelt. Die Kombination aus Software (Java, Android-SDK) und Hardware (Tablet-Computer) für ein kleines realistisches Softwareprojekt stellt für die Studierenden eine neue Erfahrung dar.
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80247
VL - 2015
IS - 9
SP - 11
EP - 26
ER -
TY - THES
A1 - Rätsch, Gunnar
T1 - Robust boosting via convex optimization
N2 - In dieser Arbeit werden statistische Lernprobleme betrachtet. Lernmaschinen extrahieren Informationen aus einer gegebenen Menge von Trainingsmustern, so daß sie in der Lage sind, Eigenschaften von bisher ungesehenen Mustern - z.B. eine Klassenzugehörigkeit - vorherzusagen. Wir betrachten den Fall, bei dem die resultierende Klassifikations- oder Regressionsregel aus einfachen Regeln - den Basishypothesen - zusammengesetzt ist. Die sogenannten Boosting Algorithmen erzeugen iterativ eine gewichtete Summe von Basishypothesen, die gut auf ungesehenen Mustern vorhersagen. Die Arbeit behandelt folgende Sachverhalte: o Die zur Analyse von Boosting-Methoden geeignete Statistische Lerntheorie. Wir studieren lerntheoretische Garantien zur Abschätzung der Vorhersagequalität auf ungesehenen Mustern. Kürzlich haben sich sogenannte Klassifikationstechniken mit großem Margin als ein praktisches Ergebnis dieser Theorie herausgestellt - insbesondere Boosting und Support-Vektor-Maschinen. Ein großer Margin impliziert eine hohe Vorhersagequalität der Entscheidungsregel. Deshalb wird analysiert, wie groß der Margin bei Boosting ist und ein verbesserter Algorithmus vorgeschlagen, der effizient Regeln mit maximalem Margin erzeugt. o Was ist der Zusammenhang von Boosting und Techniken der konvexen Optimierung? Um die Eigenschaften der entstehenden Klassifikations- oder Regressionsregeln zu analysieren, ist es sehr wichtig zu verstehen, ob und unter welchen Bedingungen iterative Algorithmen wie Boosting konvergieren. Wir zeigen, daß solche Algorithmen benutzt werden koennen, um sehr große Optimierungsprobleme mit Nebenbedingungen zu lösen, deren Lösung sich gut charakterisieren laesst. Dazu werden Verbindungen zum Wissenschaftsgebiet der konvexen Optimierung aufgezeigt und ausgenutzt, um Konvergenzgarantien für eine große Familie von Boosting-ähnlichen Algorithmen zu geben. o Kann man Boosting robust gegenüber Meßfehlern und Ausreissern in den Daten machen? Ein Problem bisheriger Boosting-Methoden ist die relativ hohe Sensitivität gegenüber Messungenauigkeiten und Meßfehlern in der Trainingsdatenmenge. Um dieses Problem zu beheben, wird die sogenannte 'Soft-Margin' Idee, die beim Support-Vector Lernen schon benutzt wird, auf Boosting übertragen. Das führt zu theoretisch gut motivierten, regularisierten Algorithmen, die ein hohes Maß an Robustheit aufweisen. o Wie kann man die Anwendbarkeit von Boosting auf Regressionsprobleme erweitern? Boosting-Methoden wurden ursprünglich für Klassifikationsprobleme entwickelt. Um die Anwendbarkeit auf Regressionsprobleme zu erweitern, werden die vorherigen Konvergenzresultate benutzt und neue Boosting-ähnliche Algorithmen zur Regression entwickelt. Wir zeigen, daß diese Algorithmen gute theoretische und praktische Eigenschaften haben. o Ist Boosting praktisch anwendbar? Die dargestellten theoretischen Ergebnisse werden begleitet von Simulationsergebnissen, entweder, um bestimmte Eigenschaften von Algorithmen zu illustrieren, oder um zu zeigen, daß sie in der Praxis tatsächlich gut funktionieren und direkt einsetzbar sind. Die praktische Relevanz der entwickelten Methoden wird in der Analyse chaotischer Zeitreihen und durch industrielle Anwendungen wie ein Stromverbrauch-Überwachungssystem und bei der Entwicklung neuer Medikamente illustriert.
N2 - In this work we consider statistical learning problems. A learning machine aims to extract information from a set of training examples such that it is able to predict the associated label on unseen examples. We consider the case where the resulting classification or regression rule is a combination of simple rules - also called base hypotheses. The so-called boosting algorithms iteratively find a weighted linear combination of base hypotheses that predict well on unseen data. We address the following issues: o The statistical learning theory framework for analyzing boosting methods. We study learning theoretic guarantees on the prediction performance on unseen examples. Recently, large margin classification techniques emerged as a practical result of the theory of generalization, in particular Boosting and Support Vector Machines. A large margin implies a good generalization performance. Hence, we analyze how large the margins in boosting are and find an improved algorithm that is able to generate the maximum margin solution. o How can boosting methods be related to mathematical optimization techniques? To analyze the properties of the resulting classification or regression rule, it is of high importance to understand whether and under which conditions boosting converges. We show that boosting can be used to solve large scale constrained optimization problems, whose solutions are well characterizable. To show this, we relate boosting methods to methods known from mathematical optimization, and derive convergence guarantees for a quite general family of boosting algorithms. o How to make Boosting noise robust? One of the problems of current boosting techniques is that they are sensitive to noise in the training sample. In order to make boosting robust, we transfer the soft margin idea from support vector learning to boosting. We develop theoretically motivated regularized algorithms that exhibit a high noise robustness. o How to adapt boosting to regression problems? Boosting methods are originally designed for classification problems. To extend the boosting idea to regression problems, we use the previous convergence results and relations to semi-infinite programming to design boosting-like algorithms for regression problems. We show that these leveraging algorithms have desirable theoretical and practical properties. o Can boosting techniques be useful in practice? The presented theoretical results are guided by simulation results either to illustrate properties of the proposed algorithms or to show that they work well in practice. We report on successful applications in a non-intrusive power monitoring system, chaotic time series analysis and a drug discovery process. --- Anmerkung: Der Autor ist Träger des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2001/2002.
KW - Boosting
KW - Klassifikation mit großem Margin
KW - Support-Vector Lernen
KW - Regression
KW - Regularisierung
KW - Mathematische Optimierung
KW - Stromverbrauchüberwachung
KW - Boosting
KW - Large Margin Classification
KW - Support Vectors
KW - Regression
KW - Regularization
KW - Mathematical Optimization
KW - Power Monitoring
KW - Time Series Analysis
Y1 - 2001
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000399
ER -
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: Establishing a performance measure based on information theory: 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. Transfer and development of suitable signal processing and machine learning techniques: 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. Implementation of the Berlin brain computer interface and realization of suitable experiments: 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: Diskussion eines informationstheoretischen Maßes für die Güte eines BCI's: 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. Transfer und Entwicklung von geeigneten Techniken aus dem Bereich der Signalverarbeitung und des Maschinellen Lernens: 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. Implementation des Berlin Brain-Computer Interfaces und Realisierung von geeigneten Experimenten: 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.
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
ER -
TY - THES
A1 - Scholz, Matthias
T1 - Approaches to analyse and interpret biological profile data
T1 - Methoden zur Analyse und Interpretation biologischer Profildaten
N2 - Advances in biotechnologies rapidly increase the number of molecules of a cell which can be observed simultaneously. This includes expression levels of thousands or ten-thousands of genes as well as concentration levels of metabolites or proteins. Such Profile data, observed at different times or at different experimental conditions (e.g., heat or dry stress), show how the biological experiment is reflected on the molecular level. This information is helpful to understand the molecular behaviour and to identify molecules or combination of molecules that characterise specific biological condition (e.g., disease). This work shows the potentials of component extraction algorithms to identify the major factors which influenced the observed data. This can be the expected experimental factors such as the time or temperature as well as unexpected factors such as technical artefacts or even unknown biological behaviour. Extracting components means to reduce the very high-dimensional data to a small set of new variables termed components. Each component is a combination of all original variables. The classical approach for that purpose is the principal component analysis (PCA). It is shown that, in contrast to PCA which maximises the variance only, modern approaches such as independent component analysis (ICA) are more suitable for analysing molecular data. The condition of independence between components of ICA fits more naturally our assumption of individual (independent) factors which influence the data. This higher potential of ICA is demonstrated by a crossing experiment of the model plant Arabidopsis thaliana (Thale Cress). The experimental factors could be well identified and, in addition, ICA could even detect a technical artefact. However, in continuously observations such as in time experiments, the data show, in general, a nonlinear distribution. To analyse such nonlinear data, a nonlinear extension of PCA is used. This nonlinear PCA (NLPCA) is based on a neural network algorithm. The algorithm is adapted to be applicable to incomplete molecular data sets. Thus, it provides also the ability to estimate the missing data. The potential of nonlinear PCA to identify nonlinear factors is demonstrated by a cold stress experiment of Arabidopsis thaliana. The results of component analysis can be used to build a molecular network model. Since it includes functional dependencies it is termed functional network. Applied to the cold stress data, it is shown that functional networks are appropriate to visualise biological processes and thereby reveals molecular dynamics.
N2 - Fortschritte in der Biotechnologie ermöglichen es, eine immer größere Anzahl von Molekülen in einer Zelle gleichzeitig zu erfassen. Das betrifft sowohl die Expressionswerte tausender oder zehntausender Gene als auch die Konzentrationswerte von Metaboliten oder Proteinen. Diese Profildaten verschiedener Zeitpunkte oder unterschiedlicher experimenteller Bedingungen (z.B. unter Stressbedingungen wie Hitze oder Trockenheit) zeigen, wie sich das biologische Experiment auf molekularer Ebene widerspiegelt. Diese Information kann genutzt werden, um molekulare Abläufe besser zu verstehen und um Moleküle oder Molekül-Kombinationen zu bestimmen, die für bestimmte biologische Zustände (z.B.: Krankheit) charakteristisch sind. Die Arbeit zeigt die Möglichkeiten von Komponenten-Extraktions-Algorithmen zur Bestimmung der wesentlichen Faktoren, die einen Einfluss auf die beobachteten Daten ausübten. Das können sowohl die erwarteten experimentellen Faktoren wie Zeit oder Temperatur sein als auch unerwartete Faktoren wie technische Einflüsse oder sogar unerwartete biologische Vorgänge. Unter der Extraktion von Komponenten versteht man die Reduzierung dieser stark hoch-dimensionalen Daten auf wenige neue Variablen, die eine Kombination aus allen ursprünglichen Variablen darstellen und als Komponenten bezeichnet werden. Die Standard-Methode für diesen Zweck ist die Hauptkomponentenanalyse (PCA). Es wird gezeigt, dass - im Vergleich zur nur die Varianz maximierenden PCA - moderne Methoden wie die Unabhängige Komponentenanalyse (ICA) für die Analyse molekularer Datensätze besser geeignet sind. Die Unabhängigkeit von Komponenten in der ICA entspricht viel besser unserer Annahme individueller (unabhängiger) Faktoren, die einen Einfluss auf die Daten ausüben. Dieser Vorteil der ICA wird anhand eines Kreuzungsexperiments mit der Modell-Pflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) demonstriert. Die experimentellen Faktoren konnten dabei gut identifiziert werden und ICA erkannte sogar zusätzlich einen technischen Störfaktor. Bei kontinuierlichen Beobachtungen wie in Zeitexperimenten zeigen die Daten jedoch häufig eine nichtlineare Verteilung. Für die Analyse dieser nichtlinearen Daten wird eine nichtlinear erweiterte Methode der PCA angewandt. Diese nichtlineare PCA (NLPCA) basiert auf einem neuronalen Netzwerk-Algorithmus. Der Algorithmus wurde für die Anwendung auf unvollständigen molekularen Daten erweitert. Dies ermöglicht es, die fehlenden Werte zu schätzen. Die Fähigkeit der nichtlinearen PCA zur Bestimmung nichtlinearer Faktoren wird anhand eines Kältestress-Experiments mit Arabidopsis thaliana demonstriert. Die Ergebnisse aus der Komponentenanalyse können zur Erstellung molekularer Netzwerk-Modelle genutzt werden. Da sie funktionelle Abhängigkeiten berücksichtigen, werden sie als Funktionale Netzwerke bezeichnet. Anhand der Kältestress-Daten wird demonstriert, dass solche funktionalen Netzwerke geeignet sind, biologische Prozesse zu visualisieren und dadurch die molekularen Dynamiken aufzuzeigen.
