004 Datenverarbeitung; Informatik
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Software is vital for modern society. The efficient development of correct and reliable software is of ever-growing importance. An important technique to achieve this goal is deductive program verification: the construction of logical proofs that programs are correct. In this thesis, we address three important challenges for deductive verification on its way to a wider deployment in the industry: 1. verification of thread-based concurrent programs 2. correctness management of verification systems 3. change management in the verification process. These are consistently brought up by practitioners when applying otherwise mature verification systems. The three challenges correspond to the three parts of this thesis (not counting the introductory first part, providing technical background on the KeY verification approach). In the first part, we define a novel program logic for specifying correctness properties of object-oriented programs with unbounded thread-based concurrency. We also present a calculus for the above logic, which allows verifying actual Java programs. The calculus is based on symbolic execution resulting in its good understandability for the user. We describe the implementation of the calculus in the KeY verification system and present a case study. In the second part, we provide a first systematic survey and appraisal of factors involved in reliability of formal reasoning. We elucidate the potential and limitations of self-application of formal methods in this area and give recommendations based on our experience in design and operation of verification systems. In the third part, we show how the technique of similarity-based proof reuse can be applied to the problems of industrial verification life cycle. We address issues (e.g., coping with changes in the proof system) that are important in verification practice, but have been neglected by research so far.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Raytracer auf Voxel-Octrees für SSE-fähige CPUs implementiert. Als Grundlage diente das Augenblick-SDK der Firma Numenus. Es konnte gezeigt werden dass das Raytracing von Volumendaten exzellent skaliert und sich vor allem für sehr große, statische Datenmengen eignet.
Die Entwicklung im Bereich der Videospiele generierte in den letzten Monaten durch innovative Konzepte und neue Steuerungsmöglichkeiten ein hohes Maß an Aufmerksamkeit. Einen Meilenstein setzte die Firma Nintendo R mit dem sogenannten WiiTM Balance BoardTM . Dies ist ein Eingabegerät in Form eines Brettes, auf das sich der Spieler stellen muss, um ein Spiel mittels seiner Körperbalance steuern zu können. Mit dieser Form der Steuerung konnten neue Spielkonzepte erstellt und umgesetzt werden. Dadurch wurden erstmals Personengruppen angesprochen, die zuvor wenig bis gar kein Interesse an Videospielen hatten. Die Computerspielebranche hingegen verfolgt weiter das Ziel eine möglichst reale Spielumgebung zu schaffen und hält an ihren gewöhnlichen Steuerungen mittels Tastatur, Maus und Joystick fest. Im Rahmen dieser Studienarbeit wurde ein 3D-Computerspiel entwickelt, welches das Konzept der Videospiele verfolgt und die Möglichkeit bietet, mittels eigener Körperbalance zu steuern.
Das sichere Befahren von komplexen und unstruktierten Umgebungen durch autonome Roboter ist seit den Anfängen der Robotik ein Problem und bis heute eine Herausforderung geblieben. In dieser Studienarbeit werden drei Verfahren basierend auf 3-D-Laserscans, Höhenvarianz, der Principle Component Analysis (PCA) und Tiefenbildverarbeitung vorgestellt, die es Robotern ermöglichen, das sie umgebende Terrain zu klassifizieren und die Befahrbarkeit zu bewerten, sodass eine sichere Navigation auch in Bereichen möglich wird, die mit reinen 2-D-Laserscannern nicht sicher befahren werden können. Hierzu werden 3-D-Laserscans mit einem 2-D-Laserscanner erstellt, der auf einer Roll-Tilt-Einheit basierend auf Servos montiert ist, und gleichzeitig auch zur Kartierung und Navigation eingesetzt wird. Die einzeln aufgenommenen 2-D-Scans werden dann anhand des Bewegungsmodells der Roll-Tilt-Einheit in ein emeinsames 3-D-Koordinatensystem transformiert und mit für die 3-D-Punktwolkenerarbeitung üblichen Datenstrukturen (Gittern, etc.) und den o.g. Methoden klassifiziert. Die Verwendung von Servos zur Bewegung des 2-D-Scanners erfordert außerdem eine Kalibrierung und Genauigkeitsbetrachtung derselben, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen und Aussagen über die Qualität der 3-D-Scans treffen zu können. Als Ergebnis liegen drei Implementierungen vor, welche evolutionär entstanden sind. Das beschriebene Höhenvarianz-Verfahren wurde im Laufe dieser Studienarbeit von einem Principle Component Analysis basierten Verfahren, das bessere Ergebnisse insbesondere bei schrägen Untergründen und geringer Punktdichte bringt, abgelöst. Die Verfahren arbeiten beide zuverlässig, sind jedoch natürlich stark von der Genauigkeit der zur Erstellung der Scans verwendeten Hardware abhängig, die oft für Fehlklassifikationen verantwortlich war. Die zum Schluss entwickelte Tiefenbildverarbeitung zielt darauf ab, Abgründe zu erkennen und tut dies bei entsprechender Erkennbarkeit des Abgrunds im Tiefenbild auch zuverlässig.
