Useful computer vision techniques for human-robot interaction

[ES]This paper describes some simple but useful computer vision techniques for human-robot interaction. First, an omnidirectional camera setting is described that can detect people in the surroundings of the robot, giving their angular positions and a rough estimate of the distance. The device can be easily built with inexpensive components. Second, we comment on a color-based face detection technique that can alleviate skin-color false positives. Third, a simple head nod and shake detector is described, suitable for detecting affirmative/negative, approval/dissaproval, understanding/disbelief head gestures.

Self-Organizing Mechanisms for Task Allocation in a Knowledge-Based Economy

A prevalent claim is that we are in knowledge economy. When we talk about knowledge economy, we generally mean the concept of “Knowledge-based economy” indicating the use of knowledge and technologies to produce economic benefits. Hence knowledge is both tool and raw material (people’s skill) for producing some kind of product or service. In this kind of environment economic organization is undergoing several changes. For example authority relations are less important, legal and ownership-based definitions of the boundaries of the firm are becoming irrelevant and there are only few constraints on the set of coordination mechanisms. Hence what characterises a knowledge economy is the growing importance of human capital in productive processes (Foss, 2005) and the increasing knowledge intensity of jobs (Hodgson, 1999). Economic processes are also highly intertwined with social processes: they are likely to be informal and reciprocal rather than formal and negotiated. Another important point is also the problem of the division of labor: as economic activity becomes mainly intellectual and requires the integration of specific and idiosyncratic skills, the task of dividing the job and assigning it to the most appropriate individuals becomes arduous, a “supervisory problem” (Hogdson, 1999) emerges and traditional hierarchical control may result increasingly ineffective. Not only specificity of know how makes it awkward to monitor the execution of tasks, more importantly, top-down integration of skills may be difficult because ‘the nominal supervisors will not know the best way of doing the job – or even the precise purpose of the specialist job itself – and the worker will know better’ (Hogdson,1999). We, therefore, expect that the organization of the economic activity of specialists should be, at least partially, self-organized. The aim of this thesis is to bridge studies from computer science and in particular from Peer-to-Peer Networks (P2P) to organization theories. We think that the P2P paradigm well fits with organization problems related to all those situation in which a central authority is not possible. We believe that P2P Networks show a number of characteristics similar to firms working in a knowledge-based economy and hence that the methodology used for studying P2P Networks can be applied to organization studies. Three are the main characteristics we think P2P have in common with firms involved in knowledge economy: - Decentralization: in a pure P2P system every peer is an equal participant, there is no central authority governing the actions of the single peers; - Cost of ownership: P2P computing implies shared ownership reducing the cost of owing the systems and the content, and the cost of maintaining them; - Self-Organization: it refers to the process in a system leading to the emergence of global order within the system without the presence of another system dictating this order. These characteristics are present also in the kind of firm that we try to address and that’ why we have shifted the techniques we adopted for studies in computer science (Marcozzi et al., 2005; Hales et al., 2007 [39]) to management science.

Technical innovations for the diagnosis and the rehabilitation of motor and perceptive impairments of the child with Cerebral Palsy