KW - Bioinformatik
KW - Hauptkomponentenanalyse
KW - Unabhängige Komponentenanalyse
KW - Neuronales Netz
KW - Maschinelles Lernen
KW - Fehlende Daten
KW - Ackerschmalwand
KW - nichtlineare PCA (NLPCA)
KW - molekulare Netzwerke
KW - nonlinear PCA (NLPCA)
KW - molecular networks
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7839
ER -
TY - JOUR
A1 - Arnold, Holger
T1 - A linearized DPLL calculus with learning
N2 - This paper describes the proof calculus LD for clausal propositional logic, which is a linearized form of the well-known DPLL calculus extended by clause learning. It is motivated by the demand to model how current SAT solvers built on clause learning are working, while abstracting from decision heuristics and implementation details. The calculus is proved sound and terminating. Further, it is shown that both the original DPLL calculus and the conflict-directed backtracking calculus with clause learning, as it is implemented in many current SAT solvers, are complete and proof-confluent instances of the LD calculus.
N2 - Dieser Artikel beschreibt den Beweiskalkül LD für aussagenlogische Formeln in Klauselform. Dieser Kalkül ist eine um Klausellernen erweiterte linearisierte Variante des bekannten DPLL-Kalküls. Er soll dazu dienen, das Verhalten von auf Klausellernen basierenden SAT-Beweisern zu modellieren, wobei von Entscheidungsheuristiken und Implementierungsdetails abstrahiert werden soll. Es werden Korrektheit und Terminierung des Kalküls bewiesen. Weiterhin wird gezeigt, dass sowohl der ursprüngliche DPLL-Kalkül als auch der konfliktgesteuerte Rücksetzalgorithmus mit Klausellernen, wie er in vielen aktuellen SAT-Beweisern implementiert ist, vollständige und beweiskonfluente Spezialisierungen des LD-Kalküls sind.
KW - SAT
KW - DPLL
KW - Klausellernen
KW - Automatisches Beweisen
KW - SAT
KW - DPLL
KW - Clause Learning
KW - Automated Theorem Proving
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15421
ER -
TY - THES
A1 - Weigend, Michael
T1 - Intuitive Modelle der Informatik
T1 - Intuitive models in informatics
N2 - Intuitive Modelle der Informatik sind gedankliche Vorstellungen über informatische Konzepte, die mit subjektiver Gewissheit verbunden sind. Menschen verwenden sie, wenn sie die Arbeitsweise von Computerprogrammen nachvollziehen oder anderen erklären, die logische Korrektheit eines Programms prüfen oder in einem kreativen Prozess selbst Programme entwickeln. Intuitive Modelle können auf verschiedene Weise repräsentiert und kommuniziert werden, etwa verbal-abstrakt, durch ablauf- oder strukturorientierte Abbildungen und Filme oder konkrete Beispiele. Diskutiert werden in dieser Arbeit grundlegende intuitive Modelle für folgende inhaltliche Aspekte einer Programmausführung: Allokation von Aktivität bei einer Programmausführung, Benennung von Entitäten, Daten, Funktionen, Verarbeitung, Kontrollstrukturen zur Steuerung von Programmläufen, Rekursion, Klassen und Objekte. Mit Hilfe eines Systems von Online-Spielen, der Python Visual Sandbox, werden die psychische Realität verschiedener intuitiver Modelle bei Programmieranfängern nachgewiesen und fehlerhafte Anwendungen (Fehlvorstellungen) identifiziert.
N2 - Intuitive models in computer science are Gestalt-like mental concepts about information processing, which are accompanied by confidence. People use them, when they try to understand the semantics of a computer programme, explain an algorithmic idea to someone else, check the logical correctness of existing code or create computer programmes. Intuitive models can be represented and communicated in different ways using static pictures, animated movies, concrete examples or verbal language. In this paper basic intuitions concerning the following issues are discussed: allocation of activity within a running programme, assignment of names to entities, data, functions, processing concepts, control of programme execution, recursion, classes and objects. By observing activities with a set of specially designed online games (the Python Visual Sandbox), evidence has been collected to proof the psychological existence of certain intuitive models among high school students and identify inappropriate applications (misconceptions).
KW - Didaktik
KW - Informatik
KW - Intuition
KW - Visualisierung
KW - Fehlvorstellung
KW - didactics
KW - informatics
KW - intuition
KW - visualization
KW - misconception
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15787
SN - 978-3-940793-08-9
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - THES
A1 - Trapp, Matthias
T1 - Analysis and exploration of virtual 3D city models using 3D information lenses
N2 - This thesis addresses real-time rendering techniques for 3D information lenses based on the focus & context metaphor. It analyzes, conceives, implements, and reviews its applicability to objects and structures of virtual 3D city models. In contrast to digital terrain models, the application of focus & context visualization to virtual 3D city models is barely researched. However, the purposeful visualization of contextual data of is extreme importance for the interactive exploration and analysis of this field. Programmable hardware enables the implementation of new lens techniques, that allow the augmentation of the perceptive and cognitive quality of the visualization compared to classical perspective projections. A set of 3D information lenses is integrated into a 3D scene-graph system: • Occlusion lenses modify the appearance of virtual 3D city model objects to resolve their occlusion and consequently facilitate the navigation. • Best-view lenses display city model objects in a priority-based manner and mediate their meta information. Thus, they support exploration and navigation of virtual 3D city models. • Color and deformation lenses modify the appearance and geometry of 3D city models to facilitate their perception. The presented techniques for 3D information lenses and their application to virtual 3D city models clarify their potential for interactive visualization and form a base for further development.
N2 - Diese Diplomarbeit behandelt echtzeitfähige Renderingverfahren für 3D Informationslinsen, die auf der Fokus-&-Kontext-Metapher basieren. Im folgenden werden ihre Anwendbarkeit auf Objekte und Strukturen von virtuellen 3D-Stadtmodellen analysiert, konzipiert, implementiert und bewertet. Die Focus-&-Kontext-Visualisierung für virtuelle 3D-Stadtmodelle ist im Gegensatz zum Anwendungsbereich der 3D Geländemodelle kaum untersucht. Hier jedoch ist eine gezielte Visualisierung von kontextbezogenen Daten zu Objekten von großer Bedeutung für die interaktive Exploration und Analyse. Programmierbare Computerhardware erlaubt die Umsetzung neuer Linsen-Techniken, welche die Steigerung der perzeptorischen und kognitiven Qualität der Visualisierung im Vergleich zu klassischen perspektivischen Projektionen zum Ziel hat. Für eine Auswahl von 3D-Informationslinsen wird die Integration in ein 3D-Szenengraph-System durchgeführt: • Verdeckungslinsen modifizieren die Gestaltung von virtuellen 3D-Stadtmodell- Objekten, um deren Verdeckungen aufzulösen und somit die Navigation zu erleichtern. • Best-View Linsen zeigen Stadtmodell-Objekte in einer prioritätsdefinierten Weise und vermitteln Meta-Informationen virtueller 3D-Stadtmodelle. Sie unterstützen dadurch deren Exploration und Navigation. • Farb- und Deformationslinsen modifizieren die Gestaltung und die Geometrie von 3D-Stadtmodell-Bereichen, um deren Wahrnehmung zu steigern. Die in dieser Arbeit präsentierten Techniken für 3D Informationslinsen und die Anwendung auf virtuelle 3D Stadt-Modelle verdeutlichen deren Potenzial in der interaktiven Visualisierung und bilden eine Basis für Weiterentwicklungen.
KW - Virtuelles 3D Stadtmodell
KW - 3D Linsen
KW - Shader
KW - Echtzeitanwendung
KW - virtual 3D city model
KW - 3D lenses
KW - shader
KW - real-time application
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13930
ER -
TY - THES
A1 - Piesker, Björn
T1 - Constraint-basierte Generierung realitätsnaher Eisenbahnnetze
T1 - Constraint-based generation of realistic railway networks
N2 - Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Applikation, welche Infrastrukturdaten über Eisenbahnnetze generiert. Dabei bildet die Erzeugung der topologischen Informationen den Schwerpunkt dieser Arbeit. Der Anwender charakterisiert hierfür vorab das gewünschte Eisenbahnnetz, wobei die geforderten Eigenschaften die Randbedingungen darstellen, die bei der Synthese zu beachten sind. Zur Einhaltung dieser Bedingungen wird die Constraint-Programmierung eingesetzt, welche durch ihr spezielles Programmierparadigma konsistente Lösungen effizient erzeugt. Dies wird u.a. durch die Nachnutzung so genannter globaler Constraints erreicht. Aus diesem Grund wird insbesondere auf den Einsatz der Constraint-Programmierung bei der Modellierung und Implementierung der Applikation eingegangen.
N2 - This work deals with the development of an application, which generates infrastructure data of railway networks. The focus of this work concentrates on the generation process of topological information. As input for the application a characterization of the intended railway network is given as attributes, which are handled as constraints in the generation process. To satisfy these restrictions constraint programming, a special programming paradigm, which is able to search efficently consistent solutions, is applied. In particular, the use of so-called global constraints improves the computation. For that reason the role of constraint-programming in modelling and implementing these application is discussed in more detail.
KW - Eisenbahnnetz
KW - Infrastruktur
KW - Constraint
KW - Constraint-Programmierung
KW - globale Constraints
KW - railway network
KW - infrastructure
KW - constraint
KW - constraint programming
KW - global constraints
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15325
ER -
TY - THES
A1 - Kirchner, Peter
T1 - Verteilte Autorisierung innerhalb von Single Sign-On-Umgebungen : Analyse, Architektur und Implementation eines Frameworks für verteilte Autorisierung in einer ADFS-Umgebung
T1 - Distributed authorization within single sign on environments : analysis, architecture, and implementation of a framework for distributed authorization within an ADFS environment
N2 - Aktuelle Softwaresysteme erlauben die verteilte Authentifizierung von Benutzern über Ver-zeichnisdienste, die sowohl im Intranet als auch im Extranet liegen und die über Domänen-grenzen hinweg die Kooperation mit Partnern ermöglichen. Der nächste Schritt ist es nun, die Autorisierung ebenfalls aus der lokalen Anwendung auszulagern und diese extern durchzu-führen – vorzugsweise unter dem Einfluss der Authentifizierungspartner. Basierend auf der Analyse des State-of-the-Art wird in dieser Arbeit ein Framework vorges-tellt, das die verteilte Autorisierung von ADFS (Active Directory Federation Services) authenti-fizierten Benutzern auf Basis ihrer Gruppen oder ihrer persönlichen Identität ermöglicht. Es wird eine prototypische Implementation mit Diensten entwickelt, die für authentifizierte Be-nutzer Autorisierungsanfragen extern delegieren, sowie ein Dienst, der diese Autorisierungs-anfragen verarbeitet. Zusätzlich zeigt die Arbeit eine Integration dieses Autorisierungs-Frameworks in das .NET Framework, um die praxistaugliche Verwendbarkeit in einer aktuel-len Entwicklungsumgebung zu demonstrieren. Abschließend wird ein Ausblick auf weitere Fragestellungen und Folgearbeiten gegeben.