World of Warcraft, das zu den populärsten gehörende Online-Rollenspiel, zieht täglich neue Besucher in eine phantasievolle Welt voller Abenteuer, die sie mit ihren selbst erstellten Avataren frei erkunden und dabei mit anderen Avataren in Kontakt treten können. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob sich eine Befragung in einer virtuellen Welt durchführen lässt, welche in der Realität eingesetzten Befragungsmethoden sich dabei auch in einer virtuellen Welt anwenden lassen und welche neuen Erkenntnisse dabei gewonnen werden können. Zunächst werden allgemeine Merkmale virtueller Welten umrissen auf der Grundlage des Buchs "Spielen in virtuellen Welten" von Stefan Wesener. Insbesondere werden Kommunikationsmöglichkeiten und ihre Besonderheiten in virtuellen Welten untersucht, die für eine "virtuelle" Befragung von Bedeutung sein könnten. Anschließend werden Methoden der empirischen Sozialforschung dargestellt, um eine theoretische Basis für die Durchführung einer Befragung in einer virtuellen Welt zu schaffen. Im dritten Kapitel wird der Versuch unternommen, die Erkenntnisse über Merkmale in virtuellen Welten und Besonderheiten der Kommunikation mit den Methoden der empirischen Sozialforschung zu verzahnen, um im Anschluss darauf sowohl eine qualitative als auch quantitative Befragung in einer virtuellen Welt durchführen zu können. Speziell soll dabei auf die Messung der Teilnahmebereitschaft und der Dokumentation relevanter Auffälligkeiten, vor dem Hintergrund einer virtuellen Welt, Wert gelegt werden.
Entwicklung eines Regelungsverfahrens zur Pfadverfolgung für ein Modellfahrzeug mit Sattelanhänger
(2009)
Neben der fortschreitenden Automatisierung im innerbetrieblichen Warenverkehr ist auch die Automatisierung in ausgewählten Bereichen des ausserbetrieblichen Waren- und Güterverkehrs erstrebenswert. Durch den Einsatz von fahrerlosen Lkw-Gespannen auf Speditionshöfen kann die ökonomische Effizienz, der dort anfallenden Abläufe, erheblich erhört werden. Insbesondere werden dazu präzise Regelungsverfahren benötig, die auch für Sattelzüge ein exaktes Abfahren vorgegebener Wege gewährleisten. Das allgemeine Ziel dieser Arbeit ist die Adaption und Evaluation eines Regelverfahrens zur Pfadverfolgung für Sattelzuggespanne. Die Unterschiede im kinematischen Verhalten zwischen LKW mit einem einachsigen Starrdeichselanhänger und Sattelzügen herausgearbeitet werden. Im Weiteren werden die charakteristischen kinematischen Eigenschaften von Sattelzügen bei der Adaption eines Regelverfahrens berücksichtigt, das zunächst speziell für Fahrzeuge mit Starrdeichselanhänger konzipiert wurde. Das Regelungsverfahren zur Pfadverfolgung muss sowohl für vorwärts als auch rückwärtsgerichtete Fahrmanöver geeignet sein. Das Regelungsverfahren wird als abgeschlossene Komponente in die Steuersoftware eines Modellfahrzeugs integriert. Dazu werde für die Geometrie des Modellfahrzeugs spezifische mit dem Ziel, Grenzen möglicher Regelabweichungen zu bestimmen. Die Arbeit dokumentiert darüber hinaus die zentralen Softwarekomponenten des implementierten Regelungsverfahrens
Globale Beleuchtung im Bildraum unter besonderer Berücksichtigung der Sichtbarkeitsbestimmung
(2009)
Die Simulation einer globalen Beleuchtung im dreidimensionalen Objektraum ist sehr rechenintensiv und hängt von der Komplexität der Szene ab. Dabei ist besonders die Berechnung der Sichtbarkeit aufwändig, also der Test, ob sich zwei Punkte in der Szene gegenseitig sehen können. Verfahren, die die globale Beleuchtung vom Objektraum in den Bildraum verlagern (Screen-Space, Image-Space), umgehen das Problem der Szenenkomplexität und haben somit einen wesentlichen Geschwindigkeitsvorteil. Auf diese Weise erzeugte Effekte sind zwar naturgemäß nicht physikalisch korrekt, da die aus Sicht der Kamera verdeckte Geometrie ignoriert wird, dennoch können sie für die menschliche Wahrnehmung überzeugend sein und realistisch wirken. Schlagworte hierfür sind "Fake-"Global-Illumination oder auch "Quasi-"Global-Illumination. Ein bekanntes Beispiel für ein bildraum-basiertes Verfahren zur Annäherung einer globalen Beleuchtung mithilfe weicher Schatten ist Screen Space Ambient Occlusion (SSAO). In dieser Studienarbeit wird untersucht, inwieweit sich die Sichtbarkeitsbestimmung im Bildraum nicht nur für nah gelegene Geometrie wie beim Ambient Occlusion, sondern in Bezug auf die gesamte Szene realisieren lässt. Aktuelle Ansätze werden dahingehend untersucht und das geeignetste Verfahrend wird als Grundlage für die Implementierung eines Testszenarios für Screen-Space Global Illumination genutzt. Das umgesetzte Verfahren wird anhand verschiedener Testszenen bewertet.
Die Motivation für diese Arbeit bestand darin, den Studierenden in den Rechnerpools der Universität Koblenz die Möglichkeit zu geben, mit der Simulationssoftware VNUML (Virtual Network User Mode Linux) zu arbeiten. Eingesetzt wird diese Software in den Vorlesungen und Übungen zu Rechnernetzen I und II, was eine Anwendung der Software für die Studenten unumgänglich macht. In der Vergangenheit gab es jedoch immer wieder Probleme bei der Installation und Einrichtung auf den privaten Rechnern, obwohl in früheren Studienarbeiten mehrfach vereinfachte Installationsroutinen entwickelt worden waren. Ein weiteres Problem für die Verwendung von VNUML stellt auch die Tatsache dar, dass die Software nur in einer Linux-Umgebung lauffähig ist. Da aber nicht alle Studierenden das Betriebssystem Linux benutzen und viele vor einer Installation allein zur Verwendung von VNUML zurückschrecken, war es schon länger angedacht, diese Software an den Rechnern der Universität zur Verfügung zu stellen. In dieser Arbeit wird der Prozess beschrieben, wie eine Installation der VNUML-Software in den Rechnerpools möglich war, welche Probleme dabei aufgetreten sind und welche Alternativen zur gewählten Vorgehensweise möglich gewesen wären. Das Ergebnis bietet auch eine sehr einfache Installation für den privaten Anwender, ohne dass hierfür eine eigenständige Linux-Installation nötig wäre. Auch wurden während der Entwicklung immer weitere Verbesserungen vorgenommen, welche die Anwenderfreundlichkeit der endgültigen Lösung weiter erhöhten. Die Möglichkeiten und Ideen sind dabei auch so vielfältig, dass sich die Arbeitsgruppe noch weiter mit diesem Thema beschäftigen wird und weitere Optimierungen vorgenommen werden können.
Die Ausgabe von immer echter und realistischer aussehenden Bildern auf Bildschirmen ist heute ein wichtiger Bestandteil in der Konzeption, Präsentation und Simulation von neuen Produkten in der Industrie. Trotz der auch immer physikalisch echter werdenden Grafiksimulationen ist man bei der Ausgabe auf Bildschirme angewiesen, die einen limitierenden Faktor darstellen: Leuchtdichten in Simulationen gehen dabei weit über tatsächlich darstellbare Leuchtdichten von Monitoren hinaus. Das menschliche Auge ist hingegen in der Lage, einen großen Dynamikumfang zu sehen, sich an gegebene Beleuchtungsverhältnisse anzupassen und auch kleinste Unterschiede in der Helligkeit einer Szene wahrzunehmen. Für die Ausgabe solcher High-dynamic-Range-Bilder auf herkömmlichen Monitoren müssen sogenannte Tonemappingverfahren jene Bilder auf den darstellbaren Bereich reduzieren. Manche dieser Verfahren bedienen sich dabei direkt der Physiologie des Auges, um eine realistische Ausgabe zu erzeugen, andere dienen eher zur Stilisierung. Ziel dieser Studienarbeit ist die Entwicklung eines Tonemappingverfahrens, das ein vertrauenswürdiges Ergebnis liefert. Ein solches Ergebnis ist erreicht, wenn der Betrachter keine Unstimmigkeiten im Bild vorfindet, die der Realität widersprechen. Der Gesamteindruck soll dem entsprechen, was der Nutzer sehen würde, stünde er direkt neben der aufgenommenen Szene. Für eine abschließende Evaluation wurde insbesondere eine reale Boxszene am Computer nachmodelliert und gerendert. Neben einem HDR-Foto kann damit der neu entstandene Tonemapping-Operator untersucht und mit bereits vorhandenen Tonemappingverfahren verglichen werden. 13 Probanden haben an dieser Evaluation teilgenommen, um die Leistungsfähigkeit und Qualität zu bewerten.
Die Koloskopie ist der Goldstandard zur Aufspürung von gefährlichen Darmpolypen, die sich zu Krebs entwickeln können. In einer solchen Untersuchung sucht der Arzt in den vom Endoskop gelieferten Bildern nach Polypen und kann diese gegebenenfalls entfernen. Um den Arzt bei der Suche zu unterstützen, erforscht die Universität Koblenz-Landau zur Zeit Methoden, die zur automatischen Detektion von Polypen auf endoskopischen Bildern verwendet werden können. Wie auch bei anderen Systemen zur Mustererkennung werden hierzu zunächst Merkmale aus den Bildern extrahiert und mit diesen ein Klassifikator trainiert. Dieser kann dann für die Klassifikation von ihm unbekannten Bildern eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurde das vorhandene System zur Polypendetektion um Merkmalsdetektoren erweitert und mit den bereits vorhandenen verglichen. Implementiert wurden Merkmale basierend auf der Diskreten Wavelet-Transformation, auf Grauwertübergangsmatrizen und auf Local Binary Patterns. Verschiedene Modifikationen dieser Merkmale wurden getestet und evaluiert.