The treatment of the Cerebral Palsy (CP) is considered as the “core problem” for the whole field of the pediatric rehabilitation. The reason why this pathology has such a primary role, can be ascribed to two main aspects. First of all CP is the form of disability most frequent in childhood (one new case per 500 birth alive, (1)), secondarily the functional recovery of the “spastic” child is, historically, the clinical field in which the majority of the therapeutic methods and techniques (physiotherapy, orthotic, pharmacologic, orthopedic-surgical, neurosurgical) were first applied and tested. The currently accepted definition of CP – Group of disorders of the development of movement and posture causing activity limitation (2) – is the result of a recent update by the World Health Organization to the language of the International Classification of Functioning Disability and Health, from the original proposal of Ingram – A persistent but not unchangeable disorder of posture and movement – dated 1955 (3). This definition considers CP as a permanent ailment, i.e. a “fixed” condition, that however can be modified both functionally and structurally by means of child spontaneous evolution and treatments carried out during childhood. The lesion that causes the palsy, happens in a structurally immature brain in the pre-, peri- or post-birth period (but only during the firsts months of life). The most frequent causes of CP are: prematurity, insufficient cerebral perfusion, arterial haemorrhage, venous infarction, hypoxia caused by various origin (for example from the ingestion of amniotic liquid), malnutrition, infection and maternal or fetal poisoning. In addition to these causes, traumas and malformations have to be included. The lesion, whether focused or spread over the nervous system, impairs the whole functioning of the Central Nervous System (CNS). As a consequence, they affect the construction of the adaptive functions (4), first of all posture control, locomotion and manipulation. The palsy itself does not vary over time, however it assumes an unavoidable “evolutionary” feature when during growth the child is requested to meet new and different needs through the construction of new and different functions. It is essential to consider that clinically CP is not only a direct expression of structural impairment, that is of etiology, pathogenesis and lesion timing, but it is mainly the manifestation of the path followed by the CNS to “re”-construct the adaptive functions “despite” the presence of the damage. “Palsy” is “the form of the function that is implemented by an individual whose CNS has been damaged in order to satisfy the demands coming from the environment” (4). Therefore it is only possible to establish general relations between lesion site, nature and size, and palsy and recovery processes. It is quite common to observe that children with very similar neuroimaging can have very different clinical manifestations of CP and, on the other hand, children with very similar motor behaviors can have completely different lesion histories. A very clear example of this is represented by hemiplegic forms, which show bilateral hemispheric lesions in a high percentage of cases. The first section of this thesis is aimed at guiding the interpretation of CP. First of all the issue of the detection of the palsy is treated from historical viewpoint. Consequently, an extended analysis of the current definition of CP, as internationally accepted, is provided. The definition is then outlined in terms of a space dimension and then of a time dimension, hence it is highlighted where this definition is unacceptably lacking. The last part of the first section further stresses the importance of shifting from the traditional concept of CP as a palsy of development (defect analysis) towards the notion of development of palsy, i.e., as the product of the relationship that the individual however tries to dynamically build with the surrounding environment (resource semeiotics) starting and growing from a different availability of resources, needs, dreams, rights and duties (4). In the scientific and clinic community no common classification system of CP has so far been universally accepted. Besides, no standard operative method or technique have been acknowledged to effectively assess the different disabilities and impairments exhibited by children with CP. CP is still “an artificial concept, comprising several causes and clinical syndromes that have been grouped together for a convenience of management” (5). The lack of standard and common protocols able to effectively diagnose the palsy, and as a consequence to establish specific treatments and prognosis, is mainly because of the difficulty to elevate this field to a level based on scientific evidence. A solution aimed at overcoming the current incomplete treatment of CP children is represented by the clinical systematic adoption of objective tools able to measure motor defects and movement impairments. A widespread application of reliable instruments and techniques able to objectively evaluate both the form of the palsy (diagnosis) and the efficacy of the treatments provided (prognosis), constitutes a valuable method able to validate care protocols, establish the efficacy of classification systems and assess the validity of definitions. Since the ‘80s, instruments specifically oriented to the analysis of the human movement have been advantageously designed and applied in the context of CP with the aim of measuring motor deficits and, especially, gait deviations. The gait analysis (GA) technique has been increasingly used over the years to assess, analyze, classify, and support the process of clinical decisions making, allowing for a complete investigation of gait with an increased temporal and spatial resolution. GA has provided a basis for improving the outcome of surgical and nonsurgical treatments and for introducing a new modus operandi in the identification of defects and functional adaptations to the musculoskeletal disorders. Historically, the first laboratories set up for gait analysis developed their own protocol (set of procedures for data collection and for data reduction) independently, according to performances of the technologies available at that time. In particular, the stereophotogrammetric systems mainly based on optoelectronic technology, soon became a gold-standard for motion analysis. They have been successfully applied especially for scientific purposes. Nowadays the optoelectronic systems have significantly improved their performances in term of spatial and temporal resolution, however many laboratories continue to use the protocols designed on the technology available in the ‘70s and now out-of-date. Furthermore, these protocols are not coherent both for the biomechanical models and for the adopted collection procedures. In spite of these differences, GA data are shared, exchanged and interpreted irrespectively to the adopted protocol without a full awareness to what extent these protocols are compatible and comparable with each other. Following the extraordinary advances in computer science and electronics, new systems for GA no longer based on optoelectronic technology, are now becoming available. They are the Inertial and Magnetic Measurement Systems (IMMSs), based on miniature MEMS (Microelectromechanical systems) inertial sensor technology. These systems are cost effective, wearable and fully portable motion analysis systems, these features gives IMMSs the potential to be used both outside specialized laboratories and to consecutive collect series of tens of gait cycles. The recognition and selection of the most representative gait cycle is then easier and more reliable especially in CP children, considering their relevant gait cycle variability. The second section of this thesis is focused on GA. In particular, it is firstly aimed at examining the differences among five most representative GA protocols in order to assess the state of the art with respect to the inter-protocol variability. The design of a new protocol is then proposed and presented with the aim of achieving gait analysis on CP children by means of IMMS. The protocol, named ‘Outwalk’, contains original and innovative solutions oriented at obtaining joint kinematic with calibration procedures extremely comfortable for the patients. The results of a first in-vivo validation of Outwalk on healthy subjects are then provided. In particular, this study was carried out by comparing Outwalk used in combination with an IMMS with respect to a reference protocol and an optoelectronic system. In order to set a more accurate and precise comparison of the systems and the protocols, ad hoc methods were designed and an original formulation of the statistical parameter coefficient of multiple correlation was developed and effectively applied. On the basis of the experimental design proposed for the validation on healthy subjects, a first assessment of Outwalk, together with an IMMS, was also carried out on CP children. The third section of this thesis is dedicated to the treatment of walking in CP children. Commonly prescribed treatments in addressing gait abnormalities in CP children include physical therapy, surgery (orthopedic and rhizotomy), and orthoses. The orthotic approach is conservative, being reversible, and widespread in many therapeutic regimes. Orthoses are used to improve the gait of children with CP, by preventing deformities, controlling joint position, and offering an effective lever for the ankle joint. Orthoses are prescribed for the additional aims of increasing walking speed, improving stability, preventing stumbling, and decreasing muscular fatigue. The ankle-foot orthosis (AFO), with a rigid ankle, are primarily designed to prevent equinus and other foot deformities with a positive effect also on more proximal joints. However, AFOs prevent the natural excursion of the tibio-tarsic joint during the second rocker, hence hampering the natural leaning progression of the whole body under the effect of the inertia (6). A new modular (submalleolar) astragalus-calcanear orthosis, named OMAC, has recently been proposed with the intention of substituting the prescription of AFOs in those CP children exhibiting a flat and valgus-pronated foot. The aim of this section is thus to present the mechanical and technical features of the OMAC by means of an accurate description of the device. In particular, the integral document of the deposited Italian patent, is provided. A preliminary validation of OMAC with respect to AFO is also reported as resulted from an experimental campaign on diplegic CP children, during a three month period, aimed at quantitatively assessing the benefit provided by the two orthoses on walking and at qualitatively evaluating the changes in the quality of life and motor abilities. As already stated, CP is universally considered as a persistent but not unchangeable disorder of posture and movement. Conversely to this definition, some clinicians (4) have recently pointed out that movement disorders may be primarily caused by the presence of perceptive disorders, where perception is not merely the acquisition of sensory information, but an active process aimed at guiding the execution of movements through the integration of sensory information properly representing the state of one’s body and of the environment. Children with perceptive impairments show an overall fear of moving and the onset of strongly unnatural walking schemes directly caused by the presence of perceptive system disorders. The fourth section of the thesis thus deals with accurately defining the perceptive impairment exhibited by diplegic CP children. A detailed description of the clinical signs revealing the presence of the perceptive impairment, and a classification scheme of the clinical aspects of perceptual disorders is provided. In the end, a functional reaching test is proposed as an instrumental test able to disclosure the perceptive impairment. References 1. Prevalence and characteristics of children with cerebral palsy in Europe. Dev Med Child Neurol. 2002 Set;44(9):633-640. 2. Bax M, Goldstein M, Rosenbaum P, Leviton A, Paneth N, Dan B, et al. Proposed definition and classification of cerebral palsy, April 2005. Dev Med Child Neurol. 2005 Ago;47(8):571-576. 3. Ingram TT. A study of cerebral palsy in the childhood population of Edinburgh. Arch. Dis. Child. 1955 Apr;30(150):85-98. 4. Ferrari A, Cioni G. The spastic forms of cerebral palsy : a guide to the assessment of adaptive functions. Milan: Springer; 2009. 5. Olney SJ, Wright MJ. Cerebral Palsy. Campbell S et al. Physical Therapy for Children. 2nd Ed. Philadelphia: Saunders. 2000;:533-570. 6. Desloovere K, Molenaers G, Van Gestel L, Huenaerts C, Van Campenhout A, Callewaert B, et al. How can push-off be preserved during use of an ankle foot orthosis in children with hemiplegia? A prospective controlled study. Gait Posture. 2006 Ott;24(2):142-151.

Informationsstrukturen der protokollbasierten Medizin

Die protokollbasierte Medizin stellt einen interdisziplinären Brennpunkt der Informatik dar. Als besonderer Ausschnitt der medizinischen Teilgebiete erlaubt sie die relativ formale Spezifikation von Prozessen in den drei Bereichen der Prävention, Diagnose und Therapie.Letzterer wurde immer besonders fokussiert und gilt seit jeher im Rahmen klinischer Studien als Projektionsfläche für informationstechnologische Konzepte. Die Euphorie der frühen Jahre ernüchtert sich jedoch bei jeder Bilanz. Nur sehr wenige der unzählbaren Projekte haben ihre Routine in der alltäglichen Praxis gefunden. Die meisten Vorhaben sind an der Illusion der vollständigen Berechenbarkeit medizinischer Arbeitsabläufe gescheitert. Die traditionelle Sichtweise der klinischen Praxis beruht auf einer blockorientierten Vorstellung des Therapieausführungsprozesses. Sie entsteht durch seine Zerlegung in einzelne Therapiezweige, welche aus vordefinierten Blöcken zusammengesetzt sind. Diese können sequentiell oder parallel ausgeführt werden und sind selbst zusammengesetzt aus jeweils einer Menge von Elementen,welche die Aktivitäten der untersten Ebene darstellen. Das blockorientierte Aufbaumodell wird ergänzt durch ein regelorientiertes Ablaufmodell. Ein komplexes Regelwerk bestimmt Bedingungen für die zeitlichen und logischen Abhängigkeiten der Blöcke, deren Anordnung durch den Ausführungsprozeß gebildet wird. Die Modellierung der Therapieausführung steht zunächst vor der grundsätzlichen Frage, inwieweit die traditionelle Sichtweise für eine interne Repräsentation geeignet ist. Das übergeordnete Ziel besteht in der Integration der unterschiedlichen Ebenen der Therapiespezifikation. Dazu gehört nicht nur die strukturelle Komponente, sondern vorallem die Ablaufkomponente. Ein geeignetes Regelmodell ist erforderlich, welches den spezifischen Bedürfnissen der Therapieüberwachung gerecht wird. Die zentrale Aufgabe besteht darin, diese unterschiedlichen Ebenen zusammenzuführen. Eine sinnvolle Alternative zur traditionellen Sichtweise liefert das zustandsorientierte Modell des Therapieausführungsprozesses. Das zustandsorientierte Modell beruht auf der Sichtweise, daß der gesamte Therapieausführungsprozeß letztendlich eine lineare Folge von Zuständen beschreibt, wobei jeder Zustandsübergang durch ein Ereignis eingeleitet wird, an bestimmte Bedingungen geknüpft ist und bestimmte Aktionen auslösen kann. Die Parallelität des blockorientierten Modells tritt in den Hintergrund, denn die Menge der durchzuführenden Maßnahmen sind lediglich Eigenschaften der Zustände und keine strukturellen Elemente der Ablaufspezifikation. Zu jedem Zeitpunkt ist genau ein Zustand aktiv, und er repräsentiert eine von endlich vielen klinischen Situationen, mit all ihren spezifischen Aktivitäten und Ausführungsregeln. Die Vorteile des zustandsorientierten Modells liegen in der Integration. Die Grundstruktur verbindet die statische Darstellung der möglichen Phasenanordnungen mit der dynamischen Ausführung aktiver Regeln. Die ursprünglichen Inhalte des blockorientierten Modells werden als gewöhnliche Eigenschaften der Zustände reproduziert und stellen damit nur einen Spezialfall der zustandsbezogenen Sicht dar.Weitere Möglichkeiten für die Anreicherung der Zustände mit zusätzlichen Details sind denkbar wie sinnvoll. Die Grundstruktur bleibt bei jeder Erweiterung jedoch die gleiche. Es ergibt sich ein wiederverwendbares Grundgerüst,ein gemeinsamer Nenner für die Erfüllung der Überwachungsaufgabe.

Video transmission over wireless channel

This work has been realized by the author in his PhD course in Electrical, Computer Science and Telecommunication at the University of Bologna, Faculty of Engineering, Italy. All the documentation here reported is a summary of years of work, under the supervision of Prof. Oreste Andrisano, coordinator of Wireless Communication Laboratory - WiLab, in Bologna. The subject of this thesis is the transmission of video in a context of heterogeneous network, and in particular, using a wireless channel. All the instrumentation that has been used for the characterization of the telecommunication systems belongs to CNR (National Research Council), CNIT (Italian Inter- University Center), and DEIS (Dept. of Electrical, Computer Science, and Systems). From November 2009 to July 2010, the author spent his time abroad, working in collaboration with DLR - German Aerospace Center in Munich, Germany, on channel coding area, developing a general purpose decoder machine to decode a huge family of iterative codes. A patent concerning Doubly Generalized-Low Density Parity Check codes has been produced by the author as well as some important scientic papers, published on IEEE journals and conferences.

Cooperative and reconfigurable telecommunication systems based on FPGA

This work has been realized by the author in his PhD course in Electronics, Computer Science and Telecommunication at the University of Bologna, Faculty of Engineering, Italy. The subject of this thesis regards important channel estimation aspects in wideband wireless communication systems, such as echo cancellation in digital video broadcasting systems and pilot aided channel estimation through an innovative pilot design in Multi-Cell Multi-User MIMO-OFDM network. All the documentation here reported is a summary of years of work, under the supervision of Prof. Oreste Andrisano, coordinator of Wireless Communication Laboratory - WiLab, in Bologna. All the instrumentation that has been used for the characterization of the telecommunication systems belongs to CNR (National Research Council), CNIT (Italian Inter-University Center), and DEIS (Dept. of Electronics, Computer Science, and Systems). From November 2009 to May 2010, the author spent his time abroad, working in collaboration with DOCOMO - Communications Laboratories Europe GmbH (DOCOMO Euro-Labs) in Munich, Germany, in the Wireless Technologies Research Group. Some important scientific papers, submitted and/or published on IEEE journals and conferences have been produced by the author.

Analyse von Middleware-Technologien bzgl. Performanz und ihrer Eignung für lose und eng gekoppelte verteilte Anwendungen

Die vorliegende Dissertation analysiert die Middleware- Technologien CORBA (Common Object Request Broker Architecture), COM/DCOM (Component Object Model/Distributed Component Object Model), J2EE (Java-2-Enterprise Edition) und Web Services (inklusive .NET) auf ihre Eignung bzgl. eng und lose gekoppelten verteilten Anwendungen. Zusätzlich werden primär für CORBA die dynamischen CORBA-Komponenten DII (Dynamic Invocation Interface), IFR (Interface Repository) und die generischen Datentypen Any und DynAny (dynamisches Any) im Detail untersucht. Ziel ist es, a. konkrete Aussagen über diese Komponenten zu erzielen, und festzustellen, in welchem Umfeld diese generischen Ansätze ihre Berechtigung finden. b. das zeitliche Verhalten der dynamischen Komponenten bzgl. der Informationsgewinnung über die unbekannten Objekte zu analysieren. c. das zeitliche Verhalten der dynamischen Komponenten bzgl. ihrer Kommunikation zu messen. d. das zeitliche Verhalten bzgl. der Erzeugung von generischen Datentypen und das Einstellen von Daten zu messen und zu analysieren. e. das zeitliche Verhalten bzgl. des Erstellens von unbekannten, d. h. nicht in IDL beschriebenen Datentypen zur Laufzeit zu messen und zu analysieren. f. die Vorzüge/Nachteile der dynamischen Komponenten aufzuzeigen, ihre Einsatzgebiete zu definieren und mit anderen Technologien wie COM/DCOM, J2EE und den Web Services bzgl. ihrer Möglichkeiten zu vergleichen. g. Aussagen bzgl. enger und loser Koppelung zu tätigen. CORBA wird als standardisierte und vollständige Verteilungsplattform ausgewählt, um die o. a. Problemstellungen zu untersuchen. Bzgl. seines dynamischen Verhaltens, das zum Zeitpunkt dieser Ausarbeitung noch nicht oder nur unzureichend untersucht wurde, sind CORBA und die Web Services richtungsweisend bzgl. a. Arbeiten mit unbekannten Objekten. Dies kann durchaus Implikationen bzgl. der Entwicklung intelligenter Softwareagenten haben. b. der Integration von Legacy-Applikationen. c. der Möglichkeiten im Zusammenhang mit B2B (Business-to-Business). Diese Problemstellungen beinhalten auch allgemeine Fragen zum Marshalling/Unmarshalling von Daten und welche Aufwände hierfür notwendig sind, ebenso wie allgemeine Aussagen bzgl. der Echtzeitfähigkeit von CORBA-basierten, verteilten Anwendungen. Die Ergebnisse werden anschließend auf andere Technologien wie COM/DCOM, J2EE und den Web Services, soweit es zulässig ist, übertragen. Die Vergleiche CORBA mit DCOM, CORBA mit J2EE und CORBA mit Web Services zeigen im Detail die Eignung dieser Technologien bzgl. loser und enger Koppelung. Desweiteren werden aus den erzielten Resultaten allgemeine Konzepte bzgl. der Architektur und der Optimierung der Kommunikation abgeleitet. Diese Empfehlungen gelten uneingeschränkt für alle untersuchten Technologien im Zusammenhang mit verteilter Verarbeitung.

Interactive simulation of flexible parts

Computer simulations play an ever growing role for the development of automotive products. Assembly simulation, as well as many other processes, are used systematically even before the first physical prototype of a vehicle is built in order to check whether particular components can be assembled easily or whether another part is in the way. Usually, this kind of simulation is limited to rigid bodies. However, a vehicle contains a multitude of flexible parts of various types: cables, hoses, carpets, seat surfaces, insulations, weatherstrips... Since most of the problems using these simulations concern one-dimensional components and since an intuitive tool for cable routing is still needed, we have chosen to concentrate on this category, which includes cables, hoses and wiring harnesses. In this thesis, we present a system for simulating one dimensional flexible parts such as cables or hoses. The modeling of bending and torsion follows the Cosserat model. For this purpose we use a generalized spring-mass system and describe its configuration by a carefully chosen set of coordinates. Gravity and contact forces as well as the forces responsible for length conservation are expressed in Cartesian coordinates. But bending and torsion effects can be dealt with more effectively by using quaternions to represent the orientation of the segments joining two neighboring mass points. This augmented system allows an easy formulation of all interactions with the best appropriate coordinate type and yields a strongly banded Hessian matrix. An energy minimizing process accounts for a solution exempt from the oscillations that are typical of spring-mass systems. The use of integral forces, similar to an integral controller, allows to enforce exactly the constraints. The whole system is numerically stable and can be solved at interactive frame rates. It is integrated in the DaimlerChrysler in-house Virtual Reality Software veo for use in applications such as cable routing and assembly simulation and has been well received by users. Parts of this work have been published at the ACM Solid and Physical Modeling Conference 2006 and have been selected for the special issue of the Computer-Aided-Design Journal to the conference.

Exact computation of the adjacency graph of an arrangement of quadrics

Präsentiert wird ein vollständiger, exakter und effizienter Algorithmus zur Berechnung des Nachbarschaftsgraphen eines Arrangements von Quadriken (Algebraische Flächen vom Grad 2). Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Berechnung des vollen 3D Arrangements. Dabei greifen wir auf eine bereits existierende Implementierung zur Berechnung der exakten Parametrisierung der Schnittkurve von zwei Quadriken zurück. Somit ist es möglich, die exakten Parameterwerte der Schnittpunkte zu bestimmen, diese entlang der Kurven zu sortieren und den Nachbarschaftsgraphen zu berechnen. Wir bezeichnen unsere Implementierung als vollständig, da sie auch die Behandlung aller Sonderfälle wie singulärer oder tangentialer Schnittpunkte einschließt. Sie ist exakt, da immer das mathematisch korrekte Ergebnis berechnet wird. Und schließlich bezeichnen wir unsere Implementierung als effizient, da sie im Vergleich mit dem einzigen bisher implementierten Ansatz gut abschneidet. Implementiert wurde unser Ansatz im Rahmen des Projektes EXACUS. Das zentrale Ziel von EXACUS ist es, einen Prototypen eines zuverlässigen und leistungsfähigen CAD Geometriekerns zu entwickeln. Obwohl wir das Design unserer Bibliothek als prototypisch bezeichnen, legen wir dennoch größten Wert auf Vollständigkeit, Exaktheit, Effizienz, Dokumentation und Wiederverwendbarkeit. Über den eigentlich Beitrag zu EXACUS hinaus, hatte der hier vorgestellte Ansatz durch seine besonderen Anforderungen auch wesentlichen Einfluss auf grundlegende Teile von EXACUS. Im Besonderen hat diese Arbeit zur generischen Unterstützung der Zahlentypen und der Verwendung modularer Methoden innerhalb von EXACUS beigetragen. Im Rahmen der derzeitigen Integration von EXACUS in CGAL wurden diese Teile bereits erfolgreich in ausgereifte CGAL Pakete weiterentwickelt.

A parallel community detection algorithm

Complex networks analysis is a very popular topic in computer science. Unfortunately this networks, extracted from different contexts, are usually very large and the analysis may be very complicated: computation of metrics on these structures could be very complex. Among all metrics we analyse the extraction of subnetworks called communities: they are groups of nodes that probably play the same role within the whole structure. Communities extraction is an interesting operation in many different fields (biology, economics,...). In this work we present a parallel community detection algorithm that can operate on networks with huge number of nodes and edges. After an introduction to graph theory and high performance computing, we will explain our design strategies and our implementation. Then, we will show some performance evaluation made on a distributed memory architectures i.e. the supercomputer IBM-BlueGene/Q "Fermi" at the CINECA supercomputing center, Italy, and we will comment our results.

Software zur automatischen Tumordiagnose in der funktionalen MRT der weiblichen Brust

In den westlichen Industrieländern ist das Mammakarzinom der häufigste bösartige Tumor der Frau. Sein weltweiter Anteil an allen Krebserkrankungen der Frau beläuft sich auf etwa 21 %. Inzwischen ist jede neunte Frau bedroht, während ihres Lebens an Brustkrebs zu erkranken. Die alterstandardisierte Mortalitätrate liegt derzeit bei knapp 27 %.rnrnDas Mammakarzinom hat eine relative geringe Wachstumsrate. Die Existenz eines diagnostischen Verfahrens, mit dem alle Mammakarzinome unter 10 mm Durchmesser erkannt und entfernt werden, würden den Tod durch Brustkrebs praktisch beseitigen. Denn die 20-Jahres-Überlebungsrate bei Erkrankung durch initiale Karzinome der Größe 5 bis 10 mm liegt mit über 95 % sehr hoch.rnrnMit der Kontrastmittel gestützten Bildgebung durch die MRT steht eine relativ junge Untersuchungsmethode zur Verfügung, die sensitiv genug zur Erkennung von Karzinomen ab einer Größe von 3 mm Durchmesser ist. Die diagnostische Methodik ist jedoch komplex, fehleranfällig, erfordert eine lange Einarbeitungszeit und somit viel Erfahrung des Radiologen.rnrnEine Computer unterstützte Diagnosesoftware kann die Qualität einer solch komplexen Diagnose erhöhen oder zumindest den Prozess beschleunigen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vollautomatischen Diagnose Software, die als Zweitmeinungssystem eingesetzt werden kann. Meines Wissens existiert eine solche komplette Software bis heute nicht.rnrnDie Software führt eine Kette von verschiedenen Bildverarbeitungsschritten aus, die dem Vorgehen des Radiologen nachgeahmt wurden. Als Ergebnis wird eine selbstständige Diagnose für jede gefundene Läsion erstellt: Zuerst eleminiert eine 3d Bildregistrierung Bewegungsartefakte als Vorverarbeitungsschritt, um die Bildqualität der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verbessern. Jedes kontrastanreichernde Objekt wird durch eine regelbasierte Segmentierung mit adaptiven Schwellwerten detektiert. Durch die Berechnung kinetischer und morphologischer Merkmale werden die Eigenschaften der Kontrastmittelaufnahme, Form-, Rand- und Textureeigenschaften für jedes Objekt beschrieben. Abschließend werden basierend auf den erhobenen Featurevektor durch zwei trainierte neuronale Netze jedes Objekt in zusätzliche Funde oder in gut- oder bösartige Läsionen klassifiziert.rnrnDie Leistungsfähigkeit der Software wurde auf Bilddaten von 101 weiblichen Patientinnen getested, die 141 histologisch gesicherte Läsionen enthielten. Die Vorhersage der Gesundheit dieser Läsionen ergab eine Sensitivität von 88 % bei einer Spezifität von 72 %. Diese Werte sind den in der Literatur bekannten Vorhersagen von Expertenradiologen ähnlich. Die Vorhersagen enthielten durchschnittlich 2,5 zusätzliche bösartige Funde pro Patientin, die sich als falsch klassifizierte Artefakte herausstellten.rn

Advanced data deduplication techniques and their application

Data deduplication describes a class of approaches that reduce the storage capacity needed to store data or the amount of data that has to be transferred over a network. These approaches detect coarse-grained redundancies within a data set, e.g. a file system, and remove them.rnrnOne of the most important applications of data deduplication are backup storage systems where these approaches are able to reduce the storage requirements to a small fraction of the logical backup data size.rnThis thesis introduces multiple new extensions of so-called fingerprinting-based data deduplication. It starts with the presentation of a novel system design, which allows using a cluster of servers to perform exact data deduplication with small chunks in a scalable way.rnrnAfterwards, a combination of compression approaches for an important, but often over- looked, data structure in data deduplication systems, so called block and file recipes, is introduced. Using these compression approaches that exploit unique properties of data deduplication systems, the size of these recipes can be reduced by more than 92% in all investigated data sets. As file recipes can occupy a significant fraction of the overall storage capacity of data deduplication systems, the compression enables significant savings.rnrnA technique to increase the write throughput of data deduplication systems, based on the aforementioned block and file recipes, is introduced next. The novel Block Locality Caching (BLC) uses properties of block and file recipes to overcome the chunk lookup disk bottleneck of data deduplication systems. This chunk lookup disk bottleneck either limits the scalability or the throughput of data deduplication systems. The presented BLC overcomes the disk bottleneck more efficiently than existing approaches. Furthermore, it is shown that it is less prone to aging effects.rnrnFinally, it is investigated if large HPC storage systems inhibit redundancies that can be found by fingerprinting-based data deduplication. Over 3 PB of HPC storage data from different data sets have been analyzed. In most data sets, between 20 and 30% of the data can be classified as redundant. According to these results, future work in HPC storage systems should further investigate how data deduplication can be integrated into future HPC storage systems.rnrnThis thesis presents important novel work in different area of data deduplication re- search.