N2 - Current software systems allow distributed authentication of users using directory services, which are located both in the intranet and in the extranet, to establish cooperation with part-ners over domain boundaries. The next step is to outsource the authorization out of the local applications and to delegate the authorization decisions to external parties. In particular the authorization request is back delegated to the authentication partner. Based on an analysis of the state of the art this paper presents a framework which allows the distributed authorisation of ADFS authenticated users. The authorization decisions are based on the user’s identity and groups. In this work there will be developed a prototypical imple-mentation of services which are capable of delegating authorization requests. Additionally, this work points out the integration of these services into the .NET framework to demonstrate the usability in a modern development environment. Finally there will be a prospect of further questions and work.
KW - Single Sign On
KW - Autorisierung
KW - SSO
KW - ADFS
KW - Active Directory Federation Services
KW - Single Sign On
KW - Authorization
KW - SSO
KW - ADFS
KW - Active Directory Federation Services
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-22289
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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 - Thiele, Sven
T1 - Modeling biological systems with Answer Set Programming
T1 - Modellierung biologischer Systeme mit Answer Set Programming
N2 - Biology has made great progress in identifying and measuring the building blocks of life. The availability of high-throughput methods in molecular biology has dramatically accelerated the growth of biological knowledge for various organisms. The advancements in genomic, proteomic and metabolomic technologies allow for constructing complex models of biological systems. An increasing number of biological repositories is available on the web, incorporating thousands of biochemical reactions and genetic regulations. Systems Biology is a recent research trend in life science, which fosters a systemic view on biology. In Systems Biology one is interested in integrating the knowledge from all these different sources into models that capture the interaction of these entities. By studying these models one wants to understand the emerging properties of the whole system, such as robustness. However, both measurements as well as biological networks are prone to considerable incompleteness, heterogeneity and mutual inconsistency, which makes it highly non-trivial to draw biologically meaningful conclusions in an automated way. Therefore, we want to promote Answer Set Programming (ASP) as a tool for discrete modeling in Systems Biology. ASP is a declarative problem solving paradigm, in which a problem is encoded as a logic program such that its answer sets represent solutions to the problem. ASP has intrinsic features to cope with incompleteness, offers a rich modeling language and highly efficient solving technology. We present ASP solutions, for the analysis of genetic regulatory networks, determining consistency with observed measurements and identifying minimal causes for inconsistency. We extend this approach for computing minimal repairs on model and data that restore consistency. This method allows for predicting unobserved data even in case of inconsistency. Further, we present an ASP approach to metabolic network expansion. This approach exploits the easy characterization of reachability in ASP and its various reasoning methods, to explore the biosynthetic capabilities of metabolic reaction networks and generate hypotheses for extending the network. Finally, we present the BioASP library, a Python library which encapsulates our ASP solutions into the imperative programming paradigm. The library allows for an easy integration of ASP solution into system rich environments, as they exist in Systems Biology.
N2 - In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Identifikation und Messung der Bausteine des Lebens gemacht. Die Verfügbarkeit von Hochdurchsatzverfahren in der Molekularbiology hat das Anwachsen unseres biologischen Wissens dramatisch beschleunigt. Durch die technische Fortschritte in Genomic, Proteomic und Metabolomic wurde die Konstruktion komplexer Modelle biologischer Systeme ermöglicht. Immer mehr biologische Datenbanken sind über das Internet verfügbar, sie enthalten tausende Daten biochemischer Reaktionen und genetischer Regulation. System Biologie ist ein junger Forschungszweig der Biologie, der versucht Biologische Systeme in ihrer Ganzheit zu erforschen. Dabei ist man daran interessiert möglichst viel Wissen aus den unterschiedlichsten Bereichen in ein Modell zu aggregieren, welches das Zusammenwirken der verschiedensten Komponenten nachbildet. Durch das Studium derartiger Modelle erhofft man sich ein Verständnis der aufbauenden Eigenschaften, wie zum Beispiel Robustheit, des Systems zu erlangen. Es stellt sich jedoch die Problematik, das sowohl die biologischen Modelle als auch die verfügbaren Messwerte, oft unvollständig, miteinander unvereinbar oder fehlerhaft sind. All dies macht es schwierig biologisch sinnvolle Schlussfolgerungen zu ziehen. Daher, möchten wir in dieser Arbeit Antwortmengen Programmierung (engl. Answer Set Programming; ASP) als Werkzeug zur diskreten Modellierung system biologischer Probleme vorschlagen. ASP verfügt über eingebaute Eigenschaften zum Umgang mit unvollständiger Information, eine reichhaltige Modellierungssprache und hocheffiziente Berechnungstechniken. Wir präsentieren ASP Lösungen zur Analyse von Netzwerken genetischer Regulierungen, zur Prüfung der Konsistenz mit gemessene Daten, und zur Identifikation von Gründen für Inkonsistenz. Diesen Ansatz erweitern wir um die Möglichkeit zur Berechnung minimaler Reparaturen an Modell und Daten, welche Konsistenz erzeugen. Mithilfe dieser Methode werden wir in die Lage versetzt, auch im Fall von Inkonsistenz, noch ungemessene Daten vorherzusagen. Weiterhin, präsentieren wir einen ASP Ansatz zur Analyse metabolischer Netzwerke. Bei diesem Ansatz, nutzen wir zum einen aus das sich Erreichbarkeit mit ASP leicht spezifizieren lässt und das ASP mehrere mächtige Methoden zur Schlussfolgerung bereitstellt, welche sich auch kombiniert lassen. Dadurch wird es möglich die Synthese Möglichkeiten eines Metabolischen Netzwerks zu erforschen und Hypothesen für Erweiterungen des metabolischen Netzwerks zu berechnen. Zu guter Letzt, präsentieren wir die BioASP Softwarebibliothek. Die BioASP-Bibliothek kapselt unsere ASP Lösungen in das imperative Programmierparadigma und vereinfacht eine Integration von ASP Lösungen in heterogene Betriebsumgebungen, wie sie in der System Biologie vorherrschen.
KW - Antwortmengen Programmierung
KW - System Biologie
KW - Inkonsistenz
KW - Unvollständigkeit
KW - Reparatur
KW - answer set programming
KW - systems biology
KW - inconsistency
KW - incompleteness
KW - repair
Y1 - 2011
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59383
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TY - THES
A1 - Bordihn, Henning
T1 - Contributions to the syntactical analysis beyond context-freeness
T1 - Beiträge zur syntaktischen Analyse nicht-kontextfreier Sprachen
N2 - Parsability approaches of several grammar formalisms generating also non-context-free languages are explored. Chomsky grammars, Lindenmayer systems, grammars with controlled derivations, and grammar systems are treated. Formal properties of these mechanisms are investigated, when they are used as language acceptors. Furthermore, cooperating distributed grammar systems are restricted so that efficient deterministic parsing without backtracking becomes possible. For this class of grammar systems, the parsing algorithm is presented and the feature of leftmost derivations is investigated in detail.
N2 - Ansätze zum Parsing verschiedener Grammatikformalismen, die auch nicht-kontextfreie Sprachen erzeugen können, werden diskutiert. Chomsky-Grammatiken, Lindenmayer-Systeme, Grammatiken mit gesteuerten Ersetzungen und Grammatiksysteme werden behandelt. Formale Eigenschaften dieser Mechanismen als Akzeptoren von Sprachen werden untersucht. Weiterhin werden kooperierende verteilte (CD) Grammatiksysteme derart beschränkt, dass effizientes deterministisches Parsing ohne Backtracking möglich ist. Für diese Klasse von Grammatiksystemen wird der Parsingalgorithmus vorgestellt und die Rolle von Linksableitungen wird detailliert betrachtet.
KW - Parsing
KW - Akzeptierende Grammatiken
KW - Gesteuerte Ableitungen
KW - Grammatiksysteme
KW - Linksableitungen
KW - Parsing
KW - Accepting Grammars
KW - Controlled Derivations
KW - Grammar Systems
KW - Leftmost Derivations
Y1 - 2011
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59719
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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 - Sawade, Christoph
T1 - Active evaluation of predictive models
T1 - Aktive Evaluierung von Vorhersagemodellen
N2 - The field of machine learning studies algorithms that infer predictive models from data. Predictive models are applicable for many practical tasks such as spam filtering, face and handwritten digit recognition, and personalized product recommendation. In general, they are used to predict a target label for a given data instance. In order to make an informed decision about the deployment of a predictive model, it is crucial to know the model’s approximate performance. To evaluate performance, a set of labeled test instances is required that is drawn from the distribution the model will be exposed to at application time. In many practical scenarios, unlabeled test instances are readily available, but the process of labeling them can be a time- and cost-intensive task and may involve a human expert. This thesis addresses the problem of evaluating a given predictive model accurately with minimal labeling effort. We study an active model evaluation process that selects certain instances of the data according to an instrumental sampling distribution and queries their labels. We derive sampling distributions that minimize estimation error with respect to different performance measures such as error rate, mean squared error, and F-measures. An analysis of the distribution that governs the estimator leads to confidence intervals, which indicate how precise the error estimation is. Labeling costs may vary across different instances depending on certain characteristics of the data. For instance, documents differ in their length, comprehensibility, and technical requirements; these attributes affect the time a human labeler needs to judge relevance or to assign topics. To address this, the sampling distribution is extended to incorporate instance-specific costs. We empirically study conditions under which the active evaluation processes are more accurate than a standard estimate that draws equally many instances from the test distribution. We also address the problem of comparing the risks of two predictive models. The standard approach would be to draw instances according to the test distribution, label the selected instances, and apply statistical tests to identify significant differences. Drawing instances according to an instrumental distribution affects the power of a statistical test. We derive a sampling procedure that maximizes test power when used to select instances, and thereby minimizes the likelihood of choosing the inferior model. Furthermore, we investigate the task of comparing several alternative models; the objective of an evaluation could be to rank the models according to the risk that they incur or to identify the model with lowest risk. An experimental study shows that the active procedure leads to higher test power than the standard test in many application domains. Finally, we study the problem of evaluating the performance of ranking functions, which are used for example for web search. In practice, ranking performance is estimated by applying a given ranking model to a representative set of test queries and manually assessing the relevance of all retrieved items for each query. We apply the concepts of active evaluation and active comparison to ranking functions and derive optimal sampling distributions for the commonly used performance measures Discounted Cumulative Gain and Expected Reciprocal Rank. Experiments on web search engine data illustrate significant reductions in labeling costs.
