004 Datenverarbeitung; Informatik
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Aktuell gibt es in den Geisteswissenschaften eine Vielzahl von digitalen Werkzeugen, wie beispielsweise Annotations-, Visualisierungs-oder Analyseanwendungen, welche Forscherinnen bei ihrer Arbeitunterstützen und ihnen neue Möglichkeiten zur Bearbeitung unterschiedlicher Forschungsfragen bieten. Allerdings bleibt die Nutzung dieser Werkzeuge stark hinter den Erwartungen zurück. In der vorliegenden Arbeit werden im Rahmen einer Design-Science-Theorie zwölf Verbesserungsmaßnahmen entwickelt, um der fehlenden Nutzungsakzeptanz entgegenzuwirken. Durch die Implementierungen der entwickelten Design-Science-Theorie, können SoftwareentwicklerInnen die Akzeptanz ihrer digitalen Werkzeuge, im geisteswissenschaftlichen Kontext, steigern.
Viele Menschen kommunizieren und interagieren zunehmend über soziale Online-Netzwerke wie Twitter oder Facebook, oder tauschen Meinungen mit Freunden oder auch Fremden aus. Durch die zunehmende Verfügbarkeit des Internets wird auch Wissen für immer mehr Menschen offen verfügbar gemacht. Beispiele hierfür sind die Online-Enzyklopädie Wikipedia oder auch die vielfältigen Informationen in diversen Webforen und Webseiten. Diese zwei Netzwerkkategorien - Soziale Netzwerke und Wissensnetzwerke - verändern sich sehr schnell. Fast sekündlich befreunden sich neue Nutzer in sozialen Netzwerken und Wikipedia-Artikel werden überarbeitet und neu mit anderen Artikeln verlinkt. Diese Änderungen an der Verlinkung von Menschen oder Wissensbausteinen folgen bestimmten strukturellen Regeln und Charakteristiken, die weit weniger zufällig sind als man zunächst annehmen würde.
Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, drei charakteristische Verlinkungsmuster in diesen zwei Netzwerkkategorien vorherzusagen: das Hinzufügen von neuen Verlinkungen, das Entfernen bestehender Verbindungen und das Vorhandensein von latent negativen Verlinkungen. Zunächst widmen wir uns dem relativ neuen Problem der Vorhersage von Entlinkungen in einem Netzwerk. Hierzu gibt es zahlreiche soziologische Vorarbeiten, die nahelegen, dass die Ursachen zur Entstehung von Beziehungsabbrüchen komplementär zu den Gründen für neue Beziehungen sind. Obwohl diese Arbeiten eine strukturelle Ähnlichkeit der Probleme vermuten lassen, zeigen wir, dass beide Probleme nicht komplementär zueinander sind. Insbesondere zeigen wir, dass das dynamische Zusammenspiel von neuen Verlinkungen und Entlinkungen in Netzwerken durch die vier Zustände des Wachstums, des Zerfalls, der Stabilität und der Instabilität charakterisiert ist. Für Wissensnetzwerke zeigen wir, dass die Vorhersagbarkeit von Entlinkungen deutlich verbessert wird, wenn zeitliche Informationen wie der Zeitpunkt von einzelnen Netzwerkergeignissen mit genutzt werden. Wir präsentieren und evaluieren hierfür insgesamt vier verschiedene Strategien, die von zeitlichen Informationen Gebrauch machen. Für soziale Netzwerke analysieren wir, welche strukturellen Einflussfaktoren zur Entstehung und Löschung von Links zwischen Benutzern in Twitter indikativ sind. Auch hier zeigt sich, dass zeitliche Informationen darüber, dass eine Kante schon einmal gelöscht wurde, die Vorhersagbarkeit von Verlinkungen und insbesondere Entlinkungen enorm verbessert. Im letzten Teil der Doktorarbeit zeigen wir, wie negative Beziehungen (beispielsweise Misstrauen oder Feindschaft) aus positiven Beziehungen zwischen Nutzern (etwa Vertrauen und Freundschaft) abgeleitet werden können. Dies ist besonders relevant für Netzwerke, in denen nur positive Beziehungen kenntlich gemacht werden können. Für dieses Szenario zeigen wir, wie latent negative Beziehungen zwischen Nutzern dennoch erkannt werden können.
On the recognition of human activities and the evaluation of its imitation by robotic systems
(2023)
This thesis addresses the problem of action recognition through the analysis of human motion and the benchmarking of its imitation by robotic systems.
For our action recognition related approaches, we focus on presenting approaches that generalize well across different sensor modalities. We transform multivariate signal streams from various sensors to a common image representation. The action recognition problem on sequential multivariate signal streams can then be reduced to an image classification task for which we utilize recent advances in machine learning. We demonstrate the broad applicability of our approaches formulated as a supervised classification task for action recognition, a semi-supervised classification task for one-shot action recognition, modality fusion and temporal action segmentation.
For action classification, we use an EfficientNet Convolutional Neural Network (CNN) model to classify the image representations of various data modalities. Further, we present approaches for filtering and the fusion of various modalities on a representation level. We extend the approach to be applicable for semi-supervised classification and train a metric-learning model that encodes action similarity. During training, the encoder optimizes the distances in embedding space for self-, positive- and negative-pair similarities. The resulting encoder allows estimating action similarity by calculating distances in embedding space. At training time, no action classes from the test set are used.
Graph Convolutional Network (GCN) generalized the concept of CNNs to non-Euclidean data structures and showed great success for action recognition directly operating on spatio-temporal sequences like skeleton sequences. GCNs have recently shown state-of-the-art performance for skeleton-based action recognition but are currently widely neglected as the foundation for the fusion of various sensor modalities. We propose incorporating additional modalities, like inertial measurements or RGB features, into a skeleton-graph, by proposing fusion on two different dimensionality levels. On a channel dimension, modalities are fused by introducing additional node attributes. On a spatial dimension, additional nodes are incorporated into the skeleton-graph.
Transformer models showed excellent performance in the analysis of sequential data. We formulate the temporal action segmentation task as an object detection task and use a detection transformer model on our proposed motion image representations. Experiments for our action recognition related approaches are executed on large-scale publicly available datasets. Our approaches for action recognition for various modalities, action recognition by fusion of various modalities, and one-shot action recognition demonstrate state-of-the-art results on some datasets.
Finally, we present a hybrid imitation learning benchmark. The benchmark consists of a dataset, metrics, and a simulator integration. The dataset contains RGB-D image sequences of humans performing movements and executing manipulation tasks, as well as the corresponding ground truth. The RGB-D camera is calibrated against a motion-capturing system, and the resulting sequences serve as input for imitation learning approaches. The resulting policy is then executed in the simulated environment on different robots. We propose two metrics to assess the quality of the imitation. The trajectory metric gives insights into how close the execution was to the demonstration. The effect metric describes how close the final state was reached according to the demonstration. The Simitate benchmark can improve the comparability of imitation learning approaches.
In dieser Doktorarbeit beschreibe ich das spektrale Verhalten von großen, dynamischen Netzwerken und formuliere das spektrale Evolutionsmodell. Das spektrale Evolutionsmodell beschreibt das Wachstum von Netzwerken, die sich im Laufe der Zeit ändern, und charakterisiert ihre Eigenwert-und Singulärwertzerlegung. Das spektrale Evolutionsmodell sagt aus, dass im Laufe der Zeit die Eigenwerte eines Netzwerks wachsen, und die Eigenvektoren nahezu konstant bleiben. Ich validiere das spektrale Evolutionsmodell empirisch mit Hilfe von über einhundert Netzwerkdatensätzen, und theoretisch indem ich zeige,dass es eine gewisse Anzahl von bekannten Algorithmen zur Kantenvorhersage verallgemeinert, darunter Graph-Kernel, Pfad-Zähl-Methoden, Rangreduktion und Triangle-Closing.
Die Sammlung von Datensätzen, die ich verwende enthält 118 distinkte Datensätze. Ein Datensatz, das soziale Netzwerk mit negativen Kanten des Slashdot-Zoo, wurde speziell während des Verfassens dieser Arbeit extrahiert. Ich zeige auch, dass das spektrale Evolutionsmodell als Generalisierung des Preferential-Attachment-Modells verstanden werden kann, wenn Wachstum in latenten Dimensionen einzeln betrachtet wird. Als Anwendungen des spektralen Evolutionsmodells führe ich zwei neue Algorithmen zur Kantenvorhersage ein, die in Empfehlungssystemen, Suchmaschinen, im Collaborative-Filtering, für die Vorhersage von Bewertungen, für die Vorhersage von Kantenvorzeichen und mehr verwendet werden können. Der erste Kantenvorhersagealgorithmus ergibt ein eindimensionales Curve-Fitting-Problem, aus dem eine spektrale Transformation gelernt wird. Die zweite Methode verwendet Extrapolation von Eigenwerten, um zukünftige Eigenwerte vorherzusagen. Als Spezialfälle zeige ich, dass das spektrale Evolutionsmodell auf gerichtete, ungerichtete, gewichtete, ungewichtete, vorzeichenbehaftete und bipartite Graphen erweitert werden kann. Für vorzeichenbehaftete Graphen führe ich neue Anwendungen der Laplace-Matrix zur Graphzeichnung, zur spektralen Clusteranalyse, und beschreibe neue Laplace-Graph-Kernel, die auf vorzeichenbehaftete Graphen angewendet werden können.
Ich definiere dazu den algebraischen Konflikt, ein Maß für den Konflikt, der in einem vorzeichenbehafteten Graphen vorhanden ist, und das auf der vorzeichenbehafteten Laplace-Matrix begründet ist. Ich beschreibe das Problem der Vorhersage von Kantenvorzeichen spektral, und führe die vorzeichenbehaftete Widerstands-Distanz ein. Für bipartite und gerichtete Graphen führe ich den Sinus-Hyperbolicus-und ungeraden Neumann-Kernel ein, welche den Exponential- und den Neumann-Kernel für ungerichtete unipartite Graphen verallgemeinern. Ich zeige zudem, dass das Problem der gerichteten und bipartiten Kantenvorhersage verwandt sind, dadurch dass beide durch die Evolution der Singulärwertzerlegung gelöst werden können.
Die Umsetzung einer flexiblen Integration von Informationen aus verteilten und komplexen Informationssystemen stellt Unternehmen aktuell vor große Herausforderungen. Das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Ontologie-basierte Informationsintegrationskonzept SoNBO (Social Network of Business Objects) adressiert diese Herausforderungen. Bei einem Ontologie-basierten Konzept werden die Daten in den zu integrierenden Quellsystemen (z. B. betriebliche Anwendungssysteme) mithilfe eines Schemas (= Ontologie) beschrieben. Die Ontologie in Verbindung mit den Daten aus den Quellsystemen ergibt dann einen (virtualisierten oder materialisierten) Knowledge Graph, welcher für den Informationszugriff verwendet wird. Durch den Einsatz eines Schemas ist dieses flexibel auf die sich ändernden Bedürfnisse des Unternehmens bezüglich einer Informationsintegration anpassbar. SoNBO unterscheidet sich von existierenden Konzepten aus dem Semantic Web (OBDA = Ontology-based Data Access, EKG = Enterprise Knowledge Graph) sowohl im Aufbau der unternehmensspezifischen Ontologie (= Social Network of Concepts) als auch im Aufbau des nutzerspezifischen Knowledge Graphen (= Social Network of Business Objects) unter der Verwendung von sozialen Prinzipien (bekannt aus Enterprise Social Software). Aufbauend auf diesem SoNBO-Konzept wird das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte SoNBO-Framework (nach Design Science Research) zur Einführung von SoNBO in einem beliebigen Unternehmen und die aus der Evaluation (im Unternehmen KOSMOS Verlag) gewonnenen Erkenntnisse vorgestellt. Die Ergebnisse (SoNBO-Konzept und SoNBO-Framework) basieren auf der Synthese der Erkenntnisse zu Ontologie-basierter Informationsintegration aus dem Status quo in Praxis und Wissenschaft: Für den Status quo in der Praxis wird mithilfe einer Tiefenfallstudie (Ingenieurbüro Vössing) die grundlegende Idee zu SoNBO in Form einer vom Fallstudienunternehmen entwickelten und dort seit Jahren eingesetzten Individualsoftware analysiert. Für den Status quo in der Wissenschaft wird das Ergebnis einer im Rahmen der Dissertation durchgeführten strukturierten Literaturanalyse zu Ontologie-basierten Informationsintegrationsansätzen präsentiert. Diese Dissertation liefert damit einen Beitrag sowohl für die Wissenschaft (Erkenntnisgewinn im Bereich der Ontologie-basierten Informationsintegrationsansätze für die Wirtschaftsinformatik u. a. durch die Entwicklung eines evaluierten Artefaktes) als auch für die Praxis (Schaffung eines evaluierten Artefaktes).
Probability propagation nets
(2008)
In der vorliegenden Arbeit wird eine Petri-Netz-Repräsentation für die Propagation von Wahrscheinlichkeiten und Evidenzen (Likelihoods) vorgestellt und auf probabilistische Horn-Abduktion sowie Fehlerbäume und Bayes-Netze angewendet. Diese sogenannten Wahrscheinlichkeits-Propagations-Netze (probability propagation nets) machen Propagations-Prozesse transparent, indem sie strukturelle und dynamische Aspekte in einer homogenen Darstellung vereinen. Anhand populärer Beispiele wird verdeutlicht, dass Wahrscheinlichkeits-Propagations-Netze die Propagations-Prozesse - besonders im Hinblick auf die Bayes-Netz-Algorithmik - anschaulich darstellen und gut nachvollziehbar machen, so dass sie sich für die Analyse und Diagnose probabilistischer Modelle eignen. Durch die Repräsentation von Fehlerbäumen mit Wahrscheinlichkeits-Propagations-Netzen können diese Vorzüge auf die Modellierung technischer Systeme übertragen werden.
Die Diffusionsbildgebung misst die Bewegung von Wassermolekülen in Gewebe mittelsrnvariierender Gradientenfelder unter Verwendung der Magnetresonanztomographie(MRT). Diese Aufnahmetechnik stellt eine große Chance für in vivo Untersuchung von neuronalen Bahnen dar, da das lokale Diffusionsprofil Rückschlüsse über die Position und Richtung von Nervenbahnen erlaubt. Zu den Anwendungsgebieten der Diffusionsbildgebung zählt die Grundlagenforschung in den Neurowissenschaften, in denen Nervenbahnen als Verbindungen kortikaler Areale bestimmt werden, und die neurochirurgische Operationsplanung, in der rekonstruierte Bahnen als Risikostrukturen für Interventionen angesehen werden.
Die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) ist aufgrund ihrer schnellen Aufnahme- und Rekonstruktionsgeschwindigkeit derzeitig klinischer Standard zur Bestimmung von Nervenbahnen. Jedoch erlaubt die DT-MRT nicht die Darstellung von komplexen intravoxel Diffusionsverteilungen. Daher etablierte sich eine weitere Modellierungstechnik, die als High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) bekannt ist. HARDITechniken erhielten wachsendes Interesse in den Neurowissenschaften, da sie großes Potential zur exakteren Darstellung der Nervenbahnen im menschlichen Gehirn besitzen.
Um die Vorteile von HARDI-Techniken gegenüber DT-MRT voll auszuschöpfen, werden fortgeschrittene Methoden zur Rekonstruktion und Visualisierung der Bahnen benötigt. In der vorliegenden Arbeit werden neue Techniken vorgestellt, welche zur aktuellen Forschung hinsichtlich der Verarbeitung und Visualisierung von Diffusionsbildgebungsdaten beitragen. Ansätze zur Klassifizierung, Traktographie und Visualisierung wurden entwickelt um eine aussagekräftige Exploration neuronaler Bahnen und deren Beschaffenheit zu ermöglichen. Des Weiteren wurde eine interaktive Software für die neurochirurgische Operationsplanung implementiert, welche Nervenbahnen als Risikostrukturen berücksichtigt.
Die vorgestellten Forschungsergebnisse bieten einen erweiterten und aufgabenorientierten Einblick in neuronale Verbindungen sowohl für Neurowissenschaftler als auch für Neurochirurgen und tragen zum Einsatz von HARDI-Techniken in einer klinischen Umgebung bei.
Softwaresysteme haben einen zunehmenden Einfluss auf unser tägliches Leben. Viele Systeme verarbeiten sensitive Daten oder steuern wichtige Infrastruktur, was die Bereitstellung sicherer Software unabdingbar macht. Derartige Systeme werden aus Aufwands- und Kostengründen selten erneuert. Oftmals werden Systeme, die zu ihrem Entwurfszeitpunkt als sicheres System geplant und implementiert wurden, deswegen unsicher, weil sich die Umgebung dieser Systeme ändert. Dadurch, dass verschiedenste Systeme über das Internet kommunizieren, sind diese auch neuen Angriffsarten stetig ausgesetzt. Die Sicherheitsanforderungen an ein System bleiben unberührt, aber neue Erkenntnisse wie die Verwundbarkeit eines zum Entwurfszeitpunkt als sicher geltenden Verschlüsselungsalgorithmus erzwingen Änderungen am System. Manche Sicherheitsanforderungen können dabei nicht anhand des Designs sondern nur zur Laufzeit geprüft werden. Darüber hinaus erfordern plötzlich auftretende Sicherheitsverletzungen eine unverzügliche Reaktion, um eine Systemabschaltung vermeiden zu können. Wissen über geeignete Sicherheitsverfahren, Angriffe und Abwehrmechanismen ist grundsätzlich verfügbar, aber es ist selten in die Softwareentwicklung integriert und geht auf Evolutionen ein.
In dieser Arbeit wird untersucht, wie die Sicherheit langlebiger Software unter dem Einfluss von Kontext-Evolutionen bewahrt werden kann. Der vorgestellte Ansatz S²EC²O hat zum Ziel, die Sicherheit von Software, die modellbasiert entwickelt wird, mithilfe von Ko-Evolutionen wiederherzustellen.
Eine Ontologie-basierende Wissensbasis wird eingeführt, die sowohl allgemeines wie auch systemspezifisches, sicherheitsrelevantes Wissen verwaltet. Mittels einer Transformation wird die Verbindung der Wissensbasis zu UML-Systemmodellen hergestellt. Mit semantischen Differenzen, Inferenz von Wissen und der Erkennung von Inkonsistenzen in der Wissensbasis werden Kontext-Evolutionen erkannt.
Ein Katalog mit Regeln zur Verwaltung und Wiederherstellung von Sicherheitsanforderungen nutzt erkannte Kontext-Evolutionen, um mögliche Ko-Evolutionen für das Systemmodell vorzuschlagen, welche die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen wiederherstellen.
S²EC²O unterstützt Sicherheitsannotationen, um Modelle und Code zum Zwecke einer Laufzeitüberwachung zu koppeln. Die Adaption laufender Systeme gegen Bedrohungen wird ebenso betrachtet wie Roundtrip-Engineering, um Erkenntnisse aus der Laufzeit in das System-Modell zu integrieren.
S²EC²O wird ergänzt um eine prototypische Implementierung. Diese wird genutzt, um die Anwendbarkeit von S²EC²O im Rahmen einer Fallstudie an dem medizinischen Informationssystem iTrust zu zeigen.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag, um die Entwicklung und Wartung langlebiger Softwaresysteme in Bezug auf ihre Sicherheit zu begleiten. Der vorgestellte Ansatz entlastet Sicherheitsexperten bei ihrer Arbeit, indem er sicherheitsrelevante Änderungen des Systemkontextes erfasst, den Einfluss auf die Sicherheit der Software prüft und Ko-Evolutionen zur Bewahrung der Sicherheitsanforderungen ermöglicht.
Retrospektive Analyse der Ausbreitung und dynamische Erkennung von Web-Tracking durch Sandboxing
(2018)
Aktuelle quantitative Analysen von Web-Tracking bieten keinen umfassenden Überblick über dessen Entstehung, Ausbreitung und Entwicklung. Diese Arbeit ermöglicht durch Auswertung archivierter Webseiten eine rückblickende Erfassung der Entstehungsgeschichte des Web-Trackings zwischen den Jahren 2000 und 2015. Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Werkzeug entworfen, implementiert, evaluiert und zur Analyse von 10000 Webseiten eingesetzt. Während im Jahr 2005 durchschnittlich 1,17 Ressourcen von Drittparteien eingebettet wurden, zeigt sich ein Anstieg auf 6,61 in den darauffolgenden 10 Jahren. Netzwerkdiagramme visualisieren den Trend zu einer monopolisierten Netzstruktur, in der bereits ein einzelnes Unternehmen 80 % der Internetnutzung überwachen kann.
Trotz vielfältiger Versuche, dieser Entwicklung durch technische Maßnahmen entgegenzuwirken, erweisen sich nur wenige Selbst- und Systemschutzmaßnahmen als wirkungsvoll. Diese gehen häufig mit einem Verlust der Funktionsfähigkeit einer Webseite oder mit einer Einschränkung der Nutzbarkeit des Browsers einher. Mit der vorgestellten Studie wird belegt, dass rechtliche Vorschriften ebenfalls keinen hinreichenden Schutz bieten. An Webauftritten von Bildungseinrichtungen werden Mängel bei Erfüllung der datenschutzrechtlichen Pflichten festgestellt. Diese zeigen sich durch fehlende, fehlerhafte oder unvollständige Datenschutzerklärungen, deren Bereitstellung zu den Informationspflichten eines Diensteanbieters gehören.
Die alleinige Berücksichtigung klassischer Tracker ist nicht ausreichend, wie mit einer weiteren Studie nachgewiesen wird. Durch die offene Bereitstellung funktionaler Webseitenbestandteile kann ein Tracking-Unternehmen die Abdeckung von 38 % auf 61 % erhöhen. Diese Situation wird durch Messungen von Webseiten aus dem Gesundheitswesen belegt und aus technischer sowie rechtlicher Perspektive bewertet.
Bestehende systemische Werkzeuge zum Erfassen von Web-Tracking verwenden für ihre Messung die Schnittstellen der Browser. In der vorliegenden Arbeit wird mit DisTrack ein Framework zur Web-Tracking-Analyse vorgestellt, welches eine Sandbox-basierte Messmethodik verfolgt. Dies ist eine Vorgehensweise, die in der dynamischen Schadsoftwareanalyse erfolgreich eingesetzt wird und sich auf das Erkennen von Seiteneffekten auf das umliegende System spezialisiert. Durch diese Verhaltensanalyse, die unabhängig von den Schnittstellen des Browsers operiert, wird eine ganzheitliche Untersuchung des Browsers ermöglicht. Auf diese Weise können systemische Schwachstellen im Browser aufgezeigt werden, die für speicherbasierte Web-Tracking-Verfahren nutzbar sind.
In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich das bestehende Modell der Kabelsimulation verbessern lässt. Hierfür wurde zunächst analysiert, welches die Einflussfaktoren auf eine Simulation sind. Des Weiteren wurde der Einfluss der Rand- und Nebenbedingungen auf die Genauigkeit der Verlaufssimulation untersucht.
Der immer schnellere technologische Wandel in der Wirtschaft und die damit verbundenen, sich verkürzenden Innovationszyklen machen die Aus- und Weiterbildung der Mitarbeitenden eines Unternehmens zu einem wichtigen Wettbewerbsfaktor. Traditionelle (Weiter-)Bildungsmethoden können jedoch den resultierenden, ständig wachsenden und immer schneller zu befriedigenden Aus- und Weiterbildungsbedarf nur bedingt befriedigen. Deshalb werden in zunehmenden Maße in der Aus- und Weiterbildung Angebote aus dem Bereich des technologiebasierten Lernens eingesetzt, welche ein selbstgesteuertes und -organisiertes Lernen und durch eine Integration in tägliche Arbeitsabläufe einen optimalen Wissenstransfer mit entsprechend hohem Lernerfolg ermöglichen. Um dies aber auch zu realisieren, ist eine entsprechend hohe Angebotsqualität in Bezug auf die Unterstützung der Nutzenden bei der Erreichung ihrer Lernziele erforderlich. Die Entwicklung qualitativ hochwertiger technologiebasierter Lernangebote ist im Allgemeinen aber mit größeren Aufwänden und längeren Entwicklungszeiten verbunden, wodurch eine Verfügbarkeit eines solchen Angebots zeitnah zum entstandenen Bedarf und in der geforderten Qualität oftmals nicht gewährleistet werden kann.
Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Forschungsfrage, wie eine Lernsoftware entwickelt werden muss, um eine qualitativ hochwertige LSW im Sinne der optimalen Ausrichtung auf die Eigenschaften und Lernziele der einzelnen Lernenden sowie auf den von ihnen geplanten Einsatzkontext für das vermittelte Wissen bei gleichzeitiger Reduzierung von Entwicklungsaufwand und -zeit zu produzieren. Die als Antwort auf die Forschungsfrage definierte IntView-Methodik zur systematischen, effizienten und zeitnahen Entwicklung von qualitativ hochwertigen technologiebasierten Lernangeboten wurde konzipiert, um die Wahrscheinlichkeit der Produktion der Angebote ohne Überschreitung von Projektzeitplänen und -budgets bei gleichzeitiger gezielter Ausrichtung des Angebots auf Zielgruppen und Einsatzkontexte zur Gewährleistung der Qualität zu erhöhen.
Hierzu wurden nach einer umfangreichen Untersuchung von bestehenden Ansätzen zur Lernsoftware-Entwicklung, aber auch zur Produktion von verwandten Produkten wie Multimedia-, Web- oder Software-Anwendungen, diejenigen Durchführungsvarianten der Aktivitäten bzw. Aktivitätsschritte zur Lernsoftware-Entwicklung zu einer systematischen Vorgehensweise integriert, welche in ihrem Zusammenspiel den größten Beitrag zu einer effizienten Produktion leisten können. Kern der Methodik ist ein Entwicklungsprozess zur ingenieursmäßigen Erstellung der Angebote, der alle Entwicklungsphasen abdeckt und die Vorgehensweisen und Methoden aller an der Entwicklung beteiligten Fachdisziplinen, inklusive einer kontinuierlichen Qualitätssicherung von Projektbeginn an, in einen gemeinsamen Prozess integriert. Dieser Prozess wird sowohl als Lebenszyklusmodell als auch als daraus abgeleitetes Prozessmodell in Form eines Abhängigkeitsmodells definiert, um eine optimale Unterstützung eines Projektteams bei Koordination und Abstimmung der Arbeiten in der Entwicklung zu ermöglichen. In Ergänzung zu den Modellen wird eine umfassende Arbeitsunterstützung mit Templates bzw. Dokumentvorlagen inklusive Handlungsanweisungen und Beispielen für die direkte Anwendung der Vorgehensweise durch die Nutzenden bereit gestellt.
Im Rahmen der Evaluation der Methodik wird der Nachweis geführt, dass sie im Zusammenspiel mit ihrer umfangreichen Autorenunterstützung eine sowohl effektive als auch effiziente Lernangebot-Entwicklung ermöglichen kann. In den hierfür durchgeführten Beispielprojekten als auch in den durchgeführten drei Fallstudien wird gezeigt, dass die Methodik zum einen an die Erstellung unterschiedlicher Arten von Lernangeboten bzw. an den Einsatz in verschiedenen Projektkontexten einfach anpassbar sowie zum anderen effizient und effektiv nutzbar ist.
Tagging-Systeme sind faszinierende dynamische Systeme in denen Benutzer kollaborativ Ressourcen mit sogenannten Tags indexieren. Um das volle Potential von Tagging-Systemen nutzen zu können ist es wichtig zu verstehen, wie sich das Verhalten der einzelnen Benutzer auf die Eigenschaften des Gesamtsystems auswirkt. In der vorliegenden Arbeit wird das Epistemic Dynamic Model präsentiert. Es schlägt eine Brücke zwischen dem Benutzerverhalten und den Systemeigenschaften. Das Modell basiert auf der Annahme, dass der Einfluss des gemeinsamen Hintergrundwissens der Benutzer und der Imitation von Tag-Vorschlägen ausreicht, um die Entstehung der Häufigkeitsverteilungen der Tags und des Wachstums des Vokabulars zu erklären. Diese beiden Eigenschaften eines Tagging-Systems hängen eng mit der Entstehung eines gemeinsamen Vokabulars der Benutzer zusammen. Mit Hilfe des Epistemic Dynamic Models zeigen wir, dass die generelle Ausprägung der Tag-Häufigkeitsverteilungen und des Wachstums des Vokabulars ihren Ursprung in dem gemeinsamen Hintergrundwissen der Benutzer haben. Tag-Vorschläge können dann dazu genutzt werden, um gezielt diese generelle Ausprägung zu beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir hauptsächlich den Einfluss der von Vorschlägen populärer Tags ausgeht. Populäre Tags sorgen für einen Feedback-Mechanismus zwischen den Vokabularen der einzelnen Benutzer, der die Inter-Indexer Konsistenz der Tag-Zuweisungen erhöht. Wie wird aber dadurch die Indexierungsqualität in Tagging-Systemen beeinflusst? Zur Klärung dieser Frage untersuchen wir eine Methode zur Messung der Inter-Ressourcen Konsistenz der Tag-Zuweisungen. Die Inter-Ressourcen Konsistenz korreliert positiv mit der Indexierungsqualität, und mit der Trefferquote und der Genauigkeit von Suchanfragen an das System. Sie misst inwieweit die Tag-Vektoren die durch Benutzer wahrgenommene Ähnlichkeit der jeweiligen Ressourcen widerspiegeln. Wir legen mit Hilfe unseres Modell dar, und zeigen es auch mit Hilfe eines Benutzerexperiments, dass populäre Tags zu einer verringerten Inter-Ressourcen Konsistenz führen. Des Weiteren zeigen wir, dass die Inter-Ressourcen Konsistenz erhöht wird, wenn dem Benutzer das eigene, bisher genutzte Vokabular vorgeschlagen wird. Unsere Methode zur Messung der Inter-Ressourcen Konsistenz ergänzt bestehende Evaluationsmaße für Tag-Vorschlags-Algorithmen um den Aspekt der Indexierungsqualität.
Die Raytracing-Beschleunigung durch dedizierte Datenstrukturen ist schon lange ein wichtiges Thema der Computergrafik. Im Allgemeinen werden dafür zwei unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen: räumliche und richtungsbezogene Beschleunigungsstrukturen. Die vorliegende Arbeit stellt einen innovativen kombinierten Ansatz dieser beiden Bereiche vor, welcher weitere Beschleunigung der Strahlenverfolgung ermöglicht. Dazu werden moderne räumliche Datenstrukturen als Basisstrukturen verwendet und um vorberechnete gerichtete Sichtbarkeitsinformationen auf Basis von Schächten innerhalb einer originellen Struktur, dem Line Space, ergänzt.
Im Laufe der Arbeit werden neuartige Ansätze für die vorberechneten Sichtbarkeitsinformationen vorgeschlagen: ein binärer Wert, der angibt, ob ein Schacht leer oder gefüllt ist, sowie ein einzelner Vertreter, der als repräsentativer Kandidat die tatsächliche Oberfläche approximiert. Es wird gezeigt, wie der binäre Wert nachweislich in einer einfachen, aber effektiven Leerraumüberspringungs-Technik (Empty Space Skipping) genutzt wird, welche unabhängig von der tatsächlich verwendeten räumlichen Basisdatenstruktur einen Leistungsgewinn beim Raytracing von bis zu 40% ermöglicht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese binären Sichtbarkeitsinformationen eine schnelle Technik zur Berechnung von weichen Schatten und Umgebungsverdeckung auf der Grundlage von Blockerapproximationen ergeben. Obwohl die Ergebnisse einen gewissen Ungenauigkeitsfehler enthalten, welcher auch dargestellt und diskutiert wird, zeigt sich, dass eine weitere Traversierungsbeschleunigung von bis zu 300% gegenüber der Basisstruktur erreicht wird. Als Erweiterung zu diesem Ansatz wird die repräsentative Kandidatenvorberechnung demonstriert, welche verwendet wird, um die indirekte Lichtberechnung durch die Integration von kaum wahrnehmbaren Bildfehlern signifikant zu beschleunigen. Schließlich werden Techniken vorgeschlagen und bewertet, die auf zweistufigen Strukturen und einer Nutzungsheuristik basieren. Diese reduzieren den Speicherverbrauch und die Approximationsfehler bei Aufrechterhaltung des Geschwindigkeitsgewinns und ermöglichen zusätzlich weitere Möglichkeiten mit Objektinstanziierungen und starren Transformationen.
Alle Beschleunigungs- und Speicherwerte sowie die Näherungsfehler werden gemessen, dargestellt und diskutiert. Insgesamt zeigt sich, dass durch den Line Space eine deutliche Erhöhung der Raytracing Leistung auf Kosten eines höheren Speicherverbrauchs und möglicher Annäherungsfehler erreicht wird. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen damit die Leistungsfähigkeit des kombinierten Ansatzes und eröffnen weitere Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten.
Graph-based data formats are flexible in representing data. In particular semantic data models, where the schema is part of the data, gained traction and commercial success in recent years. Semantic data models are also the basis for the Semantic Web - a Web of data governed by open standards in which computer programs can freely access the provided data. This thesis is concerned with the correctness of programs that access semantic data. While the flexibility of semantic data models is one of their biggest strengths, it can easily lead to programmers accidentally not accounting for unintuitive edge cases. Often, such exceptions surface during program execution as run-time errors or unintended side-effects. Depending on the exact condition, a program may run for a long time before the error occurs and the program crashes.
This thesis defines type systems that can detect and avoid such run-time errors based on schema languages available for the Semantic Web. In particular, this thesis uses the Web Ontology Language (OWL) and its theoretic underpinnings, i.e., description logics, as well as the Shapes Constraint Language (SHACL) to define type systems that provide type-safe data access to semantic data graphs. Providing a safe type system is an established methodology for proving the absence of run-time errors in programs without requiring execution. Both schema languages are based on possible world semantics but differ in the treatment of incomplete knowledge. While OWL allows for modelling incomplete knowledge through an open-world semantics, SHACL relies on a fixed domain and closed-world semantics. We provide the formal underpinnings for type systems based on each of the two schema languages. In particular, we base our notion of types on sets of values which allows us to specify a subtype relation based on subset semantics. In case of description logics, subsumption is a routine problem. For
the type system based on SHACL, we are able to translate it into a description
logic subsumption problem.
Im Kontext der Erweiterten Realität versteht man unter Tracking Methoden zur Bestimmung von Position und Orientierung (Pose) eines Betrachters, die es ermöglichen, grafische Informationen mittels verschiedenster Displaytechniken lagerichtig in dessen Sichtfeld einzublenden. Die präzisesten Tracking-Ergebnisse liefern Methoden der Bildverarbeitung, welche in der Regel nur die Pixel des Kamerabildes zur Informationsgewinnung heranziehen. Der Bildentstehungsprozess wird bei diesen Verfahren jedoch nur bedingt oder sehr vereinfacht miteinbezogen. Bei modellbasierten Verfahren hingegen, werden auf Basis von 3D-Modelldaten Merkmale identifiziert, ihre Entsprechungen im Kamerabild gefunden und aus diesen Merkmalskorrespondenzen die Kamerapose berechnet. Einen interessanten Ansatz bilden die Strategien der Analyse-durch-Synthese, welche das Modellwissen um Informationen aus der computergrafischen Bildsynthese und weitere Umgebungsvariablen ergänzen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird unter Anwendung der Analyse-durch-Synthese untersucht, wie die Informationen aus dem Modell, dem Renderingprozess und der Umgebung in die einzelnen Komponenten des Trackingsystems einfließen können. Das Ziel ist es, das Tracking, insbesondere die Merkmalssynthese und Korrespondenzfindung, zu verbessern. Im Vordergrund steht dabei die Gewinnung von visuell eindeutigen Merkmalen, die anhand des Wissens über topologische Informationen, Beleuchtung oder perspektivische Darstellung hinsichtlich ihrer Eignung für stabiles Tracking der Kamerapose vorhergesagt und bewertet werden können.
