Ein XML-basiertes Modell für synchrone Gruppenarbeit auf gemeinsamen Informationsräumen

In dieser Arbeit wird ein generisches Modell fuer synchrone Gruppenarbeit auf gemeinsamen Informationsraeumen entwickelt. Fuer die Entwicklung dieses Modells muessen die Grundfunktionen fuer Anwendungen der synchronen Gruppenarbeit realisiert werden. Neben der Modellierung des Datenraumes (Datenmodell) und der operationellen Schnittstelle (Interaktionsmodell), muessen Mechanismen fuer die Darstellung der Aktivitaeten der Gruppenmitglieder auf dem Informationsraum (Awareness), sowie fuer die Synchronisierung gleichzeitiger Zugriffe verschiedener Benutzer auf dem Datenraum realisiert werden (Nebenlaeufgkeitskontrolle). Das Grundproblem bei der Loesung der Nebenlaeufigkeit liegt bei der Aufgabe der Isolation aus den klassischen ACID-Transaktionen zu gunsten von Awareness. Die rapide Entwicklung von Techniken der mobilen Kommunikation ermoeglicht den Einsatz dieser Geraete fuer den Zugriff auf Daten im Internet. Durch UMTSund WLAN-Technologien koennen Mobilgeraete fuer Anwendungen ueber die reine Kommunikation hinaus eingesetzt werden. Eine natuerliche Folge dieser Entwicklung sind Anwendungen fuer die Zusammenarbeit mehrerer Benutzer. In der Arbeit wird daher auf die Unterstuetzung mobiler Geraete besonderen Wert gelegt. Die Interaktion der Benutzer auf den gemeinsamen Datenraum wird durch einfache Navigationsoperationen mit einem Cursor (Finger) realisiert, wobei der Datenraum durch XML-Dokumente dargestellt wird. Die Visualisierung basiert auf der Transformierung von XML-Dokumenten in andere XML-basierte Sprachen wie HTML oder SVG durch XSLT-Stylesheets. Awareness-Informationen werden, aehnlich dem Fokus/Nimbus-Modell, von der Interaktion der Benutzer und der Ermittlung der sichtbaren Objekte bei dem Benutzer hergeleitet. Fuer eine geeignete Kontrolle der Nebenlaeufigkeit wurde der Begriff der visuellen Transaktion eingefuehrt, wo die Auswirkungen einer Transaktion von anderen Benutzern (Transaktionen) beobachtet werden koennen. Die Synchronisierung basiert auf einem Sperrverfahren und der Einfuehrung der neuen W-Sperre und der Grundoperationen readV und writeV. Das Modell (Groupware-Server) wird in der Arbeit in einem Prototyp implementiert. Weiterhin wird eine Java-Anwendung sowohl auf einem Desktop PC als auch auf einem Pocket PC (iPAQ 3970) implementiert, welche die Einsetzbarkeit dieses Prototyps demonstriert.

Framework for middleware executed on mobile devices

Die ubiquitäre Datenverarbeitung ist ein attraktives Forschungsgebiet des vergangenen und aktuellen Jahrzehnts. Es handelt von unaufdringlicher Unterstützung von Menschen in ihren alltäglichen Aufgaben durch Rechner. Diese Unterstützung wird durch die Allgegenwärtigkeit von Rechnern ermöglicht die sich spontan zu verteilten Kommunikationsnetzwerken zusammen finden, um Informationen auszutauschen und zu verarbeiten. Umgebende Intelligenz ist eine Anwendung der ubiquitären Datenverarbeitung und eine strategische Forschungsrichtung der Information Society Technology der Europäischen Union. Das Ziel der umbebenden Intelligenz ist komfortableres und sichereres Leben. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung charakterisieren sich durch Heterogenität der verwendeten Rechner. Diese reichen von Kleinstrechnern, eingebettet in Gegenstände des täglichen Gebrauchs, bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern. Die Rechner verbinden sich spontan über kabellose Netzwerktechnologien wie wireless local area networks (WLAN), Bluetooth, oder UMTS. Die Heterogenität verkompliziert die Entwicklung und den Aufbau von verteilten Kommunikationsnetzwerken. Middleware ist eine Software Technologie um Komplexität durch Abstraktion zu einer homogenen Schicht zu reduzieren. Middleware bietet eine einheitliche Sicht auf die durch sie abstrahierten Ressourcen, Funktionalitäten, und Rechner. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung sind durch die spontane Verbindung von Rechnern gekennzeichnet. Klassische Middleware geht davon aus, dass Rechner dauerhaft miteinander in Kommunikationsbeziehungen stehen. Das Konzept der dienstorienterten Architektur ermöglicht die Entwicklung von Middleware die auch spontane Verbindungen zwischen Rechnern erlaubt. Die Funktionalität von Middleware ist dabei durch Dienste realisiert, die unabhängige Software-Einheiten darstellen. Das Wireless World Research Forum beschreibt Dienste die zukünftige Middleware beinhalten sollte. Diese Dienste werden von einer Ausführungsumgebung beherbergt. Jedoch gibt es noch keine Definitionen wie sich eine solche Ausführungsumgebung ausprägen und welchen Funktionsumfang sie haben muss. Diese Arbeit trägt zu Aspekten der Middleware-Entwicklung für verteilte Kommunikationsnetzwerke in der ubiquitären Datenverarbeitung bei. Der Schwerpunkt liegt auf Middleware und Grundlagentechnologien. Die Beiträge liegen als Konzepte und Ideen für die Entwicklung von Middleware vor. Sie decken die Bereiche Dienstfindung, Dienstaktualisierung, sowie Verträge zwischen Diensten ab. Sie sind in einem Rahmenwerk bereit gestellt, welches auf die Entwicklung von Middleware optimiert ist. Dieses Rahmenwerk, Framework for Applications in Mobile Environments (FAME²) genannt, beinhaltet Richtlinien, eine Definition einer Ausführungsumgebung, sowie Unterstützung für verschiedene Zugriffskontrollmechanismen um Middleware vor unerlaubter Benutzung zu schützen. Das Leistungsspektrum der Ausführungsumgebung von FAME² umfasst: • minimale Ressourcenbenutzung, um auch auf Rechnern mit wenigen Ressourcen, wie z.B. Mobiltelefone und Kleinstrechnern, nutzbar zu sein • Unterstützung für die Anpassung von Middleware durch Änderung der enthaltenen Dienste während die Middleware ausgeführt wird • eine offene Schnittstelle um praktisch jede existierende Lösung für das Finden von Diensten zu verwenden • und eine Möglichkeit der Aktualisierung von Diensten zu deren Laufzeit um damit Fehlerbereinigende, optimierende, und anpassende Wartungsarbeiten an Diensten durchführen zu können Eine begleitende Arbeit ist das Extensible Constraint Framework (ECF), welches Design by Contract (DbC) im Rahmen von FAME² nutzbar macht. DbC ist eine Technologie um Verträge zwischen Diensten zu formulieren und damit die Qualität von Software zu erhöhen. ECF erlaubt das aushandeln sowie die Optimierung von solchen Verträgen.

Gasleckortungsmethoden für autonome mobile Inspektionsroboter mit optischer Gasfernmesstechnik in industrieller Umgebung

In vielen Industrieanlagen werden verschiedenste Fluide in der Produktion eingesetzt, die bei einer Freisetzung, z. B. durch ihre toxische oder karzinogene Eigenschaft oder wegen der Brand- und Explosionsgefahr, sowohl die Umwelt als auch Investitionsgüter gefährden können. In Deutschland sind zur Risikominimierung die maximal zulässigen Emissionsmengen von Stoffen und Stoffgruppen in verschiedenen Umweltvorschriften festgelegt, wodurch zu deren Einhaltung eine ausreichende Überwachung aller relevanten Anlagenkomponenten seitens der Betreiber notwendig ist. Eine kontinuierliche und flächendeckende Überwachung der Anlagen ist aber weder personell, noch finanziell mit klassischer In-situ-Sensorik realisierbar. In der vorliegenden Arbeit wird die Problemstellung der autonomen mobilen Gasferndetektion und Gasleckortung in industrieller Umgebung mittels optischer Gasfernmesstechnik adressiert, die zum Teil im Rahmen des Verbundprojekts RoboGasInspector entstand. Neben der Beschreibung des verwendeten mobilen Robotersystems und der Sensorik, werden die eingesetzten Techniken zur Messdatenverarbeitung vorgestellt. Für die Leckortung, als Sonderfall im Inspektionsablauf, wurde die TriMax-Methode entwickelt, die zusätzlich durch einen Bayes-Klassifikator basierten Gasleckschätzer (Bayes classification based gas leak estimator (BeaGLE)) erweitert wurde, um die Erstellung von Leckhypothesen zu verbessern. Der BeaGLE basiert auf Techniken, die in der mobilen Robotik bei der Erstellung von digitalen Karten mittels Entfernungsmessungen genutzt werden. Die vorgestellten Strategien wurden in industrieller Umgebung mittels simulierter Lecks entwickelt und getestet. Zur Bestimmung der Strategieparameter wurden diverse Laborund Freifelduntersuchungen mit dem verwendeten Gasfernmessgerät durchgeführt. Die abschließenden Testergebnisse mit dem Gesamtsystem haben gezeigt, dass die automatische Gasdetektion und Gaslecksuche mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik innerhalb praktikabler Zeiten und mit hinreichender Präzision realisierbar sind. Die Gasdetektion und Gasleckortung mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik ist noch ein junger Forschungszweig der industriellen Servicerobotik. In der abschließenden Diskussion der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass noch weitergehende, interessante Forschungs- und Entwicklungspotentiale erkennbar sind.

Hierarchical Object Recognition Using Libraries of Parameterized Model Sub-Parts

This thesis describes the development of a model-based vision system that exploits hierarchies of both object structure and object scale. The focus of the research is to use these hierarchies to achieve robust recognition based on effective organization and indexing schemes for model libraries. The goal of the system is to recognize parameterized instances of non-rigid model objects contained in a large knowledge base despite the presence of noise and occlusion. Robustness is achieved by developing a system that can recognize viewed objects that are scaled or mirror-image instances of the known models or that contain components sub-parts with different relative scaling, rotation, or translation than in models. The approach taken in this thesis is to develop an object shape representation that incorporates a component sub-part hierarchy- to allow for efficient and correct indexing into an automatically generated model library as well as for relative parameterization among sub-parts, and a scale hierarchy- to allow for a general to specific recognition procedure. After analysis of the issues and inherent tradeoffs in the recognition process, a system is implemented using a representation based on significant contour curvature changes and a recognition engine based on geometric constraints of feature properties. Examples of the system's performance are given, followed by an analysis of the results. In conclusion, the system's benefits and limitations are presented.

Natural Object Categorization

This thesis addresses the problem of categorizing natural objects. To provide a criteria for categorization we propose that the purpose of a categorization is to support the inference of unobserved properties of objects from the observed properties. Because no such set of categories can be constructed in an arbitrary world, we present the Principle of Natural Modes as a claim about the structure of the world. We first define an evaluation function that measures how well a set of categories supports the inference goals of the observer. Entropy measures for property uncertainty and category uncertainty are combined through a free parameter that reflects the goals of the observer. Natural categorizations are shown to be those that are stable with respect to this free parameter. The evaluation function is tested in the domain of leaves and is found to be sensitive to the structure of the natural categories corresponding to the different species. We next develop a categorization paradigm that utilizes the categorization evaluation function in recovering natural categories. A statistical hypothesis generation algorithm is presented that is shown to be an effective categorization procedure. Examples drawn from several natural domains are presented, including data known to be a difficult test case for numerical categorization techniques. We next extend the categorization paradigm such that multiple levels of natural categories are recovered; by means of recursively invoking the categorization procedure both the genera and species are recovered in a population of anaerobic bacteria. Finally, a method is presented for evaluating the utility of features in recovering natural categories. This method also provides a mechanism for determining which features are constrained by the different processes present in a multiple modal world.

The Use of Grouping in Visual Object Recognition.

The report describes a recognition system called GROPER, which performs grouping by using distance and relative orientation constraints that estimate the likelihood of different edges in an image coming from the same object. The thesis presents both a theoretical analysis of the grouping problem and a practical implementation of a grouping system. GROPER also uses an indexing module to allow it to make use of knowledge of different objects, any of which might appear in an image. We test GROPER by comparing it to a similar recognition system that does not use grouping.

A Distributed Model for Mobile Robot Environment-Learning and Navigation

A distributed method for mobile robot navigation, spatial learning, and path planning is presented. It is implemented on a sonar-based physical robot, Toto, consisting of three competence layers: 1) Low-level navigation: a collection of reflex-like rules resulting in emergent boundary-tracing. 2) Landmark detection: dynamically extracts landmarks from the robot's motion. 3) Map learning: constructs a distributed map of landmarks. The parallel implementation allows for localization in constant time. Spreading of activation computes both topological and physical shortest paths in linear time. The main issues addressed are: distributed, procedural, and qualitative representation and computation, emergent behaviors, dynamic landmarks, minimized communication.

Concurrent Aggregates (CA): An Object-Oriented Language for Fine-Grained Message-Passing Machines

Fine-grained parallel machines have the potential for very high speed computation. To program massively-concurrent MIMD machines, programmers need tools for managing complexity. These tools should not restrict program concurrency. Concurrent Aggregates (CA) provides multiple-access data abstraction tools, Aggregates, which can be used to implement abstractions with virtually unlimited potential for concurrency. Such tools allow programmers to modularize programs without reducing concurrency. I describe the design, motivation, implementation and evaluation of Concurrent Aggregates. CA has been used to construct a number of application programs. Multi-access data abstractions are found to be useful in constructing highly concurrent programs.

Statistical Object Recognition

Two formulations of model-based object recognition are described. MAP Model Matching evaluates joint hypotheses of match and pose, while Posterior Marginal Pose Estimation evaluates the pose only. Local search in pose space is carried out with the Expectation--Maximization (EM) algorithm. Recognition experiments are described where the EM algorithm is used to refine and evaluate pose hypotheses in 2D and 3D. Initial hypotheses for the 2D experiments were generated by a simple indexing method: Angle Pair Indexing. The Linear Combination of Views method of Ullman and Basri is employed as the projection model in the 3D experiments.

Attentional Selection in Object Recognition

A key problem in object recognition is selection, namely, the problem of identifying regions in an image within which to start the recognition process, ideally by isolating regions that are likely to come from a single object. Such a selection mechanism has been found to be crucial in reducing the combinatorial search involved in the matching stage of object recognition. Even though selection is of help in recognition, it has largely remained unsolved because of the difficulty in isolating regions belonging to objects under complex imaging conditions involving occlusions, changing illumination, and object appearances. This thesis presents a novel approach to the selection problem by proposing a computational model of visual attentional selection as a paradigm for selection in recognition. In particular, it proposes two modes of attentional selection, namely, attracted and pay attention modes as being appropriate for data and model-driven selection in recognition. An implementation of this model has led to new ways of extracting color, texture and line group information in images, and their subsequent use in isolating areas of the scene likely to contain the model object. Among the specific results in this thesis are: a method of specifying color by perceptual color categories for fast color region segmentation and color-based localization of objects, and a result showing that the recognition of texture patterns on model objects is possible under changes in orientation and occlusions without detailed segmentation. The thesis also presents an evaluation of the proposed model by integrating with a 3D from 2D object recognition system and recording the improvement in performance. These results indicate that attentional selection can significantly overcome the computational bottleneck in object recognition, both due to a reduction in the number of features, and due to a reduction in the number of matches during recognition using the information derived during selection. Finally, these studies have revealed a surprising use of selection, namely, in the partial solution of the pose of a 3D object.

An Analysis of the Effect of Gaussian Error in Object Recognition

Object recognition is complicated by clutter, occlusion, and sensor error. Since pose hypotheses are based on image feature locations, these effects can lead to false negatives and positives. In a typical recognition algorithm, pose hypotheses are tested against the image, and a score is assigned to each hypothesis. We use a statistical model to determine the score distribution associated with correct and incorrect pose hypotheses, and use binary hypothesis testing techniques to distinguish between them. Using this approach we can compare algorithms and noise models, and automatically choose values for internal system thresholds to minimize the probability of making a mistake.

Predicate Dispatching in the Common Lisp Object System

I have added support for predicate dispatching, a powerful generalization of other dispatching mechanisms, to the Common Lisp Object System (CLOS). To demonstrate its utility, I used predicate dispatching to enhance Weyl, a computer algebra system which doubles as a CLOS library. My result is Dispatching-Enhanced Weyl (DEW), a computer algebra system that I have demonstrated to be well suited for both users and programmers.

Object Recognition with Pictorial Structures

This thesis presents a statistical framework for object recognition. The framework is motivated by the pictorial structure models introduced by Fischler and Elschlager nearly 30 years ago. The basic idea is to model an object by a collection of parts arranged in a deformable configuration. The appearance of each part is modeled separately, and the deformable configuration is represented by spring-like connections between pairs of parts. These models allow for qualitative descriptions of visual appearance, and are suitable for generic recognition problems. The problem of detecting an object in an image and the problem of learning an object model using training examples are naturally formulated under a statistical approach. We present efficient algorithms to solve these problems in our framework. We demonstrate our techniques by training models to represent faces and human bodies. The models are then used to locate the corresponding objects in novel images.

Generative Temporal Planning with Complex Processes

Autonomous vehicles are increasingly being used in mission-critical applications, and robust methods are needed for controlling these inherently unreliable and complex systems. This thesis advocates the use of model-based programming, which allows mission designers to program autonomous missions at the level of a coach or wing commander. To support such a system, this thesis presents the Spock generative planner. To generate plans, Spock must be able to piece together vehicle commands and team tactics that have a complex behavior represented by concurrent processes. This is in contrast to traditional planners, whose operators represent simple atomic or durative actions. Spock represents operators using the RMPL language, which describes behaviors using parallel and sequential compositions of state and activity episodes. RMPL is useful for controlling mobile autonomous missions because it allows mission designers to quickly encode expressive activity models using object-oriented design methods and an intuitive set of activity combinators. Spock also is significant in that it uniformly represents operators and plan-space processes in terms of Temporal Plan Networks, which support temporal flexibility for robust plan execution. Finally, Spock is implemented as a forward progression optimal planner that walks monotonically forward through plan processes, closing any open conditions and resolving any conflicts. This thesis describes the Spock algorithm in detail, along with example problems and test results.

A Note on Object Class Representation and Categorical Perception

We present a novel scheme ("Categorical Basis Functions", CBF) for object class representation in the brain and contrast it to the "Chorus of Prototypes" scheme recently proposed by Edelman. The power and flexibility of CBF is demonstrated in two examples. CBF is then applied to investigate the phenomenon of Categorical Perception, in particular the finding by Bulthoff et al. (1998) of categorization of faces by gender without corresponding Categorical Perception. Here, CBF makes predictions that can be tested in a psychophysical experiment. Finally, experiments are suggested to further test CBF.