Software tools and efficient algorithms for the feature detection, feature tracking, event localization, and visualization of large sets of atmospheric data

Data sets describing the state of the earth's atmosphere are of great importance in the atmospheric sciences. Over the last decades, the quality and sheer amount of the available data increased significantly, resulting in a rising demand for new tools capable of handling and analysing these large, multidimensional sets of atmospheric data. The interdisciplinary work presented in this thesis covers the development and the application of practical software tools and efficient algorithms from the field of computer science, aiming at the goal of enabling atmospheric scientists to analyse and to gain new insights from these large data sets. For this purpose, our tools combine novel techniques with well-established methods from different areas such as scientific visualization and data segmentation. In this thesis, three practical tools are presented. Two of these tools are software systems (Insight and IWAL) for different types of processing and interactive visualization of data, the third tool is an efficient algorithm for data segmentation implemented as part of Insight.Insight is a toolkit for the interactive, three-dimensional visualization and processing of large sets of atmospheric data, originally developed as a testing environment for the novel segmentation algorithm. It provides a dynamic system for combining at runtime data from different sources, a variety of different data processing algorithms, and several visualization techniques. Its modular architecture and flexible scripting support led to additional applications of the software, from which two examples are presented: the usage of Insight as a WMS (web map service) server, and the automatic production of a sequence of images for the visualization of cyclone simulations. The core application of Insight is the provision of the novel segmentation algorithm for the efficient detection and tracking of 3D features in large sets of atmospheric data, as well as for the precise localization of the occurring genesis, lysis, merging and splitting events. Data segmentation usually leads to a significant reduction of the size of the considered data. This enables a practical visualization of the data, statistical analyses of the features and their events, and the manual or automatic detection of interesting situations for subsequent detailed investigation. The concepts of the novel algorithm, its technical realization, and several extensions for avoiding under- and over-segmentation are discussed. As example applications, this thesis covers the setup and the results of the segmentation of upper-tropospheric jet streams and cyclones as full 3D objects. Finally, IWAL is presented, which is a web application for providing an easy interactive access to meteorological data visualizations, primarily aimed at students. As a web application, the needs to retrieve all input data sets and to install and handle complex visualization tools on a local machine are avoided. The main challenge in the provision of customizable visualizations to large numbers of simultaneous users was to find an acceptable trade-off between the available visualization options and the performance of the application. Besides the implementational details, benchmarks and the results of a user survey are presented.

Structural characterization of intermediate and metastable phases by electron microscopy

Structure characterization of nanocrystalline intermediates and metastable phases is of primary importance for a deep understanding of synthetic processes undergoing solid-to-solid state phase transitions. Understanding the evolution from the first nucleation stage to the final synthetic product supports not only the optimization of existing processes, but might assist in tailoring new synthetic paths. A systematic investigation of intermediates and metastable phases is hampered because it is impossible to produce large crystals and only in few cases a pure synthetic product can be obtained. Structure investigation by X-ray powder diffraction methods is still challenging on nanoscale, especially when the sample is polyphasic. Electron diffraction has the advantage to collect data from single nanoscopic crystals, but is limited by data incompleteness, dynamical effects and fast deterioration of the sample under the electron beam. Automated diffraction tomography (ADT), a recently developed technique, making possible to collect more complete three-dimensional electron diffraction data and to reduce at the same time dynamical scattering and beam damage, thus allowing to investigate even beam sensitive materials (f.e. hydrated phases and organics). At present, ADT is the only technique able to deliver complete three-dimensional structural information from single nanoscopic grains, independently from other surrounding phases. Thus, ADT is an ideal technique for the study of on-going processes where different phases exist at the same time and undergo several structural transitions. In this study ADT was used as the main technique for structural characterization for three different systems and combined subsequently with other techniques, among which high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), cryo-TEM imaging, X-ray powder diffraction (XRPD) and energy disperse X-ray spectroscopy (EDX).rnAs possible laser host materials, i.e. materials with a broad band emission in the near-infrared region, two unknown phases were investigated in the ternary oxide system M2O-Al2O3-WO3 (M = K, Na). Both phases exhibit low purity as well as non-homogeneous size distribution and particle morphology. The structures solved by ADT are also affected by pseudo-symmetry. rnSodium titanate nanotubes and nanowires are both intermediate products in the synthesis of TiO2 nanorods which are used as additives to colloidal TiO2 film for improving efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSC). The structural transition from nantubes to nanowires was investigated in a step by step time-resolved study. Nanowires were discovered to consist of a hitherto unknown phase of sodium titanate. This new phase, typically affected by pervasive defects like mutual layer shift, was structurally determined ab-initio on the basis of ADT data. rnThe third system is related with calcium carbonate nucleation and early crystallization. The first part of this study is dedicated to the extensive investigations of calcium carbonate formation in a step by step analysis, up to the appearance of crystalline individua. The second part is dedicated to the structure determination by ADT of the first-to-form anhydrated phase of CaCO3: vaterite. An exhaustive structure analysis of vaterite had previously been hampered by diffuse scattering, extra periodicities and fast deterioration of the material under electron irradiation. rn

Content Classification of Multimedia Documents using Partitions of Low-Level Features

Audio-visual documents obtained from German TV news are classified according to the IPTC topic categorization scheme. To this end usual text classification techniques are adapted to speech, video, and non-speech audio. For each of the three modalities word analogues are generated: sequences of syllables for speech, “video words” based on low level color features (color moments, color correlogram and color wavelet), and “audio words” based on low-level spectral features (spectral envelope and spectral flatness) for non-speech audio. Such audio and video words provide a means to represent the different modalities in a uniform way. The frequencies of the word analogues represent audio-visual documents: the standard bag-of-words approach. Support vector machines are used for supervised classification in a 1 vs. n setting. Classification based on speech outperforms all other single modalities. Combining speech with non-speech audio improves classification. Classification is further improved by supplementing speech and non-speech audio with video words. Optimal F-scores range between 62% and 94% corresponding to 50% - 84% above chance. The optimal combination of modalities depends on the category to be recognized. The construction of audio and video words from low-level features provide a good basis for the integration of speech, non-speech audio and video.

Flexibles Bodenfördersystem für den Montageprozess

Bei Montageprozessen werden flexible Transportsysteme, wie Plattenketten-Transfersysteme, zur praxisgerechten Verkettung von manuellen Arbeitsplätzen, automatischen Montage- und Prüfplätzen sowie Werkzeugmaschinen eingesetzt. Verkettungslösungen für manuelle und automatische Arbeitsstationen in Fertigungs- und Montagelinien bilden Staurollenketten- und Gurtförderer. Bei den am Markt verfügbaren Systemen wird ein allseitiger Werkstückzugang bei den einzelnen Montageabfolgen nur bedingt erreicht. In Zusammenarbeit mit der ALTRATEC Montagesysteme GmbH wurde ein flexibles Bodenfördersystem für den Montageprozess entwickelt, das eine verbesserte Werkstückzugänglichkeit aufweist und ein barrierefreies Arbeiten ermöglicht. Der Stauförderer arbeitet im kontinuierlichen Fließbetrieb, ist voll kurvengängig und kann Nebenstrecken bedienen. Ein Power & Free System bildet die Grundlage einer energieeffizienten Auslegung der Anlage und ermöglicht ein Arbeiten auch an wechselnden Arbeitsplätzen mit Taktbetrieb. Mit einem ausführlichen Test des Funktionsmusters konnten alle relevanten Betriebszustände verifiziert werden. Viele Anforderungen von selbstfahrenden Werkstück-Transportsystemen können mit dem neuen System bereits erfüllt werden.

Intelligent Virtual Patients for Training Clinical Skills

The article presents the design process of intelligent virtual human patients that are used for the enhancement of clinical skills. The description covers the development from conceptualization and character creation to technical components and the application in clinical research and training. The aim is to create believable social interactions with virtual agents that help the clinician to develop skills in symptom and ability assessment, diagnosis, interview techniques and interpersonal communication. The virtual patient fulfills the requirements of a standardized patient producing consistent, reliable and valid interactions in portraying symptoms and behaviour related to a specific clinical condition.

Automatisiertes Ladungssicherungssystem für Kleintransporter

Besonders für Kurier-Express-Paket-Dienste (KEP) mit vielen Haltepunkten sind verfügbare Mittel zur Ladungssicherung, wie z.B. Sicherungsnetze oder Sicherheitsgurte viel zu zeitaufwendig in der Anwendung. Im vorliegenden Artikel wird die Entwicklung eines automatisierten Ladungssicherungssystems mit dreidimensionalem-vorgeformten Sicherungsnetz vorgestellt. Für die Ladungssicherung wirken zwei Kernkomponenten zusammen. Zum einen ist ein Antirutschsystem integriert, welches die Vorteile einer reibarmen Oberfläche zum Beladen und die rutschhemmende Wirkung eines haftenden Belags beim Transport ausnutzt. Zum anderen werden unterschiedlich große Transporteinheiten durch ein sich flexibel anpassendes Netz überspannt, welches aus hochfestem Material, mit integrierten Netzverkürzern besteht. Die automatische Bedienbarkeit soll vor allem bei den Fahrern die Akzeptanz für das Ladungssicherungssystem erhöhen.

