TY  - THES
A1  - Gustafson, Sean
T1  - Imaginary Interfaces
T1  - Imaginäre Benutzerschnittstellen
N2  - The size of a mobile device is primarily determined by the size of the touchscreen. As such, researchers have found that the way to achieve ultimate mobility is to abandon the screen altogether. These wearable devices are operated using hand gestures, voice commands or a small number of physical buttons. By abandoning the screen these devices also abandon the currently dominant spatial interaction style (such as tapping on buttons), because, seemingly, there is nothing to tap on. Unfortunately this design prevents users from transferring their learned interaction knowledge gained from traditional touchscreen-based devices. In this dissertation, I present Imaginary Interfaces, which return spatial interaction to screenless mobile devices. With these interfaces, users point and draw in the empty space in front of them or on the palm of their hands. While they cannot see the results of their interaction, they obtain some visual and tactile feedback by watching and feeling their hands interact. After introducing the concept of Imaginary Interfaces, I present two hardware prototypes that showcase two different forms of interaction with an imaginary interface, each with its own advantages: mid-air imaginary interfaces can be large and expressive, while palm-based imaginary interfaces offer an abundance of tactile features that encourage learning. Given that imaginary interfaces offer no visual output, one of the key challenges is to enable users to discover the interface's layout. This dissertation offers three main solutions: offline learning with coordinates, browsing with audio feedback and learning by transfer. The latter I demonstrate with the Imaginary Phone, a palm-based imaginary interface that mimics the layout of a physical mobile phone that users are already familiar with. Although these designs enable interaction with Imaginary Interfaces, they tell us little about why this interaction is possible. In the final part of this dissertation, I present an exploration into which human perceptual abilities are used when interacting with a palm-based imaginary interface and how much each accounts for performance with the interface. These findings deepen our understanding of Imaginary Interfaces and suggest that palm-based Imaginary Interfaces can enable stand-alone eyes-free use for many applications, including interfaces for visually impaired users.
N2  - Die Größe mobiler Geräte ist vornehmlich bestimmt durch die Größe des Berührungsbildschirms. Forscher haben daher erkannt, dass der Weg zur äußersten Mobilität in der kompletten Aufgabe des Bildschirms liegt. Solche tragbaren Geräte werden durch Handgesten, Sprachbefehle oder eine kleine Anzahl physikalischer Tasten gesteuert. Mit der Aufgabe des Bildschirms geben diese Geräte allerdings auch den momentan weitverbreiteten Stil räumlicher Interaktion auf (zum Beispiel das Betätigen von Tasten), da scheinbar nichts existiert, das man betätigen kann. Leider verhindert diese Entwicklung, dass Benutzer Interaktionswissen, welches sie sich auf herkömmlichen berührungsempflindlichen Geräten angeeignet haben, anwenden können. In dieser Doktorarbeit stelle ich Imaginary Interfaces vor, imaginäre Benutzerschnittstellen, die räumliche Interaktionen auf bildschirmlosen mobilen Geräten ermöglichen. Diese Schnittstellen erlauben Benutzern, im leeren Raum vor ihnen oder auf ihren Handfläche zu zeigen und zu zeichnen. Zwar können Benutzer die Ergebnisse ihrer Interaktion nicht sehen, sie erhalten jedoch visuelle und taktile Rückmeldung dadurch, dass sie ihre Hände während der Interaktion beobachten und fühlen. Nach der Einführung des Imaginary Interfaces Konzepts stelle ich zwei Hardware-Prototypen vor, die zwei verschiedene Arten von Interaktionen mit Imaginary Interfaces demonstrieren, jeweils mit ihren eigenen Vorteilen: Imaginary Interfaces in der Luft können groß und ausdrucksstark sein, während Imaginary Interfaces basierend auf Handflächen eine Fülle von taktilen Merkmalen aufweisen, die das Erlernen unterstützen. Die fehlende visuelle Ausgabe führt zu einer der Hauptherausforderungen von Imaginary Interfaces, nämlich Benutzern zu ermöglichen, die Anordnung der Benutzerschnittstellen herauszufinden. Diese Doktorarbeit stellt drei Lösungen vor: vorheriges Lernen mit Koordinaten, Durchsuchen mit Tonrückmeldung und Lernen durch Transfer. Letztere demonstriere ich mit Imaginary Phone, einem Imaginary Interface basierend auf Handflächen, das die den Benutzern schon vertraute Anordnung eines physikalischen Mobiltelefons imitiert. Obwohl diese Lösungen die Interaktion mit Imaginary Interfaces ermöglichen, können sie keine Aussage darüber treffen, warum eine solche Interaktion möglich ist. Im letzten Teil dieser Doktorarbeit untersuche ich, welche menschlichen Wahrnehmungsfähigkeiten während der Interaktion mit Imaginary Interface basierend auf Handflächen genutzt werden und zu welchem Ausmaß jede dieser Wahrnehmungsfähigkeiten zur Effizienz bei der Benutzung beiträgt. Diese Ergebnisse vertiefen unser Verständnis von Imaginary Interfaces und legen nahe, dass Imaginary Interfaces basierend auf Handflächen die eigenständige und blickfreie Benutzung von vielen Anwendungen ermöglichen können, eingeschlossen Benutzerschnittstellen für sehbehinderte Benutzer.
KW  - interaction
KW  - interface
KW  - mobile
KW  - HCI
KW  - gesture
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68960
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TY  - THES
A1  - Abedjan, Ziawasch
T1  - Improving RDF data with data mining
T1  - Verbessern von RDF Daten durch Data-Mining
N2  - Linked Open Data (LOD) comprises very many and often large public data sets and knowledge bases. Those datasets are mostly presented in the RDF triple structure of subject, predicate, and object, where each triple represents a statement or fact. Unfortunately, the heterogeneity of available open data requires significant integration steps before it can be used in applications. Meta information, such as ontological definitions and exact range definitions of predicates, are desirable and ideally provided by an ontology. However in the context of LOD, ontologies are often incomplete or simply not available. Thus, it is useful to automatically generate meta information, such as ontological dependencies, range definitions, and topical classifications. Association rule mining, which was originally applied for sales analysis on transactional databases, is a promising and novel technique to explore such data. We designed an adaptation of this technique for min-ing Rdf data and introduce the concept of “mining configurations”, which allows us to mine RDF data sets in various ways. Different configurations enable us to identify schema and value dependencies that in combination result in interesting use cases. To this end, we present rule-based approaches for auto-completion, data enrichment, ontology improvement, and query relaxation. Auto-completion remedies the problem of inconsistent ontology usage, providing an editing user with a sorted list of commonly used predicates. A combination of different configurations step extends this approach to create completely new facts for a knowledge base. We present two approaches for fact generation, a user-based approach where a user selects the entity to be amended with new facts and a data-driven approach where an algorithm discovers entities that have to be amended with missing facts. As knowledge bases constantly grow and evolve, another approach to improve the usage of RDF data is to improve existing ontologies. Here, we present an association rule based approach to reconcile ontology and data. Interlacing different mining configurations, we infer an algorithm to discover synonymously used predicates. Those predicates can be used to expand query results and to support users during query formulation. We provide a wide range of experiments on real world datasets for each use case. The experiments and evaluations show the added value of association rule mining for the integration and usability of RDF data and confirm the appropriateness of our mining configuration methodology.
N2  - Linked Open Data (LOD) umfasst viele und oft sehr große öffentlichen Datensätze und Wissensbanken, die hauptsächlich in der RDF Triplestruktur bestehend aus Subjekt, Prädikat und Objekt vorkommen. Dabei repräsentiert jedes Triple einen Fakt. Unglücklicherweise erfordert die Heterogenität der verfügbaren öffentlichen Daten signifikante Integrationsschritte bevor die Daten in Anwendungen genutzt werden können. Meta-Daten wie ontologische Strukturen und Bereichsdefinitionen von Prädikaten sind zwar wünschenswert und idealerweise durch eine Wissensbank verfügbar. Jedoch sind Wissensbanken im Kontext von LOD oft unvollständig oder einfach nicht verfügbar. Deshalb ist es nützlich automatisch Meta-Informationen, wie ontologische Abhängigkeiten, Bereichs-und Domänendefinitionen und thematische Assoziationen von Ressourcen generieren zu können. Eine neue und vielversprechende Technik um solche Daten zu untersuchen basiert auf das entdecken von Assoziationsregeln, welche ursprünglich für Verkaufsanalysen in transaktionalen Datenbanken angewendet wurde. Wir haben eine Adaptierung dieser Technik auf RDF Daten entworfen und stellen das Konzept der Mining Konfigurationen vor, welches uns befähigt in RDF Daten auf unterschiedlichen Weisen Muster zu erkennen. Verschiedene Konfigurationen erlauben uns Schema- und Wertbeziehungen zu erkennen, die für interessante Anwendungen genutzt werden können. In dem Sinne, stellen wir assoziationsbasierte Verfahren für eine Prädikatvorschlagsverfahren, Datenvervollständigung, Ontologieverbesserung und Anfrageerleichterung vor. Das Vorschlagen von Prädikaten behandelt das Problem der inkonsistenten Verwendung von Ontologien, indem einem Benutzer, der einen neuen Fakt einem Rdf-Datensatz hinzufügen will, eine sortierte Liste von passenden Prädikaten vorgeschlagen wird. Eine Kombinierung von verschiedenen Konfigurationen erweitert dieses Verfahren sodass automatisch komplett neue Fakten für eine Wissensbank generiert werden. Hierbei stellen wir zwei Verfahren vor, einen nutzergesteuertenVerfahren, bei dem ein Nutzer die Entität aussucht die erweitert werden soll und einen datengesteuerten Ansatz, bei dem ein Algorithmus selbst die Entitäten aussucht, die mit fehlenden Fakten erweitert werden. Da Wissensbanken stetig wachsen und sich verändern, ist ein anderer Ansatz um die Verwendung von RDF Daten zu erleichtern die Verbesserung von Ontologien. Hierbei präsentieren wir ein Assoziationsregeln-basiertes Verfahren, der Daten und zugrundeliegende Ontologien zusammenführt. Durch die Verflechtung von unterschiedlichen Konfigurationen leiten wir einen neuen Algorithmus her, der gleichbedeutende Prädikate entdeckt. Diese Prädikate können benutzt werden um Ergebnisse einer Anfrage zu erweitern oder einen Nutzer während einer Anfrage zu unterstützen. Für jeden unserer vorgestellten Anwendungen präsentieren wir eine große Auswahl an Experimenten auf Realweltdatensätzen. Die Experimente und Evaluierungen zeigen den Mehrwert von Assoziationsregeln-Generierung für die Integration und Nutzbarkeit von RDF Daten und bestätigen die Angemessenheit unserer konfigurationsbasierten Methodologie um solche Regeln herzuleiten.
KW  - Assoziationsregeln
KW  - RDF
KW  - LOD
KW  - Mustererkennung
KW  - Synonyme
KW  - association rule mining
KW  - RDF
KW  - LOD
KW  - knowledge discovery
KW  - synonym discovery
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71334
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mueller, Stefanie
T1  - Interacting with personal fabrication devices
T1  - Interaktion mit Personal Fabrication Geräten
N2  - Personal fabrication tools, such as 3D printers, are on the way of enabling a future in which non-technical users will be able to create custom objects. However, while the hardware is there, the current interaction model behind existing design tools is not suitable for non-technical users. Today, 3D printers are operated by fabricating the object in one go, which tends to take overnight due to the slow 3D printing technology. Consequently, the current interaction model requires users to think carefully before printing as every mistake may imply another overnight print. Planning every step ahead, however, is not feasible for non-technical users as they lack the experience to reason about the consequences of their design decisions. 

In this dissertation, we propose changing the interaction model around personal fabrication tools to better serve this user group. We draw inspiration from personal computing and argue that the evolution of personal fabrication may resemble the evolution of personal computing: Computing started with machines that executed a program in one go before returning the result to the user. By decreasing the interaction unit to single requests, turn-taking systems such as the command line evolved, which provided users with feedback after every input. Finally, with the introduction of direct-manipulation interfaces, users continuously interacted with a program receiving feedback about every action in real-time. In this dissertation, we explore whether these interaction concepts can be applied to personal fabrication as well. 

We start with fabricating an object in one go and investigate how to tighten the feedback-cycle on an object-level: We contribute a method called low-fidelity fabrication, which saves up to 90% fabrication time by creating objects as fast low-fidelity previews, which are sufficient to evaluate key design aspects. Depending on what is currently being tested, we propose different conversions that enable users to focus on different parts: faBrickator allows for a modular design in the early stages of prototyping; when users move on WirePrint allows quickly testing an object's shape, while Platener allows testing an object's technical function. We present an interactive editor for each technique and explain the underlying conversion algorithms.

By interacting on smaller units, such as a single element of an object, we explore what it means to transition from systems that fabricate objects in one go to turn-taking systems. We start with a 2D system called constructable: Users draw with a laser pointer onto the workpiece inside a laser cutter. The drawing is captured with an overhead camera. As soon as the the user finishes drawing an element, such as a line, the constructable system beautifies the path and cuts it--resulting in physical output after every editing step. We extend constructable towards 3D editing by developing a novel laser-cutting technique for 3D objects called LaserOrigami that works by heating up the workpiece with the defocused laser until the material becomes compliant and bends down under gravity. While constructable and LaserOrigami allow for fast physical feedback, the interaction is still best described as turn-taking since it consists of two discrete steps: users first create an input and afterwards the system provides physical output.  

By decreasing the interaction unit even further to a single feature, we can achieve real-time physical feedback: Input by the user and output by the fabrication device are so tightly coupled that no visible lag exists. This allows us to explore what it means to transition from turn-taking interfaces, which only allow exploring one option at a time, to direct manipulation interfaces with real-time physical feedback, which allow users to explore the entire space of options continuously with a single interaction. We present a system called FormFab, which allows for such direct control. FormFab is based on the same principle as LaserOrigami: It uses a workpiece that when warmed up becomes compliant and can be reshaped. However, FormFab achieves the reshaping not based on gravity, but through a pneumatic system that users can control interactively. As users interact, they see the shape change in real-time.

We conclude this dissertation by extrapolating the current evolution into a future in which large numbers of people use the new technology to create objects. We see two additional challenges on the horizon: sustainability and intellectual property. We investigate sustainability by demonstrating how to print less and instead patch physical objects. We explore questions around intellectual property with a system called Scotty that transfers objects without creating duplicates, thereby preserving the designer's copyright.
N2  - Personal Fabrication Geräte, wie zum Beispiel 3D Drucker, sind dabei eine Zukunft zu ermöglichen in der selbst Benutzer ohne technisches Fachwissen eigene Objekte erstellen können. Obwohl die Hardware nun verfügbar ist, gibt es derzeit kein geeignetes Interaktionsmodel für Benutzer ohne Fachwissen. Heutzutage werden Objekte mit dem 3D Drucker in einem Stück hergestellt. Da der 3D Druck noch ein sehr langsames Verfahren ist und häufig so lange dauert, dass das Objekt über Nacht hergestellt werden muss, müssen Benutzer sorgfältig alles überprüfen bevor sie den Druckauftrag abschicken, da jeder Fehler einen weiteren Tag Wartezeit bedeuten kann. Benutzer ohne technischen Hintergrund haben jedoch nicht das notwendige Fachwissen um alle Faktoren vorhersagen zu können. 

In dieser Dissertation schlagen wir vor das Interaktionsmodel von Personal Fabrication Geräten zu ändern, um diese Benutzer besser zu unterstützen. Wir argumentieren, dass die Entwicklung von Personal Fabrication Geräten der Entwicklung von Personal Computern gleicht. Die ersten Computer arbeiteten ein Programm vollständig ab, bevor sie ein Ergebnis an den Benutzer zurückgaben. Durch die Verkleinerung der Interaktionseinheit von ganzen Programmen zu einzelnen Anfragen wurden turn-taking Systeme wie die Kommandozeile möglich. Mit der Einführung von direkter Manipulation konnten Benutzer schließlich kontinuierlich mit dem Program arbeiten: sie erhielten Feedback über jede einzelne Interaktion in Echtzeit. Wir untersuchen in dieser Arbeit ob die gleichen Interaktionskonzepte auf Personal Fabrication Geräte angewendet werden können.

Wir beginnen diese Arbeit damit zu untersuchen wie man die Feedbackzeit bei der Interaktion mit ganzen Objekten verkürzen kann. Wir präsentieren eine Methode mit dem Namen Low-fidelity Fabrication, die bis zu 90% Druckzeit spart. Low-fidelity fabrication ist schnell, weil es 3D Modelle als grobe Vorschauobjekte druckt, die aber ausreichen um die Aspekte zu testen, die gerade wichtig sind. Abhängig vom aktuellen Testfokus schlagen wir vor verschiedene Konvertierungen vorzunehmen: Unser System faBrickator ist besonders für die ersten Testläufe geeignet, wenn ein modulares Design wichtig ist. Unser System WirePrint ist besonders nützlich im nächsten Schritt, wenn die Form des Objektes erhalten bleiben soll. Am Ende erlaubt unser System Platener ein Objekt so zu konvertieren, dass die technische Funktion des Objektes bewahrt wird. Wir erklären das Design unserer interaktiven Editoren und die zugrunde liegenden Konvertierungsalgorithmen.

Durch die Verkleinerung der Interaktionseinheit auf ein einzelnes Element, wie zum Beispiel einer Linie, untersuchen wir wie man Objekt-basierte Fabrikationssysteme in turn-taking Systeme umwandeln kann. Wir zeigen unser 2D System constructable, das auf einem Laser-Cutter basiert. Benutzer von constructable verwenden einen Laserpointer um auf das Werkstück im Laser-Cutter zu zeichnen. Die Zeichnung wird mit einer Kamera aufgenommen, korrigiert, und anschließend direkt mit dem Laser-Cutter ausgeschnitten. Wir erweitern constructable zu 3D mit unserer neuen Laser-Cutter Technologie Laser-Origami. LaserOrigami erzeugt 3D Objekte, indem es mit dem defokussierten Laser das Werkstück erhitzt bis es verformbar wird, die Schwerkraft biegt das Werkstück anschließend in seine 3D Form. Obwohl constructable und LaserOrigami physisches Feedback schnell erzeugen, ist die Interaktion dennoch am besten als turn-taking zu beschreiben: Benutzer editieren zuerst und sehen danach das Ergebnis.

Indem wir die Interaktionseinheit noch einmal verkleinern, nun auf ein einziges Feature, können wir Echtzeitfabrikation erreichen: Benutzereingabe und physisches Feedback sind so eng miteinander verbunden, dass es keine sichtbare Verzögerung mehr gibt. Damit können wir untersuchen, was es bedeutet von turn-taking Systemen zu direkter Manipulation überzugehen. Wir zeigen ein System mit dem Namen FormFab, das solch eine direkte interaktive Kontrolle ermöglicht. FormFab basiert auf dem gleichen Prinzip wie LaserOrigami: Ein Werkstück wird erhitzt bis es verformbar wird. Allerdings verwendet FormFab nicht die Schwerkraft zum verformen, sondern ein pneumatisches System, das Benutzer interaktiv steuern können. Wenn Benutzer den Luftdruck ändern, sehen sie wie sich die Größe der Form in Echtzeit ändert. Dies erlaubt ihnen die beste Entscheidung zu treffen während sie verschiedene Optionen evaluieren.

Im letzten Kapitel dieser Dissertation extrapolieren wir die aktuelle Entwicklung in eine Zukunft in der eine große Anzahl von Personen eigene Objekte herstellen werden. Dabei entstehen zwei neue Herausforderungen: Nachhaltigkeit und das Bewahren von intellektuellem Eigentum.
KW  - human computer interaction
KW  - 3D printing
KW  - 3D Drucken
KW  - Laser Cutten
KW  - Interaktionsmodel
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-100908
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TY  - THES
A1  - Trapp, Matthias
T1  - Interactive rendering techniques for focus+context visualization of 3D geovirtual environments
T1  - Interaktive Rendering-Techniken für die Fokus-&-Kontext-Visualisierung von geovirtuellen 3D-Umgebungen
N2  - This thesis introduces a collection of new real-time rendering techniques and applications for focus+context visualization of interactive 3D geovirtual environments such as virtual 3D city and landscape models. These environments are generally characterized by a large number of objects and are of high complexity with respect to geometry and textures. For these reasons, their interactive 3D rendering represents a major challenge. Their 3D depiction implies a number of weaknesses such as occlusions, cluttered image contents, and partial screen-space usage. To overcome these limitations and, thus, to facilitate the effective communication of geo-information, principles of focus+context visualization can be used for the design of real-time 3D rendering techniques for 3D geovirtual environments (see Figure). In general, detailed views of a 3D geovirtual environment are combined seamlessly with abstracted views of the context within a single image. To perform the real-time image synthesis required for interactive visualization, dedicated parallel processors (GPUs) for rasterization of computer graphics primitives are used. For this purpose, the design and implementation of appropriate data structures and rendering pipelines are necessary. The contribution of this work comprises the following five real-time rendering methods: • The rendering technique for 3D generalization lenses enables the combination of different 3D city geometries (e.g., generalized versions of a 3D city model) in a single image in real time. The method is based on a generalized and fragment-precise clipping approach, which uses a compressible, raster-based data structure. It enables the combination of detailed views in the focus area with the representation of abstracted variants in the context area. • The rendering technique for the interactive visualization of dynamic raster data in 3D geovirtual environments facilitates the rendering of 2D surface lenses. It enables a flexible combination of different raster layers (e.g., aerial images or videos) using projective texturing for decoupling image and geometry data. Thus, various overlapping and nested 2D surface lenses of different contents can be visualized interactively. • The interactive rendering technique for image-based deformation of 3D geovirtual environments enables the real-time image synthesis of non-planar projections, such as cylindrical and spherical projections, as well as multi-focal 3D fisheye-lenses and the combination of planar and non-planar projections. • The rendering technique for view-dependent multi-perspective views of 3D geovirtual environments, based on the application of global deformations to the 3D scene geometry, can be used for synthesizing interactive panorama maps to combine detailed views close to the camera (focus) with abstract views in the background (context). This approach reduces occlusions, increases the usage the available screen space, and reduces the overload of image contents. • The object-based and image-based rendering techniques for highlighting objects and focus areas inside and outside the view frustum facilitate preattentive perception. The concepts and implementations of interactive image synthesis for focus+context visualization and their selected applications enable a more effective communication of spatial information, and provide building blocks for design and development of new applications and systems in the field of 3D geovirtual environments.
N2  - Die Darstellung immer komplexerer raumbezogener Information durch Geovisualisierung stellt die existierenden Technologien und den Menschen ständig vor neue Herausforderungen. In dieser Arbeit werden fünf neue, echtzeitfähige Renderingverfahren und darauf basierende Anwendungen für die Fokus-&-Kontext-Visualisierung von interaktiven geovirtuellen 3D-Umgebungen – wie virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle – vorgestellt. Die große Menge verschiedener darzustellender raumbezogener Information in 3D-Umgebungen führt oft zu einer hohen Anzahl unterschiedlicher Objekte und somit zu einer hohen Geometrie- und Texturkomplexität. In der Folge verlieren 3D-Darstellungen durch Verdeckungen, überladene Bildinhalte und eine geringe Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bildraumes an Informationswert. Um diese Beschränkungen zu kompensieren und somit die Kommunikation raumbezogener Information zu verbessern, kann das Prinzip der Fokus-&-Kontext-Visualisierung angewendet werden. Hierbei wird die für den Nutzer wesentliche Information als detaillierte Ansicht im Fokus mit abstrahierter Kontextinformation nahtlos miteinander kombiniert. Um das für die interaktive Visualisierung notwendige Echtzeit-Rendering durchzuführen, können spezialisierte Parallelprozessoren für die Rasterisierung von computergraphischen Primitiven (GPUs) verwendet werden. Dazu ist die Konzeption und Implementierung von geeigneten Datenstrukturen und Rendering-Pipelines notwendig. Der Beitrag dieser Arbeit umfasst die folgenden fünf Renderingverfahren. • Das Renderingverfahren für interaktive 3D-Generalisierungslinsen: Hierbei wird die Kombination unterschiedlicher 3D-Szenengeometrien, z. B. generalisierte Varianten eines 3DStadtmodells, in einem Bild ermöglicht. Das Verfahren basiert auf einem generalisierten Clipping-Ansatz, der es erlaubt, unter Verwendung einer komprimierbaren, rasterbasierten Datenstruktur beliebige Bereiche einer 3D-Szene freizustellen bzw. zu kappen. Somit lässt sich eine Kombination von detaillierten Ansichten im Fokusbereich mit der Darstellung einer abstrahierten Variante im Kontextbereich implementieren. • Das Renderingverfahren zur Visualisierung von dynamischen Raster-Daten in geovirtuellen 3D-Umgebungen zur Darstellung von 2D-Oberflächenlinsen: Die Verwendung von projektiven Texturen zur Entkoppelung von Bild- und Geometriedaten ermöglicht eine flexible Kombination verschiedener Rasterebenen (z.B. Luftbilder oder Videos). Somit können verschiedene überlappende sowie verschachtelte 2D-Oberflächenlinsen mit unterschiedlichen Dateninhalten interaktiv visualisiert werden. • Das Renderingverfahren zur bildbasierten Deformation von geovirtuellen 3D-Umgebungen: Neben der interaktiven Bildsynthese von nicht-planaren Projektionen, wie beispielsweise zylindrischen oder sphärischen Panoramen, lassen sich mit diesem Verfahren multifokale 3D-Fischaugen-Linsen erzeugen sowie planare und nicht-planare Projektionen miteinander kombinieren. • Das Renderingverfahren für die Generierung von sichtabhängigen multiperspektivischen Ansichten von geovirtuellen 3D-Umgebungen: Das Verfahren basiert auf globalen Deformationen der 3D-Szenengeometrie und kann zur Erstellung von interaktiven 3D-Panoramakarten verwendet werden, welche beispielsweise detaillierte Absichten nahe der virtuellen Kamera (Fokus) mit abstrakten Ansichten im Hintergrund (Kontext) kombinieren. Dieser Ansatz reduziert Verdeckungen, nutzt den zur Verfügung stehenden Bildraum in verbesserter Weise aus und reduziert das Überladen von Bildinhalten. • Objekt-und bildbasierte Renderingverfahren für die Hervorhebung von Fokus-Objekten und Fokus-Bereichen innerhalb und außerhalb des sichtbaren Bildausschnitts, um die präattentive Wahrnehmung eines Benutzers besser zu unterstützen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte, Entwürfe und Implementierungen von interaktiven Renderingverfahren zur Fokus-&-Kontext-Visualisierung sowie deren ausgewählte Anwendungen ermöglichen eine effektivere Kommunikation raumbezogener Information und repräsentieren softwaretechnische Bausteine für die Entwicklung neuer Anwendungen und Systeme im Bereich der geovirtuellen 3D-Umgebungen.
KW  - 3D Computer Grafik
KW  - Interaktives Rendering
KW  - Fokus-&-Kontext Visualisierung
KW  - 3D Computer Graphics
KW  - Interactive Rendering
KW  - Focus+Context Visualization
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66824
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TY  - THES
A1  - Baier, Thomas
T1  - Matching events and activities
T1  - Zuordnung von Ereignissen zu Aktivitäten
BT  - preprocessing event logs for process analysis
BT  - Vorverarbeitung von Ereignislogs für die Prozessanalyse
N2  - Nowadays, business processes are increasingly supported by IT services that produce massive amounts of event data during process execution. Aiming at a better process understanding and improvement, this event data can be used to analyze processes using process mining techniques. Process models can be automatically discovered and the execution can be checked for conformance to specified behavior. Moreover, existing process models can be enhanced and annotated with valuable information, for example for performance analysis. While the maturity of process mining algorithms is increasing and more tools are entering the market, process mining projects still face the problem of different levels of abstraction when comparing events with modeled business activities. Mapping the recorded events to activities of a given process model is essential for conformance checking, annotation and understanding of process discovery results. Current approaches try to abstract from events in an automated way that does not capture the required domain knowledge to fit business activities. Such techniques can be a good way to quickly reduce complexity in process discovery. Yet, they fail to enable techniques like conformance checking or model annotation, and potentially create misleading process discovery results by not using the known business terminology.

In this thesis, we develop approaches that abstract an event log to the same level that is needed by the business. Typically, this abstraction level is defined by a given process model. Thus, the goal of this thesis is to match events from an event log to activities in a given process model. To accomplish this goal, behavioral and linguistic aspects of process models and event logs as well as domain knowledge captured in existing process documentation are taken into account to build semiautomatic matching approaches. The approaches establish a pre--processing for every available process mining technique that produces or annotates a process model, thereby reducing the manual effort for process analysts. While each of the presented approaches can be used in isolation, we also introduce a general framework for the integration of different matching approaches.


The approaches have been evaluated in case studies with industry and using a large industry process model collection and simulated event logs. The evaluation demonstrates the effectiveness and efficiency of the approaches and their robustness towards nonconforming execution logs.
N2  - Heutzutage werden Geschäftsprozesse verstärkt durch IT Services unterstützt, welche große Mengen an Ereignisdaten während der Prozessausführung generieren. Mit dem Ziel eines besseren Prozessverständnisses und einer möglichen Verbesserung können diese Daten mit Hilfe von Process–Mining–Techniken analysiert werden. Prozessmodelle können dabei automatisiert erstellt werden und die Prozessausführung kann auf ihre Übereinstimmung hin geprüft werden. Weiterhin können existierende Modelle durch wertvolle Informationen erweitert und verbessert werden, beispielsweise für eine Performanceanalyse. Während der Reifegrad der Algorithmen immer weiter ansteigt, stehen Process–Mining–Projekte immer noch vor dem Problem unterschiedlicher Abstraktionsebenen von Ereignisdaten und Prozessmodellaktivitäten. Das Mapping der aufgezeichneten Ereignisse zu den Aktivitäten eines gegebenen Prozessmodells ist ein essentieller Schritt für die Übereinstimmungsanalyse, Prozessmodellerweiterungen sowie auch für das Verständnis der Modelle aus einer automatisierten Prozesserkennung. Bereits existierende Ansätze abstrahieren Ereignisse auf automatisierte Art und Weise, welche die notwendigen Domänenkenntnisse für ein Mapping zu bestehenden Geschäftsprozessaktivitäten nicht berücksichtigt. Diese Techniken können hilfreich sein, um die Komplexität eines automatisiert erstellten Prozessmodells schnell zu verringern, sie eignen sich jedoch nicht für Übereinstimmungsprüfungen oder Modellerweiterungen. Zudem können solch automatisierte Verfahren zu irreführenden Ergebnissen führen, da sie nicht die bekannte Geschäftsterminologie verwenden.

In dieser Dissertation entwickeln wir Ansätze, die ein Ereignislog auf die benötigte Abstraktionsebene bringen, welche typischerweise durch ein Prozessmodell gegeben ist. Daher ist das Ziel dieser Dissertation, die Ereignisse eines Ereignislogs den Aktivitäten eines Prozessmodells zuzuordnen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Verhaltens- und Sprachaspekte von Ereignislogs und Prozessmodellen sowie weitergehendes Domänenwissen einbezogen, um teilautomatisierte Zuordnungsansätze zu entwickeln. Die entwickelten Ansätze ermöglichen eine Vorverarbeitung von Ereignislogs, wodurch der notwendige manuelle Aufwand für den Einsatz von Process–Mining–Techniken verringert wird.

Die vorgestellten Ansätze wurden mit Hilfe von Industrie-Case-Studies und simulierten Ereignislogs aus einer großen Prozessmodellkollektion evaluiert. Die Ergebnisse demonstrieren die Effektivität der Ansätze und ihre Robustheit gegenüber nicht-konformem Prozessverhalten.
KW  - process mining
KW  - conformance analysis
KW  - event abstraction
KW  - Process Mining
KW  - Übereinstimmungsanalyse
KW  - Ereignisabstraktion
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-84548
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TY  - THES
A1  - Menzel, Michael
T1  - Model-driven security in service-oriented architectures : leveraging security patterns to transform high-level security requirements to technical policies
T1  - Modell-getriebene Sicherheit in Service-orientierten Architekturen
N2  - Service-oriented Architectures (SOA) facilitate the provision and orchestration of business services to enable a faster adoption to changing business demands. Web Services provide a technical foundation to implement this paradigm on the basis of XML-messaging. However, the enhanced flexibility of message-based systems comes along with new threats and risks. To face these issues, a variety of security mechanisms and approaches is supported by the Web Service specifications. The usage of these security mechanisms and protocols is configured by stating security requirements in security policies. However, security policy languages for SOA are complex and difficult to create due to the expressiveness of these languages. To facilitate and simplify the creation of security policies, this thesis presents a model-driven approach that enables the generation of complex security policies on the basis of simple security intentions. SOA architects can specify these intentions in system design models and are not required to deal with complex technical security concepts. The approach introduced in this thesis enables the enhancement of any system design modelling languages – for example FMC or BPMN – with security modelling elements. The syntax, semantics, and notion of these elements is defined by our security modelling language SecureSOA. The metamodel of this language provides extension points to enable the integration into system design modelling languages. In particular, this thesis demonstrates the enhancement of FMC block diagrams with SecureSOA. To enable the model-driven generation of security policies, a domain-independent policy model is introduced in this thesis. This model provides an abstraction layer for security policies. Mappings are used to perform the transformation from our model to security policy languages. However, expert knowledge is required to generate instances of this model on the basis of simple security intentions. Appropriate security mechanisms, protocols and options must be chosen and combined to fulfil these security intentions. In this thesis, a formalised system of security patterns is used to represent this knowledge and to enable an automated transformation process. Moreover, a domain-specific language is introduced to state security patterns in an accessible way. On the basis of this language, a system of security configuration patterns is provided to transform security intentions related to data protection and identity management. The formal semantics of the security pattern language enable the verification of the transformation process introduced in this thesis and prove the correctness of the pattern application. Finally, our SOA Security LAB is presented that demonstrates the application of our model-driven approach to facilitate a dynamic creation, configuration, and execution of secure Web Service-based composed applications.
N2  - Im Bereich der Enterprisearchitekturen hat das Paradigma der Service-orientierten Architektur (SOA) in den vergangenen Jahren eine große Bedeutung erlangt. Dieser Ansatz ermöglicht die Strukturierung und Umsetzung verteilter, IT-basierter Geschäftsfunktionen, um einen effizienten und flexiblen Einsatz von IT-Ressourcen zu ermöglichen. Während in der Vergangenheit fachliche Anforderungen in monolithischen Applikationen umgesetzt wurden, setzt dieser Architekturansatz auf wiederverwendbare Dienste, die spezifische Geschäftsfunktionen implementieren. Diese Dienste können dann dynamisch zur Umsetzung von Geschäftsprozessen herangezogen werden und ermöglichen eine schnelle Reaktion auf verändernde geschäftliche Rahmenbedingungen durch Anpassung der Prozesse. Die einzelnen Dienste existieren unabhängig voneinander und sind lose über einen Nachrichtenaustausch gekoppelt. Diese Unabhängigkeit unterscheidet den SOA-Ansatz von der bisherigen Entwicklung klassischer verteilter Anwendungen. Die Verwendung unabhängiger Dienste geht aber auch mit einem größeren Gefährdungspotential einher, da eine Vielzahl von Schnittstellen bereitgestellt wird, die mittels komplexer Protokolle angesprochen werden können. Somit ist die korrekte Umsetzung von Sicherheitsmechanismen in allen Diensten und SOA-Infrastrukturkomponeten essentiell. Kommunikationspartner müssen an jedem Kommunikationsendpunkt authentifiziert und autorisiert werden und ausgetauschte Nachrichten müssen immer geschützt werden. Solche Sicherheitsanforderungen werden in technischen Sicherheitskonfigurationen (Policydokumenten) mittels einer Policysprache kodiert und werden an die Dienste verteilt, die diese Anforderungen durchsetzen. Da Policysprachen für SOA aber durch die Vielzahl und Vielfalt an Sicherheitsmechanismen, -protokollen und -standards eine hohe Komplexität aufweisen, sind Sicherheitskonfigurationen höchst fehleranfällig und mit viel Fachwissen zu erstellen. Um die Generierung von Sicherheitskonfigurationen in komplexen Systemen zu vereinfachen, wird in dieser Arbeit ein modellgetriebener Ansatz vorgestellt, der eine visuelle Modellierung von Sicherheitsanforderungen in Architekturmodellen ermöglicht und eine automatisierte Generierung von Sicherheitskonfigurationen auf Basis dieser Anforderungen unterstützt. Die Modellierungsebene ermöglicht eine einfache und abstrakte Darstellung von Sicherheitsanforderungen, die sich auch für Systemarchitekten erschließen, welche keine Sicherheits-experten sind. Beispielsweise können modellierte Daten einfach mit einem Schloss annotiert werden, um den Schutz dieser Daten zu fordern. Die Syntax, die Semantik und die Darstellung dieser Anforderungen werden durch die in dieser Arbeit vorgestellte Sicherheitsmodellierungssprache SecureSOA spezifiziert. Der vorgestellte modellgetriebene Ansatz transformiert die modellierten Anforderungen auf ein domänen-unabhängiges Policymodell, das eine Abstraktionsschicht zu konkreten Policysprachen bildet. Diese Abstrak-tionsschicht vereinfacht die Generierung von Sicherheitspolicies in verschiedenen Policysprachen. Allerdings kann diese Transformation nur erfolgen, wenn im System Expertenwissen hinterlegt ist, das die Auswahl von konkreten Sicherheitsmechanismen und -optionen bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Entwurfsmuster für SOA-Sicherheit zur Transformation herangezogen, die dieses Wissen repräsentieren. Dazu wird ein Katalog von Entwurfsmustern eingeführt, der die Abbildung von abstrakten Sicherheitsanforderungen auf konkrete Konfigurationen ermöglicht. Diese Muster sind mittels einer Entwurfsmustersprache definiert, die in dieser Arbeit eingeführt wird. Die formale Semantik dieser Sprache ermöglicht die formale Verifikation des Transformationsprozesses, um die Korrektheit der Entwurfsmusteranwendung nachzuweisen. Die Definition dieses Entwurfsmusterkatalogs und der darauf basierende Transformationsprozess ermöglichen die Abbildung von abstrakten Sicherheitsanforderungen auf konkrete technische Sicherheitskonfigurationen und stellen den Beitrag dieser Arbeit dar. Abschließend wird in dieser Arbeit das SOA-Security-Lab vorgestellt, das die Umsetzung dieses Ansatzes demonstriert.
KW  - IT-Sicherheit
KW  - Service-Orientierte Architekturen
KW  - Modell-getriebene Sicherheit
KW  - Sicherheitsmodellierung
KW  - Entwurfsmuster für SOA-Sicherheit
KW  - IT-Security
KW  - Service-oriented Architectures
KW  - Modell-driven Security
KW  - Security Modelling
KW  - SOA Security Pattern
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59058
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TY  - THES
A1  - Wätzoldt, Sebastian
T1  - Modeling collaborations in adaptive systems of systems
T1  - Modellierung von Kollaborationen für adaptive Systeme von Systemen
N2  - Recently, due to an increasing demand on functionality and flexibility, beforehand isolated systems have become interconnected to gain powerful adaptive Systems of Systems (SoS) solutions with an overall robust, flexible and emergent behavior. The adaptive SoS comprises a variety of different system types ranging from small embedded to adaptive cyber-physical systems. On the one hand, each system is independent, follows a local strategy and optimizes its behavior to reach its goals. On the other hand, systems must cooperate with each other to enrich the overall functionality to jointly perform on the SoS level reaching global goals, which cannot be satisfied by one system alone. Due to difficulties of local and global behavior optimizations conflicts may arise between systems that have to be solved by the adaptive SoS.

This thesis proposes a modeling language that facilitates the description of an adaptive SoS by considering the adaptation capabilities in form of feedback loops as first class entities. Moreover, this thesis adopts the Models@runtime approach to integrate the available knowledge in the systems as runtime models into the modeled adaptation logic. Furthermore, the modeling language focuses on the description of system interactions within the adaptive SoS to reason about individual system functionality and how it emerges via collaborations to an overall joint SoS behavior. Therefore, the modeling language approach enables the specification of local adaptive system behavior, the integration of knowledge in form of runtime models and the joint interactions via collaboration to place the available adaptive behavior in an overall layered, adaptive SoS architecture.

Beside the modeling language, this thesis proposes analysis rules to investigate the modeled adaptive SoS, which enables the detection of architectural patterns as well as design flaws and pinpoints to possible system threats. Moreover, a simulation framework is presented, which allows the direct execution of the modeled SoS architecture. Therefore, the analysis rules and the simulation framework can be used to verify the interplay between systems as well as the modeled adaptation effects within the SoS. This thesis realizes the proposed concepts of the modeling language by mapping them to a state of the art standard from the automotive domain and thus, showing their applicability to actual systems. Finally, the modeling language approach is evaluated by remodeling up to date research scenarios from different domains, which demonstrates that the modeling language concepts are powerful enough to cope with a broad range of existing research problems.
N2  - Seit einiger Zeit führen ein ansteigender Bedarf nach erweiterter Systemfunktionalität und deren flexible Verwendung zu vernetzten Systemen, die sich zu einem übergeordneten adaptiven System von Systemen (SoS) zusammenschließen. Dieser SoS Zusammenschluss zeigt ein gewünschtes, robustes und flexibles Gesamtverhalten, welches sich aus der Funktionalität der einzelnen Systeme zusammensetzt. Das SoS beinhaltet eine Vielzahl von verschiedenen Systemarten, die sich von eingebetteten bis hin zu Cyber-Physical Systems erstrecken. Einerseits optimiert jedes einzelne System sein Verhalten bezüglich lokaler Ziele. Anderseits müssen die Systeme miteinander interagieren, um neue, zusammengesetzte Funktionalitäten bereitzustellen und damit vorgegebene SoS Ziele zu erreichen, welche durch ein einzelnes System nicht erfüllt werden können. Die Schwierigkeit besteht nun darin, Konflikte zwischen lokalen und globalen Verhaltensstrategien zwischen Systemen innerhalb des SoS zu beseitigen.

Diese Doktorarbeit stellt eine Modellierungssprache vor, welche für die Beschreibung von adaptiven SoS geeignet ist. Dabei berücksichtigt die Modellierungssprache die Adaptionslogik des SoS in Form von periodischen Adaptationsschleifen als primäres Sprachkonstrukt. Außerdem übernimmt diese Arbeit den Models@runtime Ansatz, um verfügbares Systemwissen als Laufzeitmodelle in die Adaptationslogik des Systems zu integrieren. Weiterhin liegt der Fokus der Modellierungssprache auf der Beschreibung von Systeminteraktionen innerhalb des SoS. Dies ermöglicht Schlussfolgerungen von individuellem Systemverhalten sowie deren Aggregation zu kollaborativem Verhalten im Kontext von Systeminteraktionen im SoS. Damit unterstützt die entwickelte Modellierungssprache die Beschreibung von lokalem adaptivem Verhalten, die Integration von Wissen über die Modellierung von Laufzeitmodellen und Systeminteraktionen in Form von kollaborativem Verhalten. Alle drei Aspekte werden in die adaptive SoS Architektur integriert.

Neben der entwickelten Modellierungssprache führt diese Doktorarbeit Analyseregeln zur Untersuchung des modellierten SoS ein. Diese Regeln ermöglichen die Erkennung von Architekturmustern und möglichen Schwächen im Systementwurf. Zusätzlich wird eine Simulationsumgebung für die Modellierungssprache präsentiert, welche die direkte Ausführung von einer modellierten SoS Architektur erlaubt. Die Analyseregeln und die Simulationsumgebung dienen demnach sowohl der Verifizierung von Systeminteraktionen als auch der spezifizierten Adaptationslogik innerhalb des SoS. Die vorliegende Arbeit implementiert die vorgestellten Konzepte der Modellierungssprache durch deren Abbildung auf einen aktuellen Standard im Automobilbereich und zeigt damit die Anwendbarkeit der Sprache auf gegenwärtige Systeme. Zum Schluss findet eine Evaluierung der Modellierungssprache statt, wobei aktuelle Forschungsszenarien aus unterschiedlichen Bereichen erneut mit der vorgestellten Sprache modelliert werden. Dies zeigt, dass die Modellierungskonzepte geeignet sind, um weite Bereiche existierender Forschungsprobleme zu bewältigen.
KW  - deurema modeling language
KW  - adaptive systems
KW  - systems of systems
KW  - runtime models
KW  - feedback loop modeling
KW  - collaborations
KW  - Deurema Modellierungssprache
KW  - Kollaborationen
KW  - adaptive Systeme
KW  - Systeme von Systemen
KW  - Laufzeitmodelle
KW  - Feedback Loop Modellierung
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97494
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TY  - THES
A1  - Glander, Tassilo
T1  - Multi-scale representations of virtual 3D city models
T1  - Maßstabsabhängige Repräsentationen virtueller 3D-Stadtmodelle
N2  - Virtual 3D city and landscape models are the main subject investigated in this thesis. They digitally represent urban space and have many applications in different domains, e.g., simulation, cadastral management, and city planning. Visualization is an elementary component of these applications. Photo-realistic visualization with an increasingly high degree of detail leads to fundamental problems for comprehensible visualization. A large number of highly detailed and textured objects within a virtual 3D city model may create visual noise and overload the users with information. Objects are subject to perspective foreshortening and may be occluded or not displayed in a meaningful way, as they are too small. In this thesis we present abstraction techniques that automatically process virtual 3D city and landscape models to derive abstracted representations. These have a reduced degree of detail, while essential characteristics are preserved. After introducing definitions for model, scale, and multi-scale representations, we discuss the fundamentals of map generalization as well as techniques for 3D generalization. The first presented technique is a cell-based generalization of virtual 3D city models. It creates abstract representations that have a highly reduced level of detail while maintaining essential structures, e.g., the infrastructure network, landmark buildings, and free spaces. The technique automatically partitions the input virtual 3D city model into cells based on the infrastructure network. The single building models contained in each cell are aggregated to abstracted cell blocks. Using weighted infrastructure elements, cell blocks can be computed on different hierarchical levels, storing the hierarchy relation between the cell blocks. Furthermore, we identify initial landmark buildings within a cell by comparing the properties of individual buildings with the aggregated properties of the cell. For each block, the identified landmark building models are subtracted using Boolean operations and integrated in a photo-realistic way. Finally, for the interactive 3D visualization we discuss the creation of the virtual 3D geometry and their appearance styling through colors, labeling, and transparency. We demonstrate the technique with example data sets. Additionally, we discuss applications of generalization lenses and transitions between abstract representations. The second technique is a real-time-rendering technique for geometric enhancement of landmark objects within a virtual 3D city model. Depending on the virtual camera distance, landmark objects are scaled to ensure their visibility within a specific distance interval while deforming their environment. First, in a preprocessing step a landmark hierarchy is computed, this is then used to derive distance intervals for the interactive rendering. At runtime, using the virtual camera distance, a scaling factor is computed and applied to each landmark. The scaling factor is interpolated smoothly at the interval boundaries using cubic Bézier splines. Non-landmark geometry that is near landmark objects is deformed with respect to a limited number of landmarks. We demonstrate the technique by applying it to a highly detailed virtual 3D city model and a generalized 3D city model. In addition we discuss an adaptation of the technique for non-linear projections and mobile devices. The third technique is a real-time rendering technique to create abstract 3D isocontour visualization of virtual 3D terrain models. The virtual 3D terrain model is visualized as a layered or stepped relief. The technique works without preprocessing and, as it is implemented using programmable graphics hardware, can be integrated with minimal changes into common terrain rendering techniques. Consequently, the computation is done in the rendering pipeline for each vertex, primitive, i.e., triangle, and fragment. For each vertex, the height is quantized to the nearest isovalue. For each triangle, the vertex configuration with respect to their isovalues is determined first. Using the configuration, the triangle is then subdivided. The subdivision forms a partial step geometry aligned with the triangle. For each fragment, the surface appearance is determined, e.g., depending on the surface texture, shading, and height-color-mapping. Flexible usage of the technique is demonstrated with applications from focus+context visualization, out-of-core terrain rendering, and information visualization. This thesis presents components for the creation of abstract representations of virtual 3D city and landscape models. Re-using visual language from cartography, the techniques enable users to build on their experience with maps when interpreting these representations. Simultaneously, characteristics of 3D geovirtual environments are taken into account by addressing and discussing, e.g., continuous scale, interaction, and perspective.
N2  - Gegenstand der Arbeit sind virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle, die den städtischen Raum in digitalen Repräsentationen abbilden. Sie werden in vielfältigen Anwendungen und zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Dabei ist die Visualisierung ein elementarer Bestandteil dieser Anwendungen. Durch realitätsnahe Darstellung und hohen Detailgrad entstehen jedoch zunehmend fundamentale Probleme für eine verständliche Visualisierung. So führt beispielsweise die hohe Anzahl von detailliert ausmodellierten und texturierten Objekten eines virtuellen 3D-Stadtmodells zu Informationsüberflutung beim Betrachter. In dieser Arbeit werden Abstraktionsverfahren vorgestellt, die diese Probleme behandeln. Ziel der Verfahren ist die automatische Transformation virtueller 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle in abstrakte Repräsentationen, die bei reduziertem Detailgrad wichtige Charakteristika erhalten. Nach der Einführung von Grundbegriffen zu Modell, Maßstab und Mehrfachrepräsentationen werden theoretische Grundlagen zur Generalisierung von Karten sowie Verfahren zur 3D-Generalisierung betrachtet. Das erste vorgestellte Verfahren beschreibt die zellbasierte Generalisierung von virtuellen 3DStadtmodellen. Es erzeugt abstrakte Repräsentationen, die drastisch im Detailgrad reduziert sind, erhält dabei jedoch die wichtigsten Strukturen, z.B. das Infrastrukturnetz, Landmarkengebäude und Freiflächen. Dazu wird in einem vollautomatischen Verfahren das Eingabestadtmodell mithilfe des Infrastrukturnetzes in Zellen zerlegt. Pro Zelle wird abstrakte Gebäudegeometrie erzeugt, indem die enthaltenen Einzelgebäude mit ihren Eigenschaften aggregiert werden. Durch Berücksichtigung gewichteter Elemente des Infrastrukturnetzes können Zellblöcke auf verschiedenen Hierarchieebenen berechnet werden. Weiterhin werden Landmarken gesondert berücksichtigt: Anhand statistischer Abweichungen der Eigenschaften der Einzelgebäudes von den aggregierten Eigenschaften der Zelle werden Gebäude gegebenenfalls als initiale Landmarken identifiziert. Schließlich werden die Landmarkengebäude aus den generalisierten Blöcken mit Booleschen Operationen ausgeschnitten und realitätsnah dargestellt. Die Ergebnisse des Verfahrens lassen sich in interaktiver 3D-Darstellung einsetzen. Das Verfahren wird beispielhaft an verschiedenen Datensätzen demonstriert und bezüglich der Erweiterbarkeit diskutiert. Das zweite vorgestellte Verfahren ist ein Echtzeit-Rendering-Verfahren für geometrische Hervorhebung von Landmarken innerhalb eines virtuellen 3D-Stadtmodells: Landmarkenmodelle werden abhängig von der virtuellen Kameradistanz vergrößert, so dass sie innerhalb eines spezifischen Entfernungsintervalls sichtbar bleiben; dabei wird ihre Umgebung deformiert. In einem Vorverarbeitungsschritt wird eine Landmarkenhierarchie bestimmt, aus der die Entfernungsintervalle für die interaktive Darstellung abgeleitet werden. Zur Laufzeit wird anhand der virtuellen Kameraentfernung je Landmarke ein dynamischer Skalierungsfaktor bestimmt, der das Landmarkenmodell auf eine sichtbare Größe skaliert. Dabei wird der Skalierungsfaktor an den Intervallgrenzen durch kubisch interpoliert. Für Nicht-Landmarkengeometrie in der Umgebung wird die Deformation bezüglich einer begrenzten Menge von Landmarken berechnet. Die Eignung des Verfahrens wird beispielhaft anhand verschiedener Datensätze demonstriert und bezüglich der Erweiterbarkeit diskutiert. Das dritte vorgestellte Verfahren ist ein Echtzeit-Rendering-Verfahren, das eine abstrakte 3D-Isokonturen-Darstellung von virtuellen 3D-Geländemodellen erzeugt. Für das Geländemodell wird eine Stufenreliefdarstellung für eine Menge von nutzergewählten Höhenwerten erzeugt. Das Verfahren arbeitet ohne Vorverarbeitung auf Basis programmierbarer Grafikkarten-Hardware. Entsprechend erfolgt die Verarbeitung in der Prozesskette pro Geometrieknoten, pro Dreieck, und pro Bildfragment. Pro Geometrieknoten wird zunächst die Höhe auf den nächstliegenden Isowert quantisiert. Pro Dreieck wird dann die Konfiguration bezüglich der Isowerte der drei Geometrieknoten bestimmt. Anhand der Konfiguration wird eine geometrische Unterteilung vorgenommen, so dass ein Stufenausschnitt entsteht, der dem aktuellen Dreieck entspricht. Pro Bildfragment wird schließlich die finale Erscheinung definiert, z.B. anhand von Oberflächentextur, durch Schattierung und Höheneinfärbung. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten werden mit verschiedenen Anwendungen demonstriert. Die Arbeit stellt Bausteine für die Erzeugung abstrakter Darstellungen von virtuellen 3D-Stadt und Landschaftsmodellen vor. Durch die Orientierung an kartographischer Bildsprache können die Nutzer auf bestehende Erfahrungen bei der Interpretation zurückgreifen. Dabei werden die charakteristischen Eigenschaften 3D geovirtueller Umgebungen berücksichtigt, indem z.B. kontinuierlicher Maßstab, Interaktion und Perspektive behandelt und diskutiert werden.
KW  - Generalisierung
KW  - virtuelle 3D-Stadtmodelle
KW  - Gebäudemodelle
KW  - Landmarken
KW  - Geländemodelle
KW  - generalization
KW  - virtual 3D city models
KW  - building models
KW  - landmarks
KW  - terrain models
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64117
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TY  - THES
A1  - Rogge-Solti, Andreas
T1  - Probabilistic Estimation of Unobserved Process Events
T1  - Probabilistische Abschätzung Unbeobachteter Prozessereignisse
N2  - Organizations try to gain competitive advantages, and to increase customer satisfaction. To ensure the quality and efficiency of their business processes, they perform business process management. An important part of process management that happens on the daily operational level is process controlling. A prerequisite of controlling is process monitoring, i.e., keeping track of the performed activities in running process instances. Only by process monitoring can business analysts detect delays and react to deviations from the expected or guaranteed performance of a process instance. To enable monitoring, process events need to be collected from the process environment. When a business process is orchestrated by a process execution engine, monitoring is available for all orchestrated process activities. Many business processes, however, do not lend themselves to automatic orchestration, e.g., because of required freedom of action. This situation is often encountered in hospitals, where most business processes are manually enacted. Hence, in practice it is often inefficient or infeasible to document and monitor every process activity. Additionally, manual process execution and documentation is prone to errors, e.g., documentation of activities can be forgotten. Thus, organizations face the challenge of process events that occur, but are not observed by the monitoring environment. These unobserved process events can serve as basis for operational process decisions, even without exact knowledge of when they happened or when they will happen. An exemplary decision is whether to invest more resources to manage timely completion of a case, anticipating that the process end event will occur too late. This thesis offers means to reason about unobserved process events in a probabilistic way. We address decisive questions of process managers (e.g., "when will the case be finished?", or "when did we perform the activity that we forgot to document?") in this thesis. As main contribution, we introduce an advanced probabilistic model to business process management that is based on a stochastic variant of Petri nets. We present a holistic approach to use the model effectively along the business process lifecycle. Therefore, we provide techniques to discover such models from historical observations, to predict the termination time of processes, and to ensure quality by missing data management. We propose mechanisms to optimize configuration for monitoring and prediction, i.e., to offer guidance in selecting important activities to monitor. An implementation is provided as a proof of concept. For evaluation, we compare the accuracy of the approach with that of state-of-the-art approaches using real process data of a hospital. Additionally, we show its more general applicability in other domains by applying the approach on process data from logistics and finance.
N2  - Unternehmen versuchen Wettbewerbsvorteile zu gewinnen und die Kundenzufriedenheit zu erhöhen. Um die Qualität und die Effizienz ihrer Prozesse zu gewährleisten, wenden Unternehmen Geschäftsprozessmanagement an. Hierbei spielt die Prozesskontrolle im täglichen Betrieb eine wichtige Rolle. Prozesskontrolle wird durch Prozessmonitoring ermöglicht, d.h. durch die Überwachung des Prozessfortschritts laufender Prozessinstanzen. So können Verzögerungen entdeckt und es kann entsprechend reagiert werden, um Prozesse wie erwartet und termingerecht beenden zu können. Um Prozessmonitoring zu ermöglichen, müssen prozessrelevante Ereignisse aus der Prozessumgebung gesammelt und ausgewertet werden. Sofern eine Prozessausführungsengine die Orchestrierung von Geschäftsprozessen übernimmt, kann jede Prozessaktivität überwacht werden. Aber viele Geschäftsprozesse eignen sich nicht für automatisierte Orchestrierung, da sie z.B. besonders viel Handlungsfreiheit erfordern. Dies ist in Krankenhäusern der Fall, in denen Geschäftsprozesse oft manuell durchgeführt werden. Daher ist es meist umständlich oder unmöglich, jeden Prozessfortschritt zu erfassen. Zudem ist händische Prozessausführung und -dokumentation fehleranfällig, so wird z.B. manchmal vergessen zu dokumentieren. Eine Herausforderung für Unternehmen ist, dass manche Prozessereignisse nicht im Prozessmonitoring erfasst werden. Solch unbeobachtete Prozessereignisse können jedoch als Entscheidungsgrundlage dienen, selbst wenn kein exaktes Wissen über den Zeitpunkt ihres Auftretens vorliegt. Zum Beispiel ist bei der Prozesskontrolle zu entscheiden, ob zusätzliche Ressourcen eingesetzt werden sollen, wenn eine Verspätung angenommen wird. Diese Arbeit stellt einen probabilistischen Ansatz für den Umgang mit unbeobachteten Prozessereignissen vor. Dabei werden entscheidende Fragen von Prozessmanagern beantwortet (z.B. "Wann werden wir den Fall beenden?", oder "Wann wurde die Aktivität ausgeführt, die nicht dokumentiert wurde?"). Der Hauptbeitrag der Arbeit ist die Einführung eines erweiterten probabilistischen Modells ins Geschäftsprozessmanagement, das auf stochastischen Petri Netzen basiert. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Unterstützung der einzelnen Phasen des Geschäftsprozesslebenszyklus verfolgt. Es werden Techniken zum Lernen des probabilistischen Modells, zum Vorhersagen des Zeitpunkts des Prozessendes, zum Qualitätsmanagement von Dokumentationen durch Erkennung fehlender Einträge, und zur Optimierung von Monitoringkonfigurationen bereitgestellt. Letztere dient zur Auswahl von relevanten Stellen im Prozess, die beobachtet werden sollten. Diese Techniken wurden in einer quelloffenen prototypischen Anwendung implementiert. Zur Evaluierung wird der Ansatz mit existierenden Alternativen an echten Prozessdaten eines Krankenhauses gemessen. Die generelle Anwendbarkeit in weiteren Domänen wird examplarisch an Prozessdaten aus der Logistik und dem Finanzwesen gezeigt.
KW  - Geschäftsprozessmanagement
KW  - stochastische Petri Netze
KW  - Bayessche Netze
KW  - Probabilistische Modelle
KW  - Vorhersage
KW  - Fehlende Daten
KW  - Process Mining
KW  - business process management
KW  - stochastic Petri nets
KW  - Bayesian networks
KW  - probabilistic models
KW  - prediction
KW  - missing data
KW  - process mining
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70426
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TY  - THES
A1  - Kluth, Stephan
T1  - Quantitative modeling and analysis with FMC-QE
T1  - Quantitative Modellierung und Analyse mit FMC-QE
N2  - The modeling and evaluation calculus FMC-QE, the Fundamental Modeling Concepts for Quanti-tative Evaluation [1], extends the Fundamental Modeling Concepts (FMC) for performance modeling and prediction. In this new methodology, the hierarchical service requests are in the main focus, because they are the origin of every service provisioning process. Similar to physics, these service requests are a tuple of value and unit, which enables hierarchical service request transformations at the hierarchical borders and therefore the hierarchical modeling. Through reducing the model complexity of the models by decomposing the system in different hierarchical views, the distinction between operational and control states and the calculation of the performance values on the assumption of the steady state, FMC-QE has a scalable applica-bility on complex systems. According to FMC, the system is modeled in a 3-dimensional hierarchical representation space, where system performance parameters are described in three arbitrarily fine-grained hierarchi-cal bipartite diagrams. The hierarchical service request structures are modeled in Entity Relationship Diagrams. The static server structures, divided into logical and real servers, are de-scribed as Block Diagrams. The dynamic behavior and the control structures are specified as Petri Nets, more precisely Colored Time Augmented Petri Nets. From the structures and pa-rameters of the performance model, a hierarchical set of equations is derived. The calculation of the performance values is done on the assumption of stationary processes and is based on fundamental laws of the performance analysis: Little's Law and the Forced Traffic Flow Law. Little's Law is used within the different hierarchical levels (horizontal) and the Forced Traffic Flow Law is the key to the dependencies among the hierarchical levels (vertical). This calculation is suitable for complex models and allows a fast (re-)calculation of different performance scenarios in order to support development and configuration decisions. Within the Research Group Zorn at the Hasso Plattner Institute, the work is embedded in a broader research in the development of FMC-QE. While this work is concentrated on the theoretical background, description and definition of the methodology as well as the extension and validation of the applicability, other topics are in the development of an FMC-QE modeling and evaluation tool and the usage of FMC-QE in the design of an adaptive transport layer in order to fulfill Quality of Service and Service Level Agreements in volatile service based environments. This thesis contains a state-of-the-art, the description of FMC-QE as well as extensions of FMC-QE in representative general models and case studies. In the state-of-the-art part of the thesis in chapter 2, an overview on existing Queueing Theory and Time Augmented Petri Net models and other quantitative modeling and evaluation languages and methodologies is given. Also other hierarchical quantitative modeling frameworks will be considered. The description of FMC-QE in chapter 3 consists of a summary of the foundations of FMC-QE, basic definitions, the graphical notations, the FMC-QE Calculus and the modeling of open queueing networks as an introductory example. The extensions of FMC-QE in chapter 4 consist of the integration of the summation method in order to support the handling of closed networks and the modeling of multiclass and semaphore scenarios. Furthermore, FMC-QE is compared to other performance modeling and evaluation approaches. In the case study part in chapter 5, proof-of-concept examples, like the modeling of a service based search portal, a service based SAP NetWeaver application and the Axis2 Web service framework will be provided. Finally, conclusions are given by a summary of contributions and an outlook on future work in chapter 6. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Procee-dings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, pages 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, June 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
N2  - FMC-QE (Fundamental Modeling Concepts for Quantitative Evaluation [1]) ist eine auf FMC, den Fundamental Modeling Concepts, basierende Methodik zur Modellierung des Leistungsverhaltens von Systemen mit einem dazugehörenden Kalkül zur Erstellung von Leistungsvorhersagen wie Antwortzeiten und Durchsatz. In dieser neuen Methodik steht die Modellierung der hierarchischen Bedienanforderungen im Mittelpunkt, da sie der Ursprung aller dienstbasierenden Systeme sind. Wie in der Physik sind in FMC-QE die Bedienanforderungen Tupel aus Wert und Einheit, um Auftragstransformationen an Hierarchiegrenzen zu ermöglichen. Da die Komplexität durch eine Dekomposition in mehreren Sichten und in verschiedene hierarchische Schichten, die Unterscheidung von Operations- und Kontrollzuständen, sowie dazugehörige Berechungen unter Annahme der Stationarität reduziert wird, skaliert die Anwendbarkeit von FMC-QE auf komplexe Systeme. Gemäß FMC wird das zu modellierende System in einem 3-dimensionalen hierarchischen Beschreibungsraum dargestellt. Die quantitativen Kenngrößen der Systeme werden in drei beliebig frei-granularen hierarchischen bi-partiten Graphen beschrieben. Die hierarchische Struktur der Bedienanforderungen wird in Entity Relationship Diagrammen beschrieben. Die statischen Bedienerstrukturen, unterteilt in logische und reale Bediener, sind in Aufbaudiagrammen erläutert. Außerdem werden Petri Netze, genauer Farbige Zeit-behaftete Petri Netze, dazu verwendet, die dynamischen Abläufe, sowie die Kontrollflüsse im System zu beschreiben. Anschließend wird eine Menge von hierarchischen Gleichungen von der Struktur und den Parametern des Modells abgeleitet. Diese Gleichungen, die auf dem stationären Zustand des Systems beruhen, basieren auf den beiden Fundamental Gesetzen der Leistungsanalyse, dem Gesetz von Little und dem Verkehrsflussgesetz. Das Gesetz von Little definiert hierbei Beziehungen innerhalb einer hierarchischen Schicht (horizontal) und das Verkehrsflussgesetz wiederum Beziehungen zwischen hierarchischen Schichten (vertikal). Die Berechungen erlauben Leistungsvorhersagen für komplexe Systeme durch eine effiziente Berechnung von Leistungsgrößen für eine große Auswahl von System- und Lastkonfigurationen. Innerhalb der Forschungsgruppe von Prof. Dr.-Ing Werner Zorn am Hasso Plattner Institut an der Universität Potsdam ist die vorliegende Arbeit in einen größeren Forschungskontext im Bereich FMC-QE eingebettet. Während hier ein Fokus auf dem theoretischen Hintergrund, der Beschreibung und der Definition der Methodik als auch der Anwendbarkeit und Erweiterung gelegt wurde, sind andere Arbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung einer Anwendung zur Modellierung und Evaluierung von Systemen mit FMC-QE bzw. der Verwendung von FMC-QE zur Entwicklung einer adaptiven Transportschicht zur Einhaltung von Dienstgüten (Quality of Service) und Dienstvereinbarungen (Service Level Agreements) in volatilen dienstbasierten Systemen beheimatet. Diese Arbeit umfasst einen Einblick in den Stand der Technik, die Beschreibung von FMC-QE sowie die Weiterentwicklung von FMC-QE in repräsentativen allgemeinen Modellen und Fallstudien. Das Kapitel 2: Stand der Technik gibt einen Überblick über die Warteschlangentheorie, Zeit-behaftete Petri Netze, weitere Leistungsbeschreibungs- und Leistungsvorhersagungstechniken sowie die Verwendung von Hierarchien in Leistungsbeschreibungstechniken. Die Beschreibung von FMC-QE in Kapitel 3 enthält die Erläuterung der Grundlagen von FMC-QE, die Beschreibung einiger Grundannahmen, der graphischen Notation, dem mathematischen Modell und einem erläuternden Beispiel. In Kapitel 4: Erweiterungen von FMC-QE wird die Behandlung weiterer allgemeiner Modelle, wie die Modellklasse von geschlossenen Netzen, Synchronisierung und Mehrklassen-Modelle beschrieben. Außerdem wird FMC-QE mit dem Stand der Technik verglichen. In Kapitel 5 werden Machbarkeitsstudien beschrieben. Schließlich werden in Kapitel 6 eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Proceedings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, Juni 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
KW  - FMC-QE
KW  - Quantitative Modellierung
KW  - Leistungsvorhersage
KW  - Warteschlangentheorie
KW  - Zeitbehaftete Petri Netze
KW  - FMC-QE
KW  - Quantitative Modeling
KW  - Performance Prediction
KW  - Queuing Theory
KW  - Time Augmented Petri Nets
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52987
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