N2 - Maschinelles Lernen befasst sich mit Algorithmen zur Inferenz von Vorhersagemodelle aus komplexen Daten. Vorhersagemodelle sind Funktionen, die einer Eingabe – wie zum Beispiel dem Text einer E-Mail – ein anwendungsspezifisches Zielattribut – wie „Spam“ oder „Nicht-Spam“ – zuweisen. Sie finden Anwendung beim Filtern von Spam-Nachrichten, bei der Text- und Gesichtserkennung oder auch bei der personalisierten Empfehlung von Produkten. Um ein Modell in der Praxis einzusetzen, ist es notwendig, die Vorhersagequalität bezüglich der zukünftigen Anwendung zu schätzen. Für diese Evaluierung werden Instanzen des Eingaberaums benötigt, für die das zugehörige Zielattribut bekannt ist. Instanzen, wie E-Mails, Bilder oder das protokollierte Nutzerverhalten von Kunden, stehen häufig in großem Umfang zur Verfügung. Die Bestimmung der zugehörigen Zielattribute ist jedoch ein manueller Prozess, der kosten- und zeitaufwendig sein kann und mitunter spezielles Fachwissen erfordert. Ziel dieser Arbeit ist die genaue Schätzung der Vorhersagequalität eines gegebenen Modells mit einer minimalen Anzahl von Testinstanzen. Wir untersuchen aktive Evaluierungsprozesse, die mit Hilfe einer Wahrscheinlichkeitsverteilung Instanzen auswählen, für die das Zielattribut bestimmt wird. Die Vorhersagequalität kann anhand verschiedener Kriterien, wie der Fehlerrate, des mittleren quadratischen Verlusts oder des F-measures, bemessen werden. Wir leiten die Wahrscheinlichkeitsverteilungen her, die den Schätzfehler bezüglich eines gegebenen Maßes minimieren. Der verbleibende Schätzfehler lässt sich anhand von Konfidenzintervallen quantifizieren, die sich aus der Verteilung des Schätzers ergeben. In vielen Anwendungen bestimmen individuelle Eigenschaften der Instanzen die Kosten, die für die Bestimmung des Zielattributs anfallen. So unterscheiden sich Dokumente beispielsweise in der Textlänge und dem technischen Anspruch. Diese Eigenschaften beeinflussen die Zeit, die benötigt wird, mögliche Zielattribute wie das Thema oder die Relevanz zuzuweisen. Wir leiten unter Beachtung dieser instanzspezifischen Unterschiede die optimale Verteilung her. Die entwickelten Evaluierungsmethoden werden auf verschiedenen Datensätzen untersucht. Wir analysieren in diesem Zusammenhang Bedingungen, unter denen die aktive Evaluierung genauere Schätzungen liefert als der Standardansatz, bei dem Instanzen zufällig aus der Testverteilung gezogen werden. Eine verwandte Problemstellung ist der Vergleich von zwei Modellen. Um festzustellen, welches Modell in der Praxis eine höhere Vorhersagequalität aufweist, wird eine Menge von Testinstanzen ausgewählt und das zugehörige Zielattribut bestimmt. Ein anschließender statistischer Test erlaubt Aussagen über die Signifikanz der beobachteten Unterschiede. Die Teststärke hängt von der Verteilung ab, nach der die Instanzen ausgewählt wurden. Wir bestimmen die Verteilung, die die Teststärke maximiert und damit die Wahrscheinlichkeit minimiert, sich für das schlechtere Modell zu entscheiden. Des Weiteren geben wir eine Möglichkeit an, den entwickelten Ansatz für den Vergleich von mehreren Modellen zu verwenden. Wir zeigen empirisch, dass die aktive Evaluierungsmethode im Vergleich zur zufälligen Auswahl von Testinstanzen in vielen Anwendungen eine höhere Teststärke aufweist. Im letzten Teil der Arbeit werden das Konzept der aktiven Evaluierung und das des aktiven Modellvergleichs auf Rankingprobleme angewendet. Wir leiten die optimalen Verteilungen für das Schätzen der Qualitätsmaße Discounted Cumulative Gain und Expected Reciprocal Rank her. Eine empirische Studie zur Evaluierung von Suchmaschinen zeigt, dass die neu entwickelten Verfahren signifikant genauere Schätzungen der Rankingqualität liefern als die untersuchten Referenzverfahren.
KW - Aktive Evaluierung
KW - Vorhersagemodelle
KW - Maschinelles Lernen
KW - Fehlerschätzung
KW - Statistische Tests
KW - Active Evaluation
KW - Predictive Models
KW - Machine Learning
KW - Error Estimation
KW - Statistical Tests
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65583
SN - 978-3-86956-255-1
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Frank, Mario
T1 - Axiom relevance decision engine : technical report
N2 - This document presents an axiom selection technique for classic first order theorem proving based on the relevance of axioms for the proof of a conjecture. It is based on unifiability of predicates and does not need statistical information like symbol frequency. The scope of the technique is the reduction of the set of axioms and the increase of the amount of provable conjectures in a given time. Since the technique generates a subset of the axiom set, it can be used as a preprocessor for automated theorem proving. This technical report describes the conception, implementation and evaluation of ARDE. The selection method, which is based on a breadth-first graph search by unifiability of predicates, is a weakened form of the connection calculus and uses specialised variants or unifiability to speed up the selection. The implementation of the concept is evaluated with comparison to the results of the world championship of theorem provers of the year 2012 (CASC J6). It is shown that both the theorem prover leanCoP which uses the connection calculus and E which uses equality reasoning, can benefit from the selection approach. Also, the evaluation shows that the concept is applyable for theorem proving problems with thousands of formulae and that the selection is independent from the calculus used by the theorem prover.
N2 - Dieser technische Report beschreibt die Konzeption, Implementierung und Evaluation eines Verfahrens zur Auswahl von logischen Formeln bezüglich derer Relevanz für den Beweis einer logischen Formel. Das Verfahren wird ausschließlich für die Prädikatenlogik erster Ordnung angewandt, wenngleich es auch für höherstufige Prädikatenlogiken geeignet ist. Das Verfahren nutzt eine unifikationsbasierte Breitensuche im Graphen wobei jeder Knoten im Graphen ein Prädikat und jede existierende Kante eine Unifizierbarkeitsrelation ist. Ziel des Verfahrens ist die Reduktion einer gegebenen Menge von Formeln auf eine für aktuelle Theorembeweiser handhabbare Größe. Daher ist das Verfahren als Präprozess-Schritt für das automatische Theorembeweisen geeignet. Zur Beschleunigung der Suche wird neben der Standard-Unifikation eine abgeschwächte Unifikation verwendet. Das System wurde während der Weltmeisterschaft der Theorembeweiser im Jahre 2014 (CASC J6) in Manchester zusammen mit dem Theorembeweiser leanCoP eingereicht und konnte leanCoP dabei unterstützen, Probleme zu lösen, die leanCoP alleine nicht handhaben kann. Die Tests mit leanCoP und dem Theorembeweiser E im Nachgang zu der Weltmeisterschaft zeigen, dass das Verfahren unabhängig von dem verwendeten Kalkül ist und bei beiden Theorembeweisern positive Auswirkungen auf die Beweisbarkeit von Problemen mit großen Formelmengen hat.
KW - Relevanz
KW - Graphensuche
KW - Theorembeweisen
KW - Preprocessing
KW - Unifikation
KW - relevance
KW - graph-search
KW - preprocessing
KW - unification
KW - theorem
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72128
ER -
TY - THES
A1 - Frank, Mario
T1 - TEMPLAR : efficient determination of relevant axioms in big formula sets for theorem proving
N2 - This document presents a formula selection system for classical first order theorem proving based on the relevance of formulae for the proof of a conjecture. It is based on unifiability of predicates and is also able to use a linguistic approach for the selection. The scope of the technique is the reduction of the set of formulae and the increase of the amount of provable conjectures in a given time. Since the technique generates a subset of the formula set, it can be used as a preprocessor for automated theorem proving. The document contains the conception, implementation and evaluation of both selection concepts. While the one concept generates a search graph over the negation normal forms or Skolem normal forms of the given formulae, the linguistic concept analyses the formulae and determines frequencies of lexemes and uses a tf-idf weighting algorithm to determine the relevance of the formulae. Though the concept is built for first order logic, it is not limited to it. The concept can be used for higher order and modal logik, too, with minimal adoptions. The system was also evaluated at the world championship of automated theorem provers (CADE ATP Systems Competition, CASC-24) in combination with the leanCoP theorem prover and the evaluation of the results of the CASC and the benchmarks with the problems of the CASC of the year 2012 (CASC-J6) show that the concept of the system has positive impact to the performance of automated theorem provers. Also, the benchmarks with two different theorem provers which use different calculi have shown that the selection is independent from the calculus. Moreover, the concept of TEMPLAR has shown to be competitive to some extent with the concept of SinE and even helped one of the theorem provers to solve problems that were not (or slower) solved with SinE selection in the CASC. Finally, the evaluation implies that the combination of the unification based and linguistic selection yields more improved results though no optimisation was done for the problems.
N2 - Dieses Dokument stellt ein System vor, das aus einer (großen) gegebenen Menge von Formeln der klassischen Prädikatenlogik eine Teilmenge auswählt, die für den Beweis einer logischen Formel relevant sind. Ziel des Systems ist, die Beweisbarkeit von Formeln in einer festen Zeitschranke zu ermöglichen oder die Beweissuche durch die eingeschränkte Formelmenge zu beschleunigen. Das Dokument beschreibt die Konzeption, Implementierung und Evaluation des Systems und geht dabei auf die zwei verschiedenen Ansätze zur Auswahl ein. Während das eine Konzept eine Graphensuche wahlweise auf den Negations-Normalformen oder Skolem-Normalformen der Formeln durchführt, indem Pfade von einer Formel zu einer anderen durch Unifikation von Prädikaten gebildet werden, analysiert das andere Konzept die Häufigkeiten von Lexemen und bildet einen Relevanzwert durch Anwendung des in der Computerlinguistik bekannten tf-idf-Maßes. Es werden die Ergebnisse der Weltmeisterschaft der automatischen Theorembeweiser (CADE ATP Systems Competition, CASC-24) vorgestellt und der Effekt des Systems für die Beweissuche analysiert. Weiterhin werden die Ergebnisse der Tests des Systems auf den Problemen der Weltmeisterschaft aus dem Jahre 2012 (CASC-J6) vorgestellt. Es wird darauf basierend evaluiert, inwieweit die Einschränkungen die Theorembeweiser bei dem Beweis komplexer Probleme unterstützen. Letztendlich wird gezeigt, dass das System einerseits positive Effekte für die Theorembeweiser hat und andererseits unabhängig von dem Kalkül ist, den die Theorembeweiser nutzen. Ferner ist der Ansatz unabhängig von der genutzten Logik und kann prinzipiell für alle Stufen der Prädikatenlogik und Aussagenlogik sowie Modallogik genutzt werden. Dieser Aspekt macht den Ansatz universell im automatischen Theorembeweisen nutzbar. Es zeigt sich, dass beide Ansätze zur Auswahl für verschiedene Formelmengen geeignet sind. Es wird auch gezeigt, dass die Kombination beider Ansätze eine signifikante Erhöhung der beweisbaren Formeln zur Folge hat und dass die Auswahl durch die Ansätze mit den Fähigkeiten eines anderen Auswahl-Systems mithalten kann.
KW - Theorembeweisen
KW - Relevanz
KW - Selektion
KW - Liguistisch
KW - Unifikation
KW - relevance
KW - selection
KW - proving
KW - linguistic
KW - theorem
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72112
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 - CHAP
A1 - Heinisch, Isabelle
A1 - Romeike, Ralf
A1 - Knobelsdorf, Maria
A1 - Kreitz, Christoph
A1 - Nylén, Aletta
A1 - Dörge, Christina
A1 - Göttel, Timo
A1 - Holz, Jan
A1 - Bergner, Nadine
A1 - Schroeder, Ulrik
A1 - Metzger, Christiane
A1 - Haag, Johann
A1 - Abke, Jörg
A1 - Schwirtlich, Vincent
A1 - Sedelmaier, Yvonne
A1 - Müller, Dorothee
A1 - Frommer, Andreas
A1 - Humbert, Ludger
A1 - Berges, Marc
A1 - Mühling, Andreas
A1 - Hubwieser, Peter
A1 - Steuer, Horst
A1 - Engbring, Dieter
A1 - Selke, Harald
A1 - Drews, Paul
A1 - Schirmer, Ingrid
A1 - Morisse, Marcel
A1 - Sagawe, Arno
A1 - Rolf, Arno
A1 - Friedemann, Stefan
A1 - Gröger, Stefan
A1 - Schumann, Matthias
A1 - Klinger, Melanie
A1 - Polutina, Olena
A1 - Bibel, Ariane
A1 - Götz, Christian
A1 - Brinda, Torsten
A1 - Apel, Rebecca
A1 - Berg, Tobias
A1 - Bergner, Nadine
A1 - Chatti, Mohamed Amine
A1 - Leicht-Scholten, Carmen
A1 - Schroeder, Ulrik
A1 - Al-Saffar, Loay Talib
A1 - Petre, Marian
A1 - Schirmer, Ingrid
A1 - Rick, Detlef
ED - Forbrig, Peter
ED - Rick, Detlef
ED - Schmolitzky, Axel
T1 - HDI 2012 – Informatik für eine nachhaltige Zukunft : 5. Fachtagung Hochschuldidaktik der Informatik ; 06.–07. November 2012, Universität Hamburg
N2 - Die Tagungsreihe zur Hochschuldidaktik der Informatik HDI wird vom Fachbereich Informatik und Ausbildung / Didaktik der Informatik (IAD) in der Gesellschaft für Informatik e. V. (GI) organisiert. Sie dient den Lehrenden der Informatik in Studiengängen an Hochschulen als Forum der Information und des Austauschs über neue didaktische Ansätze und bildungspolitische Themen im Bereich der Hochschulausbildung aus der fachlichen Perspektive der Informatik. Diese fünfte HDI 2012 wurde an der Universität Hamburg organisiert. Für sie wurde das spezielle Motto „Informatik für eine nachhaltige Zukunft“ gewählt, um insbesondere Fragen der Bildungsrelevanz informatischer Inhalte, der Kompetenzen für Studierende informatisch geprägter Studiengänge und der Rolle der Informatik in der Hochschulentwicklung zu diskutieren.