Konstruktive Gestaltung eines bioinspirierten Kommissionier-Greifers für intralogistische Handhabungsaufgaben

In diesem Beitrag wird ein neuartiger biologisch inspirierter Universalgreifer beschrieben. Dieser soll in einem automatisierten Kommissionier-Szenario selbstständig Waren aus Kisten greifen, anheben und an anderer Stelle ablegen um somit das manuelle Kommissionieren von Hand zu substituieren. Auf dem Weg zu einer ausgereiften Konstruktion werden zahlreiche Fragestellungen zur Gestaltung und Anordnung der Finger und deren Antrieb gelöst. Ein für diesen Anwendungsfall entwickelter Biegeaktor wird zur Krümmung der Finger eingesetzt und bietet als Alleinstellungsmerkmal ein nahezu verschleißfreies Gelenk bei einem sehr einfachen konstruktiven Aufbau.

ProFormA: An XML-based exchange format for programming tasks

Unterstützungssysteme für die Programmierausbildung sind weit verbreitet, doch gängige Standards für den Austausch von allgemeinen (Lern-) Inhalten und Tests erfüllen nicht die speziellen Anforderungen von Programmieraufgaben wie z. B. den Umgang mit komplexen Einreichungen aus mehreren Dateien oder die Kombination verschiedener (automatischer) Bewertungsverfahren. Dadurch können Aufgaben nicht zwischen Systemen ausgetauscht werden, was aufgrund des hohen Aufwands für die Entwicklung guter Aufgaben jedoch wünschenswert wäre. In diesem Beitrag wird ein erweiterbares XML-basiertes Format zum Austausch von Programmieraufgaben vorgestellt, das bereits von mehreren Systemen prototypisch genutzt wird. Die Spezifikation des Austauschformats ist online verfügbar [PFMA].

Automated load securing system for cargo vans

The use of lashing means, for example load securing straps or nets, is often time-consuming, especially for courier, express and parcel-services (CEP) using a lot stops. The following article describes the development of an automated load securing system with a three-dimensional-preformed net. Mainly two components interact in this system. On the one hand, an anti-skid system is integrated, which uses the advantages of a low-friction surface for loading and the anti-slip properties of an adhesive coating for the transport. On the other hand, a flexibly adaptive net consisting of high-performance synthetic fibers and integrated shorteners lash different sized transport units. Especially, the automatic lashing should increase the acceptance of the drivers for the new load securing system.

Meta-model for calculating the mean energy demand of automated storage and retrieval systems

Energy efficiency has become an important research topic in intralogistics. Especially in this field the focus is placed on automated storage and retrieval systems (AS/RS) utilizing stacker cranes as these systems are widespread and consume a significant portion of the total energy demand of intralogistical systems. Numerical simulation models were developed to calculate the energy demand rather precisely for discrete single and dual command cycles. Unfortunately these simulation models are not suitable to perform fast calculations to determine a mean energy demand value of a complete storage aisle. For this purpose analytical approaches would be more convenient but until now analytical approaches only deliver results for certain configurations. In particular, for commonly used stacker cranes equipped with an intermediate circuit connection within their drive configuration there is no analytical approach available to calculate the mean energy demand. This article should address this research gap and present a calculation approach which enables planners to quickly calculate the energy demand of these systems.

Determinanten kognitiver Angstmanifestation während schulischer Tests: Eine Längsschnittstudie

Theoretischer Hintergrund und Fragestellung: Schulische Tests dienen der Feststellung von Wissen und Können. Wie jede Messung kann auch diese durch Störvariablen verzerrt werden. Während Tests erlebte Angst ist ein solcher potentieller Störeinfluss: Angst kann Testleistungen beinträchtigen, da sie sich hinderlich auf die Informationsverarbeitung auswirken kann (Störung des Wissensabrufs und des Denkens; Zeidner, 1998). Dieser kognitiven Angstmanifestation (Rost & Schermer, 1997) liegt die angstbedingte automatische Aufmerksamkeitsorientierung auf aufgaben-irrelevante Gedanken während der Testbearbeitung zugrunde (Eysenck, Derakshan, Santos & Calvo, 2007). Es hat sich allerdings gezeigt, dass Angst nicht grundsätzlich mit Testleistungseinbußen einhergeht (Eysenck et al., 2007). Wir gehen davon aus, dass die Kapazität zur Selbstkontrolle bzw. Aufmerksamkeitsregulation (Baumeister, Muraven & Tice, 2000; Schmeichel & Baumeister, 2010) ein Faktor ist, der bedingt, wie stark kognitive Angstmanifestation während Tests und damit zusammenhängende Leistungseinbußen auftreten. Ängstliche Lernende mit höherer Aufmerksamkeitsregulationskapazität sollten ihrer automatischen Aufmerksamkeitsorientierung auf aufgaben-irrelevante Gedanken erfolgreicher entgegensteuern und ihre Aufmerksamkeit weiterhin auf die Aufgabenbearbeitung richten können. Dem entsprechend sollten sie trotz Angst weniger kognitive Angstmanifestation während Tests erleben als ängstliche Lernende mit geringerer Aufmerksamkeitsregulationskapazität. Auch die Selbstwirksamkeitserwartung und das Selbstwertgefühl sind Variablen, die in der Vergangenheit mit der Bewältigung von Angst und Stress in Verbindung gebracht wurden (Bandura, 1977; Baumeister, Campbell, Krueger & Vohs, 2003). Daher wurden diese Variablen als weitere Prädiktoren berücksichtigt. Es wurde die Hypothese getestet, dass die dispositionelle Aufmerksamkeitsregulationskapazität über die dispositionelle Selbstwirksamkeitserwartung und das dispositionelle Selbstwertgefühl hinaus Veränderungen in der kognitiven Angstmanifestation während Mathematiktests in einer Wirtschaftsschülerstichprobe vorhersagt. Es wurde des Weiteren davon ausgegangen, dass eine indirekte Verbindung zwischen der Aufmerksamkeitsregulationskapazität und der Veränderung in den Mathematiknoten, vermittelt über die Veränderung in der kognitiven Angstmanifestation, besteht. Methode: Einhundertachtundfünfzig Wirtschaftsschüler bearbeiteten im September 2011 (T1) einen Fragebogen, der die folgenden Messungen enthielt:-Subskala Kognitive Angstmanifestation aus dem Differentiellen Leistungsangstinventar (Rost & Schermer, 1997) bezogen auf Mathematiktests (Sparfeldt, Schilling, Rost, Stelzl & Peipert, 2005); Alpha = .90; -Skala zur dispositionellen Aufmerksamkeitsregulationskapazität (Bertrams & Englert, 2013); Alpha = .88; -Skala zur Selbstwirksamkeitserwartung (Schwarzer & Jerusalem, 1995); Alpha = .83; -Skala zum Selbstwertgefühl (von Collani & Herzberg, 2003); Alpha = .83; -Angabe der letzten Mathematikzeugnisnote. Im Februar 2012 (T2), also nach 5 Monaten und kurz nach dem Erhalt des Halbjahreszeugnisses, gaben die Schüler erneut ihre kognitive Angstmanifestation während Mathematiktests (Alpha = .93) und ihre letzte Mathematikzeugnisnote an. Ergebnisse: Die Daten wurden mittels Korrelationsanalyse, multipler Regressionsanalyse und Bootstrapping ausgewertet. Die Aufmerksamkeitsregulationskapazität, die Selbstwirksamkeitserwartung und das Selbstwertgefühl (alle zu T1) waren positiv interkorreliert, r= .50/.59/.59. Diese Variablen wurden gemeinsam als Prädiktoren in ein Regressionsmodell zur Vorhersage der kognitiven Angstmanifestation zu T2 eingefügt. Gleichzeitig wurde die kognitive Angstmanifestation zu T1 konstant gehalten. Es zeigte sich, dass die Aufmerksamkeitsregulationskapazität erwartungskonform die Veränderungen in der kognitiven Angstmanifestation vorhersagte, Beta = -.21, p= .02. Das heißt, dass höhere Aufmerksamkeitsregulationskapazität zu T1 mit verringerter kognitiver Angstmanifestation zu T2 einherging. Die Selbstwirksamkeitserwartung, Beta = .12, p= .14, und das Selbstwertgefühl, Beta = .05, p= .54, hatten hingegen keinen eigenen Vorhersagewert für die Veränderungen in der kognitiven Angstmanifestation. Des Weiteren ergab eine Mediationsanalyse mittels Bootstrapping (bias-corrected bootstrap 95% confidence interval, 5000 resamples; siehe Hayes & Scharkow, in press), dass die Aufmerksamkeitsregulationskapazität (T1), vermittelt über die Veränderung in der kognitiven Angstmanifestation, indirekt mit der Veränderung in der Mathematikleistung verbunden war (d.h. das Bootstrap-Konfidenzintervall schloss nicht die Null ein; CI [0.01, 0.24]). Für die Selbstwirksamkeitserwartung und das Selbstwertgefühl fand sich keine analoge indirekte Verbindung zur Mathematikleistung. Fazit: Die Befunde verweisen auf die Bedeutsamkeit der Aufmerksamkeitsregulationskapazität für die Bewältigung kognitiver Angstreaktionen während schulischer Tests. Losgelöst von der Aufmerksamkeitsregulationskapazität scheinen positive Erwartungen und ein positives Selbstbild keine protektive Wirkung hinsichtlich der leistungsbeeinträchtigenden kognitiven Angstmanifestation während Mathematiktests zu besitzen.