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.

Optimized scheduling in real-time environments with column generation

Im Bereich sicherheitsrelevanter eingebetteter Systeme stellt sich der Designprozess von Anwendungen als sehr komplex dar. Entsprechend einer gegebenen Hardwarearchitektur lassen sich Steuergeräte aufrüsten, um alle bestehenden Prozesse und Signale pünktlich auszuführen. Die zeitlichen Anforderungen sind strikt und müssen in jeder periodischen Wiederkehr der Prozesse erfüllt sein, da die Sicherstellung der parallelen Ausführung von größter Bedeutung ist. Existierende Ansätze können schnell Designalternativen berechnen, aber sie gewährleisten nicht, dass die Kosten für die nötigen Hardwareänderungen minimal sind. Wir stellen einen Ansatz vor, der kostenminimale Lösungen für das Problem berechnet, die alle zeitlichen Bedingungen erfüllen. Unser Algorithmus verwendet Lineare Programmierung mit Spaltengenerierung, eingebettet in eine Baumstruktur, um untere und obere Schranken während des Optimierungsprozesses bereitzustellen. Die komplexen Randbedingungen zur Gewährleistung der periodischen Ausführung verlagern sich durch eine Zerlegung des Hauptproblems in unabhängige Unterprobleme, die als ganzzahlige lineare Programme formuliert sind. Sowohl die Analysen zur Prozessausführung als auch die Methoden zur Signalübertragung werden untersucht und linearisierte Darstellungen angegeben. Des Weiteren präsentieren wir eine neue Formulierung für die Ausführung mit fixierten Prioritäten, die zusätzlich Prozessantwortzeiten im schlimmsten anzunehmenden Fall berechnet, welche für Szenarien nötig sind, in denen zeitliche Bedingungen an Teilmengen von Prozessen und Signalen gegeben sind. Wir weisen die Anwendbarkeit unserer Methoden durch die Analyse von Instanzen nach, welche Prozessstrukturen aus realen Anwendungen enthalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass untere Schranken schnell berechnet werden können, um die Optimalität von heuristischen Lösungen zu beweisen. Wenn wir optimale Lösungen mit Antwortzeiten liefern, stellt sich unsere neue Formulierung in der Laufzeitanalyse vorteilhaft gegenüber anderen Ansätzen dar. Die besten Resultate werden mit einem hybriden Ansatz erzielt, der heuristische Startlösungen, eine Vorverarbeitung und eine heuristische mit einer kurzen nachfolgenden exakten Berechnungsphase verbindet.

LoneStar : Design and evaluation of an energy-efficient, disk-based archival storage system

Bandlaufwerke waren bisher die vorherrschende Technologie, um die anfallenden Datenmengen in Archivsystemen zu speichern. Mit Zugriffsmustern, die immer aktiver werden, und Speichermedien wie Festplatten die kostenmäßig aufholen, muss die Architektur vor Speichersystemen zur Archivierung neu überdacht werden. Zuverlässigkeit, Integrität und Haltbarkeit sind die Haupteigenschaften der digitalen Archivierung. Allerdings nimmt auch die Zugriffsgeschwindigkeit einen erhöhten Stellenwert ein, wenn aktive Archive ihre gesamten Inhalte für den direkten Zugriff bereitstellen. Ein band-basiertes System kann die hierfür benötigte Parallelität, Latenz und Durchsatz nicht liefern, was in der Regel durch festplattenbasierte Systeme als Zwischenspeicher kompensiert wird.rnIn dieser Arbeit untersuchen wir die Herausforderungen und Möglichkeiten ein festplattenbasiertes Speichersystem zu entwickeln, das auf eine hohe Zuverlässigkeit und Energieeffizienz zielt und das sich sowohl für aktive als auch für kalte Archivumgebungen eignet. Zuerst analysieren wir die Speichersysteme und Zugriffsmuster eines großen digitalen Archivs und präsentieren damit ein mögliches Einsatzgebiet für unsere Architektur. Daraufhin stellen wir Mechanismen vor um die Zuverlässigkeit einer einzelnen Festplatte zu verbessern und präsentieren sowie evaluieren einen neuen, energieeffizienten, zwei- dimensionalen RAID Ansatz der für „Schreibe ein Mal, lese mehrfach“ Zugriffe optimiert ist. Letztlich stellen wir Protokollierungs- und Zwischenspeichermechanismen vor, die die zugrundeliegenden Ziele unterstützen und evaluieren das RAID System in einer Dateisystemumgebung.