T3 - Commentarii informaticae didacticae (CID) - 5
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62891
SN - 978-3-86956-220-9
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Knobelsdorf, Maria
A1 - Kreitz, Christoph
T1 - Ein konstruktivistischer Lehransatz für die Einführungsveranstaltung der Theoretischen Informatik
JF - Commentarii informaticae didacticae : (CID)
N2 - Ausgehend von einem sozial-konstruktivistischen Verständnis von Lernprozessen und unter der besonderen Berücksichtigung der durch die Bologna-Studienreform angeregten Kompetenzorientierung, haben wir in den letzten Jahren einen hochschuldidaktischen Ansatz für die Einführungsveranstaltung im Bereich der Theoretischen Informatik an der Universität Potsdam entwickelt und praktisch erprobt. Nach zahlreichen Experimenten und mit einer Durchfallquote von zuletzt 6% im Wintersemester 2011/2012 haben wir den Eindruck, dass der Ansatz den Studierenden jene Lernumgebung und -anregung bietet, die ihnen hilft, die entsprechenden Fachkompetenzen in der Veranstaltung zu entwickeln. In diesem Artikel stellen wir unseren Ansatz vor und skizzieren abschlieÿend, wie wir diesen im nächsten Wintersemester empirisch evaluieren werden.
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64845
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 5
SP - 21
EP - 32
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Göttel, Timo
T1 - Schnupperveranstaltungen Informatik in der Hochschullandschaft
BT - Angebot vs. Nachfrage?
JF - Commentarii informaticae didacticae : (CID)
N2 - Die vorliegende Arbeit erörtert die Frage, wie Nachwuchs für das Informatikstudium nachhaltig gesichert werden kann. Dazu werden Befragungen unter Schülerinnen und Schülern (13-16 Jahre), sowie aktuelle Informatik-Schnupperangebote für Schülerinnen und Schüler an deutschsprachigen Hochschulen vorgestellt und untersucht. Diese Gegenüberstellung zeigt deutlich, dass die Angebote nur bedingt eine breite Zielgruppe ansprechen und dass weitere Formate und Inhalte notwendig sind, um Schülerinnen und Schüler frühzeitig und in voller Breite zu erreichen und für das Informatikstudium zu begeistern. Daraus wird abgeleitet, dass Missverständnisse und Probleme mit der Informatik im Schulkontext aufgegriffen werden müssen. Das vorgestellte Programm Schulbotschafter Informatik stellt einen möglichen Weg dar, um dies zu erreichen und übliche Schnupperangebote zu ergänzen.
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64860
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 5
SP - 45
EP - 55
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Götz, Christian
A1 - Brinda, Torsten
T1 - Sind soziale Netzwerke geeignet, um darin für Informatikstudiengänge zu werben?
JF - Commentarii informaticae didacticae : (CID)
N2 - Durch den bundesweiten Rückgang der Schülerzahlen und einer steigenden Zahl von Bildungsangeboten geraten Universitäten und Hochschulen in den nächsten Jahren weiter in eine Wettbewerbssituation, weshalb sie effektive Marketingmaßnahmen entwickeln müssen, um Schülerinnen und Schüler möglichst frühzeitig für das jeweilige Angebot (z. B. Informatik- und informatiknahe Studiengänge) zu interessieren. Ein Medium, über das sich potenziell sehr viele Jugendliche erreichen lassen, sind dabei soziale Netzwerke. Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse einer Studie unter Informatikstudienanfängerinnen und -anfängern zum Nutzungsverhalten sozialer Netzwerke und zieht Schlussfolgerungen zu deren Eignung als Werbe- und Informationskanal für die Zielgruppe der Informatikinteressierten.
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65017
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 5
SP - 137
EP - 142
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Apel, Rebecca
A1 - Berg, Tobias
A1 - Bergner, Nadine
A1 - Chatti, Mhamed Amine
A1 - Holz, Jan
A1 - Leicht-Scholten, Carmen
A1 - Schroeder, Ulrike
T1 - Ein vierstufiges Förderkonzept für die Studieneingangsphase in der Informatik
JF - Commentarii informaticae didacticae : (CID)
N2 - Es wird ein vierstufiges Förderkonzept für die Studieneingangsphase im Fach Informatik beschrieben, das derzeit im Rahmen des Projekts IGaDtools4MINT an der RWTH Aachen auf der Basis einer Literaturanalyse und eines daraus abgeleiteten Indikatorenkatalogs entwickelt wird.
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65025
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 5
SP - 143
EP - 148
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Schirmer, Ingrid
A1 - Rick, Detlef
T1 - Persönlichkeitsbildung und informatische Professionalisierung
BT - ethische Kompetenz als Grundlage nachhaltiger Entscheidungen
JF - Commentarii informaticae didacticae : (CID)
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65053
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 5
SP - 160
EP - 169
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - BOOK
A1 - Freischlad, Stefan
T1 - Entwicklung und Erprobung des Didaktischen Systems Internetworking im Informatikunterricht
N2 - Internetbasierte Informatiksysteme beeinflussen in steigendem Maße Situationen in unterschiedlichen Lebensbereichen. Kompetenzen zur Verwendung von Internetanwendungen und -diensten müssen explizit erworben werden, weil damit ein notwendiger Einblick in nicht beobachtbare Abläufe und nicht offen sichtbare Strukturen verbunden ist. Bisher gibt es Vorschläge für die Gestaltung schulischer Lehr-Lernprozesse zu ausgewählten Teilaspekten des Internets. Es fehlt eine systematische Analyse des Bildungsbedarfs und ein daraus resultierendes Unterrichtsmodell. In dieser Arbeit wird ein Gesamtkonzept für den Informatikunterricht in der Sekundarstufe II vorgestellt, das zu zielgerichteter und verantwortungsvoller Anwendung des Internets beiträgt. Die vorliegende Arbeit umfasst den Prozess von der Analyse erforderlicher Kompetenzen bis zur Realisierung von Lehr-Lernprozessen im Informatikunterricht in der Sekundarstufe II. Es werden der Beitrag der Informatik zu identifizierten Kompetenzen untersucht und Bildungsanforderungen bestimmt. Bildungsempfehlungen und Forschungsergebnisse zu erfolgreichen Unterrichtseinheiten werden im Hinblick auf die Bildungsziele analysiert. Der Informatikunterricht unterstützt die Kompetenzentwicklung zu internetbasierten digitalen Medien. Es wird die Entwicklung eines Unterrichtsmodells zu Internetworking beschrieben. Dazu wird der Ansatz der Didaktischen Systeme untersucht, weiter entwickelt und auf den Bereich Internetworking übertragen. Der theoretische Ansatz wird dazu in vier Unterrichtsprojekten zu Internetworking in der Praxis realisiert. Beziehungen zwischen Fachkonzepten zu Internetworking werden untersucht und durch Wissensstrukturen zur Planung von Unterrichtsprojekten eingesetzt und in der Praxis erprobt. Die Beschreibung von Lernaktivitäten erfolgt auf der Basis von Aufgabenklassen, die das notwendige Wissen zur Bearbeitung einer Aufgabenstellung repräsentieren. Auf der Grundlage des Ablaufs der Aufgabenbearbeitung werden Eigenschaften von Aufgaben beschrieben und zu deren Gestaltung nutzbar gemacht. Bisher nicht durchführbare Tätigkeiten im Unterricht werden durch die Entwicklung der Lernsoftware Filius ermöglicht. Die Reduktion der komplexen Wirklichkeit durch Simulation realer internetbasierter Informatiksysteme und die Auswahl geeigneter Sichten auf den Untersuchungsgegenstand werden mit Ergebnissen der Informatikdidaktik begründet. Unterrichtsprojekte zu den Zielen werden durchgeführt, um Lehr-Lernprozesse zu erkunden und das entwickelte Didaktische System zu erproben. Ausgehend von der theoretischen Fundierung erfolgt die praktische Realisierung von Lehr-Lernprozessen. Zur Erprobung im Informatikunterricht der Sekundarstufe II in Nordrhein-Westfalen werden Minimalziele aufgrund der Lehrvorgaben bestimmt. Die methodische Gestaltung in der Erprobung erfolgt unter Berücksichtigung der Vorgaben für den Informatikunterricht und allgemeinen Anforderungen der Fachdidaktik. Handlungsorientierte Unterrichtsmittel werden ausgewählt und in der Praxis zur Untersuchung der Lehr-Lernprozesse verwendet. Im Unterricht identifizierte Lernschwierigkeiten führen zur Modifikation der Wissensstrukturen und werden im Entwicklungsprozess von Filius berücksichtigt. Die Erkenntnisse aus Unterrichtsprojekten werden genutzt, um zu bestimmen, zu welchen Aufgabenklassen weitere Aufgaben erforderlich sind und inwieweit das aus den identifizierten Merkmalen abgeleitete Vorgehen zur Entwicklung niveaubestimmender Aufgaben genutzt werden kann. Die Erprobungen bestätigen die Tragfähigkeit des Didaktischen Systems Internetworking und leisten mit der Implementierung in der Praxis einen Beitrag zur Untersuchung von Kompetenzentwicklung im Informatikunterricht. Mit dem Didaktischen System Internetworking wird ein theoretisch fundiertes und empirisch erprobtes Unterrichtsmodell zur Entwicklung von Kompetenzen zur Einrichtung und Anwendung internetbasierter Informatiksysteme beschrieben.
N2 - Internet-based informatics systems increasingly influence real-life situations. Competencies for Internet applications and services have to be explicitly attained because not observable processes and invisible structures have to be considered. There are examples of successful learning processes for selected parts of the Internet. A systematic analysis of educational requirements and a derived didactic concept for general education is missing. An overall didactic concept for informatics in secondary education is presented in this work, which contributes to goal-oriented and responsible application of the Internet. This work comprises the process from analysis of necessary competencies to realisation of learning processes in classes in secondary education. The contribution of informatics to identified competencies is examined and educational requirements are determined. Recommendations for informatics education and research results of successfully introduced classes are analysed with regard to the learning objectives. Informatics courses support the development of competencies related to Internet-based digital media. The development of a didactic concept concerning Internetworking is described. The approach of Didactic Systems is examined, elaborated, and transferred to Internetworking. The theory-based approach is realised in practice during four classroom projects. Relations between concepts about Internetworking are analysed, applied to plan classroom projects, and evaluated by means of knowledge networks. Learning activities are described on the basis of exercise classes, which represent the necessary knowledge to solve an exercise. Properties of exercises are described and utilised. Learning activities that were not realizable up to this point are facilitated by the developed learning software Filius. The reduction of complexity of real informatics systems by simulation and the selection of appropriate views of the object of examination are based on results of didactics of informatics. Classroom projects are performed to explore learning processes and to evaluate the Didactic System Internetworking. Learning processes are put into practice based on the theoretic approach. Minimal objectives for the classroom projects are determined from educational guidelines of informatics in secondary education at North Rhine-Westfalia. The methodical design of the learning processes is based on the guidelines and general requirements of didactics of informatics. Activity-oriented learning material is selected and introduced into practice to examine learning processes. Identified learning difficulties result in modification of the knowledge structures and are considered during the development of Filius. Further findings allow conclusions regarding the necessity of exercises of identified exercise classes and regarding the applicability of determined exercise properties to design assignments to define the outcome of learning processes. The classroom projects confirm the viability of the Didactic System Internetworking and contribute to further analysis of the development of competencies in informatics education. The Didactic System Internetworking provides a theory-based empirically approved didactic concept for the development of competencies to establish and to use Internet-based informatics systems.
