Dynamic distance analysis : new geometric data structures and algorithms for the real-time calculation of tolerance violating regions in the digital mockup process

In vielen Industriezweigen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, werden Digitale Versuchsmodelle (Digital MockUps) eingesetzt, um die Konstruktion und die Funktion eines Produkts am virtuellen Prototypen zu überprüfen. Ein Anwendungsfall ist dabei die Überprüfung von Sicherheitsabständen einzelner Bauteile, die sogenannte Abstandsanalyse. Ingenieure ermitteln dabei für bestimmte Bauteile, ob diese in ihrer Ruhelage sowie während einer Bewegung einen vorgegeben Sicherheitsabstand zu den umgebenden Bauteilen einhalten. Unterschreiten Bauteile den Sicherheitsabstand, so muss deren Form oder Lage verändert werden. Dazu ist es wichtig, die Bereiche der Bauteile, welche den Sicherhabstand verletzen, genau zu kennen. rnrnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine Lösung zur Echtzeitberechnung aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Bereiche zwischen zwei geometrischen Objekten. Die Objekte sind dabei jeweils als Menge von Primitiven (z.B. Dreiecken) gegeben. Für jeden Zeitpunkt, in dem eine Transformation auf eines der Objekte angewendet wird, berechnen wir die Menge aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Primitive und bezeichnen diese als die Menge aller toleranzverletzenden Primitive. Wir präsentieren in dieser Arbeit eine ganzheitliche Lösung, welche sich in die folgenden drei großen Themengebiete unterteilen lässt.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir Algorithmen, die für zwei Dreiecke überprüfen, ob diese toleranzverletzend sind. Hierfür präsentieren wir verschiedene Ansätze für Dreiecks-Dreiecks Toleranztests und zeigen, dass spezielle Toleranztests deutlich performanter sind als bisher verwendete Abstandsberechnungen. Im Fokus unserer Arbeit steht dabei die Entwicklung eines neuartigen Toleranztests, welcher im Dualraum arbeitet. In all unseren Benchmarks zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive beweist sich unser Ansatz im dualen Raum immer als der Performanteste.rnrnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Datenstrukturen und Algorithmen zur Echtzeitberechnung aller toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei geometrischen Objekten. Wir entwickeln eine kombinierte Datenstruktur, die sich aus einer flachen hierarchischen Datenstruktur und mehreren Uniform Grids zusammensetzt. Um effiziente Laufzeiten zu gewährleisten ist es vor allem wichtig, den geforderten Sicherheitsabstand sinnvoll im Design der Datenstrukturen und der Anfragealgorithmen zu beachten. Wir präsentieren hierzu Lösungen, die die Menge der zu testenden Paare von Primitiven schnell bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir Strategien, wie Primitive als toleranzverletzend erkannt werden können, ohne einen aufwändigen Primitiv-Primitiv Toleranztest zu berechnen. In unseren Benchmarks zeigen wir, dass wir mit unseren Lösungen in der Lage sind, in Echtzeit alle toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei komplexen geometrischen Objekten, bestehend aus jeweils vielen hunderttausend Primitiven, zu berechnen. rnrnIm dritten Teil präsentieren wir eine neuartige, speicheroptimierte Datenstruktur zur Verwaltung der Zellinhalte der zuvor verwendeten Uniform Grids. Wir bezeichnen diese Datenstruktur als Shrubs. Bisherige Ansätze zur Speicheroptimierung von Uniform Grids beziehen sich vor allem auf Hashing Methoden. Diese reduzieren aber nicht den Speicherverbrauch der Zellinhalte. In unserem Anwendungsfall haben benachbarte Zellen oft ähnliche Inhalte. Unser Ansatz ist in der Lage, den Speicherbedarf der Zellinhalte eines Uniform Grids, basierend auf den redundanten Zellinhalten, verlustlos auf ein fünftel der bisherigen Größe zu komprimieren und zur Laufzeit zu dekomprimieren.rnrnAbschießend zeigen wir, wie unsere Lösung zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive Anwendung in der Praxis finden kann. Neben der reinen Abstandsanalyse zeigen wir Anwendungen für verschiedene Problemstellungen der Pfadplanung.

