TY  - CHAP
A1  - Curzon, Paul
A1  - Kalas, Ivan
A1  - Schubert, Sigrid
A1  - Schaper, Niclas
A1  - Barnes, Jan
A1  - Kennewell, Steve
A1  - Bröker, Kathrin
A1  - Kastens, Uwe
A1  - Magenheim, Johannes
A1  - Dagiene, Valentina
A1  - Stupuriene, Gabriele
A1  - Ellis, Jason Brent
A1  - Abreu-Ellis, Carla Reis
A1  - Grillenberger, Andreas
A1  - Romeike, Ralf
A1  - Haugsbakken, Halvdan
A1  - Jones, Anthony
A1  - Lewin, Cathy
A1  - McNicol, Sarah
A1  - Nelles, Wolfgang
A1  - Neugebauer, Jonas
A1  - Ohrndorf, Laura
A1  - Schaper, Niclas
A1  - Schubert, Sigrid
A1  - Opel, Simone
A1  - Kramer, Matthias
A1  - Trommen, Michael
A1  - Pottbäcker, Florian
A1  - Ilaghef, Youssef
A1  - Passig, David
A1  - Tzuriel, David
A1  - Kedmi, Ganit Eshel
A1  - Saito, Toshinori
A1  - Webb, Mary
A1  - Weigend, Michael
A1  - Bottino, Rosa
A1  - Chioccariello, Augusto
A1  - Christensen, Rhonda
A1  - Knezek, Gerald
A1  - Gioko, Anthony Maina
A1  - Angondi, Enos Kiforo
A1  - Waga, Rosemary
A1  - Ohrndorf, Laura
A1  - Or-Bach, Rachel
A1  - Preston, Christina
A1  - Younie, Sarah
A1  - Przybylla, Mareen
A1  - Romeike, Ralf
A1  - Reynolds, Nicholas
A1  - Swainston, Andrew
A1  - Bendrups, Faye
A1  - Sysło, Maciej M.
A1  - Kwiatkowska, Anna Beata
A1  - Zieris, Holger
A1  - Gerstberger, Herbert
A1  - Müller, Wolfgang
A1  - Büchner, Steffen
A1  - Opel, Simone
A1  - Schiller, Thomas
A1  - Wegner, Christian
A1  - Zender, Raphael
A1  - Lucke, Ulrike
A1  - Diethelm, Ira
A1  - Syrbe, Jörn
A1  - Lai, Kwok-Wing
A1  - Davis, Niki
A1  - Eickelmann, Birgit
A1  - Erstad, Ola
A1  - Fisser, Petra
A1  - Gibson, David
A1  - Khaddage, Ferial
A1  - Knezek, Gerald
A1  - Micheuz, Peter
A1  - Kloos, Carlos Delgado
ED  - Brinda, Torsten
ED  - Reynolds, Nicholas
ED  - Romeike, Ralf
ED  - Schwill, Andreas
T1  - KEYCIT 2014
BT  - key competencies in informatics and ICT
N2  - In our rapidly changing world it is increasingly important not only to be an expert in a chosen field of study but also to be able to respond to developments, master new approaches to solving problems, and fulfil changing requirements in the modern world and in the job market. In response to these needs key competencies in understanding, developing and using new digital technologies are being brought into focus in school and university programmes. The IFIP TC3 conference "KEYCIT – Key Competences in Informatics and ICT (KEYCIT 2014)" was held at the University of Potsdam in Germany from July 1st to 4th, 2014 and addressed the combination of key competencies, Informatics and ICT in detail. The conference was organized into strands focusing on secondary education, university education and teacher education (organized by IFIP WGs 3.1 and 3.3) and provided a forum to present and to discuss research, case studies, positions, and national perspectives in this field.
T3  - Commentarii informaticae didacticae (CID) - 7 
KW  - Schlüsselkompetenzen
KW  - Informatik
KW  - Bildung
KW  - ICT
KW  - Informatikdidaktik
KW  - Key Competencies
KW  - Informatics
KW  - education
KW  - ICT
KW  - Computer Science Education
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-70325
SN  - 978-3-86956-292-6
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kluth, Stephan
T1  - Quantitative modeling and analysis with FMC-QE
T1  - Quantitative Modellierung und Analyse mit FMC-QE
N2  - The modeling and evaluation calculus FMC-QE, the Fundamental Modeling Concepts for Quanti-tative Evaluation [1], extends the Fundamental Modeling Concepts (FMC) for performance modeling and prediction. In this new methodology, the hierarchical service requests are in the main focus, because they are the origin of every service provisioning process. Similar to physics, these service requests are a tuple of value and unit, which enables hierarchical service request transformations at the hierarchical borders and therefore the hierarchical modeling. Through reducing the model complexity of the models by decomposing the system in different hierarchical views, the distinction between operational and control states and the calculation of the performance values on the assumption of the steady state, FMC-QE has a scalable applica-bility on complex systems. According to FMC, the system is modeled in a 3-dimensional hierarchical representation space, where system performance parameters are described in three arbitrarily fine-grained hierarchi-cal bipartite diagrams. The hierarchical service request structures are modeled in Entity Relationship Diagrams. The static server structures, divided into logical and real servers, are de-scribed as Block Diagrams. The dynamic behavior and the control structures are specified as Petri Nets, more precisely Colored Time Augmented Petri Nets. From the structures and pa-rameters of the performance model, a hierarchical set of equations is derived. The calculation of the performance values is done on the assumption of stationary processes and is based on fundamental laws of the performance analysis: Little's Law and the Forced Traffic Flow Law. Little's Law is used within the different hierarchical levels (horizontal) and the Forced Traffic Flow Law is the key to the dependencies among the hierarchical levels (vertical). This calculation is suitable for complex models and allows a fast (re-)calculation of different performance scenarios in order to support development and configuration decisions. Within the Research Group Zorn at the Hasso Plattner Institute, the work is embedded in a broader research in the development of FMC-QE. While this work is concentrated on the theoretical background, description and definition of the methodology as well as the extension and validation of the applicability, other topics are in the development of an FMC-QE modeling and evaluation tool and the usage of FMC-QE in the design of an adaptive transport layer in order to fulfill Quality of Service and Service Level Agreements in volatile service based environments. This thesis contains a state-of-the-art, the description of FMC-QE as well as extensions of FMC-QE in representative general models and case studies. In the state-of-the-art part of the thesis in chapter 2, an overview on existing Queueing Theory and Time Augmented Petri Net models and other quantitative modeling and evaluation languages and methodologies is given. Also other hierarchical quantitative modeling frameworks will be considered. The description of FMC-QE in chapter 3 consists of a summary of the foundations of FMC-QE, basic definitions, the graphical notations, the FMC-QE Calculus and the modeling of open queueing networks as an introductory example. The extensions of FMC-QE in chapter 4 consist of the integration of the summation method in order to support the handling of closed networks and the modeling of multiclass and semaphore scenarios. Furthermore, FMC-QE is compared to other performance modeling and evaluation approaches. In the case study part in chapter 5, proof-of-concept examples, like the modeling of a service based search portal, a service based SAP NetWeaver application and the Axis2 Web service framework will be provided. Finally, conclusions are given by a summary of contributions and an outlook on future work in chapter 6. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Procee-dings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, pages 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, June 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