T3 - Commentarii informaticae didacticae (CID) - 3
Y1 - 2009
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41851
SN - 978-3-86956-058-8
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
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
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 - 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 - 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
ER -
TY - THES
A1 - Lunemann, Carolin
T1 - Quantum cryptography : security analysis of multiuser quantum communication with embedded authentication
N2 - Three quantum cryptographic protocols of multiuser quantum networks with embedded authentication, allowing quantum key distribution or quantum direct communication, are discussed in this work. The security of the protocols against different types of attacks is analysed with a focus on various impersonation attacks and the man-in-the-middle attack. On the basis of the security analyses several improvements are suggested and implemented in order to adjust the investigated vulnerabilities. Furthermore, the impact of the eavesdropping test procedure on impersonation attacks is outlined. The framework of a general eavesdropping test is proposed to provide additional protection against security risks in impersonation attacks.
N2 - In der Diplomarbeit werden drei verschiedene quantenkryptographische Protokolle mit dem Schwerpunkt auf authentifizierten Quantennetzwerken analysiert. Die Sicherheit der Protokolle gegenüber verschiedenen Angriffen wird untersucht, wobei der Fokus auf kompletten Personifikationsattacken („impersonation attacks“) liegt. Auf Basis der Sicherheitsanalyse und den Netzwerkanforderungen werden entsprechende Verbesserungen vorgeschlagen. Um die Gefahr von Personifikationen realistisch abschätzen zu können, wird außerdem der Einfluss des Testablaufs analysiert. Um zusätzlichen Schutz gegen Personifikationsattacken zu gewährleisten, werden die Rahmenbedingungen für eine allgemeine Testspezifikation festgelegt.
KW - Kryptographie
KW - Quantenkryptographie
KW - Authentifizierung
KW - Netzwerk
KW - cryptography
KW - quantum cryptography
KW - authentication
KW - multiuser
KW - network
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12756
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
ER -
TY - THES
A1 - Robinson-Mallett, Christopher
T1 - Modellbasierte Modulprüfung für die Entwicklung technischer, softwareintensiver Systeme mit Real-Time Object-Oriented Modeling
T1 - Model-based unit-testing for software-intensive, technical systems using real-time object-oriented modeling
N2 - Mit zunehmender Komplexität technischer Softwaresysteme ist die Nachfrage an produktiveren Methoden und Werkzeugen auch im sicherheitskritischen Umfeld gewachsen. Da insbesondere objektorientierte und modellbasierte Ansätze und Methoden ausgezeichnete Eigenschaften zur Entwicklung großer und komplexer Systeme besitzen, ist zu erwarten, dass diese in naher Zukunft selbst bis in sicherheitskritische Bereiche der Softwareentwicklung vordringen. Mit der Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) wird eine Softwareentwicklungsmethode für technische Systeme durch die Object Management Group (OMG) propagiert. Für den praktischen Einsatz im technischen und sicherheitskritischen Umfeld muss diese Methode nicht nur bestimmte technische Eigenschaften, beispielsweise temporale Analysierbarkeit, besitzen, sondern auch in einen bestehenden Qualitätssicherungsprozess integrierbar sein. Ein wichtiger Aspekt der Integration der UML-RT in ein qualitätsorientiertes Prozessmodell, beispielsweise in das V-Modell, ist die Verfügbarkeit von ausgereiften Konzepten und Methoden für einen systematischen Modultest. Der Modultest dient als erste Qualititätssicherungsphase nach der Implementierung der Fehlerfindung und dem Qualitätsnachweis für jede separat prüfbare Softwarekomponente eines Systems. Während dieser Phase stellt die Durchführung von systematischen Tests die wichtigste Qualitätssicherungsmaßnahme dar. Während zum jetzigen Zeitpunkt zwar ausgereifte Methoden und Werkzeuge für die modellbasierte Softwareentwicklung zur Verfügung stehen, existieren nur wenig überzeugende Lösungen für eine systematische modellbasierte Modulprüfung. Die durchgängige Verwendung ausführbarer Modelle und Codegenerierung stellen wesentliche Konzepte der modellbasierten Softwareentwicklung dar. Sie dienen der konstruktiven Fehlerreduktion durch Automatisierung ansonsten fehlerträchtiger, manueller Vorgänge. Im Rahmen einer modellbasierten Qualitätssicherung sollten diese Konzepte konsequenterweise in die späteren Qualitätssicherungsphasen transportiert werden. Daher ist eine wesentliche Forderung an ein Verfahren zur modellbasierten Modulprüfung ein möglichst hoher Grad an Automatisierung. In aktuellen Entwicklungen hat sich für die Generierung von Testfällen auf Basis von Zustandsautomaten die Verwendung von Model Checking als effiziente und an die vielfältigsten Testprobleme anpassbare Methode bewährt. Der Ansatz des Model Checking stammt ursprünglich aus dem Entwurf von Kommunikationsprotokollen und wurde bereits erfolgreich auf verschiedene Probleme der Modellierung technischer Software angewendet. Insbesondere in der Gegenwart ausführbarer, automatenbasierter Modelle erscheint die Verwendung von Model Checking sinnvoll, das die Existenz einer formalen, zustandsbasierten Spezifikation voraussetzt. Ein ausführbares, zustandsbasiertes Modell erfüllt diese Anforderungen in der Regel. Aus diesen Gründen ist die Wahl eines Model Checking Ansatzes für die Generierung von Testfällen im Rahmen eines modellbasierten Modultestverfahrens eine logische Konsequenz. Obwohl in der aktuellen Spezifikation der UML-RT keine eindeutigen Aussagen über den zur Verhaltensbeschreibung zu verwendenden Formalismus gemacht werden, ist es wahrscheinlich, dass es sich bei der UML-RT um eine zu Real-Time Object-Oriented Modeling (ROOM) kompatible Methode handelt. Alle in dieser Arbeit präsentierten Methoden und Ergebnisse sind somit auf die kommende UML-RT übertragbar und von sehr aktueller Bedeutung. Aus den genannten Gründen verfolgt diese Arbeit das Ziel, die analytische Qualitätssicherung in der modellbasierten Softwareentwicklung mittels einer modellbasierten Methode für den Modultest zu verbessern. Zu diesem Zweck wird eine neuartige Testmethode präsentiert, die auf automatenbasierten Verhaltensmodellen und CTL Model Checking basiert. Die Testfallgenerierung kann weitgehend automatisch erfolgen, um Fehler durch menschlichen Einfluss auszuschließen. Das entwickelte Modultestverfahren ist in die technischen Konzepte Model Driven Architecture und ROOM, beziehungsweise UML-RT, sowie in die organisatorischen Konzepte eines qualitätsorientierten Prozessmodells, beispielsweise das V-Modell, integrierbar.
N2 - In consequence to the increasing complexity of technical software-systems the demand on highly productive methods and tools is increasing even in the field of safety-critical systems. In particular, object-oriented and model-based approaches to software-development provide excellent abilities to develop large and highly complex systems. Therefore, it can be expected that in the near future these methods will find application even in the safety-critical area. The Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) is a software-development methods for technical systems, which is propagated by the Object Management Group (OMG). For the practical application of this method in the field of technical and safety-critical systems it has to provide certain technical qualities, e.g. applicability of temporal analyses. Furthermore, it needs to be integrated into the existing quality assurance process. An important aspect of the integration of UML-RT in an quality-oriented process model, e.g. the V-Model, represents the availability of sophisticated concepts and methods for systematic unit-testing. Unit-testing is the first quality assurance phase after implementation to reveal faults and to approve the quality of each independently testable software component. During this phase the systematic execution of test-cases is the most important quality assurance task. Despite the fact, that today many sophisticated, commercial methods and tools for model-based software-development are available, no convincing solutions exist for systematic model-based unit-testing. The use of executable models and automatic code generation are important concepts of model-based software development, which enable the constructive reduction of faults through automation of error-prone tasks. Consequently, these concepts should be transferred into the testing phases by a model-based quality assurance approach. Therefore, a major requirement of a model-based unit-testing method is a high degree of automation. In the best case, this should result in fully automatic test-case generation. Model checking already has been approved an efficient and flexible method for the automated generation of test-cases from specifications in the form of finite state-machines. The model checking approach has been developed for the verification of communication protocols and it was applied successfully to a wide range of problems in the field of technical software modelling. The application of model checking demands a formal, state-based representation of the system. Therefore, the use of model checking for the generation of test-cases is a beneficial approach to improve the quality in a model-based software development with executable, state-based models. Although, in its current state the specification of UML-RT provides only little information on the semantics of the formalism that has to be used to specify a component’s behaviour, it can be assumed that it will be compatible to Real-Time Object-Oriented Modeling. Therefore, all presented methods and results in this dissertation are transferable to UML-RT. For these reasons, this dissertations aims at the improvement of the analytical quality assurance in a model-based software development process. To achieve this goal, a new model-based approach to automated unit-testing on the basis of state-based behavioural models and CTL Model Checking is presented. The presented method for test-case generation can be automated to avoid faults due to error-prone human activities. Furthermore it can be integrated into the technical concepts of the Model Driven Architecture and ROOM, respectively UML-RT, and into a quality-oriented process model, like the V-Model.
