004 Datenverarbeitung; Informatik
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Das Zeichnen von Graphen beschäftigt sich mit der Frage, wie die durch einen Graphen repräsentierten Informationen für einen Betrachter übersichtlich und verständlich dargestellt werden können. Die Graphklasse der Bäume dient insbesondere zur Repräsentation von hierarchischen Strukturen. Neben den hierarchisch und radial darstellenden Verfahren werden Bäume auch auf dem orthogonalen Gitter gezeichnet, in welchem die Knoten auf ganzzahligen Koordinaten liegen und die Kanten entlang der horizontalen und vertikalen Gitterlinien verlaufen. Gewünscht wird eine gute Lesbarkeit der Zeichnungen und deren effiziente Berechnung. Für die formale Bewertung der Lesbarkeit existieren speziell für das Zeichnen von Bäumen definierte Ästhetikkriterien, wie eine ebenenweise Darstellung, die Ordnungserhaltung und Kriterien zur Darstellung von Subgraphisomorphien und Symmetrien. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer bislang wenig studierten Erweiterung des orthogonalen Gitters auf das hexagonale und oktagonale Gitter durch das Hinzunehmen von einer bzw. beider diagonalen Gitterrichtungen, und der Problemstellung, wie Bäume darauf gezeichnet werden. Dadurch können auch Bäume mit einem höheren Grad gezeichnet werden als auf dem orthogonalen Gitter. Die Einschränkung, dass nur Bäume gezeichnet werden können, deren Grad kleiner ist als die Anzahl der Gitterrichtungen des verwendeten Gitters, besteht jedoch weiterhin. Als Ästhetikkriterien werden die lokale Uniformität, die die Länge der ausgehenden Kanten eines Knotens festlegt, und Pattern, die deren Richtungen festlegen, eingeführt. Gegenüber dem bekannten linearen Flächenverbrauch von geradlinigen Zeichnungen von vollständigen Binärbäumen auf dem orthogonalen Gitter, werden für Zeichnungen von vollständigen d-nären Bäumen mit d > 2 nicht-lineare untere Schranken für die benötigte Fläche auf dem hexagonalen und dem oktagonalen Gitter gezeigt. Insgesamt werden für vollständige und beliebige, geordnete und ungeordnete Bäume obere und untere Flächenschranken für Zeichnungen auf dem hexagonalen und oktagonalen Gitter präsentiert. Dabei zeigt sich, dass bei nicht-ordnungserhaltenden Zeichnungen zwar mehr als lineare, aber deutlich weniger als quadratische Fläche benötigt wird. Im Gegensatz dazu gibt es geordnete Bäume, deren ordnungserhaltende Zeichnungen exponentielle Fläche benötigen. Des Weiteren wird die Ermittlung der minimalen Zeichenfläche für geordnete d-näre Bäume ebenso als NP-vollständig bewiesen, wie das Zeichnen von ungeordneten d-nären Bäumen mit einheitlichen Kantenlängen. Schließlich werden zwei Linearzeitalgorithmen vorgestellt, die geordnete d-näre Bäume unter Einhaltung der genannten Ästhetikkriterien zeichnen.
Das Vergleichen und Aggregieren von Informationen ist ein zentraler Bereich in der Analyse von Wahlsystemen. In diesen müssen die verschiedenen Meinungen von Wählern über eine Menge von Kandidaten zu einem möglichst gerechten Wahlergebnis aggregiert werden. In den meisten politischen Wahlen entscheidet sich jeder Wähler durch Ankreuzen für einen einzigen Kandidaten. Daneben werden aber auch Rangordnungsprobleme als eine Variante von Wahlsystemen untersucht. Bei diesen bringt jeder Wähler seine Meinung in Form einer totalen Ordnung über der Menge der Kandidaten zum Ausdruck, wodurch seine oftmals komplexe Meinung exakter repräsentiert werden kann als durch die Auswahl eines einzigen, favorisierten Kandidaten. Das Wahlergebnis eines Rangordnungsproblems ist dann eine ebenfalls totale Ordnung der Kandidaten, welche die geringste Distanz zu den Meinungen der Wähler aufweist. Als Distanzmaße zwischen zwei totalen Ordnungen haben sich neben anderen Kendalls Tau-Distanz und Spearmans Footrule-Distanz etabliert. Durch moderne Anwendungsmöglichkeiten von Rangordnungsproblemen im maschinellen Lernen, in der künstlichen Intelligenz, in der Bioinformatik und vor allem in verschiedenen Bereichen des World Wide Web rücken bereits bekannte, jedoch bislang eher wenig studierte Aspekte in den Fokus der Forschung. Zum einen gewinnt die algorithmische Komplexität von Rangordnungsproblemen an Bedeutung. Zum anderen existieren in vielen dieser Anwendungen unvollständige „Wählermeinungen“ mit unentschiedenen oder unvergleichbaren Kandidaten, so dass totale Ordnungen zu deren Repräsentation nicht länger geeignet sind. Die vorliegende Arbeit greift diese beiden Aspekte auf und betrachtet die algorithmische Komplexität von Rangordnungsproblemen, in denen Wählermeinungen anstatt durch totale Ordnungen durch schwache oder partielle Ordnungen repräsentiert werden. Dazu werden Kendalls Tau-Distanz und Spearmans Footrule-Distanz auf verschiedene nahe liegende Arten verallgemeinert. Es zeigt sich dabei, dass nun bereits die Distanzberechnung zwischen zwei Ordnungen ein algorithmisch komplexes Problem darstellt. So ist die Berechnung der verallgemeinerten Versionen von Kendalls Tau-Distanz oder Spearmans Footrule-Distanz für schwache Ordnungen noch effizient möglich. Sobald jedoch partielle Ordnungen betrachtet werden, sind die Probleme NP-vollständig, also vermutlich nicht mehr effizient lösbar. In diesem Fall werden Resultate zur Approximierbarkeit und zur parametrisierten Komplexität der Probleme vorgestellt. Auch die Komplexität der Rangordnungsprobleme selbst erhöht sich. Für totale Ordnungen effizient lösbare Varianten werden für schwache Ordnungen NP-vollständig, für totale Ordnungen NP-vollständige Varianten hingegen liegen für partielle Ordnungen teilweise außerhalb der Komplexitätsklasse NP. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf offene Problemstellungen.
Increased usage and integration of state-of-the-art information technology in our everyday work life aims at increasing the working efficiency. Due to unhandy human-computer-interaction methods this progress does not always result in increased efficiency, for mobile workers in particular. Activity recognition based contextual computing attempts to balance this interaction deficiency. This work investigates wearable, on-body sensing techniques on their applicability in the field of human activity recognition. More precisely we are interested in the spotting and recognition of so-called manipulative hand gestures. In particular the thesis focuses on the question whether the widely used motion sensing based approach can be enhanced through additional information sources. The set of gestures a person usually performs on a specific place is limited -- in the contemplated production and maintenance scenarios in particular. As a consequence this thesis investigates whether the knowledge about the user's hand location provides essential hints for the activity recognition process. In addition, manipulative hand gestures -- due to their object manipulating character -- typically start in the moment the user's hand reaches a specific place, e.g. a specific part of a machinery. And the gestures most likely stop in the moment the hand leaves the position again. Hence this thesis investigates whether hand location can help solving the spotting problem. Moreover, as user-independence is still a major challenge in activity recognition, this thesis investigates location context as a possible key component in a user-independent recognition system. We test a Kalman filter based method to blend absolute position readings with orientation readings based on inertial measurements. A filter structure is suggested which allows up-sampling of slow absolute position readings, and thus introduces higher dynamics to the position estimations. In such a way the position measurement series is made aware of wrist motions in addition to the wrist position. We suggest location based gesture spotting and recognition approaches. Various methods to model the location classes used in the spotting and recognition stages as well as different location distance measures are suggested and evaluated. In addition a rather novel sensing approach in the field of human activity recognition is studied. This aims at compensating drawbacks of the mere motion sensing based approach. To this end we develop a wearable hardware architecture for lower arm muscular activity measurements. The sensing hardware based on force sensing resistors is designed to have a high dynamic range. In contrast to preliminary attempts the proposed new design makes hardware calibration unnecessary. Finally we suggest a modular and multi-modal recognition system; modular with respect to sensors, algorithms, and gesture classes. This means that adding or removing a sensor modality or an additional algorithm has little impact on the rest of the recognition system. Sensors and algorithms used for spotting and recognition can be selected and fine-tuned separately for each single activity. New activities can be added without impact on the recognition rates of the other activities.
Unverkettbare Nachrichten sind ein Grundbaustein anonymer Kommunikation. Anonymisierungsnetze schützen mittels Unverkettbarkeit, wer mit wem kommuniziert sowie die Identität der Beteiligten einer Kommunikationsbeziehung. Anonymisierungsnetze benötigen Kooperation, da die Anonymität durch Ressourcen anderer Teilnehmer geschützt wird. Wenn die Kosten und der Nutzen eines Anonymisierungsnetzes transparent sind, ergeben sich Zielkonflikte zwischen rationalen Teilnehmern. Es wird daher untersucht, inwiefern daraus resultierendes egoistisches Verhalten die Widerstandsfähigkeit dieser Netze beeinträchtigt. Störungen werden in einem spieltheoretischen Modell untersucht, um widerstandsfähige Konfigurationen von Anonymisierungsnetzen zu ermitteln. Eine weitere Störquelle sind Überflutungsangriffe mittels unverkettbarer Nachrichten. Es soll sowohl die Verfügbarkeit als auch die Anonymität geschützt werden. Dazu wird Unverkettbarkeit für Nachrichten aufrecht erhalten, außer wenn die Senderate eines Nachrichtenstroms eine Richtlinie überschreitet. Innerhalb verkettbarer Nachrichten können Überflutungsangriffe erkannt werden. Darüber kann die Verfügbarkeit des Netzdienstes geschützt werden.
Computerunterstützte Beratungssysteme finden sowohl in der Industrie als auch im akademischen Bereich eine zunehmende Bedeutung. Die Anforderungen an solche Systeme sind hinsichtlich der abbildbaren Strukturen, der Flexibilität der Anfragen und der Vollständigkeit und Korrektheit der Antworten hoch. Dies gilt insbesondere für Planungsprobleme in strukturierten Domänen. Derartige Probleme treten beispielsweise bei der Erstellung von Tests auf der Grundlage einer Menge von Fragen und gewissen Anforderungen an den Test, bei der Konsistenzprüfung von Studienordnungen und bei der computerunterstützten Studienberatung auf. In der vorliegenden Arbeit wird ein Framework zur Behandlung eben genannter Probleme präsentiert. Die vorgestellte Lösung bietet durch den modellbasierten Ansatz und die entwickelte anwendungsnahe Modellierungssprache – gerade auch im Vergleich zu existierenden Ansätzen – einen sehr hohen Grad an Abstraktion, Allgemeingültigkeit, Ausdrucksstärke, Flexibilität und Integrierbarkeit. Im Rahmen des entwickelten Modells wird eine geeignete Verzahnung von strukturellen und constraintbasierten Aspekten erreicht. Der hierbei in Syntax und Semantik definierte Constraintbegriff kann darüber hinaus als Formalisierung und Verallgemeinerung von Pfadconstraints bzw. Pfadanfragen in hierarchischen Datenmodellen aufgefasst werden. Für die interne Repräsentation erweist sich ein logikbasierter Ansatz mit Constraints, nämlich Answer Set Programming mit Gewichten, als eine ausgezeichnete Methode bezüglich der Ausdrucksstärke, Mächtigkeit und Adäquatheit. Die Praxistauglichkeit des verfolgten Ansatzes im Hinblick auf Performanz und Skalierbarkeit wird in verschiedenen realen Anwendungsfällen demonstriert.
Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der dreidimensionalen Rekonstruktion reflektierender Oberflächen. Dabei wird sowohl die Oberflächenform als auch die absolute Lage im Raum bestimmt. Es werden Oberflächen behandelt, die einerseits total reflektieren, andererseits diffuse und spiegelnde Reflexionsanteile aufweisen. Zur Lösung des Problems werden zwei Kameras und mehrere Lichtquellen verwendet. Eine genauere Analyse der Lichtreflexion an spiegelnden Objekten führt zu einer Beschreibung des Problems als Lösung einer totalen Differentialgleichung. Diese Lösung wird als Startwert für die Rekonstruktion partiell reflektierender Oberflächen verwendet.
Diese Dissertation beschäftigt sich mit den Problemen bei der Entwicklung von effizienter und zuverlässiger Software für eingebettete Systeme. Eingebettete Systeme sind inhärent nebenläufig, was mit einen Grund für ihre hohe Entwurfskomplexität darstellt. Aus dieser Nebenläufigkeit resultiert ein hoher Grad an Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten. Eine wichtige Forderung zur Vereinfachung des Entwurfsprozesses besteht in der getrennten Modellierung von Kommunikationsprotokollen und eigentlichen Verarbeitungsalgorithmen. Daraus resultiert eine höhere Wiederverwendbarkeit bei sich ändernden Kommunikationsstrukturen. Die Grundlage für die sogenannten Datenflußsprachen bildet eine einfache von Gilles Kahn konzipierte Sprache für Parallelverarbeitung. In dieser Sprache besteht ein System aus einer Menge sequentieller Prozesse (Komponenten), die über Fifokanäle miteinander kommunizieren. Ein Prozess ist rechenbereit, wenn seine Eingangsfifos mit entsprechenden Daten gefüllt sind. Übertragen werden physikalische Signale, die als Ströme bezeichnet werden. Ströme sind Folgen von Werten ohne explizite Zeitangaben. Das Einsatzgebiet von Datenflußsprachen liegt in der Entwicklung von Programmen zur Bild- und Signalverarbeitung, typischen Aufgaben in eingebetteten Systemen. Die Programmierung erfolgt visuell, wobei man Icons als Repräsentanten parametrisierbarer Komponenten aus einer Bibliothek auswählt und mittels Kanten (Fifos) verbindet. Ein im allgemeinen dynamischer Scheduler überwacht die Ausführung des fertiggestellten Anwendungsprogramms. Diese Arbeit schlägt ein universelleres Modell physikalischer Signale vor. Dabei werden zwei Ziele verfolgt: 1. Effiziente Kommunikation zwischen den Komponenten 2. Entwurfsbegleitende Überprüfung von Programmeigenschaften unter Verwendung komplexerer Komponentenmodelle Zur Effizienzsteigerung werden nur relevante Werte innerhalb von Strömen übertragen. Dies erhöht zwar den Mehraufwand zur Kennzeichnung des Aufbaus eines Teilstroms, in praktischen Anwendungen ist die hier vorgestellte Methode jedoch effizienter. Die Einführung neuer Signalmerkmale erlaubt unterschiedlichste Überprüfungen der Einhaltung von Typregeln durch die Eingangs- und Ausgangsströme einer Komponente. Anstelle einfacher Schaltregeln werden aufwendigere Kommunikationsprotokolle für die verschiedenen Arten von Komponenten eingeführt. Fifomaten (Fifo-Automaten) dienen als formale Grundlage. Mittels eines dezidierten Model-Checking-Verfahrens wird das Zusammenspiel der Fifomaten daraufhin untersucht, ob ein zyklischer Schedule existiert. Die Existenz eines solchen zyklischen Schedules schließt Speicherüberlauf und Deadlocks aus und garantiert darüber hinaus, daß das Programm nach endlicher Zeit wieder in die Ausgangssituation zurückfindet. Da im allgemeinen die Datenflußprogramme turingäquivalent sind, kann es allerdings zyklische Schedules geben, die das Verfahren nicht entdeckt. Mit der hier vorgestellten und implementierten Methode wird die Entwicklungszeit korrekter Datenflußprogramme deutlich reduziert. Das neue Modell physikalischer Signale macht zudem die Ausführung effizienter.
Mobile Geräte dienen immer häufiger zur Ausführung von Echtzeitanwendungen, sie bieten immer mehr Rechenleistung und sie werden kleiner und leichter. Hohe Rechenleistung erfordert jedoch sehr viel Energie, was im Gegensatz zu den geringen Akkukapazitäten, die aus der Forderung nach kleinen und leichten Geräten resultieren, steht. Bei der Echtzeiteinplanung von Rechenprozessen gewinnt daher der Energieverbrauch der Geräte neben der rechtzeitigen Beendigung von Anwendungen zunehmend an Bedeutung, weil sie möglichst lange unabhängig vom Stromnetz betrieben werden sollen. Andererseits werden auf diesen Geräten rechenintensive Anwendungen ausgeführt, bei denen es wünschenswert ist, die maximale mit der verfügbaren Rechenleistung erzielbare Qualität zu erhalten. In dieser Arbeit wird ein Systemmodell vorgestellt, das den Design-to-time-Ansatz mit den Möglichkeiten der dynamischen Leistungsanpassung (Rechenleistung und verbrauchte elektrische Leistung) moderner Prozessoren vereinigt. Der Design-to-time-Ansatz ermöglicht Energieeinsparungen oder Qualitätssteigerungen durch die dynamische Auswahl alternativer Implementierungen, welche dieselbe Aufgabe mit unterschiedlicher Ausführungsdauer und Qualität bzw. Energieverbrauch erfüllen. Das Systemmodell umfaßt unter anderem periodische Prozesse mit harten Echtzeitbedingungen, Datenabhängigkeiten und alternativen Implementierungen, sowie Prozessoren mit diskreten Leistungsstufen. Die Einplanung der Prozesse erfolgt in zwei Phasen. In der Offline-Phase wird ein flexibler Schedule berechnet, der für die zur Laufzeit möglichen Kombinationen von verstrichener Zeit und noch einzuplanender Prozeßmenge den jeweils einzuplanenden Prozeß, sowie die zu verwendende Implementierung und gegebenenfalls die einzustellende Leistungsstufe beinhaltet. Dieser flexible Schedule wird während der Online-Phase mit vernachlässigbarem Zeit- und Energieaufwand von einem Scheduler interpretiert. Für die Berechnung der optimalen flexiblen Schedules wurde ein Optimierer entwickelt, der eine Folge von flexiblen Schedules mit monoton steigender Güte (niedriger Energieverbrauch bzw. hohe Qualität) generiert, und damit der Klasse der Anytime-Algorithmen zuzuordnen ist. Eine Variante der Dynamischen Programmierung dient zur Bestimmung global optimaler, flexibler Schedules, die beispielsweise als Basis für Benchmarks dienen. Eine auf Simulated Annealing basierende Variante des Optimierers ermöglicht ein schnelleres Auffinden guter, flexibler Schedules für umfangreichere Anwendungen.
Die Agententechnologie hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erfahren und mittlerweile großen Einfluss auf verschiedene Bereiche in Wissenschaft und Technik genommen. Insbesondere wurde die agentenbasierte Modellbildung und Simulation als wirkungsvolles Mittel für die Untersuchung realer oder hypothetischer Systeme erkannt. Im Vordergrund stehen hierbei ganz besonders Systeme, die durch menschliches Handeln, Entscheiden und Verhalten beeinflusst werden, oder der Mensch selbst, um seine Eigenschaften und Fähigkeiten aus den Blickwinkeln unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen heraus weiterführend zu erforschen. Das primäre Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, den Entwurf agenten-basierter Simulationsmodelle, in denen menschliches Handeln, Entscheiden und Verhalten von ausschlaggebender Bedeutung sind, auf konzeptioneller Ebene zu unterstützen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird das domänen- und theorieunabhängige Referenzmodell PECS vorgestellt, das Strukturierungsprinzipien aus der Informatik mit systemtheoretischen Ansätzen verbindet, um das Wechselspiel vielfältiger Einflussbereiche auf das menschliche Handeln im Rahmen einer integrativen und umfassenden Agentenarchitektur abzubilden. Auf Grundlage des Referenzmodells werden insgesamt vier charakteristische Fallstudien aus der Psychologie, der Sozialpsychologie, der Soziologie und der experimentellen Ökonomie entwickelt, um den Einsatz des Referenzmodells in der Praxis zu demonstrieren.
Diese Arbeit präsentiert eine neue Methode zur Sicherheitsanalyse von Software im Bereich der Manipulationsprüfung und der Einhaltung von Informationsflüssen zwischen verschiedenen Sicherheitsniveaus. Program-Slicing und Constraint-Solving sind eigenständige Verfahren, die sowohl zur Abhängigkeitsbestimmung als auch zur Berechnung arithmetischer Eigenschaften verwendet werden. Die erstmalige Kombination dieser beiden Verfahren mittels Pfadbedingungen liefert nicht nur binäre Abhängigkeitsinformationen wie Slicing, sondern exakte notwendige Bedingungen über die Informationsflüsse zwischen zwei Programmpunkten. Neben der Definition der Grundlagen von Abhängigkeitsgraphen und einfachen Pfadbedingungen werden neue Erweiterungen für kontextsensitive interprozedurale Pfadbedingungen gezeigt und die Integration von domänenspezifischen Verfahren für Arrayfelder und abstrakten Datentypen demonstriert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Realisierung von Pfadbedingungen für echte Programme in echten Programmiersprachen. Hierfür werden Verfahren vorgeschlagen, realisiert und empirisch untersucht, wie Pfadbedingungen für große Programme skalieren. Die zum Einsatz kommenden Techniken sind u.a. Intervallanalyse und Binäre Entscheidungsgraphen, mit denen die generelle exponentielle Komplexität von Pfadbedingungen beherrschbar wird. Fallstudien für den Einsatz von Pfadbedingungen und die empirische Untersuchung mehrerer Verfahren zur Intervallanalyse zeigen, dass Pfadbedingungen für die praktische Programmanalyse und das Programmverstehen geeignet und empfehlenswert sind.