Comércio ao Vivo: [PDF] Jahresbericht 2008 der Informatik

Download Jahresbericht 2008 der Informatik…Arbeitsberichte des Department Informatik ¨ Erlangen-Nurnberg Friedrich-Alexander-Universitat ¨

Band 41 • Nummer 1 • April 2009

Jahresbericht 2008 der Informatik

Herausgeber:

¨ T. Brinda, M. Dal Cin, R. German, G. Gorz, G. Greiner, U. Herzog, F. Hofmann, J. Hornegger, K. Leeb, R. Lenz, P. Mertens, K. Meyer-Wegener, H. Muller, H. Niemann, ¨ ¨ E. Noth, Ch. Pflaum, M. Philippsen, U. Rude, F. Saglietti, ¨ ¨ H. J. Schneider, W. Schroder-Preikschat, M. Stamminger, H. Stoyan, J. Teich, R. Wanka, H. Wedekind

Die Reihe der Arbeitsberichte des Department Informatik (ehem. Institut fur ¨ Mathematische Maschinen und Datenverarbeitung) ¨ Erlangen-Nurnberg der Universitat erscheint seit 1967. ¨ ¨ Begrundet von Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Wolfgang Handler ¨

¨ Erlangen-Nurnberg Universitat ¨ Department Informatik Martensstr. 3 91058 Erlangen Tel.: Fax.: E-Mail: WWW:

+49.9131.85.28807 +49.9131.85.28781 [email protected] http://www.informatik.uni-erlangen.de/

¨ Erlangen-Nurnberg, © Universitat Department Informatik 2009 ¨ Alle Rechte bleiben vorbehalten. Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung der Herausgeber. ISSN 1611-4205

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung

1.1

Emeritierte Professoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Professoren im Ruhestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

Honorarprofessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4

Außerplanm¨aßige Professoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5

Externe Lehrbeauftragte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6

Sprecher der Kollegialen Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.7

Sprecher der Studienkommission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.8

Gesch¨aftsf¨uhrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.9

Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.10 Ver¨offentlichungsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.11 Lehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.11.1 Statistik zum WS 2008/2009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.11.2 Exportleistung des Instituts f¨ur Informatik . . . . . . . . . . . .

1.11.3 CIP-Pools der Informatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.11.4 Studienbeitr¨age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.12 Promotionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13 Besondere Ereignisse 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.1 Rufe und Neubesetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.2 Preise und Auszeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.3 Vize-Pr¨asident aus der Informatik . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.4 Dekane aus der Informatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.5 Zweitmitgliedschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.6 Gastaufenthalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.7 Tagungen/Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.13.8 Informatik Kolloquium 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.14 Tag der Informatik 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Gesch¨aftsstelle des Department Informatik

2.1

Aufgabenschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Studien-Service-Center Informatik

3.1

Aufgabenschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

¨ Informatik 1 (Theoretische Informatik) Lehrstuhl fur

4.1

Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

¨ Informatik 2 (Programmiersysteme) Lehrstuhl fur

5.1

Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.1

Reparallelisierung und Migration von OpenMP-Applikationen .

5.2.2

Graphbasierte Prozedurale Abstraktion . . . . . . . . . . . . . ¨ Ubersetzerunterst¨ utzte Parallelisierung f¨ur MehrkernArchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 43

5.2.4

Tapir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.5

JavaParty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.6

ParSeMiS – die Parallele und Sequenzielle Mining Suite . . . .

5.2.7

Modellgetriebene Komponentenkomposition . . . . . . . . . .

5.2.8

Integrierte Werkzeug-Kette zur metamodellbasierten Modellierung und Ausf¨uhrung von Software-Entwicklungsprozessen . .

Funkortung von Antennenpositionen . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.10 Evolution¨are Agenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.11 Optimierung von FIR-Filterstrukturen . . . . . . . . . . . . . .

5.2.12 Zeitplanungsalgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.13 Graphen und Graphtransformationen . . . . . . . . . . . . . .

5.2.14 International Collegiate Programming Contest an der FAU . . .

5.3

Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4

Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.3

5.2.9

¨ Didaktik der Informatik Professur fur

6.1

Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2

Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.3

Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4

Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.1

Analyse der Auswirkungen von Merkhilfen auf das Lernen bei Informatiklernenden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.2

Bildungsstandards der Informatik . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.3

FLIEG – Flexible Lehrerweiterbildung in Informatik als Erweiterungsfach f¨ur Gymnasien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.4

Fr¨uhstudium – Sch¨uler an der Universit¨at . . . . . . . . . . . .

6.4.5

Merkmale und Dimensionen informatischer Kompetenz in der Sekundarstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Unterst¨utzung von Lernprozessen im Informatikunterricht der Realschule mit Robotersystemen . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vorgehensweise von Sch¨ulerinnen und Sch¨ulern bei der Entwicklung von Algorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.6 6.4.7 6.5 7

¨ Informatik 3 (Rechnerarchitektur) Lehrstuhl fur

7.1

Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . .

7.3

Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.3.1

FAUmachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.4 8

¨ Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme) Lehrstuhl fur

8.1

Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.2

Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.3

Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4

Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4.1

AOCI – Aspect-Oriented Component Infrastructure . . . . . . . 3

8.4.2

AspectC++ – AOP mit C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4.3

Atomic Basic Blocks – Abh¨angigkeiten in Echtzeitsystemen explizit und implizit herstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4.4

CiAO – Aspektorientierte Betriebssysteme . . . . . . . . . . . .

8.4.5

CoSa – Komponentarchitektur f¨ur sicherheitskritische eingebettete Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

FAME-DBMS – Methoden und Werkzeuge zum Bau feingranular konfigurierbarer Datenbankfamilien f¨ur Anwendungen im Bereich eingebetteter Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4.6

8.4.7

FOREVER – Fault/intrusiOn REmoVal through Evolution & Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

8.4.8

I4Copter – Ausbildungs- und Demonstrationsplattform f¨ur sicherheitskritische Systemsoftware . . . . . . . . . . . . . . . . 101

8.4.9

KESO – Eine Java-Laufzeitumgebung f¨ur tief eingebettete Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

8.4.10 MCM – Mikrocontroller Manager . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8.4.11 Moduswechsel hybrider Echtzeitsysteme . . . . . . . . . . . . 104 8.4.12 pCtrl – Entwurfsmuster paralleler Steuerungssysteme . . . . . . 105 8.4.13 PLiC – Dekomposition und Komposition von SoftwareProduktlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.4.14 SAMProc – Middleware f¨ur Selbstadaptive Mobile Prozesse . . 106 8.4.15 VAMOS – Variabilit¨atsverwaltung in Betriebssystemen . . . . . 107 8.4.16 VM-FIT – Virtual Machine-based Fault and Intrusion Tolerance 108 8.5 9

Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

¨ Informatik 5 (Mustererkennung) Lehrstuhl fur

113

9.1

Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

9.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . . 119

9.3

Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

9.4

Ver¨offentlichungsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

9.5

Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 9.5.1

Atemgating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4

9.5.2

Automatische Sprachanalyse von Kindern und Jugendlichen mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten . . . . . . . . . . . . . . . . 122

9.5.3

Bewegungskompensierte 3-D Rekonstruktion des Herzens aus Angiographie-Aufnahmen (C-Bogen CT) . . . . . . . . . . . . 126

9.5.4

C-AuDiT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

9.5.5

Datenverarbeitung f¨ur endoskopische Time-of-Flight-Bildgebung 128

9.5.6

Detektion von Lymphknoten in Ganzk¨orper Magnetresonanzaufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

9.5.7

Entwicklung eines Expertensystems zur automatischen Bearbeitung von 3D-Oberfl¨achenmodellen . . . . . . . . . . . . . . 132

9.5.8

Fit4Age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

9.5.9

Fr¨uherkennung von Augenerkrankungen anhand von hochentwickelten bildgebenden Verfahren zur Darstellung des Augenhintergrundes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9.5.10 Fusion von Sensordaten zur Verarbeitung von Banknoten . . . . 136 9.5.11 Health-e-Child . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.5.12 Kantenerhaltende Rauschreduktion in der CT auf Basis von Korrelationsanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 9.5.13 Koronarangiographie unter Verwendung von C-Arm CT . . . . 141 9.5.14 Korrektur von Intensit¨atsvariationen in der Ganzk¨orperMagnetresonanztomographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 9.5.15 MEDICO – intelligente Bildsuche in Medizindatenbanken . . . 144 9.5.16 Optimierung von raumzeitlich basierter multimodaler Emissiontomographie in definierten Anwendungsbereichen . . . . . . 146 9.5.17 Quantifizierung der Gewebeperfusion mittels der C-arm CT . . 148 9.5.18 Quantitative Computertomographie mittels spektraler Detektion 148 9.5.19 Quantitative Evaluation der Sehbahn bei Glaukom-Patienten . . 149 9.5.20 Retrospektive Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 9.5.21 Segmentierung und Multi-Modale 3D Registrierung von CT, SPECT und Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 9.5.22 Segmentierung von Organen f¨ur Perfusions-CT . . . . . . . . . 154 9.5.23 Segmentierung von zerebralen Gef¨aßb¨aumen zur Blutflusssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 5

9.5.24 SFB 539, A4: Automatisches Glaukom-Screening . . . . . . . 157 9.5.25 Techniken der Hardware-Beschleunigung f¨ur die 3D Bildrekonstruktion aus Projektionen in Kegelstrahlgeometrie . . . . . . . 160 9.5.26 Untersuchung und Bewertung der Stimme nach Larynxteilresektion (PVcheck) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 9.5.27 Verfahren der Mustererkennung im digitalen Sport . . . . . . . 163 9.5.28 Virtuelle Leberinterventionsplanung . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.5.29 Volumenbestimmung der Schilddr¨use bzw. von Knoten mit Hilfe von 3D-Ultraschalldaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.5.30 Volumetrische Erfassung des Krankheitsverlaufs bei der autosomal dominanten, polyzystischen Nierenerkrankung (ADPKD) 166 9.6

Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

9.7

Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

¨ Informatik (Mustererkennung) 10 Professur fur

187

¨ Informatik 6 (Datenmanagement) 11 Lehrstuhl fur

188

11.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 11.2 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 11.2.1 CoBRA DB (Component Based Runtime Adaptable DataBase)

191

11.2.2 Datenbankgest¨utzte Prozessautomatisierung bei Software-Tests

193

11.2.3 Effiziente Objekterkennungsbasierte Annotation von Bildern . . 194 11.2.4 Erlanger Glaukomregister (SFB 539, Teilprojekt Z) . . . . . . . 195 11.2.5 fCMDB08 – f¨oderierte Configuration-Management-Datenbank f¨ur Siemens IT Solutions and Services . . . . . . . . . . . . . . 196 11.2.6 i6sdb – stream and data bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 11.2.7 Prozessunterst¨utzung von adaptiv-evolution¨aren Informationssystemen in der Medizin (ProMed) . . . . . . . . . . . . . . . . 199 11.2.8 Quality aware Data Storage System (QuaDSys) . . . . . . . . . 201 11.2.9 SeMeOr (Security Metric for Organization) . . . . . . . . . . . 201 11.3 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 ¨ Informatik (Datenmanagement) 12 Professur fur 6

206

¨ Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) 207 13 Lehrstuhl fur 13.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 13.2 Forschungsrelevante apparative Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . . 213 13.3 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 13.4 Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 13.5 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 13.5.1 BioNeting – Bio-inspired Networking . . . . . . . . . . . . . . 215 13.5.2 CoCar – Cooperative Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 13.5.3 Conceptual design of a UML-based tool for the simulation and test of wireless sensor networks . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 13.5.4 HISTORY – HIgh Speed neTwork mOnitoRing and analYsis . . 220 13.5.5 Integrated Modeling Platforms for Computer Infrastructures . . 223 13.5.6 Network Calculus and Optimization . . . . . . . . . . . . . . . 224 13.5.7 p2p4wsn – Efficient Data Management in Mobile Sensor Networks using Peer-to-Peer Technologies . . . . . . . . . . . . . 225 13.5.8 Q.E.D. (QoS Enhanced Development Using UML2.0 and TTCN-3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 13.5.9 Quality of Service of Networked Embedded Systems . . . . . . 228 13.5.10 ROSES – RObot assisted SEnsor networkS . . . . . . . . . . . 230 13.5.11 Security and Quality of Service and Aspects in ZigBee-based Wireless Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 13.5.12 Sensitivity Analysis of Queueing Networks . . . . . . . . . . . 235 13.5.13 Software-in-the-Loop Simulation and Testing of Highly Dependable Distributed Automotive Applications . . . . . . . . . . . 237 13.5.14 Transmission of Safety-Relevant Sensor Data in Intra-Car Communication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 13.5.15 Web Cluster Laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 13.6 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

¨ Informatik 8 (Kunstliche ¨ 14 Lehrstuhl fur Intelligenz)

245

14.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 14.2 Forschungsrelevante apparative Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . . 246 14.3 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 14.4 Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 14.5 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 14.5.1 CIDOC Conceptual Reference Model (CRM) – Eine formale Referenzontologie f¨ur die Dokumentation des Kulturerbes . . . 248 14.5.2 IGSuS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 14.5.3 mappae: Kognitive Karten des Mittelalters . . . . . . . . . . . . 250 14.5.4 MONA – Mobile Navigation mit o¨ ffentlichen Verkehrsmitteln . 252 14.6 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 ¨ Informatik (Kunstliche ¨ 15 Professur fur Intelligenz)

254

15.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 ¨ Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung) 16 Lehrstuhl fur

255

16.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 16.2 Forschungsrelevante apparative Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . . 257 16.3 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 16.4 Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 16.5 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 16.5.1 Beschleunigung von Registrierungsverfahren mittels Graphikhard258 16.5.2 Computergest¨utzte Diagnose koronarer Herzkrankheiten . . . . 259 16.5.3 CROSSMOD – Cross-Modale Wahrnehmungsbasierte Interaktion und Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 16.5.4 Darstellungsverfahren zur Analyse von Toleranzauswirkungen auf gefertigte Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 16.5.5 Entwicklung von Bildverarbeitungsalgorithmik auf Graphikkarten zur Erschließung neuer Anwendungen f¨ur Hochleistungs-Infrarotkamerasysteme in der zerst¨orungsfreien Pr¨ufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 8

16.5.6 Fotorealistisches Raytracing von CAD Daten . . . . . . . . . . 263 16.5.7 Globale Beleuchtung mit Antiradiance . . . . . . . . . . . . . . 264 16.5.8 GPU-beschleunigte parallele MR Rekonstruktion . . . . . . . . 265 16.5.9 Hardwareunterst¨utzte Bildrekonstruktion f¨ur interaktives Raytracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 16.5.10 Interaktive Bildbasierte Rekonstruktion . . . . . . . . . . . . . 267 16.5.11 Interaktives Rendern von Parametrischen Fl¨achen . . . . . . . . 268 16.5.12 Methoden zur Analyse und Charakterisierung von 3D Geometrien269 16.5.13 Model-basierte Rekonstruktion von Pflanzen basierend auf Lichtschnittdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 16.5.14 Optimierung optischer Mess- und Aufnahmesysteme . . . . . . 270 16.5.15 Rekonstruktion von 3D-Daten aus Echtzeit 3D-Scannern . . . . 271 16.5.16 SFB603 – TP A2: Hybride Fl¨achendarstellung zur interaktiven Manipulation von CAD-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 16.5.17 SFB603 – TP B6: Rechnergest¨utzte Endoskopie des Bauchraums 274 16.5.18 SFB603 – TP C2: Analyse, Codierung und Verarbeitung von Lichtfeldern zur Gewinnung realistischer Modelldaten . . . . . 275 16.5.19 SFB603 – TP C7:Adaptive Verfahren zur Berechnung und Visualisierung von mechatronischen Sensoren und Aktoren . . . . 278 16.5.20 SFB603 – TP C9: Rekonstruktion und Visualisierung neuronaler Bahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 16.5.21 Verfahren zur Steigerung der Realit¨atsn¨ahe der Echtzeitvisualisierung in der Fahrsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 16.5.22 Visualisierungskomponente f¨ur e-cado . . . . . . . . . . . . . . 284 16.6 Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 16.7 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 ¨ Informatik (Graphische Datenverarbeitung und Visualisie17 Professur fur rung) 288 17.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 17.2 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 17.3 Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 9

¨ Informatik 10 (Systemsimulation) 18 Lehrstuhl fur

289

18.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 18.2 Forschungsrelevante apparative Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . . 292 18.3 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 18.4 Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 18.5 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 18.5.1 Bavarian Graduate School of Computational Engineering (BGCE)297 18.5.2 Beweistheorie in der Deskriptiven Komplexit¨atstheorie . . . . . 298 18.5.3 DECODE: Untersuchung von Degradationsmechanismen zur Verbesserung von Komponenten und Design von PEBrennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 18.5.4 Doppelmasterabschluss in Computational Science and Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 18.5.5 FreeWiHR – Simulation von Metallsch¨aumen . . . . . . . . . . 302 18.5.6 HHG: Hierarchische Hybride Gitter . . . . . . . . . . . . . . . 304 18.5.7 Intraoperative Simulation der H¨amodynamik in Aneurysmen im menschlichen Gehirn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 18.5.8 Mehrgitterverfahren f¨ur ab initio Molek¨ulardynamiksimulationen 307 18.5.9 Mehrgitterverfahren in der Bildverarbeitung . . . . . . . . . . . 308 18.5.10 Parallele L¨oser und effiziente Diskretisierungsmethoden f¨ur bioelektrische Feldberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 18.5.11 ParExPDE II – Effiziente objekt-orientierte Mehrgitterverfahren und Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 18.5.12 Performance-Optimierung f¨ur zuk¨unftige Hardware . . . . . . . 313 18.5.13 waLBerla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 18.6 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 ¨ 19 Professur fur Informatik H¨ochstleistungsrechnern)

(Numerische

Simulation

mit 320

19.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 19.2 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 19.3 Wissenschaftliche Tagungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 10

19.4 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 19.4.1 Innovatives Netzwerk:Simulation und Optimierung innovativer Lasersysteme (SOL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 19.5 Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 ¨ Informatik 11 (Software Engineering) 20 Lehrstuhl fur

324

20.1 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 20.1.1 Analyse und Vergleich von Verfahren zur Leistungsbewertung von Softwaresystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 20.1.2 Auswertung und Analyse von Anwendungsdaten zur Anwendung statistischer Testverfahren bei Getriebesteuerungen . . . . 330 20.1.3 Automatische datenflussorientierte Testfallerzeugung f¨ur objekt-orientierte Softwaresysteme mittels evolution¨arer Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 20.1.4 Automatische Testdatengenerierung zur Unterst¨utzung inkrementeller modell- und codebasierter Testprozesse f¨ur hochzuverl¨assige Softwaresysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 20.1.5 Musterbasierte Analyse und Korrektur von Trace-Anomalien . . 339 20.1.6 Softwarezuverl¨assigkeitsbewertung unter Ber¨ucksichtigung der mit vorgefertigten Komponenten gewonnenen Betriebserfahrung 341 20.1.7 Verifikation komponentenbasierter Softwaresysteme unter Einbeziehung bewiesener Komponenteneigenschaften . . . . . . . 343 20.2 Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 20.3 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 ¨ Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design) 21 Lehrstuhl fur

348

21.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 21.2 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 21.3 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 21.3.1 AIS – Autonome Integrierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . 355 21.3.2 Approximationsalgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 21.3.3 Co-Design massiv parallel eingebetteter Prozessorarchitekturen 357 21.3.4 Effiziente Nutzung von Ressourcen in parallelen Systemen . . . 358 11

21.3.5 Entwurf anwendungsspezifischer Prozessoren . . . . . . . . . . 358 21.3.6 Entwurf dedizierter massiv paralleler Systeme . . . . . . . . . . 361 21.3.7 Entwurfsmethodik f¨ur gemischt zeitgesteuerte und ereignisgetriebene Steuerger¨atearchitekturen – Modellierung, Optimierung und Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 21.3.8 Fertigungsorientierte Entwurfsmethodik f¨ur Software eingebettet in Komponenten mobiler Systeme . . . . . . . . . . . . . . 364 21.3.9 Hardware/Software-Implementierungen des Motion JPEG2000 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 21.3.10 Partikelschwarm-Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 21.3.11 ReCoNets – Entwurfsmethodik f¨ur eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 21.3.12 ReCoNodes – Optimierungsmethodik zur Steuerung hardwarekonfigurierbarer Knoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 21.3.13 ReKoSys: Kognitive eingebettete Systeme auf Basis dynamisch rekonfigurierbarer Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 21.3.14 SpecVer: Verifikationsgerechte Spezifikation komplexer Systeme 373 21.3.15 SystemCoDesigner: Entwurfsraumexploration f¨ur eingebettete Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 21.3.16 SysteMoC: Darstellung von Berechnungsmodellen in SystemC . 374 21.4 Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 21.5 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 ¨ Informatik mit dem Schwerpunkt Effiziente Algorithmen und 22 Professur fur Kombinatorische Optimierung 386 23 Informatik-Forschungsgruppe M (Medizinische Informatik)

387

23.1 Forschungsschwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 23.2 Forschungsrelevante apparative Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . . 388 23.3 Kooperationsbeziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 23.4 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 23.4.1 Erstellung eines prozessbasierten QM-Handbuchs . . . . . . . . 389 12

23.4.2 Evaluation von Informationssystemen im Gesundheitswesen . . 390 23.4.3 Konzeption und Aufbau eines Internet-Portals f¨ur ein Forschungsnetz in der Medizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 23.4.4 OPAL Health: Optimierte und sichere Prozesse durch mobile ¨ und intelligente Uberwachung und Lokalisierung von Betriebsmitteln und Inventar in Kliniken und Krankenh¨ausern . . . . . . 393 23.4.5 Pathifier: ein Werkzeug zur Visualisierung klinischer Behandlungsabl¨aufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 23.4.6 Prozessoptimierung in der Radiologie . . . . . . . . . . . . . . 396 23.4.7 WHO/European eHealth Consumer Trends Survey . . . . . . . 397 23.4.8 Wissensverarbeitende Systeme / Wissenmodellierung in der Medizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 23.5 Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 23.6 Studien- und Abschlussarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 24 Informatik Sammlung Erlangen (ISER)

404

A Arbeitsberichte des Departments Informatik 1999 – 2007

412

Einleitung

Das Department Informatik“ wurde 1966 unter dem Namen Institut f¨ur Mathemati” ” sche Maschinen und Datenverarbeitung“ gegr¨undet und der neu er¨offneten Technischen Fakult¨at zugeordnet. Es geh¨ort damit zu den a¨ ltesten Departments dieser Art. Acht seiner zw¨olf Lehrst¨uhle sind untergebracht im Wolfgang-H¨andler-Hochhaus“, benannt ” nach Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Wolfgang H¨andler, Inhaber des ersten Erlanger Lehrstuhls f¨ur Informatik und Gr¨under des Departments. Seit 1972 ist das Department kontinuierlich gewachsen auf nunmehr zw¨olf Lehrst¨uhle und eine Forschungsgruppe: Informatik 1 Informatik 2 Informatik 3

Informatik 4 Informatik 5

Informatik 6

Informatik 7 Informatik 8 Informatik 9

Informatik 10 Informatik 11 Informatik 12

Theoretische Informatik (Prof. Dr. K. Leeb) Programmiersysteme (Prof. Dr. M. Philippsen, Prof. Dr. T. Brinda) Rechnerarchitektur (N.N., Komm. Leitung: Prof. Dr. M. Philippsen, seit 01.10.2005) Verteilte Systeme und Betriebssysteme (Prof. Dr.-Ing. W. Schr¨oder-Preikschat) Mustererkennung (Prof. Dr.-Ing. J. Hornegger, Prof. Dr.-Ing. E. N¨oth) Datenmanagement (Prof. Dr.-Ing. K. Meyer-Wegener, Prof. Dr.Ing. R. Lenz) Rechnernetze und Kommunikationssysteme (Prof. Dr.-Ing. R. German) K¨unstliche Intelligenz (Prof. Dr. H. Stoyan, Prof. Dr.-Ing. G. G¨orz) Graphische Datenverarbeitung (Prof. Dr. G. Greiner, Prof. Dr.-Ing. M. Stamminger) Systemsimulation (Prof. Dr. U. R¨ude, Prof. Dr. Ch. Pflaum) Software Engineering (Prof. Dr. F. Saglietti) Hardware-Software-Co-Design (Prof. Dr.-Ing. J. Teich, Prof. Dr. R. Wanka)

Informatik M

1.1

Forschungsgruppe Medizininformatik (Prof. Dr. H.-U. Prokosch, Inhaber des Lehrstuhls f¨ur Medizinische Informatik an der Medizinischen Fakult¨at und Leiter des Med. Zentrums f¨ur Informations- und Kommunikationstechnik (seit 01.01.2005))

Emeritierte Professoren • Prof. em. Dr. H. Wedekind (30.09.2001) • Prof. em. Dr. H. J. Schneider (30.09.2002) • Prof. em. Dr. F. Hofmann (31.03.2003) • Prof. em. Dr.-Ing. H. Niemann (30.09.2005) • Prof. em. Dr. P. Mertens; Zweitmitglied aus der WiSo (30.09.2005)

1.2

Professoren im Ruhestand • Prof. Dr.-Ing. U. Herzog (31.03.2004) • Prof. Dr. M. Dal Cin (30.09.2005) • Prof. Dr. H. M¨uller (30.09.2007) • Prof. Dr. H. Stoyan (30.09.2008)

1.3

Honorarprofessoren • Prof. Dr. H. Billing • Prof. Dr.-Ing. H. Fromm (IBM Sindelfingen) • Prof. Dr. Bernd Hindel (methodpark software AG) • Prof. Dr.-Ing. M. Kaiserserth (IBM) • Prof. Dr. G. Nees (Siemens AG, Erlangen) • Prof. Dr.-Ing. Detlef Kips (BASYS GmbH) 15

1.4

Außerplanm¨aßige Professoren • Prof. Dr. D. Sch¨utt (Siemens AG, M¨unchen) • Prof. Dr. V. Strehl (Department Informatik)

1.5

Externe Lehrbeauftragte • Prof. Elli Angelopoulou Ph.D., Stevens Institute of Technology, USA • Dr. Raymond Bimazubute, DATEV N¨urnberg • Dipl.-Inf. Johannes Drexler, develop group BASYS GmbH • Dipl.-Wirtsch.Inf. Christian Graubner, sciNOVIS F¨urth • Dr.-Ing. Bernd Hardung, Elektrobit Automotive Software • Dr.-Ing. Uwe Hehn, method park Software AG • Dr. rer. nat. Bj¨orn Heismann, Siemens Medical Solutions • Dipl.-Designer Wolfgang Keller, Selbstst¨andiger Unternehmer • PD Dr. Gabriella Kokai, Elektrobit Automotive Software • Dr.-Ing. Markus Kowarschik, Siemens Medical Solutions • Dr. rer. nat. Stefan Mayer, MSC.Software GmbH • Dr. Michael M¨uller, sciNOVIS F¨urth • Dr.-Ing. Joachim Reiß, Siemens • Dr. rer. nat. Eike Rietzel, Siemens • PD Dr. Thomas Ruf, GfK Marketing Services GmbH N¨urnberg • Dr. Karsten Schmidt, AUDI AG • Dr.-Ing. Georg Stemmer, Siemens AG, Corporate Technology, IC 5 • Dr.-Ing. Michael Tielemann, DATEV N¨urnberg • Dr. rer. nat. Gerhard Wellein, RRZE • Dr.-Ing. Thomas Wittenberg, Fraunhofer IIS 16

1.6

Sprecher der Kollegialen Leitung

Sprecher der Kollegialen Leitung des Departments Informatik ist seit 01.10.2007 Prof. Dr.-Ing. Reinhard German.

1.7

Sprecher der Studienkommission

Bis 30.09.2008 war Prof. Dr. Rolf Wanka Sprecher der Studienkommission Informatik. Ab 01.10.2008 hat diese Aufgabe Prof. Dr. G¨unther G¨orz u¨ bernommen. Sprecher der Studienkommission CE ist Prof. Dr. G¨unther Greiner.

1.8

¨ Gesch¨aftsfuhrer

Gesch¨aftsf¨uhrer des Departments Informatik ist Dr. Christian Brosch.

1.9

Forschungsschwerpunkte

In der Forschung existieren neben einer großen Vielfalt von Einzelvorhaben insbesondere folgende Schwerpunkte: • Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme sind Hard- und Softwaresysteme, die in andere Systeme integriert und f¨ur den menschlichen Benutzer meist nicht direkt sichtbar sind. Sie besitzen erhebliche Bedeutung in vielen Branchen: z.B. Automatisierung, Logistik, Automotive, Verkehr, Medizin, Energieerzeugung und -verteilung. Im Fokus der Forschung steht die integrierte Betrachtung der Hardware und deren Programmierung und Vernetzung unter Ber¨ucksichtigung zahlreicher Randbedingungen wie z.B. Kosten, Zeitbedingungen, Entwicklungsaufwand usw. An diesem Schwerpunkt sind beteiligt: Lehrstuhl Informatik 2 (Programmiersysteme): insbesondere Programmierung eingebetteter Systeme, Lehrstuhl Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme): insbesondere Systemsoftware eingebetteter Systeme, Lehrstuhl Informatik 5 (Mustererkennung): insbesondere Anwendungen in der Medizintzechnik, Lehrstuhl Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme): insbesondere Vernetzung und Selbstorganisation eingebetteter Systeme, Anwendungen bestehen in den Feldern drahtlose Vernetzung von Sensoren und Aktoren in der Automatisierung, Logistik sowie interne und externe Fahrzeugkommunikation, Lehrstuhl Informatik 8 (K¨unstliche Intelligenz): 17

insbesondere Benutzungsschnittstellen und Assistenzanwendungen (Navigation, Empfehlungssysteme) eingebetteter Systeme, Lehrstuhl Informatik 11 (Software Engineering): insbesondere Integrationstest und Zuverl¨assigkeitsbewertung f¨ur sicherheitskritische, software-basierte Automatiserungssysteme , Lehrstuhl Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design): insbesondere Architektur, Entwurf und Optimierung eingebetteter Systeme, Prof. Teich ist weiterhin Koordinator des DFG-Schwerpunktprogramms 1148 Rekonfigurierbare Rechensysteme“. ” An der Technischen Fakult¨at ist unter der Bezeichnung ESI – Embedded Systems Institute (www.esi.uni-erlangen.de) ein interdisziplin¨ares Zentrum f¨ur Eingebettete Systeme gegr¨undet worden. Die Arbeitsschwerpunkte sind Automatisierungstechnik, Automobiltechnik, Kommunikationstechnik und Medizintechnik. Das neue Zentrum vernetzt den Kompetenzbereich Eingebettete Systeme an der Universit¨at mit Interessen und Aktivit¨aten von ans¨assiger Großindustrie und Mittelstand. Weiterhin u¨ bernimmt das ESI die Vermittlung der richtigen Kooperationspartner, die Mittlung und Beratung in der Vorbereitung und Beantragung o¨ ffentlicher Projekte, den Wissenstransfer durch Studien und Beratung sowie die Unterst¨utzung und Begleitung von Startups. Hierf¨ur entwickelte das ESI unter anderem ein industrielles Partnerschaftsprogramm (Industrial Liaison Program) mit einer j¨ahrlichen Tagung im Rahmen der Embedded World Messe und Konferenz. Mit der Audi AG wurde INI.FAU (Ingolst¨adter Institute der Friedrich-AlexanderUniversit¨at) gegr¨undet, in dem im Rahmen von Promotionen gemeinsame Projekte bearbeitet werden. 8 von 17 Promotionsprojekten sind in der Informatik angesiedelt und stellen Themen rund um eingebettete Systeme dar (z.B. echtzeitf¨ahige Kommunikation, modellgest¨utzter Entwurf, Programmierung von Steuerger¨aten, usw.). Eingebettete Systeme stellen einen Teil des Schwerpunkts Informations” und Kommunikationstechnik“ der Technischen Fakult¨at und des Wissenschaftsschwerpunkts Elektronik, Information und Kommunikation“ der gesamten Uni” versit¨at dar. • Medizintechnik Erlangen hat das nachhaltige Ziel, sich als Bundeshauptstadt der Medizin“ zu ” behaupten. Entsprechend der dazu notwendigen Forschung auch im Bereich der Medizintechnik sind einige Lehrst¨uhle des Departments hervorragend in der Medizinischen Informatik, Bildgebung, Bild- und Signalverarbeitung und Visualisierung ausgewiesen. Dies wird neben zahlreichen Industriekooperationen auf diesem Gebiet auch an der Beteiligung in interdisziplin¨aren Sonderforschungsbereichen (SFB 539, SFB 603), Forschergruppen (FOR 661, FOR 894), Forschungsverb¨unden (Fit4Age) und Graduiertenschulen (IMPRS, SAOT) sichtbar. Dabei wird insbesondere der zunehmenden Komplexit¨at und der origin¨aren Interdisziplinarit¨at der Medizintechnik Rechnung getragen. Die einzelnen Fachdisziplinen 18

stoßen in diesem Forschungsfeld sehr schnell an ihre Grenzen. Innovationen sind ohne die interdisziplin¨are Zusammenarbeit kaum m¨oglich. Dabei ist nicht nur die naheliegende Kooperation der Technischen, der Medizinischen und der Naturwissenschaftlichen Fakult¨at gefragt, sondern auch zu den Kultur-, Geistes- und Wirtschaftswissenschaften ergeben sich spezifische Bez¨uge. Die Informatik kann dabei in all diesen Konstellationen wichtige Beitr¨age leisten. Auf dem Gebiet der medizinischen Bildgebung und -verarbeitung gibt es einige sehr erfolgreiche Forschungsverb¨unde. Zu nennen sind hier die DFGgef¨orderte Forschergruppe Multimodale Bildgebung in der pr¨aklinischen For” schung“ (FOR 661), das BMBF-gef¨orderte nationale Konsortium Molekulare ” Bildgebung zur Erfassung der Tumorangiogenese“, die International Max Planck Research School for Optics and Imaging (IMPRS) oder die im Rahmen der DFGExzellenzinitiative gef¨orderte Graduate School in Advanced Optical Techno” logies“ (SAOT). Mit Technik in der Alternsforschung besch¨aftigt sich das Projekt Fit4Age. Ziel des durch die Bayerische Forschungsstiftung gef¨orderten Forschungsverbundes ist es, technische L¨osungsans¨atze zu finden, die den alternden Menschen in Wohnung und Haus, im Arbeitsleben wie in der Kommunikation mit der Umwelt und im Verkehr ein aktives und bezahlbares Leben erhalten, auch wenn das durchschnittliche Alter der Bev¨olkerung weiter zu- und gleichzeitig die Zahl der arbeitsf¨ahigen, j¨ungeren Menschen abnimmt. Das Ziel der interdisziplin¨aren DFG-Forschergruppe Str¨omungsphysikalische Grundlagen der mensch” lichen Stimmgebung“ (FOR 894) ist ein fundiertes physikalisches Verst¨andnis normaler und pathologischer Stimmlippendynamik und des daraus resultierenden akustischen Signals. Ein weiterer, u¨ ber Jahre sehr sichtbarer Forschungsverbund ist der Sonderforschungsbereich Glaukome einschließlich Pseudoexfoliations” Syndrom“ (SFB 539), in dem Mediziner, Biologen und Informatiker an der verl¨asslichen Fr¨uhdiagnose sowie an einem verbesserten Verst¨andnis der Ursachen und des Verlaufs der Glaukomerkrankung arbeiten. Weiterhin werden in Kooperation mit der Medizinischen Fakult¨at (Lehrstuhl f¨ur Medizinische Informatik, Prof. Prokosch) das Nebenfach Medizinische Informatik angeboten und Krankenhausinformationssysteme entwickelt. Es bestehen zahlreiche Kooperationen mit der lokalen Medizintechnik- und Sport-Industrie. Eine Besonderheit in Erlangen ist das Imaging Science Institute (ISI), das von Siemens Healthcare am Universit¨atsklinikum betrieben wird. Das ISI stellt eine Plattform f¨ur den interdisziplin¨aren Wissensaustausch und die interdisziplin¨are Forschung zur Verf¨ugung. Wissenschaftler unterschiedlicher Fakult¨aten, des Klinikums und der Industrie arbeiten im ISI zusammen. Im Fokus liegen Forschungsprojekte auf den Gebieten Kardiologie, Neurologie, Onkologie sowie Radiologie und Nuklearmedizin, wobei haupts¨achlich Applikationen, Klinische Abl¨aufe und Prozesse sowie die Integration von Modalit¨aten und IT erforscht werden. Die 19

Medizintechnik ist dem Forschungsschwerpunkt Life Sciences“ der Technischen ” Fakult¨at und dem Wissenschaftsschwerpunkt Medizintechnik der FAU zuzuordnen. • Modellierung und Simulation Es werden sowohl Verfahren zur kontinuierlichen numerischen Simulation, zur diskreten Simulation und zur logisch-konzeptionellen Modellierung f¨ur verschiedene Anwendungsbereiche abgedeckt. Da viele Simulationen sehr rechenintensiv sind, hat die Forschung zur Simulation auf H¨ochstleistungrechnern einen besonderen Stellenwert. Dies zeigt sich zum Beispiel an der Teilnahme am Kompetenznetzwerk f¨ur TechnischWissenschaftliches Hoch- und H¨ochstleistungsrechnen in Bayern (KONWIHR). Die Forschung im Bereich der Modellierung und Simulation ist die Grundlage f¨ur den Studiengang Computational Engineering und resultiert in zahlreichen Kooperationen innerhalb der Technischen Fakult¨at. An diesem Schwerpunkt sind beteiligt: Lehrstuhl Informatik 5 (Mustererkennung): insbesondere Anwendungen in der Medizintechnik, Lehrstuhl Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme): insbesondere diskrete Simulation, hierbei standardkonforme UML2-basierte Simulation, Anwendung zur Bestimmung der Dienstg¨ute vernetzter Systeme, z.B. Sensor-Aktor-Netze, Fahrzeugkommunikation (intern und extern) und Audiokommunikation, Lehrstuhl Informatik 8, Lehrstuhl Informatik 9 (Grafische Datenverarbeitung), Lehrstuhl Informatik 8 (K¨unstliche Intelligenz): insbesondere (beschreibungs-) logische Modellierung von Anwendungsgebieten (formale Dom¨anenontologien) in Technik und Kulturwissenschaften und Entwicklung generischer Referenzontologien (CIDOC Conceptual Reference Model) in OWL-DL sowie symbolische und stochastische Kontext-Modellierung, mit Anwendungen in Assistenzsystemen, in der Sprachverarbeitung, in Multiagenten-Systemen (bislang DFG SPP 1083) und im semantischen/epistemischen Web. Lehrstuhl Informatik 10 (Systemsimulation). Anwendungsbereiche der Simulation an diesem Lehrstuhl stammen derzeit aus der Optik, Medizintechnik, Bildverarbeitung, Mechatronik, Nanotechnologie, Materialwissenschaften, Verfahrenstechnik, Automobiltechnik und der Energietechnik. Diese Themen werden in vielf¨altigen Kooperationen verfolgt. Partner sind sowohl Lehrst¨uhle an der Technischen Fakult¨at aber auch in der Mathematik, Chemie, und Physik. Der Lehrstuhl ist in vielf¨altige Industriekooperationen (z.B. Siemens, Opel, BASF, MSC, Intel, HP, IBM) eingebunden, sowie Partner in nationalen und internationalen Kooperations- und Verbundprojekten. Ein besonderes Forschungsgebiet des Lehrstuhls ist Simulation im Bereich der Optik und Hochleistungsrechnen. Die Anwendungen in der Optik sind insbesondere die numerische Simulation von Lasern und die Simulation optischer Eigenschaften von 20

D¨unnschichtsolarzellen. Dies zeigt sich an Forschungsprojekten, welche von der ”Graduate School in Advanced Optical Technologies”(SAOT) gef¨ordert werden und an der Beteiligung an Innovativen Netzwerken (Innonet) zur Optimierung und Simulation von Lasern. Die Beteiligung an verschiedenen KONWIHR Projekten und die Zusammenarbeit mit dem Regionalen Rechenzentrum Erlangen (RRZE) zeigt die Notwendigkeit des Hochleistungsrechnens in vielen Bereichen der Simulation. Modellierung und Simulation ist ein von der Technischen Fakult¨at ausgewiesener Schwerpunkt. Die Vielzahl von industriellen Kooperationsbeziehungen ist jeweils bei den Lehrst¨uhlen dokumentiert.

1.10

Ver¨offentlichungsreihen

Arbeitsberichte des Departments Informatik (ISSN 1611-4205)

1.11

Lehre

Die rasante Entwicklung der Informationsverarbeitung hat unser Leben und Arbeiten, unser Wirtschaften und Handeln ver¨andert wie kaum eine Technologie zuvor. Die Auswirkungen aktueller Trends wie Multimedia, Virtual Reality, Internet oder eingebettete Systeme auf unsere Gesellschaft sind enorm. Kontinuierlich werden leistungsf¨ahigere Prozessoren, gr¨oßere Speicher, schnellere Netzwerke und komplexere Softwareprodukte angeboten, die neue Kommunikations-, Lern- und Arbeitsformen in jedem Haushalt und an jedem Arbeitsplatz verf¨ugbar machen. Die Schl¨usselrolle in dieser Entwicklung spielt die Informatik. Sie besch¨aftigt sich mit Hardware, Software und Organisation von Rechnersystemen und -netzen, mit der Repr¨asentation und der Verarbeitung von Daten, mit der Akquisition und Nutzung von problemspezifischem Wissen und mit den Auswirkungen des Einsatzes solcher Systeme auf Nutzer und Betroffene. Dabei abstrahiert die Informatik von den Besonderheiten der einzelnen Anwendungen und Architekturen und analysiert die grundlegenden theoretischen Konzepte und Methoden, um sie beim Entwurf neuer Systeme einzusetzen. Informatik ist so als umfassende Grundlagen- und Querschnittsdisziplin zu verstehen, die sich mit den technischen, den organisatorischen und den gesellschaftspolitischen Fragen der Entwicklung und Nutzung von Systemen der Informationstechnik befasst. Zielsetzung und Arbeitsweise kennzeichnen sie als Ingenieurwissenschaft. Ihre anwendungsbezogenen Teildisziplinen reichen von der Wirtschafts-, der Rechtsund Verwaltungsinformatik u¨ ber die medizinische Informatik bis zu den Gebieten Com21

putational Science und Computational Engineering. Mit ihren Methoden der Formalisierung, der Modellbildung und der Simulation erschließt sie neue Denk- und Arbeitsweisen in allen Bereichen der Natur- und Geisteswissenschaften und der Technik. Da die Ingenieurdisziplin Informatik auch in Zukunft die Dynamik der Innovationen maßgeblich bestimmen wird, haben Absolventen ausgezeichnete Berufsperspektiven. Das Department Informatik bietet folgende Studieng¨ange an: • Informatik (Bachelor, Master und Diplom) • Informatik Lehramt (Hauptschulen, Realschulen, Gymnasien und berufliche Schulen) • Computational Engineering (Bachelor und Master) • Informations- und Kommunikationstechnik (Bachelor, Master und Diplom) • Zwei-Fach-Bachelor mit Informatik als erstem Fach und geisteswissenschaftlichem Zweitfach • Master International Information Systems Der interdisziplin¨are Studiengang Informations- und Kommunikationstechnik wird gemeinsam vom Department Informatik und dem Department Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik getragen, der Zwei-Fach-Bachelor gemeinsam unter der Federf¨uhrung der Philosophischen Fakult¨at und der Master International Information Systems gemeinsam unter der Federf¨uhrung der Rechts- und Wirtschaftswissenschaftlichen Fakult¨at. Ab dem Sommersemester 2009 wird der Einstieg in den Bachelor-Studiengang Informatik auch zum Sommersemester m¨oglich sein. In Planung befinden sich ein Bachelor-Studiengang Medizintechnik gemeinsam mit der Medizinischen Fakult¨at und ein Bachelor-Studiengang Wirtschaftsinformatik gemeinsam mit der Rechts- und Wirtschaftswissenschaftlichen Fakult¨at. In Kooperation mit der TU-M¨unchen werden zwei von der Bayerischen Staatsregierung eingerichtete Elite-Studieng¨ange angeboten: • Bavarian Graduate School of Computational Engineering • Systeme der Informations- und Multimediatechnik Informationen zum aktuellen Vorlesungsangebot stehen im UnivIS (http://univis.unierlangen.de). 22

1.11.1

Statistik zum WS 2008/2009

Nachfolgende Tabelle zeigt die Neueinschreibungen im WS 2008/2009 und die Gesamtzahl der Studierenden im WS 2008/2009 f¨ur die jeweiligen Studieng¨ange. Studiengang Informatik Diplom Informatik Bachelor Computational Engineering Bachelor Computational Engineering Master Informations- und Kommunikationstechnik Diplom Informations- und Kommunikationstechnik Bachelor Informatik Lehramt Zwei-Fach-Bachelor Summe 1.11.2

Neueinschreibungen Gesamtzahl 0 333 110 177 27 73 19 57 0 161 47 80 17 67 5 5 225 953

¨ Informatik Exportleistung des Instituts fur

in die Ingenieurwissenschaften: • Werkstoffwissenschaften • Maschinenbau • Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik • Mechatronik • Wirtschaftsingenieurwesen • Chemie-/Bio-Ingenieurwesen in andere Bereiche: • Naturwissenschaften • Mathematik • Linguistik • Wirtschaftsinformatik • Medizininformatik • weitere Studieng¨ange der Philosophischen Fakult¨aten 23

1.11.3

CIP-Pools der Informatik

Der CIP-Pool der Informatik gliedert sich in 4 R¨aume: Terminal-/Klassenraum 01.153 Klassenraum 01.155

28 Arbeitspl¨atze (Dual-Boot Windows//Linux) 40 Arbeitspl¨atze (PCs/Linux) 18 Arbeitspl¨atze (Sun Rays) Klassenraum 01.155-NB 10 Arbeitspl¨atze (PCs/Linux) Klassenraum 02.151 22 Arbeitspl¨atze (PCs/Linux, Grafikrechner) 22 Arbeitspl¨atze (PCs//Linux) 26 Arbeitspl¨atze (Sun Rays) Gesamtanzahl Clients 166 Anzahl Server 11, ausschließlich Mehrprozessorsysteme Plattenkapazit¨at auf den Servern 100 TByte, davon 800 GByte f¨ur Video¨uberwachung Rechnernetz 1 GBit/s zwischen den Servern, 100 MBit/s zu den Clients

Verantwortlich f¨ur den Betrieb ist der Gesch¨aftsf¨uhrer des Departments Informatik, wobei der Lehrstuhl f¨ur Verteilte Systeme und Betriebssysteme den technischen Background liefert. Der eigentliche“ Betrieb, wie ” • Hardware- und Softwarepflege ¨ • Verwaltung des Zugangs- und Uberwachungssystems • Sprechstunden f¨ur Benutzer • Pflege der CIP-Pool-Website • Entwicklung von System-Verwaltungswerkzeugen wird – weitestgehend autark – von einer außerordentlich engagierten Gruppe von studentischen Hilfskr¨aften sichergesetellt: Simon Kuhnle, Johannes Schlumberger, Rainer Sennwitz, Klaus Stengel, Rolf Weber und Alexander W¨urstlein Insgesamt werden ca. 500 Informatik-Benutzeraccounts Nichtinformatiker-Benutzeraccounts betreut.

und

ca.

3400

Der Zugang zu den CIP-Pools ist 24h/7Tage m¨oglich; w¨ahrend der Schließzeiten des Geb¨audes mit einem Kartenzugangssystem. 24

Alle R¨aume und Flure sind video¨uberwacht. Die Aufzeichnungskapazit¨at umfasst drei Wochen, was einem komprimierten Datenvolumen von etwa 350 GByte entspricht. Im Berichtszeitraum wurde die Ausstattung der CIP-Pools durchg¨angig erneuert. So wurden insgesamt 87 Quad-Core-Rechner mit 8 GByte Arbeitsspeicher und 87 24-ZollMonitore angeschafft. Des Weiteren wurde die Server-Ausstattung durch 2 Sun Fire X4500 mit insgesamt 96 TByte Plattenkapazit¨at und 4 Sun Fire X4450 erneuert.. Finanziert aus Studienbeitr¨agen wurden zus¨atzlich in der Gruppenbibliothek Informatik 9 computerbasierte Literaturarbeitspl¨atze eingerichtet, die in die CIP-Infrastruktur eingebunden sind. 1.11.4

Studienbeitr¨age

Das Department Informatik hat im WS 2007/2008 Studienbeitr¨age in H¨ohe von 157.766,08 Euro und im SS 2008 Studienbeitr¨age in H¨ohe von 215.576,00 Euro erhalten. Die wichtigsten Maßnahmen, die daraus finanziert wurden, waren das StudienService-Center Informatik und eine große Anzahl von studentischen Hilfskr¨aften und Tutoren um zum einen die Studienberatung auszubauen und zum anderen eine optimale Unterst¨utzung der Lehrveranstaltungen zu gew¨ahrleisten. Eine weitere Aufschl¨usselung der Ausgaben findet sich unter http://www.informatik.uni-erlangen.de/infocenter/. Die Beschl¨usse u¨ ber die Ausgaben werden von der Studienbeitragskommission Informatik gefasst. Diese besteht aus drei Vertretern der Professoren und drei studentischen Vertretern. Die Vertreter der Professoren sind Prof. Dr. Rolf Wanka (Vorsitzender), Prof. Dr. Michael Philippsen und Prof. Dr. Ulrich R¨ude.