N2  - FMC-QE (Fundamental Modeling Concepts for Quantitative Evaluation [1]) ist eine auf FMC, den Fundamental Modeling Concepts, basierende Methodik zur Modellierung des Leistungsverhaltens von Systemen mit einem dazugehörenden Kalkül zur Erstellung von Leistungsvorhersagen wie Antwortzeiten und Durchsatz. In dieser neuen Methodik steht die Modellierung der hierarchischen Bedienanforderungen im Mittelpunkt, da sie der Ursprung aller dienstbasierenden Systeme sind. Wie in der Physik sind in FMC-QE die Bedienanforderungen Tupel aus Wert und Einheit, um Auftragstransformationen an Hierarchiegrenzen zu ermöglichen. Da die Komplexität durch eine Dekomposition in mehreren Sichten und in verschiedene hierarchische Schichten, die Unterscheidung von Operations- und Kontrollzuständen, sowie dazugehörige Berechungen unter Annahme der Stationarität reduziert wird, skaliert die Anwendbarkeit von FMC-QE auf komplexe Systeme. Gemäß FMC wird das zu modellierende System in einem 3-dimensionalen hierarchischen Beschreibungsraum dargestellt. Die quantitativen Kenngrößen der Systeme werden in drei beliebig frei-granularen hierarchischen bi-partiten Graphen beschrieben. Die hierarchische Struktur der Bedienanforderungen wird in Entity Relationship Diagrammen beschrieben. Die statischen Bedienerstrukturen, unterteilt in logische und reale Bediener, sind in Aufbaudiagrammen erläutert. Außerdem werden Petri Netze, genauer Farbige Zeit-behaftete Petri Netze, dazu verwendet, die dynamischen Abläufe, sowie die Kontrollflüsse im System zu beschreiben. Anschließend wird eine Menge von hierarchischen Gleichungen von der Struktur und den Parametern des Modells abgeleitet. Diese Gleichungen, die auf dem stationären Zustand des Systems beruhen, basieren auf den beiden Fundamental Gesetzen der Leistungsanalyse, dem Gesetz von Little und dem Verkehrsflussgesetz. Das Gesetz von Little definiert hierbei Beziehungen innerhalb einer hierarchischen Schicht (horizontal) und das Verkehrsflussgesetz wiederum Beziehungen zwischen hierarchischen Schichten (vertikal). Die Berechungen erlauben Leistungsvorhersagen für komplexe Systeme durch eine effiziente Berechnung von Leistungsgrößen für eine große Auswahl von System- und Lastkonfigurationen. Innerhalb der Forschungsgruppe von Prof. Dr.-Ing Werner Zorn am Hasso Plattner Institut an der Universität Potsdam ist die vorliegende Arbeit in einen größeren Forschungskontext im Bereich FMC-QE eingebettet. Während hier ein Fokus auf dem theoretischen Hintergrund, der Beschreibung und der Definition der Methodik als auch der Anwendbarkeit und Erweiterung gelegt wurde, sind andere Arbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung einer Anwendung zur Modellierung und Evaluierung von Systemen mit FMC-QE bzw. der Verwendung von FMC-QE zur Entwicklung einer adaptiven Transportschicht zur Einhaltung von Dienstgüten (Quality of Service) und Dienstvereinbarungen (Service Level Agreements) in volatilen dienstbasierten Systemen beheimatet. Diese Arbeit umfasst einen Einblick in den Stand der Technik, die Beschreibung von FMC-QE sowie die Weiterentwicklung von FMC-QE in repräsentativen allgemeinen Modellen und Fallstudien. Das Kapitel 2: Stand der Technik gibt einen Überblick über die Warteschlangentheorie, Zeit-behaftete Petri Netze, weitere Leistungsbeschreibungs- und Leistungsvorhersagungstechniken sowie die Verwendung von Hierarchien in Leistungsbeschreibungstechniken. Die Beschreibung von FMC-QE in Kapitel 3 enthält die Erläuterung der Grundlagen von FMC-QE, die Beschreibung einiger Grundannahmen, der graphischen Notation, dem mathematischen Modell und einem erläuternden Beispiel. In Kapitel 4: Erweiterungen von FMC-QE wird die Behandlung weiterer allgemeiner Modelle, wie die Modellklasse von geschlossenen Netzen, Synchronisierung und Mehrklassen-Modelle beschrieben. Außerdem wird FMC-QE mit dem Stand der Technik verglichen. In Kapitel 5 werden Machbarkeitsstudien beschrieben. Schließlich werden in Kapitel 6 eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Proceedings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, Juni 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
KW  - FMC-QE
KW  - Quantitative Modellierung
KW  - Leistungsvorhersage
KW  - Warteschlangentheorie
KW  - Zeitbehaftete Petri Netze
KW  - FMC-QE
KW  - Quantitative Modeling
KW  - Performance Prediction
KW  - Queuing Theory
KW  - Time Augmented Petri Nets
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52987
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ahmad, Nadeem
T1  - People centered HMI’s for deaf and functionally illiterate users
T1  - Menschen zentrierte Mensch-Maschine-Schnittstellen für Schwerhörige und ungeschulte Anwender
N2  - The objective and motivation behind this research is to provide applications with easy-to-use interfaces to communities of deaf and functionally illiterate users, which enables them to work without any human assistance. Although recent years have witnessed technological advancements, the availability of technology does not ensure accessibility to information and communication technologies (ICT). Extensive use of text from menus to document contents means that deaf or functionally illiterate can not access services implemented on most computer software. Consequently, most existing computer applications pose an accessibility barrier to those who are unable to read fluently. Online technologies intended for such groups should be developed in continuous partnership with primary users and include a thorough investigation into their limitations, requirements and usability barriers. In this research, I investigated existing tools in voice, web and other multimedia technologies to identify learning gaps and explored ways to enhance the information literacy for deaf and functionally illiterate users. I worked on the development of user-centered interfaces to increase the capabilities of deaf and low literacy users by enhancing lexical resources and by evaluating several multimedia interfaces for them. The interface of the platform-independent Italian Sign Language (LIS) Dictionary has been developed to enhance the lexical resources for deaf users. The Sign Language Dictionary accepts Italian lemmas as input and provides their representation in the Italian Sign Language as output. The Sign Language dictionary has 3082 signs as set of Avatar animations in which each sign is linked to a corresponding Italian lemma. I integrated the LIS lexical resources with MultiWordNet (MWN) database to form the first LIS MultiWordNet(LMWN). LMWN contains information about lexical relations between words, semantic relations between lexical concepts (synsets), correspondences between Italian and sign language lexical concepts and semantic fields (domains). The approach enhances the deaf users’ understanding of written Italian language and shows that a relatively small set of lexicon can cover a significant portion of MWN. Integration of LIS signs with MWN made it useful tool for computational linguistics and natural language processing. The rule-based translation process from written Italian text to LIS has been transformed into service-oriented system. The translation process is composed of various modules including parser, semantic interpreter, generator, and spatial allocation planner. This translation procedure has been implemented in the Java Application Building Center (jABC), which is a framework for extreme model driven design (XMDD). The XMDD approach focuses on bringing software development closer to conceptual design, so that the functionality of a software solution could be understood by someone who is unfamiliar with programming concepts. The transformation addresses the heterogeneity challenge and enhances the re-usability of the system. For enhancing the e-participation of functionally illiterate users, two detailed studies were conducted in the Republic of Rwanda. In the first study, the traditional (textual) interface was compared with the virtual character-based interactive interface. The study helped to identify usability barriers and users evaluated these interfaces according to three fundamental areas of usability, i.e. effectiveness, efficiency and satisfaction. In another study, we developed four different interfaces to analyze the usability and effects of online assistance (consistent help) for functionally illiterate users and compared different help modes including textual, vocal and virtual character on the performance of semi-literate users. In our newly designed interfaces the instructions were automatically translated in Swahili language. All the interfaces were evaluated on the basis of task accomplishment, time consumption, System Usability Scale (SUS) rating and number of times the help was acquired. The results show that the performance of semi-literate users improved significantly when using the online assistance. The dissertation thus introduces a new development approach in which virtual characters are used as additional support for barely literate or naturally challenged users. Such components enhanced the application utility by offering a variety of services like translating contents in local language, providing additional vocal information, and performing automatic translation from text to sign language. Obviously, there is no such thing as one design solution that fits for all in the underlying domain. Context sensitivity, literacy and mental abilities are key factors on which I concentrated and the results emphasize that computer interfaces must be based on a thoughtful definition of target groups, purposes and objectives.