Efficient subsequence alignment of time series

Zeitreihen sind allgegenwärtig. Die Erfassung und Verarbeitung kontinuierlich gemessener Daten ist in allen Bereichen der Naturwissenschaften, Medizin und Finanzwelt vertreten. Das enorme Anwachsen aufgezeichneter Datenmengen, sei es durch automatisierte Monitoring-Systeme oder integrierte Sensoren, bedarf außerordentlich schneller Algorithmen in Theorie und Praxis. Infolgedessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der effizienten Berechnung von Teilsequenzalignments. Komplexe Algorithmen wie z.B. Anomaliedetektion, Motivfabfrage oder die unüberwachte Extraktion von prototypischen Bausteinen in Zeitreihen machen exzessiven Gebrauch von diesen Alignments. Darin begründet sich der Bedarf nach schnellen Implementierungen. Diese Arbeit untergliedert sich in drei Ansätze, die sich dieser Herausforderung widmen. Das umfasst vier Alignierungsalgorithmen und ihre Parallelisierung auf CUDA-fähiger Hardware, einen Algorithmus zur Segmentierung von Datenströmen und eine einheitliche Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen.rnrnDer erste Beitrag ist eine vollständige CUDA-Portierung der UCR-Suite, die weltführende Implementierung von Teilsequenzalignierung. Das umfasst ein neues Berechnungsschema zur Ermittlung lokaler Alignierungsgüten unter Verwendung z-normierten euklidischen Abstands, welches auf jeder parallelen Hardware mit Unterstützung für schnelle Fouriertransformation einsetzbar ist. Des Weiteren geben wir eine SIMT-verträgliche Umsetzung der Lower-Bound-Kaskade der UCR-Suite zur effizienten Berechnung lokaler Alignierungsgüten unter Dynamic Time Warping an. Beide CUDA-Implementierungen ermöglichen eine um ein bis zwei Größenordnungen schnellere Berechnung als etablierte Methoden.rnrnAls zweites untersuchen wir zwei Linearzeit-Approximierungen für das elastische Alignment von Teilsequenzen. Auf der einen Seite behandeln wir ein SIMT-verträgliches Relaxierungschema für Greedy DTW und seine effiziente CUDA-Parallelisierung. Auf der anderen Seite führen wir ein neues lokales Abstandsmaß ein, den Gliding Elastic Match (GEM), welches mit der gleichen asymptotischen Zeitkomplexität wie Greedy DTW berechnet werden kann, jedoch eine vollständige Relaxierung der Penalty-Matrix bietet. Weitere Verbesserungen umfassen Invarianz gegen Trends auf der Messachse und uniforme Skalierung auf der Zeitachse. Des Weiteren wird eine Erweiterung von GEM zur Multi-Shape-Segmentierung diskutiert und auf Bewegungsdaten evaluiert. Beide CUDA-Parallelisierung verzeichnen Laufzeitverbesserungen um bis zu zwei Größenordnungen.rnrnDie Behandlung von Zeitreihen beschränkt sich in der Literatur in der Regel auf reellwertige Messdaten. Der dritte Beitrag umfasst eine einheitliche Methode zur Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen. Darauf aufbauend werden Distanzmaße auf der Rotationsgruppe SO(3) und auf der euklidischen Gruppe SE(3) behandelt. Des Weiteren werden speichereffiziente Darstellungen und gruppenkompatible Erweiterungen elastischer Maße diskutiert.

Lessons in Software Evolution Learned by Listening to Smalltalk

The biggest challenge facing software developers today is how to gracefully evolve complex software systems in the face of changing requirements. We clearly need software systems to be more dynamic, compositional and model-centric, but instead we continue to build systems that are static, baroque and inflexible. How can we better build change-enabled systems in the future? To answer this question, we propose to look back to one of the most successful systems to support change, namely Smalltalk. We briefly introduce Smalltalk with a few simple examples, and draw some lessons for software evolution. Smalltalk's simplicity, its reflective design, and its highly dynamic nature all go a long way towards enabling change in Smalltalk applications. We then illustrate how these lessons work in practice by reviewing a number of research projects that support software evolution by exploiting Smalltalk's design. We conclude by summarizing open issues and challenges for change-enabled systems of the future.

Simultaneous Multiscale Polyaffine Registration by Incorporating Deformation Statistics

Locally affine (polyaffine) image registration methods capture intersubject non-linear deformations with a low number of parameters, while providing an intuitive interpretation for clinicians. Considering the mandible bone, anatomical shape differences can be found at different scales, e.g. left or right side, teeth, etc. Classically, sequential coarse to fine registration are used to handle multiscale deformations, instead we propose a simultaneous optimization of all scales. To avoid local minima we incorporate a prior on the polyaffine transformations. This kind of groupwise registration approach is natural in a polyaffine context, if we assume one configuration of regions that describes an entire group of images, with varying transformations for each region. In this paper, we reformulate polyaffine deformations in a generative statistical model, which enables us to incorporate deformation statistics as a prior in a Bayesian setting. We find optimal transformations by optimizing the maximum a posteriori probability. We assume that the polyaffine transformations follow a normal distribution with mean and concentration matrix. Parameters of the prior are estimated from an initial coarse to fine registration. Knowing the region structure, we develop a blockwise pseudoinverse to obtain the concentration matrix. To our knowledge, we are the first to introduce simultaneous multiscale optimization through groupwise polyaffine registration. We show results on 42 mandible CT images.

Pathology hinting as the combination of automatic segmentation with a statistical shape model

With improvements in acquisition speed and quality, the amount of medical image data to be screened by clinicians is starting to become challenging in the daily clinical practice. To quickly visualize and find abnormalities in medical images, we propose a new method combining segmentation algorithms with statistical shape models. A statistical shape model built from a healthy population will have a close fit in healthy regions. The model will however not fit to morphological abnormalities often present in the areas of pathologies. Using the residual fitting error of the statistical shape model, pathologies can be visualized very quickly. This idea is applied to finding drusen in the retinal pigment epithelium (RPE) of optical coherence tomography (OCT) volumes. A segmentation technique able to accurately segment drusen in patients with age-related macular degeneration (AMD) is applied. The segmentation is then analyzed with a statistical shape model to visualize potentially pathological areas. An extensive evaluation is performed to validate the segmentation algorithm, as well as the quality and sensitivity of the hinting system. Most of the drusen with a height of 85.5 microm were detected, and all drusen at least 93.6 microm high were detected.

Experimental Comparison of Bluetooth and WiFi Signal Propagation for Indoor Localisation

Systems for indoor positioning using radio technologies are largely studied due to their convenience and the market opportunities they offer. The positioning algorithms typically derive geographic coordinates from observed radio signals and hence good understanding of the indoor radio channel is required. In this paper we investigate several factors that affect signal propagation indoors for both Bluetooth and WiFi. Our goal is to investigate which factors can be disregarded and which should be considered in the development of a positioning algorithm. Our results show that technical factors such as device characteristics have smaller impact on the signal than multipath propagation. Moreover, we show that propagation conditions differ in each direction. We also noticed that WiFi and Bluetooth, despite operating in the same radio band, do not at all times exhibit the same behaviour.

All platelets are not equal: COAT platelets

Collagen- and thrombin-activated (COAT) platelets were first described in 2000 and have attracted considerable interest, changing the interpretation of the way in which platelets contribute to thrombin generation and how their procoagulant activity is organized. Platelets activated by two agonists coming from glycoprotein VI or Fc gamma-receptor IIA agonists on the one hand and thrombin on the other produce a population of approximately 50% highly procoagulant active platelets. This subgroup is formed by tissue transglutaminase and factor XIIIa linking of serotonin to the procoagulant proteins from granules or plasma, and these serotonylated proteins bind to fibrinogen or thrombospondin on the platelet surface. Serotonylation in the platelet cytoplasm has recently been shown to be an important regulating mechanism governing the activation of small GTPases and their function in granule release. Recent studies with Tph-/- mice in which the peripheral serotonin, including that in platelets, is very strongly reduced, have shown a prolonged bleeding time, suggesting it has an important hemostatic role in the release of platelet von Willebrand factor. More knowledge about how COAT platelets are formed will be important for a better understanding of the physiology and pathology of hemostasis.

Dynamic Languages and Applications. Report on the Workshop Dyla 07 at ECOOP 2007

Following last two years’ workshop on dynamic languages at the ECOOP conference, the Dyla 2007 workshop was a successful and popular event. As its name implies, the workshop’s focus was on dynamic languages and their applications. Topics and discussions at the workshop included macro expansion mechanisms, extension of the method lookup algorithm, language interpretation, reflexivity and languages for mobile ad hoc networks. The main goal of this workshop was to bring together different dynamic language communities and favouring cross communities interaction. Dyla 2007 was organised as a full day meeting, partly devoted to presentation of submitted position papers and partly devoted to tool demonstration. All accepted papers can be downloaded from the workshop’s web site. In this report, we provide an overview of the presentations and a summary of discussions.

On the use of textural features for writer identification in old handwritten music scores

Writer identification consists in determining the writer of a piece of handwriting from a set of writers. In this paper we present a system for writer identification in old handwritten music scores which uses only music notation to determine the author. The steps of the proposed system are the following. First of all, the music sheet is preprocessed for obtaining a music score without the staff lines. Afterwards, four different methods for generating texture images from music symbols are applied. Every approach uses a different spatial variation when combining the music symbols to generate the textures. Finally, Gabor filters and Grey-scale Co-ocurrence matrices are used to obtain the features. The classification is performed using a k-NN classifier based on Euclidean distance. The proposed method has been tested on a database of old music scores from the 17th to 19th centuries, achieving encouraging identification rates.

Practical Object-Oriented Back-in-Time Debugging

Back-in-time debuggers are extremely useful tools for identifying the causes of bugs, as they allow us to inspect the past states of objects no longer present in the current execution stack. Unfortunately the "omniscient" approaches that try to remember all previous states are impractical because they either consume too much space or they are far too slow. Several approaches rely on heuristics to limit these penalties, but they ultimately end up throwing out too much relevant information. In this paper we propose a practical approach to back-in-time debugging that attempts to keep track of only the relevant past data. In contrast to other approaches, we keep object history information together with the regular objects in the application memory. Although seemingly counter-intuitive, this approach has the effect that past data that is not reachable from current application objects (and hence, no longer relevant) is automatically garbage collected. In this paper we describe the technical details of our approach, and we present benchmarks that demonstrate that memory consumption stays within practical bounds. Furthermore since our approach works at the virtual machine level, the performance penalty is significantly better than with other approaches.

Quality of Service for Multicasting in Content Addressable Networks

Multicasting is an efficient mechanism for one to many data dissemination. Unfortunately, IP Multicasting is not widely available to end-users today, but Application Layer Multicast (ALM), such as Content Addressable Network, helps to overcome this limitation. Our OM-QoS framework offers Quality of Service support for ALMs. We evaluated OM-QoS applied to CAN and show that we can guarantee that all multicast paths support certain QoS requirements.