1.12

Promotionen

¨ Programmiersysteme Promotionen am Lehrstuhl fur • Klemm, Michael Jochen Reparallelization and Migration of OpenMP Applications in Grid Environments (Reparallelisierung und Migration von OpenMP-Applikationen in GridUmgebungen), 17.10.08 ¨ Rechnerarchitektur Promotionen am Lehrstuhl fur • H¨oxer, Hans-J¨org Klaus 25

Optimierung der Schnittstelle zwischen Hypervisor und Betriebssystemkern bei virtuellen Maschinen, 18.07.08 ¨ Verteilte Systeme und Betriebssysteme Promotionen am Lehrstuhl fur • Felser, Meik Tobias Dynamische Adaption in heterogenen und verteilten eingebetteten Systemen, 26.11.08 ¨ Mustererkennung Promotionen am Lehrstuhl fur • Scholz, Ingo Paul Matthias Reconstruction and Modeling of Static and Dynamic Light Fields (Rekonstruktion und Modellierung statischer und dynamischer Lichtfelder), 20.05.08 • Steidl, Stefan Automatic Classification of Emotion-related User States in Spontaneous Children´s Speech (Automatische Klassifikation von emotionalen Benutzerzust¨anden in spontaner Kindersprache), 07.11.08 • Hoppe, Stefan Accurate Cone-Beam Image Reconstruction in C-Arm Computed Tomography (Exakte Kegelstrahl-Bildrekonstruktion f¨ur die C-Bogen Computertomografie), 04.12.08 • Dennerlein, Frank Image Reconstruction from Fan-Beam and Cone-Beam Projections (Bildrekonstruktion aus F¨acherstrahl- und Kegelstrahlprojektionen), 04.12.08 ¨ Datenmanagement Promotionen am Lehrstuhl fur • Suchomski, Maciej Format Independence Provision of Audio and Video Data in Multimedia Database Management Systems (Bereitstellung der Formatunabh¨angigkeit von Audio- und Videodaten in multimedialen Datenbankverwaltungssystemen), 31.10.08

¨ Rechnernetze und Kommunikationssysteme Promotionen am Lehrstuhl fur • Beyer, Matthias Q.E.D. – Ein Entwurfsprozess f¨ur statistische Tests mit Betrachtung von Zeit- und Leistungsanforderungen, 26.06.08 • Hielscher, Kai-Steffen Jens Measurement-Based Modeling of Distributed Systems (Messbasierte Modellierung verteilter Systeme), 21.04.08 • Kresic, Dario Zur konsistenz-basierten Validation von Protokollen mit zeitlichen Anforderungen, 21.05.08 ¨ Kunstliche ¨ Promotionen am Lehrstuhl fur Intelligenz • Mandl, Stefan Erschließung des unber¨ucksichtigten Kontexts formalisierten Wissens, 07.02.08 • Reiß, Peter Johannes Assistenz durch selbstbeschreibende Software, 30.07.08 ¨ Graphische Datenverarbeitung Promotionen am Lehrstuhl fur • Meister, Martin Interactive Visualization in Interdisciplinary Applications (Interaktive Visualisierungstechniken in interdisziplin¨aren Anwendungsbereichen), 02.04.08 • Sußner, Gerd Thomas Methoden zur Erzeugung und Darstellung von tessellierten Daten im Kontext der interaktiven virtuellen Qualit¨atskontrolle in der Fahrzeugentwicklung, 24.09.08 • Kaminski, J¨urgen Geometrische Rekonstruktion spiegelnder Oberfl¨achen aus deflektometrischen Messdaten, 22.10.08 • Franz, Matthias EAR – Einsatzsynchrone Artefakt Reduktion, 27.11.08

¨ Systemsimulation Promotionen am Lehrstuhl fur • Fabricius, Uwe A Parallel Algebraic Multigrid for Finite Element Discretizations of the Poisson Equation (Paralleles Algebraisches Mehrgitter f¨ur Finite-ElementeDiskretisierungen der Poissongleichung), 15.02.08 • K¨ostler, Harald Ernst Ludwig A Multigrid Framework for Variational Approaches in Medical Image Processing and Computer Vision (Mehrgitterverfahren f¨ur Variationsans¨atze in der medizinischen Bildverarbeitung und dem Rechnersehen), 02.05.08 • Pohl, Thomas High Performance Simulation of Free Surface Flows Using the Lattice Boltzmann Method (Hochleistungssimulation von Str¨omungen mit freien Oberfl¨achen basierend auf der Lattice-Boltzmann-Methode), 19.06.08 Promotionen in der Forschungsgruppe Medizinische Informatik • Lang, Martin Prozess-Mining und Prozessbewertung zur Verbesserung klinischer Workflows im Umfeld bilderzeugender F¨acher, 06.06.08

1.13

Besondere Ereignisse 2008

1.13.1

Rufe und Neubesetzungen

Neubesetzungen von Professuren: Prof. Dr.-Ing Elmar N¨oth, W2-Professur f¨ur Informatik am Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung zum 01.07.2008 Rufe • Prof. Dr. Brinda hat einen Ruf auf die Professur Informatik in der Bildung“ an ” die Universit¨at Oldenburg abgelehnt. • Prof. Dr. R¨ude hat einen Ruf auf die Professur Modellbildung/Simulation“ an die ” Johannes-Gutenberg-Universit¨at Mainz erhalten, die mit einer Fellowship des ” Gutenberg Forschungskollegs“ kombiniert ist. 28

1.13.2

Preise und Auszeichnungen

• Andreas Beck erh¨alt den Friedrich-Wingert-Preis f¨ur den Beitrag Qua” lit¨atssicherung in der Aut-idem/Aut-simile-Substitution am Universit¨atsklinikum Erlangen durch Integration wissensbasierter Funktionen an den pharmazeutischen Schnittstellen der station¨ar/ambulanten Pharmakotherapie“ auf der 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (GMDS), 15.-18. September 2008 in Stuttgart. • Richard Membarth hat beim NVIDIA-Programmierwettbewerb CUDA Challenge im September 2008 den ersten Preis gewonnen. • Dr.-Ing. Nils Th¨urey erh¨alt den Promotionspreis der Staedtler-Stiftung f¨ur seine Dissertation mit dem Titel Physikalische Animation von Str¨omungen mit frei” en Oberfl¨achen mit der Lattice-Boltzmann-Methode“ am 15. Oktober 2008 in N¨urnberg. • Die Studierenden Dominik Bartuschat, Bj¨orn Gmeiner und Preclik Tobias erhalten Poster-Preise beim ASIM-Workshop vom 18.–20. Februar 2008 in Erlangen. • Rolf Wanka ist seit April 2008 Vertrauensdozent/Mentor im Max WeberProgramm des Freistaates Bayern zur Hochbegabtenf¨orderung 1.13.3

Vize-Pr¨asident aus der Informatik

Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener (ab 01.04.08) 1.13.4

Dekane aus der Informatik

• Prodekan der Technischen Fakult¨at: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener (bis 29.02.08) • 3. Studiendekan der Technischen Fakult¨at: Prof. Dr. Rolf Wanka (ab 05.11.08) 1.13.5

Zweitmitgliedschaft

• an der Medizinischen Fakult¨at: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

1.13.6

Gastaufenthalte

• R¨udiger Bock Sept. 2008 an der University of Szeged, Szeged, USA • Anja Borsdorf vom 18.08.08—31.09.08 an der University of Utah, Utah, USA • Frank Dennerlein vom 01.01.08—31.12.08 an der University of Utah, Utah, USA • Johannes Feulner von Aug.–Sept. 2008 in Princeton, New Jersey, USA • Andreas Fieselmann von Okt.–Dez. 2008 an der Stanford University, Standford, USA • Michael Glaß vom 27.09.08–04.10.08 an der National University of Singapore, Singapur • Tobias Gradl vom 13.06.08–19.09.08 am Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA • Christian Haubelt vom 18.09.08–03.10.08 an der University of California, Irvine, USA • Sabine Helwig vom 19.02.08-20.02.08 an der Universit¨at Karlsruhe am 02.07.08 an der Universit¨at Paderborn • Hannes Hofmann von Sept.–Nov. 2008 bei Intel, Santa Clara, USA • Stefan Hoppe vom 05.02.08—03.03.08 an der University of Utah, Utah, USA vom 24.03.08—05.05.08 an der University of Utah, Utah, USA • Prof. Dr.-Ing. J. Hornegger vom 01.09.07—31.03.08 an der Stanford University, Standford, USA 30

• Harald K¨ostler im Juli 2008 am Technion in Haifa, Israel • Dr. Bernd Ludwig vom 05.05.08–16.05.08 an der International Doctorate School der Universita degli Studi di Trento, Italien • Prof. Dr.-Ing. E. N¨oth vom 29.06.08—02.09.08 an der Johns Hopkins University, Baltimore, USA • Prof. Dr. Christoph Pflaum vom 24.01.08–04.02.08 am Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, USA vom 13.03.08–03.04.08 an der University of Colorado at Boulder, Boulder, USA • Konrad Sickel vom 31.10.07—03.04.08 in Princeton, New Jersey, USA vom 31.10.07—03.04.08 in Princeton, New Jersey, USA • Martin Spiegel vom 19.08.08–25.10.08 an dem The Methodist Hospital, Texas, USA • Prof. Dr. J¨urgen Teich vom 16.09.08–09.11.08 an der National University of Singapore, Singapur • Prof. Dr. Rolf Wanka am 29.01.08 an der TU Ilmenau am 02.07.08 an der Universit¨at Paderborn • Michael Wels vom 13.03.08–11.04.08 in Princeton, New Jersey, USA • Johannes Zeintl vom 11.01.08-03.02.08 in Hoffman Estates, Illinois, USA vom 18.03.08-20.04.08 in Hoffman Estates, Illinois, USA

1.13.7

Tagungen/Workshops

• ASIM-Workshop 18.–20. Februar 2008, Erlangen http://www10.informatik.uni-erlangen.de//Misc/ASIM2008/ Lehrstuhl f¨ur Systemsimulation • 4. Erlanger High-End-Computing Symposium 23. Juni 2008, N¨urnberg http://www10.informatik.uni-erlangen.de/Misc/EIHECS4/ Lehrstuhl f¨ur Systemsimulation gemeinsam mit dem Regionalen Rechenzentrum Erlangen • Mitveranstalter des Workshops Museum documentation in transdisciplinary per” spective“ 14. Semptember 2008 http://www8.informatik.uni-erlangen.de/IMMD8/Services/transdisc/ Lehrstuhl f¨ur K¨unstliche Intelligenz • Kurs Algorithms for Modern Communication Networks“ auf der Sarntal” Akademie 2008 (Prof. Dr. Rolf Wanka zusammen mit Prof. Dr. Ernst W. Mayr, TU M¨unchen) Lehrstuhl f¨ur Hardware-Software-Co-Design 21. September – 3. Oktober 2008, Sarntal/S¨udtirol • Offizielle Auftaktveranstaltung zum Doppel-Master-Abkommen in Computational Engineering Lehrstuhl f¨ur Systemsimulation 28.11.2008, Erlangen 1.13.8

Informatik Kolloquium 2008

• Kevin Klues, Stanford Information Networks Group, Stanford University The TinyOS operating system: Past, Present, and Future Directions (06.02.08) • Andreas Gerstlauer, Center for Embedded Computer Systems der University of California, Irvine Automated, C-Based Design of Multi-Processor Systems-On-Chip (14.03.2008) 32

• Ron Rubinstein, Technion – Israel Institute of Technology K-SVD for Dummies: An Introduction to Sparse Representation and the K-SVD Algorithm (02.04.2008) • Constantin Popa, Ovidius University, Constanta, Romania Constraining Strategies for Kaczmarz-like Algorithms (07.04.2008) • Joachim Fischer, Ernst von Siemens Kunststiftung und TU Vom Kurvimeter zum Integraphen. (Fast) 200 Jahre Feinmechanik im Dienst der Integralrechnung (02.06.2008) • Alejandro Buchmann, TU Darmstadt Surviving the Data Glut: The Management of Event Streams in Cyberphysical Systems (17.11.08)

1.14

Tag der Informatik 2008

Unter großem o¨ ffentlichen Interesse fand am 25.04.2008 im H¨orsaal H9 der Technischen Fakult¨at der Tag der Informatik statt. Es kamen ungef¨ahr 200 Teilnehmer. Am Vormittag wurden die Themen Kommunikationskontrolle und Onlinedurchsuchung unter dem Motto Informatik im Dialog“ kontrovers diskutiert. Der Sprecher des Depart” ments Informatik, Prof. German und Prof. Bl¨asi aus den Buchwissenschaften hatten gemeinsam hochkar¨atige Referenten eingeladen. Nach der juristischen Einf¨uhrung von dem Strafrechtler Prof. Kudlich und der technischen Einf¨uhrung von Dr. Klein¨oder referierte Prof. Freiling, IT-Sicherheits-Experte aus Mannheim und Sachverst¨andiger vor dem Bundesverfassungsgericht. Prof. Freiling schilderte, wie Spionagesoftware unbemerkt in einen Computer eingeschleust werden kann und von dort Informationen versendet. Danach legte Dr. Remmele aus dem Bayerischen Innenministerium dar, warum zur Abwehr großer Gefahren wie z.B. dem Terrorismus, Online-Datenerhebungen in besonderen F¨allen zum Schutz der B¨urger unverzichtbar seien. Dies wird durch das j¨ungste Urteil des Bundesverfassungsgerichts best¨atigt. Nach Ansicht von Frau Constanze Kurz, einer Sprecherin des Chaos Computer Clubs sollten Online-Durchsuchungen strikt abgelehnt werden, um die B¨urgerrechte zu sch¨utzen. Die sich anschließende kontroverse Diskussion moderierte Frau Prof. Haberer, Vizepr¨asidentin der Universit¨at. Durch den Nachmittag f¨uhrte Prof. German, Sprecher des Departments Informatik. Nach einem Grußwort des Dekans der Technischen Fakult¨at, Prof. Dr.-Ing. Johannes Huber, und dem Bericht des Sprechers des Departments Informatik erhielt Herr Florian Schornbaum den Preis f¨ur das beste Vordiplom am Department Informatik. Anschließend hielt Prof. Dr.-Ing. Richard Lenz seine Antrittsvorlesung mit dem Titel Semanti” sche Integration von Informationssystemen im Gesundheitswesen“. 33

Dann berichteten Dr. Widuckel (Personalvorstand der Audi AG) und Prof. J¨ahnichen (Pr¨asident der Gesellschaft f¨ur Informatik) u¨ ber die zunehmende Bedeutung der Informatik in der heutigen Industrie- und Informationsgesellschaft und die sich daraus entwickelnden Perspektiven am Arbeitsmarkt. Die Informatik erh¨alt eine zunehmende Bedeutung als interdisziplin¨are und integrierende Ingenieurswissenschaft.

Gesch¨aftsstelle des Department Informatik Anschrift: Martensstraße 3, 91058 Erlangen Tel.: +49.9131.28807 Fax: +49.9131.85.28781 E-Mail: [email protected]

Leitung: Dr. Christian Brosch Sekretariat: Ingeborg Rentsch, M. A. Nichtwiss. Personal: Helga Janak-Taubald

2.1

Aufgabenschwerpunkte • Haushaltsplanung und Controlling, Stellenbewirtschaftung • Liegenschaftsverwaltung und Brandschutzaufgaben • Vorbereitung von Gremiensitzungen • Prozessverfolgung f¨ur alle Verwaltungsvorg¨ange, die sich aus Gremienbeschl¨ussen ergeben • Koordinierung der Zusammenarbeit zwischen Lehrst¨uhlen, Fakult¨atsverwaltung und zentraler Universit¨atsverwaltung • Koordinierung von PR-Aktivit¨aten des Departments • Koordinierung und Pflege der zentralen Webseiten und des IntranetInformationssystems des Departments • Erarbeitung von Druckerzeugnissen und Berichten • Aktivit¨aten im Bereich der Studienberatung • Koordination des Betriebs der zentralen Rechensysteme und der Netzinfrastruktur • Koordination von Beschaffungsantr¨agen des Departments

Studien-Service-Center Informatik Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlange Tel.: +49 9131 85-27007 Fax: +49 9131 85-28781 E-Mail: [email protected]

Leitung: Christian G¨otz

Die Stelle des Leiters des Studien-Service-Centers Informatik wird aus Studienbeitr¨agen finanziert.

3.1

Aufgabenschwerpunkte • Beratung Studierender und Studieninteressierter • Anlaufstelle f¨ur Studierende bez¨uglich eines Auslandsstudiums; Kontakt zu ausl¨andischen Universit¨aten • Informations- und Kommunikationsdrehscheibe zwischen Studierenden und Dozenten • Pflege des Informationsmaterials, beispielsweise Flyer und Studienf¨uhrer ¨ • Mitwirkung bei der Offentlichkeitsarbeit und Organisation von Informationsveranstaltungen f¨ur Studierende und Studieninteressierte • Ausbau der Jobb¨orse • Sammlung von Vorschl¨agen zur weiteren Verbesserung der Studienbedingungen

¨ Informatik 1 (Theoretische Informatik) Lehrstuhl fur Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen Tel.: +49.9131.85.27925 Fax: +49.9131.85.28781

Leitung: Prof. Dr. phil. Klaus Leeb 1972 u¨ bernahm Herr Prof. Dr. phil. Klaus Leeb die Leitung des Lehrstuhls f¨ur Informatik 1 (Theoretische Informatik) – zugeh¨orig dem Institut f¨ur Informatik der Friedrich-Alexander-Universit¨at

4.1

Forschungsschwerpunkte

Syntax der Kategorien; rekursive, mengentheoretische und enumerative Kombinatorik; Halbgruppen und Formale Sprachen; Logische Programmierung; Komplexit¨at und Endliche Modelltheorie; Codierung und Kryptosysteme; Dynamik und Algebren und Funktionsgleichungen; Rel-Pol-Dualit¨at, insbes. Reduktionsordnungen f¨ur Polynom-, Differential- und Differenzalgebra, Clones

¨ Informatik 2 (Programmiersysteme) Lehrstuhl fur Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen Tel.: +49 9131 85 27621 Fax: +49 9131 85 28809 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Honorarprofessoren: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel Hon.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Kips Emeritus: Prof. em. Dr. Hans J¨urgen Schneider Sekretariat: Agnes Br¨utting Waltraud R¨uck Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inf. Alexander Dreweke, B. Sc. mult. Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Edelh¨außer (ab 01.05.2008) Dipl.-Inf. Ralf Ellner (ab 01.10.2008) Dipl.-Inf. Philipp Janda Dipl.-Inf. Michael Klemm (bis 31.08.2008) Dr.-Ing. Norbert Oster (ab 01.10.2008) Dipl.-Inf. Dominic Schell (bis 31.03.2008) Ronald Veldema, Ph.D. Dipl.-Inf. Tobias Werth PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke Dipl.-Inf. Marc W¨orlein G¨aste/Stipendiaten: Dipl.-Inf. (FH) Josef Adersberger Dipl.-Inf. Johannes Drexler PD Dr.-Ing. Gabriella K´okai Dipl.-Inf. Johannes Ostler Dipl.-Inf. Stephan Otto Dr. Karsten Schmidt Dipl.-Inf. Szilvia Zvada Externes Lehrpersonal: Dr.-Ing. Klaudia Dussa-Zieger Dr. Georg Heidenreich 38

Nichtwiss. Personal: Dipl.-Ing. (FH) Helmut Allendorf Manfred Uebler Zum 1972 gegr¨undeten Lehrstuhl Informatik 2, den Prof. Dr. Michael Philippsen (als Nachfolger von Prof. Dr. H.-J. Schneider) seit April 2002 leitet, geh¨oren neben einem Wissenschaftlerteam, das sich mit Programmiersystemen besch¨aftigt, die Didaktik der Informatik, deren Forschungsarbeiten separat dargestellt sind, und die von den Honorar- Professoren gef¨uhrte Arbeitsgruppe Praktische Softwaretechnik.

5.1

Forschungsschwerpunkte

Im Mittelpunkt der Programmiersystemforschung des Lehrstuhls stehen parallele und verteilte Systeme und deren Programmierung sowie Programmiersysteme f¨ur eingebettete und mobile Systeme. Software (und deren Erstellung) f¨ur solche Systeme sollte nicht komplexer, aber genauso portabel, wartbar und robust sein, wie heute f¨ur Einprozessorsysteme und Arbeitsplatzrechner. Langfristiges Ziel ist es, den Anwendungen die verf¨ugbare Rechen- und Kommunikationsleistung m¨oglichst ungebremst zur Verf¨ugung zu stellen bzw. aus sehr begrenzten Systemen ein Maximum an M¨oglichkeiten herauszuholen. Im Bereich der eingebetteten Systeme wurde 2008 vor allem an der Minimie¨ rung des Speicherbedarfs durch clevere Optimierungen bei der Ubersetzung gearbeitet. Im Bereich der Parallelen Systeme arbeiten wir weiterhin daran, die Programmierbarkeit solcher Systeme zu verbessern. Dabei besch¨aftigten wir uns nicht nur mit einzelnen, homogenen Rechnerb¨undeln sondern auch mit aus heterogenen Einheiten zusammengesetzten Grids. Programmiersysteme f¨ur Mehrkernrechner und die damit zusammenh¨angenden Parallelisierung- und Optimierungsthemen nahmen 2008 einen immer gr¨oßeren Raum ein. Unter der Regie der Honorar-Professoren Dr. Bernd Hindel und Dr. Detlef Kips, die als Gesch¨aftsf¨uhrer zweier mittelst¨andischer Software-Beratungsunternehmen u¨ ber langj¨ahrige Praxiserfahrung in industriellen Software-Entwicklungsprojekten verf¨ugen, besch¨aftigt sich die Arbeitsgruppe Praktische Softwaretechnik mit wissenschaftlich fundierten Methoden zur standardisierten ingenieurm¨aßigen Erstellung komplexer Softwaresysteme auf Grundlage wohldefinierter Prozesse. Im Vordergrund stehen dabei insbesondere die systematische Beschreibung, Modellierung und Bewertung von Software-Entwicklungsprozessen sowie deren werkzeuggest¨utzte Anwendung in realistischen Entwicklungsprojekten. Die Forschungsaktivit¨aten der Arbeitsgruppe konzentrieren sich darauf, geeignete Metamodelle, Notationen und Bewertungsmethoden f¨ur realistische Entwicklungsprozesse zu untersuchen und deren Praktikabilit¨at im konkreten Projekteinsatz auf den Pr¨ufstand zu stellen. 39

5.2 5.2.1

Forschungsprojekte Reparallelisierung und Migration von OpenMP-Applikationen

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Klemm Ronald Veldema, Ph.D. Laufzeit: 1.11.2003–31.12.2008 Kontakt: Prof. Dr. Michael Philippsen Tel.: +49 9131 85-27625 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Grid-Computing bietet eine v¨ollig neue Rechnerinfrastruktur. Benutzer erhalten Zugang zu einer Vielzahl von weltweiten Rechenressourcen, die jederzeit u¨ ber das Internet verf¨ugbar sind. In Zukunft sollen Computational-Grids Anwendern direkten Zugang zu H¨ochstleistungsrechnern gew¨ahren. Heutzutage verwenden Benutzer typischerweise einzelne Rechnerb¨undel eines Computational-Grids und m¨ussen sich mit dem Ablaufplaner befassen, der f¨ur die Vergabe von Rechenressourcen verantwortlich ist. Ein Ablaufplaner ben¨otigt die Angabe einer Sch¨atzung der gew¨unschten Ressourcen, um Teile der Rechenanlage exklusiv f¨ur eine Applikation zu reservieren. Durch eine gezielt u¨ berh¨ohte Sch¨atzung der ben¨otigten Rechenressourcen versuchen Benutzer, einen vorzeitigen Abbruch der Applikation durch den Ablaufplaner zu vermeiden. Dies verursacht negative Nebeneffekte auf Seiten des Ablaufplaners und verz¨ogert den Start der Applikation des Benutzers. Dieses Forschungsprojekt wurde mit einer Dissertation erfolgreich abgeschlossen, die eine L¨osung pr¨asentiert, welche u¨ berh¨ohte Sch¨atzungen f¨ur OpenMP-Applikationen u¨ berfl¨ussig macht. Sollten mehr Ressourcen zur Verf¨ugung stehen oder der Applikation entzogen werden, so wird eine Reparallelisierung einer OpenMP-Applikation automatisch durchgef¨uhrt. Weiterhin kann eine Applikation zwischen Rechnerb¨undeln eines Grids migriert werden, sobald die momentan genutzte Ressource kurz vor der erzwungenen Freigabe steht. F¨ur den Programmierer besteht keine Notwendigkeit, den Quellcode der Applikation zu a¨ ndern, um die Funktionen zur Reparallelisierung und Migration zu aktivieren; dies ¨ u¨ bernimmt der Ubersetzer. Die Migration wird mittels eines plattformunabh¨angigen, koordinierten Sicherungsverfahrens durchgef¨uhrt. Eine prototypische Implementierung

eines Migrationsframeworks ermittelt selbst¨andig freie Ressourcen und migriert die Applikation zu diesen Ressourcen. Unsere Messungen zeigen, dass die Laufzeiteinbußen bei geringen 4 % liegen. Diese Einbußen sind angesichts der gewonnenen Flexibilit¨at als akzeptabel anzusehen. 5.2.2

Graphbasierte Prozedurale Abstraktion

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Dipl.-Inf. Marc W¨orlein Dipl.-Inf. Alexander Dreweke, B. Sc. mult. Dipl.-Inf. Tobias Werth Beginn: 1.4.2006 Kontakt: Prof. Dr. Michael Philippsen Tel.: +49 9131 85-27625 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Als besonders dringend erscheint uns gegenw¨artig die Verbesserung der Programmierwerkzeuge f¨ur eingebettete Systeme. Solche Systeme werden heutzutage zu oft noch sehr maschinennah programmiert. Das inzwischen bei der Programmierung von Arbeitsplatzrechnern u¨ bliche Abstraktions- und Komfortniveau (Objektorientierung, automatische Speicherbereinigung, Ausnahmebehandlung, Parallelit¨at, Aspektorientierung, Komponenten, …) scheint im Bereich der eingebetteten Systeme noch in weiter Ferne, wodurch Portabilit¨at, Robustheit und Wartbarkeit der erstellten Software erheblich beeintr¨achtigt wird. Dies ist ein erhebliches volkswirtschaftliches Problem, das gerade auch deshalb bedeutsam ist, weil Europa auf diesem Feld nicht von Amerika dominiert wird. Fernziel muss es daher sein, das Abstraktionsniveau bei der Programmierung eingebetteter Systeme schrittweise zu erh¨ohen, indem Optimierungstechniken entwickelt werden, die trotz des erh¨ohten Abstraktionsniveaus ”kleinen” Code garantieren. Neben der offensichtlichen Frage, wie die bekannten Optimierungstechniken auf die Code-Gr¨oße wirken, dr¨angen sich neue Einzelfragen auf. W¨ahrend der RAM-Bedarf einer Applikation auf Desktop-Rechnern kaum eine Rolle spielt, ist dieser f¨ur eingebettete Systeme oft essentiell. Objektorientierter – vor allem bibliotheksbasierter Code bietet ein erhebliches, bislang ungenutztes Potential f¨ur prozedurale Abstraktion zur Code-Verkleinerung. Neben der Code-Gr¨oße kommt auch dem Aspekt der Energie-Effizienz eine wachsende Bedeutung als Zielgr¨oße der Code-Optimierung zu. 41

¨ Hier muss der Ubersetzer, ggf. im Zusammenspiel mit dem Betriebssystem, optimieren bzw. auf die Hardware-Parameter einwirken. Die Behandlung der nicht-uniformen Speicherzugriffshierarchie, die in verteilten Systemen neben Registern, Cache und Hauptspeicher um eine weitere Leistungsebene vertieft ist, stellt auch bei eingebetteten Systemen eine Herausforderung dar, da z.B. Flash-Speicher zu ber¨ucksichtigen sind. K¨onnen eingebettete Systeme (ebenso verteilte Systeme) – der Tradition von DesktopProzessoren folgend – auch weiterhin mit der Illusion eines transparenten Zugriffs programmiert werden? Kann man durch statische Analyse Informationen u¨ ber bestehende Lokalit¨atsbeziehungen zwischen Daten extrahieren? Welche Optimierungen sind dann m¨oglich? Profitieren statische Analyse und Laufzeitmechanismen von einander? Wie k¨onnen durch Programmanalyse Pre-Fetch- und Post-Store-Kommandos im generierten Code erzeugt werden, durch die Cache-Effekte u¨ berdeckt, Wartezeiten vermieden oder Energie gespart werden? Eine g¨angige Methode zur Code-Gr¨oßenverkleinerung ist die Prozedurale Abstraktion (PA): gleiche Code-Abschnitte im Programm werden gesucht und daraus eine einzige neue Prozedur erzeugt. Die Code-Abschnitte werden durch Aufrufe der neu erzeugten Prozedur ersetzt, wodurch die Redundanz innerhalb eines Programms und somit sei¨ ne Gr¨oße reduziert wird. Redundanz entsteht durch die Art und Weise, wie Ubersetzer Code generieren (z.B. durch Schablonen). Die bisherigen PA-Ans¨atze betrachten das Programm als Folge von Instruktionen und suchen nach exakt gleichen Teilfolgen. Sind allerdings Instruktionen innerhalb einer Teilfolge vertauscht, wird sie nicht als weitere Instanz der gesuchten Folge erkannt. Somit fallen potentielle Code-Fragmente f¨ur die PA aus der Analyse heraus und das Ergebnis wird suboptimal. Der am Lehrstuhl untersuchte Ansatz l¨ost dieses Problem indem die Instruktionen eines Grundblocks statt in einer Folge in einen Datenflussgraphen (DFG) umgesetzt werden. Ein Graph-MiningWerkzeug sucht in den DFGs nach gemeinsamen Fragmenten in ARM Assembler-Code, der auf eingebetteten Systemen weit verbreitet ist. In Kooperation mit dem Projekt ParSeMiS, das sich mit der Optimierung von Graph-Minern befasst, werden auch die f¨ur PA spezifischen Probleme beim Graph-Minen angegangen. Im Berichtszeitraum wurden die Analysen zur korrekten Rekonstruktion des Datenflussgraphen verfeinert. Eine m¨oglichst genaue Rekonstruktion erh¨oht das Einsparungspotential im Vergleich zu den herk¨ommlichen sequentiellen Verfahren. Des Weiteren wurden verschiedene Auslagerungsmethoden optimiert. Diese dienen dazu, die von ParSeMiS als h¨aufig eingestuften Code-Fragmente herauszuziehen und damit das Programm zu verkleinern. Die optimierten Auslagerungsmethoden zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie m¨oglichst kosteneffizient semantisch gleiche Fragmente vereinheitlichen. Um die Suche nach h¨aufigen Code-Fragmenten zu beschleunigen, wurde 2008 mit der Entwicklung von Heuristiken begonnen.

5.2.3

¨ ¨ ¨ Mehrkern-Architekturen Ubersetzerunterst utzte Parallelisierung fur

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Dipl.-Inf. Tobias Werth Dipl.-Inf. Dominic Schell Beginn: 1.3.2007 Kontakt: Dipl.-Inf. Tobias Werth Tel.: +49 9131 85-28865 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Die Entwicklung von schnelleren und immer effizienteren Rechnerarchitekturen ist in den letzten Jahren an verschiedene Grenzen gestoßen. Althergebrachte Techniken trugen nicht mehr oder nur noch wenig zur Beschleunigung der Hardware bei. Grundprobleme sind dabei das auseinander-driftende Verh¨altnis der Latenzen von Speicher und CPU und die Abw¨arme bei steigenden Taktfrequenzen. Als L¨osung dr¨angen sich homogene und heterogene Mehrkern-Architekturen auf, die dem Programmierer enorme Leistung zur Verf¨ugung stellen. Durch verringerte Taktfrequenzen tritt ein Großteil der genannten Problematik nicht auf, die hohe Leistung wird durch Vervielf¨altigung der Ressourcen erreicht. Somit sind zum Beispiel bei niedrigerem Energieverbrauch mehr Rechenoperationen pro Zeiteinheit m¨oglich. Unter Umst¨anden wird mittels Spezialisierung einzelner Komponenten die Rechenleistung weiter erh¨oht. Durch eine mehrschichtige Speicherhierarchie mit vielen Zwischenspeichern soll zum Beispiel das Problem der Latenz verkleinert werden. Aus Mehrkern-Architekturen die volle Leistung abzurufen stellt sich aber als große Schwierigkeit f¨ur den Programmierer heraus. Die hohe Rechenkapazit¨at kann er nur dann erreichen, wenn er Expertenwissen sowohl in der Dom¨ane der Anwendung, als auch f¨ur die konkrete Architektur besitzt. Gegenstand der Forschung sind daher unter anderem die folgenden Fragestellungen: ¨ Welche Unterst¨utzung kann der Ubersetzer dem Programmierer beim Entwickeln von Anwendungen f¨ur verschiedenen Mehrkern-Architekturen bieten? Wie viel Kontextwis¨ sen ist notwendig, damit der Ubersetzer sinnvolle Entscheidungen bei der Parallelisierung auf die einzelnen Kerne trifft? Welchen Anteil der zur Verf¨ugung stehenden Rechenkapazit¨at kann der Programmierer mit vertretbaren Aufwand erreichen, ohne Detailwissen u¨ ber die Eigenheiten der einzelnen Architekturen besitzen zu m¨ussen? Wie m¨ussen geeignete Werkzeuge zum Auffinden von Fehlern und Flaschenh¨alsen in der Anwendung auf Mehrkern-Architekturen aussehen? 43

Ziel dieses Projektes ist es, diese Fragen anhand einer eingeschr¨ankten Anwendungsdom¨ane zu beantworten und m¨ogliche L¨osungswege aufzuzeigen. Als Dom¨ane wird das Lattice-Boltzmann-Verfahren herangezogen, das vor allem in der Str¨omungssimulation angewandt wird. Durch seine Gitterstruktur und eine u¨ berschaubare Anzahl an Datenabh¨angigkeiten zwischen den einzelnen Zellen l¨asst sich das Verfahren relativ einfach parallelisieren, so dass sich die Forschung auf die oben genannten Fragestellungen konzentrieren kann. Im Jahr 2008 wurde in mehrere Richtungen geforscht: • Es wurden bestehende Programmiermodelle f¨ur die CellBE-Architektur verglichen, auf Vor- und Nachteile untersucht und vermessen, um sich ein Bild u¨ ber den Stand der verwandten Arbeiten zu machen und das Projekt gegen¨uber anderen Forschungsarbeiten abgrenzen zu k¨onnen. • Außerdem wurde f¨ur ein bestehendes Programmiermodell (Cilk), das f¨ur homogene Mehrkernarchitekturen mit gemeinsamen Speicher gedacht ist, ein Entwurf zur Umsetzung auf der CellBE-Architektur erarbeitet, die heterogen ist und verteilten Speicher besitzt. Dieser Entwurf erweitert die bestehende Sprache um wenige Schl¨usselworte, um die volle Leistung der Architektur parallel nutzen zu k¨onnen. Dabei werden in einer Quell-zu-Quellcode-Transformation entsprechend gekennzeichnete Regionen auf mehrere Threads f¨ur die verschiedenen heterogenen Kerne aufgeteilt. Erste prototypische Auswertungen zeigen zufriedenstellende Resultate. • Auf den speziellen Kernen der CellBE-Architektur steht nur wenig Speicher (256kB) zur Verf¨ugung. Dieser Platz muss auf Code und Daten aufgeteilt werden. Die gegenw¨artig verfolgte Idee beruht darauf, dass nicht der gesamte Programmcode einer Anwendung komplett im Arbeitsspeicher liegen muss, um das Programm auszuf¨uhren. Grundlage ist eine am Lehrstuhl erstellte Dissertation (Abschluss der Arbeit im Laufe des Jahres 2009), die analoge Fragestellungen f¨ur ARM-Prozessoren mit Scratchpad-Speicher beschreibt. Die am Lehrstuhl entwickelte automatische Speicherverwaltung f¨ur Programmcode l¨adt den Code in Fragmenten (von Basisbl¨ocken bis hin zu Funktionen) in einen Code-Cache. Wenn es zu einem Speicherengpass kommt, wird nicht mehr ben¨otigter Code automatisch erkannt und durch einen speziellen Speicherbereiniger aus dem Speicher entfernt. In Benchmarks zeigt sich, dass der Programmlader gegen¨uber der nativen Ausf¨uhrung eine deutliche Einsparung (bis zu 70 %) an Instruktionen bei relativ geringen Laufzeit-Aufwand (plus 5 %) aufweist.

5.2.4

Tapir

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Ronald Veldema, Ph.D. Dipl.-Inf. Michael Klemm Laufzeit: 1.1.2006–31.12.2010 Kontakt: Ronald Veldema, Ph.D. Tel.: +49 9131 85-27622 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Tapir ist eine neue (Programmier-)Sprache zur einfacheren Systemprogrammierung. Unter Systemprogrammierung versteht man die Programmierung von Netzwerkprotokoll-Software, Betriebssystemen, Middleware, DSM-Systemen usw. Solche Programme sind f¨ur das Funktionieren eines Systems essentiell, da sie Systemdienstleistungen bereitstellen, die von Applikationen benutzt werden k¨onnen. Der Betriebssystemkern stellt einer Applikation z.B. eine Ausf¨uhrungsumgebung bereit und abstrahiert hierbei von der konkreten Hardware, so dass die Applikation eine rechnerunabh¨angige Schnittstelle nutzen kann. Ein DSM-System simuliert in einem Rechnerb¨undel mit verteiltem Speicher einen gemeinsamen Adressraum, damit eine Applikation den gesamten Speicher des Rechnerb¨undels ohne explizite Kommunikation nutzen kann. Im Vergleich mit Anwendungssoftware stellt diese Art von Software v¨ollig andere Anforderungen an eine Programmiersprache. Auch unterscheidet sich der angewendete Programmierstil h¨aufig deutlich von Applikationssoftware. Der erzeugte Code muss besonders leistungsf¨ahig sein, da die Leistungsf¨ahigkeit des Systems stark von der Systemsoftware abh¨angt. Ebenso wirken sich Fehler auf dieser Ebene besonders auf die Zuverl¨assigkeit der darauf aufbauenden Applikationen aus. Systemsoftware sollte daher (beweisbar) fehlerfrei sein. Diese Anforderungen haben direkte Auswirkungen auf die verwendbaren Programmiersprachen: • Hochsprachen wie C++, C# und Java verstecken Implementierungsdetails vor dem Programmierer. Der Programmierer ben¨otigt z.B. kein Wissen dar¨uber, wie ein Methodenaufruf konkret durchgef¨uhrt wird. Dieses Wissen ist jedoch bei der Entwicklung von Systemsoftware erforderlich.

• Hochsprachen stellen weiterhin Funktionen bereit, die f¨ur Systemsoftware in der Regel nicht ben¨otigt werden oder sogar unerw¨unscht sind. Beispielsweise wird innerhalb eines Betriebssystems explizit keine automatische Speicherbereinigung oder Ausnahmebehandlung verwendet. • Systemprogramme erfordern kein so hohes Abstraktionsniveau, wie es meist von Hochsprachen gefordert wird. Ebenso verzichtet man bei der Erstellung von Systemsoftware zumeist auf die Benutzung externer Bibliotheken. Obwohl Tapir an existierende Hochsprachen wie C++ und Java angelehnt ist, wurden alle unn¨otigen Eigenschaften und Funktionen entfernt. Beispielsweise fehlen Tapir Speicherbereinigung, Ausnahmebehandlung und Typwandlungen; Klassen und Objekte k¨onnen zwar definiert werden, jedoch ist keine Vererbungsbeziehung zwischen Klassen erlaubt. Das mit Tapir spezifizierte Systemprogramm kann mit Model CheckingTechniken bereits w¨ahrend der Entwicklung auf Fehler u¨ berpr¨uft werden. Ein prototy¨ pischer Ubersetzer und ein Verifikationswerkzeug sind implementiert. Parallel zur Entwicklung der Sprache und der zugeh¨origen Werkzeuge wird Tapir bereits verwendet, um eine Spezifikation f¨ur das DSM-Protokoll von Jackal zu erarbeiten und weitere Arten von DSM-Protokollen zu evaluieren. Eine RDMA-basiertes DSM-Protokoll wurde entwickelt um es in den Tapir-Sprachentwurf einfließen zu lassen. Die semantische Analyse von Tapir-Programmen ist sehr speicherintensiv, da sie auf Modelchecking beruht. Deshalb war es erforderlich, eine eigene Virtuelle Maschine f¨ur Java zu konstruieren, die speziell f¨ur sehr große Objektmengen ausgelegt ist. Diese neue, LVM genannte virtuelle Maschine zeigt wesentlich bessere Laufzeiteigenschaften als u¨ bliche JavaImplementierungen, sobald der verf¨ugbare Hauptspeicher nicht mehr ausreicht und das Auslagern auf den Hintergrundspeicher beginnt. Im Jahr 2008 lag der Schwerpunkt unserer Arbeiten auf der Weiteentwicklung dieser VM, die nun u¨ ber mehrere Maschinen verteilt effizient arbeitet. Dadurch k¨onnen TapirProgramme schneller verifiziert werden und in Java geschriebene wissenschaftliche Anwendungen laufen schneller ab. 5.2.5

JavaParty

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Dipl.-Inf. Marc W¨orlein Beginn: 1.4.2007 Kontakt: Prof. Dr. Michael Philippsen 46

Tel.: +49 9131 85-27625 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] [JavaParty]http://svn.ipd.uni-karlsruhe.de/trac/javaparty/wiki/JavaParty erlaubt eine einfache Portierung von parallelen Java-Programmen mit mehreren Threads auf eine verteilte Umgebung wie Cluster. Das Standard-Java unterst¨utzt parallele Programme durch Threads und Synchronisationsmechanismen. W¨ahrend MehrprozessJava-Programme auf einen einzelnen Speicheraddressbereich beschr¨ankt sind, dehnt JavaParty die M¨oglichkeiten Von Java auf verteilte Systeme aus. Die normale Art parallele Anwendungen auf ein verteilte Umgebung zu portieren ist die Verwendung von Kommunikationsbibliotheken. Java’s entfernter Methodenaufruf (RMI) macht die Verwendung expliziter Kommunikationsprotokolle unn¨otig, aber f¨uhrt immer noch zu einer erh¨ohten Programmkomplexit¨at. Der Grund daf¨ur liegt bei den beschr¨ankten M¨oglichkeiten des RMIs und der ben¨otigten zus¨atzlichen Funktionalit¨at zur Erzeugung und Dem Zugriff auf entfernte Objekte. Der Ansatz von JavaParty ist anders. JavaParty Klassen k¨onnen direkt als entfernt (remote) deklariert werden. W¨ahrend normale Java Klassen auf eine einzelne Virtuelle Maschine von Java beschr¨ankt ist, sind entfernte Klassen und deren Instanzen in der gesamten verteilten JavaParty Umgebung sichtbar und erreichbar. Soweit man nur entfernte Klassen betrachtet kann die JavaParty Umgebung als ein Virtuelle Maschine angesehen werden, die sich u¨ ber verschiedene Computer verteilt. Der Zugriff und die Erzeugung von entfernten Klassen ist syntaktisch nicht von dem regul¨arer Java Klassen zu unterscheiden. ¨ Im Jahr 2008 wurde eine neue Version des JavaParty Ubersetzers implementiert, die mit den in Java 1.5/1.6 neu eingef¨uhrten Kontrollstrukturen zurecht kommt. Diese Im¨ plementierung beruht auf dem o¨ ffentlichen und frei verf¨ugbaren Eclipse Ubersetzer. Dadurch k¨onnen zuk¨unftige Weiterentwicklungen der Sprache Java und zugeh¨orige An¨ passungen des Ubersetzers direkt in JavaParty einfließen. 5.2.6

ParSeMiS – die Parallele und Sequenzielle Mining Suite

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Dipl.-Inf. Marc W¨orlein Dipl.-Inf. Alexander Dreweke, B. Sc. mult. Dipl.-Inf. Tobias Werth Beginn: 1.5.2006 47

Kontakt: Prof. Dr. Michael Philippsen Tel.: +49 9131 85-27625 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Die Arbeitsgruppe ParSeMiS (Parallele und Sequenzielle Graph Mining Suite) besch¨aftigt sich mit der Suche nach h¨aufigen interessanten Strukturen in Graphdatenbanken; ein Forschungsgebiet, das in den letzten Jahren sehr reges Interesse geweckt hat. Da viele Forschungs- und Wirtschaftsdaten in strukturierter Form erfasst werden k¨onnen, bietet sich die Speicherung komplexer Zusammenh¨ange in Form von allgemeinen oder speziellen Graphen an. Diese meist un¨uberschaubaren Datenmengen sind nur schwer mit Hand und Auge zu erfassen, so dass Algorithmen zur Entdeckung interessanter Korrelationen unabdingbar sind. Da deren Entdeckung in Graphen im Allgemeinen aufw¨andig ist (NP-vollst¨andig), ist die Suche nach parallelen und spezialisierten Algorithmen und Heuristiken notwendig, die den ben¨otigen Rechenzeit- und Speicheranforderungen auch bei immer gr¨oßer werdenden Datenmengen gewachsen sind. Das Ziel dieses Projektes ist es, ein effizientes und flexibles Werkzeug zur Suche in beliebigen Graphdaten bereitzustellen, um sowohl die Einbindung in neue Anwendungsgebiete als auch die Entwicklung neuer Suchverfahren zu beschleunigen und zu vereinfachen. Im Jahr 2008 wurden folgende Ziele erreicht: • Dokumentation und Ver¨offentlichung der Sourcen zur Verbreitung des Projekts, • Implementierung einer angepassten graphischen Anzeige f¨ur DAGs, • Begin der Erneuerung der graphischen Oberfl¨ache und • Erweiterung der Cluster-Verteilung zur Nutzung aller Kerne bei B¨undeln aus Mehrkernrechnern. 5.2.7

Modellgetriebene Komponentenkomposition

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Dipl.-Inf. Philipp Janda Laufzeit: 15.6.2007–14.6.2010 48

F¨orderer: AUDI AG Dieses 2007 im Rahmen der INI.FAU-Kooperation gestartete Projekt soll die Integration von Fahrzeugfunktionen auf Steuerger¨ate analysieren und modellgetriebene Unterst¨utzungsm¨oglichkeiten entwickeln. Die gewonnen Erkenntnisse sollen exemplarisch anhand der Integration aller Komponenten eines Fahrdynamikregelsystems auf einem AUTOSAR-Steuerger¨at u¨ berpr¨uft werden. In der Automobilindustrie ist es schon lange u¨ blich, Fahrzeugfunktionen auf hohem Abstraktionsniveau modellbasiert zu entwickeln. Um fr¨uhzeitig Fehleinsch¨atzungen bez¨uglich Laufzeit- und Ressourcenbedarf auszuschließen, ist es n¨otig, die entwickelte Software nicht nur zu simulieren sondern auch auf der Zielhardware testen zu k¨onnen. Aufgrund von Kosten- und Sicherheitsanforderungen ist die Integration auf ein Steuerger¨at aber sehr zeitaufw¨andig und erfordert Expertenwissen, das einem Funktionsentwickler normalerweise nicht zur Verf¨ugung steht. AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) scheint sich als Standard f¨ur die Basissoftware auf Steuerger¨aten zu etablieren, doch durch die Neuheit dieses Standards gibt es noch keine Verfahren und Werkzeuge, um die Integration von Funktionen auf einem Steuerger¨at zu unterst¨utzen. Im Jahr 2008 wurden die Modellierungsm¨oglichkeiten in AUTOSAR im Bezug auf ihre Eignung bei Audi und auf m¨ogliche Konflikte mit bestehenden Standards sowie mit bei Audi eingesetzten Technologien untersucht. Des Weiteren wurde die automatische Vervollst¨andigung einer Reglerkomponente zu einer AUTOSAR-Softwarearchitektur prototypisch realisiert. Als zuk¨unftige Unterst¨utzungsm¨oglichkeiten bei der Integration kommen die automatische Konfiguration der Buskommunikation und das Scheduling der auszuf¨uhrenden Prozesse in Frage. 5.2.8

Integrierte Werkzeug-Kette zur metamodellbasierten Modellierung und ¨ Ausfuhrung von Software-Entwicklungsprozessen

Projektleitung: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Kips Beteiligte: Dipl.-Inf. Ralf Ellner Prof. Dr. Michael Philippsen Dr.-Ing. Martin Jung Dipl.-Inf. Johannes Drexler Samir Al-Hilank Laufzeit: 1.10.2008–30.9.2011 F¨orderer: 49