N2  - Das Ziel und die Motivation hinter dieser Forschungsarbeit ist es, Anwendungen mit benutzerfreundlichen Schnittstellen für Gehörlose und Analphabeten bereitzustellen, welche es ihnen ermöglichen ohne jede menschliche Unterstützung zu arbeiten. Obwohl es in den letzten Jahren technologische Fortschritte gab, garantiert allein die Verfügbarkeit von Technik nicht automatisch die Zugänglichkeit zu Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT). Umfangreiche Verwendung von Texten in Menüs bis hin zu Dokumenten führen dazu, dass Gehörlose und funktionale Analphabeten auf diese Dienste, die auf Computersystemen existieren, nicht zugreifen können. Folglich stellen die meisten bestehenden EDV-Anwendungen für diejenigen eine Hürde dar, die nicht fließend lesen können. Onlinetechnologien für solche Art von Gruppen sollten in kontinuierlichem Austausch mit den Hauptnutzern entwickelt werden und gründliche Untersuchung ihrer Einschränkungen, Anforderungen und Nutzungsbarrieren beinhalten. In dieser Forschungsarbeit untersuche ich vorhandene Tools im Bereich von Sprach-, Web- und anderen Multimedia-Technologien, um Lernlücken zu identifizieren und Wege zu erforschen, welche die Informationsalphabetisierung für Gehörlose und Analphabeten erweitert. Ich arbeitete an der Entwicklung einer nutzerzentrierten Schnittstelle, um die Fähigkeiten von Gehörlosen und Nutzern mit schlechter Alphabetisierung durch Verbesserung der lexikalischen Ressourcen und durch Auswertung mehrerer Multimediaschnittstellen zu erhöhen. Die Schnittstelle des plattformunabhängigen, italienischen Gebärdensprachen (LIS) Wörterbuches wurde entwickelt, um die lexikalischen Quellen für gehörlose Anwender zu verbessern. Ich integriere die LIS-lexikalischen Ressourcen mit der MultiWordNet (MWN)-Datenbank, um das erste LIS MultiWordNet (LMWN) zu bilden. LMWN enthält Informationen über lexikalische Beziehungen zwischen Wörtern, semantische Beziehungen zwischen lexikalischen Konzepten (Synsets), Gemeinsamkeiten zwischen italienischer und Gebärdensprache-lexikalischen Konzepten und semantischen Feldern (Domänen). Der Ansatz erhöht das Verständnis der tauben Nutzer geschriebene, italienischen Sprache zu verstehen und zeigt, dass ein relativ kleiner Satz an Lexika den wesentlichen Teil der MWN abdecken kann. Die Integration von LIS-Zeichen mit MWN machte es zu einem nützlichen Werkzeug für Linguistik und Sprachverarbeitung. Der regelbasierte Übersetzungsprozess von geschriebenem, italienischem Text zu LIS wurde in ein Service-orientiertes System überführt. Der Übersetzungsprozess besteht aus verschiedenen Modulen, einschließlich einem Parser, einem semantischen Interpreter, einem Generator und einem räumlichen Zuordnungs-Planer. Diese Übersetzungsprozedur wurde im Java Application Building Center (jABC) implementiert, welches ein Framework für das eXtrem Model Driven Design (XMDD) ist. Der XMDD-Ansatz konzentriert sich darauf die Softwareentwicklung näher zum konzeptionellen Design zu bringen, sodass die Funktionalität einer Softwarelösung von jemandem verstanden werden kann, der mit Programmierkonzepten unvertraut ist. Die Transformation richtet sich an die heterogene Herausforderung und verbessert die Wiederverwendbarkeit des Systems. Zur Verbesserung der E-Partizipation der funktionalen Analphabeten wurden zwei detaillierte Studien in der Republik Ruanda durchgeführt. In der ersten Studie wurde die traditionelle, textuelle Schnittstelle mit der virtuellen, charakterbasierten, interaktiven Schnittstelle verglichen. Diese Studie hat dazu beigetragen Barrieren der Benutzerfreundlichkeit zu identifizieren. Anwender evaluierten die Schnittstellen bezüglich drei grundlegender Bereiche der Benutzerfreundlichkeit: Effektivität, Effizienz und Zufriedenstellung bei der Problemlösung. In einer anderen Studie entwickelten wir vier verschiedene Schnittstellen, um die Benutzerfreundlichkeit und die Effekte der Online-Hilfe (konsequente Hilfe) für funktionale Analphabeten zu analysieren und verglichen verschiedene Hilfsmodi (einschließlich zusätzlicher Textinformationen, Audio-Unterstützung und mit Hilfe eines virtuellen Charakters) bezüglich der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von teilweisen Analphabeten, um ihre Zielstellung zu erreichen. In unseren neu gestalteten Schnittstellen wurden Anweisungen automatisch in die Swahili Sprache übersetzt. Alle Schnittstellen wurden auf der Grundlage der Aufgabenbewältigung, des Zeitaufwands, der System Usability Scale (SUS) Rate und der Anzahl der Hilfegesuche bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der teilweisen Analphabeten bei Nutzung der Online-Hilfe signifikant verbessert wurde. Diese Dissertation stellt somit einen neuen Entwicklungsansatz dar, bei welchem virtuelle Charaktere als zusätzliche Unterstützung genutzt werden, um Nutzer, die kaum lesen können oder sonstig eingeschränkt sind, zu unterstützen. Solche Komponenten erweitern die Anwendungsnutzbarkeit indem sie eine Vielzahl von Diensten wie das Übersetzen von Inhalten in eine Landessprache, das Bereitstellen von zusätzlichen akustisch, gesprochenen Informationen und die Durchführung einer automatischen Übersetzung von Text in Gebärdensprache bereitstellen. Offensichtlich gibt ist keine One Design-Lösung, die für alle zugrundeliegenden Domänen passt. Kontextsensitivität, Alphabetisierung und geistigen Fähigkeiten sind Schlüsselfaktoren, auf welche ich mich konzentriere. Die Ergebnisse unterstreichen, dass Computerschnittstellen auf einer exakten Definition der Zielgruppen, dem Zweck und den Zielen basieren müssen.
KW  - Mensch-Computer-Interaktion
KW  - assistive Technologien
KW  - HCI
KW  - user interfaces
KW  - sign language
KW  - online assistance
KW  - assistive technologies
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70391
ER  - 
TY  - BOOK
ED  - Lambrecht, Anna-Lena
ED  - Margaria, Tizian
T1  - Process design for natural scientists
BT  - an agile model-driven approach
T3  - Communications in computer and information science ; 500
N2  - This book presents an agile and model-driven approach to manage scientific workflows. The approach is based on the Extreme Model Driven Design (XMDD) paradigm and aims at simplifying and automating the complex data analysis processes carried out by scientists in their day-to-day work. Besides documenting the impact the workflow modeling might have on the work of natural scientists, this book serves three major purposes: 1. It acts as a primer for practitioners who are interested to learn how to think in terms of services and workflows when facing domain-specific scientific processes. 2. It provides interesting material for readers already familiar with this kind of tools, because it introduces systematically both the technologies used in each case study and the basic concepts behind them. 3. As the addressed thematic field becomes increasingly relevant for lectures in both computer science and experimental sciences, it also provides helpful material for teachers that plan similar courses.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
PB  - Springer
CY  - Wiesbaden
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wust, Johannes
T1  - Mixed workload managment for in-memory databases
BT  - executing mixed workloads of enterprise applications with TAMEX
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Teske, Daniel
T1  - Geocoder accuracy ranking
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - Finding an address on a map is sometimes tricky: the chosen map application may be unfamiliar with the enclosed region. There are several geocoders on the market, they have different databases and algorithms to compute the query. Consequently, the geocoding results differ in their quality. Fortunately the geocoders provide a rich set of metadata. The workflow described in this paper compares this metadata with the aim to find out which geocoder is offering the best-fitting coordinate for a given address.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 161
EP  - 174
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sens, Henriette
T1  - Web-Based map generalization tools put to the test: a jABC workflow
JF  - Process Design for Natural Scientists: an agile model-driven approach
N2  - Geometric generalization is a fundamental concept in the digital mapping process. An increasing amount of spatial data is provided on the web as well as a range of tools to process it. This jABC workflow is used for the automatic testing of web-based generalization services like mapshaper.org by executing its functionality, overlaying both datasets before and after the transformation and displaying them visually in a .tif file. Mostly Web Services and command line tools are used to build an environment where ESRI shapefiles can be uploaded, processed through a chosen generalization service and finally visualized in Irfanview.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 175
EP  - 185
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Noack, Franziska
T1  - CREADED: Colored-Relief application for digital elevation data
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - In the geoinformatics field, remote sensing data is often used for analyzing the characteristics of the current investigation area. This includes DEMs, which are simple raster grids containing grey scales representing the respective elevation values. The project CREADED that is presented in this paper aims at making these monochrome raster images more significant and more intuitively interpretable. For this purpose, an executable interactive model for creating a colored and relief-shaded Digital Elevation Model (DEM) has been designed using the jABC framework. The process is based on standard jABC-SIBs and SIBs that provide specific GIS functions, which are available as Web services, command line tools and scripts.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 186
EP  - 199
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Respondek, Tobias
T1  - A workflow for computing potential areas for wind turbines
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - This paper describes the implementation of a workflow model for service-oriented computing of potential areas for wind turbines in jABC. By implementing a re-executable model the manual effort of a multi-criteria site analysis can be reduced. The aim is to determine the shift of typical geoprocessing tools of geographic information systems (GIS) from the desktop to the web. The analysis is based on a vector data set and mainly uses web services of the “Center for Spatial Information Science and Systems” (CSISS). This paper discusses effort, benefits and problems associated with the use of the web services.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
IS  - 500
SP  - 200
EP  - 215
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Scheele, Lasse
T1  - Location analysis for placing artificial reefs
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - Location analyses are among the most common tasks while working with spatial data and geographic information systems. Automating the most frequently used procedures is therefore an important aspect of improving their usability. In this context, this project aims to design and implement a workflow, providing some basic tools for a location analysis. For the implementation with jABC, the workflow was applied to the problem of finding a suitable location for placing an artificial reef. For this analysis three parameters (bathymetry, slope and grain size of the ground material) were taken into account, processed, and visualized with the The Generic Mapping Tools (GMT), which were integrated into the workflow as jETI-SIBs. The implemented workflow thereby showed that the approach to combine jABC with GMT resulted in an user-centric yet user-friendly tool with high-quality cartographic outputs.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 216
EP  - 228
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Holler, Robin
T1  - GraffDok - a graffiti documentation application
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - GraffDok is an application helping to maintain an overview over sprayed images somewhere in a city. At the time of writing it aims at vandalism rather than at beautiful photographic graffiti in an underpass. Looking at hundreds of tags and scribbles on monuments, house walls, etc. it would be interesting to not only record them in writing but even make them accessible electronically, including images.
GraffDok’s workflow is simple and only requires an EXIF-GPS-tagged photograph of a graffito. It automatically determines its location by using reverse geocoding with the given GPS-coordinates and the Gisgraphy WebService. While asking the user for some more meta data, GraffDok analyses the image in parallel with this and tries to detect fore- and background – before extracting the drawing lines and make them stand alone. The command line based tool ImageMagick is used here as well as for accessing EXIF data.
Any meta data is written to csv-files, which will stay easily accessible and can be integrated in TeX-files as well. The latter ones are converted to PDF at the end of the workflow, containing a table about all graffiti and a summary for each – including the generated characteristic graffiti pattern image.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 239
EP  - 251
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Reso, Judith
ED  - Lambrecht, Anna-Lena
ED  - Margaria, Tiziana
T1  - Protein Classification Workflow
JF  - Process Design for Natural Scientists: an agile model-driven approach
N2  - The protein classification workflow described in this report enables users to get information about a novel protein sequence automatically. The information is derived by different bioinformatic analysis tools which calculate or predict features of a protein sequence. Also, databases are used to compare the novel sequence with known proteins.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 65
EP  - 72
PB  - Springer Verlag
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schulze, Gunnar
T1  - Workflow for rapid metagenome analysis
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - Analyses of metagenomes in life sciences present new opportunities as well as challenges to the scientific community and call for advanced computational methods and workflows. The large amount of data collected from samples via next-generation sequencing (NGS) technologies render manual approaches to sequence comparison and annotation unsuitable. Rather, fast and efficient computational pipelines are needed to provide comprehensive statistics and summaries and enable the researcher to choose appropriate tools for more specific analyses. The workflow presented here builds upon previous pipelines designed for automated clustering and annotation of raw sequence reads obtained from next-generation sequencing technologies such as 454 and Illumina. Employing specialized algorithms, the sequence reads are processed at three different levels. First, raw reads are clustered at high similarity cutoff to yield clusters which can be exported as multifasta files for further analyses. Independently, open reading frames (ORFs) are predicted from raw reads and clustered at two strictness levels to yield sets of non-redundant sequences and ORF families. Furthermore, single ORFs are annotated by performing searches against the Pfam database
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 88
EP  - 100
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Vierheller, Janine
ED  - Lambrecht, Anna-Lena
ED  - Margaria, Tiziana
T1  - Exploratory Data Analysis
JF  - Process Design for Natural Scientists: an agile model-driven approach
N2  - In bioinformatics the term exploratory data analysis refers to different methods to get an overview of large biological data sets. Hence, it helps to create a framework for further analysis and hypothesis testing. The workflow facilitates this first important step of the data analysis created by high-throughput technologies. The results are different plots showing the structure of the measurements. The goal of the workflow is the automatization of the exploratory data analysis, but also the flexibility should be guaranteed. The basic tool is the free software R.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 110
EP  - 126
PB  - Axel Springer Verlag
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schütt, Christine
T1  - Identification of differentially expressed genes
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - With the jABC it is possible to realize workflows for numerous questions in different fields. The goal of this project was to create a workflow for the identification of differentially expressed genes. This is of special interest in biology, for it gives the opportunity to get a better insight in cellular changes due to exogenous stress, diseases and so on. With the knowledge that can be derived from the differentially expressed genes in diseased tissues, it becomes possible to find new targets for treatment.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 127
EP  - 139
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kuntzsch, Christian
T1  - Visualization of data transfer paths
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - A workflow for visualizing server connections using the Google Maps API was built in the jABC. It makes use of three basic services: An XML-based IP address geolocation web service, a command line tool and the Static Maps API. The result of the workflow is an URL leading to an image file of a map, showing server connections between a client and a target host.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 140
EP  - 148
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hibbe, Marcel
ED  - Lambrecht, Anna-Lena
ED  - Margaria, Tiziana
T1  - Spotlocator - Guess Where the Photo Was Taken!
JF  - Process Design for Natural Scientists: an agile model-driven approach
N2  - Spotlocator is a game wherein people have to guess the spots of where photos were taken. The photos of a defined area for each game are from panoramio.com. They are published at http://spotlocator. drupalgardens.com with an ID. Everyone can guess the photo spots by sending a special tweet via Twitter that contains the hashtag #spotlocator, the guessed coordinates and the ID of the photo. An evaluation is published for all tweets. The players are informed about the distance to the real photo spots and the positions are shown on a map.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 149
EP  - 160
PB  - Springer Verlag
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Blaese, Leif
T1  - Data mining for unidentified protein squences
JF  - Process design for natural scientists: an agile model-driven approach
N2  - Through the use of next generation sequencing (NGS) technology, a lot of newly sequenced organisms are now available. Annotating those genes is one of the most challenging tasks in sequence biology. Here, we present an automated workflow to find homologue proteins, annotate sequences according to function and create a three-dimensional model.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 73
EP  - 87
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Lis, Monika
ED  - Lambrecht, Anna-Lena
ED  - Margaria, Tiziana
T1  - Constructing a Phylogenetic Tree
JF  - Process Design for Natural Scientists: an agile model-driven approach
N2  - In this project I constructed a workflow that takes a DNA sequence as input and provides a phylogenetic tree, consisting of the input sequence and other sequences which were found during a database search. In this phylogenetic tree the sequences are arranged depending on similarities. In bioinformatics, constructing phylogenetic trees is often used to explore the evolutionary relationships of genes or organisms and to understand the mechanisms of evolution itself.
Y1  - 2014
SN  - 978-3-662-45005-5
SN  - 1865-0929
IS  - 500
SP  - 101
EP  - 109
PB  - Springer Verlag
CY  - Berlin
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: <b>Establishing a performance measure based on information theory:</b> I have critically illuminated the assumptions of Shannon's information transfer rate for application in a BCI context. By establishing suitable coding strategies I was able to show that this theoretical measure approximates quite well to what is practically achieveable. <b>Transfer and development of suitable signal processing and machine learning techniques:</b> One substantial component of my work was to develop several machine learning and signal processing algorithms to improve the efficiency of a BCI. Based on the neurophysiological knowledge that several independent EEG features can be observed for some mental states, I have developed a method for combining different and maybe independent features which improved performance. In some cases the performance of the combination algorithm outperforms the best single performance by more than 50 %. Furthermore, I have theoretically and practically addressed via the development of suitable algorithms the question of the optimal number of classes which should be used for a BCI. It transpired that with BCI performances reported so far, three or four different mental states are optimal. For another extension I have combined ideas from signal processing with those of machine learning since a high gain can be achieved if the temporal filtering, i.e., the choice of frequency bands, is automatically adapted to each subject individually. <b>Implementation of the Berlin brain computer interface and realization of suitable experiments:</b> Finally a further substantial component of my work was to realize an online BCI system which includes the developed methods, but is also flexible enough to allow the simple realization of new algorithms and ideas. So far, bitrates of up to 40 bits per minute have been achieved with this system by absolutely untrained users which, compared to results of other groups, is highly successful.
N2  - Ein Brain-Computer Interface (BCI) ist eine unidirektionale Schnittstelle zwischen Mensch und Computer, bei der ein Mensch in der Lage ist, ein Gerät einzig und allein Kraft seiner Gehirnsignale zu steuern. In den BCI Systemen fast aller Forschergruppen wird der Mensch in Experimenten über Wochen oder sogar Monaten trainiert, geeignete Signale zu produzieren, die vordefinierten allgemeinen Gehirnmustern entsprechen. Die BCI Gruppe in Berlin und Potsdam, der ich angehöre, war in diesem Feld eine der ersten, die erkannt hat, dass eine Anpassung des Verarbeitungssystems an den Menschen mit Hilfe der Techniken des Maschinellen Lernens große Vorteile mit sich bringt. In unserer Gruppe und mittlerweile auch in vielen anderen Gruppen wird BCI somit als aktuelles Forschungsthema im Maschinellen Lernen und folglich in der Informatik mit interdisziplinärer Natur in Neurowissenschaften und anderen Feldern verstanden, da durch die geeignete Kombination von Techniken des Maschinellen Lernens und der Signalverarbeitung basierend auf neurophysiologischem Wissen der größte Erfolg erzielt werden konnte. In dieser Arbeit gehe ich auf meinem Anteil an diesem Projekt ein, der vor allem im Informatikbereich der BCI Forschung liegt. Im Detail beschäftige ich mich mit den folgenden drei Punkten: <b>Diskussion eines informationstheoretischen Maßes für die Güte eines BCI's:</b> Ich habe kritisch die Annahmen von Shannon's Informationsübertragungsrate für die Anwendung im BCI Kontext beleuchtet. Durch Ermittlung von geeigneten Kodierungsstrategien konnte ich zeigen, dass dieses theoretische Maß den praktisch erreichbaren Wert ziemlich gut annähert. <b>Transfer und Entwicklung von geeigneten Techniken aus dem Bereich der Signalverarbeitung und des Maschinellen Lernens:</b> Eine substantielle Komponente meiner Arbeit war die Entwicklung von Techniken des Machinellen Lernens und der Signalverarbeitung, um die Effizienz eines BCI's zu erhöhen. Basierend auf dem neurophysiologischem Wissen, dass verschiedene unabhängige Merkmale in Gehirnsignalen für verschiedene mentale Zustände beobachtbar sind, habe ich eine Methode zur Kombination von verschiedenen und unter Umständen unabhängigen Merkmalen entwickelt, die sehr erfolgreich die Fähigkeiten eines BCI's verbessert. Besonders in einigen Fällen übertraf die Leistung des entwickelten Kombinationsalgorithmus die beste Leistung auf den einzelnen Merkmalen mit mehr als 50 %. Weiterhin habe ich theoretisch und praktisch durch Einführung geeigneter Algorithmen die Frage untersucht, wie viele Klassen man für ein BCI nutzen kann und sollte. Auch hier wurde ein relevantes Resultat erzielt, nämlich dass für BCI Güten, die bis heute berichtet sind, die Benutzung von 3 oder 4 verschiedenen mentalen Zuständen in der Regel optimal im Sinne von erreichbarer Leistung sind. Für eine andere Erweiterung wurden Ideen aus der Signalverarbeitung mit denen des Maschinellen Lernens kombiniert, da ein hoher Erfolg erzielt werden kann, wenn der temporale Filter, d.h. die Wahl des benutzten Frequenzbandes, automatisch und individuell für jeden Menschen angepasst wird. <b>Implementation des Berlin Brain-Computer Interfaces und Realisierung von geeigneten Experimenten:</b> Eine weitere wichtige Komponente meiner Arbeit war eine Realisierung eines online BCI Systems, welches die entwickelten Methoden umfasst, aber auch so flexibel ist, dass neue Algorithmen und Ideen einfach zu verwirklichen sind. Bis jetzt wurden mit diesem System Bitraten von bis zu 40 Bits pro Minute von absolut untrainierten Personen in ihren ersten BCI Experimenten erzielt. Dieses Resultat übertrifft die bisher berichteten Ergebnisse aller anderer BCI Gruppen deutlich.  <hr> Bemerkung: Der Autor wurde mit dem Michelson-Preis 2005/2006 für die beste Promotion des Jahrgangs der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam ausgezeichnet.
KW  - Kybernetik
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Gehirn-Computer-Schnittstelle
KW  - BCI
KW  - EEG
KW  - Spatio-Spectral Filter
KW  - Feedback
KW  - Multi-Class
KW  - Classification
KW  - Signal Processing
KW  - Brain Computer Interface
KW  - Information Transfer Rate
KW  - Machine Learning
KW  - Single Trial Analysis
KW  - Feature Combination
KW  - Common Spatial Pattern
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7690
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  - 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  - 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
ER  - 
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
ER  - 
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
ER  - 
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
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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
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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
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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
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TY  - THES
A1  - Ishebabi, Harold
T1  - Architecture synthesis for adaptive multiprocessor systems on chip
T1  - Architektursynthese adaptiver On-Chip Multiprozessor-Systeme
N2  - This thesis presents methods for automated synthesis of flexible chip multiprocessor systems from parallel programs targeted at FPGAs to exploit both task-level parallelism and architecture customization. Automated synthesis is necessitated by the complexity of the design space. A detailed description of the design space is provided in order to determine which parameters should be modeled to facilitate automated synthesis by optimizing a cost function, the emphasis being placed on inclusive modeling of parameters from application, architectural and physical subspaces, as well as their joint coverage in order to avoid pre-constraining the design space. Given a parallel program and a set of an IP library, the automated synthesis problem is to simultaneously (i) select processors (ii) map and schedule tasks to them, and (iii) select one or several networks for inter-task communications such that design constraints and optimization objectives are met. The research objective in this thesis is to find a suitable model for automated synthesis, and to evaluate methods of using the model for architectural optimizations. Our contributions are a holistic approach for the design of such systems, corresponding models to facilitate automated synthesis, evaluation of optimization methods using state of the art integer linear and answer set programming, as well as the development of synthesis heuristics to solve runtime challenges.
N2  - Aktuelle Technologien erlauben es komplexe Multiprozessorsysteme auf einem Chip mit Milliarden von Transistoren zu realisieren. Der Entwurf solcher Systeme ist jedoch zeitaufwendig und schwierig. Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, wie On-Chip Multiprozessorsysteme ausgehend von parallelen Programmen automatisch synthetisiert werden können. Die Implementierung der Multiprozessorsysteme auf rekonfigurierbaren Chips erlaubt es die gesamte Architektur an die Struktur eines vorliegenden parallelen Programms anzupassen. Auf diese Weise ist es möglich die aktuellen technologischen Unzulänglichkeiten zu umgehen, insbesondere die nicht weitersteigende Taktfrequenzen sowie den langsamen Zugriff auf Datenspeicher. Eine Automatisierung des Entwurfs von Multiprozessorsystemen ist notwendig, da der Entwurfsraum von Multiprozessorsystemen zu groß ist, um vom Menschen überschaut zu werden. In einem ersten Ansatz wurde das Syntheseproblem mittels linearer Gleichungen modelliert, die dann durch lineare Programmierungswerkzeuge gelöst werden können. Ausgehend von diesem Ansatz wurde untersucht, wie die typischerweise langen Rechenzeiten solcher Optimierungsmethoden durch neuere Methode aus dem Gebiet der Erfüllbarkeitsprobleme der Aussagenlogik minimiert werden können. Dabei wurde die Werkzeugskette Potassco verwendet, in der lineare Programme direkt in Logikprogramme übersetzt werden können. Es wurde gezeigt, dass dieser zweite Ansatz die Optimierungszeit um bis zu drei Größenordnungen beschleunigt. Allerdings lassen sich große Syntheseprobleme auf diese weise wegen Speicherbegrenzungen nicht lösen. Ein weiterer Ansatz zur schnellen automatischen Synthese bietet die Verwendung von Heuristiken. Es wurden im Rahmen diese Arbeit drei Heuristiken entwickelt, die die Struktur des vorliegenden Syntheseproblems ausnutzen, um die Optimierungszeit zu minimieren. Diese Heuristiken wurden unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse entwickelt, deren Ursprung in der mathematische Struktur des Syntheseproblems liegt. Dadurch lassen sich optimale Architekturen in kurzer Zeit ermitteln. Die durch diese Dissertation offen gewordene Forschungsarbeiten sind u. a. die Berücksichtigung der zeitlichen Reihenfolge des Datenaustauschs zwischen parallelen Tasks, die Optimierung des logik-basierten Ansatzes, die Integration von Prozessor- und Netzwerksimulatoren zur funktionalen Verifikation synthetisierter Architekturen, sowie die Entwicklung geeigneter Architekturkomponenten.
KW  - Multiprozessor
KW  - rekonfigurierbar
KW  - Synthese
KW  - Parallelrechner
KW  - Exploration
KW  - Multiprocessor
KW  - Reconfigurable
KW  - High-Level Synthesis
KW  - Parallel Programming
KW  - Exploration
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41316
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TY  - THES
A1  - 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
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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
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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 <B>V</B> der Daten <B>X</B> zu finden, sodass die Komponenten Un der transformierten Daten <B>U</B> = <B> V X</B> (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 <Signalverarbeitung>
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
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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  - 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  - JOUR
A1  - Hollmann, Susanne
A1  - Frohme, Marcus
A1  - Endrullat, Christoph
A1  - Kremer, Andreas
A1  - D’Elia, Domenica
A1  - Regierer, Babette
A1  - Nechyporenko, Alina
T1  - Ten simple rules on how to write a standard operating procedure
JF  - PLOS Computational Biology
N2  - Research publications and data nowadays should be publicly available on the internet and, theoretically, usable for everyone to develop further research, products, or services. The long-term accessibility of research data is, therefore, fundamental in the economy of the research production process. However, the availability of data is not sufficient by itself, but also their quality must be verifiable. Measures to ensure reuse and reproducibility need to include the entire research life cycle, from the experimental design to the generation of data, quality control, statistical analysis, interpretation, and validation of the results. Hence, high-quality records, particularly for providing a string of documents for the verifiable origin of data, are essential elements that can act as a certificate for potential users (customers). These records also improve the traceability and transparency of data and processes, therefore, improving the reliability of results. Standards for data acquisition, analysis, and documentation have been fostered in the last decade driven by grassroot initiatives of researchers and organizations such as the Research Data Alliance (RDA). Nevertheless, what is still largely missing in the life science academic research are agreed procedures for complex routine research workflows. Here, well-crafted documentation like standard operating procedures (SOPs) offer clear direction and instructions specifically designed to avoid deviations as an absolute necessity for reproducibility. Therefore, this paper provides a standardized workflow that explains step by step how to write an SOP to be used as a starting point for appropriate research documentation.
Y1  - 2020
VL  - 16
IS  - 9
PB  - PLOS
CY  - San Francisco
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Pousttchi, Key
A1  - Gleiß, Alexander
T1  - Surrounded by middlemen - how multi-sided platforms change the insurance industry
JF  - Electron Markets
N2  - Multi-sided platforms (MSP) strongly affect markets and play a crucial part within the digital and networked economy. Although empirical evidence indicates their occurrence in many industries, research has not investigated the game-changing impact of MSP on traditional markets to a sufficient extent. More specifically, we have little knowledge of how MSP affect value creation and customer interaction in entire markets, exploiting the potential of digital technologies to offer new value propositions. Our paper addresses this research gap and provides an initial systematic approach to analyze the impact of MSP on the insurance industry. For this purpose, we analyze the state of the art in research and practice in order to develop a reference model of the value network for the insurance industry. On this basis, we conduct a case-study analysis to discover and analyze roles which are occupied or even newly created by MSP. As a final step, we categorize MSP with regard to their relation to traditional insurance companies, resulting in a classification scheme with four MSP standard types: Competition, Coordination, Cooperation, Collaboration.
KW  - Multi-sided platforms
KW  - Insurance industry
KW  - Value network
KW  - Digitalization
KW  - Customer ownership
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.1007/s12525-019-00363-w
SN  - 1019-6781
SN  - 1422-8890
VL  - 29
IS  - 4
SP  - 609
EP  - 629
PB  - Springer
CY  - Heidelberg
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Giannini, Paola
A1  - Richter, Tim
A1  - Servetto, Marco
A1  - Zucca, Elena
T1  - Tracing sharing in an imperative pure calculus
JF  - Science of computer programming
N2  - We introduce a type and effect system, for an imperative object calculus, which infers sharing possibly introduced by the evaluation of an expression, represented as an equivalence relation among its free variables. This direct representation of sharing effects at the syntactic level allows us to express in a natural way, and to generalize, widely-used notions in literature, notably uniqueness and borrowing. Moreover, the calculus is pure in the sense that reduction is defined on language terms only, since they directly encode store. The advantage of this non-standard execution model with respect to a behaviorally equivalent standard model using a global auxiliary structure is that reachability relations among references are partly encoded by scoping. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.
KW  - Imperative calculi
KW  - Sharing
KW  - Type and effect systems
Y1  - 2018
U6  - https://doi.org/10.1016/j.scico.2018.11.007
SN  - 0167-6423
SN  - 1872-7964
VL  - 172
SP  - 180
EP  - 202
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bordihn, Henning
A1  - Vaszil, György
T1  - Deterministic Lindenmayer systems with dynamic control of parallelism
JF  - International journal of foundations of computer science
N2  - M-rate 0L systems are interactionless Lindenmayer systems together with a function assigning to every string a set of multisets of productions that may be applied simultaneously to the string. Some questions that have been left open in the forerunner papers are examined, and the computational power of deterministic M-rate 0L systems is investigated, where also tabled and extended variants are taken into consideration.
KW  - parallel rewriting
KW  - Lindenmayer systems
KW  - restricted parallelism
KW  - determinism
KW  - developmental systems
KW  - formal languages
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.1142/S0129054120400031
SN  - 0129-0541
SN  - 1793-6373
VL  - 31
IS  - 1
SP  - 37
EP  - 51
PB  - World Scientific
CY  - Singapore
ER  - 
TY  - THES
A1  - Buchholz, Henrik
T1  - Real-time visualization of 3D city models
T1  - Echtzeit-Visualisierung von 3D-Stadtmodellen
N2  - An increasing number of applications requires user interfaces that facilitate the handling of large geodata sets. Using virtual 3D city models, complex geospatial information can be communicated visually in an intuitive way. Therefore, real-time visualization of virtual 3D city models represents a key functionality for interactive exploration, presentation, analysis, and manipulation of geospatial data. This thesis concentrates on the development and implementation of concepts and techniques for real-time city model visualization. It discusses rendering algorithms as well as complementary modeling concepts and interaction techniques. Particularly, the work introduces a new real-time rendering technique to handle city models of high complexity concerning texture size and number of textures. Such models are difficult to handle by current technology, primarily due to two problems: - Limited texture memory: The amount of simultaneously usable texture data is limited by the memory of the graphics hardware. - Limited number of textures: Using several thousand different textures simultaneously causes significant performance problems due to texture switch operations during rendering. The multiresolution texture atlases approach, introduced in this thesis, overcomes both problems. During rendering, it permanently maintains a small set of textures that are sufficient for the current view and the screen resolution available. The efficiency of multiresolution texture atlases is evaluated in performance tests. To summarize, the results demonstrate that the following goals have been achieved: - Real-time rendering becomes possible for 3D scenes whose amount of texture data exceeds the main memory capacity. - Overhead due to texture switches is kept permanently low, so that the number of different textures has no significant effect on the rendering frame rate. Furthermore, this thesis introduces two new approaches for real-time city model visualization that use textures as core visualization elements: - An approach for visualization of thematic information. - An approach for illustrative visualization of 3D city models. Both techniques demonstrate that multiresolution texture atlases provide a basic functionality for the development of new applications and systems in the domain of city model visualization.
N2  - Eine zunehmende Anzahl von Anwendungen benötigt Benutzungsschnittstellen, um den Umgang mit großen Geodatenmengen zu ermöglichen. Virtuelle 3D-Stadtmodelle bieten eine Möglichkeit, komplexe raumbezogene Informationen auf intuitive Art und Weise visuell erfassbar zu machen. Echtzeit-Visualisierung virtueller Stadtmodelle bildet daher eine Grundlage für die interaktive Exploration, Präsentation, Analyse und Bearbeitung raumbezogener Daten. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung von Konzepten und Techniken für die Echtzeit-Visualisierung virtueller 3D-Stadtmodelle. Diese umfassen sowohl Rendering-Algorithmen als auch dazu komplementäre Modellierungskonzepte und Interaktionstechniken. Insbesondere wird in dieser Arbeit eine neue Echtzeit-Rendering-Technik für Stadtmodelle hoher Komplexität hinsichtlich Texturgröße und Texturanzahl vorgestellt. Solche Modelle sind durch die derzeit zur Verfügung stehende Technologie schwierig zu bewältigen, vor allem aus zwei Gründen: - Begrenzter Textur-Speicher: Die Menge an gleichzeitig nutzbaren Texturdaten ist beschränkt durch den Speicher der Grafik-Hardware. - Begrenzte Textur-Anzahl: Die gleichzeitige Verwendung mehrerer tausend Texturen verursacht erhebliche Performance-Probleme aufgrund von Textur-Umschaltungs-Operationen während des Renderings. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren, das Rendering mit Multiresolutions-Texturatlanten löst beide Probleme. Während der Darstellung wird dazu permanent eine kleine Textur-Menge verwaltet, die für die aktuelle Sichtperspektive und die zur Verfügung stehende Bildschirmauflösung hinreichend ist. Die Effizienz des Verfahrens wird in Performance-Tests untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die folgenden Ziele erreicht werden: - Echtzeit-Darstellung wird für Modelle möglich, deren Texturdaten-Menge die Kapazität des Hauptspeichers übersteigt. - Der Overhead durch Textur-Umschaltungs-Operationen wird permanent niedrig gehalten, so dass die Anzahl der unterschiedlichen Texturen keinen wesentlichen Einfluss auf die Bildrate der Darstellung hat. Die Arbeit stellt außerdem zwei neue Ansätze zur 3D-Stadtmodell-Visualisierung vor, in denen Texturen als zentrale Visualisierungselemente eingesetzt werden: - Ein Verfahren zur Visualisierung thematischer Informationen. - Ein Verfahren zur illustrativen Visualisierung von 3D-Stadtmodellen. Beide Ansätze zeigen, dass Rendering mit Multiresolutions-Texturatlanten eine Grundlage für die Entwicklung neuer Anwendungen und Systeme im Bereich der 3D-Stadtmodell-Visualisierung bietet.
KW  - Computergrafik
KW  - Geovisualisierung
KW  - 3D-Stadtmodelle
KW  - Texturen
KW  - computer graphics
KW  - geovisualization
KW  - 3d city models
KW  - textures
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13337
ER  - 
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
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bickel, Steffen
T1  - Learning under differing training and test distributions
T1  - Lernen mit unterschiedlichen Trainings- und Testverteilungen
N2  - One of the main problems in machine learning is to train a predictive model from training data and to make predictions on test data. Most predictive models are constructed under the assumption that the training data is governed by the exact same distribution which the model will later be exposed to. In practice, control over the data collection process is often imperfect. A typical scenario is when labels are collected by questionnaires and one does not have access to the test population. For example, parts of the test population are underrepresented in the survey, out of reach, or do not return the questionnaire. In many applications training data from the test distribution are scarce because they are difficult to obtain or very expensive. Data from auxiliary sources drawn from similar distributions are often cheaply available. This thesis centers around learning under differing training and test distributions and covers several problem settings with different assumptions on the relationship between training and test distributions-including multi-task learning and learning under covariate shift and sample selection bias. Several new models are derived that directly characterize the divergence between training and test distributions, without the intermediate step of estimating training and test distributions separately. The integral part of these models are rescaling weights that match the rescaled or resampled training distribution to the test distribution. Integrated models are studied where only one optimization problem needs to be solved for learning under differing distributions. With a two-step approximation to the integrated models almost any supervised learning algorithm can be adopted to biased training data. In case studies on spam filtering, HIV therapy screening, targeted advertising, and other applications the performance of the new models is compared to state-of-the-art reference methods.
N2  - Eines der wichtigsten Probleme im Maschinellen Lernen ist das Trainieren von Vorhersagemodellen aus Trainingsdaten und das Ableiten von Vorhersagen für Testdaten. Vorhersagemodelle basieren üblicherweise auf der Annahme, dass Trainingsdaten aus der gleichen Verteilung gezogen werden wie Testdaten. In der Praxis ist diese Annahme oft nicht erfüllt, zum Beispiel, wenn Trainingsdaten durch Fragebögen gesammelt werden. Hier steht meist nur eine verzerrte Zielpopulation zur Verfügung, denn Teile der Population können unterrepräsentiert sein, nicht erreichbar sein, oder ignorieren die Aufforderung zum Ausfüllen des Fragebogens. In vielen Anwendungen stehen nur sehr wenige Trainingsdaten aus der Testverteilung zur Verfügung, weil solche Daten teuer oder aufwändig zu sammeln sind. Daten aus alternativen Quellen, die aus ähnlichen Verteilungen gezogen werden, sind oft viel einfacher und günstiger zu beschaffen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Lernen von Vorhersagemodellen aus Trainingsdaten, deren Verteilung sich von der Testverteilung unterscheidet. Es werden verschiedene Problemstellungen behandelt, die von unterschiedlichen Annahmen über die Beziehung zwischen Trainings- und Testverteilung ausgehen. Darunter fallen auch Multi-Task-Lernen und Lernen unter Covariate Shift und Sample Selection Bias. Es werden mehrere neue Modelle hergeleitet, die direkt den Unterschied zwischen Trainings- und Testverteilung charakterisieren, ohne dass eine einzelne Schätzung der Verteilungen nötig ist. Zentrale Bestandteile der Modelle sind Gewichtungsfaktoren, mit denen die Trainingsverteilung durch Umgewichtung auf die Testverteilung abgebildet wird. Es werden kombinierte Modelle zum Lernen mit verschiedenen Trainings- und Testverteilungen untersucht, für deren Schätzung nur ein einziges Optimierungsproblem gelöst werden muss. Die kombinierten Modelle können mit zwei Optimierungsschritten approximiert werden und dadurch kann fast jedes gängige Vorhersagemodell so erweitert werden, dass verzerrte Trainingsverteilungen korrigiert werden. In Fallstudien zu Email-Spam-Filterung, HIV-Therapieempfehlung, Zielgruppenmarketing und anderen Anwendungen werden die neuen Modelle mit Referenzmethoden verglichen.
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Verteilungsunterschied
KW  - Selektionsbias
KW  - Multi-Task-Lernen
KW  - Machine Learning
KW  - Covariate Shift
KW  - Sample Selection Bias
KW  - Multi Task Learning
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-33331
ER  - 
TY  - THES
A1  - Awad, Ahmed Mahmoud Hany Aly
T1  - A compliance management framework for business process models
T1  - Ein Compliance-Management-Framework für Geschäftsprozessmodelle
N2  - Companies develop process models to explicitly describe their business operations. In the same time, business operations, business processes, must adhere to various types of compliance requirements. Regulations, e.g., Sarbanes Oxley Act of 2002, internal policies, best practices are just a few sources of compliance requirements. In some cases, non-adherence to compliance requirements makes the organization subject to legal punishment. In other cases, non-adherence to compliance leads to loss of competitive advantage and thus loss of market share. Unlike the classical domain-independent behavioral correctness of business processes, compliance requirements are domain-specific. Moreover, compliance requirements change over time. New requirements might appear due to change in laws and adoption of new policies. Compliance requirements are offered or enforced by different entities that have different objectives behind these requirements. Finally, compliance requirements might affect different aspects of business processes, e.g., control flow and data flow. As a result, it is infeasible to hard-code compliance checks in tools. Rather, a repeatable process of modeling compliance rules and checking them against business processes automatically is needed. This thesis provides a formal approach to support process design-time compliance checking. Using visual patterns, it is possible to model compliance requirements concerning control flow, data flow and conditional flow rules. Each pattern is mapped into a temporal logic formula. The thesis addresses the problem of consistency checking among various compliance requirements, as they might stem from divergent sources. Also, the thesis contributes to automatically check compliance requirements against process models using model checking. We show that extra domain knowledge, other than expressed in compliance rules, is needed to reach correct decisions. In case of violations, we are able to provide a useful feedback to the user. The feedback is in the form of parts of the process model whose execution causes the violation. In some cases, our approach is capable of providing automated remedy of the violation.
N2  - Firmen entwickeln Prozessmodelle um ihre Geschäftstätigkeit explizit zu beschreiben. Geschäftsprozesse müssen verschiedene Arten von Compliance-Anforderungen einhalten. Solche Compliance-Anforderungen entstammen einer Vielzahl von Quellen, z.B. Verordnung wie dem Sarbanes Oxley Act von 2002, interne Richtlinien und Best Practices. Die Nichteinhaltung von Compliance-Anforderungen kann zu gesetzlichen Strafen oder dem Verlust von Wettbewerbsvorteilen und somit dem Verlust von Marktanteilen führen. Im Gegensatz zum klassischen, domänen-unabhängigen Begriff der Korrektheit von Geschäftsprozessen, sind Compliance-Anforderungen domain-spezifisch und ändern sich im Laufe der Zeit. Neue Anforderungen resultieren aus neuen Gesetzen und der Einführung neuer Unternehmensrichtlinien. Aufgrund der Vielzahl der Quellen für Compliance-Anforderungen, können sie unterschiedliche Ziele verfolgen und somit widersprüchliche Aussagen treffen. Schließlich betreffen Compliance-Anforderungen verschiedene Aspekte von Geschäftsprozessen, wie Kontrollfluss- und Datenabhängigkeiten. Auf Grund dessen können Compliance-Prüfungen nicht direkt Hard-coded werden. Vielmehr ist ein Prozess der wiederholten Modellierung von Compliance-Regeln und ihrer anschließenden automatischen Prüfung gegen die Geschäftsprozesse nötig. Diese Dissertation stellt einen formalen Ansatz zur Überprüfung der Einhaltung von Compliance-Regeln während der Spezifikation von Geschäftsprozessen vor. Mit visuellen Mustern ist es möglich, Compliance-Regeln hinsichtlich Kontrollfluss- und Datenabhängigkeiten sowie bedingte Regeln zu spezifizieren. Jedes Muster wird in eine Formel der temporalen Logik abgebildet. Die Dissertation behandelt das Problem der Konsistenzprüfung zwischen verschiedenen Compliance-Anforderungen, wie sie sich aus unterschiedlichen Quellen ergeben können. Ebenfalls zeigt diese Dissertation, wie Compliance-Regeln gegen die Geschäftsprozesse automatisch mittels Model Checking geprüft werden. Es wird aufgezeigt, dass zusätzliche Domänen-Kenntnisse notwendig sind, um richtige Entscheidungen zu treffen. Der vorgestelle Ansatz ermöglicht nützliches Feedback für Modellierer im Fall eines Compliance-Verstoßes. Das Feedback wird in Form von Teilen des Prozessmodells gegeben, deren Ausführung die Verletzung verursacht. In einigen Fällen ist der vorgestellte Ansatz in der Lage, den Compliance-Verstoß automatisch zu beheben.
KW  - Geschäftsprozessmodelle
KW  - Compliance
KW  - Temporallogik
KW  - Verletzung Erklärung
KW  - Verletzung Auflösung
KW  - Business Process Models
KW  - Compliance
KW  - Temporal Logic
KW  - Violation Explanation
KW  - Violation Resolution
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49222
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wist, Dominic
T1  - Attacking complexity in logic synthesis of asynchronous circuits
T1  - Komplexitätsbewältigung in der Logiksynthese asynchroner Schaltungen
N2  - Most of the microelectronic circuits fabricated today are synchronous, i.e. they are driven by one or several clock signals. Synchronous circuit design faces several fundamental challenges such as high-speed clock distribution, integration of multiple cores operating at different clock rates, reduction of power consumption and dealing with voltage, temperature, manufacturing and runtime variations. Asynchronous or clockless design plays a key role in alleviating these challenges, however the design and test of asynchronous circuits is much more difficult in comparison to their synchronous counterparts. A driving force for a widespread use of asynchronous technology is the availability of mature EDA (Electronic Design Automation) tools which provide an entire automated design flow starting from an HDL (Hardware Description Language) specification yielding the final circuit layout. Even though there was much progress in developing such EDA tools for asynchronous circuit design during the last two decades, the maturity level as well as the acceptance of them is still not comparable with tools for synchronous circuit design. In particular, logic synthesis (which implies the application of Boolean minimisation techniques) for the entire system's control path can significantly improve the efficiency of the resulting asynchronous implementation, e.g. in terms of chip area and performance. However, logic synthesis, in particular for asynchronous circuits, suffers from complexity problems. Signal Transitions Graphs (STGs) are labelled Petri nets which are a widely used to specify the interface behaviour of speed independent (SI) circuits - a robust subclass of asynchronous circuits. STG decomposition is a promising approach to tackle complexity problems like state space explosion in logic synthesis of SI circuits. The (structural) decomposition of STGs is guided by a partition of the output signals and generates a usually much smaller component STG for each partition member, i.e. a component STG with a much smaller state space than the initial specification. However, decomposition can result in component STGs that in isolation have so-called irreducible CSC conflicts (i.e. these components are not SI synthesisable anymore) even if the specification has none of them. A new approach is presented to avoid such conflicts by introducing internal communication between the components. So far, STG decompositions are guided by the finest output partitions, i.e. one output per component. However, this might not yield optimal circuit implementations. Efficient heuristics are presented to determine coarser partitions leading to improved circuits in terms of chip area. For the new algorithms correctness proofs are given and their implementations are incorporated into the decomposition tool DESIJ. The presented techniques are successfully applied to some benchmarks - including 'real-life' specifications arising in the context of control resynthesis - which delivered promising results.
N2  - Moderner Schaltungsentwurf fokussiert hauptsächlich synchrone Schaltungstechnik mit allen inhärenten Problemen. Asynchone (d.h. ungetaktete) Schaltungen zeichnen sich jedoch nicht nur durch das Fehlen der Taktversatzproblematik gegenüber ihren synchronen Pendents aus, sondern auch insbesondere durch geringeren Energieverbrauch, günstigere EMV-Eigenschaften, hohe Performance, Modularität und Robustheit gegenüber Schwankungen in der Spannungsversorgung, im Herstellungsprozess sowie Temperaturunterschieden. Diese Vorteile werden mit höherer Integration sowie höheren Taktraten signifikanter. Jedoch ist der Entwurf und auch der Test asynchroner Schaltungen erheblich schwieriger verglichen mit synchronen Schaltungen. Entwurfswerkzeuge zur Synthese asynchroner Schaltungen aus Hochsprachen-Spezifikationen sind zwar inzwischen verfügbar, sie sind jedoch noch nicht so ausgereift und bei weitem noch nicht so akzeptiert in der Industrie, wie ihre Äquivalente für den synchronen Schaltungsentwurf. Insbesondere fehlt es an Werkzeugunterstützung im Bereich der Logiksynthese komplexer Steuerungen („Controller“), welche kritisch für die Effizienz – z.B. in Bezug auf Chipfläche und Geschwindigkeit – der resultierenden Schaltungen oder Systeme ist. Zur Spezifikation von Steuerungen haben sich Signalflankengraphen („signal transition graphs“, STGs) bewährt, die auch als Entwurfseinstieg für eine Logiksynthese von SI-Schaltungen („speed independent“) verwendet werden. (SI-Schaltungen gelten als sehr robuste asynchrone Schaltungen.) Aus den STGs werden zwecks Logiksynthese Automaten abgeleitet werden, deren Zustandszahl aber oft prohibitiv groß werden kann. Durch sogenannte STG-Dekomposition wird die Logiksynthese einer komplexen Schaltung ermöglicht, was bislang aufgrund von Zustandsexplosion oft nicht möglich war. Dabei wird der Spezifikations-STG laut einer gegebenen Partition von Ausgangssignalen in viele kleinere Teilnetze dekomponiert, wobei zu jedem Partitionsblock ein Teilnetz – mit normalerweise signifikant kleinerem Zustandsraum im Vergleich zur Spezifikation – erzeugt wird. Zu jedem Teilnetz wird dann eine Teilschaltung (Komponente) mittels Logiksynthese generiert. Durch die Anwendung von STG-Dekomposition können jedoch Teilnetze erzeugt werden, die sogenannte irreduzible CSC-Konflikte aufweisen (d.h. zu diesen Teilnetzen kann keine SI-Schaltung erzeugt werden), obwohl die Spezifikation keine solchen Konflikte hatte. Diese Arbeit präsentiert einen neuen Ansatz, welcher die Entstehung solcher irreduziblen Konflikte vermeidet, und zwar durch die Einführung interner Kommunikation zwischen den (zu den Teilnetzen gehörenden) Schaltungskomponenten. Bisher werden STG-Dekompositionen total durchgeführt, d.h. pro resultierender Komponente wird ein Ausgangssignal erzeugt. Das führt gewöhnlich nicht zu optimalen Schaltungsimplementierungen. In dieser Arbeit werden Heuristiken zur Bestimmung gröberer Ausgabepartitionen (d.h. Partitionsblöcke mit mehreren Ausgangssignalen) vorgestellt, die zu kleineren Schaltungen führen. Die vorgestellten Algorithmen werden formal abgesichert und wurden in das bereits vorhandene Dekompositionswerkzeug DESIJ integriert. An praxisrelevanten Beispielen konnten die vorgestellten Verfahren erfolgreich erprobt werden.
KW  - Asynchrone Schaltung
KW  - Logiksynthese
KW  - Komplexitätsbewältigung
KW  - STG-Dekomposition
KW  - CSC
KW  - asynchronous circuit
KW  - logic synthesis
KW  - speed independence
KW  - STG decomposition
KW  - CSC
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59706
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bordihn, Henning
A1  - Vaszil, György
T1  - Reversible parallel communicating finite automata systems
JF  - Acta informatica
N2  - We study the concept of reversibility in connection with parallel communicating systems of finite automata (PCFA in short). We define the notion of reversibility in the case of PCFA (also covering the non-deterministic case) and discuss the relationship of the reversibility of the systems and the reversibility of its components. We show that a system can be reversible with non-reversible components, and the other way around, the reversibility of the components does not necessarily imply the reversibility of the system as a whole. We also investigate the computational power of deterministic centralized reversible PCFA. We show that these very simple types of PCFA (returning or non-returning) can recognize regular languages which cannot be accepted by reversible (deterministic) finite automata, and that they can even accept languages that are not context-free. We also separate the deterministic and non-deterministic variants in the case of systems with non-returning communication. We show that there are languages accepted by non-deterministic centralized PCFA, which cannot be recognized by any deterministic variant of the same type.
KW  - Finite automata
KW  - Reversibility
KW  - Systems of parallel communicating
KW  - automata
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1007/s00236-021-00396-9
SN  - 0001-5903
SN  - 1432-0525
VL  - 58
IS  - 4
SP  - 263
EP  - 279
PB  - Springer
CY  - Berlin ; Heidelberg ; New York, NY
ER  - 
TY  - THES
A1  - Felgentreff, Tim
T1  - The Design and Implementation of Object-Constraint Programming
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böken, Björn
T1  - Improving prediction accuracy using dynamic information
N2  - Accurately solving classification problems nowadays is likely to be the most relevant machine learning task. Binary classification separating two classes only is algorithmically simpler but has fewer potential applications as many real-world problems are multi-class. On the reverse, separating only a subset of classes simplifies the classification task. Even though existing multi-class machine learning algorithms are very flexible regarding the number of classes, they assume that the target set Y is fixed and cannot be restricted once the training is finished. On the other hand, existing state-of-the-art production environments are becoming increasingly interconnected with the advance of Industry 4.0 and related technologies such that additional information can simplify the respective classification problems. In light of this, the main aim of this thesis is to introduce dynamic classification that generalizes multi-class classification such that the target class set can be restricted arbitrarily to a non-empty class subset M of Y at any time between two consecutive predictions.

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

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

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

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

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

 Abschließend wird eine umfangreiche empirische Studie durchgeführt, die alle neu eingeführten Verfahren mit denen aus dem Stand der Forschung vergleicht. Hierfür werden Bewertungsfunktionen für dynamische Klassifikation eingeführt, die auf Sampling-Strategien basieren. Anschließend werden diese im Rahmen einer dreiteiligen Studie angewendet. Zunächst werden Support Vector Machines und Random Forests auf 26 Referenzdatensätzen aus dem UCI Machine Learning Repository angewendet. Im zweiten Teil werden zwei moderne, tiefe neuronale Netze auf fünf Referenzdatensätzen aus einer relativ aktuellen Referenzarbeit ausgewertet. Hierbei sind insbesondere Strategien relevant, die die Anwendung der eingeführten Verfahren in Verbindung mit großen Modellen ermöglicht, da eine naive Vorgehensweise nicht durchführbar ist. Schließlich wird ein Referenzdatensatz aus einem Produktionsprozess gewonnen, der die Integration von dynamischen Klasseninformationen ermöglicht, und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass Pairwise-Coupling-Verfahren in Verbindung mit Support Vector Machines und Random Forests die besten Ergebnisse liefern, während in Verbindung mit tiefen neuronalen Netzen die Unterschiede zwischen den Verfahren oft klein bis vernachlässigbar sind. Am wichtigsten ist, dass alle Ergebnisse zeigen, dass dynamische Klassifikation die entsprechenden Erkennungsgenauigkeiten verbessert. Daher ist es entscheidend, dynamische Klasseninformationen in den entsprechenden Anwendungen zur Verfügung zu stellen, was eine entsprechende digitale Infrastruktur erfordert.
KW  - dynamic classification
KW  - multi-class classification
KW  - classifier calibration
KW  - evidence theory
KW  - Dempster–Shafer theory
KW  - Deep Learning
KW  - Deep Learning
KW  - Dempster-Shafer-Theorie
KW  - Klassifikator-Kalibrierung
KW  - dynamische Klassifikation
KW  - Evidenztheorie
KW  - Mehrklassen-Klassifikation
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-585125
ER  -