KW - Software
KW - Test
KW - Model Checking
KW - Model Based Engineering
KW - Software
KW - Test
KW - Modellbasiert
KW - Entwurf
KW - software
KW - test
KW - model-based
KW - design
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6045
ER -
TY - THES
A1 - Ohme, Sebastian
T1 - Konzeption von Dokumentenservern für Digitale Bibliotheken im Hinblick auf Langzeitarchivierung und Retrieval
N2 - Entwickelt wird ein Dokument Management System zur elektronischen, Client-Server-basierten Publikation und Langzeitarchivierung von Hochschulschriften für die Universitätsbibliothek Potsdam. Der zu konzipierende Dokumentenserver muss den bibliothekarischen Anforderungen im Hinblick auf die Sicherung von Authentizität und Integrität des Servers und der einzelnen Textdokumente entsprechen. Eine Analyse der Eignung verbreiteter Dateiformate zur dauerhaften Speicherung unter Berücksichtigung von Verfügbarkeit, Strukturierbarkeit, Konvertierbarkeit und Austauschbarkeit sowie Recherchierbarkeit erbringt eine langfristig anzustrebende Präferenz für XML als Archivierungs- und Rechercheformat sowie PDF und/oder HTML als Präsentationsformate. Die Formalerfassung erfolgt über die Anreicherung des Dokumentes mit Metadaten nach dem DC qualified Standard, die in einer Datenbank strukturiert abgelegt sind. Der dauerhafte Zugang zur Publikation kann durch Verwendung einer zitierfähigen URN (Persistent Identifier) gesichert werden. Bestehende Archivierungssysteme werden untersucht und auf Vereinbarkeit mit den lokalen Bedürfnissen geprüft. Ein Workflow für die Anlieferung von Dokument und beschreibenden Metadaten durch den Autor und die weitere Bearbeitung durch die Bibliothek wird erarbeitet und die technische Umsetzung mittels Perl, HTML, XML und einer MS Access Datenbank beschrieben. Der Dokumentenserver ermöglicht performantes Retrieval und ist als Dataprovider mit einer OAI-Schnittstelle für den weltweiten, standardisierten Datenaustausch ausgestattet. Das System kann in wissenschaftlichen Informationseinrichtungen als Internet- oder Intranet-Repositorium eingesetzt werden. (Fremdreferat)
KW - Elektronisches Publizieren
KW - Langzeitarchivierung
KW - Digitalisierung
KW - Dateiformat
KW - Information Retrieval
KW - Dokument-Management-System
KW - OAI-PMH
KW - Dublin Core
KW - Publikationsserver
KW - Access Datenbank
KW - Perl Formularskript
KW - Digitale Bibliothek
Y1 - 2003
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5880
ER -
TY - THES
A1 - Ziehe, Andreas
T1 - Blind source separation based on joint diagonalization of matrices with applications in biomedical signal processing
T1 - Blinde Signalquellentrennung beruhend auf simultaner Diagonalisierung von Matrizen mit Anwendungen in der biomedizinischen Signalverarbeitung
T1 - Blinde Signalquellentrennung beruhend auf simultaner Diagonalisierung von Matrizen mit Anwendungen in der biomedizinischen Signalverarbeitung
N2 - This thesis is concerned with the solution of the blind source separation problem (BSS). The BSS problem occurs frequently in various scientific and technical applications. In essence, it consists in separating meaningful underlying components out of a mixture of a multitude of superimposed signals. In the recent research literature there are two related approaches to the BSS problem: The first is known as Independent Component Analysis (ICA), where the goal is to transform the data such that the components become as independent as possible. The second is based on the notion of diagonality of certain characteristic matrices derived from the data. Here the goal is to transform the matrices such that they become as diagonal as possible. In this thesis we study the latter method of approximate joint diagonalization (AJD) to achieve a solution of the BSS problem. After an introduction to the general setting, the thesis provides an overview on particular choices for the set of target matrices that can be used for BSS by joint diagonalization. As the main contribution of the thesis, new algorithms for approximate joint diagonalization of several matrices with non-orthogonal transformations are developed. These newly developed algorithms will be tested on synthetic benchmark datasets and compared to other previous diagonalization algorithms. Applications of the BSS methods to biomedical signal processing are discussed and exemplified with real-life data sets of multi-channel biomagnetic recordings.
N2 - Diese Arbeit befasst sich mit der Lösung des Problems der blinden Signalquellentrennung (BSS). Das BSS Problem tritt häufig in vielen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen auf. Im Kern besteht das Problem darin, aus einem Gemisch von überlagerten Signalen die zugrundeliegenden Quellsignale zu extrahieren. In wissenschaftlichen Publikationen zu diesem Thema werden hauptsächlich zwei Lösungsansätze verfolgt: Ein Ansatz ist die sogenannte "Analyse der unabhängigen Komponenten", die zum Ziel hat, eine lineare Transformation V der Daten X zu finden, sodass die Komponenten Un der transformierten Daten U = V X (die sogenannten "independent components") so unabhängig wie möglich sind. Ein anderer Ansatz beruht auf einer simultanen Diagonalisierung mehrerer spezieller Matrizen, die aus den Daten gebildet werden. Diese Möglichkeit der Lösung des Problems der blinden Signalquellentrennung bildet den Schwerpunkt dieser Arbeit. Als Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit präsentieren wir neue Algorithmen zur simultanen Diagonalisierung mehrerer Matrizen mit Hilfe einer nicht-orthogonalen Transformation. Die neu entwickelten Algorithmen werden anhand von numerischen Simulationen getestet und mit bereits bestehenden Diagonalisierungsalgorithmen verglichen. Es zeigt sich, dass unser neues Verfahren sehr effizient und leistungsfähig ist. Schließlich werden Anwendungen der BSS Methoden auf Probleme der biomedizinischen Signalverarbeitung erläutert und anhand von realistischen biomagnetischen Messdaten wird die Nützlichkeit in der explorativen Datenanalyse unter Beweis gestellt.
KW - Signaltrennung
KW - Mischung
KW - Diagonalisierung
KW - Bioelektrisches Signal
KW - Magnetoencephalographie
KW - Elektroencephalographie
KW - Signalquellentrennung
KW - Matrizen-Eigenwertaufgabe
KW - Simultane Diagonalisierung
KW - Optimierungsproblem
KW - blind source separation
KW - BSS
KW - ICA
KW - independent component analysis
KW - approximate joint diagonalization
KW - EEG
KW - MEG
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5694
ER -
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
ER -
TY - THES
A1 - Bärmann, Daniel
T1 - Aufzählen von DNA-Codes
T1 - Enumeration of DNA codes
N2 - In dieser Arbeit wird ein Modell zum Aufzählen von DNA-Codes entwickelt. Indem eine Ordnung auf der Menge aller DNA-Codewörter eingeführt und auf die Menge aller Codes erweitert wird, erlaubt das Modell das Auffinden von DNA-Codes mit bestimmten Eigenschaften, wie Überlappungsfreiheit, Konformität, Kommafreiheit, Stickyfreiheit, Überhangfreiheit, Teilwortkonformität und anderer bezüglich einer gegebenen Involution auf der Menge der Codewörter. Ein auf Grundlage des geschaffenen Modells entstandenes Werkzeug erlaubt das Suchen von Codes mit beliebigen Kombinationen von Codeeigenschaften. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der Optimalität von DNA-Codes bezüglich ihrer Informationsrate sowie das Finden solider DNA-Codes.
N2 - In this work a model for enumerating DNA codes is developed. By applying an order on the set of DNA codewords and extending this order on the set of codes, this model assists in the discovery of DNA codes with properties like non-overlappingness, compliance, comma-freeness, sticky-freeness, overhang-freeness, subword-compliance, solidness and others with respect to a given involution on the set of codewords. This tool can be used to find codes with arbitrary combinations of code properties with respect to the standard Watson-Crick-DNA involution. The work also investigates DNA codes with respect to the optimizing of the information rate, as well as finding solid DNA codes.
KW - DNS
KW - Code
KW - Codierung
KW - Aufzählung
KW - Suche
KW - Biocomputing
KW - DNA
KW - code
KW - enumeration
KW - search
KW - bio-computing
KW - DNA computing
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10264
ER -
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
ER -
TY - THES
A1 - Semmo, Amir
T1 - Design and implementation of non-photorealistic rendering techniques for 3D geospatial data
T1 - Design und Implementierung von nichtfotorealistischen Rendering-Techniken für 3D-Geodaten
N2 - Geospatial data has become a natural part of a growing number of information systems and services in the economy, society, and people's personal lives. In particular, virtual 3D city and landscape models constitute valuable information sources within a wide variety of applications such as urban planning, navigation, tourist information, and disaster management. Today, these models are often visualized in detail to provide realistic imagery. However, a photorealistic rendering does not automatically lead to high image quality, with respect to an effective information transfer, which requires important or prioritized information to be interactively highlighted in a context-dependent manner.
Approaches in non-photorealistic renderings particularly consider a user's task and camera perspective when attempting optimal expression, recognition, and communication of important or prioritized information. However, the design and implementation of non-photorealistic rendering techniques for 3D geospatial data pose a number of challenges, especially when inherently complex geometry, appearance, and thematic data must be processed interactively. Hence, a promising technical foundation is established by the programmable and parallel computing architecture of graphics processing units.
This thesis proposes non-photorealistic rendering techniques that enable both the computation and selection of the abstraction level of 3D geospatial model contents according to user interaction and dynamically changing thematic information. To achieve this goal, the techniques integrate with hardware-accelerated rendering pipelines using shader technologies of graphics processing units for real-time image synthesis. The techniques employ principles of artistic rendering, cartographic generalization, and 3D semiotics—unlike photorealistic rendering—to synthesize illustrative renditions of geospatial feature type entities such as water surfaces, buildings, and infrastructure networks. In addition, this thesis contributes a generic system that enables to integrate different graphic styles—photorealistic and non-photorealistic—and provide their seamless transition according to user tasks, camera view, and image resolution.
Evaluations of the proposed techniques have demonstrated their significance to the field of geospatial information visualization including topics such as spatial perception, cognition, and mapping. In addition, the applications in illustrative and focus+context visualization have reflected their potential impact on optimizing the information transfer regarding factors such as cognitive load, integration of non-realistic information, visualization of uncertainty, and visualization on small displays.
N2 - Geodaten haben sich zu einem natürlichen Bestandteil in einer steigenden Zahl von Informationssystemen und -diensten in der Wirtschaft, Gesellschaft und im Privatleben entwickelt. Virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle stellen hierbei insbesondere wertvolle Informationsquellen in einer Vielzahl von Anwendungen dar, wie z. B. in der Stadtplanung, Navigation, Touristeninformation und im Katastrophenschutz. Heutzutage werden diese Modelle oftmals detailliert dargestellt, um ein möglichst realistisches Bild zu vermitteln. Jedoch führt eine fotorealistische Darstellung, hinsichtlich einem effektiven Informationstransfer zum Betrachter, nicht zwangsläufig zu einer hohen Bildqualität, welche eine interaktive und kontextsensitive Hervorhebung von wichtigen oder priorisierten Informationen erfordert.
Ansätze in der nichtfotorealistischen Bildsynthese berücksichtigen insbesondere die Aufgabe eines Nutzers und Kameraperspektive, um Aspekte der Expressivität, Wahrnehmung und Kommunikation von wichtigen oder priorisierten Informationen zu optimieren. Das Design und die Umsetzung von Techniken der nichtfotorealistischen Bildsynthese für 3D-Geodaten sind jedoch mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert, besonders dann, wenn die Geometrie, das Erscheinungsbild und thematische Daten interaktiv verarbeitet werden müssen. Infolgedessen stellt die programmierbare Architektur und parallelisierte Datenverarbeitung von Grafik-prozessoren eine vielversprechende technische Grundlage zur Verfügung.
Diese Arbeit präsentiert Techniken der nichtfotorealistischen Bildsynthese, die den Abstraktionsgrad von Inhalten raumbezogener 3D-Modelle, entsprechend der Nutzerinteraktion und dynamisch-veränderbaren thematischen Informationen, berechnet und auswählt. Hierzu sind die vorgestellten Techniken in die hardwarebeschleunigte Rendering-Pipeline integriert, unter Verwendung der Shader-Technologie von Grafikprozessoren, um eine Echtzeit-Bildsynthese zu gewährleisten. Dabei werden Prinzipien der künstlerischen Darstellung, Aspekte der kartographischen Generalisierung sowie 3D Semiotik verwendet—im Gegensatz zur fotorealistischen Bildsynthese—um illustrative Darstellungen von raumbezogenen Feature-Typ-Entitäten zu synthetisieren, z. B. von Wasserflächen, Gebäuden und Infrastrukturnetzen. Darüber hinaus stellt diese Arbeit ein generisches System vor, welches die Integration verschiedener Grafikstile—fotorealistisch und nichtfotorealistisch—und ihren nahtlosen Übergang, entsprechend von Nutzeraufgaben, Kameraansichten und Bildauflösungen, ermöglicht.
Evaluierungen der in dieser Arbeit vorgestellten Techniken haben ihre Bedeutung im Bereich der Informationsvisualisierung von raumbezogenen Daten aufgezeigt, einschließlich Themengebiete der räumlichen Wahrnehmung, Kognition und Kartierung. Darüber hinaus haben Anwendungen im Bereich der illustrativen Visualisierung und Fokus-&-Kontext Visualisierung den potentiellen Einfluss dieser Techniken, in Bezug auf die Optimierung des Informationstransfers zum Nutzer, demonstriert, z. B. hinsichtlich der kognitiven Last, der Integration nichtrealistischer Informationen, der Visualisierung von Unsicherheiten und der Visualisierung auf kleinen Bildschirmen.