Diese Arbeit bewegt sich im Spannungsfeld dreier Gebiete: Virtualisierung, Echtzeitverarbeitung und Parallelverarbeitung. Jedes dieser Gebiete gilt für sich genommen als weitgehend erforscht, doch ergeben sich bei ihrer gemeinsamen Betrachtung zahlreiche neue Fragestellungen und Möglichkeiten. In dieser Arbeit werden dazu Modelle zur Beschreibung von Echtzeitanwendungen innerhalb der Prozesshierarchie einer Virtualisierungsumgebung entwickelt. Bestehende Schnittstellen zur Virtualisierung werden auf ihre Möglichkeiten zur Echtzeitverarbeitung untersucht, und es werden neue Schnittstellen zur Virtualisierung auf Mehrprozessormaschinen geschaffen und erprobt, die die spezifischen Anforderungen eingebetteter Systeme "insbesondere die Echtzeitfähigkeit" berücksichtigen. Damit wird eine sichere und effiziente Koexistenz von Programmen mit unterschiedlich harten Zeitanforderungen in getrennten virtuellen Maschinen auf einem gemeinsamen Mehrprozessorrechner ermöglicht.
Virtueller Konsum - Warenkörbe, Wägungsschemata und Verbraucherpreisindizes in virtuellen Welten
(2015)
Virtuelle Welten sind seit ungefähr einem Jahrzehnt in den Fokus der wissenschaftlichen Auseinandersetzung gerückt. Zahlreiche Disziplinen, wie die Rechtswissenschaften, die Soziologie, die Psychologie oder die Pädagogik, diskutieren verschiedenste Phänomene, welche die Interaktion der Menschen innerhalb von virtuellen Welten betreffen. Auch die Volkswirtschaftslehre ist auf diese virtuellen Umgebungen aufmerksam geworden.
Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den ökonomischen Vorgängen innerhalb virtueller Welten auseinander. Im Fokus stehen dabei die vier Welten World of Warcraft, RuneScape, Entropia Universe und Second Life. Das "Dach" der Untersuchungen in dieser Arbeit bildet dabei der Verbraucherpreisindex, welcher in der realen Welt dazu dient, die Preisentwicklung von Konsumgütern zu berechnen. Zur Berechnung des Verbraucherpreisindexes werden drei Komponenten herangezogen: Warenkorb, Wägungsschema und die jeweiligen Güterpreise. Der Schwerpunkt dieser Arbeit besteht vor allem darin, diese Komponenten für virtuelle Welten zu identifizieren und eine vergleichbare Berechnung für virtuelle Welten exemplarisch zu ermöglichen. Mit der Übertragung der Werkzeuge der Wirtschaftsstatistik auf virtuelle Welten sind neben den inhaltlichen Erkenntnissen insbesondere die methodische Bewertung und Diskussion von Interesse. Schließlich trägt die Arbeit dazu bei, den Konsum in virtuellen Welten in eine Ordnung zu bringen, erste Konsumschwerpunkte aufzuzeigen und die diesbezüglichen Abweichungen zur realen Welt herauszuarbeiten. Dadurch wird die Basis gelegt, um neben den in dieser Arbeit angestoßenen Untersuchungen weitere volkswirtschaftlich, aber auch soziologisch verankerte Fragestellungen zu ermöglichen. Im Vordergrund steht dabei insbesondere die Auseinandersetzung mit und Begründung von Konsummotiven in virtuellen Welten. Gleichzeitig werden die Herausforderungen, welche sich bei der praktischen Umsetzung der erforderlichen Maßnahmen ergeben, aufgezeigt. Die diesbezüglichen Erkenntnisse sind geeignet, um als Grundlage für künftige Analysen zu dienen, um beispielsweise die Erhebung von Konsumausgaben oder die Aufzeichnung von Preisen und deren Entwicklungen für virtuelle Welten noch fundierter und mit noch engerem Bezug zur realen Welt durchführen und bewerten zu können.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die zeitbewerteten Prädikat/Transitions-Netze (Z-Pr/T-Netze) zur Modellierung, Simulation und Verifikation sicherheitskritischer Echtzeitsysteme entwickelt. Z-Pr/T-Netze integrieren Konzepte zur Modellierung temporärer Zusammenhänge und sind darüber hinaus mittels der Berechnung von S- und T-Invarianten sowie der Identifikation von Traps und Co-Traps strukturell analysierbar. Die Eignung von Z-Pr/T-Netzen zur Modellierung, Simulation und Verifikation komplexer Systeme aus dem Anwendungsbereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme wird anhand des Earliest-Deadline-First-Protokolls (EDF) und des Priority-Inheritance-Protokolls (PIP) belegt. Es erfolgt daher eine Modellierung des EDF und PIP mittels Z-Pr/T-Netzen sowie eine Verifikation für das EDF und PIP basierend auf der strukturellen Analyse der korrespondierenden Z-Pr/T-Netze. Die Anwendbarkeit struktureller Analyseverfahren zur Verifikation des EDF und PIP in Verbindung mit der nicht zu unterschätzenden Komplexität eben dieser belegen die Anwendbarkeit von Z-Pr/T-Netzen zur Modellierung, Simulation und Verifikation komplexer Systeme aus dem Anwendungsbereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme.