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Inference and Training of a Multilayer Perceptron in a Deep Reinforcement Learning Context on a FPGA
(2022)
This thesis addresses the design and verification of a multilayer perceptron (MLP) and the corresponding optimization algorithm, the batch gradient descent (BGD), on a FPGA using high level synthesis (HLS) for Xilinx devices. The solutions developed in this project are used in a reinforcement learning environment for the control of power electronic systems. The thesis briefly presents the principle of reinforcement learning, a mathematical description of the MLP and the BGD as well as programming techniques for HLS. The structure of the solutions and performance examinations are presented in the results part of the thesis. The project delivers functionally verified solutions for the execution on a FPGA. The solutions are able to process a three layer MLP with 16 inputs and outputs and 128 neurons in the hidden layer in 2,361 clock cycles at 100 MHz clock frequency which results in a runtime of 23.6 µs. The corresponding BGD for one training example features a minimum runtime of 13,141 clock cycles or 1,314 µs. However, performance is expected to further improve after resolving several issues described in the thesis.
Während der Corona-Pandemie wurden Hochschulen und Universitäten
zu Reallaboren eines überwiegend digitalen Lehrbetriebs – unabhängig
von unterschiedlichen Fachkulturen, Voraussetzungen und Lernzielen. Die dritte Studie der Studien- und Schriftenreihe des Forschungs-
und Innovationslabor Digitale Lehre (FIDL) beleuchtet diese
Situation und hört genau hin: Sie basiert auf insgesamt 20 Interviews
mit Professor:innen sowie 32 Interviews mit Studierenden. Geführt
wurden die Interviews zwischen Juni 2021 und Dezember 2021 an allen bayerischen Hochschulen für angewandte Wissenschaften und über alle Fächergruppen hinweg.
O-Magazin
(2021)
Das O-Magazin ist eine Publikation von LEONARDO – Zentrum für Kreativität und Innovation und gewährt Einblick in das, was die gemeinsame Initiative der Technischen Hochschule Nürnberg, der Akademie der Bildenden Künste Nürnberg und der Hochschule für Musik Nürnberg ausmacht: die Menschen, die Projekte, die Zusammenarbeit. Dem interdisziplinären Austausch und der hochschulübergreifenden Kooperation hat sich LEONARDO seit Beginn seiner Förderung durch das Bund-Länder-Programm Innovative Hochschule im Jahr 2018 verschrieben. Seitdem arbeiten die drei beteiligten Hochschulen intensiv zusammen, um gemeinsames Forschen zu ermöglichen. Aus den interdisziplinären Impulsen ist eine Vielzahl an Projekten entstanden, die sich aus unterschiedlichen Perspektiven und Hintergründen mit ihren Forschungsthemen beschäftigen.
Das O-Magazin ist ein Gemeinschaftswerk von Studierenden, Lehrenden
und Mitarbeiter*innen der drei beteiligten Nürnberger Hochschulen. Konzipiert und realisiert wurde der grafische Gesamtentwurf von den
Studierenden Lucia Schmuck von der AdBK Nürnberg und Nelson Kinalele von der TH Nürnberg. Ebenso wurden sämtliche Fotografien und Illustrationen im O-Magazin von Studierenden oder Absolvent*innen der Fakultät Design der Technischen Hochschule Nürnberg oder der Akademie der Bildenden Künste Nürnberg geschaffen.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung wie ein moderner Industriebetrieb wirtschaftlich eine CO2-neutrale Selbstversorgung mit elektrischer Energie realisieren kann. Zusätzlich wird im 1. Teil der Arbeit die Windkraft als Möglichkeit der Energieerzeugung genauer analysiert und geprüft zu welchen Kosten elektrische Energie erzeugt werden kann.
Um Ihnen aussagekräftige Einblicke in die Vielfalt und Lebendigkeit der Projekte und Kooperationen zu bieten, die an der Technischen Hochschule Nürnberg entstanden sind und engagiert verfolgt werden, haben wir im Herbst 2021 das erste Transfermagazin herausgebracht. Kolleginnen und Kollegen sowie Studierende aus den Fakultäten, aus Instituten und Kompetenzzentren berichten aus einer sehr persönlichen Perspektive über Forschungsvorhaben und Kooperationen.
Aufgrund der zunehmenden Beliebtheit von Graphdatenbanken gewinnt die Frage ihrer Interoperabilität zunehmend an Bedeutung. Während das Datenmodell von RDF-Graphdatenbanken standardisiert ist, gilt dies nicht für Labeled-Property-Graphdatenbanken. Ein genauerer Blick zeigt, dass sowohl in der Literatur wie auch von Systemanbietern der Begriff Labeled Property-Graph im Detail unterschiedlich verstanden wird. Um Brücken zwischen den Datenmodellen zu schaffen, ist die Kenntnis der zugrunde gelegten Graphformalisierungen wie ein genaueres Verständnis konkreter Transformationen zwischen den verschiedenen Graphrepräsentationen erforderlich. Dieser Bericht erfasst einige relevante Graphdefinitionen i. S. der mathematischen Graphentheorie, welche als Grundlage formaler Beschreibungen verwendeter Datenmodelle dienen können. Basierend auf einer weit gefassten Definition für Labeled Property-Graphen wird eine Typ-Notation eingeführt, um die in Literatur und Graphdatenbanksystemen vorhandenen unterschiedlichen Ausprägungen des Begriffs charakterisieren und strukturieren zu können. Im Weiteren werden unterschiedliche Transformationen von RDF-Graphen in formale Graphen, insbesondere Labeled-Property-Graphen, einheitlich dargestellt und an einem durchgängigen Beispiel illustriert.
Um auch zukünftig die steigenden Datenraten und die damit verbundene Kanalbandbreite in optischen Systemen der Telekommunikationsbranche zur Verfügung zu stellen, sind neue Ansätze bei der Datenübertragung notwendig. In dieser Arbeit wird ein Verfahren untersucht, dass die breitbandige, digitale Datenübertragung über einen solchen neuen Ansatz, den substratintegrierten Wellenleiter (SIW), ermöglicht.
Zur Untersuchung war es zunächst notwendig, die Anforderungen an das Verfahren, anhand der gegebenen Rahmenbedingungen, festzustellen. Für das anschließend erstellte Konzept wurde eine Marktrecherche zu den zur Umsetzung notwendigen Komponenten durchgeführt. Anhand dieser Auswahl konnte mittels einer Transientensimulation die allgemeine Tauglichkeit des Verfahrens nachgewiesen werden, noch bevor es in einen Schaltplan überführt wurde. Das aus dem Schaltplan erzeugte Layout wurde zur Beseitigung etwaiger Störstellen mit einem 3D Feldsimulator untersucht und steht zur Freigabe für eine Leiterplattenproduktion bereit. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein untersuchtes und in die Praxis umsetzbares Verfahren, mit dem ein breitbandiges, digitales Signal über einen substratintegrierten Wellenleiter übertragen werden kann. Jedoch eignet sich die Implementierung des Verfahrens nicht für die direkte Umsetzung in zukünftigen Projekten. Dies liegt zum einen am erhöhten Schaltungs-aufwand gegenüber den aktuell verwendeten Verfahren und zum anderen am Mangel geeigneter, momentan auf dem Markt verfügbarer Komponenten, die die benötigte Bandbreite zur Verfügung stellen.
Ziel der Bachelorarbeit war es, die zwei Videokompressionsverfahren JPEG und H.264 miteinander zu vergleichen. Dazu wurden diese Verfahren unter den Betrachtungspunkten der Latenz, der Bildqualität und der Datenübertragungsrate analysiert und die Ergebnisse gegenübergestellt. Dabei wurden zunächst die Messergebnisse untereinander bewertet und eine weiterführende Abwägung im Hinblick des Einsatzgebietes in einem Embedded-System für den Bahnbetrieb durchgeführt. Als Ergebnis konnte sich die H.264 Codierung in den Vergleichspunkten gegenüber JPEG durchsetzen. Weitergehend wurden die gewonnenen Ergebnisse auf ein bahntechnisches Hard- und Softwaresystem angewendet und dort ein Prototyp zur Darstellung von IP-Streams entwickelt. Zur Entwicklung wurden die Programmiersprache C++ sowie das GStreamer Framework eingesetzt.
In der folgenden Bachelorthesis werden Warn- und Hinweistöne erstellt, welche auf Basis von natürlichen Klängen aufgenommen und in weiteren Schritten bearbeitet werden. Dazu wird vor allem eine Studie analysiert, die sich mit den affektiven Klangwahrnehmungen des menschlichen Bewusstseins auseinandergesetzt hat. Die natürlichen Klänge, die dazu aufgenommen werden, sind in dieser Studie in einem
zweidimensionalen Koordinatensystem verteilt und in vier Quadranten aufgeteilt. Die Bearbeitung der Töne zeigt einen tiefen Einblick in die Audio Produktion. So werden unter anderem Praktiken erläutert, wie Audio Signale qualitativ hochwertig klingen können, ohne den Charakter zu verfremden. Außerdem werden Methoden der West Coast Synthese genutzt, um ein umfangreiches Sound Design anzuwenden. Die West Coast
Synthese ist ebenfalls ein Schwerpunkt dieser Arbeit. Es werden grundlegende Charakterzüge des Buchla 208c Synthesizers erläutert, in dem die einzelnen Module umfangreich erklärt werden. Ebenso wird die digitale Reaktor 6 Variante des Soft- und Hardware Herstellers Native Instruments mit dem analogen Vorbild verglichen.