KW - non-photorealistic rendering
KW - geospatial data
KW - 3D visualization
KW - GPU
KW - image processing
KW - stylization
KW - 3D semiotics
KW - cartographic design
KW - Nichtfotorealistische Bildsynthese
KW - Geodaten
KW - 3D Visualisierung
KW - GPU
KW - Bildverarbeitung
KW - Stilisierung
KW - 3D Semiotik
KW - Kartografisches Design
Y1 - 2016
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99525
ER -
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
ER -
TY - THES
A1 - Prohaska, Steffen
T1 - Skeleton-based visualization of massive voxel objects with network-like architecture
T1 - Skelettbasierte Visualisierung großer Voxel-Objekte mit netzwerkartiger Architektur
N2 - This work introduces novel internal and external memory algorithms for computing voxel skeletons of massive voxel objects with complex network-like architecture and for converting these voxel skeletons to piecewise linear geometry, that is triangle meshes and piecewise straight lines. The presented techniques help to tackle the challenge of visualizing and analyzing 3d images of increasing size and complexity, which are becoming more and more important in, for example, biological and medical research. Section 2.3.1 contributes to the theoretical foundations of thinning algorithms with a discussion of homotopic thinning in the grid cell model. The grid cell model explicitly represents a cell complex built of faces, edges, and vertices shared between voxels. A characterization of pairs of cells to be deleted is much simpler than characterizations of simple voxels were before. The grid cell model resolves topologically unclear voxel configurations at junctions and locked voxel configurations causing, for example, interior voxels in sets of non-simple voxels. A general conclusion is that the grid cell model is superior to indecomposable voxels for algorithms that need detailed control of topology. Section 2.3.2 introduces a noise-insensitive measure based on the geodesic distance along the boundary to compute two-dimensional skeletons. The measure is able to retain thin object structures if they are geometrically important while ignoring noise on the object's boundary. This combination of properties is not known of other measures. The measure is also used to guide erosion in a thinning process from the boundary towards lines centered within plate-like structures. Geodesic distance based quantities seem to be well suited to robustly identify one- and two-dimensional skeletons. Chapter 6 applies the method to visualization of bone micro-architecture. Chapter 3 describes a novel geometry generation scheme for representing voxel skeletons, which retracts voxel skeletons to piecewise linear geometry per dual cube. The generated triangle meshes and graphs provide a link to geometry processing and efficient rendering of voxel skeletons. The scheme creates non-closed surfaces with boundaries, which contain fewer triangles than a representation of voxel skeletons using closed surfaces like small cubes or iso-surfaces. A conclusion is that thinking specifically about voxel skeleton configurations instead of generic voxel configurations helps to deal with the topological implications. The geometry generation is one foundation of the applications presented in Chapter 6. Chapter 5 presents a novel external memory algorithm for distance ordered homotopic thinning. The presented method extends known algorithms for computing chamfer distance transformations and thinning to execute I/O-efficiently when input is larger than the available main memory. The applied block-wise decomposition schemes are quite simple. Yet it was necessary to carefully analyze effects of block boundaries to devise globally correct external memory variants of known algorithms. In general, doing so is superior to naive block-wise processing ignoring boundary effects. Chapter 6 applies the algorithms in a novel method based on confocal microscopy for quantitative study of micro-vascular networks in the field of microcirculation.
N2 - Die vorliegende Arbeit führt I/O-effiziente Algorithmen und Standard-Algorithmen zur Berechnung von Voxel-Skeletten aus großen Voxel-Objekten mit komplexer, netzwerkartiger Struktur und zur Umwandlung solcher Voxel-Skelette in stückweise-lineare Geometrie ein. Die vorgestellten Techniken werden zur Visualisierung und Analyse komplexer drei-dimensionaler Bilddaten, beispielsweise aus Biologie und Medizin, eingesetzt. Abschnitt 2.3.1 leistet mit der Diskussion von topologischem Thinning im Grid-Cell-Modell einen Beitrag zu den theoretischen Grundlagen von Thinning-Algorithmen. Im Grid-Cell-Modell wird ein Voxel-Objekt als Zellkomplex dargestellt, der aus den Ecken, Kanten, Flächen und den eingeschlossenen Volumina der Voxel gebildet wird. Topologisch unklare Situationen an Verzweigungen und blockierte Voxel-Kombinationen werden aufgelöst. Die Charakterisierung von Zellpaaren, die im Thinning-Prozess entfernt werden dürfen, ist einfacher als bekannte Charakterisierungen von so genannten "Simple Voxels". Eine wesentliche Schlussfolgerung ist, dass das Grid-Cell-Modell atomaren Voxeln überlegen ist, wenn Algorithmen detaillierte Kontrolle über Topologie benötigen. Abschnitt 2.3.2 präsentiert ein rauschunempfindliches Maß, das den geodätischen Abstand entlang der Oberfläche verwendet, um zweidimensionale Skelette zu berechnen, welche dünne, aber geometrisch bedeutsame, Strukturen des Objekts rauschunempfindlich abbilden. Das Maß wird im weiteren mit Thinning kombiniert, um die Erosion von Voxeln auf Linien zuzusteuern, die zentriert in plattenförmigen Strukturen liegen. Maße, die auf dem geodätischen Abstand aufbauen, scheinen sehr geeignet zu sein, um ein- und zwei-dimensionale Skelette bei vorhandenem Rauschen zu identifizieren. Eine theoretische Begründung für diese Beobachtung steht noch aus. In Abschnitt 6 werden die diskutierten Methoden zur Visualisierung von Knochenfeinstruktur eingesetzt. Abschnitt 3 beschreibt eine Methode, um Voxel-Skelette durch kontrollierte Retraktion in eine stückweise-lineare geometrische Darstellung umzuwandeln, die als Eingabe für Geometrieverarbeitung und effizientes Rendering von Voxel-Skeletten dient. Es zeigt sich, dass eine detaillierte Betrachtung der topologischen Eigenschaften eines Voxel-Skeletts einer Betrachtung von allgemeinen Voxel-Konfigurationen für die Umwandlung zu einer geometrischen Darstellung überlegen ist. Die diskutierte Methode bildet die Grundlage für die Anwendungen, die in Abschnitt 6 diskutiert werden. Abschnitt 5 führt einen I/O-effizienten Algorithmus für Thinning ein. Die vorgestellte Methode erweitert bekannte Algorithmen zur Berechung von Chamfer-Distanztransformationen und Thinning so, dass diese effizient ausführbar sind, wenn die Eingabedaten den verfügbaren Hauptspeicher übersteigen. Der Einfluss der Blockgrenzen auf die Algorithmen wurde analysiert, um global korrekte Ergebnisse sicherzustellen. Eine detaillierte Analyse ist einer naiven Zerlegung, die die Einflüsse von Blockgrenzen vernachlässigt, überlegen. In Abschnitt 6 wird, aufbauend auf den I/O-effizienten Algorithmen, ein Verfahren zur quantitativen Analyse von Mikrogefäßnetzwerken diskutiert.
KW - Visualisierung
KW - Bilddatenanalyse
KW - Skelettberechnung
KW - Geometrieerzeugung
KW - I/O-effiziente Algorithmen
KW - visualization
KW - image data analysis
KW - skeletonization
KW - geometry generation
KW - external memory algorithms
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14888
ER -
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
ER -
TY - GEN
A1 - Afantenos, Stergos
A1 - Peldszus, Andreas
A1 - Stede, Manfred
T1 - Comparing decoding mechanisms for parsing argumentative structures
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - Parsing of argumentative structures has become a very active line of research in recent years. Like discourse parsing or any other natural language task that requires prediction of linguistic structures, most approaches choose to learn a local model and then perform global decoding over the local probability distributions, often imposing constraints that are specific to the task at hand. Specifically for argumentation parsing, two decoding approaches have been recently proposed: Minimum Spanning Trees (MST) and Integer Linear Programming (ILP), following similar trends in discourse parsing. In contrast to discourse parsing though, where trees are not always used as underlying annotation schemes, argumentation structures so far have always been represented with trees. Using the 'argumentative microtext corpus' [in: Argumentation and Reasoned Action: Proceedings of the 1st European Conference on Argumentation, Lisbon 2015 / Vol. 2, College Publications, London, 2016, pp. 801-815] as underlying data and replicating three different decoding mechanisms, in this paper we propose a novel ILP decoder and an extension to our earlier MST work, and then thoroughly compare the approaches. The result is that our new decoder outperforms related work in important respects, and that in general, ILP and MST yield very similar performance.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1062
KW - argumentation structure
KW - argument mining
KW - parsing
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470527
SN - 1866-8372
IS - 1062
ER -
TY - GEN
A1 - Strickroth, Sven
T1 - PLATON
BT - Developing a Graphical Lesson Planning System for Prospective Teachers
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - Lesson planning is both an important and demanding task—especially as part of teacher training. This paper presents the requirements for a lesson planning system and evaluates existing systems regarding these requirements. One major drawback of existing software tools is that most are limited to a text- or form-based representation of the lesson designs. In this article, a new approach with a graphical, time-based representation with (automatic) analyses methods is proposed and the system architecture and domain model are described in detail. The approach is implemented in an interactive, web-based prototype called PLATON, which additionally supports the management of lessons in units as well as the modelling of teacher and student-generated resources. The prototype was evaluated in a study with 61 prospective teachers (bachelor’s and master’s preservice teachers as well as teacher trainees in post-university teacher training) in Berlin, Germany, with a focus on usability. The results show that this approach proofed usable for lesson planning and offers positive effects for the perception of time and self-reflection.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 804
KW - lesson planning
KW - lesson preparation
KW - support system
KW - automatic feedback
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441887
SN - 1866-8372
IS - 804
ER -
TY - VIDEO
A1 - Kujath, Bertold
T1 - Keine Angst vor Informatikproblemen
BT - Hochleistern über die Schulter geschaut
N2 - Dieses Lehrvideo zeigt aus der Perspektive einer Übertischkamera den fiktiven informatischen Hochleister Tom bei der Bearbeitung eines schwierigen Färbeproblems. Dabei kann man die fortlaufend von ihm angefertigten Skizzen beobachten und seine Gedankengänge genau verfolgen. Denn dieser Problemlöser arbeitet unter lautem Denken, d. h. er spricht alle seine Gedankengänge laut aus. Man kann zuschauen, wie Tom zunächst die Aufgabe analysiert und die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in der anschließenden Problembearbeitung gewinnbringend einsetzt. Der Zuschauer wird dabei aber nicht allein gelassen. An markanten Stellen wird das Video unterbrochen und Toms zurückliegende Aktivitäten mit animierten Bildsequenzen vertiefend erläutert. Schwache Problemlöser können so die in Unterricht oder Vorlesung vermittelten Kenntnisse über informatische Problemlösemethoden vertiefen und deren Anwendung durch einen starken Problemlöser beispielhaft miterleben. Entstanden ist dieses Video aus einer Vergleichsstudie mit starken und schwachen Problemlösern. Die effizienten Methoden der Hochleister wurden didaktisch aufgearbeitet und zu einem modellhaften Problemlöseprozess zusammengesetzt. Der wissenschaftliche Hintergrund des Lehrvideos wird durch eine als Bildergeschichte erzählte Rahmenhandlung verdeutlicht. Bei Erstsemesterstudenten der Informatik, denen dieses Video zur Bewertung vorgespielt wurde, fand dieses Konzept große Zustimmung. Tenor: Unterhaltsam und lehrreich zugleich.
KW - Graphfärbung
KW - Theoretische Informatik
KW - Problemlösen
Y1 - 2011
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-326380
SN - 978-3-86956-150-9
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -