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Autonome Systeme, wie Roboter, sind bereits Teil unseres täglichen Lebens. Eine Sache, in der Menschen diesen Maschinen überlegen sind, ist die Fähigkeit, auf sein Gegenüber angemessen zu reagieren. Dies besteht nicht nur aus der Fähigkeit zu hören, was eine Person sagt, sondern auch daraus, ihre Mimik zu erkennen und zu interpretieren.
In dieser Bachelorarbeit wird ein System entwickelt, welches automatisch Gesichtsausdrücke erkennt und einer Emotion zuordnet. Das System arbeitet mit statischen Bildern und benutzt merkmalsbasierte Methoden zur Beschreibung von Gesichtsdaten. In dieser Arbeit werden gebräuchliche Schritte analysiert und aktuelle Methoden vorgestellt. Das beschriebene System basiert auf 2D-Merkmalen. Diese Merkmale werden im Gesicht detektiert. Ein neutraler Gesichtsausdruck wird nicht als Referenzbild benötigt. Das System extrahiert zwei Arten von Gesichtsparametern. Zum einen sind es Distanzen, die zwischen den Merkmalspunkten liegen. Zum anderen sind es Winkel, die zwischen den Linien liegen, die die Merkmalspunkte verbinden. Beide Arten von Parametern werden implementiert und getestet. Der Parametertyp, der die besten Ergebnisse liefert, wird schließlich in dem System benutzt. Eine Support Vector Machine (SVM) mit mehreren Klassen klassifiziert die Parameter. Das Ergebnis sind Kennzeichen von Action Units des Facial Action Coding Systems (FACS). Diese Kennzeichen werden einer Gesichtsemotion zugeordnet.
Diese Arbeit befasst sich mit den sechs Basisgesichtsausdrücken (glücklich, überrascht, traurig, ängstlich, wütend und angeekelt) plus dem neutralen Gesichtsausdruck. Das vorgestellte System wird in C++ implementiert und an das Robot Operating System (ROS) angebunden.
In dieser Arbeit werden drei Verfahren zur Objektentfernung aus Bildern einander gegenübergestellt. Zwei der ausgewählten Verfahren stammen aus dem Bereich der sogenannten Inpainting-Verfahren, während das dritte dem Forschungsgebiet der medizinischen Bildverarbeitung entnommen ist. Die Evaluation dieser Verfahren zeigt ihre jeweiligen Vor- und Nachteile auf und prüft ihre Anwendbarkeit auf das spezifische Problem, ein Farbkalibriermuster aus strukturdominierten Bildern zu entfernen. Auf der Grundlage dieser Eigenschaften werden abschließend mehrere Erweiterungen vorgestellt, die eine verbesserte Anwendbarkeit auf das gestellte Problem erreichen.
World’s ecosystems are under great pressure satisfying anthropogenic demands, with freshwaters being of central importance. The Millennium Ecosystem Assessment has identified anthropogenic land use and associated stressors as main drivers in jeopardizing stream ecosystem functions and the
biodiversity supported by freshwaters. Adverse effects on the biodiversity of freshwater organisms, such as macroinvertebrates, may propagate to fundamental ecosystem functions, such as organic matter breakdown (OMB) with potentially severe consequences for ecosystem services. In order to adequately protect and preserve freshwater ecosystems, investigations regarding potential and observed as well as direct and indirect effects of anthropogenic land use and associated stressors (e.g. nutrients, pesticides or heavy metals) on ecosystem functioning and stream biodiversity are needed. While greater species diversity most likely benefits ecosystem functions, the direction and magnitude of changes in ecosystem functioning depends primarily on species functional traits. In this context, the functional diversity of stream organisms has been suggested to be a more suitable predictor of changes in ecosystem functions than taxonomic diversity.
The thesis aims at investigating effects of anthropogenic land use on (i) three ecosystem functions by anthropogenic toxicants to identify effect thresholds (chapter 2), (ii) the organic matter breakdown by three land use categories to identify effects on the functional level (chapter 3) and (iii)on the stream community along an established land-use gradient to identify effects on the community level.
In chapter 2, I reviewed the literature regarding pesticide and heavy metal effects on OMB, primary production and community respiration. From each reviewed study that met inclusion criteria, the toxicant concentration resulting in a reduction of at least 20% in an ecosystem function was standardized based on laboratory toxicity data. Effect thresholds were based on the relationship between ecosystem functions and standardized concentration-effect relationships. The analysis revealed that more than one third of pesticide observations indicated reductions in ecosystem functions at concentrations that are assumed being protective in regulation. However, high variation within and between studies hampered the derivation of a concentration-effect relationship and thus effect thresholds.
In chapter 3, I conducted a field study to determine the microbial and invertebrate-mediated OMB by deploying fine and coarse mesh leaf bags in streams with forested, agricultural, vinicultural
and urban riparian land use. Additionally, physicochemical, geographical and habitat parameters were monitored to explain potential differences in OMB among land use types and sites. Regarding results, only microbial OMB differed between land use types. The microbial OMB showed a negative relationship with pH while the invertebrate-mediated OMB was positively related to tree cover. OMB responded to stressor gradients rather than directly to land use.
In chapter 4, macroinvertebrates were sampled in concert with leaf bag deployment and after species identification (i) the taxonomic diversity in terms of Simpson diversity and total taxonomic
richness (TTR) and (ii) the functional diversity in terms of bio-ecological traits and Rao’s quadratic entropy was determined for each community. Additionally, a land-use gradient was established and the response of the taxonomic and functional diversity of invertebrate communities along this gradient was investigated to examine whether these two metrics of biodiversity are predictive for the rate of OMB. Neither bio-ecological traits nor the functional diversity showed a significant relationship with
OMB. Although, TTR decreased with increasing anthropogenic stress and also the community structure and 26 % of bio-ecological traits were significantly related to the stress gradient, any of these shifts propagated to OMB.
Our results show that the complexity of real-world situations in freshwater ecosystems impedes the effect assessment of chemicals and land use for functional endpoints, and consequently our potential to predict changes. We conclude that current safety factors used in chemical risk assessment may not be sufficient for pesticides to protect functional endpoints. Furthermore, simplifying real-world stressor gradients into few land use categories was unsuitable to predict and quantify losses in OMB. Thus, the monitoring of specific stressors may be more relevant than crude land use categories to detect effects on ecosystem functions. This may, however, limit the large scale assessment of the status of OMB. Finally, despite several functional changes in the communities the functional diversity over several trait modalities remained similar. Neither taxonomic nor functional diversity were suitable predictors of OMB. Thus, when understanding anthropogenic impacts on the linkage between biodiversity and ecosystem functioning is of main interest, focusing on diversity metrics that are clearly linked to the stressor in question (Jackson et al. 2016) or integrating taxonomic and functional metrics (Mondy et al., 2012) might enhance our predictive capacity.
Klassische Fahrerassistenzsysteme (FAS) wie beispielsweise der Spurassistent oder das weit verbreitete Elektronische Stabilitätsprogramm basieren auf statischen System- und Softwarearchitekturen. Dies bedeutet, dass weder die Anzahl oder Topologie der Steuergeräte noch das Vorhandensein oder die Funktionalität von Softwaremodulen Änderungen zur Laufzeit unterliegen. Es existieren allerdings zukünftige FAS, bei denen solche Veränderungen eintreten können. Hierzu gehören beispielsweise Assistenzsysteme für Fahrzeuge mit Anhänger, da deren Steuergeräte und Softwaremodule über beide Teile des Gespanns verteilt sind. Diese neue Herausforderung kann nicht durch Ansätze, die zum Stand der Technik gehören, bewältigt werden. Stattdessen muss ein neuartiges Verfahren für das Design von solch verteilten Fahrerassistenzsystemen entwickelt werden.
Der zentrale wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit liegt in der Entwicklung einer neuartigen Software- und Systemarchitektur für dynamisch veränderliche FAS am Beispiel der Assistenzsysteme für Fahrzeuge mit Anhänger. Diese Architektur muss in der Lage sein, Veränderungen in der Topologie eigenständig zu erkennen und darauf zu reagieren. Hierbei entscheidet das System, welcher Grad der Assistenz und welche Nutzerschnittstelle nach dem An- oder Abkoppeln eines Anhängers angeboten werden kann. Hierzu werden neben der verfügbaren Software und Hardware die ausführbaren Assistenzfunktionalitäten analysiert und eine entsprechende Re-Konfiguration durchgeführt. Eine solche Systemanpassung kann vorgenommen werden, indem man auf die Prinzipien der Service-orientierten Architektur zurückgreift. Hierbei wird alle vorhandene Funktionalität in abgeschlossene Einheiten, so genannte Services gegossen. Diese Services stellen ihre Funktionalität über klar definierte Schnittstellen zur Verfügung, deren Verhalten durch so genannte Contracts beschrieben wird. Größere Applikationen werden zur Laufzeit durch den Zusammenschluss von mehreren solcher Services gebildet und adaptiert.
Die Arbeit beschreibt die Forschung die geleistet wurde, um die oben genannten Ziele durch den Einsatz von Service-orientierten Architekturen im automotiven Umfeld zu erreichen. Hierbei wird dem hohen Grad an Verteilung, dem Wunsch nach Wiederverwendbarkeit sowie der Heterogenität der einzelnen Komponenten durch den Einsatz der Prinzipien einer SOA begegnet. Weiterhin führt das Service-orientierte System eine automatische Re-Konfiguration im Falle einer Systemänderung durch. Statt eines der vorhandenen SOA Frameworks an die Verhältnisse im automotiven Umfeld anzupassen werden die einzelnen in SOA enthaltenen Prinzipien auf die Problemstellung angepasst. Hierbei entsteht ein eigenständiges Framework namens "Service-oriented Driver Assistance" (SODA) welches die Vorteile einer SOA mit den Anforderungen, bewährten Methoden und Standards vereint. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene SOA Frameworks analysiert und miteinander vergleichen. Außerdem wird das SODA Framework sowie dessen Anpassungen bezüglich automotiver Systeme detailliert beschrieben. Hierzu zählt auch ein Referenzmodell, welches die Begrifflichkeiten und Konzepte einführt und zueinander in Beziehung setzt sowie eine Referenzarchitektur definiert. Einige der Module dieser Referenzarchitektur wie beispielsweise das Re-Konfigurations- und das Kommunikationsmodul werden sehr detailiert in eigenen Kapiteln beschrieben. Um die Kompatibilität des Frameworks sicherzustellen wird die Integration in einen bewährten Entwicklungsprozess sowie in den Architekturstandard AUTOSAR diskutiert. Abschließend wird der Aufbau eines Demonstrators und dessen Evaluation bezüglich der Leistungsfähigkeit und Effizienz des Frameworks beschrieben.
This dissertation provides an interdisciplinary contribution to the project ReGLaN-Health & Logistics. ReGLaN-Health & Logistics, is an international cooperation deriving benefits from the capabilities of scientists working on different fields. The aim of the project is the development of a socalled SDSS that supports decision makers working within health systems with a special focus on rural areas. In this dissertation, one important component for the development of the DSS named EWARS is proposed and described in detail. This component called SPATTB is developed with the intention of dealing with spatial data, i.e. data with additional geocoded information with regard to the special requirements of the EWARS.rnrnAn important component in the process of developing the EWARS is the concept of GIS. Classically, geocoded information with a vectorial character numerically describing spatial phenomena is managed and processed in a GIS. For the development of the EWARS, the manageability of the type of data exemplarily given by (x,y,o) with coordinates x,y ) and Ozon-concentration o is not sufficient. It is described, that the manageable data has to be extended to data of type (x,y,f ), where (x,y) are the geocoded information, but where f is not only a numerical value but a functional description of a certain phenomenom. An example for the existence and appearance of that type of data is the geocoded information about the variation of the Ozon-concentration in time or depending on temperature. A knowledge-base as important subsystem of DSS containing expert knowledge is mentioned. This expert-knowledge can be made manageable when using methods from the field of fuzzy logic. Thereby mappings, socalled fuzzy-sets, are generated. Within the EWARS, these mappings will be used with respect to additional geocoded data. The knowledge about the geocoded mapping information only at a finite set of locations (x,y) associated with mapping information f is not sufficient in applications that need continuous statements in a certain geographical area. To provide a contribution towards solving this problem, methods from the field of computer geometry and CAD, so-called Bezier-methods, are used for interpolating this geocoded mapping information. Classically, these methods operates on vectors a the multidimensional vector-space whose elements contain real-valued components but in terms of dealing with mapping information, there has to be an extension on topological vector spaces since mapping spaces can be defined as such spaces. This builds a new perspective and possibility in the application of these methods. Therefore, the according algorithms have to be extended; this work is presented. The field of Artificial Neural Networks plays an important role for the processing and management of the data within the EWARS, where features of biological processes and structures are modeled and implemented as algorithms. Generally, the developed methods can be divided as usable in terms of interpolation or approximation functional coherences and in such being applicable to classification problems. In this dissertation one method from each type is regarded in more detailed. Thereby, the classical algorithms of the so-called Backpropagation-Networks for approximation and the Kohonen-Networks for classification are described. Within the thesis, an extension of these algorithms is then proposed using coherences from mathematical measure-theory and approximation theory. The mentioned extension of these algorithms is based on a preprocessing of the mapping data using integration methods from measure theory.
Mit der zunehmenden Verbreitung digitaler Kameras nimmt die Anzahl der aufgenommen Fotos drastisch zu. Fotos werden sowohl für den privaten Gebrauch aufgenommen und auf eigenen Festplatten gespeichert, als auch im Internet verbreitet. Die Verwaltung dieser großen Datenmengen stellt eine Herausforderung dar, bei der Benutzer zunehmend unterstützt werden müssen. Die automatische Analyse von Bildinhalten anhand von Algorithmen ist ein ungelöstes Problem und kann kaum die Bedürfnisse menschlicher Nutzer erfüllen. Daher werden häufig Metainformationen genutzt, um z.B. abgebildete Szenen textuell zu beschreiben oder Bewertungen zu Fotos zu speichern. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, wie diese Metainformationen ohne zusätzlichen Aufwand für Benutzer generiert werden können. Dazu werden Augenbewegungen von Benutzern mit einem Eyetrackinggerät erfasst und die daraus abgeleitete visuelle Aufmerksamkeit als Informationsquelle genutzt.
Aufgrund von fallenden Hardwarepreisen bei gleichzeitig zunehmender Konkurrenz sind die Preise für Eyetracker in den letzten Jahren stark gefallen und ihre Bedienbarkeit wurde vereinfacht. Es wird angenommen, dass die Erfassung von Blickdaten bald mit alltäglichen Geräten wie Laptops möglich sein wird, während Benutzer z.B. verschiedenen Beschäftigungen mit digitalen Bildern nachgehen. Die Auswertung dieser Blickinformationen erlaubt es, Informationen ohne zusätzlichen Aufwand für den Menschen bereitzustellen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht, ob durch die Auswertung von Blickinformationen, Schlagworte Bildregionen zugewiesen werden können, mit dem Ziel abgebildete Szenen zu beschreiben. Insgesamt wurden drei Experimente durchgeführt um die Qualität der Beschreibungen zu untersuchen. Im ersten Experiment entschieden Teilnehmer durch das Drücken bestimmter Tasten, ob ein gegebenes Objekt auf einem Foto zu sehen war. In der zweiten Studie suchten Benutzer mit einer simulierten Bildersuche nach Fotos von bestimmten Objekten. Im dritten Experiment klassifizierten Benutzer Fotos bezüglich gegebener Objektnamen in einem eyetracking-gesteuerten Spiel. In jedem Experiment wurden die Augenbewegungen aufgezeichnet und die Objektnamen bzw. Suchbegriffe entsprechenden Bildregionen zugeordnet. Die Ergebnisse zeigen, dass in den verschiedenen Anwendungen Bildinhalte durch Blickpfadanalysen sinnvoll beschrieben werden können. Im zweiten Teil wird die Identifizierung von interessanten Fotos in einer Sammlung von Fotos anhand von Blickbewegungen erforscht, mit dem Ziel, Benutzern individuelle Fotoauswahlen anzubieten, nachdem sie Fotos in einer Sammlung betrachtet haben. Durch den Vergleich der unter Einbeziehung der visuellen Aufmerksamkeit automatisch erstellten Auswahlen mit manuell von den Benutzer erstellten Auswahlen, wird das Potential von Blickinformation in der Erkennung wichtiger Fotos deutlich.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das große und bisher ungenutzte Potential der impliziten Nutzung von Blickdaten. Es kann von menschlichen Fähigkeiten profitiert werden, besonders dort, wo Algorithmen die menschliche Wahrnehmung noch lange nicht simulieren können.
Towards Improving the Understanding of Image Semantics by Gaze-based Tag-to-Region Assignments
(2011)
Eye-trackers have been used in the past to identify visual foci in images, find task-related image regions, or localize affective regions in images. However, they have not been used for identifying specific objects in images. In this paper, we investigate whether it is possible to assign image regions showing specific objects with tags describing these objects by analyzing the users' gaze paths. To this end, we have conducted an experiment with 20 subjects viewing 50 image-tag-pairs each. We have compared the tag-to-region assignments for nine existing and four new fixation measures. In addition, we have investigated the impact of extending region boundaries, weighting small image regions, and the number of subjects viewing the images. The paper shows that a tag-to-region assignment with an accuracy of 67% can be achieved by using gaze information. In addition, we show that multiple regions on the same image can be differentiated with an accuracy of 38%.
Abstract for the print-book: Walden, R. (2008). Architectural Psychology: School, University Campus, and Office Building of the Future. Lengerich: Pabst Science Publishers (in German). The need for display of self in architecture and for users' self-regulation of stress factors, which demonstrate that users crave individual control of their environment (cf. Flammer, 1990; Burger, 1992) motivated this study to use the concept of environmental control as a central criterion for the evaluation of built environment. It was applied to three case studies: a school, a university campus, and an office building. Advantages and disadvantages of the data- gathering methods of architectural Programming, User-Needs Analysis, and Post-Occupancy Evaluation were analyzed to highlight their significance in terms of Building Performance Evaluation as described by Preiser and Sc hramm (1997, 2005). The “Koblenz Architecture Questionnaire” was used as an instrument for assessing the built environment of the three case studies, and the study reports selected findings from these questionnaires. The investigation seeks to determine the effect of architecture - especially buildings' provisions for user control of environmental conditions - on user performance (cf. BOSTI studies, 1984, 2001) in three innovative buildings: the Waldorf School in Cologne, the new campus for the University in Koblenz, and the Office Tower of the Deutsche Post World Net AG in Bonn. Performance is measured in terms of (1) Lear ning and Work Efficiency, (2) Well-being, (3) Environmental Control, (4) Social Behavior (the latter just for the school project), and by means of 21 and 16 additional psychological criteria for success of the organization in the cases of the university and the office building, respectively. The study aims, among other things, at reassessing the theoretical concept of 'environmental control' and at making recommendations for both improvement of existing buildings and the design of new projects. Two central questions are: In User-Needs Analysis, what is the difference between the assessment of a building for its current use and its estimated performance in future? Do certain architectural features influence user assessments on the given performance criteria? In the studies, three mapping sentences were developed according to the 'facet approach' (Borg, 1996) as well as two systems to judge the quality of school and office buildings. Using these systems, information was obtained in all three studies to construct questionnaires. In the school study, teachers were asked 139 questions, pupils 86 questions. Responses were obtained from 26 teachers and 122 pupils. For the university, 147 students and 28 faculty members responded to 203 questions. For the office building, 56 student-experts were asked 254 questions. Characteristics of the built environment were rated using the following scale: +2 ☺☺ (very good “at present”, and accordingly very important “in the future”) down to –2 // (very bad “at present”, and very unimportant “in the future”). A general finding was a high and significant co rrelation between the responses for the three main performance criteria in all three case studies, especially for the 'importance for the future' aspect. This supports the conclusion that a perception of higher degree of environmental control by users will lead to an increased sense of well-being and consequently, there will also be a higher expectation of improved work or learning efficiency 'in the future'. The three studies further show for example that users in all three environments desire 'retreat opportunities' which may take the form of student offices in schools, niches and small group seating in classrooms, and sheltered seating in outdoor areas and work tables in the cafeteria for the university. For the offices, users wanted more visual privacy (less transparent office partitions in Combi Offices) for less visual control of their activities by supervisors and co-workers. The relationships found by the studies between the responses on the central performance criteria and the spatial characteristics of the three buildings support the contention that focused improvements in the built environment, especially with respect to features that enhance user control of environmental conditions, will influence users’ well-being as well as work performance and work or learning efficiency in a positive way.
Die modellgetriebene Softwareentwicklung beabsichtigt die Spezifikation von Softwaresystemen durch Modelle zu vereinfachen und die automatisierte Entwicklung zu verbessern. Die Modellierungssprachen und Werkzeuge, die zur Modellierung von Systemen und Anwendungsdomänen herangezogen werden, werden in modellbasierten technologischen Räumen zusammengefasst. Ontologiebasierte technologische Räume enthalten Ontologiesprachen und Technologien zum Entwurf, der Anfrage und dem Schlussfolgern von Wissen. Mit der Verbreitung des semantischen Webs werden Ontologien in der Entwicklung von Software zunehmend eingesetzt.
In dieser Arbeit werden zur Kombination von technologischen Räumen Brückentechnologien vorgestellt. Transformationsbrücken übersetzen Modelle, Abbildungsbrücken stellen Beziehungen zwischen Modellen verschiedener technologischer Räume her und Integrationsbrücken verschmelzen Räume zu neuen allumfassenden technologischen Räumen. API Brücken erschaffen Interoperabilität zwischen Werkzeugen. Diese Arbeit beschäftigt sich insbesondere mit der Kombination von modellbasierten und ontologiebasierten technologischen Räumen. Nach einem Vergleich zwischen Sprachen und Werkzeugen der einzelnen Räume wird die Integrationsbrücke herangezogen um einen neuen gemeinsamen technologischen Raum zu erstellen, der den hybriden Gebrauch von Sprachen und den interoperablen Einsatz von Werkzeugen ermöglicht. Die Syntax und Semantik von Modellierungssprachen kann mit Hilfe von Ontologiesprachen spezifiziert werden. Die Korrektheit von Modellen wird durch den Einsatz von Ontologietechnologien gewährleistet. Ontologiebasierte Modellierungssprachen erlauben den Nutzen von Anfrage- und Schlussfolgerungstechnologien. Sie sind darüber hinaus so flexibel um verschiedene Anforderungen von Softwareentwicklern zu erfüllen. Domänenspezifische Sprachen unterstützen neben der Spezifikation von Systemen auch die konzeptionelle Beschreibung von Domänen durch Modelle, die aus möglichen Laufzeitinstanzen und deren Typen bestehen. Integrierte Ontologiesprachen helfen eine formale Semantik für Domänenmodellierungssprachen zu definieren und Ontologietechnologien ermöglichen das Schlussfolgern über Typen und Instanzen.
Alle Ansätze in dieser Arbeit werden mit Hilfe eines Szenarios, in dem die Konfigurationen für Familien von Netzwerkgeräte modelliert werden, veranschaulicht. Ferner werden die Implementationen aller Brückentechnologien zur Kombination von technologischen Räumen und alle Werkzeuge für die ontologiebasierte Entwicklung von Modellierungssprachen illustriert.
Eine genaue Schneesimulation ist der Schlüssel zur Erfassung der charakteristischen Visualisierung von Schnee. Aufwendige Methoden existieren, die versuchen Schneeverhalten ganzheitlich zu ergreifen. Die Rechenkomplexität dieser Ansätze hindert sie daran, Echtzeitfähigkeit zu erreichen. Diese Arbeit stellt drei Methoden vor, die unter Verwendung der GPU eine echtzeitfähige Deformation einer Schneeoberoberfläche darstellen. Die Ansätze werden hinsichtlich ihrer wahrheitsgetreuen Schneedarstellung untersucht und nach ihrer Fähigkeit, mit einer zunehmenden Anzahl von schneeverformenden Objekten zu skalieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methoden bei mehreren hunderten schneeverformenden Objekten ihre Echtzeitfähigkeit beibehalten. Jedoch benachteiligen die charakteristischen Einschränkungen jener Methoden die visuellen Resultate. Ein experimenteller Ansatz ist es, die Anzahl der schneeverformenden Objekte zu reduzieren und durch Zusammenfügen der Methoden ein genaueres, kombiniertes Verformungsmuster zu erzeugen.