BMWi Mitwirkende Institutionen: develop group, Erlangen Aufgrund st¨andig wachsender Anforderungen, die an die Entwicklung komplexer Softwaresysteme gestellt werden, gewinnt die Einhaltung wohldefinierter SoftwareEntwicklungsprozesse (SWEPe) immer mehr an Bedeutung. Im Kontext umfangreicher, global verteilter Entwicklungsprojekte ist dabei insbesondere ein Trend zu organisations¨ubergreifenden, langlaufenden und dabei dynamisch ver¨anderbaren Prozessen erkennbar. Zur effektiven Beschreibung und Unterst¨utzung solcher Entwicklungsprozesse sind speziell geeignete Prozessmodellierungssprachen und eine m¨achtige Werkzeugunterst¨utzung unverzichtbar. Im Rahmen einer vom BMWi gef¨orderten Kooperation mit dem Industriepartner develop group wurden im Berichtszeitraum verschiedene existierende Prozessmodellierungssprachen – darunter insbesondere das Software and Systems Process Engineering Metamodel (SPEM) der Object Management Group (OMG) – sowie diverse auf dem Markt verf¨ugbare SWEP-Management-Werkzeuge untersucht und bewertet. Einige wichtige Resultate dieser Untersuchung wurden auf der Konferenz Software Engineering 2008 in M¨unchen vorgestellt. Die Ergebnisse der Untersuchung machten deutlich, dass der Markt f¨ur SWEPBeschreibungs- und -Ausf¨uhrungsumgebungen derzeit noch keine L¨osungen bietet, die eine hinreichend pr¨azise und flexible Modellierung von Entwicklungsprozessen so¨ wie deren automatisierte Ausf¨uhrung, Steuerung und Uberwachung erm¨oglichen. Diese L¨ucke soll im Rahmen eines weiteren, umfangreicheren Kooperationsprojektes geschlossen werden, das vor kurzem angelaufen ist. Ziel dieses Projektes ist es, auf Grundlage eines durchg¨angigen, metamodellbasierten Ansatzes eine integrierte Werkzeugkette f¨ur die Modellierung und Ausf¨uhrung industrieller Software-Entwicklungsprozesse prototypisch zu realisieren. Im Hinblick auf die Praxistauglichkeit der L¨osung liegt das Hauptaugenmerk dabei auf der Anpassbarkeit der Prozessmodelle an verschiedene industriellen Entwicklungsszenarien, auf der Anwenderfreundlichkeit der Prozessbeschreibung und auf einer weitgehenden Automatisierung der Prozessausf¨uhrung, die zur Effizienzsteigerung in der Entwicklung entscheidend beitr¨agt. Diese charakteristischen Vorz¨uge sollen durch einen relativ hohen Formalisierungsgrad der Prozessmodellierung, durch eine weitgehende Generizit¨at der Modellierungs- und Prozessausf¨uhrungswerkzeuge sowie durch die Verwendung verbreiteter und akzeptierter Industriestandards (UML, SPEM) erreicht werden. Dieses Projekt wird ebenfalls in Zusammenarbeit mit der develop group als Industriepartner durchgef¨uhrt und mit Mitteln des BMWi gef¨ordert. Es wurde im Oktober 2008 mit drei wissenschaftlichen Mitarbeitern gestartet und ist auf insgesamt drei Jahre aus50

gelegt. 5.2.9

Funkortung von Antennenpositionen

Projektleitung: PD Dr.-Ing. Gabriella K´okai Beteiligte: Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Edelh¨außer Laufzeit: 1.5.2008–30.4.2011 F¨orderer: Fraunhofer Institut f¨ur Integrierte Schaltungen Im Jahr 2008 wurde eine Software entwickelt, die es erm¨oglicht, die Position der Empfangsantenne eines Ortungssystems zu ermitteln. Dabei wurden Roboter benutzt, um die Position und die Ausrichtung der Antenne festzustellen. Der Roboter ermittelt an verschiedenen Positionen die charakteristischen Merkmale des Ortungssystems und speichert diese Daten ab. Unser entwickeltes Verfahren nutzt diese Daten, um die Position und Ausrichtung der Antenne mithilfe von heuristischen Optimierungsalgorithmen zu bestimmen. Versuche in realen Experimenten best¨atigen die Anwendbarkeit unseres Verfahrens in der Praxis. 5.2.10

Evolution¨are Agenten

Projektleitung: Dipl.-Inf. Stephan Otto Beginn: 1.4.2008 Kontakt: Dipl.-Inf. Stephan Otto Tel.: +49 9131 85-27830 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Die starke Vernetzung von Computersystemen hat in den letzten Jahren zu enormen Ver¨anderungen in nahezu allen Bereichen gef¨uhrt. Beispiele hierf¨ur sind das Internet, Grid-Computing, Peer-to-Peer Netzwerke und darauf aufbauende Verfahren wie z.B. Agentensysteme. Diese Entwicklung ist partiell das Resultat verteilter Systeme und den damit entstandenen inh¨arent verteilten Problemen. Eine Konsequenz ist zunehmende Dezentralit¨at beim L¨osen verteilter Probleme, da zentrale Verfahren unzureichend daf¨ur geeignet sind:

• Zentrale Ressourcen sind begrenzt in ihrer F¨ahigkeit, (alle notwendigen) Daten zu speichern, zu u¨ bertragen und zu verarbeiten, • In unternehmens¨ubergreifenden Gesch¨aftsumgebungen existiert eine kommunikationseinschr¨ankende Informationsasymmetrie, • Dynamik: w¨ahrend zentral eine L¨osung erstellt wird, hat sich das Problem bereits ver¨andert. In diesem Umfeld dynamischer, nicht zugreifbarer und verteilten Strukturen stellt die Adaption und Optimierung von Systemen und Gesch¨aftsprozessen ein nach wie vor nur unzureichend gel¨ostes Problem dar. Im Allgemeinen sind Adaptions- bzw. Optimierungsverfahren so ausgelegt, dass Informationen f¨ur inh¨arent verteilte Probleme zentral gesammelt und bearbeitet werden, um ein m¨oglichst gutes Ergebnis zu erzielen. Es existieren eine Reihe von speziellen Ans¨atzen zur verteilten Optimierung, deren Funktionsweise auf ein Problem bzw. eine eingeschr¨ankte Anzahl von Problemen zugeschnitten ist. H¨aufig m¨ussen die Akteure kooperativ zusammenarbeiten, um eine L¨osung zu erreichen. Bei vorhandenen Optimierungsverfahren finden sich wesentliche, noch nicht ausreichend untersuchte Problembereiche der Verteilung (Daten, Ressourcen), Heterogenit¨at und dynamische Umwelt. Hierbei liegt der Fokus insbesondere auf der Toleranz gegen¨uber dynamischen, verteilten und heterogenen Basisressourcen. Dieses Projekt fokussiert ein gegen¨uber den genannten Problembereichen tolerantes Optimierungsverfahren. W¨ahrend sogenannte Top-down Verfahren ausgehend von einem zentralen Ansatz arbeiten, wird in diesem Projekt ein sogenannter Bottom-up Ansatz verfolgt. Ebenso wie in nat¨urlichen komplexen Systemen entstehen komplexe Softwaresysteme aus dem Zusammenspiel sogenannter Agenten, indem jeder Agent einfachen lokalen Verhaltensmustern folgt. Selbstorganisation und damit verbunden Adaption ist ein Hauptmerkmal komplexer Systeme. Im Rahmen dieses Projektes wird ein neues generisches Konzept verteilter Optimierung mittels evolution¨arer Agenten verfolgt. Es werden dezentrale Operatoren f¨ur die Selektion und Rekombination verwendet, die auf o¨ konomischen Marktmechanismen basieren. Damit kann der Flaschenhals zentraler Selektion aufgrund berechneter Fitnesswerte umgangen werden. Ein dezentrales bottomup Adaptions- und Optimierungsverfahren kann somit erforscht und in unterschiedlichen Szenarien erprobt werden. Die Methode basiert auf einem formalen Modell, welches den Adaptionsmechanismus f¨ur die Anzahl und Strategie der einzelnen Agenten erkl¨art und damit die entstehende emergente Optimierung offenlegt. Der Beitrag dieses Projektes ist im Wesentlichen wie folgt zusammenzufassen: • Entwicklung eines neuartigen verteilten Evolution¨aren Algorithmus, um den u¨ blicherweise zentral ablaufende Fitnessvergleich und die zentrale Selektion zu vermeiden 52

• Entwicklung von endogener Fitness und ihrer Auswirkung auf die Ergebnisqualit¨at • Es wurden neue lokale Selektionsverfahren entwickelt und miteinander verglichen. • Um die grundlegende F¨ahigkeit des Verfahrens zu zeigen, wurden empirische Studien zur Takeover-time durchgef¨uhrt. Hiermit wurde gezeigt dass der Selektionsdruck vergleichbar mit klassischen evolution¨aren Verfahren ist. • Ein neues Dezentralit¨atsmaß wurde entwickelt, um verteilte Ans¨atze hinsichtlich ihres Grades an Dezentralit¨at einordnen zu k¨onnen. • Das entwickelte Konzept wurde an unterschiedliche Anwendungsf¨alle adaptiert und damit seine Leistungsf¨ahigkeit unter Beweis gestellt. 5.2.11

Optimierung von FIR-Filterstrukturen

Projektleitung: PD Dr.-Ing. Gabriella K´okai Beteiligte: Dipl.-Inf. Szilvia Zvada Dipl.-Ing. Hans Holm Fr¨uhauf Laufzeit: 1.1.2006–30.9.2009 Kontakt: PD Dr.-Ing. Gabriella K´okai Tel.: +49 9131 85-28996 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Dank der rapiden Verbreitung elektronischer Systeme im Alltag r¨uckten VLSIChips (very large scale integration) schnell in den Fokus der Forschung. Das Hauptziel in diesem Bereich ist der Entwurf von kleinen und schnellen Chips bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch. Der Fortschritt der modernen Chipherstellungstechnologie und die zunehmende Packungsdichte haben es erm¨oglicht, dass heutige VLSI-Chips einige Millionen Transistoren enthalten. Aus der Sicht eines Chipdesigners bedeutet dieses eine betr¨achtliche Zahl potenzieller Chipstrukturen bei der Suche nach einem optimalen oder ann¨ahernd optimalen Chip. So wird die Automatisierung des Designprozesses in zunehmendem Maße wichtig. Im Fall digitaler Filter liegt die Aufmerksamkeit vor allem auf dem Design von FIRFiltern (finite impulse response). Diese Filter werden allgemein verwendet, um digitale 53

Datenstr¨ome gem¨aß einer linearen Funktion umzuwandeln, wie z.B. bei der Linearisierung durch Endverst¨arker oder bei der Kalibrierung von Audio- oder Videoempf¨angern. Wenn jedoch die Aufgabe eine nicht-lineare Transformation der Datenstr¨ome ist, muss ein manueller und daher zeitraubender Entwurf solcher Filter durchgef¨uhrt werden. Das in diesem Projekt entwickelte evolFIR System schließt diese L¨ucke, indem es ein neuartiges Entwurfswerkzeug zur Verf¨ugung stellt, das das Logikdesign der polynomischen FIR-Filter-Strukturen optimieren kann. Auf dieser Ebene des Chipdesigns sind Funktionselemente wie Addierer oder Multiplizierer und logischen Primitive wie Verschiebe- und Verz¨ogerungselemente miteinander kombiniert, um die ben¨otigte Funktionalit¨at der gew¨unschte Filter zu gew¨ahrleisten. Diese Funktionalit¨at ist durch ¨ die Ubertragungsfunktion des Filters definiert. W¨ahrend des evolution¨aren Prozesses m¨ussen wir einerseits sicher stellen, dass die Individuen stets exakt die vorgegebene ¨ Ubertragungsfunktion beschreiben. Anderseits m¨ussen die betrachteten Topologien bestimmte hardware-spezifische Anforderungen erf¨ullen, wie z.B. die begrenzte Anzahl an Eing¨angen der jeweiligen Blockelemente. Die zentrale Aufgabe f¨ur den Evolutionsprozess in evolFIR ist es, eine kleine (m¨oglichst wenige Blockelemente enthaltende), redundanzfreie Filterstruktur zu finden. Dies erreichen wir durch die Anwendung des AGGP-Verfahrens (Genetische Programmierung basierend auf attributierten Grammatiken) auf folgenden Weise: • Die Individuen des evolution¨aren Prozesses sind spezielle Ableitungsb¨aume, die die m¨ogliche Topologie der Funktionselemente und der logischen Primitive darstellen. Da evolFIR die Anwendung von Multiplizierern in Filterkompositionen ¨ unterst¨utzt, k¨onnen auch polynomielle Ubertragungsfunktionen optimiert werden. • Mithilfe der Attribute und des speziellen Zufallsbaumgenerators von AGGP ist sichergestellt, dass ausschließlich solche Ableitungsb¨aume w¨ahrend der Optimie¨ rung erzeugt werden, die genau die Ziel-Ubertragungsfunktion repr¨asentieren. • Dieser spezielle Zufallsbaumgenerator ber¨ucksichtigt außerdem auch variierende Einschr¨ankungen, die f¨ur den sp¨ateren Hardware-Synthese-Prozess relevant sind. • Durch die Verwendung einer speziellen Darstellungsform (abstrakt-verkettete Ableitungsb¨aume), werden redundante Teile der erzeugten Filterstrukturen nicht nur reduziert, sondern komplett eliminiert. Die obigen Einschr¨ankungen und unsere besondere Darstellungsform zusammen f¨uhren dazu, dass der L¨osungsraum des evolFIRs inhomogen und die Fitnessfunktion diskontinuierlich ist. Aus diesem Grund erfordert die Parametrisierung des evolution¨aren Kerns des evolFIRs besondere Aufmerksamkeit, um eine verfr¨uhte Konvergenz des evolution¨aren Prozesses vorzubeugen. Im Jahr 2008, haben wir eingehend die Auswirkungen 54

der hardware-spezifischen Einschr¨ankungen und der Parameter auf den L¨osungsraum bzw. deren Wechselwirkung mit den evolution¨aren Parametern untersucht. 5.2.12

Zeitplanungsalgorithmen

Projektleitung: PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke Beteiligte: Dipl.-Inf. Johannes Ostler Laufzeit: 1.1.2004–31.12.2010 Kontakt: PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke Tel.: +49 9131 85-27624 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Zeitpl¨ane m¨ussen in vielen unterschiedlichen Bereichen erstellt werden, z.B. in der Schulstundenplanung oder der Personaleinsatzplanung. Da es sehr m¨uhsam ist, komplexe Zeitpl¨ane wie Schulstundenpl¨ane per Hand zu erstellen, werden die meisten Zeitpl¨ane computerunterst¨utzt generiert. Dazu wurde am Lehrstuhl in den vergangenen Jahren eine Software entwickelt, die es erm¨oglicht, die Planung unter zu Hilfenahme verschiedener Optimierungalgorithmen durchzuf¨uhren. Diese Version der Zeitplanungssoftware wurde aus einer auf genetischen Algorithmen basierenden Version weiterentwickelt, wobei sich zeigte, dass einige Erweiterungen wegen der notwendigen Kompatibilit¨at zur Grundversion nicht optimal implementieren ließen. Erlangen Advanced Time Tabling Software EATTS ist die innovative Entwicklungsund Produktionsumgebung zur Erstellung optimierter Zeitplanungen. Ressourcen Zeitplanungsprobleme treten in der Praxis in verschiedenen Formen auf: Schichtpl¨ane, Fertigungspl¨ane, Stundenpl¨ane u.v.a. Allen gemeinsam ist, dass bestimmte Ereignisse unter Ber¨ucksichtigung von Randbedingungen m¨oglichst optimal geplant werden m¨ussen. Das Ergebnis der Planung ist dann ein Zeitplan. Im Beispiel der Schulplanerstellung w¨aren die Ereignisse Schulstunden, denen Ressourcen wie Lehrer, Klassen und R¨aume zugeordnet werden m¨ussen. Die Ressourcen werden in Typen unterteilt. F¨ur jeden dieser Typen k¨onnen beliebig viele Attribute vom Benutzer definiert werden. Eine Zeitplanerstellung beginnt typischerweise mit der Erfassung der einzuplanenden Ressourcen. Diese kann durch Import eines Datenbestandes oder manuelle Erfassung geschehen. 55

Ergebnisse Als Ergebnisse der Planungsalgorithmen werden Zeitpl¨ane erstellt. Diese k¨onnen in verschiedenen Formaten gespeichert und angezeigt werden. So ist es z. B. m¨oglich, verschiedene Sichten auf einen Plan zu erzeugen. Typisch ist die Anbindung u¨ ber einen Browser, d.h. den einzelnen Benutzern werden entsprechend ihren Privilegien die Sichten und Funktionen zur Verf¨ugung gestellt. Randbedingungen Die Beschreibung von Randbedingungen ist meist viel komplexer als die von Ressourcen und Ereignissen. Zum Einen m¨ussen die Randbedingungen exakt formuliert werden, zum Anderen darf ¨ die Ubersichtlichkeit nicht verloren gehen, um z. B. Widerspr¨uche oder L¨ucken entdecken zu k¨onnen, die ja leider nicht automatisch gefunden werden k¨onnen. Randbedingungen kommen in vielen Varianten vor, weshalb eine flexible Spezifikation notwendig ist. In der Spezifikation kann auf Ressourcen und/oder deren Attribute, die ja vom Benutzer definiert werden, zugegriffen werden. Abh¨angig vom Typ dieser Variablen, unter anderem Integer, Gleitkomma und Zeichenketten, stehen Verkn¨upfungs- und Vergleichsoperatoren zur Verf¨ugung, um die Bedingungen zu formulieren. Zus¨atzlich werden die Parameter der Kostenfunktion gew¨ahlt, um bei einer Verletzung der Randbedingung die entsprechenden Strafpunkte zu berechnen. Eine Besonderheit unserer Software ist, dass Randbedingungen nicht nur als ”unbedingt einzuhalten (hard)” oder ”nach M¨oglichkeit einzuhalten (soft)” klassifiziert werden k¨onnen, sondern auch als ”darf im Ausnahmefall verletzt werden (soft hard)”. Somit kann die Verletzung bestimmter Randbedingungen im Ausnahmefall erlaubt werden. So kann beispielsweise flexibel auf den Ausfall von Ressourcen reagiert werden, indem ein neuer Zeitplan erstellt wird, der m¨oglichst wenig Abweichungen vom bisherigen Plan hat, z. B. muss ja nicht der gesamte Stundenplan aller Sch¨uler neu erstellt werden, nur weil ein Lehrer krank geworden ist, oder ein Klassenraum wegen eines Rohrbruchs nicht benutzbar ist. In diesen F¨allen soll nur ein Vertretungsplan erstellt werden, Algorithmen Herzst¨uck der Planung sind die verwendeten Algorithmen. Abh¨angig von der Natur der Randbedingungen und den gew¨unschten Eigenschaften kann aus einer Vielzahl von bereits implementierten Algorithmen ausgew¨ahlt werden: Genetische Algorithmen – Evolution¨are Algorithmen – Branch-and-Bound – Tabu Search – Simulated Annealing – Graphenf¨arbung – Soft Computing – Schwarm Intelligenz F¨ur den Einstieg stehen vorkonfigurierte Algorithmen zur Verf¨ugung, der fortgeschrittene Benutzer kann aber die Parameter der Algorithmen an seine Bed¨urfnisse anpassen

oder neue Algorithmen implementieren. Alle diese Algorithmen k¨onnen in Experimenten beliebig zu Berechnungssequenzen kombiniert werden. Die Konfiguration eines Experiments kann abgespeichert werden und z. B. als Vorlage f¨ur ein neues Experiment dienen oder nochmals ausgef¨uhrt werden. ¨ Ausfuhrung von Experimenten Die Algorithmen werden entweder auf einem dedizierten Server ausgef¨uhrt und bei Bedarf u¨ ber das TCP/IP-Protokoll auf weitere Rechner verteilt. Die Abbildung zeigt den ¨ Dialog zur Auswahl und zum Start der Experimente und die Ubersicht der laufenden Experimente. Der Browser verbindet sich in regelm¨aßigen Abst¨anden automatisch mit dem Server und erh¨alt von diesem den aktuellen Stand der Berechnung. Dieser Statusinformationen beinhalten unter anderem die Kosten des bisher besten gefundenen Plans sowie eine Absch¨atzung f¨ur die verbleibende Berechnungszeit. Nach Beendigung der Berechnung werden die Ergebnisse gespeichert und die Dateien, die zur Visualisierung der Pl¨ane n¨otig sind erstellt. Der Planer kann nun entscheiden, ob die Qualit¨at der gefundenen L¨osung ausreichend ist, oder ob er auf ihrer Basis weitere Optimierungsl¨aufe starten will. Ergebnisse Als Ergebnisse der Planungsalgorithmen werden Zeitpl¨ane erstellt. Diese k¨onnen in verschiedenen Formaten gespeichert und angezeigt werden. So ist es z.B. m¨oglich verschiedene Sichten auf den Plan zu erzeugen. Typisch ist die Anbindung u¨ ber einen Browser, d.h. den einzelnen Benutzern werden entsprechend ihren Privilegien die Sichten und Funktionen zur Verf¨ugung gestellt. Zusammenfassung Die Software ist in Java implementiert und damit plattform-¨ubergreifend verf¨ugbar, insbesondere f¨ur die Betriebssysteme Windows und Linux. F¨ur den Betrieb von EATTS werden folgende frei verf¨ugbare kostenlose SoftwareProdukte ben¨otigt: • ein JavaScript-f¨ahiger Browser zur Anzeige der Bedienoberfl¨ache Optional kann ein dedizierter EATTS-Server konfiguriert werden. Dazu wird ben¨otigt: • Java Laufzeitumgebung (JRE Java Runtime Environment) (min v5.0) • u¨ ber TCP/IP Netzwerk erreichbare Rechner zur verteilten Berechnung (optional) 2008 57

Im Jahr 2008 wurde die Struktur der Algorithmen optimiert um die nebenl¨aufige Berechnung zu beschleunigen. Dies soll in Zukunft auf Rechner mit Multi-CoreProzessoren ausgedehnt werden. Da es sich die Installation der Software durch die potentiellen Nutzer als zu komplex herausgestellt hat, wurde eine abgespeckte Version implementiert, die keine Datenbank mehr ben¨otigt, sondern deren Datenhaltung und Austausch auf XML-Dokumenten basiert. Zus¨atzlich wird eine Variante angeboten, bei der die Nutzer ihre Experimente auf einem an der Universit¨at Erlangen installierten Server rechnen lassen k¨onnen. Die Oberfl¨ache der Software wurde komplett als web-basierte Anwendung reimplementiert. Auf der CeBIT 2009 wird die neue Version der Software, die jetzt EATTS Erlangen Advanced Time tabling System heisst, vorgestellt werden. 5.2.13

Graphen und Graphtransformationen

Projektleitung: Prof. em. Dr. Hans J¨urgen Schneider Laufzeit: 1.10.2004–30.9.2010 Kontakt: Prof. em. Dr. Hans J¨urgen Schneider Tel.: +49 9131 85-27620 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Graphen werden an vielen Stellen als intuitives Hilfsmittel zur Verdeutlichung komplizierter Sachverhalte verwendet. Außerhalb der Informatik trifft dies z.B. auf die Biologie oder Chemie zu, wo Molek¨ule graphisch modelliert werden. Innerhalb der Informatik werden Daten- bzw. Kontrollflussdiagramme, Entity-RelationshipDiagramme oder Petri-Netze zur Visualisierung sowohl von Software- als auch von Hardware-Architekturen h¨aufig verwendet. Graphgrammatiken und Graphtransformationen kombinieren Ideen aus den Bereichen Graphentheorie, Algebra, Logik und Kategorientheorie, um Ver¨anderungen an Graphen formal zu beschreiben. Die zugrundeliegende Theorie ist ein attraktives Hilfsmittel, a¨ ußerst unterschiedliche Strukturen in einer einheitlichen Weise zu beschreiben, z.B. die unterschiedlichen Modelle f¨ur asynchrone Prozesse: Petri-Netze basieren auf gew¨ohnlichen markierten Graphen, Statecharts verwenden hierarchische Graphen, die parallele logische Programmierung kann mit Hilfe sogenannter Dschungel graphentheoretisch interpretiert werden, und die Aktorsysteme lassen sich als Graphen darstellen, deren Markierungsalphabet eine Menge von Termgraphen ist. 58

Im Jahre 2008 haben wir sowohl ein theoretisches Konzept untersucht als auch einen Implementierungsaspekt betrachtet: • Eine Datenbanktransaktion wird durch eine Sequenz atomarer Transformationen beschrieben, die aber von außen als unteilbarer Schritt angesehen wird. Aus der Sicht der Graphtransformationssysteme lautet die Frage: K¨onnen wir, wenn eine Ableitungssequenz gegeben ist, eine Produktion konstruieren, die die Wirkung der gesamten Ableitungssequenz in einem Ableitungsschritt simuliert? Die Fragestellung wurde bereits in unserem Einf¨uhrungsaufsatz (1973) untersucht, aber beschr¨ankt auf injektive Graphmorphismen. H. Ehrig und H.-J. Kreowski haben das Ergebnis 1976 auf markierte Graphen u¨ bertragen, und H. Ehrig erlaubte 1977 nichtinjektive Einbettungen, aber seine Darstellung verwendet mengentheoretische Argumente und macht keinen Gebrauch von den kategoriellen Konstruktionen. Im Jahr 2006 haben Ehrig et al. eine rein kategorielle Darstellung vorgelegt, die aber nur den Spezialfall der adh¨asiven Kategorien betrachtet und sich ebenfalls auf Monomorphismen beschr¨ankt. Jetzt konnten wir zeigen, dass diese restriktiven Einschr¨ankungen unn¨otig sind. Unsere L¨osung ist ebenfalls rein kategoriell, macht aber keinerlei Einschr¨ankungen bei den Morphismen. Dar¨uber hinaus verlangen wir nur, dass die betrachtete Kategorie Pushouts und Pullbacks besitzt; das bedeutet, dass wir das Ergebnis auf jede praktisch interessante Kategorie anwenden k¨onnen, insbesondere auf die Kategorie der strukturiert markierten Graphen, die nicht adh¨asiv ist. Der Beweis ist im Entwurf zu unserem Lehrbuch enthalten: http://www2.informatik.uni-erlangen.de/Personen/schneide/gtbook/chapter5.pdf • Die kategorielle Behandlung der Graphtransformationen ist hochgradig generisch: Alle Beweise und Konstruktionen gelten f¨ur verschiedene Graphtypen. Nur die grundlegenden Operationen m¨ussen f¨ur jede Anwendung detailliert beschrieben werden, die darauf aufbauenden kategoriellen Eigenschaften sind dann automatisch definiert. Da moderne Programmiersprachen generische Konzepte unterst¨utzen, sieht es vielversprechend aus, den kategoriellen Ansatz zur Beschreibung von Graphtransformationssystemen in Sprachen wie Java oder Haskell zu implementieren. Java benutzt Klassen von Objekten, aber es unterst¨utzt die Mehrfachvererbung nicht wirklich, da Schnittstellen (Interfaces) keine Methodendefinitionen enthalten d¨urfen. Deshalb m¨ussen eigene Konstruktionsklassen (factory classes) eingef¨uhrt werden, die die generischen kategoriellen Konstruktionen implementieren und die von jeder implementierten Kategorie importiert werden m¨ussen. Dagegen unterst¨utzt Haskell die Mehrfachvererbung, betrachtet aber Klassen von Typen und verlangt, dass konkrete Typen explizit zu Instanzen aller Klassen gemacht werden m¨ussen, zu denen sie geh¨oren. Unsere Pilotimplementierungen werfen interessante Fragen bez¨uglich der unterschiedlichen Sicht von Generi59

zit¨at auf. Die Haskell-Version ist bereits verf¨ugbar: http://www2.informatik.unierlangen.de/Personen/schneide/gtbook/appendix-a.pdf Die Java-Version wird demn¨achst verf¨ugbar sein. Die wesentlichen Teile sind jedoch in dem Begleitmaterial zur Vorlesung u¨ ber Graphtransformationssysteme zu finden: http://www2.informatik.uni-erlangen.de/Lehre/WS200809/GraTra/index.xml 5.2.14

International Collegiate Programming Contest an der FAU

Projektleitung: Prof. Dr. Michael Philippsen Beteiligte: Dipl.-Inf. Tobias Werth Dipl.-Inf. Marc W¨orlein Dipl.-Inf. Alexander Dreweke, B. Sc. mult. Beginn: 1.11.2002 Kontakt: Dipl.-Inf. Tobias Werth Tel.: +49 9131 85-28865 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Die Association for Computing Machinery (ACM) richtet seit Jahrzehnten den International Collegiate Programming Contest (ICPC) aus. Dabei sollen Teams aus je drei Studenten in f¨unf Stunden neun bis zehn rogrammieraufgaben l¨osen. Als Erschwernis kommt hinzu, dass nur ein Computer pro Gruppe zur Verf¨ugung steht. Die Aufgaben erfordern solide Kenntnisse von Algorithmen aus allen Gebieten der Informatik und Mathematik, wie z.B. Graphen, Kombinatorik, Zeichenketten, Algebra und Geometrie. Der ICPC wird jedes Jahr in drei Stufen ausgetragen. Zuerst werden innerhalb der Universit¨aten in lokalen Ausscheidungen die maximal drei Teams bestimmt, die dann zu den regionalen Wettbewerben entsandt werden. Erlangen liegt seit dem Jahr 2009 im Einzugsbereich des Northwestern European Regional Contest ([NWERC]http://2009.nwerc.eu), an dem u.a. auch Teams aus der Großbritannien, den Benelux-Staaten und Skandinavien teilnehmen. Die Sieger aller regionalen Wettbewerbe der Welt (und einige Zweitplatzierte) erreichen die World Finals, die im Fr¨uhjahr des jeweils darauffolgenden Jahres (2009 in Stockholm) stattfinden. Im Jahr 2008 fanden zwei lokale Wettbewerbe an der FAU statt. Im Wintersemester wurde ein Mannschaftswettbewerb ausgetragen mit dem Ziel, neue Studierende f¨ur die Wettbewerbe zu begeistern mit einer Rekordzahl von 18 Teams. Jedes Team bestand 60

aus maximal drei Studenten. Außerdem nahmen noch Teams der TU M¨unchen sowie der Universit¨at Konstanz online am Wettbewerb teil. Im Sommersemester fand zum wiederholten Mal das Hauptseminar ”Hallo Welt! – Programmieren f¨ur Fortgeschrittene” statt, um Studierende verschiedener Fachrichtungen in Algorithmen und Wettbewerbs-Aufgaben zu schulen. Der Wettbewerb im Sommersemester diente der Auswahl der studentischen Vertreter der FAU f¨ur den SWERC 2008, der dieses Jahr von der FAU in N¨urnberg ausgerichtet wurde. Insgesamt nahmen am lokalen Ausscheidungskampf 25 Studierende der verschiedensten Fachrichtungen teil. Die besten neun bildeten Dreierteams (der Zehntplatzierte wurde als Ersatzmann ausgew¨ahlt) und errangen beim s¨udwesteurop¨aischen Wettbewerb gegen die internationale Konkurrenz die Pl¨atze 4, 10 und 26 von insgesamt 56 teilnehmenden Teams. Das beste Team holte sich somit eine Goldmedaille, das zweitbeste Team eine Silbermedaille. Auch 2008 zeigte das Trainingslager somit den gew¨unschten Erfolg. Der [Regionalausscheid]http://icpc.informatik.uni-erlangen.de/swerc2008/ war ein besonderer Erfolg, da er erstmals von der FAU ausgerichtet wurde. Dabei kamen knapp 60 Teams verschiedener Universit¨aten nach N¨urnberg, um die Programmierkrone f¨ur S¨udwesteuropa zu erk¨ampfen. Gewonnen hat ein Team der Ecole Normale Superieure aus Lyon. Auch im kommenden Jahr wird die FAU den Regionalausscheid ausrichten, diese Mal f¨ur Nordwesteuropa.

5.3

Publikationen

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Beyler, Jean Christophe ; Klemm, Michael ; Philippsen, Michael ; Clauss, Philippe: Automatic Prefetching with Binary Code Rewriting in Object-based DSMs (Best Paper) . In: Luque, Emilio ; Margalef, Tom`as ; Ben´ıtez, Domingo (Hrsg.) : EuroPar 2008 – Parallel Processing (Proceedings of the Euro-Par 2008 Conference Las Palmas de Gran Canaria, Spain 26.-29.08.2008). Bd. LNCS 5168. Heidelberg, Germany : Springer, 2008, S. 643-653. – ISBN 978-3-540-85450-0

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Brunner, Maximilian ; Jung, Martin ; Kips, Detlef ; Schmidt, Karsten: Fallstudie zur Modellierung von Software-Entwicklungsprozessen auf Basis von SPEM 2.0 . In: Herrmann, Korbinian ; Br¨ugge, Bernd (Hrsg.) : Software Engineering 2008: Fachtagung des GI-Fachbereichs Softwaretechnik (Software Engineering 2008 M¨unchen 18.-22.2.2008). Bd. 121. LNI : GI, 2008, S. 67-74. – ISBN 978-388579-215-4

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Dreweke, Alexander: Graph-Based Procedural Abstraction . Saarbr¨ucken : VDM, 2008. – 60 Seiten. ISBN 978-3-8364-6568-7

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Dreweke, Alexander: Lattice Boltzmann Method for DSM Systems . Saarbr¨ucken : VDM, 2008. – 56 Seiten. ISBN 978-3-8364-6567-0 61

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Drexler, Johannes: Untersuchung und Evaluation von Methoden, Notationen und Werkzeugen zur Modellierung von Software-Entwicklungsprozessen . Erlangen : Basys GmbH. 2008. – Abschlußbericht (Bericht des Personalaustausch-Projektes KP0563901BN7A im Rahmen des F¨orderprogramms ProInno II)

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Klemm, Michael ; Veldema, Ronald ; Bezold, Matthias ; Philippsen, Michael: A Proposal for OpenMP for Java . In: Mueller, Matthias S. ; Chapman, Barbara M. ; de Supinski, Bronis R. ; Malony, Allen D. ; Voss, Michael (Hrsg.) : OpenMP Shared Memory Parallel Programming (International Workshops IWOMP 2005 and IWOMP 2006) (International Workshop on OpenMP Reims, France 12.15.06.2006). Berlin, Germany : Springer, 2008, S. 409-421. – ISBN 3-540-685545

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Klemm, Michael ; Veldema, Ronald ; Philippsen, Michael: An Automatic Costbased Framework for Seamless Application Migration in Grid Environments . In: Gonzalez, Teofilo F. (Hrsg.) : Proceedings of the 20th IASTED International Conference on Parallel and Distributed Computing and Systems (20th IASTED International Conference on Parallel and Distributed Computing and Systems Orlando, FL, USA 16.-18.11.2008). Anaheim, CA, USA : ACTA Press, 2008, S. 219-224. – ISBN 978-0-88986-773-4

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Klemm, Michael ; Veldema, Ronald ; Philippsen, Michael: Cluster Research at the Programming Systems Group . In: High Performance Computing at RRZE (2008), S. 30-31

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Otto, Stephan ; K´okai, Gabriella: Decentralized Evolutionary Optimization Approach to the p-median Problem . In: Giacobini, Mario ; Brabazon, Anthony ; Cagnoni, Stefano ; Di Caro, Gianni ; Drechsler, Rolf ; Ek´art, Anik´o ; EsparciaAlc´azar, Anna ; Farooq, Muddassar ; Fink, Andreas ; McCormack, Jon ; O’Neill, Michael ; Romero, Juan ; Rothlauf, Franz ; Squillero, Giovanni ; Uyar, A. Sima ; Yang, Shengxiang (Hrsg.) : Applications of Evolutionary Computing – EvoWorkshops 2008: EvoCOMNET, EvoFIN, EvoHOT, EvoIASP EvoMUSART, EvoNUM, EvoSTOC, and EvoTransLog (Joint Conferences on Evolutionary Computing (EuroGP EvoCOP EvoBio and EvoWorkshops) Naples, Italy 26.28.03.2008). Berlin / Heidelberg : Springer Verlag, 2008, S. 659-668. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 4974) – ISBN 978-3-540-78760-0

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Pinte, Florin ; Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert: Automatic Generation of Optimized Integration Test Data by Genetic Algorithms . In: Maalej, Walid ; Br¨ugge, Bernd (Hrsg.) : Software Engineering 2008 – Workshopband (Software Engineering 2008, Workshop ”Testmethoden f¨ur Software – Von der Forschung in die Praxis” M¨unchen 2008). Bonn : Gesellschaft f¨ur Informatik (GI) e. V., 2008, S. 415422. (Lecture Notes in Informatics Bd. P – 122) – ISBN 978-3-88579-216-1 62

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Pinte, Florin ; Baier, Gerhard ; Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert: Automatische Generierung optimaler modellbasierter Regressionstests . In: Hegering, HeinzGerd ; Lehmann, Axel ; Ohlbach, Hans J¨urgen ; Scheideler, Christian (Hrsg.) : INFORMATIK 2008 – Beherrschbare Systeme dank Informatik (Band 1) (Workshop Modellbasiertes Testen M¨unchen 09.09.2008). Bd. 1. Bonn : Gesellschaft f¨ur Informatik, 2008, S. 193-198. (Lecture Notes in Informatics Bd. P-133) ISBN 978-3-88579-227-7

–

Pinte, Florin ; Oster, Norbert ; Saglietti, Francesca: Techniques and Tools for the Automatic Generation of Optimal Test Data at Code, Model and Interface Level . In: ACM (Hrsg.) : ICSE Companion ’08: Companion of the 30th International Conference on Software Engineering (ICSE 2008) (International Conference on Software Engineering (ICSE 2008) Leipzig). USA : ACM, 2008, S. 927-928. ISBN 978-1-60558-079-1

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Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert ; S¨ohnlein, Sven: Qualit¨at und Zuverl¨assigkeit im Software Engineering . In: Zeitschrift f¨ur wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF) 103 (2008), Nr. 6, S. 407-412

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Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert ; Pinte, Florin: White and Grey-Box Verification and Validation Approaches for Safety- and Security-Critical Software Systems . In: Information Security Technical Report, Elsevier 13 (2008), Nr. 1, S. 10-16

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Veldema, Ronald ; Bradford, Larson ; Philippsen, Michael: A DSM protocol aware of both thread migration and memory constraints (Best Paper) . In: Gonzalez, Teofilo F. (Hrsg.) : Proceedings of the 20th IASTED International Conference on Parallel and Distributed Computing and Systems (20th IASTED International Conference on Parallel and Distributed Computing and Systems Orlando, FL, USA 16.-18.11.2008). Anaheim, CA, USA : ACTA Press, 2008, S. 291-295. ISBN 978-0-88986-773-4

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Veldema, Ronald ; Philippsen, Michael: Evaluation of RDMA opportunities in an Object-Oriented DSM . In: Adve, Vikram (Hrsg.) : Languages and Compilers for Parallel Computing (The 20th International Workshop on Languages and Compilers for Parallel Computing (LCPC ’07) Illinois 11.-13.10.2007). Bd. LNCS 5234. Berlin : Springer, 2008, S. 217-231. – ISBN 978-3-540-85260-5

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Veldema, Ronald ; Philippsen, Michael: Supporting Huge Address Spaces in a Virtual Machine for Java on a Cluster . In: Adve, Vikram (Hrsg.) : Languages and Compilers for Parallel Computing (The 20th International Workshop on Languages and Compilers for Parallel Computing (LCPC ’07) Illinois 11.-13.10.2007). Bd. LNCS 5234. Berlin : Springer, 2008, S. 187-201. – ISBN 978-3-540-85260-5 63

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Werth, Tobias ; Dreweke, Alexander ; W¨orlein, Marc ; Fischer, Ingrid ; Philippsen, Michael: DAGMA: Mining Directed Acyclic Graphs (Outstanding Paper Award) . In: IADIS (Veranst.) : Proc. of the 2008 ECDM (IADIS European Conference on Data Mining 2008 Amsterdam, The Netherlands 24.-26.07.2008). Amsterdam, The Netherlands : IADIS PRESS, 2008, S. 11-17. – ISBN 978-972-8924-63-8

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Wilke, Peter ; Ostler, Johannes: Solving the School Time Tabling Problem Using Tabu Search, Simulated Annealing, Genetic and Branch & Bound Algorithms. In: Burke, Edmund K. ; Gendreau, Michel (Hrsg.) : PATAT ’08 Proceedings of the 7th International Conference on the Practice and Theory of Automated Timetabling (7th International Conference on the Practice and Theory of Automated Timetabling (PATAT ’08, Montreal, Canada 19.-22.08.2008). 2008, S. 1-4.

5.4

Studien- und Abschlussarbeiten

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Diplomarbeit: Entwurf und Implementierung einer abstrakten Maschine f¨ur die oberfl¨achenkompositionale inkrementelle Analyse nat¨urlicher Sprache. Bearbeiter: Johannes Handl (beendet am 14.01.2008); Betreuer: Prof. em. Dr. Hans J¨urgen Schneider; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Diplomarbeit: Powertype Based Metamodeling als Grundlage f¨ur die Modellierung von Software-Entwicklungsprozessen. Bearbeiter: Alexander Hantzsch (beendet am 15.01.2008); Betreuer: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Diplomarbeit: Pr¨azisierung und werkzeuggest¨utzte Umsetzung des Software Process Engineering Metamodel 2.0. Bearbeiter: Ralf Ellner (beendet am 16.01.2008); Betreuer: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Kips; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Diplomarbeit: Performance- und Laufzeitanalyse eines verteilten Output Management Systems unter Hochlast. Bearbeiter: Christian Hubert (beendet am 01.02.2008); Betreuer: PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke

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Studienarbeit: Analyse von Graph-Daten. Bearbeiter: Sebastian Lenz (beendet am 4.2.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Marc W¨orlein; Dipl.-Inf. Tobias Werth; Dipl.-Inf. Alexander Dreweke, B. Sc. mult.; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Diplomarbeit: Transformationen von Entwicklungsprozessen in prozessf¨ahige Entwicklungsumgebungen am Beispiel von Microsoft Visual Team System. Bearbeiter: Markus Walter (beendet am 07.03.2008); Betreuer: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel; Prof. Dr. Michael Philippsen 64

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Diplomarbeit: Analyse und Vergleich von Prozessen und Werkzeugen bei der Entwicklung von HMI-Software f¨ur Fahrzeuge und mobile Ger¨ate. Bearbeiter: Matthias Kurz (beendet am 31.3.2008); Betreuer: PD Dr.-Ing. Gabriella K´okai; PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke

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Studienarbeit: Entwurf und Implementierung eines RMI-basierten Controllers f¨ur Zeitplanungs-Server-Prozesse. Bearbeiter: Tarek Gasmi (beendet am 15.4.2008); Betreuer: PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke

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Studienarbeit: Entwurf und Realisierung einer Subversion-Schnittstelle f¨ur das Prozessmanagementportal project kit. Bearbeiter: Gabriel Dexheimer (beendet am 03.06.2008); Betreuer: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Studienarbeit: Implementierung eines LLVM-Backends f¨ur Jackal. Bearbeiter: Stefan Kempf (beendet am 26.06.2008); Betreuer: Ronald Veldema, Ph.D.; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Master Thesis: Application Migration in Peer-to-peer Compute Clusters. Bearbeiter: Xiaofan Liu (beendet am 5.8.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Klemm; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Studienarbeit: Implementierung des JaMP-Programmiermodells f¨ur eine JavaVM. Bearbeiter: Georg Dotzler (beendet am 02.10.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Klemm; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Diplomarbeit: Entwicklung/Anpassung einer Lattice-Boltzmann-Bibliothek f¨ur die CellBE-Architektur. Bearbeiter: Christian Kollee (beendet am 15.10.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Tobias Werth; Prof. Dr. Michael Philippsen

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Studienarbeit: Dynamische Code-Verwaltung f¨ur die IBM Cell Broadband Engine. Bearbeiter: Tobias Floßmann (beendet am 31.10.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Dominic Schell; Dipl.-Inf. Michael Klemm; Dipl.-Inf. Tobias Werth; Prof. Dr. Michael Philippsen

–

Studienarbeit: Entwurf und Implementierung eines Sicherheitskonzeptes f¨ur das Programmierframework FLOW3. Bearbeiter: Andreas F¨orthner (beendet am 3.12.2008); Betreuer: PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke

–

Diplomarbeit: Tracing in UML-Modellen – Nachweis der vollst¨andigen Umsetzung von Anforderungen anhand von Requirements-Tracing in semantischen UML-Modellen. Bearbeiter: Sebastian Lenz (beendet am 12.12.2008); Betreuer: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel; Prof. Dr. Michael Philippsen

–

Diplomarbeit: A Review Approach to Software Development Processes using ISO/IEC 15504. Bearbeiter: Philipp Bach (beendet am 16.12.2008); Betreuer: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel

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Diplomarbeit: Design und Implementierung eines regionalen Umfeldmodells zur Erfassung einer Verkehrssituation und exemplarischer Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten in Form einer Verkehrsprognose. Bearbeiter: Volker Schmitt (beendet am 23.12.2008); Betreuer: PD Dr.-Ing. habil. Peter Wilke; PD Dr.-Ing. Gabriella K´okai

¨ Didaktik der Informatik Professur fur Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen Tel.: +49 9131 85-27921 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected]

Die Fachgruppe f¨ur ”Didaktik der Informatik” wurde im April 2005 mit der Besetzung der Professur durch Prof. Dr. Torsten Brinda neu gegr¨undet und ist organisatorisch dem Lehrstuhl Informatik 2 zugeordnet. Bereits in den Jahren zuvor wurden mehrere zweij¨ahrige Nachqualifikationskurse im Rahmen des ”Sofortprogramms Informatik am Gymnasium – Nachqualifikation von Lehrkr¨aften (SIGNAL)” unter der Leitung von abgeordneten Informatiklehrern erfolgreich durchgef¨uhrt. Der letzte dieser Kurse endete im Studienjahr 2005/06. Arbeitsschwerpunkte der Gruppe • die informatikdidaktische Ausbildung von Informatik-Lehramtsstudierenden sowie • die informatikdidaktische Forschung. Lehre • Didaktik der Informatik I, • Didaktik der Informatik II, • Theoretische Informatik f¨ur das Lehramt, • E-Learning, Informationssysteme aus fachdidaktischer Sicht, • informatikdidaktische Schulpraktika und zugeh¨orige Begleitveranstaltungen.

6.1

Forschungsschwerpunkte

Das u¨ bergeordnete Ziel der Forschung der Fachgruppe ”Didaktik der Informatik” ist die Weiterentwicklung informatischer Bildung, insbesondere des Informatikunterrichts an Schulen. Aus informatischer Sicht sind hierzu einerseits Konzeptionen f¨ur softwarebasierte Lernhilfen f¨ur vielf¨altige Ausbildungsszenarios und andererseits f¨ur die Strukturierung von Lehr-Lern-Szenarios der Informatik von Belang. Beides erfordert Wissen 67

u¨ ber den informatischen Erkenntnisprozess bei Lernenden. Diesen drei Bereichen sind die Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe zugeordnet: I.) Informatischer Erkenntnisprozess • Entwicklung und theoretische Fundierung von Bildungsstandards f¨ur den Informatikunterricht (Aufgaben, Kompetenzmodelle, Testmethoden) • Analyse und Evaluation von Informatikunterricht II.) Lernhilfen der Informatik • Konzeption, Implementierung und Evaluation interaktiver, multimedialer LehrLern-Systeme • Konzeption, Implementierung und Evaluation lernf¨orderlicher Infrastrukturen III.) Lehr-Lern-Szenarios der Informatik • Entwicklung und Evaluation von Blended Learning Konzepten f¨ur den Informatikunterricht • Entwicklung und Evaluation von Konzepten f¨ur die Informatiklehrerausbildung

6.2

Kooperationsbeziehungen • FU Berlin, Didaktik der Informatik • TU M¨unchen, Didaktik der Informatik • Uni M¨unster, Didaktik der Informatik • Universit¨at Paderborn, Didaktik der Informatik • Universit¨at Potsdam, Didaktik der Informatik • Universit¨at Siegen, Didaktik der Informatik und E-Learning

6.3

Wissenschaftliche Tagungen

Vom 24.-25.09. richtete die Professur f¨ur Didaktik der Informatik in Kooperation mit der Gesellschaft f¨ur Informatik einen wissenschaftlichen Workshop zur Didaktik der Informatik aus, s. http://ddi.informatik.uni-erlangen.de/FachgruppeDDI2008/index.xml . Daran schloss sich vom 25.-26.09. ein internationales Dotorandenkolloquium zur Didaktik der Informatik an, s. http://ddi.informatik.uni-erlangen.de/IDDI/2008/ . 68

6.4

Forschungsprojekte

6.4.1

Analyse der Auswirkungen von Merkhilfen auf das Lernen bei Informatiklernenden

Projektleitung: Prof. Dr. Torsten Brinda Beteiligte: David Van de Water Beginn: 1.12.2008 Kontakt: David Van de Water Tel.: +49 9131 85-27936 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Ein Kernziel informatik-didaktischer Forschung ist das Verst¨andnis lernpsychologischer Vorg¨ange bei Informatiklernenden (engl. student understanding). Im Vordergrund der Betrachtung stehen dabei mitunter mentale und begriffliche Gedankenmodelle, Wahrnehmungen sowie Vorgehensweisen der Lernenden. Ein in diesem Zusammenhang wissenschaftlich bislang kaum untersuchter Gegenstand sind die in vielen Bereichen des Lebens verwendeten Merkhilfen (landl¨aufig als Spicker bezeichnet), wie handschriftlich verfasste Notizzettel oder digital gespeicherte Dateien. Auch im Kontext informatischer Bildung lassen sich Felder erkennen, in denen derartige Merkhilfen eingesetzt werden: eine Studentin im Softwarepraktikum, die bei der Implementierung eines Programmcodes das Java-Handbuch stets bereith¨alt, um einen vergessenen Befehl schnell nachschauen zu k¨onnen, der Student, der bei seinem Seminarvortrag u¨ ber die Rekursionstheorie einen kleinen Zettel f¨ur den Notfall in der Hosentasche tr¨agt, oder der Informatiksch¨uler, der ohne eine n¨utzliche Notiz auf der Hand niemals in eine Klausur geht. In einer ersten Phase dieses Projekts ist eine m¨oglichst breit angelegte Sammlung von Merkhilfen mit informatischen Inhalten in verschiedenen Bildungseinrichtungen wie Schulen oder Hochschulen geplant. Dabei sollen gleichzeitig kontextuelle Metadaten, z. B. u¨ ber den Entstehungsrahmen, erhoben werden. In einer zweiten Phase sollen dann die zusammengetragenen Materialien analysiert und in Hinblick auf folgende Forschungsfragen untersucht werden: • Wie dr¨ucken Informatiklernende informatische Fachinhalte in ihrer Sprache aus? • Mit welchen Lerntechniken und auf welchen Lernwegen erarbeiten Informatiklernende informatische Inhalte? Inwieweit dient die Analyse von Merkhilfen der 69

Gewinnung verl¨asslicher Aussagen dar¨uber? • Inwieweit wirkt sich die Verwendung von Merkhilfen auf das Verst¨andnis informatischer Fachinhalte aus? • Welche Informatikinhalte verursachen besondere Lernschwierigkeiten? • Welche Informatikinhalte werden ausgew¨ahlt und damit als notenrelevant erachtet? • Inwieweit spiegeln sich Curricula, wie der bayerische ”Lehrplan Informatik”, standardisierte Festlegungen, wie die ”Bildungsstandards Informatik” und Informatikschulb¨ucher in den Lernbem¨uhungen der Informatiklernenden wider? • Welchen Einfluss hat die Verwendung von Merkhilfen auf die Messung informatischer Kompetenzen z. B. in einer Klausur? • Hat die dauerhafte Verwendung von Merkhilfen Auswirkungen auf die F¨ahigkeit der Lernenden informatische Problemstellungen erfolgreich zu l¨osen? • Erwerben Informatiklernende durch die Verwendung von Merkhilfen zus¨atzliche Informatikkompetenzen? 6.4.2

Bildungsstandards der Informatik

Projektleitung: Prof. Dr. Torsten Brinda Beginn: 1.7.2004 Kontakt: Prof. Dr. Torsten Brinda Tel.: +49 9131 85-27922 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Auf der Basis eigener Vorarbeiten zu informatikdidaktischen Systemen werden, motiviert durch die Schlussfolgerungen aus den PISA-Studien zur Verst¨arkung der Output-Steuerung von Lehr-Lern-Prozessen, (Mindest-)Bildungsstandards f¨ur verschiedene Themenschwerpunkte des Informatikunterrichts erforscht. Zentrale Teilziele hierbei sind: • die Analyse des Zusammenhangs zwischen so genannten Aufgabenklassen und Stufen noch zu entwickelnder Kompetenzmodelle, 70

• die Identifikation weiterer Aufgabenklassen und Kompetenzstufen durch Literaturstudien sowie • die Entwicklung und Erprobung von Testitems im PISA-Sinne und geeigneten Software-Werkzeugen zur Analyse der Kompetenzprofile von Lernern und zur iterativen Pr¨azisierung des Modells. Forschungsmethodisch werden in diesem Projekt die Entwicklung von informatikdidaktischen Konzepten, theoretische Literaturanalysen und eine Kombination aus qualitativen und quantitativen empirischen Methoden miteinander verkn¨upft. Publikationen –

Schl¨uter, Kirsten ; Brinda, Torsten: Characteristics and Dimensions of a Competence Model of Theoretical Computer Science in Secondary Education . In: ACM (Hrsg.) : Proceedings of the 13th Annual Conference on Innovation and Technology in Computer Science Education (13th Annual Conference on Innovation and Technology in Computer Science Education (ITICSE 2008) Madrid June 30-July 2, 2008). New York : ACM Press, 2008, S. 367. – ISBN 978-1-60558-078-4

–

Schl¨uter, Kirsten ; Brinda, Torsten: From exercise characteristics to competence dimensions – exemplified by theoretical computer science in secondary education . In: IFIP (Hrsg.) : Proceedings of the Joint Open and Working IFIP Conference on ICT and Learning for the Net Generation (Joint Open and Working IFIP Conference on ICT and Learning for the Net Generation (LYICT 2008) Kuala Lumpur, Malaysia 7-10 July 2008). 2008, S. in press.

–

Gesellschaft f¨ur Informatik (GI) e. V. (Hrsg.) ; Puhlmann, Herrmann (federf.) ; Brinda, Torsten ; Fothe, Michael ; Friedrich, Steffen ; Koerber, Bernhard ; Puhlmann, Hermann ; R¨ohner, Gerhard ; Schulte, Carsten (koord.) ; et al.: Grunds¨atze und Standards f¨ur die Informatik in der Schule. Bildungsstandards Informatik f¨ur die Sekundarstufe I. Empfehlungen der Gesellschaft f¨ur Informatik e. V. erarbeitet vom Arbeitskreis ”Bildungsstandards” . In: LOG IN 28 (2008), Nr. 150/151

–

Brinda, Torsten ; M¨agdefrau, Jutta: Zur Gestaltung der informatischen Bildung an Realschulen. Eine kriterienorientierte Betrachtung . In: LOG IN 28 (2008), Nr. 150/151, S. 10-16

–

Brinda, Torsten: Informatikunterricht in Bayern .Vortrag: Eingeladener Vortrag im Rahmen des 99. MNU-Bundeskongresses, TU Kaiserslautern, Kaiserslautern, 19.03.2008

–

Brinda, Torsten: Bildungsstandards der Informatik .Vortrag: Eingeladener Vortrag im Rahmen der 12. MNU-Landesverbandstagung Franken, Alexander-vonHumbold-Gymnasium, Schweinfurt, 02.10.2007

–

Puhlmann, Hermann (federf.) ; Brinda, Torsten ; Fothe, Michael ; Friedrich, Steffen ; Koerber, Bernhard ; Puhlmann, Hermann ; R¨ohner, Gerhard ; Schulte, Carsten (koord.) ; et al.: Grunds¨atze und Standards f¨ur die Informatik in der Schule. Bildungsstandards Informatik. Entwurfsfassung f¨ur Empfehlungen der Gesellschaft f¨ur Informatik e. V . In: LOG IN 27 (2007), Nr. 146/147

–

Schl¨uter, Kirsten ; Brinda, Torsten: Auf dem Weg zu Bildungsstandards f¨ur Konzepte der Theoretischen Informatik in der Sekundarstufe . In: Schubert, Sigrid (Hrsg.) : Didaktik der Informatik in Theorie und Praxis (12. GI-Fachtagung Informatik und Schule – INFOS 2007; Siegen 19. – 21.09.2007). Bonn : K¨ollen, 2007, S. 283-294. (Lecture Note in Informatics (LNI) Bd. 112) – ISBN 978-388579-206-2

–

Brinda, Torsten: Development of the exercise culture in informatics . In: IFIP (Hrsg.) : Proceedings of the Working Joint IFIP Conference IMICT2007 (Informatics, Mathematics, and ICT: a ’golden triangle’; Northeastern University, Boston, USA; June 27-29, 2007). 2007, S. -. – ISBN 978-0-615-14623-2

–

Breier, Norbert ; Brinda, Torsten ; Fothe, Michael ; Friedrich, Steffen ; Koerber, Bernhard ; Puhlmann, Hermann: Neuer Wein in alten Schl¨auchen? Entwicklung von Bildungsstandards Informatik . In: Computer und Unterricht (2006), Nr. 63, S. 14-15

–

Brinda, Torsten: Zur informatischen Bildung an der Realschule .Vortrag: Eingeladener Vortrag im Rahmen des IT-Tags der oberfr¨ankischen Realschulen, Forchheim, 26.07.2006

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Schulte, Carsten ; Brinda, Torsten: Beitr¨age der Objektorientierung zu einem Kompetenzmodell des informatischen Modellierens . In: Friedrich, Steffen (Hrsg.) : Unterrichtskonzepte f¨ur informatische Bildung (Unterrichtskonzepte f¨ur informatische Bildung Dresden 27.-30.09.2005). Bonn : K¨ollen, 2005, S. 137148. (Lecture Notes in Informatics Bd. LNI, Nr. P-60)

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Brinda, Torsten: Teaching object-oriented modelling in secondary education . In: IFIP (Hrsg.) : 8th IFIP World Conference on Computers in Education – Conference CD (WCCE – World Conference on Computers in Education University of Stellenbosch, Cape Town, South Africa 04-07.07.2005). 2005, S. -.

–

Brinda, Torsten: Preparing educational standards in the field of object-oriented modelling . In: Magenheim, Johannes ; Schubert, Sigrid (Hrsg.) : Informatics and 72

student assessment. Concepts of empirical research and standardization of measurement in the area of didactics of informatics (Informatics and student assessment. Concepts of empirical research and standardization of measurement in the area of didactics of informatics Dagstuhl 19.-24.09.2004). 1. Aufl. Bonn : K¨ollen, 2004, S. 11-22. (Lecture Notes in Informatics / S : Seminars Bd. LNI / S, Nr. 1) ISBN 3-88579-435-7 –

6.4.3

Brinda, Torsten: Integration of new exercise classes into the Informatics education in the field of object-oriented modelling . In: Education and Information Technologies 9 (2004), Nr. 2, S. 117-130 FLIEG – Flexible Lehrerweiterbildung in Informatik als Erweiterungsfach ¨ Gymnasien fur

Projektleitung: Prof. Dr. Torsten Brinda Beteiligte: OStR Ulrich Kiesm¨uller Beginn: 1.10.2006 F¨orderer: Bayerisches Staatsministerium f¨ur Unterricht und Kultus Bayerisches Staatsministerium f¨ur Wissenschaft, Forschung und Kunst Europ¨aische Kommission Kontakt: Prof. Dr. Torsten Brinda Tel.: +49 9131 85-27922 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Beim FLIEG-Projekt handelt es sich um ein Lehrerweiterqualifikationsprojekt der Universit¨aten Erlangen-N¨urnberg und M¨unchen (TU), dessen Ziel es ist, Lehrkr¨afte bayerischer Gymnasien in E-Learning-Kursen innerhalb von zwei bzw. vier Jahren (je nach pers¨onlichen Umst¨anden) auf ein Staatsexamen in Informatik (Erweiterungspr¨ufung) vorzubereiten. Die Qualifizierungsmaßnahme strukturiert sich in Module zu schulrelevanten Inhalten der Informatik (z. B. Datenmodellierung, Ablaufmodellierung und objektorientierte Modellierung), die u¨ berwiegend im Selbststudium anhand von vorbereiteten E-Learning-Materialien bearbeitet werden. In der 1. H¨alfte der Ausbildung wird zun¨achst das Hintergrundwissen f¨ur den Informatikunterricht in den Jahrgangsstufen 9 und 10 vermittelt. In der 2. H¨alfte erfolgt dann eine gezielte Vorbereitung auf das Staatsexamen. Zu ausgew¨ahlten Themen werden Pr¨asenzfortbildungen 73

zielgerichtet integriert (z. B. zum Themenbereich Theoretische Informatik). In allen Modulen werden die Kurs-Teilnehmer durch die beiden Universit¨aten begleitet. Alle Module werden grunds¨atzlich mit einer benoteten Pr¨ufung abgeschlossen und damit zertifiziert. 6.4.4

¨ ¨ Fruhstudium – Schuler an der Universit¨at

Projektleitung: Prof. Dr. Torsten Brinda Prof. Dr. Jan-Peter Meyn Beteiligte: RSK Bernhard Wiesner Dipl.-Inf. RSL Kirsten Schl¨uter Beginn: 1.1.2006 Mitwirkende Institutionen: Didaktik der Informatik Didaktik der Physik Kontakt: Prof. Dr. Torsten Brinda Tel.: +49 9131 85-27922 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Die Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg bietet Schulen seit dem Wintersemester 2006/07 die M¨oglichkeit, besonders begabte und leistungsstarke Sch¨ulerinnen und Sch¨uler der Stufen 11 bis 13 (in besonderen F¨allen auch der Klasse ¨ 10) als Fr¨uhstudierende an Vorlesungen und Ubungen in bestimmten Studienf¨achern teilnehmen und dort die entsprechenden Leistungsnachweise erwerben zu lassen. Die Leistungen werden nach Erwerb der Hochschulreife und Immatrikulation an der Universit¨at Erlangen-N¨urnberg im entsprechenden Studienfach auf Antrag anerkannt. Auf diese Weise sollen motivierte Begabte gem¨aß ihren Interessen gef¨ordert werden. Erste Erfahrungen zeigen, dass das Projekt von Sch¨ulerinnen und Sch¨ulern sehr gut angenommen wird, ggw. nehmen pro Wintersemester ca. 50-70 Sch¨ulerinnen und Sch¨uler am Fr¨uhstudium teil. Besonders stark nachgefragt sind die F¨acher Mathematik, Physik und Informatik. 6.4.5

Merkmale und Dimensionen informatischer Kompetenz in der Sekundarstufe

Projektleitung: 74

Prof. Dr. Torsten Brinda Beteiligte: Dipl.-Inf. RSL Kirsten Schl¨uter Beginn: 1.8.2006 Kontakt: Dipl.-Inf. RSL Kirsten Schl¨uter Tel.: +49 9131 85-27688 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Im Vergleich zu den Kernf¨achern steht die Entwicklung von Kompetenzmodellen und Bildungsstandards der Informatik noch ganz am Anfang. Insbesondere liegen bisher weder theoretische Begr¨undungen noch empirische Untersuchungen zu den Dimensionen von informatischer Kompetenz vor. Um dennoch Bildungsstandards in der Informatik formulieren zu k¨onnen, werden pragmatische Annahmen zu Kompetenzdimensionen zugrunde gelegt. Ziel des Projekts ist die systematische Unterscheidung von Kompetenzdimensionen am Beispiel der Informatik in der Sekundarstufe. Ausgangspunkt ist die Klassifizierung von Aufgaben f¨ur Sch¨uler der Sekundarstufe, deren Kompetenzanspruch auf charakterisierende Merkmale zur¨uckgef¨uhrt werden soll, zum Beispiel die Redundanz der Aufgabenstellung oder die Lernzielstufe, auf die die Aufgabe abzielt, etwa Roth: Reproduktion, Reorganisation, Transfer, Probleml¨osen. Auf der Basis der Klassifizierung sollen Hypothesen u¨ ber die Dimensionen eines Kompetenzmodells als B¨undel korrelierender Merkmale gewonnen werden. Die Annahmen u¨ ber die Dimensionen eines Kompetenzmodells sollen anhand der vorliegenden Bearbeitungsergebnisse der klassifizierten Aufgaben von mehreren tausend Teilnehmern an einem Sch¨ulerwettbewerb zur Informatik empirisch u¨ berpr¨uft werden. Es wird erwartet, dass Schwierigkeitsmerkmale von Aufgaben identifiziert werden k¨onnen, mittels derer die Kompetenzdimensionen operationalisiert werden k¨onnen, so dass ein Aufgabeninstrumentarium zur Kompetenzdiagnose entwickelt werden kann. Die Modellierung und Diagnose informatischer Kompetenz ist eine wichtige Voraussetzung f¨ur die Entwicklung von Bildungsstandards und die Evaluation des Unterrichtserfolgs. Publikationen –

–

Schl¨uter, Kirsten: Je schwieriger die Aufgabe, desto kl¨uger der Kopf? In: Brinda, Torsten ; Fothe, Michael ; Hubwieser, Peter ; Schl¨uter, Kirsten (Hrsg.) : Didaktik der Informatik – Aktuelle Forschungsergebnisse (Didaktik der Informatik Aktuelle Forschungsergebnisse. 5. Workshop der GI-Fachgruppe ”Didaktik der Informatik” Erlangen 24. – 25. September 2008). Bonn : K¨ollen, 2008, S. 77-86. (Lecture Notes in Informatics (LNI) Bd. LNI-P, Nr. 135) – ISBN 978-3-88579229-1

6.4.6

¨ Unterstutzung von Lernprozessen im Informatikunterricht der Realschule mit Robotersystemen

Projektleitung: Prof. Dr. Torsten Brinda Beteiligte: RSK Bernhard Wiesner Beginn: 1.7.2006 Kontakt: RSK Bernhard Wiesner Tel.: +49 9131 85-27688 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Ein Ziel des Informatikunterrichts der Realschule bildet die Vermittlung elementarer informatischer Konzepte unter dem Aspekt ihres allgemein bildenden Charakters. Dementsprechend strebt man an, in dieser Altersstufe Methoden und Medien des Unterrichts so zu gestalten, dass die Benutzung spezieller Fachtechniken wie beispielsweise Programmieren nicht im Vordergrund steht. 76

F¨ur die Vermittlung einiger dieser Konzepte bietet sich die Verwendung von Robotersystemen als Unterrichtsmedium an. Gemeint sind damit Baukastensysteme oder Fertigger¨ate f¨ur den Ausbildungs- und Freizeitsektor. Zusammen mit der grafischen Programmierung dieser Systeme kann der Ansatz dazu beitragen, Lernende auf anschauliche und motivierende Weise mit ausgew¨ahlten Bildungsinhalten der Informatik vertraut zu machen, die bisher u¨ berwiegend theoretisch vermittelt oder durch Simulationen veranschaulicht werden. Ziel des Projekts sind Aussagen zu Wirkungen von Roboter gest¨utztem Informatikunterricht betreffend die Lernerfolge und Einstellungen gegen¨uber dem Schulfach Informatik an der Realschule. Dazu werden Unterrichtsentw¨urfe f¨ur geeignet erscheinende Inhalte erstellt, die einerseits mit realen Robotern und in Vergleichsgruppen mit Robotersimulationen durchgef¨uhrt werden. Die begleitende Untersuchung soll Aussagen zum Kompetenzerwerb, zur Nachhaltigkeit der Vermittlungsmethoden, zur Qualit¨at des Unterrichts und zur Akzeptanz bei Lehrenden und Lernenden liefern sowie Erkenntnisse f¨ur Verbesserungen gestatten. Publikationen –

Wiesner, Bernhard ; Brinda, Torsten: Using Robots as Teaching Aids in Early Secondary Informatics Education . In: IFIP (Hrsg.) : Proceedings of the Joint Open and Working IFIP Conference on ICT and Learning for the Net Generation (Joint Open and Working IFIP Conference on ICT and Learning for the Net Generation (LYICT 2008) Kuala Lumpur, Malaysia 7-10 July 2008). 2008, S. -.

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Wiesner, Bernhard: Zustandsbasierte Modellierung eines Robotersystems . In: LOG IN 28 (2008), Nr. 150/151, S. 29-36

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Wiesner, Bernhard ; Brinda, Torsten: Erfahrungen bei der Vermittlung algorithmischer Grundstrukturen im Informatikunterricht der Realschule mit einem Robotersystem . In: Schubert, Sigrid (Hrsg.) : Didaktik der Informatik in Theorie und Praxis (12. GI-Fachtagung Informatik und Schule – INFOS 2007; Siegen 19. – 21.09.2007). Bonn : K¨ollen, 2007, S. 113-124. (Lecture Notes in Informatics (LNI) Bd. 112) – ISBN 978-3-88579-206-2

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Wiesner, Bernhard: Lernprozesse mit Lernumgebungen unterst¨utzen: Roboter im Informatikunterricht der Realschule . In: Brinda, Torsten ; Fothe, Michael ; Hubwieser, Peter ; Schl¨uter, Kirsten (Hrsg.) : Didaktik der Informatik – Aktuelle Forschungsergebnisse (5. Workshop der GI-Fachgruppe ”Didaktik der Informatik” Erlangen 24.-25.09.2008). Bonn : K¨ollen, 2008, S. 23-32. (Lecture Notes in Informatics (LNI) Bd. P-135) – ISBN 978-3-88579-229-1

6.4.7

¨ ¨ Vorgehensweise von Schulerinnen und Schulern bei der Entwicklung von Algorithmen

Projektleitung: Prof. Dr. Torsten Brinda Beteiligte: OStR Ulrich Kiesm¨uller Beginn: 1.10.2006 Kontakt: OStR Ulrich Kiesm¨uller Tel.: +49 9131 85-27936 Fax: +49 9131 85-28809 E-Mail: [email protected] Die Algorithmik wird im Informatikunterricht der Sekundarstufe mit verschiedenen altersgerecht gestalteten Lern- und Programmierumgebungen gelehrt. Diese geben allerdings den Lernenden oft nicht an deren individuelle Vorgehensweise angepasste, rein ”technische” Fehlermeldungen aus. Um eine bessere Adaption der Systemr¨uckmeldungen an die von den Lernenden eingesetzten Probleml¨osestrategien zu erreichen, wird untersucht, auf welche Art und Weise die Lernenden beim Erstellen von Algorithmen vorgehen. Entwickelt wurde dazu bereits eine Aufzeichnungs-Software, die in Abh¨angigkeit von der Zeit protokolliert, welche Schritte die Lernenden bei der L¨osung einer gestellten Aufgabe mit der Programmierumgebung durchf¨uhren. Die gesammelten quantitativen empirischen Daten der Aufzeichnungs-Software wurden mit parallel dazu erhobenen qualitativen Daten (Interview, ”Laut-denken-lassen”) im Hinblick auf typische Vorgehensmuster gemeinsam ausgewertet. Durch die Verkn¨upfung beider Informationsmengen wurde die Grundlage f¨ur Konzeption und Entwicklung einer Diagnosekomponente der Untersuchungssoftware gelegt. In weiteren Studien wurde die Praxistauglichkeit der entwickelten Softwarewerkzeuge untersucht. Einige verschiedene Muster in den aufgezeichneten Daten sind identifizierbar und k¨onnen bestimmten Probleml¨osestrategien zugeordnet werden. Basierend auf empirischen Methoden aus dem Bereich der Psychologie werden diese Ergebnisse validiert. Hierbei wird zus¨atzlich eine m¨oglichst feine Kategorisierung der automatisiert identifizierbaren Vorgehensweisen angestrebt. Ziel ist es, große Mengen von Daten hinsichtlich der Vorgehensweise der Lernenden zu sammeln und automatisiert auszuwerten. Weiterhin wird in die Untersuchungswerkzeuge eine Komponente zur automatisierten Bewertung der Qualit¨at der L¨osungsversuche der Lernenden integriert. Unter Ber¨ucksichtigung aller Ergebnisse k¨onnen schließlich R¨uckschl¨usse gezogen werden sowohl hinsichtlich Verbesserungsm¨oglichkeiten bei den verwendeten Lernumgebungen als auch der didaktischen Aufbereitung des Lehrstoffes. Die entwickelten Softwarewerkzeuge k¨onnen in verschiedenen Jahrgangsstufen eingesetzt werden, so dass vergleichende 78

Beobachtungen (Algorithmik in Jahrgangsstufen 7, 9 und 10) m¨oglich werden. Somit sind gute R¨uckschl¨usse auf die Vorgehensweise und Probleme der Sch¨ulerinnen und Sch¨uler im Bereich der Erstellung von Algorithmen zu erwarten. Folgende Ziele wurden bisher erreicht: • Konzeption und Entwicklung einer Aufzeichnungs- und einer Diagnosesoftware als Forschungsinstrumente • Durchf¨uhrung erster Untersuchungen zur Validierung dieser Instrumente • Identifizierung von vier verschiedenen Mustern bei den aufgezeichneten Daten, die jeweils einer bestimmten Probleml¨osestrategie zugeordnet werden k¨onnen Publikationen –

Kiesm¨uller, Ulrich: Diagnosing Learners’ Problem Solving Strategies Using Learning Environments with Algorithmic Problems in Secondary Education . In: Malmi, Lauri ; Pears, Arnold (Hrsg.) : Pre-Proceedings of the 8th KOLI CALLING INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTING EDUCATION RESEARCH (Koli Calling 2008 Koli, Finnland 13. – 16.11.). 2008, S. 12-20.

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Kiesm¨uller, Ulrich: Automatisierte Identifizierung der Probleml¨osestrategien von Programmieranf¨angern in der Sekundarstufe I . In: Brinda, Torsten ; Fothe, Michael ; Hubwieser, Peter ; Schl¨uter, Kirsten (Hrsg.) : Didaktik der Informatik Aktuelle Forschungsergebnisse (Didaktik der Informatik – Aktuelle Forschungsergebnisse. 5. Workshop der GI-Fachgruppe ”Didaktik der Informatik” Erlangen 24.-25.09.2008). Bonn : K¨ollen, 2008, S. 33-42. (Lecture Notes in Informatics (LNI) Bd. LNI-P, Nr. 135) – ISBN 978-3-88579-229-1

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Kiesm¨uller, Ulrich ; Brinda, Torsten: Diagnosing problem solving strategies of programming novices in secondary education automatically? In: IFIP (Hrsg.) : Proceedings of the Joint Open and Working IFIP Conference on ICT and Learning for the Net Generation (Joint Open and Working IFIP Conference on ICT and Learning for the Net Generation (LYICT 2008) Kuala Lumpur, Malaysia 7-10 July 2008). 2008, S. -.

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Kiesm¨uller, Ulrich ; Brinda, Torsten: How Do 7th Graders Solve Algorithmic Problems? – A Tool-Based Analysis . In: ACM (Hrsg.) : Proceedings of the 13th Annual Conference on Innovation and Technology in Computer Science Education (13th Annual Conference on Innovation and Technology in Computer Science Education (ITICSE 2008) Madrid June 30-July 2, 2008). New York, NY, USA : ACM Press, 2008, S. 353. – ISBN 978-1-60558-078-4 79

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Kiesm¨uller, Ulrich: Vorgehensweisen von Lernenden beim L¨osen algorithmischer Probleme .Vortrag: Forschungstag des ZiLL zur Empirischen LehrLernforschung, N¨urnberg, 03.04.2008

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Kiesm¨uller, Ulrich ; Brinda, Torsten: Werkzeuggest¨utzte Untersuchung der Vorgehensweisen von Lernenden beim L¨osen algorithmischer Probleme . In: Eibl, Christian ; Magenheim, Johannes ; Schubert, Sigrid ; Wessner, Martin (Hrsg.) : DeLFI 2007: Die 5. e-Learning Fachtagung Informatik (Die 5. e-Learning Fachtagung Informatik – DeLFI 2007 Siegen 17. September 2007). Bonn, Deutschland : K¨ollen, 2007, S. 295-296. (Lecture Notes in Informatics (LNI) Bd. 111) ISBN 978-3-88579-205-5

6.5

Studien- und Abschlussarbeiten

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Studienarbeit: Restrukturierung einer Lernumgebung f¨ur das objektorientierte Modellieren. Bearbeiter: Silvia Schreier (beendet am 09.01.2008); Betreuer: Prof. Dr. Torsten Brinda; Hon.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Kips

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Diplomarbeit: Entwurf, Implementierung und Erprobung einer Lernumgebung zur funktionalen Modellierung. Bearbeiter: Arne Becker (beendet am 19.08.2008); Betreuer: Prof. Dr. Torsten Brinda

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Hausarbeit: Vermittlung von informatischen Grundkonzepten der Realschulbildung anhand einer robotergesteuerten Lagerverwaltung. Bearbeiter: Markus Weber (beendet am 01.10.2008); Betreuer: Prof. Dr. Torsten Brinda; RSK Bernhard Wiesner

¨ Informatik 3 (Rechnerarchitektur) Lehrstuhl fur Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen Tel.: +49 9131 85 27003 Fax: +49 9131 85 27239 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr. Dietmar Fey Wiss. Mitarbeiter: Dr.-Ing. Roman K¨onig Dipl.-Inf. Stefan Potyra Dr.-Ing. Matthias Sand Dr.-Ing. Volkmar Sieh, Akad. ORat Nichtwiss. Personal: Edwin Aures Chris Moog Joachim Stelzner Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen T¨atigkeit am Lehrstuhl 3 stehen skalierbare, verl¨assliche, parallele und verteilte Systeme. Einerseits werden theoretische Grundlagenprobleme sowie die Entwicklung von Berechnungsverfahren des zuverl¨assigen, wissenschaftlich-technischen Rechnens (Computational Engineering) und andererseits Realisierungsm¨oglichkeiten und Bewertungsaspekte fehlertoleranter Hochleistungsparallelrechner und eingebetteter Systeme behandelt, insbesondere die quantitative Bewertung unterschiedlicher großer Rechnerarchitekturen und großer Rechnernetze bez¨uglich ihrer Fehlertoleranzeigenschaften mit Hilfe von Analyse- und Simulationsmethoden (siehe beispielsweise das FAUmachine-Projekt). Im Jahre 1966 u¨ bernahm Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Wolfgang H¨andler den mit der Gr¨undung des damaligen Instituts f¨ur Mathematische Maschinen und Datenverarbeitung geschaffenen Lehrstuhl. Der Lehstuhl wurde 1989 durch Berufung von Prof. Dr. Dr. h.c. Mario Dal Cin, der zum 30. September 2005 in den Ruhestand gegangen ist, zum zweiten Mal besetzt.

7.1

Forschungsschwerpunkte • Parallele Rechnerarchitekturen und Middleware • Fehlertolerante Rechnerarchitekturen 81

• Modellierung von Rechnerarchitekturen und Fehlertoleranzmaßnahmen • Effiziente Simulation großer Rechnerarchitekturen- Effiziente Simulation von Hardware-Fehlern • Bewertung großer Rechnerarchitekturen • Bewertung von Fehlertoleranzmaßnahmen • Virtuelle Rechner und Ablaufumgebungen • Automatische Steuerung und Beobachtung von virtuellen und realen Rechnenanlagen

7.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung

Elektrologisches Labor

7.3 7.3.1

Forschungsprojekte FAUmachine

Projektleitung: Dr.-Ing. Volkmar Sieh, Akad. ORat Beteiligte: Dipl.-Inf. Stefan Potyra Dr.-Ing. Matthias Sand Beginn: 1.1.2001 Kontakt: Dr.-Ing. Volkmar Sieh, Akad. ORat Tel.: +49 9131/85 27911 Fax: +49 9131/85 27239 E-Mail: [email protected] F¨ur das DBench-Projekt (Dependability Benchmarking) wurde das FAUmachineProjekt (ehemals UMLinux) weiterentwickelt. UMLinux ist eine Portierung des Standard-Linux-Kernels auf eine virtuelle Maschine. Als virtuelle Maschine sind alle Rechner mit Unix-¨ahnlichem Betriebssystem denkbar. F¨ur den Prototyp der Implementierung wurden PCs mit Linux verwendet. Das portierte Linux ist bin¨ar-kompatibel zum Standard-Linux. Damit k¨onnen alle Linux-Programme und alle Linux-Distributionen auf diesen UMLinux-Rechnern laufen. Dadurch, dass es auf diese Weise m¨oglich 82

ist, mehrere simulierte Rechner auf einem physikalischen Host zu ,booten” und u¨ ber Internet miteinander zu verbinden, k¨onnen ganze Rechnernetze simuliert werden. Jeder virtuelle Knoten ist ein Prozess auf einem realen Rechner. Da Prozesse durch Debugger gut beobachtet und bei Bedarf auch gesteuert werden k¨onnen, kann mit Hilfe dieser Methode das simulierte System von außen sehr gut beeinflusst werden. Dies wurde genutzt, um die virtuellen Rechner automatisch booten bzw. anhalten zu k¨onnen. Außerdem k¨onnen u¨ ber die Debugger-Schnittstelle auch Fehler in die Systeme injiziert und deren Auswirkungen beobachtet werden. Zur Zeit sind folgende Fehlertypen implementiert: Platten-, Netzwerk-, Speicher- und Registerfehler. Damit ist es erstmalig m¨oglich, Reaktionen selbst sehr großer Systeme auf Fehler zu beobachten. Der FAUmachine-Simulator wurde um einen Just-In-Time-Compiler (JIT) f¨ur x86Code erweitert. Der JIT ersetzt ,just in time” alle speziellen, nur im KernelMode ausf¨uhrbaren Assembler-Befehle durch Simulator-Aufrufe. Alle anderen Befehle werden unver¨andert u¨ bernommen. Lediglich Adressen werden angepasst um den ver¨anderten Befehlsl¨angen gerecht zu werden. Damit ist es jetzt m¨oglich, unmodifizierten Code ablaufen zu lassen. Lediglich der Adressraum des zu startenden Binaries muss gegebenenfalls angepasst werden. Der Einsatz von z.B. OpenBSD, FreeBSD oder auch Solaris auf FAUmachine wird damit prinzipiell m¨oglich. Um auch Betriebssysteme auf FAUmachine einsetzen zu k¨onnen, deren Source-Code nicht frei zug¨anglich ist (z.B. Windows), muss das Linux-Betriebssystem selbst modifiziert werden. Es muss m¨oglich sein, den gesamten Adressraum eines x86-Prozessors (4 GB) f¨ur Benutzerprogramme verwenden zu k¨onnen. Zur Zeit sind ,nur” 3 GB virtueller ¨ Adressraum verf¨ugbar. Eine derartige Anderung des Original-Linux-Kernels ist geplant. Um den Boot-Prozess der FAUmachine mehr den echten Gegebenheiten anzupassen, wurde die Maschine um ein zus¨atzliches BIOS, der simulierte Prozessor um einen Real-Mode erweitert. Jetzt sind nicht nur modifizierte Kernels, sondern auch modifizierte Boot-Loader (z.B. lilo, grub, syslinux usw.) lauff¨ahig. Somit wird jetzt ohne externe Konfiguration des virtuellen Rechners die Installation einer RedHat-, SuSE oder Debian-Distribution Out-of-the-Box m¨oglich. Zus¨atzlich zur effizienten Simulation von Linux-PCs k¨onnen auch weitere Ger¨ate in ihrem Verhalten nachgebildet werden. Interessant ist auch die Simulation von Benutzern. Somit ist es jetzt erstmals m¨oglich, ganze Netze von Rechnern, Peripherieger¨aten sowie mit den Ger¨aten arbeitende Benutzer zu modellieren und diese Modelle effizient auszuwerten. Da diese simulierten Hardware-Komponenten und die Benutzer alle parallel arbeiten k¨onnen, war die bisher vorhandene serielle Experimentsteuerung nicht mehr ausreichend. Sie wurde von einer auf Tcl/Tk-basierenden L¨osung auf einen VHDL-Interpreter 83

umgestellt. Der VHDL-Interpreter wurde von Grund auf neu entwickelt. Die Implementierung wird auch im folgenden Jahr weiter vervollst¨andigt. Um die Vorteile der FAUmachine-Modellierungs- und Simulationsumgebung zu demonstrieren, wurde ein gr¨oßeres Modell aufgebaut. Das Modell basiert auf dem handels¨ublichen TPC-CBenchmark. Es wurde abgewandelt, um auch w¨ahrend des normalen Betriebs auftretende Fehler mit in die Benchmark-Ergebnisse einfließen lassen zu k¨onnen. Das Modell beschreibt 6 miteinander kommunizierende Rechner, 16 serielle Terminals sowie 12 Benutzer, die an den Terminals die TPC-C-typischen Eingaben vornehmen. Publikationen –

Buchacker, Kerstin ; Sieh, Volkmar: Framework for Testing the Fault-Tolerance of Systems Including OS and Network Aspects . In: IEEE (Hrsg.) : Proc. of High-Assurance SystemEngineering Symposium HASE-2001 (High-Assurance SystemEngineering Symposium HASE-2001 Boca Raton 22.-24.10.2001). 2001, S. 95-105.

–

Sieh, Volkmar ; Buchacker, Kerstin: Testing the Fault-Tolerance of Networked Systems . In: U. Brinkschulte ; K.-E. Grosspietsch ; C. Hochberger ; E. W. Mayr (Hrsg.) : ARCS 2002, Workshop Proceedings (International Conference on Architecture of Computing Systems ARCS 2002 Karlsruhe 08.-11.04.02). 2002, S. 3746. – ISBN 3-8007-2686-6

–

H¨oxer, Hans-J¨org ; Sieh, Volkmar ; Buchacker, Kerstin: UMLinux – A Tool for Testing a Linux System’s Fault Tolerance . In: LinuxTag 2002 (Hrsg.) : LinuxTag 2002 (als CD erschienen) (LinuxTag 2002 Karlsruhe 06.-09.06.02). 2002, S. 1-10.

–

Buchacker, Kerstin ; Dal Cin, Mario ; H¨oxer, Hans-J¨org ; Karch, R. ; Sieh, Volkmar ; Tsch¨ache, Oliver: Reproducible Dependability Benchmarking Experiments Based on Unambiguosus Benchmark Setup Descriptions . In: IEEE Computer Society (Hrsg.) : Proceedings of the International Conference on Dependable Systems (International Conference on Dependable Systemsand Networks San Francisco, CA June 22nd – 25th). 2003, S. 469-478.

–

Buchacker, Kerstin ; H¨oxer, Hans-J¨org ; Sieh, Volkmar: UMLinux als Sandbox . In: Bundesamt f¨ur Sicherheit in der Informationstechnik/SecuMedia Verlags-GmbH (Hrsg.) : IT-Sicherheit im verteilten Chaos (8. Deutscher ITSicherheitskongress des BSI Bonn – Bad Godesberg 13.-15. Mai 2003). 2003, S. 409-423.

–

H¨oxer, Hans-J¨org: System im System . In: Linux-Magazin 12/2003 (2003), S. 8891 84

–

Tsch¨ache, Oliver: Dependability Benchmarking of Linux based Systems . In: n.b. (Hrsg.) : Proceedings Informatik 2003, Beitr¨age des Schwerpunkts Sicherheit Schutz und Zuverl¨assigkeit (Informatik 2003, Beitr¨age des Schwerpunkts Sicherheit – Schutz und Zuverl¨assigkeit Frankfurt 2003). 2003, S. 237-248.

–

Buchacker, Kerstin ; Dal Cin, Mario ; H¨oxer, Hans-J¨org ; Sieh, Volkmar ; Tsch¨ache, Oliver ; Waitz, Martin: Hardware Fault Injection with UMLinux . In: n.b. (Hrsg.) : Proceedings of the 2003 International Conference on Dependable Systems and Networks (2003 International Conference on Dependable Systems and Networks San Francisco (CA) June 22-25, 2003). 2003, S. 670.

–

H¨oxer, Hans-J¨org ; Waitz, Martin ; Sieh, Volkmar: Advanced virtualization techniques for FAUmachine . In: Spenneberg, R. (Hrsg.) : Proceedings of the 11th International Linux System Technology Conference (11th International Linux System Technology Conference Erlangen, Germany September 7-10). 2004, S. 1-12. – ISBN 3-86541-058-8

–

H¨oxer, Hans-J¨org: Virtuelle PCs und Netzwerke mit FAUmachine .Vortrag: KNFKongress ’04, Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule, N¨urnberg, 21.11.2004

–

H¨oxer, Hans-J¨org ; Sieh, Volkmar ; Waitz, Martin: Fast Simulation of Stuck-At and Coupling Memory Faults Using FAUmachine . In: n.b. (Hrsg.) : In Supplement to Proc. HASE 2005: International Symposium on High Assurance Systems Engineering (Ninth IEEE International Symposium on High Assurance Systems Engineering Heidelberg, Germany 12-14 October 2005). 2005, S. 1-2.

–

D¨orfler, C. ; Sieh, Volkmar: Software-Tests mit der FAUmachine . In: Czornack, J.-T. ; Stodden, D. ; Trinitis, C. ; Walter, M. (Hrsg.) : Diskussionskreis Fehlertoleranz 2005 (Diskussionskreis Fehlertoleranz 2005 M¨unchen 10.-11. M¨arz 2005). Aachen : Shaker-Verlag, 2005, S. ..

–

Potyra, Stefan ; Sieh, Volkmar: High-Speed Hardware/Software Cosimulation of Complex Systems including Fault-Injection of Detailed VHDL-Models for PCComponents . In: n.b. (Hrsg.) : Supplement to Proc. Seventh European Dependable Computing Conference (Seventh European Dependable Computing Conference Kaunas, Lithuania May 7-9). Kaunas : Vytautas Magnus University, 2008, S. 59-62. – ISBN 978-9955-12-339-2

–

Potyra, Stefan ; Sieh, Volkmar ; Dal Cin, Mario: Evaluating fault-tolerant system designs using FAUmachine . In: n.b. (Hrsg.) : EFTS ’07: Proceedings of the 2007 Workshop on Engineering Fault Tolerant Systems (Workshop on Engineering Fault Tolerant Systems Dubrovnik, Croatia). New York, NY, USA : ACM, 2007. – ISBN 978-1-59593-725-4 85

7.4

Studien- und Abschlussarbeiten

–

Diplomarbeit: Konzeption eines Just-In-Time Compiler Generators zur automatischen Erzeugung von Prozessoremulatoren f¨ur die FAUmachine und Implementierung der grundlegenden Konzepte. Bearbeiter: Sascha Wessel (beendet am 25.07.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Volkmar Sieh, Akad. ORat

¨ Informatik 4 (Verteilte Systeme und BeLehrstuhl fur triebssysteme) Anschrift: Martensstraße 1, 91058 Erlangen Tel.: +49 9131 85 27277 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat Emeritus: Prof. em. Dr. Fridolin Hofmann Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inf. Niko B¨ohm Dipl.-Inf. Tobias Distler Dipl.-Inf. Christoph Elsner Dipl.-Inf. Michael Gernoth Dipl.-Inf. Wanja Hofer Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Dr.-Ing. J¨urgen Klein¨oder Dipl.-Inf. Daniel Lohmann Dipl.-Inf. Martin Mitzlaff Dipl.-Inf. Benjamin Oechslein Dipl.-Inf. Fabian Scheler Julio Sincero, M. Sc. Dipl.-Inf. Guido S¨oldner Philippe Stellwag, M. Sc. Dipl.-Inf. Michael Stilkerich Dipl.-Inf. Reinhard Tartler Dipl.-Inf. Peter Ulbrich Dipl.-Inf. Christian Wawersich 86

Dipl.-Inform. Dirk Wischermann Externe Doktoranden: Dipl.-Inf. Niko B¨ohm Dipl.-Inf. Christoph Elsner Dipl.-Inf. Guido S¨oldner Philippe Stellwag, M. Sc. Der Lehrstuhl f¨ur Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme) wurde 1972 eingerichtet. Lehrstuhlinhaber von 1972 bis 2003 war Prof. Dr. Fridolin Hofmann. Im Mai 2002 wurde Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat zum neuen Lehrstuhlinhaber berufen. ¨ Durch die einj¨ahrige Ubergangszeit in der Prof. Hofmann und Prof. Schr¨oder-Preikschat ¨ den Lehrstuhl in kollegialer Leitung f¨uhrten, konnte ein idealer Ubergang ohne Beeintr¨achtigung der Forschungsarbeiten und der Lehre erreicht werden. Lehre Systemprogrammierung, Betriebssysteme, Verteilte Systeme, Spezialvorlesungen aus den Bereichen Betriebssysteme, Middleware, Systementwurf, Echtzeitsystem

8.1

Forschungsschwerpunkte

Der Fokus der Arbeiten des Lehrstuhls l¨asst sich am besten mit dem Begriff Operating Systems Engineering charakterisieren. Der Begriff steht f¨ur die Kombination von Betriebssystemen und Software Engineering, vor allem f¨ur Entwurf und Entwicklung verteilter und eingebetteter Betriebssysteme. Familien-basierter Softwareentwurf in Kombination mit aspektorientierter Programmierung und Merkmalsmodellierung (Feature Modelling) bilden die Basis f¨ur die Entwicklung hochgradig problem-spezifischer L¨osungen sowohl f¨ur eingebettete Laufzeit- und Betriebssysteme als auch f¨ur Middleware. Die Arbeiten umfassen auch grundlegende Fragen von Betriebssystemarchitekturen und die Entwicklung neuer, an heutige Rechner- und Anwendungsanforderungen angepasster Betriebssystemabstraktionen und -mechanismen. Daneben werden Fragen der Modellierung und Leistungsbewertung von Rechensystemen, Betriebssystemen, Verteilten Systemen und Fertigungssystemen mit analytischen, numerischen und simulativen Methoden behandelt. Adaptierbare Betriebssystemarchitekturen und Betriebssystem-Familien sind seit vielen Jahren die zentralen Themenbereiche der Arbeitsgruppe. Ziel der Forschung ist, durch die Anpassbarkeit von Betriebssystem- und Kommunikationssystemsoftware sowohl an spezielle Anforderungen der Anwendung als auch an die jeweilige Hardwarearchitektur Synergieeffekte zwischen diesen Ebenen zu erm¨oglichen. 87

Ein Schwerpunkt der Lehrstuhlkompetenzen ist die Entwicklung von Methoden und Techniken zur Konstruktion der Softwareinfrastruktur f¨ur eingebette verteilte Systeme. Hierbei steht nicht eine bestimmte Betriebssystemarchitektur (wie z. B. Mikrokerne) im Mittelpunkt, sondern Verfahren und Werkzeuge, die die einfache Erzeugung einer Vielzahl verschiedener Betriebssysteme aus wiederverwendbaren, architekturunabh¨angigen Bausteinen (Komponenten) erm¨oglichen. Die Spanne des Einsatzbereichs kann von Betriebssystemen und Middleware f¨ur komplexe verteilte General-purpose Systeme bis hin zu eingebetteten, verteilten und parallelen Spezialsystemen und der Unterst¨utzung f¨ur Echtzeit-Operationen von sicherheitskritischen Anwendungen gehen. Gruppen • [ergoo]http://www4.informatik.uni-erlangen.de/DE/Research/ergoo/ – Erlangen Research Group on Distributed Objects and Operating Systems

8.2

Kooperationsbeziehungen • Fraunhofer-Institut f¨ur Integrierte Schaltungen (IIS) – Projektgruppe Adaptive Systemsoftware • Sun Microsystems • Siemens ADT • Siemens CT, M¨unchen und Erlangen • Siemens CR, Princeton, USA • EB Automotive (ehemals 3SOFT), Erlangen • pure-systems GmbH, Magdeburg • methodpark Software AG • Daimler Chrysler AG • AUDI AG • Universit¨at Ulm, Abteilung Verteilte Systeme • Universit¨at Passau, Lehrstuhl f¨ur Rechnerkommunikation und Rechnernetze • Duke University, Durham, North Carolina, USA • University Santa Catarina, Florianopolis, Brasilien 88

• University Lisboa, Portgual Aufenthalte von Gastwissenschaftlern • Janos Roszik, (Univ. Debrecen, Ungarn) vom 1.-11. 6.2003 • Prof. Dr. Janos Sztrik (Univ. Debrecen, Ungarn) vom 25.11.-5.12.2003 • Prof. Dr. Kishor Trivedi (Duke University, NC, USA) vom 7.12-13.12 2003 • Prof. Dr. Gia Surguladze (TU Tiflis, Georgien) vom 15.11.-30.1. 2004

8.3

Wissenschaftliche Tagungen • [EuroSys 2009]http://eurosys2009.informatik.uni-erlangen.de/ • [Workshop on Virtualization Technology (VTDS’09)]http://vtds09.di.fc.ul.pt/

for

Dependable

• [3rd Workshop on Middleware-Application (MAI’09)]http://mai09.di.fc.ul.pt/main/index.php

Systems Interaction

• [8th Workshop on Aspects, Components, and Patterns for Infrastructure Software (ACP4IS’09)]http://aosd.net/workshops/acp4is/2009/

8.4 8.4.1

Forschungsprojekte AOCI – Aspect-Oriented Component Infrastructure

Projektleitung: Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Dipl.-Inf. Guido S¨oldner Beteiligte: Schober, Sven Beginn: 1.1.2007 Kontakt: Dipl.-Inf. Guido S¨oldner Tel.: +49 9131 85 27906 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected]

Ubiquitious Computing ist ein modernes Paradigma, das davon ausgeht, dass u¨ berall im allt¨aglichen Leben Computersysteme involviert sind. So stellen R¨aume und S¨ale Dienstleistungen in Form von digitalen Services bereit, wie z.B. das Einstellen der Temperatur, der Beleuchtung und die Einstellung von Rolll¨aden und Sonnenschutzeinrichtungen. Benutzer nutzen unterwegs typischerweise verschiedene Kleincomputer, vom Laptop u¨ ber den PDA bis zum intelligenten Handy, welche sich durch Adhoc-Netzwerke und reichweitenbeschr¨ankte Funknetzwerke auch spontan vernetzen k¨onnen. Die vom Lehrstuhl 4 implementierte Infrastruktur AOCI (Aspect-Oriented Component Infrastructure) bietet Unterst¨utzung f¨ur Ubiquitious Computing. Jeder Knoten stellt seiner Umwelt eine Reihe von Diensten dynamisch zur Verf¨ugung und kann gleichzeitig Dienste, die in seiner Umgebung laufen, nutzen und gleichzeitig auf seine Bed¨urfnisse anpassen. Technisch werden in AOCI Komponenten auf Basis von OSGi entwickelt, diese k¨onnen mittels AspectJ und einer semantischen Dom¨anenmodell automatisiert angepasst werden. Publikationen –

S¨oldner, Guido ; Schober, Sven ; Kapitza, R¨udiger: AOCI: Ontology-based Pointcuts . In: Eric Wohlstadter ; Lohmann, Daniel ; Chris Matthews (Hrsg.) : Proceedings of the 8th AOSD Workshop on Aspects, Components, and Patterns for Infrastructure Software (AOSD-ACP4IS ’09) (The 8th AOSD Workshop on Aspects, Components, and Patterns for Infrastructure Software (AOSD-ACP4IS ’09) Charlottesville 03/2009). New York : ACM Press (Digital Library), 2009, S. -.

–

S¨oldner, Guido ; Schober, Sven ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Kapitza, R¨udiger: AOCI: Weaving Components in a Distributed Environment . In: Meersman, Robert ; Tari, Zahir (Hrsg.) : On the Move to Meaningful Internet Systems 2008: CoopIS, DOA, ODBASE, GADA, and IS (The 10th International Symposium on Distributed Objects, Middleware, and Applications (DOA’08) Monterrey, Mexico 10-12.11.2008). 2008, S. 535-552.

–

S¨oldner, Guido ; Schober, Sven ; Kapitza, R¨udiger: Dynamic Weaving of Components in a Distributed Environment . In: Fred Douglis (Hrsg.) : ACM/IFIP/USENIX 9th International Middleware Conference (Poster Session Leuven, Belgium December 1-5, 2008). 2008, S. 95-96.

–

S¨oldner, Guido ; Kapitza, R¨udiger: AOCI: An Aspect-Oriented Component Infrastructure . In: Reussner, Ralf ; Szyperski, Clemens ; Weck, Wolfgang (Hrsg.) : Proceedings of the 12th International Workshop on Component Oriented Programming (WCOP 2007) (WCOP 2007 Berlin, Germany 31.6.2007). 2007, S. 5358. 90

8.4.2

AspectC++ – AOP mit C++

Beteiligte: Dipl.-Inf. Daniel Lohmann Matthias Urban Georg Blaschke Rainer Sand Reinhard Tartler Beginn: 1.10.2001 Kontakt: E-Mail: [email protected] AspectC++ ist eine aspektorientierte C++ Spracherweiterung. Das Ziel dieser Projekts ist neben dem Entwurf und der Definition der Sprach selbst auch die Imple¨ mentierung eines AspectC++ Ubersetzers. Dieser basiert auf einer Codetranformation von AspectC++ to C++. Weitere Informationen zu AspectC++ befinden sich auf der Homepage des Open Source Entwicklungsprojekts http://www.aspectc.org/ (englisch). Auf Basis von AspectC++ erfolgt die Entwicklung der aspektorientierten Betriebssystemfamilie CiAO im Rahmen des gleichnamigen Projekts. Publikationen –

Spinczyk, Olaf ; Lohmann, Daniel ; Urban, Matthias: Advances in AOP with AspectC++ . In: Fujita, Hamido ; Mejri, Mohamed (Hrsg.) : New Trends in Software Methodologies Tools and Techniques (SoMeT ’05 Tokyo, Japan September 2005). Amsterdan Berlin Oxford Tokyo Washington,DC : IOS Press, 2005, S. 3353. (Frontiers in Artificial Intelligence and Applications Bd. 129)

–

Lohmann, Daniel ; Blaschke, Georg ; Spinczyk, Olaf: Generic Advice: On the Combination of AOP with Generative Programming in AspectC++ . In: Karsai, G. ; Visser, E. (Hrsg.) : Proceedings of the 3rd International Conference on Generative Programming and Component Engineering (GPCE ’04) (Generative Programming and Component Engineering (GPCE ’04) Vancouver, Canada October 2004). New York : Springer Verlag, 2004, S. 55-74. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 3286)

–

Spinczyk, Olaf ; Gal, Andreas ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: AspectC++: An Aspect-Oriented Extension to C++ . In: – (Hrsg.) : Proc. of the 40th Intern. Conf. on Technology of Object-Oriented Languages and Systems (TOOLS Pacific 2002 Sydney, Australia Feb. 18-21, 2002). – : -, 2002, S. -. 91

–

Lohmann, Daniel ; Spinczyk, Olaf: On Typesafe Aspect Implementations in C++ . In: Gschwind, F. ; Assmann, U. ; Nierstrasz, O. (Hrsg.) : Proceedings of Software Composition 2005 (Software Composition 2005 Edingburgh, UK 04/2005). Bd. 3628. Berlin : Springer, 2005, S. 135-149. (Lecture Notes in Computer Science, Nr. 3628)

–

Mahrenholz, Daniel ; Spinczyk, Olaf ; Gal, Andreas ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: An Aspect-Oriented Implementation of Interrupt Synchronization in the PURE Operating System Family . In: – (Hrsg.) : Proc. of the 5th ECOOP Workshop on Object Orientation and Operating Systems (- Malaga, Spain June 11, 2002). – : -, 2002, S. -. – ISBN 84-699-8733-X

–

Gal, Andreas ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Spinczyk, Olaf: On AspectOrientation in Distributed Real-time Dependable Systems . In: – (Hrsg.) : Proc. of the 7th IEEE Intern. Workshop on Object-oriented Real-time Dependable Systems (WORDS 2002 San Diego, USA Jan. 7-9, 2002). – : -, 2002, S. -.

–

Mahrenholz, Daniel ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Program Instrumentation for Debugging and Monitoring with AspectC++ . In: – (Hrsg.) : Proc. of the 5th IEEE Intern. Symp. on Object-Oriented Real-time Distributed Computing (- Washington, USA April 29-May 1, 2002). – : -, 2002, S. -.

–

Spinczyk, Olaf ; Lohmann, Daniel ; Urban, Matthias: AspectC++: An AOP Extension for C++ . In: Software Developer’s Journal (2005), Nr. 5, S. 68-76

–

Gal, Andreas ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Spinczyk, Olaf: AspectC++: Language Proposal and Prototype Implementation . In: – (Hrsg.) : – (Proc. of the OOPSLA 2001 Workshop on Advanced Separation of Concerns in Objectoriented Systems Tampa, USA Oct. 14, 2001). Tampa, Florida : -, 2001, S. -.

8.4.3

Atomic Basic Blocks – Abh¨angigkeiten in Echtzeitsystemen explizit und implizit herstellen

Projektleitung: Scheler, Fabian Beginn: 1.1.2007 Kontakt: Dipl.-Inf. Fabian Scheler Tel.: +49 9131 85-27909 Fax: +49 9131 85-28732 E-Mail: [email protected]

Ein Echtzeitrechensystem muss in der Regel eine Menge von Ereignissen termingerecht bearbeiten. Je nach Anwendungsfall kann die Behandlung dieser Ereignisse isoliert erfolgen, oder es ist notwendig, dass mehrere Ereignisbehandlungen gemeinschaftlich diese Aufgabe erf¨ullen. Sobald eine Behandlung gemeinschaftlich erfolgt, ist es aber zwingend notwendig, die einzelnen, zun¨achst unkorreliert ablaufenden Aktivit¨aten zu koordinieren, weil z.B. Ein-/Ausgabebeziehungen eingehalten werden m¨ussen. Es m¨ussen also Abh¨angigkeiten hergestellt werden. Die Art und Weise diese Abh¨angigkeiten herzustellen unterscheiden sich nun grundlegend in zeit- und ereignisgesteuerten Echtzeitsystemen. W¨ahrend bei ersteren der Fokus darauf liegt, einen geeigneten Ablaufplan zu erstellen, der solche Abh¨angigkeiten implizit einh¨alt, ist dies in ereignisgesteuerten Systemen h¨aufig nicht m¨oglich. Man kann nicht fest davon ausgehen, dass Ereignisse zu bestimmten Zeitpunkten eintreten und muss deshalb explizite Vorkehrungen treffen, um z.B. gegenseitigen Ausschluss sicher zu stellen. Diese grundverschiedenen Ans¨atze f¨uhren leider auch zu grundlegend verschiedenen Ausf¨uhrungssemantiken (run-to-completion in zeitgesteuerten Systemen vs. potentiell blockierende Synchronisation in ereignisgesteuerten Systemen), was eine Portierung von Anwendungen sehr aufwendig gestaltet. Dieses Forschungsprojekt befasst sich daher mit der Extraktion von Abh¨angigkeiten aus existierenden Anwendungen und ihrer Transformation zwischen impliziten und expliziten Formen. Publikationen –

Scheler, Fabian ; Mitzlaff, Martin ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Schirmeier, Horst: Towards a Real-Time Systems Compiler . In: Seepold, Ralf ; Martinez Madrid, Natividad ; Kucera, Markus (Hrsg.) : Proceedings of the Fifth International Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems (WISES 07) (Fifth International Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems (WISES 07) Leganes (Madrid) 21./22.06.2007). Leganes (Madrid) : IEEE, 2007, S. 62-75. ISBN 978-84-89315-47-1

–

Scheler, Fabian ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Synthesising Real-Time Systems from Atomic Basic Blocks . In: IEEE Technical Committee on Real-Time Systems (Hrsg.) : Proceedings Work-In-Progress Session (12th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium San Jose, USA 4-7 April, 2006). 2006, S. 49-52.

–

Scheler, Fabian ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Time-Triggered vs. EventTriggered: A matter of configuration? In: Dulz, Winfried ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang (Hrsg.) : MMB Workshop Proceedings (GI/ITG Workshop on NonFunctional Properties of Embedded Systems Nuremberg 27.03. – 29.03.2006). Berlin : VDE Verlag, 2006, S. 107 – 112. – ISBN 978-3-8007-2956-2 93

–

Scheler, Fabian ; Mitzlaff, Martin ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Atomic Basic Blocks . In: Holleczek, Peter ; Vogel-Heuser, Birgit (Hrsg.) : Mobilit¨at und Echtzeit (PEARL 2007 Boppard 06./07.12.2007). 2007, S. 59-68. (Informatik aktuell) – ISBN 978-3-540-74836-6

8.4.4

CiAO – Aspektorientierte Betriebssysteme

Projektleitung: Dipl.-Inf. Daniel Lohmann Beteiligte: Dipl.-Inf. Wanja Hofer Dipl.-Inf. Michael Stilkerich Dipl.-Inf. Fabian Scheler Spinczyk, Olaf Streicher, Jochen Laufzeit: 1.3.2004–1.10.2010 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Kontakt: Dipl.-Inf. Daniel Lohmann Tel.: +49 9131 85 27904 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected] Das CiAO Projekt verfolgt die Entwicklung einer feingranularen BetriebssystemProduktlinie f¨ur eingebettete und tief-eingebettete Systeme. Durch die gezielte Anwendung von Aspekttechniken soll dabei ein bislang unerreichtes Maß an Granularit¨at und Konfigurierbarkeit m¨oglich werden. Bei der Entwicklung von Software-Produktlinien f¨ur hochgradig anwendungsangepasste Betriebssysteme schr¨anken querschneidende Belange (crosscutting concerns) die maximal erreichbare Modularisierbarkeit und damit auch die Anwendungsanpassbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Wartbarkeit deutlich ein. Die aspektorientierte Programmierung (AOP) hat sich als erfolgreiche Technik f¨ur den Umgang mit querschneidenden Belangen erwiesen. F¨ur die Forschung im Bereich der Betriebssysteme ergeben sich damit neue interessante M¨oglichkeiten insbesondere zur automatisierten, werkzeuggest¨utzten Maßschneiderung von Systemfunktionen bzw. – komponenten, ohne dabei Wiederverwendbarkeit aufgeben zu m¨ussen. Im Rahmen dieses Vorhaben werden zwei Hauptziele verfolgt: • Anwendung und Evaluation von Techniken der aspektorientierten 94

Softwareentwicklung im Kontext des Baus von Betriebssystem-Produktlinien (product lines) zur Unterst¨utzung tief eingebetteter Anwendungen. • Untersuchung ob es mit Hilfe von diesen Techniken m¨oglich ist, Betriebssystembausteine architekturtransparent zu entwickeln, um so aus identischem Komponentencode wahlweise z.B. ein mikrokernbasiertes oder monolithisches System generieren zu k¨onnen. Publikationen –

Lohmann, Daniel ; Streicher, Jochen ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Interrupt Synchronization in the CiAO Operating System – Experiences from Implementing Low-Level System Policies by AOP . In: Spinczyk, Olaf ; Gibbs, Celina ; S¨udhold, Mario (Veranst.) : Proceedings of the 6th AOSD Workshop on Aspects, Components, and Patterns for Infrastructure Software (AOSD-ACP4IS ’07) (The 6th AOSD Workshop on Aspects, Components, and Patterns for Infrastructure Software (AOSD-ACP4IS ’07) Vancouver 03/2007). New York : ACM Press (Digital Library), 2007, S. -. – ISBN 978-1-59593-657-8

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Lohmann, Daniel ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Lean and Efficient System Software Product Lines: Where Aspects Beat Objects . In: Rashid, A. ; Aksit, M. (Bearb.): Transactions on Aspect-Oriented Software Development. Bd. II. Berlin Heidelberg : Springer-Verlag, 2006, (Lecture Notes in Computer Science, Nr. 4242), S. 227-255. – ISBN 978-3-540-32972-5

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Lohmann, Daniel ; Scheler, Fabian ; Tartler, Reinhard ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oderPreikschat, Wolfgang: A Quantitative Analysis of Aspects in the eCOS Kernel . In: European Chapter of ACM SIGOPS (Veranst.) : Proceedings of the EuroSys 2006 Conference (EuroSys 2006 Leuven, Belgium April 18-21, 2006). Belgium : ACM Press, 2006, S. 191-204. – ISBN 1-59593-322-0

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Lohmann, Daniel ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: On the Configuration of Non-Functional Properties in Operating System Product Lines . In: Coady, Yvonne ; Eide, Eric ; Lorenz, David H. ; Spinczyk, Olaf (Hrsg.) : Proceedings of the 4th AOSD Workshop on Aspects, Components and Patterns for Infrastructure Software (AOSD-ACP4IS ’05) (The 4th AOSD Workshop on Aspects, Components, and Patterns for Infrastructure Software (ACP4IS) Chicago 14.03.2005). Boston : Northeastern University, 2005, S. 19-25. (NU-CCIS-0503)

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Spinczyk, Olaf ; Lohmann, Daniel: Using AOP to Develop Architecture-Neutral Operating System Components . In: ACM SIGOPS (Veranst.) : Proceedings of the 11th ACM SIGOPS European Workshop (SIGOPS-EW ’04) (11th ACM SIGOPS Eurpean Workshop Leuven, Belgium Sep. 2004). New York : ACM Press, 2004, S. 188-192.

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Lohmann, Daniel ; Spinczyk, Olaf: Architecture-Neutral Operating System Components . In: ACM SIGOPS (Veranst.) : SOSP ’03: Work-in-Progress Session (19th ACM Symposium on Operating Systems Principles (SOSP ’03) Bolton Landing, NY, USA 19.-22.10.2003). 2003, S. -.

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Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Lohmann, Daniel ; Gilani, Wasif ; Scheler, Fabian ; Spinczyk, Olaf: Static and dynamic weaving in System Software with AspectC++ . In: Coady, Yvonne ; Gray, Jeff ; Klefstad, Raymond (Hrsg.) : Proceeding of the 39th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS-39) (Mini-Track on Adaptive and Evolvable Software Systems Hawaii January 2006). Washington : IEEE Press, 2006, S. 214a. (System Sciences Bd. 9) – ISBN 0-76952507-5

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Lohmann, Daniel ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Spinczyk, Olaf: The design of application-tailorable operating system product lines . In: Barthe, Gilles ; Gregoire, Benjamin ; Huisman, Marieke ; Lanet, Jean-Louis (Hrsg.) : Proceedings of the International Workshop on Construction and Analysis of Safe, Secure and Interoperable Smart Devices (CASSIS ’05 Nice, France March 2005). Berlin Heidelberg : Springer-Verlag, 2006, S. 99-117. (Lecture Notes of Computer Science Bd. 3956) – ISBN 3-540-33689-3

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Lohmann, Daniel ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Spinczyk, Olaf: Functional and Non-Functional Properties in a Family of Embedded Operating Systems . In: Tsai, Wei-Tek ; Banatre, Jean-Pierre ; Kikuno, Tohru (Veranst.) : Proceedings of the 10th IEEE International Workshop on Object-oriented Real-time Dependable Systems (10th IEEE International Workshop on Object-oriented Real-time Dependable Systems Sedona, Arizona, USA 2.-4.2.2005). Sedona : IEEE Press, 2005, S. 413-421.

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Lohmann, Daniel ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Spinczyk, Olaf: On the Design and Development of a Customizable Embedded Operating System . In: Becker, Leandro Buss ; Kaiser, J¨org (Veranst.) : In Proceedings of the International Workshop on Dependable Embedded Systems (23rd Symposium on Reliable Distributed Systems (SRDS 2004) Florianopolis, Brazil October 2004). 2004, S. 1-6.

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Lohmann, Daniel ; Gilani, Wasif ; Spinczyk, Olaf: On Adapable Aspect-Oriented Operating Systems . In: Gal, Andreas ; Sch¨ottner, Michael ; Spinczyk, Olaf 96

(Hrsg.) : Proceedings of the 2004 ECOOP Workshop on Programming Languages and Operating Systems (ECOOP-PLOS 2004) (2004 ECOOP Workshop on Programming Languages and Operating Systems (ECOOP-PLOS 2004) Olso, Norway 15.7.2004). 2004, S. 1-5. –

Lohmann, Daniel ; Scheler, Fabian ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Spinczyk, Olaf: PURE Embedded Operating Systems – CiAO . In: IEEE (Hrsg.) : Proceedings of the International Workshop on Operating System Platforms for Embedded Real-Time Applications (OSPERT 2006 Dresden, Germany July 4, 2006). 2006, S. -.

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Hofer, Wanja ; Lohmann, Daniel ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Concern Impact Analysis in Configurable System Software – The AUTOSAR OS Case . In: Wohlstadter, Eric ; Lohmann, Daniel ; Gibbs, Celina (Veranst.) : Proceedings of the 7th Workshop on Aspects, Components, and Patterns in Infrastructure Software (ACP4IS 2008) (7th Workshop on Aspects, Components, and Patterns in Infrastructure Software (ACP4IS 2008) Brussels, Belgium 03/31/2008). New York, NY, USA : ACM Press (Digital Library), 2008, S. 1-6. – ISBN 978-1-60558-142-2

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Lohmann, Daniel ; Streicher, Jochen ; Hofer, Wanja ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oderPreikschat, Wolfgang: Configurable Memory Protection by Aspects . In: Eide, Eric ; Fiuczynski, Marc ; Grimm, Robert ; Spinczyk, Olaf (Veranst.) : Proceedings of the 4th Workshop on Programming Languages and Operating Systems (PLOS 2007) (4th Workshop on Programming Languages and Operating Systems (PLOS 2007) Stevenson, WA, USA 10/18/2007). New York, NY, USA : ACM Press (Digital Library), 2007, S. 1-5. – ISBN 978-1-59593-922-7

8.4.5

¨ sicherheitskritische eingebettete SysteCoSa – Komponentarchitektur fur me

Projektleitung: Dipl.-Inf. Peter Ulbrich Beteiligte: Dr. Reiner Schmid, Siemens CT, M¨unchen Dr.-Ing. Michael Golm, Siemens CR, USA Laufzeit: 1.7.2007–30.6.2010 Mitwirkende Institutionen: Siemens Corporate Technology Siemens Corporate Research Kontakt: Dipl.-Inf. Peter Ulbrich 97

Tel.: +49 9131 85 27906 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected] Motivation Komponentenarchitekturen werden bereits seit einigen Jahren sehr erfolgreich in der Softwareentwicklung verwendet. Ihr Einsatz im Bereich der eingebetteten Systeme ist aber nach wie vor un¨ublich. Ein Grund hierf¨ur ist unter anderem die begrenzte Ausdruckskraft vorhandener Komponentennmodelle. Forschungsziele und Fragestellungen Das Ziel des CoSa Projekts ist die Entwicklung eines Komponentenmodels f¨ur den Einsatz in sicherheitskritischen eingebetteten Systemen. Wichtige Fragestellungen sind dabei: • Wie kann eine integrale Modellung sowohl funktionaler als auch nichtfunktionaler Eigenschaften unterst¨utzt werden? • Wie kann eine modellbasierte Analyse sicherheitskritsicher Eigenschaften erfolgen? • Wie k¨onnen die m¨oglichen Effekte einer Wiederverwendung von Black-BoxKomponenten im Hinblick auf die Sicherheit bestimmt werden? 8.4.6

FAME-DBMS – Methoden und Werkzeuge zum Bau feingranular konfigu¨ Anwendungen im Bereich eingebetteter rierbarer Datenbankfamilien fur Systeme

Beteiligte: Julio Sincero, M. Sc. Dipl.-Inf. Daniel Lohmann Laufzeit: 1.4.2006–1.4.2008 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Mitwirkende Institutionen: Otto-von-Guericke-Universit¨at Magdeburg, Arbeitsgruppe Datenbanken Eingebettete Rechensysteme ben¨otigen h¨aufig Infrastruktursoftware zur Datenhaltung, die vieles mit klassischen Datenhaltungssysteme (DBMS) gemein hat. Allerdings verhindern die Heterogenit¨at der Hardware, die teilweise extremen Ressourcenbeschr¨ankungen (z.B. 8-Bit Technik) und die unterschiedlichen Anforderungen der 98

h¨aufig sehr speziellen Anwendungsprogramme den Einsatz von Standardl¨osungen. Die Entwickler reagieren auf dieses Problem in der Regel mit Eigenentwicklungen, so dass das Rad sprichw¨ortlich immer wieder neu erfunden wird. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, Methoden und Werkzeuge zu evaluieren und zu verfeinern, die f¨ur den Bau anwendungsspezifisch konfigurierbarer DBMS zielf¨uhrend sind. Derartige Techniken k¨onnten durch Wiederverwendung Entwicklungskosten reduzieren, ohne auf der anderen Seite die Hardwarekosten zu erh¨ohen. Neben der Konstruktion von DBMS Familien soll dabei auch die Analyse von Anwendungen betrachtet werden, um so den Aufwand f¨ur die Konfigurierung der passenden DBMS Variante durch Automatisierung zu minimieren. Publikationen –

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Sincero, Julio ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: On the Configuration of Non-Functional Properties in Software Product Lines . In: Lee, Jaejoon ; John, Isabel ; Aoki, Toshiaki ; Mcgregor, John D. (Veranst.) : Proceedings of the 11th International Software Product Line Conference, The Second Volume (SPLC 2007) (11th International Software Product Line Conference, Doctoral Symposium Kyoto, Japan 10.08.2007). Tokio, Japan : Kindai Kagaku Sha Co. Ltd., 2007, S. 167-173. – ISBN 978-4-7649-0342-5

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Lohmann, Daniel ; Spinczyk, Olaf: Developing embedded software product lines with AspectC++ . In: ACM SIGPLAN (Veranst.) : OOPSLA ’06: Companion to the 21st ACM SIGPLAN conference on Object-oriented programming languages, systems, and applications (Conference on Object Oriented Programming Systems Languages and Applications Portland, Oregon, USA). New York : ACM Press, 2006, S. 740–742. – ISBN 1-59593-491-X

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Gilani, Wasif ; Scheler, Fabian ; Lohmann, Daniel ; Spinczyk, Olaf ; Schr¨oderPreikschat, Wolfgang: Unification of Static and Dynamic AOP for Evolution in Embedded Software Systems . In: Springer (Hrsg.) : Proceeding of 6th International Symposium on Software Composition (6th International Symposium on Software Composition Braga,Portugal 03.2007). 2007, S. -.

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Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Lohmann, Daniel ; Gilani, Wasif ; Scheler, Fabian ; Spinczyk, Olaf: Static and dynamic weaving in System Software with 99

AspectC++ . In: Coady, Yvonne ; Gray, Jeff ; Klefstad, Raymond (Hrsg.) : Proceeding of the 39th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS-39) (Mini-Track on Adaptive and Evolvable Software Systems Hawaii January 2006). Washington : IEEE Press, 2006, S. 214a. (System Sciences Bd. 9) – ISBN 0-76952507-5 8.4.7

FOREVER – Fault/intrusiOn REmoVal through Evolution & Recovery

Projektleitung: Paulo Sousa Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Beteiligte: Dipl.-Inf. Tobias Distler Hans P. Reiser Paulo Sousa Alysson Bessani Ilir Gashi Vladimir Stankovic Laufzeit: 1.1.2008–4.4.2009 F¨orderer: European Network of Excellence ReSIST Kontakt: Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Tel.: +49 9131 85 28820 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected] FOREVER is a one-year research project (Jan-Dec 2008) funded by the European Union through the ReSIST Network of Excellence. The goal of the project is to develop a Fault/intrusiOn REmoVal through Evolution & Recovery (FOREVER) service. This service can be used to enhance the resilience of replicated systems, namely those that can be affected by malicious attacks. FOREVER addresses three of the research gaps identified in ReSIST D13 deliverable, namely: GE1 – Evolution of Threats, GA3 – Dependability Cases, and GD1 – Diversity for Security. In order to achieve the project goal, the work will be divided into three main tasks: -definition of the FOREVER service architecture; -analysis of how diversity can be managed; -evaluation of the FOREVER service and development of a dependability case. 100

The project team is composed of persons belonging to three ReSIST partners and two ReSIST affiliates. Publikationen –

8.4.8

Bessani, Alysson ; Reiser, Hans P. ; Sousa , Paulo ; Gashi , Ilir ; Stankovic , Vladimir ; Distler, Tobias ; Kapitza, R¨udiger ; Daidone , Alessandro ; Obelheiro , Rafael: FOREVER: Fault/intrusiOn REmoVal through Evolution & Recovery . In: ACM New York, NY, USA (Hrsg.) : Companion ’08: Proceedings of the ACM/IFIP/USENIX Middleware ’08 Conference Companion (ACM/IFIP/USENIX Middleware ’08 Leuven, Belgium). 2008. – ISBN 978-160558-369-3 ¨ sicherheitskritiI4Copter – Ausbildungs- und Demonstrationsplattform fur sche Systemsoftware

Projektleitung: Dipl.-Inf. Peter Ulbrich Beteiligte: Dipl.-Ing. (FH) Daniel Christiani Dipl.-Inf. Fabian Scheler Dr. Reiner Schmid, Siemens CT Laufzeit: 1.10.2007–30.6.2010 F¨orderer: Siemens Corporate Technologie Kontakt: Dipl.-Inf. Peter Ulbrich Tel.: +49 9131 85 27906 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected]

8.4.9

¨ tief eingebettete Systeme KESO – Eine Java-Laufzeitumgebung fur

Projektleitung: Dipl.-Inf. Christian Wawersich Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Stilkerich 101

Beginn: 11.7.2005 Kontakt: Dipl.-Inf. Christian Wawersich Tel.: +49 9131 85-28029 Fax: +49 9131 85-28732 E-Mail: [email protected] KESO ist ein Java Laufzeitumgebung f¨ur tief eingebettete Systeme und Mikrokontroller-Netzwerke. Es baut auf einem OSEK/VDX Betriebssystem auf. KESO bietet ein Prozesskonzept zur Isolation mehrerer Anwendungen. Die Einheit zur Isolation wird in KESO als Domain bezeichnet und erlaubt die sichere Koexistenz von mehreren Anwendungen auf einem Mikrokontroller. Zur Kommunikation zwischen Domains bietet die Laufzeitumgebung sowohl einen RPC a¨ hnlichen Mechanimus als auch die M¨oglichkeit zur gemeinsamen Nutzung von Speicherbereichen. Publikationen –

Wawersich, Christian ; Stilkerich, Michael ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: An OSEK/VDX-based Multi-JVM for Automotive Appliances . In: Springer Boston (Hrsg.) : Embedded System Design: Topics, Techniques and Trends (International Embedded Systems Symposium 2007 Irvine, CA , USA 29.05.2007). Boston : Springer Boston, 2007, S. 85-96. (IFIP International Federation for Information Processing) – ISBN 978-0-387-72257-3

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Wawersich, Christian ; Stilkerich, Michael ; Ellner, Ralf ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: A Distributed Middleware for Automotive Applications . In: Di Natale, Marco ; Almeida, Luis (Hrsg.) : Proceedings of the 1st Workshop on Models and Analysis for Automotive Systems (1st Workshop on Models and Analysis for Automotive Systems Rio de Janeiro 05.12.2006). Bd. 1, 1. Aufl. 2006, S. 25-28.

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Stilkerich, Michael ; Wawersich, Christian ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Gal, Andreas ; Franz, Michael: An OSEK/VDX API for Java . In: ACM (Hrsg.) : Proceedings of the 3rd Workshop on Programming Languages and Operating Systems (ASPLOS XII San Jose 22.10.2006). New York : ACM, 2006, S. 13-17. ISBN 1-59593-577-0

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Wawersich, Christian: Software-basierter Speicherschutz durch spezialisierte Java-VMs auf Microcontrollersystemen . Erlangen : Friedrich-Alexander Universit¨at Erlangen-N¨urnberg. 2005. – Interner Bericht

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8.4.10

MCM – Mikrocontroller Manager

Projektleitung: Dr.-Ing. Meik Felser Beteiligte: Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Laufzeit: 1.6.2005–10.10.2008 Kontakt: Dr.-Ing. Meik Felser Fax: +49-9131-85-28732 E-Mail: [email protected] In diesem Projekt geht es um die dynamische Adaption der Software auf einem Mikrocontroller. In einem Netzwerk aus Mikrocontrollern sind oft auch gr¨oßere Knoten vorzufinden (z.B. Basisstationen bei Sensornetzwerken). Diese Knoten sollen kleine Knoten in dem Netzwerk verwalten und unterst¨utzen. Ein zentraler Punkt ist dabei die Umkonfiguration der Systemsoftware auf den kleinen Knoten, um die Laufzeitumgebung immer optimal den Bed¨urfnissen der Anwendung anzupassen. Dar¨uber hinaus sollen gr¨oßere Knoten auch ihre Ressourcen mithilfe von Fernaufrufen den kleinen Knoten zu Verf¨ugung stellen. Selten benutzte Funktionen k¨onnen so dynamisch zur Laufzeit von den kleinen Knoten entfernt und als externer Dienst ausgelagert werden. Publikationen –

Felser, Meik ; Kapitza, R¨udiger ; Klein¨oder, J¨urgen ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Dynamic Software Update of Resource-Constrained Distributed Embedded Systems . In: IFIP (Veranst.) : Embedded System Design: Topics, Techniques and Trends (International Embedded Systems Symposium 2007 (IESS ’07) Irvine, CA, USA 29.5-1.6.2007). Boston : Springer-Verlag, 2007, S. 387-400. (IFIP International Federation for Information Processing Bd. 231) – ISBN 978-0-38772257-3

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Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang ; Kapitza, R¨udiger ; Klein¨oder, J¨urgen ; Felser, Meik ; Karmeier, Katja ; Labella, Thomas Halva ; Dressler, Falko: Robust and Efficient Software Management in Sensor Networks . In: IEEE Communications Society (Hrsg.) : 2nd IEEE/ACM International Conference on Communication System Software and Middleware (COMSWARE 2007) (2nd IEEE/ACM International Workshop on Software for Sensor Networks (SensorWare 2007) Bangalore, India January 8, 2007). Los Alamitos, USA : IEEE Computer Society, 2007, S. -. (IEEE Digital Library)

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8.4.11

Moduswechsel hybrider Echtzeitsysteme

Projektleitung: Dipl.-Inf. Martin Mitzlaff Beteiligte: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat Laufzeit: 1.11.2006–31.10.2009 F¨orderer: Audi AG Mitwirkende Institutionen: INI.FAU Kontakt: Dipl.-Inf. Martin Mitzlaff Tel.: +49 9131 85 27897 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected] Mit der teilweisen Abl¨osung des ereignisgesteuerten CAN durch zeitgesteuerte FlexRay-Subsysteme werden k¨unftige Automobile hybride (verteilte) Echtzeitsysteme darstellen. Dabei sehen sich die Anwendungen einem schrittweise ”von unten nach oben” verlaufenden Migrationspfad gegen¨ubergestellt: Ereignisgesteuerte Kommunikationsabl¨aufe sind auf zeitgesteuerte Buszugriffe abzubilden und ereignisgesteuerte Berechnungsabl¨aufe auf zeitgesteuerte Prozessorzuteilung. Bei zeitgesteuerten Systemen wird der Ablaufplan basierend auf Vorabwissen erstellt, entkoppelt (off-line) von der Aufgabenbearbeitung bzw. den Kommunikationsvorg¨angen. Der Ablaufplan ist (zur Laufzeit) statisch, im Gegensatz zu ereignsgesteuerten Systemen. Dabei bilden Periodizit¨at, (relative/absolute) Termine oder etwa die Dauer, f¨ur die eine Anwendung ein Betriebsmittel ben¨otigt, typische maßgebliche Einplanungskriterien. Statische Ablaufpl¨ane sind sehr auf einen Anwendungsfall hin optimiert. Bei ver¨anderten Anforderungen ist ein Wechsel des Ablaufplans erforderlich. Dies impliziert einen Wechsel des Betriebsmodus des Gesamtsystems. Untersucht werden sollen Verfahren, die einen (periodischen, aperiodischen, sporadischen) Moduswechsel auf ausgew¨ahlten Knoten eines auf FlexRay basierenden Steuerger¨atenetzes im Automobil koordiniert und konsistent ablaufen lassen. Ein ganzheitlicher Ansatz soll betrachtet werden, der allgemein die zeitgesteuerte Zuteilung von Betriebsmitteln (beispielhaft: Bus- und Prozessorzeitfenster) in den Vordergrund stellt. Ein wichtiger Aspekt der Arbeiten besteht in der Erkennung von Fehlverhalten: Dass sich ein oder mehrere Steuerger¨ate fehlerbedingt in einen falschen Modus befinden, ist zu erkennen, anzuzeigen und ggf. automatisch zu behandeln (Selbstheilung). Wenn m¨oglich, sollen Steuerger¨ate in die Lage versetzt werden, ihren falschen Betriebsmodus 104

selbst festzustellen und im Ausnahmefall in den richtigen Betriebsmodus umzuschalten oder ein Notprogramm zu starten (fail silent). 8.4.12

pCtrl – Entwurfsmuster paralleler Steuerungssysteme

Projektleitung: Philippe Stellwag, M. Sc. Laufzeit: 1.11.2007–31.12.2010 F¨orderer: Siemens AG Kontakt: Philippe Stellwag, M. Sc. Tel.: +49 9131 85 27277 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected] Aufgrund physikalisch bedingter Restriktionen von Single-Core-Prozessoren werden zunehmend CPUs entwickelt, die u¨ ber mehrere Ausf¨uhrungseinheiten – sogenannte Multicore- bzw. Manycore-Prozessoren. Um dieses ”Mehr” an Performance nutzen zu k¨onnen, muss s¨amtliche sequentielle Software auf Parallelisierbarkeit untersucht sowie umstrukturiert werden. Dieser Wandel hat im Desktop-Bereich bereits Einzug gehalten. Im Bereich eingebetteter und sicherheitskritischer Systeme, welche dem Desktop-Sektor ungef¨ahr zwei Jahre hinterherhingt, bereitet diese Parallelisierung allerdings weitaus mehr Kopfzerbrechen. Die Gr¨unde daf¨ur sind, dass bei sicherheitskritischer Systemsoftware neben der Anforderung formal korrekter Berechnungsergebnisse, die Ergebnisse zudem ”rechtzeitig” vorliegen m¨ussen. Zudem stehen Zuverl¨assigkeitsanforderungen im Vordergrund solcher Systeme. Diese Randbedingungen finden sich bei den meisten Regelungs- und Steuerungsger¨aten (z. B. Roboter, Bewegungs- oder Antriebssteuerungen) mit diversen H¨artegraden (von weicher bis harter Echtezeit) wieder. Das Ziel des Forschungsprojekts pCtrl ist es, Methoden und Werkzeuge zur Parallelisierung vorhandener Steuerungssysteme zu verbessern, welche den Anforderungen sicherheitskritischer Steuerungssystemen stand halten. 8.4.13

PLiC – Dekomposition und Komposition von Software-Produktlinien

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat Dipl.-Ing. Christa Schwanninger (Siemens CT) Beteiligte: Dipl.-Inf. Christoph Elsner 105

Beginn: 1.3.2008 F¨orderer: Siemens Corporate Technology, Software & Engineering Kontakt: Dipl.-Inf. Christoph Elsner Tel.: +49 9131 85 27903 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected] Die Entwicklung von einzelnen Softwareprodukten durch den Produktlinienansatz hat zu enormen Effizienzgewinnen gef¨uhrt. Insbesondere f¨ur Softwareanbieter mit umfangreichem Produktportfolio bietet er die M¨oglichkeit, systematisch von der Wiederverwendung gemeinsamer Bestandteile zu profitieren. Auch variable Produktanteile, die je nach konkretem Produkt unterschiedlich ausfallen k¨onnen, werden bei der Produktlinienentwicklung planm¨aßig mit einbezogen. Die bisher erzielten Erfolge des Produktlinienansatzes beschr¨anken sich jedoch vornehmlich auf F¨alle, bei denen die Wiederverwendung sich auf leicht modularisierbare, generische Programmmodule beschr¨ankt und bei denen die Produktlinie einen klar von weiteren Produktlinien abgegrenzten Geltungsbereich hat. Um die in Großunternehmen m¨oglichen Synergien auch angemessen nutzen zu k¨onnen, m¨ussen jedoch auch komplexere Funktionalit¨aten in Umgebungen mit mehreren Software-Produktlinien ber¨ucksichtigt werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird ein Gesamtkonzept zur Dekomposition und Komposition von Produktlinien erstellt. Dabei wird insbesondere die heterogene Darstellung der Produktlinien im Problemraum und die Umsetzung von Variabilit¨at im L¨osungsraum ber¨ucksichtigt, wie sie bei der Komposition ganzer Produktlinien auftritt. Modellgetriebene und aspektorientierte Verfahren werden hierbei explizit ber¨ucksichtigt und in das Konzept integriert. Publikationen –

Elsner, Christoph ; Lohmann, Daniel ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Towards Separation of Concerns in Model Transformation Workflows . In: Thiel, Steffen ; Pohl, Klaus (Hrsg.) : Proceedings of the 12th Software Product Line Conference (SPLC ’08), Second Volume. (12th Software Product Line Conference: Workshop on Early Aspects Limerick, Ireland 09/08/2008). Limerick, Ireland : Lero International Science Centre, 2008, S. 81-88. – ISBN 978-1-905952-06-9

8.4.14

¨ Selbstadaptive Mobile Prozesse SAMProc – Middleware fur

Projektleitung: 106

Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Franz J. Hauck Beteiligte: Holger Schmidt Beginn: 11.6.2006 Kontakt: Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Tel.: +49 9131 85 28820 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected]

Publikationen –

Schmidt, Holger ; Kapitza, R¨udiger ; Hauck, Franz J. ; Reiser, Hans P.: Adaptive Web Service Migration . In: Meier, R. ; Terzis, S. (Hrsg.) : DAIS 2008 (8th IFIP International Conference on Distributed Applications and Interoperable Systems (DAIS’08) Oslo, Norway 4-6.6.2008). Bd. 5053. 2008, S. 182-195.

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Schmidt, Holger ; Yip, Jon H. ; Hauck, Franz J. ; Kapitza, R¨udiger: Decentralised Dynamic Code Management for OSGi . In: Michiels, Sam (Hrsg.) : Proceedings of the Sixth MiNEMA workshop (6th MiNEMA Workshop (affiliated with EuroSys 2008) Glasgow, Scotland 1.4.2008). 2008, S. 10-14. – ISBN 978-1-60558122-4

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Kapitza, R¨udiger ; Schmidt, Holger ; Barlang Udo ; Hauck, Franz J.: A Generic Infrastructure for Decentralised Dynamic Loading of Platform-Specific Code . In: Indulska, J. ; Raymond, K. (Hrsg.) : DAIS 2007 (7th IFIP International Conference on Distributed Applications and Interoperable Systems Phapos, Zypern 5-8.6.2007). Bd. 4531. Berlin Heidelberg New York : Springer, 2007, S. 323-336. (LNCS)

8.4.15

VAMOS – Variabilit¨atsverwaltung in Betriebssystemen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Gernoth Dipl.-Inf. Daniel Lohmann 107

Julio Sincero, M. Sc. Dipl.-Inf. Reinhard Tartler Dipl.-Inform. Dirk Wischermann Fr¨ohlich, Antˆonio Augusto Laufzeit: 1.11.2008–31.10.2011 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Mitwirkende Institutionen: Universidade Federal de Santa Catarina, Laborat´orio de Integrac¸a˜ o de Software e Hardware, LISHA Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat Tel.: +49 9131 85-27278 Fax: +49 9131 85-28732 E-Mail: [email protected] Thema des Vorhabens ist die durch nichtfunktionale Eigenschaften von Betriebssystemfunktionen hervorgerufene Variabilit¨at von Systemsoftware: (a) die durch verschiedene Implementierungen derselben Systemfunktion verursachte Variabilit¨at, um gewisse nichtfunktionale Eigenschaften in Erscheinung treten zu lassen, und (b) die auf der benutzenden Ebene dieser Implementierungen auftretende Variabilit¨at, um die Auswirkungen bestimmter nichtfunktionaler Eigenschaften zu kompensieren. Programmsequenzen zur fallabh¨angigen Kompensation von Effekten an solchen Auswirkungsstellen in der Systemsoftware werden durch problem- spezifisch ausgelegte Fittinge in einer dom¨anenspezifischen Programmiersprache (DSL) beschrieben: Ein Fitting a¨ hnelt einem Aspekt (AOP), er kann jedoch feingranular an beliebige und extra ausgewiesene Programmstellen in die Systemsoftware eingebracht werden. Die Verschmelzung der Implementierungen und Auswirkungsstellen von ausgew¨ahlten nichtfunktionalen Eigenschaften nimmt ein Werkzeug (Fittingkompilierer) vor, das fallspezifisch die Fittinge verarbeitet. Behandelt werden so u.a. architektonische Belange eines Betriebssystems zur Synchronisation, Verdr¨angung (von Ausf¨uhrungsstr¨angen) und Rechnerbetriebsart. Der Ansatz wird an Eigen- (CiAO) und Fremdentwicklungen (eCos, Linux) auf seine Eignung hin validiert. Um das Risiko von Fehlentscheidungen im Kompositionsprozess zu verringern, wird eine multikriterielle Bewertung von funktional zwar identischen jedoch in nichtfunktionaler Hinsicht verschiedenen Betriebssystemprodukten vorgenommen. 8.4.16

VM-FIT – Virtual Machine-based Fault and Intrusion Tolerance

Projektleitung: 108

Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Hans P. Reiser Beteiligte: Dipl.-Inf. Tobias Distler Beginn: 1.10.2006 Mitwirkende Institutionen: LASIGE – Large-Scale Informatics Systems Laboratory, Universidade de Lisboa Kontakt: Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza Tel.: +49 9131 85 28820 Fax: +49 9131 85 28732 E-Mail: [email protected]

Publikationen –

Distler, Tobias ; Kapitza, R¨udiger ; Reiser, Hans P.: Efficient State Transfer for Hypervisor-Based Proactive Recovery . In: Correia, Miguel ; Martin, JeanPhilippe (Hrsg.) : Proceedings of the2nd Workshop on Recent Advances on Intrusion-Tolerant Systems (2nd Workshop on Recent Advances on IntrusionTolerant System Glasgow, Scotland 1.4.2008). New York, USA : ACM Digital Library, 2008, S. 7-12. – ISBN 978-1-59593-986-9

–

Reiser, Hans P. ; Kapitza, R¨udiger: Hypervisor-Based Efficient Proactive Recovery . In: IEEE (Hrsg.) : Proc. of the of the 26th IEEE Symposium on Reliable Distributed Systems – SRDS’07 (IEEE Symposium on Reliable Distributed Systems (SRDS 2006) Beijing, China 10.10-12.10). 2007, S. 14.

–

Reiser, Hans P. ; Kapitza, R¨udiger: VM-FIT: Supporting Intrusion Tolerance with Virtualisation Technology . In: Correia, Miguel ; Neves, Nuno Ferreira (Hrsg.) : Proceedings of the First Workshop on Recent Advances on IntrusionTolerant Systems (Workshop on Recent Advances on Intrusion-Tolerant Systems (WRAITS 2007) Lissabon, Portugal 23.03.2007). 2007, S. 18-22.

–

Reiser, Hans P. ; Hauck, Franz J. ; Kapitza, R¨udiger ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Hypervisor-Based Redundant Execution on a Single Physical Host (Fast abstract) . In: IEEE (Hrsg.) : Proc. of the 6th European Dependable Computing Conference – EDCC’06 (Sixth European Dependable Computing Conference Coimbra, Portugal Oct 18-20). 2006, S. 2.

109

8.5

Studien- und Abschlussarbeiten

–

Diplomarbeit: Entwurf eines OSEK Adaption Layers f¨ur das Betriebssystem EPOS. Bearbeiter: Harald Bauer (beendet am 21.1.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Christian Wawersich; Dipl.-Inf. Michael Stilkerich

–

Diplomarbeit: Unterst¨utzung eines schnellen verteilten Proactive Recovery unter Verwendung eines Hypervisors. Bearbeiter: Tobias Distler (beendet am 30.01.2008); Betreuer: Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat

–

Diplomarbeit: Produktlinien¨ubergreifende Wiederverwendung in einem modellgetriebenen Software-Entwicklungsprozess. Bearbeiter: Christoph Elsner (beendet am 31.01.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Daniel Lohmann

–

Studienarbeit: Portierung und Modernisierung des Lehrbetriebssystems OOSTUBS. Bearbeiter: Henry Sch¨afer (beendet am 07.02.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Daniel Lohmann; Julio Sincero, M. Sc.

–

Studienarbeit: Entwicklung einer konfigurierbaren eingebettetenWetterstation mit Policy-Based Designund Feature-Oriented Programming . Bearbeiter: Christian Neuhaus (beendet am 14.02.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Daniel Lohmann

–

Diplomarbeit: Untersuchung von Scheduling- und Synchronisations-Verfahren f¨ur eingebettete Mehrprozessorsysteme mit Echtzeitanforderungen. Bearbeiter: Markus Gerstner (beendet am 03.03.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dr.-Ing. J¨urgen Klein¨oder

–

Studienarbeit: MPStuBS – Eine multiprozessorf¨ahige Variante des OOStuBSLehrbetriebssystems. Bearbeiter: Andreas Schweikart (beendet am 31.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Daniel Lohmann; Dipl.-Inf. Wanja Hofer; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat

–

Diplomarbeit: Verschl¨usselte Dateisysteme in Mehrbenutzer-Szenarien. Bearbeiter: Max Lindner (beendet am 11.04.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Reinhard Tartler; Dipl.-Inf. Michael Gernoth

–

Diplomarbeit: Hardwareunterst¨utzte, zeittransparente Behandlung von Unterbrechungen in einem Echtzeitbetriebssystem auf dem TriCore TC1796. Bearbeiter: Rudi Pfister (beendet am 14.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Fabian Scheler; Dipl.Inf. Daniel Lohmann; Dipl.-Inf. Wanja Hofer; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oderPreikschat 110

–

Studienarbeit: Portierung von eCos auf den TriCore TC1796 Mikrocontroller. Bearbeiter: Thomas Kl¨ober (beendet am 27.5.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Fabian Scheler

–

Diplomarbeit: Konzeption und Implementierung einer aktualisierbaren Prozesskette zur schablonenbasierten Generierung. Bearbeiter: Claudius Adrian (beendet am 30.05.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.Inf. Peter Ulbrich

–

Diplomarbeit: Statistical Analysis of IP Performance Metrics in International Research and Educational Networks. Bearbeiter: Thomas Holleczek (beendet am 30.05.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Michael Gernoth; Dipl.-Inf. Verena Venus

–

Studienarbeit: Realisierung einer prototypischen Lagekontrolle f¨ur einen ModellQuadrocopter. Bearbeiter: Benedikt Dremel (beendet am 31.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Peter Ulbrich; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat

–

Studienarbeit: Realisierung einer prototypischen Steuerungssoftware f¨ur einen Quadcopter. Bearbeiter: Sebastian Harl (beendet am 31.05.2008); Betreuer: Dipl.Inf. Peter Ulbrich; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat

–

Studienarbeit: Realisierung einer prototypischen Steuerungssoftware f¨ur einen Quadcopter. Bearbeiter: Sebastian Kotulla (beendet am 31.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Peter Ulbrich; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat

–

Diplomarbeit: Adaption einer realistischen Applikation f¨ur die Replikation unter Einsatz der Replikationsumgebung VM-FIT. Bearbeiter: Marco Liebing (beendet am 06.06.2008); Betreuer: Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat

–

Studienarbeit: Entwurf und Implementierung eines zeitgesteuerten Schedulers f¨ur eCos. Bearbeiter: Michael Lang (beendet am 26.06.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Fabian Scheler

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Diplomarbeit: Design und Realisierung eines aspektgewahren Komponentenmodels basierend auf OSGi. Bearbeiter: Sven Schober (beendet am 22.07.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza

–

Diplomarbeit: Statische WCET Analyse von LLVM Bytecode. Bearbeiter: Benjamin Oechslein (beendet am 01.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Fabian Scheler

111

–

Diplomarbeit: Bereitstellung einer Plattform zur dynamische Platzierung von Diensten in weitverteilten Systemen. Bearbeiter: Martin Auer (beendet am 05.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza

–

Diplomarbeit: Dynamische Re-Programmierung von Sensorknoten zur Laufzeit. Bearbeiter: Moritz Str¨ube (beendet am 05.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dr.-Ing. R¨udiger Kapitza; Dr.-Ing. Falko Dressler

–

Studienarbeit: Vergleichende Betrachtung von OSEK und KESO am Beispiel eines Warenabrechnungssystems. Bearbeiter: Rainer Sennwitz (beendet am 20.10.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dipl.-Inf. Michael Stilkerich

–

Diplomarbeit: Entwurf und Implementierung eines Membership-Algorithmus f¨ur einen FlexRay-Cluster. Bearbeiter: Michael Lang (beendet am 26.11.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Martin Mitzlaff; Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat

–

Diplomarbeit: Entwicklung von modellbasierten Konzepten zur Steigerung der Robustheit eines verteilten Echtzeitsystems im medizinischen Umfeld. Bearbeiter: Michael J¨antsch (beendet am 01.12.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat; Dr.-Ing. J¨urgen Klein¨oder

112

¨ Informatik 5 (Mustererkennung) Lehrstuhl fur Anschrift: Martensstrasse 3, 91058 Erlangen Tel.: +49 9131 85 27775 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Emeritus: Prof. em. Dr.-Ing. Heinrich Niemann Sekretariat: Iris Koppe Kristina M¨uller Leitung Rechnersehen: Prof. Elli Angelopoulou Rechnersehen: Prof. Elli Angelopoulou Dipl.-Inf. Eva Eibenberger Andre Guilherme Linarth, M. Sc. Philip Mewes, M. Sc. Dipl.-Inf. Christian Rieß Stefan Soutschek, M. Sc. Leitung Medizinische Bildverarbeitung: Dipl.-Inf. Marcus Pr¨ummer Medizinische Bildverarbeitung: Michael Balda, M. Sc. Dipl.-Inf. R¨udiger Bock Dipl.-Inf. Anja Borsdorf Attila Budai Dipl.-Inf. Volker Daum Ahmed El-Rafei, M. Sc. Dipl.-Inf. Johannes Feulner Andreas Fieselmann, M. Sc. Simone Gaffling, M. Sc. Dipl.-Inf. Dieter Hahn Dipl.-Inf. Hannes Hofmann Dipl.-Ing. Kurt H¨oller Dipl.-Inf. Florian J¨ager Benjamin Keck, M. Sc. 113

Dipl.-Inf. Eva Kollorz Dipl.-Inf. Markus Mayer Dipl.-Inf. J¨org Meier Dipl.-Inf. Arne Militzer Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne Davide Piccini, M. Sc. Dipl.-Inf. Marcus Pr¨ummer Dipl.-Phys. Philipp Ritt Dipl.-Inf. Christopher Rohkohl Dipl.-Inf. Eva Rothgang Dipl.-Inf. Christian Schaller Dipl.-Inf. Konrad Sickel Dipl.-Inf. Martin Spiegel Michael St¨urmer, M. Sc. Dipl.-Inf. Michael Wels Dipl.-Inf. Andreas Wimmer Dipl.-Ing. Johannes Zeintl Leitung Digitaler Sport: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Digitaler Sport: Dipl.-Ing. Bj¨orn Eskofier Leitung Sprachverarbeitung: Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth Sprachverarbeitung: Dr. phil. Anton Batliner Dipl.-Inf. Tobias Bocklet Dr.-Ing. Tino Haderlein Dipl.-Inf. Florian H¨onig Dipl.-Ing. Dirk Kolb Dipl.-Inf. Andreas Maier Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth Dipl.-Inf. Korbinian Riedhammer Dipl.-Inf. Werner Spiegl Dipl.-Inf. Stefan Steidl Lehrbeauftragte: Dr. rer. nat. Bj¨orn Heismann Dr.-Ing. Markus Kowarschik Dipl.-Inf. Oliver Scholz Dr.-Ing. Thomas Wittenberg Nichtwiss. Personal:

114

Walter Fentze Iris Koppe Sebastian Korschofski Kristina M¨uller Friedrich Popp Auszubildender: Sebastian Korschofski Praktikanten: Andreas Erzigkeit G¨aste: Konstantin Chirkov Samuel Mburn Mwanagi Amor Mahmoud Balazs Erd¨ohelyu Prof. L´aszl´o Ny´ul Dr. Yatsko Viatcheslav Dr. Andrey Samorodov Maria Polyanskaya Ekaterina Sologub Prof. Roland Bammer Prof. Ph.D. Burak Acar Prof. Richard Hartley Prof. Dr. Rebecca Fahrig Prof. Dr. Thorsten Buzug Prof. Dr. Carlo Tomasi Prof. Franjo Pernu

Der Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung (LME) ist Teil des Instituts f¨ur Informatik der Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg. Von 1975, dem Gr¨undungsjahr des Lehrstuhls, bis September 2005 war Prof. Dr.-Ing. H. Niemann Lehrstuhlinhaber des LME. Im Oktober 2005 hat Prof. Dr.-Ing. J. Hornegger die Leitung des Lehrstuhls u¨ bernommen. Das Ziel der Mustererkennung ist die Erforschung der mathematischen und technischen Aspekte der Perzeption von Umwelteindr¨ucken durch digitale Rechensysteme. Die Umwelt wird dabei durch Sensoren erfasst – die gemessenen Werte bezeichnet man als Muster. Die automatische Transformation der gewonnenen Muster in symbolische Beschreibungen bildet den Kern der Mustererkennung. Ein Beispiel hierf¨ur sind automatische Sprachdialogsysteme, bei denen ein Benutzer an ein System per nat¨urlicher gesprochener Sprache Fragen stellt: Mit einem Mikrophon (Sensor) werden die Schall115

wellen (Umwelteindr¨ucke) aufgenommen. Die Auswertung des Sprachsignals mit Hilfe von Methoden der Mustererkennung liefert dem System die notwendigen Informationen, um die Frage des Benutzers beantworten zu k¨onnen. Die Mustererkennung befasst sich dabei mit allen Aspekten eines solchen Systems von der Akquisition der Daten, bis hin zur Repr¨asentation der Erkennungsergebnisse. Die Anwendungsgebiete der Mustererkennung sind sehr breit gef¨achert und reichen von Industrieller Bildverarbeitung u¨ ber Handschriftenerkennung, Medizinischer Bildverarbeitung, sprachverstehenden Systemen bis hin zu Probleml¨osungen in der Regelungstechnik. Die Forschungsaktivit¨aten am Lehrstuhl werden dabei in die vier Bereiche • Rechnersehen • Medizinische Bildverarbeitung • Digitaler Sport • Sprachverarbeitung gegliedert, wobei der Anwendungsschwerpunkt im Bereich der Medizin liegt. Rechnersehen Der Bereich Rechnersehen bearbeitet die Objektverfolgung, Objekterkennung und Objektrekonstruktion aus Kameradaten. Ein zentrales, darauf aufbauendes Thema ist die aktive Sensordatenauswahl. Dabei werden die informationstheoretisch optimalen Kameraaktionen f¨ur diese Probleme a priori gesch¨atzt. Ein weiterer Punkt ist die plenoptische Modellierung von Objekten und die Integration dieser Daten in reale Aufnahmen mit dem Ziel der Erweiterten Realit¨at. In der Objekterkennung werden aktuell erscheinungsbasierte, statistische Klassifikatoren mit Farb- und Kontextmodellierung untersucht. Medizinische Bildverarbeitung Die Forschungsarbeiten im Bereich der Medizinischen Bildverarbeitung besch¨aftigen sich mit Fragestellungen der Bildregistrierung, Rekonstruktion, Segmentierung und Bildanalyse. Im Rahmen des SFB 539 wird ein Verfahren zur Fr¨uherkennung von Glaukomerkrankungen weiterentwickelt. Hierbei wird die Segmentierung des optischen Sehnervenkopfes ebenso untersucht wie die segmentierungsfreie Klassifikation. Erweiterte Rekonstruktionsalgorithmen zur 3D/4D Herzrekonstruktion unter Verwendung von C-Arm CT werden untersucht und entwickelt. Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 603 besteht ein Ziel darin, Augmented Reality w¨ahrend minimal-invasiv durchgef¨uhrter Eingriffe in der Bauchh¨ohle bereitzustellen. Weiterhin werden neuartige bildgebende Verfahren sowie exakte Rekonstruktionsalgorithmen in der Computertomogra116

phie (CT) entwickelt und deren Realisierung mittels unterschiedlichen Hardwarearchitekturen untersucht. Eine weitere Problemstellung ist die Detektion und Segmentierung von Lymphknoten in Ganzk¨orper Magnetresonanzaufnahmen und Kantenerhaltende Rauschreduktion in der CT auf Basis von Korrelationsanalysen. Digitaler Sport Eingebettete Systeme sind in der Lage, ihren Benutzern in vielen Bereichen des Alltags wichtige und interessante Informationen bereitzustellen. Beispiele daf¨ur finden sind in der Automobiltechnik, der Automation industrieller Abl¨aufe, in medizinischen Implantaten und in vielen anderen Anwendungsgebieten. Speziell im Sportbereich sind Systeme zur Unterst¨utzung, Leitung und Motivation von Athleten von großem Wert. Es gibt bereits heute beispielsweise die M¨oglichkeit, die Pulsfrequenz und/oder die momentane Geschwindigkeit von L¨aufern zu messen und anzuzeigen. Im Rahmen der Forschung im Digitalen Sport werden solche und a¨ hnliche Konzepte untersucht und verbessert. Zu diesem Zweck werden M¨oglichkeiten zur Integration von verschiedenen Sensoren in Sportbekleidung gepr¨uft. Dar¨uber hinaus werden die potentiellen Verarbeitungsalgorithmen f¨ur die gemessenen Signale einer genauen Betrachtung unterzogen. Methoden der Mustererkennung werden dann angewendet um die Informationen welche von Interesse sind zu extrahieren. Denkbare Beispiele sind die Anzeige des Erm¨udungszustandes oder die Bewertung der Qualit¨at der Laufbewegung, um Langzeitsch¨aden zu vermeiden. Sprachverarbeitung Neben der automatischen Merkmalberechnung und der darauf aufbauenden Spracherkennung besch¨aftigt sich der Lehrstuhl mit den folgenden Aufgabengebieten der Spracherkennung: Sprachdialogsysteme, Erkennung und Verarbeitung von unbekannten W¨ortern, Sprachbewertung sowie automatische Analyse und Klassifikation prosodischer Ph¨anomene. Weiterer Schwerpunkt ist seit einigen Jahren die automatische Erkennung von emotionalen Benutzerzust¨anden mit Hilfe akustischer und linguistischer Merkmale. Neu hinzugekommen sind die Erkennung solcher Benutzerzust¨ande anhand physiologischer Parameter sowie die multimodale Erkennung des Aufmerksamkeitsfokus von Benutzern bei der Mensch-Maschine-Interaktion.

9.1

Forschungsschwerpunkte • nicht-starre Registrierung multimodaler Bilddaten • monomodale Bildfusion zur Verlaufskontrolle bei der Tumor Therapie • Verfahren zur Schw¨achungskorrektur bei der SPECT-Rekonstruktion

117

• Rekonstruktion bewegter Objekte bei bekannter Projektionsgeometrie • Berechnung und Visualisierung des Blutflusses in 3D-Angiogrammen • Segmentierung von CT-Datens¨atzen • schnelle Bildverarbeitung auf Standardgrafikkarten • Diskrete Tomographie • Sprachsteuerung interventioneller Werkzeuge • 3D Objekterkennung • Objektverfolgung • Aktive Sensordatenverarbeitung • 3D Rekonstruktion und Kamerakalibrierung • Plenoptische Modellierung • Erweiterte Realit¨at • Autonome, mobile Systeme • Aktive unterst¨utzende Systeme im Sport • Erm¨udungserkennung • Mimik- und Gestik • Bewertung von pathologischer Sprache • Aussprachebewertung • Prosodie • Dialog ¨ • Benutzerzustandserkennung (von Arger u¨ ber M¨udigkeit bis Z¨ogern)

118

9.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung • Mobiles System MOBSY mit aktivem Stereokamera-Kopf • Drehteller und Schwenkarm zur Bildaufnahme • Smartkom-Zelle • Head-Mounted Display mit integriertem Stereokamera-System • Pan-Tilt Einheiten • Time-of-Flight Camera

Aufgrund der engen Kooperation der Arbeitsgruppe mit den Kliniken und der Industrie besteht Zugriff auf s¨amtliche Modalit¨aten, die in der modernen Medizin heute zum Ein¨ satz kommen. Die verf¨ugbare Entwicklungsumgebung erlaubt die schnelle Uberf¨ uhrung der neu entwickelten Methoden in den klinischen Test.

9.3

Kooperationsbeziehungen • Charit´e Universit¨atsmedizin Berlin: Klinik und Hochschulambulanz f¨ur Radiologie und Nuklearmedizin http://www.medizin.fu-berlin.de/radio/ • Deutsches Forschungszentrum http://www.dfki.de/web/index.de.html

f¨ur

K¨unstliche

Intelligenz

• Harvard University, USA: Department of Radiology at Brigham and Women’s Hospital http://brighamrad.harvard.edu/index.html • ITC-irst, Trento, Italia: Sistemi sensoriali interattivi (Interactive Sensory System Division) http://ssi.itc.it/ • LIMSI-CNRS, Orsay, France: Groupe Traitement du Langage Parl´e (Spoken Language Processing Group) http://www.limsi.fr/Scientifique/tlp/ • LMU M¨unchen: Institut f¨ur Phonetik und Sprachliche Kommunikation http://www.phonetik.uni-muenchen.de/ • Queen’s University Belfast, http://www.psych.qub.ac.uk/ • Stanford University, http://rsl.stanford.edu/

USA:

UK:

School

Radiological

119

Sciences

Psychology Laboratory

• Szegedi Tudom´anyegyetem, Magyarorsz´ag (University of Szeged, Hungary): K´epfeldolgoz´as e´ s Sz´am´ıt´og´epes Grafika Tansz´ek (Department of Image Processing and Computer Graphics) http://www.inf.uszeged.hu/tanszekek/kepfeldolgozasesszg/starten.xml • TU M¨unchen: Lehrstuhl http://www.mmk.ei.tum.de/

f¨ur

Mensch-Maschine-Kommunikation

• Universit¨at Bielefeld: Angewandte Informatik http://www.techfak.unibielefeld.de/ags/ai/ , Neuroinformatik http://www.techfak.uni-bielefeld.de/ags/ni/ • Universit¨at Bonn: Institut f¨ur Numerische Simulation http://www.ins.unibonn.de/ • Universit¨at des Saarlandes: Lehrstuhl http://www.lsv.uni-saarland.de/index.htm

f¨ur

Sprachsignalverarbeitung

• Universit¨at Jena: Lehrstuhl Digitale Bildverarbeitung http://www.inf-cv.unijena.de/ • Universit¨at Koblenz-Landau: Institut f¨ur Computervisualistik http://www.unikoblenz.de/FB4/Institutes/ICV • Universit¨at Mannheim: Bildverarbeitung, Mustererkennung und Computergrafik http://www.cvgpr.uni-mannheim.de/ • Universit¨at Marburg: Diskrete Mathematik und Optimierung http://www.mathematik.uni-marburg.de/forschung/arbeitsgebiete mathe/diskret.php • Universit¨atsklinikum Erlangen: Nuklearmedizinische Klinik http://www.nuklearmedizin.klinikum.uni-erlangen.de/ , Radiologisches Institut http://www.idr.med.uni-erlangen.de/ , Medizinische Klinik 1 http://www.medizin1.klinikum.uni-erlangen.de/ und 2 http://www.medizin2.klinikum.uni-erlangen.de/ , Phoniatrische und P¨adaudiologische Abteilung http://www.phoniatrie.klinikum.uni-erlangen.de/ • Universit¨at W¨urzburg: Abteilung http://www.neuroradiologie.uni-wuerzburg.de/

f¨ur

Neuroradiologie,

• University of Utah, USA: Utah Center for Advanced Imaging Research http://www.ucair.med.utah.edu/

120

9.4

Ver¨offentlichungsreihen

Die Ver¨offentlichungen des Lehrstuhls befinden sich auf der lehrstuhleigenen Homepage unter http://www5.informatik.uni-erlangen.de/publications/

9.5

Forschungsprojekte

9.5.1

Atemgating

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Christian Schaller Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne Laufzeit: 1.6.2007–1.6.2010 F¨orderer: International Max-Planck Research School for Optics and Imaging Kontakt: Dipl.-Inf. Christian Schaller Tel.: +49 9131 85 27275 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Aufgrund von Verbesserungen im Bereich der Bildgebenden Systeme, wie 4-D CT, 4-D MRI, PET, SPECT spielen Atemartefakte eine immer gr¨oßer werdende Rolle in der medizinischen Bildgebung. Heutzutage sind Bildgebende System leistungsf¨ahig genug um Bilder mit einer sehr hohen o¨ rtlichen Aufl¨osung aufnehmen zu k¨onnen. Problematisch jedoch ist derzeit immer noch die zeitliche Aufl¨osung bei der Aufnahme von bewegten Objekten. Grunds¨atzlich gibt es zwei Hauptquellen f¨ur Bewegung innerhalb des menschlichen K¨orpers: • Atmung • Herzschlag Dieses Projekt besch¨aftigt sich mit der durch Atmung verursachten Bewegung und untersucht neuartige Technologien zur Vermeidung von Atemartefakten in 4-D Aufnahmen. Es wird beispielsweise die Verwendbarkeit von Time-of-Flight Sensoren f¨ur 121

einen Einsatz zur ber¨uhrungslosen Messung von multidimensionalen Atemsignalen untersucht. M¨ogliche Anwendungsgebiete f¨ur diese neu entwickelten Technologien finden sich in den Bereichen 4-D CT, 4-D MRI, PET, SPECT sowie der Strahlentherapie. Publikationen –

Schaller, Christian: It’s Time of Flight – A Novel Approach For Respiratory Motion Gating .Vortrag: Kongress, Open Source Meets Business, N¨urnberg, 24.01.2008

–

Schuhmann, Peter ; Penne, Jochen ; Schaller, Christian ; Zeintl, Johannes ; Hornegger, Joachim ; Kuwert, Torsten: Optical Tracking of Respiratory Motion Using a Time of Flight Camera and its Applicability in Emission Tomography . In: Deutsche Gesellschaft f¨ur Nuklearmedizin (Hrsg.) : NuklearMedizin 2008 (46, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Nuklearmedizin Leipzig 23.04.08 26.04.08). 2008, S. V166.

–

Schaller, Christian: Time-of-Flight 3D cameras – A novel approach for respiratory motion gating .Vortrag: Konferenz, DGN, Leipzig, 26.04..2008

–

Schaller, Christian ; Penne, Jochen ; Hornegger, Joachim: Time-of-Flight Sensor for Respiratory Motion Gating . In: Medical Physics 35 (2008), Nr. 7, S. 30903093

–

Penne, Jochen ; Schaller, Christian ; Hornegger, Joachim: Robust Real-Time 3D Respiratory Motion Detection Using Time-of-Flight Cameras . In: Lemke, Heinz ; Inamura, Kiyonari ; Doi, Kunio ; Vannier, Michael ; Farman, Allan (Hrsg.) : Computer Assisted Radiology and Surgery 2008 – Proceedings of the 22nd International Congress and Exhibition (Computer Assisted Radiology and Surgery 2008 Hotel Constanza, C/Deu i Mata 66-99, Barcelona, Spain 25.06.2008-28.06.2008). Heidelberg : Springer, 2008, S. 398.

–

Penne, Jochen ; Schaller, Christian ; Hornegger, Joachim ; Kuwert, Thorsten: Robust Real-Time 3D Respiratory Motion Detection Using Time-of-Flight Cameras . In: Computer Assisted Radiology and Surgery 2008 3 (2008), Nr. 5, S. 427-431

9.5.2

Automatische Sprachanalyse von Kindern und Jugendlichen mit LippenKiefer-Gaumenspalten

Projektleitung: PD Dr. med. Maria Schuster 122

Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth Beteiligte: Dipl.-Inf. Andreas Maier Prof. Dr. med. dent. Ursula Hirschfelder PD Dr. med. Dr. med. dent. Emeka Nkenke Shozakai, Makoto Laufzeit: 1.12.2006–30.11.2009 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Kontakt: PD Dr. med. Maria Schuster Tel.: 09131-853 2612 Fax: 09131-853 9272 E-Mail: [email protected] Zur Bewertung von Sprechst¨orungen von Patienten mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten fehlen bisher objektive, validierte und einfache Verfahren. Im klinischen Alltag werden Lautbildungsst¨orungen bisher u¨ blicherweise durch eine subjektive, auditive Bewertung erfasst. Diese ist f¨ur die klinische und v.a. wissenschaftliche Nutzung nur bedingt geeignet. Die automatische Sprachanalyse, wie sie f¨ur Spracherkennungssysteme genutzt wird, hat sich bereits bei Stimmst¨orungen als objektive Methode der globalen Bewertung erwiesen, n¨amlich zur Quantifizierung der Verst¨andlichkeit. Dies ließ sich in Vorarbeiten auch auf Sprachaufnahmen von Kindern mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten u¨ bertragen. In dem vorliegenden Projekt wird ein Verfahren zur automatischen Unterscheidung und Quantifizierung verschiedener typischer Lautbildungsst¨orung wie Hypernasalit¨at, Verlagerung der Artikulation und Ver¨anderung der Artikulationsspannung bei Kindern und Jugendlichen mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten entwickelt und validiert. Dies stellt die Basis f¨ur die Ermittlung ihres Einflusses auf die Verst¨andlichkeit sowie zur Erfassung der Ergebnisqualit¨at verschiedener therapeutischer Konzepte dar. Publikationen –

Maier, Andreas ; N¨oth, Elmar ; Nkenke, Emeka ; Schuster, Maria: Automatic Assessment of Children’s Speech with Cleft Lip and Palate . In: Erjavec, Tomaz ; Gros, Jerneja Zganec (Hrsg.) : Language Technologies, IS-LTC 2006 (Fifth Slovenian and First International Language Technologies Conference Ljubljana, Slovenia October 9 – 10, 2006). Bd. 1, 1. Aufl. Ljubljana, Slovenia : Infornacijska Druzba (Information Society), 2006, S. 31-35.

–

Maier, Andreas ; Haderlein, Tino ; Hacker, Christian ; N¨oth, Elmar ; Rosanowski, Frank ; Eysholdt, Ulrich ; Schuster, Maria: Automatische internetbasierte Evalua123

tion der Verst¨andlichkeit . In: Gross, Manfred ; Kruse, Friedrich E. (Hrsg.) : Aktuelle phoniatrisch-p¨adaudiologische Aspekte 2006 (23. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Phoniatrie und P¨adaudiologie Heidelberg 15. – 17. September 2006). Bd. 14. Norderstedt : Books On Demand GmbH Norderstedt, 2006, S. 87-90. – ISBN 978-3-8334-6294-9 –

Schuster, Maria ; Maier, Andreas ; Haderlein, Tino ; Nkenke, Emeka ; Wohlleben, Ulrike ; Rosanowski, Frank ; Eysholdt, Ulrich ; N¨oth, Elmar: Evaluation of speech intelligibility for children with cleft lip and palate by means of automatic speech recognition . In: International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology 70/2006 (2006), S. 1741-1747

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Maier, Andreas ; Hacker, Christian ; N¨oth, Elmar ; Nkenke, Emeka ; Haderlein, Tino ; Rosanowski, Frank ; Schuster, Maria: Intelligibility of Children with Cleft Lip and Palate: Evaluation by Speech Recognition Techniques . In: Tang, Y.Y. ; Wang, S.P. ; Lorette, G. ; Yeung, D.S. ; Yan, H. (Hrsg.) : The 18th International Conference on Pattern Recognition (18th International Conference on Pattern Recognition (ICPR 2006) Hong Kong 20 – 24 August, 2006). Bd. 4, 1. Aufl. Los Alamitos, California, Washington, Tokyo : IEEE Computer Society, 2006, S. 274277. (IEEE Computer Society Order Number P2521) – ISBN 0-7695-2521-0

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Schuster, Maria ; Maier, Andreas ; Vogt, Beate ; N¨oth, Elmar ; Nkenke, Emeka ; Holst, Alexandra ; Eysholdt, Ulrich ; Rosanowski, Frank: Objektive und automatische Ermittlung der Verst¨andlichkeit von Kindern und Jugendlichen mit LippenKiefer-Gaumenspalten . In: Gross, Manfred ; Kruse, Friedrich E. (Hrsg.) : Aktuelle phoniatrisch-p¨adaudiologische Aspekte 2006 (23. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Phoniatrie und P¨adaudiologie Heidelberg 15. – 17. September 2006). Bd. 14. Norderstedt : Books On Demand GmbH Norderstedt, 2006, S. 43-46. – ISBN 978-3-8334-6294-8

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Maier, Andreas: PEAKS – Programm zur Evaluation und Analyse Kindlicher Sprachst¨orungen – Bedienungsanleitung . Erlangen : FAU. 2006 (1). – Interner Bericht. 28 Seiten

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N¨oth, Elmar ; Maier, Andreas ; Haderlein, Tino ; Riedhammer, Korbinian ; Rosanowski, Frank ; Schuster, Maria: Automatic Evaluation of Pathologic Speech from Research to Routine Clinical Use . In: Matousek, Vaclav ; Mautner, Pavel (Hrsg.) : Text, Speech and Dialogue (10th International Conference, TSD 2007 Pilsen, Tschechien 3.-7.9.2007). Bd. 1, 1. Aufl. Berlin : Springer, 2007, S. 294301. (Lecture Notes of Artificial Intelligence Bd. 4629) – ISBN 3-540-74627-7

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Maier, Andreas ; N¨oth, Elmar ; Wohlleben, Ulrike ; Eysholdt, Ulrich ; Schuster, Maria: Automatische Bewertung der Nasalitaet von Kindersprache . In: Gross, 124

M. ; Kruse, F. (Hrsg.) : Aktuelle phoniatrische Aspekte (Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft fuer Phoniatrie und Paedaudiologie Innsbruck, Oesterreich 28.-30.9.2007). Bd. 15, 1. Aufl. Norderstedt : Books on Demand GmbH, 2007, S. 74-76. – ISBN 978-3-8334-8578-7 –

Maier, Andreas ; Haderlein, Tino ; Schuster, Maria ; Nkenke, Emeka ; N¨oth, Elmar: Intelligibility is more than a single Word: Quantification of Speech Intelligibilty by ASR and Prosody . In: Matousek, Vaclav ; Mautner, Pavel (Hrsg.) : Text, Speech and Dialogue (10th International Conference, TSD 2007 Pilsen, Tschechien 3.-7.9.2007). Bd. 1, 1. Aufl. Berlin : Springer, 2007, S. 278-285. (Lecture Notes of Artificial Intelligence Bd. 4629) – ISBN 3-540-74627-7

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Vogt, Beate ; Maier, Andreas ; Batliner, Anton ; N¨oth, Elmar ; Nkenke, Emeka ; Eysholdt, Ulrich ; Schuster, Maria: Numerische Quantifizierung der Verst¨andlichkeit von Schulkindern mit isolierter und kombinierter Gaumenspalte . In: HNO 55 (2007), Nr. 11, S. 891-898

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Maier, Andreas ; Haderlein, Tino ; Schuster, Maria ; N¨oth, Elmar: PEAKS-A Platform for Evaluation and Analysis of all Kinds of Speech Disorders . In: CD-Rom (Hrsg.) : Proc. 41st Annual Meeting of the Society for Biomedical Technologies of the Association for Electrical, Electronic & Information Technologies (BMT 2007) (41st Annual Meeting of the Society for Biomedical Technologies of the Association for Electrical, Electronic & Information Technologies (BMT 2007) Aachen 26.-29.9.2007). Bd. 1, 1. Aufl. Berlin, New York : de Gruyter, 2007, S. no pagination.

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Bocklet, Tobias ; Maier, Andreas ; N¨oth, Elmar: Text-independent Speaker Identification using Temporal Patterns . In: Matousek, Vaclav ; Mautner, Pavel (Hrsg.) : Text, Speech and Dialogue (10th International Conference, TSD 2007 Pilsen, Tschechien 3.-7.9.2007). Bd. 1, 1. Aufl. Berlin : Springer, 2007, S. 318-325. (Lecture Notes of Artificial Intelligence Bd. 4629) – ISBN 3-540-74627-7

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Bocklet, Tobias ; Maier, Andreas ; N¨oth, Elmar: Age Determination of Children in Preschool and Primary School Age with GMM-Based Supervectors and Support Vector Machines/Regression . In: Sojka, Petr ; Horak, Ales ; Kopecek, Ivan ; Pala, Karel (Hrsg.) : Proceedings Text, Speech and Dialogue; 11th International Conference (Text, Speech and Dialogue; 11th International Conference Brno, Czech Republic 8.-12.9.2008). Bd. 1. Heidelberg : Springer, 2008, S. 253-260. (Lecture Notes in Artificial Intelligence, Nr. 5246) – ISBN 978-3-540-87390-7

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Maier, Andreas ; Reuss, Alexander ; Hacker, Christian ; Schuster, Maria ; N¨oth, Elmar: ANALYSIS OF HYPERNASAL SPEECH IN CHILDREN WITH CLEFT LIP AND PALATE . In: Sojka, Petr ; Horak, Ales ; Kopecek, Ivan ; Pala, Karel 125

(Hrsg.) : Text, Speech and Dialogue (11th International Conference, TSD 2008 Brno, Tschechien 8.-12.9.2008). Bd. 1, 1. Aufl. Berlin : Springer, 2008, S. 389396. (Lecture Notes of Artificial Intelligence Bd. 5246) – ISBN 3-540-87390-2 –

9.5.3

Maier, Andreas ; H¨onig, Florian ; Hacker, Christian ; Schuster, Maria ; N¨oth, Elmar: Automatic Evaluation of Characteristic Speech Disorders in Children with Cleft Lip and Palate . In: Interspeech (Veranst.) : Interspeech 2008 (Nineth Annual Conference of the International Speech Communication Association Brisbane 22.- 26.9.2008). Bd. 1, 1. Aufl. Brisbane : International Speech Communication Association, 2008, S. 1757-1760. Bewegungskompensierte 3-D Rekonstruktion Angiographie-Aufnahmen (C-Bogen CT)

des

Herzens

aus

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Christopher Rohkohl Dr. G¨unter Lauritsch Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Laufzeit: 1.10.2008–30.9.2010 F¨orderer: Siemens AG, Healthcare Sector Kontakt: Dipl.-Inf. Christopher Rohkohl Tel.: +49 9131 85 27825 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] In den EU-L¨andern sind gut ein Drittel der Todesf¨alle auf kardiovaskul¨are Krankheiten zur¨uckzuf¨uhren. Dementsprechend wichtig ist die Entwicklung neuer Diagnose- und Behandlungsm¨oglichkeiten. Eine wichtige komponente bei zuk¨unftigen Entwicklungen ist die dreidimensionale Bildgebung vor, nach und w¨ahrend interventionellen Eingriffen. Mit Hilfe von rotierenden Angiographiesystemen (C-Bogen) ist es bereits heute m¨oglich 3-D Rekonstruktionen von Bereichen des menschlichen K¨orpers zu erstellen. Die Rekonstruktion von bewegten Objekten, wie dem Herz, ist auf Grund der Rahmenbedingungen eines langsam rotierenden C-Bogens (Aufnahmedauer > 4 Sekunden) nur mit stark verminderter Bildqualit¨at m¨oglich. Das prim¨are Ziel der Forschungsaktivit¨aten in diesem Projekt ist die Entwicklung von Methoden zur Sch¨atzung und Korrektur der Herzbewegung w¨ahrend der Aufnahme um 126

die Bildqualit¨at zu steigern. Folgende Forschungsschwerpunkte werden dabei betrachtet: • Analyse und Entwicklung von Algorithmen zur Bewegungssch¨atzung ohne Periodizit¨atsannahme oder EKG-Information. • Analyse und Entwicklung von Modellen zur Beschreibung von Herz- und Atembewegung. • Analyse und Entwicklung von optimierten Aufnahme- und Injektionsprotokollen. • Analyse und Entwicklung von Rekonstruktionsalgorithmen f¨ur bewegte Objekte. 9.5.4

C-AuDiT

Projektleitung: Dr. Karl Weilhammer Beteiligte: Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth Dr. phil. Anton Batliner Dipl.-Inf. Florian H¨onig Laufzeit: 1.1.2008–31.12.2009 F¨orderer: Bundesministerium f¨ur Bildung und Forschung Mitwirkende Institutionen: digital publishing Institue of Pattern Recognition / Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth Tel.: +49 9131 85 27888 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] C-AuDiT (Computer-Assisted Pronunciation and Dialogue Training, Computergest¨utztes Aussprache- und Dialogtraining) ist ein Forschungsprojekt, dass Technologien zum Ein¨uben von Sprachfertigkeiten mit Hilfe eines E-learning Systems entwickelt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Aussprachetraining und Dialogtraining. E-Learning Systeme erlauben es Lernern einer Fremdsprache, ihre F¨ahigkeiten zu verbessern – wann und wo sie m¨ochten. Die einzige Vorraussetzung ist ein PC oder ein Laptop. Zur Zeit konzentrieren sich kommerzielle E-Learning-Systeme haupts¨achlich auf das Schriftliche. Obwohl gesprochene Sprache ein essentieller Bestandteil unser 127

¨ Kommunikation ist, wird sie in E-Learning-Systemen oft vern¨achl¨assigt. Ubungen, die das Anh¨oren oder Ansehen von Aufnahmen beinhalten, trainieren nur das passive ¨ Verst¨andnis. Der Entwurf von E-Learning-Ubungen, bei denen der Lerner u¨ ber Sprache aktiv mit dem Computer interagiert, verlangt danach, neueste Sprachtechnologie zu verwenden und zu verbessern. digital publishing und der Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung (LME) der FriedrichAlexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg haben eine Forschungskooperation gestartet, um diese Herausforderung anzunehmen. Die Hauptziele von C-AuDiT sind die Verbesserung der aktuellen Aussprachebewertung und die Entwicklung von nat¨urlichsprachlichem Dialogtraining. C-Audit wird vom Bundesministerium f¨ur Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programmes ”KMU-Innovativ” gef¨ordert. 9.5.5

¨ endoskopische Time-of-Flight-Bildgebung Datenverarbeitung fur

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne Michael St¨urmer, M. Sc. Laufzeit: 1.2.2008–1.2.2009 F¨orderer: Richard und Annemarie Wolf-Stiftung Kontakt: Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne Tel.: +49 9131 85 25246 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Die gr¨oßten Einschr¨ankungen der bislang untersuchten Ans¨atze bestehen in der Annahme eines statischen Operationsgebietes und der inh¨arenten Nicht-Echtzeitf¨ahigkeit der 3D-Rekonstruktion, da sie auf der Auswertung einer endoskopischen Bildsequenz beruht, die vorab akquiriert werden muss. Versucht man diese Einschr¨ankungen zu umgehen, so ist offensichtlich, dass eine 3D-Oberfl¨achenrekonstruktion des aktuellen Sichtfeldes f¨ur jedes aufgenommene Bild gegeben sein muss. Erst wenn dies technologisch und algorithmisch m¨oglich ist, k¨onnen dynamische Operationsgebiete in Echtzeit dreidimensional rekonstruiert werden. Dies war die entscheidende Motivation f¨ur die endoskopische ToF-Datenverarbeitung. Die prinzipiellen Erfordernisse seitens der ToF-Technologie sind dabei durch eine starre Endoskopoptik gegeben: Zum einen 128

die M¨oglichkeit das optische Referenzsignal (welches auf die u¨ bliche Beleuchtung durch die Kaltlichtquelle abgestimmt ist) mittels der verf¨ugbaren Lichtleiter in das Operationsgebiet einzuspeisen und zum anderen die M¨oglichkeit das reflektierte Referenzsignal u¨ ber das optische Linsensystem einem entsprechend montierten ToF-Sensor zuzuf¨uhren. 9.5.6

Detektion von Lymphknoten in Ganzk¨orper Magnetresonanzaufnahmen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Florian J¨ager Prof. Dr. med. Frank Wacker Dr. med. Bernd Frericks Beginn: 1.7.2005 Mitwirkende Institutionen: Charit´e Universit¨atsmedizin Berlin, Campus Benjamin Franklin, Klinik f¨ur Nuklearmedizin und Radiologie Kontakt: Dipl.-Inf. Florian J¨ager Tel.: +49 9131 85 27894 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Maligne Lymphome stellen die siebt h¨aufigste Todesursache in der westlichen Welt dar. Die Therapie der Patienten sowie die Prognose h¨angen entscheidend vom Ausbreitungsmuster der Erkrankung ab, was die wiederholte bildgebende Diagnostik des gesamten K¨orpers erfordert. Zuk¨unftig wird vermehrt die Ganzk¨orperMagnetresonanztomographie an Bedeutung gewinnen, weil damit Aufnahmen ohne Repositionierung w¨ahrend der Akquisition m¨oglich sind. Allerdings umfasst ein typischer Datensatz einer solchen Ganzk¨orper MRT im Durchschnitt ein Volumen von 512x410x1400 Voxel. Derartige Datens¨atze k¨onnen in der klinischen Routine ohne rechnergest¨utzte Hilfe nicht mehr vollst¨andig einer zeitnahen und zuverl¨assigen Evaluierung unterzogen werden, insbesondere wenn diese mit vorangegangenen Untersuchungen verglichen werden m¨ussen. Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung effizienter Methodiken zur rechnergest¨utzten Auswertung großer medizinischer Datens¨atzen sowie zeitlicher Sequenzen. Durch das Hervorheben medizinisch relevanter Bereiche in den Bilddaten wird der Mediziner bei der Diagnostik unterst¨utzt und somit eine h¨ohere Effektivit¨at und Kosteneffizienz im klinischen Alltag erreicht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Behandlung von Lymphompatienten, wobei eine 129

Verallgemeinerung der entwickelten Verfahren m¨oglich sein soll. Die Bearbeitung dieses Projekts erfordert eine sehr enge interdisziplin¨are Zusammenarbeit von Informatikern und Medizinern. Die beteiligten Gruppen sind einerseits der Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung (Informatik 5), der Friedrich-Alexander Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, sowie die Radiologie und Nuklearmedizin der Charit´e, Campus Benjamin-Franklin, Berlin. Der Aufgabenbereich des Lehrstuhls bezieht sich auf die Entwicklung neuer effizienter Methodiken zur Bearbeitung von großen medizinischen Datens¨atzen, wobei diese auf die Anwendbarkeit im klinischen Umfeld und die Validit¨at von den beteiligten Medizinern untersucht werden. Strukturell kann das Projekt in zwei nahezu disjunkte Ans¨atze untergliedert werden: Zun¨achst wird die Detektion von Lymphomen in MRT Aufnahmen einer Untersuchung betrachtet. In der zweiten Phase wird dann die Lokalisation von Knoten in zeitlichen Sequenzen von MRT Aufnahmen bearbeitet. Detektion von Lymphknoten in einer Studie Die Detektion von Lymphknoten innerhalb einer MRT Studie basiert auf der Untersuchung mehrerer Wichtungen von MRT Datens¨atzen. Bei den in Frage kommenden Sequenzen handelt es sich prim¨ar um solche, die bei Routineuntersuchungen verwendet werden, z.B. T1-gewichtet, T2-gewichtet, FLAIR oder TIRM Sequenzen. Bei der Auswahl spielt die ben¨otigte Akquisitionszeit eine wichtige Rolle. Erste Experimente zeigten, dass vor allem T1-gewichtete und TIRM Aufnahmen f¨ur die Segmentierungsund Lokalisationsalgorithmen vielversprechend sind. Um beide Datens¨atze vergleichen zu k¨onnen werden diese in einem initialen Vorverarbeitungsschritt registriert. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die beiden Volumina bereits nahezu perfekt zueinander ausgerichtet sind, da sich der Akquisitionszeitpunkt nur marginal unterscheidet. Trotz allem wird, um kleinere Bewegungen des Patienten auszugleichen, eine nicht-starre Registrierung der Daten vorgenommen. Da hierbei zwar Datens¨atze der gleichen Modalit¨at, aber unterschiedlicher Wichtungen betrachtet werden, wird auf multi-modale Ans¨atze zur¨uckgegriffen. Allerdings muss dabei die Plausibilit¨at der Ergebnisse (z.B. die St¨arke der Deformation) im Auge behalten werden, um das Problem der Detektion nicht weiter zu erschweren. Zur Lokalisation der Lymphknoten werden ausschließlich statistische Methoden verwendet. Dies hat zwei Vorteile: Erstens liefern diese im Allgemeinen Wahrscheinlichkeiten u¨ ber das Vorhandensein von Lymphknoten, was sich direkt mit dem Projektziel deckt, Zweitens sind diese oftmals generischer einsetzbar und damit die entwickelten Methodiken weitgehend von der Anwendung unabh¨angig. Hierbei werden verschiedene Klassen von Ans¨atzen betrachtet. Diese basieren einerseits auf der Clusterbildung der Datens¨atze durch eine Klassifikation der Voxel eines Datensatzes (z.B. mittels Fuzzy C-Means oder Markov Zufallsfelder basierter Methoden) und andererseits der Vorverarbeitung mit statistischen Methoden durch beispielsweise probabilistische Differenzbildung und probabilistische Grauwertadaption. 130

Detektion von Lymphknoten in zeitlichen Sequenzen Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts ist die Detektion von Lymphomen in zeitlichen Sequenzen von Ganzk¨orper MRT Aufnahmen. Hier erweist sich eine automatische Vorverarbeitung f¨ur den Mediziner als sehr w¨unschenswert, da er andernfalls Datens¨atze mehrerer Zeitpunkte sichten muss, was in der Regel sehr zeitintensiv ist. Da die einzelnen Volumina zu verschiedenen Zeitpunkten akquiriert wurden, werden diese zun¨achst starr transformiert, so dass sie weit m¨oglichst deckungsgleich sind. Darauffolgend wird eine nicht-starre Registrierung durchgef¨uhrt. Als Ergebnis erh¨alt man ein Vektorfeld, welches die Deformation zwischen den Datens¨atzen charakterisiert, so dass diese bez¨uglich eines Abstandsmaßes ideal zueinander passen. Damit beschreibt dieses Deformationsfeld auch die Volumen¨anderung von sich entwickelnden Strukturen, wie beispielsweise L¨asionen. Wachsende Strukturen sind als mathematische Quelle und schrumpfende als Senke erkennbar. Zusammen mit den Informationen u¨ ber die Position von Lymphknoten, welche durch die Lokalisation in Datens¨atzen eines Zeitpunktes bestimmt wurden, werden die Ver¨anderungen innerhalb des Deformationsfeldes zur Detektion verwendet. Um Informationen aus Differenzbildern zug¨anglich zu machen m¨ussen die Datens¨atze ebenso nicht-starr Registriert werden. Allerdings wird dabei eine weit st¨arkere Regularisierung des Deformationsfeldes ben¨otigt, als im Falle der Detektion innerhalb einer Studie. Pr¨asentation der Ergebnisse Das Ziel des Projektes ist nicht das Treffen einer endg¨ultigen medizinischen Aussage, sondern der Verweis auf f¨ur die Diagnose interessante Bereiche innerhalb der Datens¨atze um die ben¨otigte Zeit der Sichtung zu reduzieren. Hierf¨ur werden die Ergebnisse der Lokalisation mit Hilfe einer Wahrscheinlichkeitskarte dem Anwender zug¨anglich gemacht. Dieser kann die Darstellung durch die Wahl eines Konfidenzintervalls seinen Anspr¨uchen anpassen. Publikationen –

J¨ager, Florian ; Ny´ul, L´aszl´o ; Frericks, Bernd ; Wacker, Frank ; Hornegger, Joachim: Whole Body MRI Intersity Standardization . In: Horsch, Alexander ; Deserno, Thomas M. ; Handels, Heinz ; Meinzer, Hans-Peter ; Tolxdorff, Thomas (Hrsg.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2007 (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2007 M¨unchen 25.-27. M¨arz 2007). Berlin : Springer, 2007, S. 459-463. ISBN 103-540-71090-6

131

9.5.7

Entwicklung eines Expertensystems zur automatischen Bearbeitung von 3D-Oberfl¨achenmodellen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Konrad Sickel Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Laufzeit: 1.4.2007–31.3.2010 F¨orderer: Siemens AG Kontakt: Dipl.-Inf. Konrad Sickel Tel.: +49 9131 85 25246 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Expertensystems zur Automatisierung von Teilschritten einer Produktionskette. Vorteile dieses Expertensystems liegen vor allem in der erh¨ohten Verf¨ugbarkeit des Wissens, in der Sicherung des vorhanden Wissens und in der Beschleunigung des Produktionsprozesses. F¨ur die Entwicklung und Implementierung eines Expertensystems sind folgende Schritte notwendig. • Akquirierung des vorhandenen Wissens. ¨ • Uberpr¨ ufen des gesammelten Wissens auf Korrektheit und Plausibilit¨at. • Formalisieren des Wissens und u¨ bertragen in eine Wissensbasis. M¨ogliche Formalisierungen hierbei sind Aussagen- oder Pr¨adikatenlogik, aber auch Semantische Netze. • Entwerfen einer Inferenzmaschine passend zu Wissensbasis. Dies kann beispielsweise ein Planungsalgorithmus (Planer) sein. Der Planer sollte dabei robust genug sein um eventuelle Probleme bei der Planausf¨uhrung handhaben zu k¨onnen (Conditional planning, re-planning). Bekannte Planungsalgorithmen sind Progressions- und Regressionsplanen oder graphbasiertes Planen. • Implementierung eines Prototypen. • Testen und Verbessern des Prototypen. • Implementierung einer Lernkomponente um neue Regeln in die Wissensbasis aufnehmen zu k¨onnen zum Beispiel durch Expertenvorf¨uhrungen. 132

9.5.8

Fit4Age

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Werner Spiegl Stefan Soutschek, M. Sc. Laufzeit: 1.1.2008–31.12.2010 F¨orderer: Bayerische Forschungsstiftung Mitwirkende Institutionen: Psychiatrische und Psychotherapeutische Klinik Kontakt: Stefan Soutschek, M. Sc. Tel.: +49 9131 85 28977 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Die alternde Gesellschaft und die damit verbundene demographische Entwicklung stellen eine der gr¨oßten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Um die daraus entstehenden Probleme zu meistern, besteht unmittelbarer Handlungsbedarf f¨ur Wirtschaft, Politik und Wissenschaft. Ziel des Forschungsverbundes ”FitForAge” ist es, technische L¨osungsans¨atze zu finden, die den alternden Menschen in Wohnung und Haus, im Arbeitsleben wie in der Kommunikation mit der Umwelt und im Verkehr ein aktives und bezahlbares Leben erhalten, auch wenn das durchschnittliche Alter der Bev¨olkerung weiter zu- und gleichzeitig die Zahl der arbeitsf¨ahigen, j¨ungeren Menschen abnimmt. Die Entwicklungen im Themenfeld ”Fit4Life” sollen es Menschen mit Hilfe altersgerechter technischer Systeme erm¨oglichen, l¨anger ein selbstbestimmtes Leben in den eigenen vier W¨anden zu f¨uhren. Informationstechnologien, die bisher zur Verbesserung der medizinischen Versorgung in Kliniken eingesetzt wurden, werden dazu verwendet, im h¨auslichen Umfeld die Wohnsituation a¨ lterer Menschen zu verbessern. Alle Entwicklungen sollen so realisiert werden, dass sie a¨ ltere Menschen akzeptieren und nutzen. Die vom Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung bearbeiteten Teilprojekte des Themenfeldes ”Fit4Life” sind ”Interaktion im ISA-Haus” und ”InformARTik” Im Teilprojekt ”Interaktion im ISA-Haus” soll ein modernes Spracherkennungssystem entwickelt werden, das eine nat¨urliche Interaktion des Menschen mit dem integrierten, seniorenangepassten Haus erm¨oglicht. F¨ur eine intuitive Bedienung und damit weitrei133

¨ chende Akzeptanz soll das zu entwickelnde Dialogsystem frei gesprochene Außerungen erkennen und interpretieren k¨onnen, dabei aber m¨oglichst unsichtbar und autonom arbeiten, um a¨ lteren Menschen nicht durch die Komplexit¨at derartiger Systeme zu verunsichern. Mit dem Begriff ”informARTik” soll die Verbindung von Technik, Informatik und Kunst ausgedr¨uckt werden. Kunstwerke sollen dabei den Zugang zur modernen Kommunikationstechnik erm¨oglichen und zudem als Vehikel f¨ur den Transport klinisch relevanter Informationen dienen. Das angestrebte Ziel ist die Entwicklung neuer, innovativer Methoden, um gerade bei a¨ lteren Menschen Aufmerksamkeit auf klinisch bedeutsame Bereiche zu lenken, um Wissen zu vermitteln und um Screening- und Diagnostik-Instrumente anzubieten. Letztendlich sollen nicht nur a¨ ltere Menschen, sondern alle Altersgruppen der Gesellschaft von den L¨osungen profitieren. Im Forschungsverbund werden konkrete Ergebnisse, aber auch ein Instrumentarium an Methoden angestrebt, das u¨ ber die realisierten L¨osungen und Nutzerkreise hinaus Anwendung finden kann. Die Teilprojekte ”Interaktion im ISA-Haus” und ”InformARTik” werden von der Bayerischen Forschungsstiftung im Rahmen des Forschungsverbundes Verbundes ”FitForAge” gef¨ordert. Publikationen –

Soutschek, Stefan ; Penne, Jochen ; Hornegger, Joachim ; Kornhuber, Johannes: 3-D Gesture-Based Scene Navigation in Medical Imaging Applications Using Time-Of-Flight Cameras . In: IEEE Computer Society Conference on Computer Vision, Omnipress (Hrsg.) : 2008 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (2008 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Anchorage, AK 23-28.6.2008). 2008, S. no pagination. – ISBN 978-1-4244-2340-8

–

Soutschek, Stefan ; Spiegl, Werner ; Steidl, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Erzigkeit, Hellmut ; Kornhuber, Johannes: Technology Integration in the Daily Activities of the Elderly . In: KI – K¨unstliche Intelligenz 4/2008 (2008), Nr. 4, S. 49-54

9.5.9

¨ Fruherkennung von Augenerkrankungen anhand von hochentwickelten bildgebenden Verfahren zur Darstellung des Augenhintergrundes

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Dr.-Ing. Ralf-Peter Tornow 134

Beteiligte: Dipl.-Inf. Markus Mayer Dr.-Ing. Ralf-Peter Tornow Beginn: 1.9.2007 F¨orderer: School of Advanced Optical Technologies (SAOT) Kontakt: Dipl.-Inf. Markus Mayer Tel.: +49 9131 85 27882 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Neue bildgebende Verfahren zur Darstellung des Augenhintergrundes wie die Optische Koh¨arenz Tomographie (OCT) k¨onnen hochaufl¨osende dreidimensionale Bilder der Tiefenstruktur der Netzhaut erzeugen. Das Ziel des Projekts ist die Verbesserung der Fr¨uherkennung und die Diagnose der Progression von Augenerkrankungen anhand derartiger Aufnahmen. Das Krankheitsbild ”Glaukom” steht hierbei im Mittelpunkt. Hierf¨ur sollen einerseits automatische Methoden entwickelt werden, die Ophthalmologen neue M¨oglichkeiten zur Beurteilung von Bilddaten er¨offnen. Eine automatische Segmentierung und Bestimmung der Dicke der Nervenfaserschicht ist hier als Beispiel zu nennen. Des weiteren m¨ussen die Ergebnisse der Bildverarbeitung auch in einer sinnvollen Art und Weise dargestellt werden. Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts der Augenklinik und des Lehrstuhls f¨ur Mustererkennung wird somit als erster Schritt eine geeignete Visualisierungsmethode f¨ur die 3D OCT Daten und die Ergebnisse der Bildverarbeitung entworfen. Die Augenklinik Erlangen bringt ihre lange Erfahrung in der Entwicklung und Anwendung neuer Methoden in der Ophthamologie, insbesondere auch aus dem SFB 539, ein. Zusammen mit Kompetenz des Lehrstuhls f¨ur Mustererkennung in der Bildverarbeitung sind hervoragende Grundlagen f¨ur das Projekt vorhanden. Publikationen –

Mayer, Markus: Automatic Nerve Fiber Layer Segmentation and Geometry Correction .Vortrag: Annual Meeting, The Association for Research in Vision and Ophthalmology, Inc. (ARVO), Fort Lauderdale, Florida, USA, 28.04..2008

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Mayer, Markus ; Tornow, Ralf P. ; Hornegger, Joachim ; Kruse, Friedrich E.: Fuzzy C-means Clustering For Retinal Layer Segmentation On High Resolution OCT Images . In: Jan, Jiri ; Kozumplik, Jiri ; Provanznik, Ivo (Hrsg.) : Analysis of Biomedical Signals and Images, Proceedings of the Biosignal 2008 International Eurasip Conference (Biosignal Brno, Czech Republic 29.6.2008-01.07.2008). 135

Bd. 19, 1. Aufl. Brno, Czech Republic : v, 2008, S. no pagination. – ISBN 97880-214-3613-8 9.5.10

Fusion von Sensordaten zur Verarbeitung von Banknoten

Projektleitung: Dr. Norbert Holl Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Christian Rieß Laufzeit: 1.7.2007–30.6.2010 F¨orderer: Giesecke+Devrient GmbH Kontakt: Dipl.-Inf. Christian Rieß Tel.: +49 9131 85 27891 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der Giesecke+Devrient GmbH und dem Lehrstuhl fuer Mustererkennung sollen u¨ ber die Projektlaufzeit von drei Jahren neue Algorithmen entworfen werden. Bei der automatisierten Bearbeitung und Klassifikation von Banknoten werden diese mit Sensoren verschiedener Modalit¨aten aufgenommen. Ziel des Projekts ist, mit neuartigen Ans¨atzen die Klassifikationsleistung und -zuverl¨assigkeit zu steigern. 9.5.11

Health-e-Child

Projektleitung: Dr. Martin Huber Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Wels Laufzeit: 1.1.2006–31.12.2009 F¨orderer: Siemens Corporate Technologies Kontakt: Dipl.-Inf. Michael Wels Tel.: +49 9131 85 27799 Fax: +49 9131 303811 136

E-Mail: [email protected] Das EU-Forschungsprojekt ”Health-e-Child” ist Bestandteil des sechsten europ¨aischen Forschungsrahmenprogramms zur F¨orderung von Forschungsintegration und koordination innerhalb der Europ¨aischen Union. F¨ur den gesamten Projektzeitraum vom 1. Januar 2006 bis zum 31. Dezember 2009 bel¨auft sich das Projektbudget auf insgesamt 16,7 Millionen Euro, wovon 12,2 Millionen Euro als Foerdermittel von der EU aufgebracht werden. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer integrierten Healthcare-Plattform f¨ur die europ¨aische P¨adiatrie. In Form einer dezentralen Wissensbasis soll Wissen aus den verschiedensten Bereichen der medizinischen Praxis und biomedizinischen Forschung integriert werden. Langfristig soll auf diese Weise ungehinderter Zugriff auf eine universelle biomedizinische Wissensbasis zur individualisierten und pr¨aventiven Gesundheitsf¨ursorge, f¨ur die medizinische Forschung und Lehre und zur informierten Entscheidungsfindung bereitgestellt werden. Wesentlich f¨ur den Aufbau dieser Wissensbasis ist das explizite Projektziel der vertikalen und longitudinalen Datenintegration u¨ ber alle Abstraktionsebenen medizinischen Wissens hinweg von der molekularen bis zur epidemiologischen Ebene, was ein einheitliches Bild des Gesundheitszustands eines Patienten erm¨oglichen soll. Der initiale Projektfokus beschr¨ankt sich vorerst auf drei repr¨asentativ ausgew¨ahlte p¨adiatrische Erkrankungen aus den Bereichen Kardiologie, Rheumatologie und Neuroonkologie. F¨ur diese sollen Ontologien entworfen, Wissen dezentral akquiriert und Applikationen zur Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten entwickelt werden. Letztere umfassen vor allem Data Mining-Anwendungen und Entscheidungsunterst¨utzungssysteme. Die FAU Erlangen-N¨urnberg ist Partner im Teilprojekt A6-WP12 (Entscheidungsunterst¨utzungssysteme) und wird zur Entwicklung eines Systems zur Klassifikation und Verlaufsvorhersage von Gehirntumoren bei Kindern beitragen. Im Sinne der vertikalen Datenintegration innerhalb des Health-e-Child-Projekts sollen sowohl Klassifikationsentscheidung als auch Vorhersage auf Basis multispektraler Daten gewonnen werden. Es wird angestrebt, durch das System einen innovativen Beitrag zur k¨unftigen Ausgestaltung der p¨adiatrischen Diagnostik und Therapieplanung zu leisten. Kurz- und mittelfristiges Ziel der Arbeitsgruppe an der FAU ist die Extraktion aussagekr¨aftiger (Tumor-)Merkmale aus Kernspintomographieaufnahmen, um m¨ogliche Eingabedaten f¨ur ein datengetriebenes Entscheidungsunterst¨utzungssystem zu gewinnen. In diesem Zusammenhang stellt die verl¨assliche und valide Segmentierung des Tumors und der einzelnen Tumorkompartimente einen wesentlichen Vorverarbeitungsschritt f¨ur die Quantifizierung spezifischer Krankheitsmerkmale dar.

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Publikationen –

Wels, Michael ; Staatz, Gundula ; Rossi, Andrea ; Huber, Martin ; Hornegger, Joachim: Anisotropic hidden Markov random field modeling for unsupervised MRI brain tissue segmentation and brain tumor detection . In: Lemke, Heinz U. ; Inamura, Kiyonari ; Doi, Kunio ; Vannier, Michael W. ; Farman, Allan G. (Hrsg.) : International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery Volume 2 Supplement 1 (Int J CARS (2007) (Suppl 1)) CARS 2007 Computer Assisted Radiology and Surgery Proceedings of the 21st International Congress and Exhibition (Computer Assisted Radiology and Surgery 21st International Congress and Exhibition Berlin, Germany 27.06.2007-30.06.2007). Bd. 2, 1. Aufl. Berlin : Springer Heidelberg, 2007, S. 457.

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Wels, Michael ; Huber, Martin ; Hornegger, Joachim: A Boosting Approach for Multiple Sclerosis Lesion Segmentation in Multi-Spectral 3D MRI . In: Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst W. ; Schookin, Sergey ; Feußner, Hubertus ; Navab, Nassir ; Gulyaev, Yuri V. ; H¨oller, Kurt ; Ganzha, Victor (Hrsg.) : 3rd RussianBavarian Conference on Biomedical Engineering (3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering Erlangen 2.-3.07.2007). Bd. 1. Erlangen : Union aktuell, 2007, S. 116-120. – ISBN 3-921713-33-X

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Wels, Michael ; Huber, Martin ; Hornegger, Joachim: Fully Automated Knowledge-Based Segmentation of the Caudate Nuclei in 3-D MRI . In: Heimann, Tobias ; Styner, Martin ; van Ginneken, Bram (Hrsg.) : 3D Segmentation in the Clinic – A Grand Challenge MICCAI 2007 Workshop Proceedings (10th International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI 2007) Brisbane, QLD, Australien 29.10.2007 – 02.11.2007). 2007, S. 19-27. – ISBN 978-0-643-09523-6

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Wels, Michael ; Carneiro, Gustavo ; Aplas, Alexander ; Huber, Martin ; Hornegger, Joachim ; Comaniciu, Dorin: A Discriminative Model-Constrained Graph Cuts Approach to Fully Automated Pediatric Brain Tumor Segmentation in 3D MRI . In: Metaxas, Dimitris ; Axel, Leon ; Fichtinger, Gabor ; Sz´ekely, G´abor (Hrsg.) : Proceedings of the 11th International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI 2008), Part I, LNCS 5241 (11th International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI 2008) New York, NY, USA 06.09.2008 – 10.09.2008). Berlin : Springer, 2008, S. 670×9775. (Lecture Notes on Computer Science 5241) – ISBN 3-540-44707-5

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Wels, Michael ; Huber, Martin ; Hornegger, Joachim: Fully Automated Segmentation of Multiple Sclerosis Lesions in Multispectral MRI . In: Zhuravlev, Yu138

ri I. (Hrsg.) : Pattern Recognition and Image Analysis (OGRW 2007 Ettlingen 20.08.2007 – 23.08.2007). Bd. 18, 2. Aufl. 2008, S. 347-350. 9.5.12

Kantenerhaltende Rauschreduktion in der CT auf Basis von Korrelationsanalysen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Dr. rer. nat. Rainer Raupach (Siemens Med. Sol.) Beteiligte: Dipl.-Inf. Anja Borsdorf Laufzeit: 1.1.2006–30.6.2009 F¨orderer: Siemens Medical Solutions Kontakt: Dipl.-Inf. Anja Borsdorf Tel.: +49 9131 85 25247 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Die Computertomographie (CT) ist eines der wichtigsten bildgebenden Verfahren in der radiologischen Diagnostik. Allerdings wird die hohe Strahlungsdosis, der Patienten bei der Untersuchung ausgesetzt sind, meist als ein Hauptnachteil der CT angesehen. Zum Schutz des Patienten ist eine Verringerung der Dosis in jedem Fall erstrebenswert. Das Problem ist jedoch der direkte Zusammenhang zwischen Dosis und Bildqualit¨at. Halbiert man die Dosis, so erh¨oht sich das Pixelrauschen in den rekonstruierten Schichtbildern um den Faktor Wurzel von zwei. Um eine verl¨assliche Diagnose zu garantieren, muss das Verh¨altnis zwischen relevanten Gewebekontrasten und der Rauschamplitude ausreichend groß sein. Demnach kann die Dosis nicht beliebig gesenkt werden. Dieses Projekt besch¨aftigt sich mit der Entwicklung eines Verfahrens zur kantenerhaltenden Rauschreduktion auf Basis von Korrelationsanalysen, um das Rauschen in CT-Daten zu reduzieren. Ziel ist es, somit entweder verbesserte Bildqualit¨at bei gleich bleibender Dosis, oder eine Einsparung an Dosis ohne Verlust an Bildqualit¨at zu erzielen. Bisher wurde die Anwendung von Wavelet-Transformation basierten Verfahren untersucht, um Rauschen in rekonstruierten Schichtbildern zu reduzieren. Anders als bei den meisten g¨angigen Verfahren zur Rauschreduktion wird dabei mit mehr als einem Eingangsdatensatz gearbeitet. Die Eingangsdaten sind r¨aumlich identisch, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen, wodurch das Rauschen in den Eingangsdaten unkorreliert ist. In der CT k¨onnen solche Daten zum Beispiel mit Hilfe eines Dual-Source139

CT Scanners aufgenommen warden, oder durch die getrennte Rekonstruktion mit nur jeweils jeder zweiten Projektion erzeugt werden. Mit Hilfe von Korrelationsanalysen zwischen den Eingangsdaten bzw. ihren Wavelet-Darstellungen kann anschließend zwischen Strukturen und Rauschen differenziert werden. Unterschiedliche zweidimensionale Wavelet-Transformationen (dyadische, station¨are, a` -trous und quin-cunx) und Wavelets (Haar, Db2, CDF9/7) wurden zur lokalen Frequenzanalyse verwendet und miteinander verglichen. Dar¨uber hinaus wurden verschiedene Methoden zur Korrelationsanalyse untersucht. Ausgewertet wurden die Verfahren hinsichtlich der erzielten Rauschreduktionsrate, sowie der Kantenerhaltung. Um eine anisotrope Rauschreduktion zu erzielen is es n¨otig, die einzelnen Richtungsb¨ander der Wavelettransformation getrennt zu behandeln. Dazu wurde eine Methode entwickelt, mit der aus den Differenzen der Waveletkoeffizienten der getrennt rekonstruierten Bilder lokal die Standardabweichung des Rauschens gesch¨atzt werden kann. Somit k¨onnen richtungsabh¨angige Gewichte berechnet warden, die eine anisotrope Filterung erlauben. Desweiteren wurde das Verfahren auf 3D erweitert, wodurch eine verbesserte Bildqualit¨at, sowohl visuell, als auch quantitative erzielt werden konnte. Dieses Projekt wird von Siemens Medical Solutions finanziert. Durch die enge Zusammenarbeit ist neben der M¨oglichkeit zur Abstimmung mit aktuellen Entwicklungen auch der Zugriff auf Ger¨ate der neuesten Generation gew¨ahrleistet. Publikationen –

Mayer, Markus ; Borsdorf, Anja ; K¨ostler, Harald ; Hornegger, Joachim ; R¨ude, Ulrich: Nonlinear Diffusion Noise Reduction in CT Using Correlation Analysis . In: Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst W. ; Schookin, Sergey ; Feußner, Hubertus ; Navab, Nassir ; Gulyaev, Yuri V. ; H¨oller, Kurt ; Ganzha, Victor (Hrsg.) : 3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering Erlangen 2.-3.07.2007). Bd. 1. Erlangen : Union aktuell, 2007, S. 155-159.

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Borsdorf, Anja ; Raupach, R. ; Hornegger, Joachim: Separate CT-Reconstruction for Orientation and Position Adaptive Wavelet Denoising . In: Horsch, Alexander ; Deserno, Thomas M. ; Handels, Heinz ; Meinzer, Hans-Peter ; Tolxdoff, Thomas (Hrsg.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2007 (BVM 2007 M¨unchen 25.-27.03.2007). Berlin : Springer, 2007, S. 232-236. – ISBN 978-3-540-71090-5

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P. ; Weickert, J. (Hrsg.) : Vision, Modelling, and Visualisation 2007 (Vision, Modelling, and Visualisation 2007 saarbr¨ucken 7.-9.11.2007). 1. Aufl. Saarbr¨ucken : Max-Planck-Institut fuer Informatik, 2007, S. 223-232. –

Borsdorf, Anja ; Raupach, Rainer ; Hornegger, Joachim: Separate CTReconstruction for 3D Wavelet Based Noise Reduction Using Correlation Analysis . In: Yu, Bo (Hrsg.) : IEEE NSS/MIC Conference Record (IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Honolulu, USA 27.10.03.11.2007). 2007, S. 2633-2638.

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Borsdorf, Anja ; Raupach, Rainer ; Hornegger, Joachim: Wavelet based Noise Reduction by Identification of Correlation . In: Franke, Katrin ; M¨uller, KlausRobert ; Nickolay, Bertram ; Sch¨afer, Ralf (Hrsg.) : Pattern Recognition (DAGM 2006), Lecture Notes in Computer Science (28th DAGM Symposium Berlin 12.14.09.2006). Bd. 4174. Berlin : Springer, 2006, S. 21-30. – ISBN 3-540-44412-2

9.5.13

Koronarangiographie unter Verwendung von C-Arm CT

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Marcus Pr¨ummer Siemens AG, Medical Solution, Forchheim, Germany Laufzeit: 1.10.2003–31.3.2008 F¨orderer: Bavaria California Technology Center Kontakt: Dipl.-Inf. Marcus Pr¨ummer Tel.: +49 9131 85 27874 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Koronarangiographie unter Verwendung von C-Arm CT ist eine neue bildgebende Technik in der Entwicklung, die eine Kombination von 3D Bildakquisition und Echtzeit Fluroskopie auf einem System erlaubt. Dabei werden die Vorteile der 3D/4D Bildgebung herk¨ommlicher Herz-CT Systeme und der Echtzeit 2D Projektionsmodus von C-Arm Systemen kombiniert, die wegen der hohen r¨aumlichen Bildaufl¨osung im interventionellen Bereich eingesetzt werden. F¨ur eine 3D Herzrekonstruktion wird eine R¨ontgenbildsequenz einer speziellen Herzphase ben¨otigt. Dies geschieht standardm¨assig durch retrospektive Selektion der EKG-getriggert aufgenommenen R¨ontgenbilder. Dazu ist eine hohe zeitliche Aufl¨osung der Herzphase erforderlich, 141

wodurch hohe Hardware Anforderungen an C-Arm CT Ger¨ate gestellt werden. Jedoch k¨onnen derzeitige Systeme diesen Anforderungen noch nicht gen¨ugen. Um eine hohe zeitliche Aufl¨osung der zu rekonstruierenden Herzphase zu erm¨oglichen werden neue Verfahren zur nicht-parametrischen Modellierung der 3D/4D Herzbewegung und neue Rekonstruktionsalgorithmen verwendet. Diese erlauben eine Bewegungskorrektur unter Verwendung der berechneten Herzbewegung, um somit Bewegungsartefakte zu reduzieren. ¨ 4D-FBP Bewegungskorrektur fur Um die zeitliche Aufl¨osung einer Herzrekonstruktion zu erh¨ohen, wird die patientenspezifische 4D Herzbewegung, basierend auf einer Sequenz an initial rekonstruierten EKG-getriggerten FDK Rekonstruktionen von verschiedenen Herzphasen, berechnet. Um das 4D Bewegungsfeld zu berechnen wird eine herk¨ommliche nicht-starre Registrierung verwendet. In diesem Projekt wurde ein Feldkamp a¨ hnlicher Algorithmus zur Rekonstruktion dynamischer Objekte entwickelt. Die prinzipielle Idee des Verfahrens ist es eine zeitlich abh¨angige r¨aumliche Deformation aller gefilterten R¨uckprojektionen entsprechend des 4D Bewegungsfeldes durchzuf¨uhren um Erh¨ohung des Signal-Rausch-Verh¨altnisses in Koronar C-Arm CT mittels Bewegungskorrektur Eine standard Technik in der Koronar C-Arm CT ist es die aufgenommenen Projektionen eines Mehrfachlaufes des C-Bogens entsprechend dem EKG Signal zu triggern um mit Projektionen passend zur gew¨unschten Herzphase zu rekonstruieren. Dabei werden jedoch nur 1/N der aufgenommenen Projektionsdaten verwendet. Um das SignalRausch-Verh¨altnis zu erh¨ohen wurden Methoden entwickelt um alle aufgenommenen Projektionsdaten zur Rekonstruktion zu verwenden. Dazu werden alle Projektionen entsprechend der gesch¨atzten 4D Herzbewegung relativ zu einer gew¨ahlten Referenzherzphase korrigiert. Schaetzung der 4D Herzbewegung Um Verschmierungen und Bewegungsartefakte zu reduzieren wird die Herzbewegung, durch eine zeitlich abh¨angige r¨aumliche Deformation der gefilterten R¨uckprojekionen, kombensiert. In dieser Arbeit wird die Sch¨atzung der 4D Herzbewegung, basierend auf einer Serie von initialen standard retrospektiv EKG-getriggerten FDK Rekonstruktionen, untersucht. Dazu wurde ein Framework zur Sch¨atzung der 4D Herzbewegung unter Verwendung von bereits etabliereten nicht-starren Registrierungs-Algorithmen verwendet. Ein glattes 4D Bewegungsvektorfeld repr¨asentiert dabei die relative Deformation bez¨uglich einer Referenz-Herzphase. Mittels Interpolation kann das relative 4D Bewegungsfeld zu jeder anderen beliebigen Referenz-Herzphase konvertiert werden, unabh¨angig von den gew¨ahlten initialen Rekonstruktionen. Erste Ergebnisse wurden an realen Daten evaluiert. 142

4D Modellierung der Herzbewegung und Evaluierung Um eine hohe zeitliche Aufl¨osung der zu rekonstruierenden Herzphase zu erm¨oglichen werden neue Verfahren zur nicht-parametrischen Modellierung der 3D/4D Herzbewegung und neue Rekonstruktionsalgorithmen verwendet. Diese erlauben eine Bewegungskorrektur unter Verwendung der berechneten Herzbewegung, um somit Bewegungsartefakte zu reduzieren. F¨ur die Evaluierung der berechneten Herzbewegung werden 3D Ultraschall-Systeme eingesetzt, die eine Quantisierung der realen Herzbewegung an realen Daten erm¨oglichen. Publikationen –

N¨oth, Elmar: Sprachgesteuerte 3D-Angiographie – Die Software folgt dem Arzt aufs Wort .Vortrag: Kolloquium, IMKAI, Wien, 29.08.2005

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Pr¨ummer, Marcus ; Wigstroem, Lars ; Hornegger, Joachim ; Boese, Jan ; Lauritsch, Guenter ; Strobel, Norbert ; Fahrig, Rebecca: Cardiac C-arm CT: Efficient Motion Correction for 4D-FBP . In: Smith, Graham C. (Hrsg.) : Nuclear Science Symposium, Medical Imaging (IEEE Medical Imaging Conference (MIC) San Diego 1-4 Nov.). 2006, S. 2620-2628.

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Hornegger, Joachim: Cardiac C-Arm CT: Registration meets Reconstruction .Vortrag: Dagstuhl Seminar Senor Data and Information Fusion in Computer Vision and Medicine, Dagstuhl, 02. August.2006

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Pr¨ummer, Marcus ; Wigstroem, Lars ; Fahrig, R. ; Lauritsch, G. ; Hornegger, Joachim: Cardiac C-Arm CT: SNR Enhancement by Combining Multiple Retrospectively Motion Corrected FDK-like Reconstructions . In: Horsch, Alexander ; Deserno, Thomas M. ; Handels, Heinz ; Meinzer, Hans-Peter ; Tolxdorff, Thomas (Hrsg.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2007 (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2007 M¨unchen 25.-27. M¨arz 2007). Berlin : Springer, 2007, S. 222-226. ISBN 103-540-71090-6

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Pr¨ummer, Marcus ; Han, Jingfeng ; Hornegger, Joachim: 2D-3D Non-rigid Registration using Iterative Reconstruction . In: Greiner, G¨unther ; Hornegger, Joachim ; Niemann, Heinrich ; Stamminger, Marc (Hrsg.) : Vision Modeling and Visualization (Workshop Vision Modeling and Visualization in Erlangen 2005 Erlangen 16.-18. November 2005). Erlangen : Akademische Verlagsgesellschaft Aka GmbH, Berlin, 2005, S. 187-194. – ISBN 3-89838-068-8

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Pr¨ummer, Marcus ; K¨ostler, Harald ; Hornegger, Joachim ; R¨ude, Ulrich: A full multigrid technique to accelerate an ART scheme for tomographic image reconstruction . In: H¨ulsemann, Frank ; Kowarschik, Markus ; R¨ude, Ulrich (Hrsg.) : 143

Frontiers in Simulation (Simulationstechnique 18th Symposium in Erlangen 2005 Erlangen 12.-15. September 2005). Erlangen : SCS Publishing House e.V., 2005, S. 632-637. – ISBN 3-936150-41-9 9.5.14

Korrektur von Intensit¨atsvariationen Magnetresonanztomographie

der

Ganzk¨orper-

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Florian J¨ager Paul Finn Laufzeit: 1.1.2007–31.12.2008 F¨orderer: BaCaTeC Kontakt: Dipl.-Inf. Florian J¨ager Tel.: +49 9131 85 27894 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Ganzk¨orper Magnetresonanztomographie (MRT) kombiniert die Vorz¨uge von hohem Gewebekontrast mit der M¨oglichkeit Ganzk¨orperaufnahmen von Patienten ohne Repositionierung zu erstellen. Allerdings erschwert die große Menge an akquirierten Daten eine zeitnahe und zuverl¨assige Sichtung der Bilder durch den Radiologen. Weiterhin ist eine automatische Aufbereitung bzw. Analyse der Datens¨atze auf Grund deren Heterogenit¨at sehr schwierig. Da ein Intensit¨atsstandard fehlt, der vergleichbar mit den Hounsfieldeinheiten in der Computertomographie w¨are, kann a-priori Wissen u¨ ber die Verteilung der Grauwerte f¨ur weitergehende Verarbeitungsschritte nicht verwendet werden. Allerdings basieren viele Segmentierungs- und Klassifikationsans¨atze auf diesen Gr¨oßen. Dieses Projekt besch¨aftigt sich mit der Entwicklung von Methoden zur kombinierten Korrektur von inter und intra Intensit¨atsvariationen basierend auf den Statistiken der Datens¨atze. Ziel ist es einen protokolabh¨angigen Intensit¨atsstandard zu schaffen. Damit wird die M¨oglichkeit er¨offnet, eine breitere Auswahl an Methoden zur automatischen Segmentierung und Klassifikation von Ganzk¨orper MRT Aufnahmen zu nutzen. 9.5.15

MEDICO – intelligente Bildsuche in Medizindatenbanken

Projektleitung: 144

Dr. Martin Huber Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Johannes Feulner Laufzeit: 1.8.2007–31.7.2012 F¨orderer: Siemens Mitwirkende Institutionen: Siemens LME Erlanger Uniklinik Fraunhofer Institut f¨ur Graphische Datenverarbeitung Deutsche Forschungszentrum f¨ur K¨unstliche Intelligenz (DFKI) Kontakt: Dipl.-Inf. Johannes Feulner Tel.: +49 9131 85 27825 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Das Medico-Projekt ist Teil des THESEUS-Forschungsprogrammes, das vom Bundesministerium f¨ur Wirtschaft und Technologie (BMWi) initiiert wurde. Medico wurde im August 2006 von einem Industriekonsortium eingereicht, vom BMWi angenommen und l¨auft seit August 2007. Das BMWi stellt f¨ur THESEUS insgesamt 90 Mio Euro u¨ ber einen Zeitraum von f¨unf Jahren zur Verf¨ugung. Ziel des Medico-Projektes ist die Erm¨oglichung von semantischer Suche auf medizinischen Bilddatenbanken. Die Idee ist, aus medizinischen Bildern automatisch eine formale Beschreibung zu generieren. Ein Benutzer kann diese Beschreibungen unter Verwendung von Schl¨usselw¨ortern oder Beispielbildern durchsuchen. Im Falle eines Beispielbildes wird dieses automatisch analysiert und Schl¨usselw¨orter werden aus der formalen Beschreibung erzeugt, die dann f¨ur die Suche verwendet werden. Um dieses Ziel zu erreichen, m¨ussen einige Teilprobleme gel¨ost werden: • Die robuste hierarchische Analyse und das Verstehen medizinischer Bilder • Entwicklung einer neuen skalierbaren und hierarchischen Informationsrepr¨asentation • Entwicklung einer neuen Architektur, die die semantische Bildsuche und skalierbare Suchl¨osungen unterst¨utzt. Intelligente Bildsuchmaschinen f¨ur den medizinischen Bereich bieten ein enorm hohes Potenzial: 145

¨ • Kliniker und Arzte verf¨ugen damit in Zukunft u¨ ber eine leistungsf¨ahige L¨osung zur Nutzung und Durchsuchung von Bilddatenbanken auf Basis von Inhalten und Semantikmerkmalen und erhalten damit eine wertvolle Entscheidungsunterst¨utzung am Ort der Behandlung. • CAD (Computer-Aided-Detection)-Technologien profitieren damit durch die Ber¨ucksichtigung der Semantikkomponente und erm¨oglichen in Folge wesentlich k¨urzere TTM(Time-to-Market)-Zeiten. • Einfachere und direkte Rekrutierung von Patienten zur Durchf¨uhrung klinischer Studien durch Suchen nach den gew¨unschten Bildinhalten. • Einfachere Durchf¨uhrung von epidemiologischen Studien durch Durchsuchen von geografisch verteilten Bilddatenbanken. 9.5.16

Optimierung von raumzeitlich basierter multimodaler Emissiontomographie in definierten Anwendungsbereichen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Prof. Dr. med. Torsten Kuwert Hans Vija Beteiligte: Dipl.-Ing. Johannes Zeintl Laufzeit: 1.4.2007–30.3.2010 F¨orderer: Siemens Medical Solutions USA, Inc., Molecular Imaging Kontakt: Dipl.-Ing. Johannes Zeintl Tel.: +49 9131 85 36271 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Die Molekularmedizin befasst sich mit der Erforschung von Erkrankungen auf der zellul¨aren und molekularen Ebene. Die gewonnenen Erkenntnisse werden verwendet, um neue Methoden f¨ur Gesundheitsf¨orderung und sowohl Diagnose als auch Behandlung von Krankheiten zu entwickeln. Die molekulare Bildgebung visualisiert und lokalisiert molekulare Prozesse in vivo f¨ur Diagnose und Therapie. Hierbei ist volumetrische Bildgebung klinischer Standard. Jedoch werden in den aktuellen klinischen Protokollen entweder statische Bedingungen angenommen, was zur Mittelung der temporalen Variationen der Tracer-Verteilung f¨uhrt, oder es werden sequenzielle 146

Aufnahmen in kurzen Zeitabst¨anden, sogenannte 3+1D Aufnahmen, durchgef¨uhrt, um die temporale Variation abzusch¨atzen. Raumzeitlich best¨andige und unbest¨andige tomographische Datens¨atze aufzunehmen, zu verarbeiten und zu analysieren und den Nutzen in klinischen Anwendungen zu beurteilen, ist Gegenstand von aktiver Forschung. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Grundlage f¨ur objektive und quantitative Beurteilung der Bildqualit¨at von raumzeitlich basierten Datens¨atzen zu schaffen, und diese Methoden auf 3+1D und 4D Verfahren, welche noch entwickelt werden, anzuwenden. Die entworfenen Methoden werden in definierten klinischen Anwendungsbereichen eingesetzt. Publikationen –

Vija, A. Hans ; Zeintl, Johannes ; Chapman, James T. ; Hawman, Eric G. ; Hornegger, Joachim: Development of Rapid SPECT Acquisition Protocol for Myocardial Perfusion Imaging . In: Smith, Graham C. (Hrsg.) : Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference 2006 (2006 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference San Diego (USA) 29. Oktober – 4. November 2006). 2006, S. 1811-1816.

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Zeintl, Johannes ; Vija, A. Hans ; Chapman, James T. ; Hawman, Eric G. ; Hornegger, Joachim: Quantifying the Effects of Acquisition Parameters in Cardiac SPECT Imaging and Comparison with Visual Observers . In: Smith, Graham C. (Hrsg.) : Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference 2006 (2006 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference San Diego (USA) 1.-4. November 2006). 2006, S. 3251-3257.

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Zeintl, Johannes ; Ding, Xinhong ; Vija, A. Hans ; Hawman, Eric G. ; Hornegger, Joachim ; Kuwert, Torsten: Estimation Accuracy of Ejection Fraction in Gated Cardiac SPECT/CT Imaging using Iterative Reconstruction with 3D Resolution Recovery in Rapid Acquisition Protocols . In: IEEE (Veranst.) : Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference 2007 (2007 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference Honolulu (USA) 28.10.20073.11.2007). 2007, S. 4491-4496.

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Zeintl, Johannes ; Vija, A. Hans ; Yahil, Amos ; Ding, Xinhong ; Hornegger, Joachim ; Kuwert, Torsten: Towards Quantitative SPECT: Error Estimation of SPECT OSEM with 3D Resolution Recovery, Attenuation Correction and Scatter Correction . In: Sellin, Paul (Hrsg.) : Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference 2008 (Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference 2008 Dresden 19 – 25 October 2008). 2008, S. 4106-4111.

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9.5.17

Quantifizierung der Gewebeperfusion mittels der C-arm CT

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Andreas Fieselmann, M. Sc. Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Laufzeit: 15.2.2008–14.2.2011 F¨orderer: Siemens AG, Healthcare Sector Mitwirkende Institutionen: Stanford University, Department of Radiology Kontakt: Andreas Fieselmann, M. Sc. Tel.: +49 9131 85 27825 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Der Schlaganfall stellt die dritth¨aufigste Todesursache in Europa dar. Die Messung des Blutflusses (Perfusion) im Gehirn ist ein Standardverfahren zur Diagnose des Schlaganfalls, das zur Zeit mit Hilfe der Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie (MRT) durchgef¨uhrt wird. In diesem Projekt wird der Einsatz eines C-Bogen Angiographiesystems (C-arm CT) untersucht, um die Perfusion zu bestimmen. Die C-arm CT erm¨oglicht es, tomographische Aufnahmen sowohl kurz vor, als auch w¨ahrend einer Intervention durchzuf¨uhren. Potentielle Vorteile dieser Technik sind, dass kein CT oder MRT Scanner f¨ur die Untersuchung blockiert wird und die Zeit zwischen der Untersuchung und der Behandlung minimiert werden kann. Die Forschungsschwerpunkte liegen bei diesem Projekt im Bereich der 3D Bildrekonstruktion in der Kegelstrahlgeometrie und in der 3D Bildanalyse, um die regionalen Perfusionsparameter zu berechnen. Das Ziel dieses Projektes ist es, neue dynamische Rekonstruktionsalgorithmen zu entwickeln, die f¨ur langsam rotierende Scanner, wie Carm CT Scanner, einsetzbar sind. Zudem werden Bildanalyseverfahren entwickelt, die die Eigenschaften der C-arm CT ber¨ucksichtigen. Schließlich soll auch das Injektionsprotokoll des Kontrastmittels f¨ur die Bildrekonstruktion und -analyse optimiert werden. 9.5.18

Quantitative Computertomographie mittels spektraler Detektion

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger 148

Heismann, Bj¨orn Beteiligte: Michael Balda, M. Sc. Niederl¨ohner, Daniel Laufzeit: 1.1.2007–31.12.2009 F¨orderer: Siemens Medical Solutions Kontakt: Michael Balda, M. Sc. Tel.: +49 9131 85 25247 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Die spektrale Detektion von R¨ontgenstrahlung hat das Potential, einen wichtigen Beitrag zur Schaffung neuer medizinischer Applikationen in der Computertomographie zu leisten. Dabei ist das Wechselspiel zwischen der Messg¨ute des Detektors und der resultierenden Bildqualit¨at a¨ ußerst komplex. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts soll die komplette CT-Bildkette von der Detektordatenerfassung u¨ ber die Rekonstruktion bis zur Beschreibung der Bildqualit¨at entwickelt werden. Es soll untersucht werden, ob durch eine genaue Beschreibung und Korrektur der CT-Messung eine quantitativ ¨ genaue CT m¨oglich ist. Die Bildkette soll dabei zugleich zur Uberpr¨ ufung und Optimierung der spektralen Messeigenschaften des Detektors genutzt werden. Publikationen –

Balda, Michael ; Wirth, Stefan ; Niederl¨ahner, Daniel ; Heismann, Bj¨orn ; Hornegger, Joachim: Look-up Table-Based Simulation of Scintillation Detectors in Computed Tomography . In: Sellin, Paul (Hrsg.) : 2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (IEEE Medical Imaging Conference 2008 Dresden 19 – 25 October 2008). 2008, S. 4028-4033. – ISBN 978-1-4244-2715-4

9.5.19

Quantitative Evaluation der Sehbahn bei Glaukom-Patienten

Projektleitung: Prof. Dr. Arnd D¨orfler Prof. Dr. Georg Michelson Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: PD Dr. med. Tobias Engelhorn Dr. med. Simone W¨arntges 149

Ahmed El-Rafei, M. Sc. Laufzeit: 1.8.2008–30.9.2011 F¨orderer: Deutscher Akademischer Austauschdienst Weltweit leiden Millionen unter der Glaukomerkrankung. Das Glaukom ist die zweith¨aufigste Ursache f¨ur Erblindung. Die verursachten Sch¨aden sind irreversibel. Dennoch wird bei weniger als 50 % der Erkrankten auch tats¨achlich ein Glaukom diagnostiziert, da die auftretenden Gesichtsfeldausf¨alle h¨aufig erst im fortgeschrittenen Stadium bemerkt werden. Deshalb sind bessere Methoden zur Glaukomerkennung und -therapie dringend erforderlich. Verschiedenste Bildmodalit¨aten existieren zur Bildaufnahme des Augenhintergrundes. Allerdings bleibt die Betrachtung der Signalweiterleitung u¨ ber die Sehbahn bis zum visuellen Kortex bei der Diagose unber¨ucksichtigt. Dieses Projekt verfolgt das Ziel, die Sehbahn mit Hilfe von Diffusion Tensor Imaging (DTI) zu visualisieren und zu analysieren, welche Korrelation zwischen den Ver¨anderungen der Sehstrahlung und der Glaukomerkrankung besteht. Identifikation der Sehstrahlung: DTI basiert auf Magnetresonanztomographie und ist als einzige bildgebende, nicht invasive Modalit¨at in der Lage den Verlauf der Sehbahn zu erfassen. Die exakte Segmentierung der Sehstrahlung aus DTI Datens¨atzen stellt eine große Herausforderung dar, da die Daten nur probabilistische Informationen enthalten. Die vorhandene, enge Kooperation mit dem medizinischen Experten ist daher unbedingt erforderlich, um aussagekr¨aftige Ergebnisse zu erzielen. Der aktuell entwickelte Algorithmus nutzt die DTI spezifischen Eigenschaften, um aus den probabilistischen Informationen eine aussagekr¨aftig Segmentierung zu gewinnen, die zu Analyse der Sehbahn genutzt werden kann. 9.5.20

Retrospektive Mikroskopie

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Prof. Dr. med. Elke L¨utjen-Drecoll Beteiligte: Simone Gaffling, M. Sc. Laufzeit: 1.7.2008–30.6.2011 F¨orderer: SAOT School of Advanced Optical Technologies Kontakt: Simone Gaffling, M. Sc. 150

Tel.: +49 9131 85 27826 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Die Herstellung histologischer Schnitte ist ein u¨ bliches Verfahren, um auf zellularer Ebene Gewebe und Gewebe¨anderungen zu untersuchen. Manchmal w¨are es allerdings von Vorteil, wenn die zugrundeliegende drei-dimensionale (3-D) Struktur ebenfalls betrachtet werden k¨onnte, um zum Beispiel morphologische Merkmale besser zu erkennen. Das Ziel dieses Projekts ist die 3-D Rekonstruktion von histologischen Datens¨atzen, wobei die Untersuchung und Implementierung folgender Schritte notwendig ist: • Auswahl der zur Rekonstruktion geeigneten Schnitte • Wiederherstellung der korrekten Reihenfolge der Schnitte • Reduzierung von Artefakten • Starre und nicht-starre Registrierung der Schnitte • Segmentierung relevanter Strukturen • Speicherung und Darstellung des 3-D Volumens 9.5.21

Segmentierung und Multi-Modale 3D Registrierung von CT, SPECT und Ultraschall

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dipl.-Inf. Dieter Hahn Dipl.-Inf. Volker Daum Laufzeit: 1.1.2005–31.12.2008 Kontakt: Dipl.-Inf. Dieter Hahn Tel.: +49 9131 85 27874 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Segmentierung Multi-Modaler Volumendaten

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Als Aufgabenstellungen haben sich unter anderem die Segmentierung und Registrierung multi-modaler Volumendaten ergeben. Im Rahmen des Segmentierungsprojekts lautet die Zielstellung, Schilddr¨usendaten in 3D Ultraschallbildern (US) zu klassifizieren. Wegen der schlechten Bildqualit¨at, bedingt durch verrauschte Bildsignale, ist dieser Ansatz ohne eine ad¨aquate Vorverarbeitung nicht zu bew¨altigen. Untersucht wurden hierf¨ur bislang mehrere numerische und heuristische Techniken zur Bildverbesserung wie z.B. Varianten der anisotropen Diffusion, Mumford-Shah basierte Ans¨atze und morphologische Filter. Einige dieser Methoden wurden in der Arbeit von Kollorz et. al.: ”Quantification of Thyroid Volume Using 3-D Ultrasound Imaging” ausf¨uhrlich evaluiert. Beim Ansatz der Segmentierung mit Level Sets kommt es dabei vor allem auf die Kantenerhaltung an. Eine quantitative Analyse geeigneter Filter ließ hierbei einen klaren Vorteil auf Seiten des anisotropen, kantenverst¨arkenden Diffusionsfilters erkennen. Weiterhin wurden Alternativen zur Level Set Segmentierung untersucht. Zur Segmentierung von Nieren und Nierenzysten bei Patienten mit Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease (ADPKED) wurde der Random Walk Algorithmus implementiert. Es werden derzeit auch Algorithmen evaluiert, die Vorwissen u¨ ber die Form des zu Segmentierenden Organs einbringen. Eine entsprechende Ver¨offentlichung wird gegenw¨artig begutachtet. Experimente haben gezeigt, dass sogenannte Active Shape Models die Robustheit der automatischen Algorithmen erh¨ohen und gleichzeitig die notwendige manuelle Interaktion verringern. Multi-Modale Bildregistrierung Die hierbei zus¨atzlich zu den Intensit¨aten gewonnene Information wird im zweiten Projekt eingesetzt: der multi-modalen Registrierung von CT (Computed Tomography), SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) und US. Die 3D Ultraschallbildgebung ist im Vergleich zu CT oder SPECT ein relativ kosteng¨unstiges Verfahren, das zunehmend in den Kliniken eingesetzt wird. Derzeit liegt ein Hauptanwendungsgebiet in der Pr¨anataldiagnostik, die Technik ist jedoch vielseitig f¨ur die Aufnahme morphologisch begrenzter Regionen geeignet. Im Projekt: ”Dreidimensionalen Subtraktions-Ultraschallbildgebung und -verarbeitung zur verbesserten Diagnostik von Schilddr¨usenkrankheiten und insbesondere von Schilddr¨usenkrebs” ist ein entsprechender DFG Antrag formuliert, der einen Bearbeitungszeitraum von drei Jahren vorsieht. Registrierung ist ein elementarer Schritt in der Analyse multi-modaler Bilder. Derzeit werden mehrere starre und nicht-starre Registrieralgorithmen im Rahmen dieses Projektes entwickelt. Bei der starren (nur Translation und Rotation der Bilder zueinander) Registrierung liegt der Schwerpunkt auf einer hohen Geschwindigkeit, Genauigkeit und Robustheit. Um die Geschwindigkeit gegen¨uber einem aktuellen starren Registrierungsalgorithmus zu verbessern wurde ein neuer, projektionsbasierter Ansatz entwickelt, der eine Zerlegung der Optimierung der Transformation in eine sequentielle Optimierung der einzelnen Parameter erlaubt. Nicht-starre Registrierungsalgorithmen wurden imple152

mentiert und erfolgreich in der SPECT-Differenzbildgebung von Inter- und Intraiktalen Daten von Epilepsie Patienten eingesetzt. Zuk¨unftig wird ein Fokus dieses Projektes die Integration von Vorwissen in Form von Segmentierungsergebnissen in die Registrieralgorithmen sein. Besonders im Bereich der nicht-starren Registrierung k¨onnte dieses Vorwissen als zus¨atzliche Regularisierung dienen und dadurch vor allem die Robustheit der Algorithmen erh¨ohen. Ein weiterer wichtiger Punkt f¨ur die weitere Forschung wird auch die Evaluierung der Genauigkeit der erzielten Ergebnisse sein. Es wird in diesem Projekt vor allem Wert auf die Zusammenarbeit des Lehrstuhls f¨ur Mustererkennung (Prof. Dr.-Ing. J. Hornegger) mit klinischen Instituten gelegt. Dazu z¨ahlen unter anderem die Nuklearmedizinische Klinik mit Poliklinik (Prof. Dr. med. T. Kuwert) und die Abteilung Spezial-Ambulanz f¨ur Pr¨anatale Diagnostik m. spez. Ultraschall (Prof. Dr. med. R. Schild) der Frauenklinik (Prof. Dr. med. W. Beckmann) an der Universit¨at Erlangen-N¨urnberg. Publikationen –

Kollorz, Eva ; Hahn, Dieter ; Linke, Rainer ; Goecke, Tamme ; Hornegger, Joachim ; Kuwert, Torsten: Quantification of Thyroid Volume Using 3-D Ultrasound Imaging . In: IEEE Transactions on Medical Imaging 27 (2008), Nr. 4, S. 457-466

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Daum, Volker ; Helbig, Holger ; Janka, Rolf ; Eckardt, Kai-Uwe ; Zeltner, Raoul: Quantitative Measurement of Kidney and Cyst Sizes in Patients with Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease(ADPKD) . In: Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst W. ; Schookin, Sergey ; Feußner, Hubertus ; Navab, Nassir ; Gulyaev, Yuri V. ; H¨oller, Kurt ; Ganzha, Victor (Hrsg.) : 3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering Erlangen 2.-3.07.2007). Bd. 1. Erlangen : Union aktuell, 2007, S. 111115. – ISBN 3-921713-33-1

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Daum, Volker ; Hahn, Dieter ; Hornegger, Joachim: A Nonlinear Projection Scheme for Fast Rigid Registration . In: Frey, Eric C. (Hrsg.) : IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (IEEE Medical Imaging Conference Honolulu October 2007). 2007, S. 4022-4026.

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Hahn, Dieter ; Daum, Volker ; Hornegger, Joachim ; Kuwert, Torsten: Comparison of Differences between Intra- and Inter-Ictal SPECT Images with MRI using Registration Techniques . In: Deutsche Gesellschaft f¨ur Nuklearmedizin (DGN) (Veranst.) : Nuklearmedizin Kongressausgabe 02/07 (45. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Nuklearmedizin Hannover 25. April 2007). 2007, S. A59. 153

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Wolz, Gabriele ; N¨omayr, Anton ; Hothorn, Torsten ; Hornegger, Joachim ; R¨omer, Wolfgang ; Bautz, Werner ; Kuwert, Torsten: Comparison of performance between rigid and non-rigid software registering CT to FDG-PET . In: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 2 (2007), Nr. 3-4, S. 183-190

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Hahn, Dieter ; Daum, Volker ; Hornegger, Joachim ; Bautz, Werner ; Kuwert, Torsten: Difference Imaging of Inter- and Intra-Ictal SPECT Images for the Localization of Seizure Onset in Epilepsy . In: Frey, Eric C. (Hrsg.) : IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (IEEE Medical Imaging Conference Honolulu October 2007). 2007, S. 4331-4335.

9.5.22

¨ Perfusions-CT Segmentierung von Organen fur

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Dr.-Ing. Grzegorz Soza (Siemens) Beteiligte: Dipl.-Inf. Andreas Wimmer Laufzeit: 1.6.2006–31.5.2009 F¨orderer: Siemens Medical Solutions Kontakt: Dipl.-Inf. Andreas Wimmer Tel.: +49 9131 85 27799 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Dieses Forschungsprojekt hat die Entwicklung und Evaluation von Methoden zur Segmentierung von Organen des Abdomens in Perfusionscomputertomographie (Perfusions-CT) Aufnahmen zum Ziel. Die Perfusionsbildgebung hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen diagnostischen Werkzeug f¨ur Schlaganfall- und Tumorpatienten entwickelt. Bei einem Schlaganfall ist die Perfusion des betroffenen Gebietes reduziert; im Gegensatz dazu ist die Perfusion f¨ur Tumore aufgrund der Neovaskularisierung erh¨oht. In den letzten Jahren hat sich die Forschung auch auf Perfusionsanalysen f¨ur Organe des Abdomens konzentriert. Bei der Perfusions-CT wird ein Kontrastmittel in die Blutversorgung des zu untersuchenden Gebietes injiziert und dessen zeitliche Ausbreitung untersucht.

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Bildverarbeitungsmethoden sind erforderlich, um automatisch das Gebiet des zu untersuchenden Organs zu bestimmen. Dies ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da unterschiedliche Organe des Abdomens a¨ hnliche Intensit¨atswerte in CT Aufnahmen aufweisen, was die Unterscheidung der einzelnen Gewebeklassen schwierig gestaltet. Zus¨atzlich m¨ussen Organbewegungen und Deformationen, die zum Beispiel aufgrund von Atmung entstehen, durch Bildregistrierung kompensiert werden, um eine genaue Perfusionsanalyse zu erhalten. Das Ziel des Projekts besteht darin, Bildverarbeitungsmethoden zu entwickeln, die schnell, genau und robust sind, und die nur wenig Benutzerinteraktion erfordern, um Anspr¨uchen an den klinischen Arbeitsablauf gerecht zu werden. Dieses Forschungsprojekt wird von unserem Industriepartner Siemens Medical Solutions unterst¨utzt. Publikationen –

Maier, Florian ; Wimmer, Andreas ; Soza, Grzegorz ; Kaftan, Jens N. ; Fritz, Dominik ; Dillmann, R¨udiger: Automatic Liver Segmentation using the Random Walker Algorithm . In: GMDS ; BVMI ; IEEE (Veranst.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008 – Algorithmen, Systeme, Anwendungen (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008 Berlin 06.-08.04.2008). 2008, S. k.a..

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Eibenberger, Eva ; Borsdorf, Anja ; Wimmer, Andreas ; Hornegger, Joachim: Edge-Preserving Denoising for Segmentation in CT-Images . In: Tolxdorff, Thomas ; Braun, J¨urgen ; Deserno, Thomas M. ; Handels, Heinz ; Horsch, Alexander ; Meinzer, Hans-Peter (Hrsg.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008 – Algorithmen, Systeme, Anwendungen (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008 – Algorithmen, Systeme, Anwendungen Berlin 06.-08.04.2008). Berlin : Springer, 2008, S. 257-261. – ISBN 978-3-540-78639-9

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Wimmer, Andreas ; Soza, Grzegorz ; Hornegger, Joachim: Implicit Active Shape Model Employing Boundary Classifier . In: Ejiri, Masakazu ; Kasturi, Rangachar ; Sanniti di Baja, Gabriella (Hrsg.) : Proceedings of the 19th International Conference on Pattern Recognition (19th International Conference on Pattern Recognition Tampa, USA 08.12.2008 – 11.12.2008). Tampa : Omnipress, 2008, S. no pagination. – ISBN 978-1-4244-2175-6

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Wimmer, Andreas ; Soza, Grzegorz ; Hornegger, Joachim: Two-stage Semiautomatic Organ Segmentation Framework using Radial Basis Functions and Level Sets . In: Heimann, Tobias ; Styner, Martin ; van Ginneken, Bram (Hrsg.) : 3D Segmentation in the Clinic – A Grand Challenge MICCAI 2007 Workshop Proceedings (10th International Conference on Medical Image Computing

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and Computer-Assisted Intervention – MICCAI 2007 Brisbane, QLD, Australien 29.10.2007 – 02.11.2007). 2007, S. 179-188. 9.5.23

Segmentierung von zerebralen Gef¨aßb¨aumen zur Blutflusssimulation

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Dr. Thomas Redel Prof. Dr. Arnd D¨orfler Beteiligte: Dipl.-Inf. Martin Spiegel Laufzeit: 1.1.2008–31.12.2009 F¨orderer: Siemens AG Sektor Healthcare Mitwirkende Institutionen: Universit¨atsklinikum Erlangen, Neuroradiologische Abteilung Kontakt: Dipl.-Inf. Martin Spiegel Tel.: +49 9131 85 27826 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Das Ziel dieses Forschungsprojekts besteht in der Entwicklung und Auswertung von Segmentierungsmethoden f¨ur zerebrale Gef¨aße aus 3D DSA (Digitale Subtraktion Angiographie) Datens¨atzen. Schlaganf¨alle und deren Folgen sind die dritth¨aufigste Todesursache in den westlichen Industriel¨andern. Ca. 15 % aller F¨alle gehen auf eine Hirnblutung zur¨uck, die durch die Ruptur eines erweiterten Hirngef¨aßes (Aneurysma) hervorgerufen wurde. Diese Aneurysmen haben eine Pr¨avalenz von ca. 1 % bis 6 % in der Bev¨olkerung und verursachen bis zum Zeitpunkt ihrer Ruptur in der Regel keine oder nur sehr geringe und unspezifische Symptome. Durch den zunehmenden und fr¨uhzeitigen Einsatz moderner Bildgebungstechniken werden viele dieser Aneurysmen heute als Zufallsbefunde entdeckt. Die Entscheidung zu einer pr¨aventiven Behandlung (Operation oder interventioneller Verschluss) dieser potentiell lebensbedrohlichen Situation basiert dabei u¨ berwiegend auf statistischen Erfahrungen und Annahmen. Es besteht jedoch Evidenz, dass die Ruptur eines Aneurysmas mit bestimmten Parametern des Blutflussmusters im Aneurysma korreliert. Bei einer 3D DSA Aufnahme wird ein Kontrastmittel in die zu untersuchende zerebrale Arterie injiziert, so dass Blutgef¨aße bei der R¨ontgenaufnahme sichtbar werden. Bildverarbeitungsmethoden sind erforderlich, um diese Gef¨aße automatisch aus dem gewonnen 156

Datensatz zu extrahieren. Dabei ist es eminent wichtig, dass die Geometrie der Arterie exakt segmentiert und dargestellt wird. Denn die im Anschluss durchgef¨uhrte Blutflusssimulation und deren Ergebnis h¨angen stark von der Gestalt der extrahierten Geometrie des Gef¨aßes ab. Ziel dieses Projekts ist auf der einen Seite die Entwicklung eines Prototyps, der die gesamte Verarbeitungskette angefangen bei Bildverarbeitungsmethoden, die schnell, genau und robust sind bis hin zu Methoden zur Nachverarbeitung des extrahierten Gef¨aßbaums, so dass die zu simulierende Gef¨aßgeometrie einfach und schnell zur Verf¨ugung steht. Sowie auf der anderen Seite eine klinische Verifikation der Methoden im Rahmen einer retrospektiven Auswertung von Patienten mit Aneurysmen. Dieses Forschungsprojekt wird von der Siemens AG Sektor Healthcare unterst¨utzt. 9.5.24

SFB 539, A4: Automatisches Glaukom-Screening

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Prof. Dr. Georg Michelson PD Dr.rer.nat. Berthold Lausen Beteiligte: Dipl.-Inf. J¨org Meier Dipl.-Inf. R¨udiger Bock Dr. rer. biol. hum. Werner Adler Nyul, Laszlo Dr. med. Simone W¨arntges Attila Budai Laufzeit: 1.7.2003–30.6.2009 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Kontakt: Dipl.-Inf. R¨udiger Bock Tel.: +49 9131 85 27882 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Der Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung befasst sich im Rahmen des SFB 539 Teilprojekt A4 (http://www.sfb539.forschung.uni-erlangen.de ) mit automatischen Verfahren zur Glaukomfr¨uherkennung. Die Analyse basiert auf zwei Modalit¨aten zur Aufnahme der retinalen Papillenregion: (i) Der Heidelberg Retina Tomograph II (HRT II) nutzt das Prinzip der konfokalen Mikroskopie zur Generierung von Reflektions- und Topografiebildern des Augenhintergrundes. Zur anschliessenden Auswertung der Aufnahme 157

durch die Produktsoftware, wird eine manuelle Kontur des Papillenrandes ben¨otigt. (ii) Die Kowa NonMyd Kamera akquiriert eine hochaufl¨osende Farbfotografie des Fundus. In der vorangegangenen F¨orderperiode wurde eine automatische Papillenrandsegmentierung auf HRT-Bildern entwickelt. Das Verfahren wurde in Kooperation mit der Augenklinik evaluiert und wird nun im klinischen Alltag eingesetzt. Damit kann auf die manuelle Segmentierung der Papillenkontur verzichtet werden und die Auswertung der Papille durch den HRT voll automatisch ablaufen. Die G¨ute des Klassifikationsergebnisses h¨angt unter anderem stark von der Genauigkeit der Segmentierung ab. Aufgrund der hohen Varianz der Bilddaten kommt es in diesem Schritt gelegentlich zu nicht ausreichender Segmentierung. Geringe Fehleinsch¨atzungen der Segmentierung k¨onnen in diesem Fall gravierende Auswirkungen auf das Klassifikationsergebnis haben. In der aktuellen F¨orderperiode werden toleranter Verfahren zur Glaukomerkennung entwickelt werden, die die diagnostische Herangehensweise des Augenarztes nachzubilden. Dieses Vorgehen basiert weniger auf der exakten Vermessung der Papille und interessanter Regionen als auf dem Abgleich des zu diagnostizierenden Bildes mit Erfahrungswerten. Hierzu wurden erscheinungsbasierte Verfahren wie z.B. Hauptachsentransformation, lineare Diskriminanzanalyse oder Independent Component Analysis verwendet. Als Eingabedaten der genannten Methoden wurden die Intensit¨atswerte der Bildpixel genutzt, um eine dimensionsreduzierte Darstellung der Eingangsbilder zu erhalten. Es hat sich gezeigt, dass die Variationen des Gef¨assbaumes und der Papille die Ver¨anderungen durch Glaukom zu stark u¨ berdecken und damit keine brauchbaren Merkmale extrahiert werden konnten. Ein Ausschluss des Gef¨assbaumes und einer Normalisierung des Papillenrandes zeigte stark verbesserte aber keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Es wurde auf die, in diesem Forschungsprojekt entwickelte, Gef¨ass- und Papillensegmentierung zur¨uckgegriffen. Im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes sollen abstraktere, aber weiterhin bildbasierte Eingabedaten mit geringerer Lokalit¨at verwendet werden, um die Problematik der o¨ rtlichen Variation zu verringern. Publikationen –

Bock, R¨udiger ; Meier, J¨org ; Ny´ul, L´aszl´o G. ; W¨arntges, Simone ; Michelson, Georg ; Hornegger, Joachim: Appearance-based Approach to Extract an Agerelated Biomarkers from Retinal Images . In: Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst W. ; Schookin, Sergey ; Feußner, Hubertus ; Navab, Nassir ; Gulyaev, Yuri V. ;

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H¨oller, Kurt ; Ganzha, Victor (Hrsg.) : 3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering Erlangen 2.-3.07.2007). Bd. 1. Erlangen : Union aktuell, 2007, S. 127-131. –

Meier, J¨org ; Bock, R¨udiger ; Michelson, Georg ; Ny´ul, L´aszl´o G. ; Hornegger, Joachim: Effects of Preprocessing Eye Fundus Images on Appearance Based Glaucoma Classification . In: Kropatsch, Walter G. ; Kampel, Martin ; Hanbury, Allan (Hrsg.) : 12th International Conference on Computer Analysis of Images and Patterns, CAIP. Lecture Notes in Computer Science (LNCS) 4673 (12th International Conference on Computer Analysis of Images and Patterns (CAIP) Vienna 27-29 Aug. 2007). Bd. 4673/2007. Berlin : Springer, 2007, S. 165-173. ISBN 978-3-540-74271-5

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Meier, J¨org ; Bock, R¨udiger ; Ny´ul, L´aszl´o G. ; Michelson, Georg: Eye Fundus Image Processing System for Automated Glaucoma Classification . In: Scharff, Peter (Hrsg.) : 52. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium: Computer Science meets automation (Internationales Wissenschaftliches Kolloquium: Computer Science meets automation Ilmenau 10-13 September). Bd. 2. Ilmenau : TU Ilmenau Universit¨atsbibliothek, 2007, S. 81-85. – ISBN 978-3-939473-17-6

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Bock, R¨udiger ; Meier, J¨org ; Michelson, Georg ; Ny´ul, L´aszl´o G. ; Hornegger, Joachim: Classifying Glaucoma with Image-Based Features from Fundus Photographs . In: Hamprecht, Fred A. ; Schn¨orr, Christoph ; J¨ahne, Bernd (Hrsg.) : 9th Annual Symposium of the German Association for Pattern Recognition, DAGM. Lecture Notes in Computer Science (LNCS) 4713 (DAGM Heidelberg 12-14 Sept. 2007). Bd. 4713/2007. Berlin : Springer, 2007, S. 355-365. – ISBN 9783-540-74933-2

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Bock, R¨udiger ; Meier, J¨org ; Ny´ul, L´aszl´o G. ; Michelson, Georg ; Hornegger, Joachim: Retina Image Analysis System for Glaucoma Detection . In: Ges. f. Biomed.Technik (Hrsg.) : Biomedizinische Technik, BMT 2007 (41. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Biomedizinische Technik Aachen 26-29 September). Bd. 52. Aachen : Walter de Gruyter, 2007, S. CD-ROM.

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Meier, J¨org ; Bock, R¨udiger ; Ny´ul, L´aszl´o G. ; Hornegger, Joachim ; Michelson, Georg: Novel Visualization Approach of an Automated Image Based Glaucoma Risk Index for Intuitive Diagnosis . In: Jan, J. ; Konzuplik, J. ; Provaznik, I. (Hrsg.) : Analysis of Biomedical Signals and Images, Proceedings of the Biosignal 2008 International Eurasip Conference (Biosignal Brno, Czech Republic 29.6.200801.07.2008). Bd. 19, 1. Aufl. Brno, Czech Republic : Vutium Press, 2008, S. no pagination. – ISBN 978-80-214-3613-8

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Arold, Oliver J. ; Bock, R¨udiger ; Meier, J¨org ; Michelson, Georg ; Hornegger, Joachim: Optimierte Segmentierung der Papille in HRT-Retinaaufnahmen . In: GMDS, BVMI, IEEE (Veranst.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008 Algorithmen, Systeme, Anwendungen (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008 Berlin 06. – 08. 04. 2008). 2008, S. 217-221.

9.5.25

¨ die 3D Bildrekonstruktion Techniken der Hardware-Beschleunigung fur aus Projektionen in Kegelstrahlgeometrie

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Dr.-Ing. Markus Kowarschik Beteiligte: Dipl.-Inf. Holger Scherl Benjamin Keck, M. Sc. Laufzeit: 1.11.2004–30.4.2010 F¨orderer: Siemens Medical Solutions (Components Division) Kontakt: Dipl.-Inf. Holger Scherl E-Mail: [email protected] Im Rahmen einer Kooperation des Lehrstuhls f¨ur Mustererkennung und Siemens Medical Solutions (Gesch¨aftsgebiet Components) werden seit November 2004 neuartige bildgebende Verfahren in der Computertomographie (CT) und deren Realisierung mittels unterschiedlicher Hardwarearchitekturen untersucht. Im besonderen Interesse stehen Algorithmen f¨ur die 3D-Rekonstruktion in der Spiral-CT und in C-Bogen-CT-Systemen inklusive notwendiger Vor- und Nachverarbeitungsschritte. Die Rekonstruktionsverfahren in der CT erfordern einerseits aufgrund der zu verarbeiteten Menge von Projektionsdaten und andererseits aufgrund der Gr¨oße und Anzahl der zu berechnenden Schnittbilder eine extrem hohe Rechenleistung des eingesetzten Rekonstruktionssystems. Die vorherrschenden Anforderungen an die Rechenzeit in Produktivsystemen erfordern nach dem heutigen Stand der Technik weiterhin den Einsatz skalierbarer Hardwarekomponenten. Im Fokus dieses Projekts steht die parallele Umsetzung von verschiedenen Rekonstruktionsalgorithmen auf Multiprozessorsystemen, Grafikbeschleunigerkarten, Spezialprozessoren (wie beispielsweise die Cell Broadband Engine Architecture), sowie auf rekonfigurierbarer Beschleunigerhardware, die auf Field Programmable Gate Array (FPGA) Technologie basiert. W¨ahrend des letzten Jahres wurde die Performanz von modernen Rekonstruktionsverfahren auf dem Cell Prozessor untersucht. Die erzielten Resultate demonstrieren, dass 160

die Ausf¨uhrungsgeschwindigkeit verglichen mit aktuellen Personal Computern um eine Gr¨oßenordnung verbessert werden konnte. Dies erm¨oglicht die schritthaltende Berechnung von CT Rekonstruktionen in Kegelstrahlgeometrie, was bedeutet, dass alle notwendigen Berechnungen hinter der Aufnahmezeit des benutzten Ger¨ates versteckt werden k¨onnen. Der Cell Prozessor stellt insbesondere in der Flachbilddetektor basierten Rekonstruktion in Kegelstrahlgeometrie eine vielversprechende Architektur dar, die nicht zuletzt aufgrund ihrer M¨oglichkeit in einer Hochsprache programmiert zu werden, innovative Entwicklungen in kommerziellen CT-Ger¨aten erm¨oglichen wird. Publikationen –

Scherl, Holger ; Kowarschik, Markus ; Hornegger, Joachim: Bit-Accurate Simulation of Convolution-Based Filtering on Reconfigurable Hardware . In: H¨ulsemann, Frank ; Kowarschik, Markus ; R¨ude, Ulrich (Hrsg.) : Frontiers in Simulation (Simulationstechnique 18th Symposium in Erlangen 2005 Erlangen 12.-15. September 2005). Erlangen : SCS Publishing House e.V., 2005, S. 662667. – ISBN 3-936150-41-9

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Scherl, Holger ; Koerner, Mario ; Hofmann, Hannes ; Eckert, Wieland ; Kowarschik, Markus ; Hornegger, Joachim: Implementation of the FDK Algorithm for Cone-Beam CT on the Cell Broadband Engine Architecture . In: Hsieh, J. ; Flynn, M. J. (Hrsg.) : Proceedings of SPIE (SPIE Medical Imaging – Physics of Medical Imaging San Diego 17-22.2.2007). Bd. 6510. 2007, S. 651058.

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Scherl, Holger ; Hoppe, Stefan ; Dennerlein, Frank ; Lauritsch, G¨unter ; Eckert, Wieland ; Kowarschik, Markus ; Hornegger, Joachim: On-the-fly-Reconstruction in Exact Cone-Beam CT using the Cell Broadband Engine Architecture . In: .. (Hrsg.) : Proceedings Fully3D Meeting and HPIR Workshop (9th International Meeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine Lindau July 9 – 13, 2007). 2007, S. 29-32.

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Scherl, Holger ; Keck, Benjamin ; Kowarschik, Markus ; Hornegger, Joachim: Fast GPU-Based CT Reconstruction using the Common Unified Device Architecture (CUDA) . In: Frey, Eric C. (Hrsg.) : Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference 2007 (2007 Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference Honolulu, Hawaii (USA) 30.10. – 3.11.2007). Bd. 6. 2007, S. 44644466. (Nuclear Science Symposium Conference Record, 2007. NSS ’07. IEEE) ISBN 978-1-4244-0922-8

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Scherl, Holger: Fast GPU-Based CT Reconstruction using the Common Unified Device Architecture (CUDA) .Vortrag: 2007 Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, NSS-MIC 2007, Honolulu, Hawaii (USA), 3.11..2007 161

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Keck, Benjamin: Comparison of High-Speed Ray Casting on GPU using CUDA and OpenGL .Vortrag: Konferenz, HIPHAC, Lake Como, Italy, 08.11..2008

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Weinlich, Andreas ; Keck, Benjamin ; Scherl, Holger ; Kowarschik, Markus ; Hornegger, Joachim: Comparison of High-Speed Ray Casting on GPU using CUDA and OpenGL . In: Buchty, Rainer ; Weiß, Jan-Philipp (Hrsg.) : Proceedings of the First International Workshop on New Frontiers in High-performance and Hardware-aware Computing (HipHaC’08) (First International Workshop on New Frontiers in High-performance and Hardware-aware Computing (HipHaC’08) Lake Como, Italy 8.11.2008). Bd. 1, 1. Aufl. Karlsruh : Universit¨atsverlag Karlsruhe, 2008, S. 25-30. – ISBN 978-3-86644-298-6

9.5.26

Untersuchung und Bewertung der Stimme nach Larynxteilresektion (PVcheck)

Projektleitung: Prof. Dr. med. Frank Rosanowski Beteiligte: Prof.Dr.med., Dr.rer.nat. Ulrich Eysholdt Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth Dr.-Ing. Tino Haderlein Laufzeit: 1.8.2007–31.7.2010 F¨orderer: Deutsche Krebshilfe Mitwirkende Institutionen: Abteilung f¨ur Phoniatrie und P¨adaudiologie Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth Tel.: +49 9131 85 27888 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Nach einer Larynxteilresektion, d.h. einer partiellen Kehlkopfentfernung, ist die Stimmgebung je nach Umfang des Eingriffs beeinflusst. Die Betroffenen durchlaufen eine Therapie, in der wiederholt evaluiert werden muss, ob und wie sich ihre Stimme nach der Operation hinsichtlich Kriterien wie Lautst¨arke, Verst¨andlichkeit oder Prosodief¨ahigkeit entwickelt hat. Da die Beurteilung subjektiv erfolgt und das Verfahren f¨ur Arzt und Patienten aufw¨andig ist, erscheint eine Automatisierung und Objektivierung in diesem Bereich sinnvoll. 162

In unserer Arbeit untersuchen wir, wie gut die Sprache der Patienten von einem automatischen Spracherkennungssystem erkannt wird und ob die Ermittlung der Stimmqualit¨at zumindest teilweise automatisiert erfolgen kann. Dazu m¨ussen die Bewertungen der Maschine und einer Vergleichsgruppe von Experten korrelieren. Die Selbstbewertung der Patienten (SF-36, V-RQOL, VHI, Trierer Skalen) wird ebenfalls Eingang in die Berechnung eines kompakten Globalmaßes finden, welches automatisch erstellt wird und eine Aussage u¨ ber die Stimmqualit¨at trifft. Im [Vorg¨angerprojekt SVcheck]http://www5.informatik.unierlangen.de/Forschung/Projekte/SVcheck/?language=de zur Analyse kontinuierlicher Sprache nach totaler Laryngektomie konnte gezeigt werden, dass die von menschlichen Experten vergebenen Noten f¨ur klinische Bewertungskriterien sehr gut mit der von einem Spracherkennungssystem errechneten Wortakkuratheit oder mit automatisch berechneten prosodischen Merkmalen korrelieren. Diese Erfahrungen bilden die Grundlage f¨ur das neue Projekt, in dem differenzierter untersucht werden soll, wie sich die genannten Parameter nach bestimmten chirurgischen Eingriffen ver¨andern. Die Varianz der Pathologien ist sehr groß, da z.B. nur eine Stimmlippe oder nur die Taschenfalten entfernt worden sein k¨onnen. Publikationen –

Haderlein, Tino ; Schuster, Maria ; N¨oth, Elmar ; Rosanowski, Frank: Einfluss von Lesefehlern auf die textbasierte automatische Verst¨andlichkeitsanalyse . In: Gross, Manfred ; am Zehnhoff-Dinnesen, A. (Hrsg.) : Aktuelle phoniatrischp¨adaudiologische Aspekte 2008 (25. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Phoniatrie und P¨adaudiologie D¨usseldorf 12.9.-14.9.2008). M¨onchengladbach : rheinware Verlag, 2008, S. 193-195. (Aktuelle phoniatrischp¨adaudiologische Aspekte Bd. 16) – ISBN 978-3-938975-31-2

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Haderlein, Tino ; N¨oth, Elmar ; Maier, Andreas ; Schuster, Maria ; Rosanowski, Frank: Influence of Reading Errors on the Text-Based Automatic Evaluation of Pathologic Voices . In: Sojka, Petr ; Horak, Ales ; Kopecek, Ivan ; Pala, Karel (Hrsg.) : Proceedings Text, Speech and Dialogue; 11th International Conference (Text, Speech and Dialogue; 11th International Conference Brno, Tschechien 8.9.-12.9.2008). Berlin : Springer, 2008, S. 325-332. (Lecture Notes of Artificial Intelligence Bd. 5246) – ISBN 978-3-540-87390-7

9.5.27

Verfahren der Mustererkennung im digitalen Sport

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger 163

Beteiligte: Dipl.-Ing. Bj¨orn Eskofier Beginn: 1.9.2006 Kontakt: Dipl.-Ing. Bj¨orn Eskofier Tel.: +49 9131 85 27890 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] In vielen Bereichen des t¨aglichen Lebens k¨onnen eingebettete Systeme interessante und wichtige Informationen f¨ur den Anwender bereitstellen. Beispiele hierf¨ur k¨onnen beispielsweise im Automobilbau, der industriellen Automation und auch bei biomedizinischen Implantaten gefunden werden. Auch im Bereich des Sports sind an vielen Stellen Systeme vorstellbar, die den Sportler unterst¨utzen, leiten oder auch motivieren. Bereits heute gibt es beispielsweise die M¨oglichkeit, die Pulsfrequenz und/oder die momentane Geschwindigkeit eines L¨aufers zu erfassen und an diesen weiterzugeben. Im Rahmen dieses Projektes sollen solche und a¨ hnliche Konzepte weiterverfolgt und verbessert werden. Dazu werden die M¨oglichkeiten der Integration verschiedener Sensoren in Sportartikel untersucht, und weiterhin die Optionen zur Verarbeitung der gemessenen Signale. Konzepte der Mustererkennung sollen dann genutzt werden, um die interessanten Informationen aus den Daten zu extrahieren. Denkbar sind hier beispielsweise der Erm¨udungsgrad oder die Bewertung bestimmter Bewegungsfolgen hinsichtlich Ihrer gesundheitlichen Wirkung. Publikationen –

Eskofier, Bj¨orn ; Hornegger, Joachim ; Oleson, Mark ; Munson, Ian ; Krabbe, Berthold ; DiBenedetto, Christian: Classification of Running Surface on an Embedded System – a Digital Sports Example Application . In: Malberg, Hagen ; Sander-Th¨ommes, Tilmann ; Wessel, Niels ; Wolf, Werner (Hrsg.) : Innovationen bei der Erfassung und Analyse bioelektrischer und biomagnetischer Signale (Biosignalverarbeitung 2008 Universit¨at Potsdam 16.-18. Juli 2008). Braunschweig und Berlin : Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 2008, S. 147-150. ISBN 978-3-9810021-7-1

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Eskofier, Bj¨orn ; Kornhuber, Johannes ; Hornegger, Joachim: Embedded QRS Detection for Noisy ECG Sensor Data Using a Matched Filter and Directed Graph Search . In: Bauernschmitt, Robert ; Chaplygin, Yuri ; Feußner, Hubertus ; Gulyeav, Yuri ; Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst ; Navab, Nassir ; Schookin, Sergey 164

; Selishchev, Sergey ; Umnyashkin, Sergei (Hrsg.) : Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering Moskow Institute of Technology, Zelenograd 8.-9. Juli 2008). 2008, S. 48-52. – ISBN 978-5-7256-0506-8 –

Eskofier, Bj¨orn ; Hartmann, Elmar ; K¨uhner, P. ; Griffin, J. ; Schlarb, H. ; Schmitt, M. ; Hornegger, Joachim: Real time surveying and monitoring of Athletes Using Mobile Phones and GPS . In: International Journal of Computer Science in Sports 7 (2008), Nr. 1, S. 18-27

9.5.28

Virtuelle Leberinterventionsplanung

Projektleitung: Dr. Michael S¨uhling Beteiligte: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Dipl.-Inf. Arne Militzer Laufzeit: 15.2.2008–14.2.2011 F¨orderer: Siemens AG Healthcare Kontakt: Dipl.-Inf. Arne Militzer Tel.: +49 9131 85 27894 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Lebertumoren sind eine der am h¨aufigsten vorkommenden Tumorformen und gelten als chirurgisch schwer zu entfernen. Gleichwohl gibt es in diesem Bereich bisher kaum Computerunterst¨utzung f¨ur Radiologen und Chirurgen. In diesem Projekt soll daher ein System zur virtuellen Planung von Leberinterventionen entwickelt werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der automatischen Detektion und Segmentierung von Leberl¨asionen in CT-Bildern. Um auch in schwierigen F¨allen eine robuste Segmentierung zu gew¨ahrleisten, werden verschiedene Informationsquellen, beispielsweise CT-Bilder verschiedener Kontrastmittelphasen, verwendet. Die anschließende automatische Analyse der gefundenen L¨asionen und ihrer Lage relativ zu wichtigen anatomischen Strukturen, wie Blutgef¨aßen oder Lebersegmenten, erm¨oglicht nicht nur eine bessere 3D Darstellung, anhand derer sich Chirurgen orientieren k¨onnen. Sie erlaubt außerdem eine Simulation m¨oglicher Eingriffe und ihrer Folgen.

165

Dar¨uber hinaus k¨onnen dank der Segmentierung L¨asionen, die nicht chirurgisch entfernt wurden, u¨ berwacht und so ihre Entwicklung und damit der Erfolg ihrer Therapie beurteilt werden. 9.5.29

¨ bzw. von Knoten mit Hilfe von 3DVolumenbestimmung der Schilddruse Ultraschalldaten

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Prof. Dr. med. Torsten Kuwert Beteiligte: Dipl.-Inf. Eva Kollorz Laufzeit: 1.5.2008–1.5.2010 Mitwirkende Institutionen: Nuklearmedizinische Klinik Kontakt: Dipl.-Inf. Eva Kollorz Tel.: +49 9131 85 27894 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Bisher ist es u¨ blich die Schilddr¨use mit 2D Ultraschallsonden zu untersuchen. Das Volumen der Schilddr¨use wird anhand der u¨ blichen Formel berechnet: Breite x Tiefe x L¨ange (in cm) x 0.5. Zus¨atzlich werden zwei Schnittbilder des Schilddr¨usenlappens zu dem Patienten abgespeichert. Dies ist zum einen benutzerabh¨angig, z.B. Wahl der Schichten durch den Arzt, zum anderen schr¨ankt dies den 3D Eindruck des Schilddr¨usenlappens ein. Ziel dieses Projekts ist es, das Volumen von Schilddr¨usenlappen automatisch zu bestimmen. Weiterhin soll f¨ur Folgeuntersuchungen der extrahierte Schilddr¨usenlappen bereitgestellt werden um dem Arzt zus¨atzliche Informationen bzgl. des Verlaufs zu liefern. Die Methoden sollen ebenfalls auf Knoten in der Schilddr¨use angewendet werden. Die Prozesskette umfasst Nachbearbeitung, Segmentierung sowie Registrierung. 9.5.30

Volumetrische Erfassung des Krankheitsverlaufs bei der autosomal dominanten, polyzystischen Nierenerkrankung (ADPKD)

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Prof. Dr. med. Kai-Uwe Eckardt Beteiligte: 166

Prof. Dr. med. Michael Uder Dr. med. Raoul Zeltner PD Dr. Rolf Janka Dipl.-Inf. Volker Daum Beginn: 1.4.2006 Mitwirkende Institutionen: Lehrstuhl f¨ur Informatik 5 (Mustererkennung) Medizinische Klinik 4 (Nephrologie und Hypertensiologie) Lehrstuhl f¨ur Diagnostische Radiologie Kontakt: Dipl.-Inf. Volker Daum Tel.: +49 9131 85 27874 Fax: +49 9131 303811 E-Mail: [email protected] Die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD), auch famili¨are Zystennieren genannt, ist eine der h¨aufigsten erblichen Erkrankungen. Sie ist durch die Entstehung und das Wachstum multipler Zysten in beiden Nieren gekennzeichnet. Die Erkrankung f¨uhrt bei etwa der H¨alfte der Betroffenen im Alter von 60 Jahren zur Notwendigkeit einer Nierenersatztherapie. Dabei gehen die Bildung und die Gr¨oßenzunahme der Zysten der Abnahme der Nierenfunktion voraus. Vor allem in den fr¨uhen Stadien der Erkrankung ist daher die Bestimmung der Nierengr¨oße und des Zystenvolumens f¨ur die Verlaufsbeurteilung der Erkrankung mittels bildgebender Verfahren von besonderer Bedeutung. Weiterhin ist aufgrund der komplizierten Nierenstruktur wenig u¨ ber die dynamische Entwicklung einzelner Zysten bekannt. Segmentierung der Niere: Der erste Schritt zur Volumenerfassung der Niere und der Nierenzysten ist die Segmentierung der Gesamtniere (inklusive Zysten). Problematisch hierbei ist die Abgrenzung zur Leber die als Teil des Krankheitsbildes meist ebenfalls mit Zysten durchsetzt ist, sowie die Deformation der Niere durch das Zystenwachstum. Aufgrund dieser Deformation ist es unter anderem auch nicht m¨oglich Vorwissen u¨ ber die Form der Niere in den Segmentierungsprozess einzubringen. Dementsprechend wird hier auf eine semiautomatische Segmentierung mittels eines Random-Walker Algorithmus gesetzt. Dieser basiert auf einer manuellen Initialisierung von Punkten die in dem zu segmentierenden Gewebe liegen und bestimmt daraus unter Verwendung von Gradienteninformationen des Bildes welche Bildpunkte mit hoher Wahrscheinlichkeit noch zu dem gesuchten Objekt geh¨oren. Die Vorteile dieser Methode sind ihre einfache und intuitive Bedienbarkeit, sowie ihre F¨ahigkeit auch schwache Objektgrenzen gut zu segmentieren. Segmentierung der Zysten: 167

Die Segmentierung der einzelnen Zysten erfolgt ebenfalls semi-automatisch basierend auf einer Wasserscheidentransformation. Die Zysten k¨onnen dabei individuell segmentiert werden, was die Erstellung von Statistiken u¨ ber die Gr¨oßenverteilung der Zysten zul¨asst. Zus¨atzlich wird versucht besonders kleine Zysten die meist nicht viel mehr als ein paar Pixel im Bild ausmachen mittels einfachem Thresholding zu erfassen. Ziel dabei ist, eine Korrelation zwischen den Unterschiedlichen Zystengr¨oßen und deren H¨aufigkeit und der Nierenfunktion ermitteln zu k¨onnen.

9.6

Publikationen

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Adelt, Andr´e ; Schaller, Christian ; Penne, Jochen ; Hornegger, Joachim: Patient positioning using 3-D surface registration . In: Bauernschmitt, Robert ; Chaplygin, Yuri ; Feußner, Hubertus ; Gulyaev, Yuri ; Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst ; Navab, Nassir ; Schookin, Sergey ; Umnyashkin, Sergei (Hrsg.) : Proceedings of the 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (4th RussianBavarian Conference on Biomedical Engineering Moscow Institute of Electronic Technology, Zeleonograd, Russia 08.07.2008-09.07.2008). Moscow, Russia : MIET, 2008, S. 202-207. – ISBN 978-5-7256-0506-8

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Batliner, Anton: Detecting Problems in Spoken Child-Computer-Interaction .Vortrag: 1st Workshop on Child, Computer and Interaction, Chania, 23.10..2008

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Batliner, Anton: Does Affect Affect Automatic Recognition of Children’s Speech? Vortrag: 1st Workshop on Child, Computer and Interaction, Chania, 23.10..2008

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Batliner, Anton ; Schuller, Bj¨orn ; Schaeffler, Sonja ; Steidl, Stefan: Mothers, Adults, Children, Pets – Towards the Acoustics of Intimacy . In: IEEE (Veranst.) : Proceedings of ICASSP 2008 (ICASSP 2008 Las Vegas 30.03.-04.04.2008). 2008, S. 4497-4500.

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Batliner, Anton: Multiple Classifier Applied on Predicting Microsleep from Speech .Vortrag: 19th International Conference on Pattern Recognition (ICPR 2008), International Association for Pattern Recognition, Tampa, 09.12..2008

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Batliner, Anton: Patterns, Prototypes, Performance: Classifying Emotional user States .Vortrag: Interspeech, Brisbane, 24.09..2008

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Batliner, Anton ; Steidl, Stefan ; Hacker, Christian ; N¨oth, Elmar: Private emotions versus social interaction: a data-driven approach towards analysing emotion in speech . In: User Modelling and User-Adapted Interaction – The Journal of Personalization Research (umuai) 18 (2008), S. 175-206 168

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Batliner, Anton ; Steidl, Stefan ; N¨oth, Elmar: Releasing a thoroughly annotated and processed spontaneous emotional database: the FAU Aibo Emotion Corpus . In: Devillers, Laurence ; Martin, Jean-Claude ; Cowie, Roddy ; Douglas-Cowie, Ellen ; Batliner, Anton (Hrsg.) : Proc. of a Satellite Workshop of LREC 2008 on Corpora for Research on Emotion and Affect (Workshop on Corpora for Research on Emotion and Affect Marrakesh 26.5.2008). Marrakesh : LREC, 2008, S. 28-31.

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Batliner, Anton: Releasing a thoroughly annotated and processed spontaneous emotional database: the FAU Aibo Emotion Corpus .Vortrag: Satellite Workshop of LREC 2008 on Corpora for Research on Emotion and Affect, ELDA, Marrakesh, 26.05..2008

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Bergeest, Jan-Philip ; J¨ager, Florian: A Comparison of Five Methods for Signal Intensity Standardization in MRI . In: Tolxdorff, Thomas ; Braun, J¨urgen ; Deserno, Thomas Martin ; Handels, Heinz ; Horsch, Alexander ; Meinzer, HansPeter (Hrsg.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008, Algorithmen, Systeme, Anwendungen, Proceedings des Workshops vom 6. bis 8. April 2008 in Berlin Berlin 6.-9. April 2008). Berlin : Springer, 2008, S. 36-40. – ISBN 978-3-540-78639-9

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Bock, R¨udiger: Glaucoma Risk Index: Towards Integration of Knowledge from Temporal Changes .Vortrag: University of Szeged, Szeged, Hungary, 26.06..2008

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Bock, R¨udiger: Glaucoma Risk Index: Towards Integration of Temporal Progression .Vortrag: Duke University, Durham, NC, USA, 06.05..2008

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Bocklet, Tobias ; Maier, Andreas ; Bauer, Josef ; Burkhardt, Felix ; N¨oth, Elmar: Age and Gender Recognition for Telephone Applications Based on GMM Supervectors and Support Vector Machines . In: IEEE Computer Society Press (Hrsg.) : Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP) (ICASSP 2008 Las Vegas 30.3-4.4.2008). Bd. 1. 2008, S. 1605-1608. – ISBN 1-4244-1484-9

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Bocklet, Tobias: Age and Gender Recognition for Telephone Applications based on GMM Supervectors and Support Vector Machines .Vortrag: Konferenz, ICASSP 2008, Las Vegas (USA), 1.4..2008

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Boese, Jan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther ; Pr¨ummer, Marcus: Method for providing a 3D X-ray image dataset of a patient’s heart . Schutzrecht US020080137936A1 Offenlegungsschrift (12.06.2008)

–

Boese, Jan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther ; Pr¨ummer, Marcus: Method for providing extended possibilities when imaging a patient’s heart . Schutzrecht US020080205726A1 Offenlegungsschrift (28.08.2008) 169

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Boese, Jan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther ; Pr¨ummer, Marcus: Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-R¨ontgenbilddatensatzes des Herzens eines Patienten . Schutzrecht DE102006051919A1 Offenlegungsschrift (15.05.2008)

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Boese, Jan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther ; Pr¨ummer, Marcus: Verfahren zum Schaffen erweiterter M¨oglichkeiten bei der bildlichen Darstellung eines Patientenherzens . Schutzrecht DE102007009019B3 Offenlegungsschrift (18.09.2008)

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Borsdorf, Anja ; Kappler, Steffen ; Raupach, Rainer ; Hornegger, Joachim: Analytic Noise Propagation for Anisotriopic Denoising of CT Images . In: Sellin, Paul (Hrsg.) : 2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Dresden 19 – 25 October 2008). 2008, S. 5335-5338. – ISBN 978-1-4244-2715-4

–

Borsdorf, Anja ; Kappler, Steffen ; Raupach, Rainer ; Hornegger, Joachim: Analytic Noise Propagation in Indirect Fan-Beam FBP Reconstruction . In: EMBC 2008 (Veranst.) : Proceedings of the 30th Annual International IEEE EMBC Conference (EMBC 2008 Vancouver, British Colombia, Canada 20-24.8.2008). 2008, S. 2701-2704.

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Borsdorf, Anja: Analytic Noise-Propagation in Indirect Fan-Beam FBP Reconstruction .Vortrag: Konferenz, EMBC 2008, Vancouver BC, Canada, 22.08..2008

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Borsdorf, Anja: Multiple CT-Reconstructions for Locally Adaptive Anisotropic Denoising .Vortrag: AX Seminar, Siemens AG, Healthcare Sector, Forchheim, 10.07..2008

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Borsdorf, Anja ; Kappler, Steffen ; Raupach, Rainer ; Noo, Frederic ; Hornegger, Joachim: Noise Adaptice Bilateral Filtering in Computed Tomography . In: UCAIR Symposium (Veranst.) : The 20th UCAIR Symposium (UCAIR Symposium Salt Lake City, USA 26.9.2008). 2008, S. 24.

–

Borsdorf, Anja: Noise Adaptive Bilateral Filtering in Computed Tomography .Vortrag: UCAIR Symposium, UCAIR, Salt Lake City, USA, 12.09..2008

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Dennerlein, Frank ; Noo, Frederic ; Lauritsch, G¨unter ; Hornegger, Joachim: A Factorization Approach for Cone-beam Reconstruction on a Circular Short-Scan . In: IEEE Transactions on Medical Imaging 27 (2008), Nr. 7, S. 887-896

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Dennerlein, Frank: Image Reconstruction from Fan-Beam and Cone-Beam Projections . Erlangen : Universit¨atsverlag Erlangen, 2008. – 139 Seiten.

170

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Derichs, Christian ; Deutsch, Benjamin ; Wenhardt, Stefan ; Niemann, Heinrich ; Denzler, Joachim: Information Theoretic Approaches for Next Best View Planning in Active Computer Vision . In: Chanda, B. ; Murthy, C. A. (Hrsg.) : Advances in Intelligent Information Processing. New Jersey : World Scientific, 2008, (Statistical Science and Interdisciplinary Research Bd. 2), S. 55-83.ISSN 10 981 281 898 7

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Deuerling-Zheng, Yu ; Eisenacher, Christian ; Galant, Adam K ; Hornegger, Joachim ; Stamminger, Marc: ACCELERATED IMAGE REGISTRATION BY MEANS OF PARALLEL PROCESSORS . Schutzrecht US020080037845A1 Offenlegungsschrift (14.02.2008)

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Ding, Xinhong ; Vija, A. Hans ; Zeintl, Johannes ; Kriplani, Aarti : Development of a Database Driven Statistical Quality Control Framework for Medical Imaging Systems . In: Sellin, Paul (Hrsg.) : Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference 2008 (2008 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference Dresden 19 – 25 October 2008). 2008, S. no pagination.

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Eibenberger, Eva ; Borsdorf, Anja ; Wimmer, Andreas ; Hornegger, Joachim: Edge-Preserving Denoising as a Pre-Processing Step for the Segmentation in CT-Images . In: GMDS, BVMI, IEEE (Veranst.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2008 – Algorithmen, Systeme, Anwendungen (BVM 2008 Berlin 06.08.04.2008). Berlin : Springer, 2008, S. to appear.

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Eskofier, Bj¨orn ; H¨onig, Florian ; K¨uhner, Pascal: Classification of Perceived Running Fatigue in Digital Sports . In: International Association for Pattern Recognition (Hrsg.) : Proceedings of the 19th International Conference on Pattern Recognition (ICPR 2008) (19th International Conference on Pattern Recognition (ICPR 2008) Tampa, Florida, USA December 07, 2008 – December 11, 2008). Tampa, Fl. : Omnipress, 2008, S. no pagination.

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Eskofier, Bj¨orn: Classification of Perceived Running Fatigue in Digital Sports .Vortrag: ICPR, 11.12..2008

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Eskofier, Bj¨orn: Non-Rigid 3D SPECT/CT Image Registration . Saarbr¨ucken : VDM Verlag Dr. M¨uller, 2008. – ISBN 978-3-639-08985-1

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Eskofier, Bj¨orn: Verbesserung der objektiven Beurteilung von Videoqualit¨at . Saarbr¨ucken : VDM Verlag Dr. M¨uller, 2008. – 114 Seiten. ISBN 978-3-83648806-8

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Fieselmann, Andreas: 3D Esophagus Segmentation in CT and C-arm CT Data Sets .Vortrag: SAOT Summer Academy 2008, SAOT (Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies), Frauenchiemsee, 23.07..2008 171

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Fieselmann, Andreas ; Lautenschl¨ager, Stefan ; Deinzer, Frank ; John, Matthias ; Poppe, Bj¨orn : Automated 3D Segmentation of the Esophagus For Planning of Atrial Ablation Therapy . In: DGMP (Deutsche Gesellschaft f¨ur Medizinische Physik) (Veranst.) : Medizinische Physik 2008 (39. Wissenschaftliche Jahrestagung der DGMP Oldenburg 10.-13.09.2008). 2008, S. no pagination. – ISBN 39809869-8-5

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Fieselmann, Andreas: Automated 3D Segmentation of the Esophagus For Planning of Atrial Ablation Therapy .Vortrag: Konferenz, DGMP 2008, Oldenburg, 11.09..2008

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Ganguly, Arun ; Schneider, Alex ; Keck, Benjamin ; Bennett, N. Robert ; Fahrig, Rebecca : In vivo imaging of superficial femoral artery (SFA) stents for deformation analysis . In: Hu, Xiaoping P. ; Clough, Anne V. (Hrsg.) : Proceedings of SPIE (Medical Imaging 2008: Physiology, Function, and Structure from Medical Images San Diego, CA, USA 17-22.02.2008). 2008, S. 69161Y.

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Haderlein, Tino: Automatic Quantitative Assessment of Tracheoesophageal Speech .Vortrag: 3rd Mildred Scheel Cancer Conference, Deutsche Krebshilfe, K¨onigswinter, 18.06..2008

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Haderlein, Tino: Subjective Evaluation of Patients with Substitute Voice – Assessment of Subjective Aspects in Laryngectomized Patients with Tracheoesophageal Substitute Voice .Vortrag: 3rd Mildred Scheel Cancer Conference, Deutsche Krebshilfe, K¨onigswinter, 18.06..2008

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Haderlein, Tino ; Bocklet, Tobias ; N¨oth, Elmar ; Rosanowski, Frank: Text-based vs. Vowel-based Automatic Evaluation of Tracheoesophageal Substitute Voice . In: Rozinaj, Gregor ; Cepko, Jozef ; Truchly, Peter ; Vrabec, Jan ; Vojtko, Juraj (Hrsg.) : Proceedings of IWSSIP 2008 (15th International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP 2008) Bratislava, Slowakei 25.28.6.2008). Bd. 1, 150. Aufl. Bratislava : Slovak University of Technology in Publishing House STU, 2008, S. 295-298. – ISBN 978-80-227-2856-0

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Haderlein, Tino: Text-based vs. Vowel-based Automatic Evaluation of Tracheoesophageal Substitute Voice .Vortrag: 15th International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP 2008), Slovenska Technicka Univerzita v Bratislave, Bratislava, Slowakei, 26.06..2008

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Han, Jingfeng ; K¨ostler, Harald ; Bennewitz,Christian ; Kuwert, Torsten ; Hornegger, Joachim: Computer-Aided Evaluation of Anatomical Accuracy of Image Fusion between X-Ray CT and SPECT . In: Computerized Medical Imaging and Graphics 32 (2008), Nr. 5, S. 388-395 172

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Heigl, Benno ; Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther: Method for determining gray-scale values for volume elements of bodies to be mapped . Schutzrecht US020080181367A1 Offenlegungsschrift (31.07.2008)

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Heigl, Benno ; Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther: Method for determining gray-scale values for volume elements of bodies to be mapped . Schutzrecht CN000101234029A Offenlegungsschrift (06.08.2008)

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Heigl, Benno ; Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Ruhrnschopf, ErnstPeter ; Scherl, Holger ; Scholz, Bernhard ; Zellerhoff, Michael: Method for reconstructing a three-dimensional image volume and x-ray devices . Schutzrecht US020080089468A1 Offenlegungsschrift (17.04.2008)

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Heigl, Benno ; Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Scherl, Holger ; Scholz, Bernhard ; Zellerhof, Michael: Method for reconstructing a three-dimensional image volume and x-ray devices . Schutzrecht CN000101133962A Offenlegungsschrift (05.03.2008)

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Heigl, Benno ; Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Ruhrnschopf, Ernst-Peter ; Scherl, Holger ; Scholz, Bernhard ; Zellerhoff, Michael: RECONSTRUCTION METHOD OF THREE-DIMENSIONAL IMAGE VOLUME, AND X-RAY APPARATUS . Schutzrecht JP002008055171AA Offenlegungsschrift (13.03.2008)

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Heigl, Benno ; Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther: Verfahren zum Ermitteln von Grauwerten zu Volumenelementen von abzubildenden K¨orpern . Schutzrecht DE102007003877A1 Offenlegungsschrift (31.07.2008)

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Heigl, Benno ; Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; R¨uhrnschopf, Ernst-Peter ; Scherl, Holger ; Scholz, Bernhard ; Zellerhoff, Michael: Verfahren zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildvolumens und R¨ontgenger¨ate . Schutzrecht DE102006041033A1 Offenlegungsschrift (13.03.2008)

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Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther: Ermittlungsverfahren f¨ur endg¨ultige Porjektionsmatrizen . Schutzrecht DE102006044661A1 Offenlegungsschrift (03.04.2008)

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Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther: Ermittlungsverfahren f¨ur endg¨ultige Projektionsmatrizen . Schutzrecht DE102006044661B4 Offenlegungsschrift (24.07.2008)

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Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unther: Method for determining final projection matrices . Schutzrecht US020080080758A1 Offenlegungsschrift (03.04.2008)

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Hoppe, Stefan ; Hornegger, Joachim ; Lauritsch, G¨unter ; Dennerlein, Frank ; Noo, Fr´ederic: Truncation Correction for Oblique Filtering Lines . In: Medical Physics 35 (2008), Nr. 12, S. 5910-5920

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Hornegger, Joachim: Pattern Recognition in Medical and Health Engineering .Vortrag: EML-Kolloquium, Villa Bosch, Schloß-Wolfsbrunnenweg 33, 21.04..2008

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Hornegger, Joachim ; H¨oller, Kurt ; Ritt, Philipp ; Borsdorf, Anja ; Niedermeier, Hans-Peter (Hrsg.): Pattern Recognition in Medical and Health Engineering . (HSS-Cooperation Seminar Wildbad Kreuth July 22-25, 2008) Bd. 1. Erlangen : Union Aktuell, 2008. – 108 Seiten. ISBN 3-921713-34-X

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H¨oller, Kurt: Taking endoscopy to a higher dimension: Computer Aided 3-D NOTES .Vortrag: 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering, Moscow Institute of Electronic Technology, Zelenograd, Russia, 08.07..2008

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H¨oller, Kurt: Taking endoscopy to a higher dimension: With MUSTOF to NOTES .Vortrag: CISST ERC Seminars 2007-2008, Computer-Integrated Surgical Systems and Technology Engineering Research Center, John Hopkins University, Baltimore, 01.04..2008

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H¨onig, Florian: Analyse von physiologischen Signalen zur Klassifikation von affektiven Benutzerzust¨anden .Vortrag: Kolloquium anl¨asslich des Besuchs der Firma Bosch Automotive Electronics, Friedrich-Alexander-Universit¨at ErlangenN¨urnberg, Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung, Erlangen, 29.04..2008

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H¨onig, Florian: Developing Enabling Technologies for Ambient Assisted Living: Natural Language Interfaces, Automatic Focus Detection and User State Recognition .Vortrag: Kongress, VDE, Berlin, 31.1..2008

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Janka, Rolf ; Uder, Michael ; Ritt, M. ; J¨ager, Florian ; Matirosian, P. ; Schmieder, R.E. ; Bautz, W.: Perfusionsmessung der Niere, gemessen mit arteriellem Spin Labeling (ASL) im Vergleich zur traditionellen Clearance-Bestimmung – Effekte einer 2 w¨ochigen Therapie mit einem AT1-Rezeptorinhibitor . In: Deutsche R¨ontgengesellschaft e.V. (Hrsg.) : R¨oFo – Fortschritte auf dem Gebiet der R¨ontgenstrahlen und der bildgebenden Verfahren (89. Deutscher R¨ontgenkongress Berlin 30.4.-3.5.2008). Bd. 180. Online : Georg Thieme Verlag, 2008, S. no pagination.

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Maier, Andreas: PEAKS – A system for the automatic Evaluation of all Kinds of Speech Disorders .Vortrag: Einladung von Prof. Campbell, ATR, Japan, Kyoto, 10.1..2008

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Maier, Andreas: Speech Recognizer Adaptation . Bd. 1 1. Aufl. Saarbr¨ucken : VDM Verlag Dr. M¨uller, 2008. – 160 Seiten. ISBN 978-3-8364-7549-5

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Maier, Andreas: Towards Monitoring of Children’s Speech – A case study .Vortrag: 1st International Workshop on Child, Computer, and Interaction, FBK, Chania, Griechenland, 23.10..2008

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Penne, Jochen: Robust Real-Time 3D Time-of-Flight Based Gesture Navigation .Vortrag: Konferenz FG 2008 – 8th International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition, FG 2008 – 8th International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition, De Rode Hoed, Amsterdam, The Netherlands, 18.09..2008

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Penne, Jochen: Robust Real-Time 3D Time-of-Flight Based Gesture Navigation .Vortrag: Konferenz Mensch& Computer 2008, Mensch& Computer 2008, Universit¨at zu L¨ubeck, Hansestadt L¨ubeck, Germany, L¨ubeck, 08.10..2008

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Penne, Jochen ; Soutschek, Stefan ; Fedorowicz, Lukas ; Hornegger, Joachim: Robust Real-Time 3D Time-of-Flight Based Gesture Navigation . In: Cohn, Jeffrey ; Huang, Thomas ; Pantic, Maja ; Sebe, Nico (Hrsg.) : Proceedings of the 8th International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG 2008 – 8th International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition De Rode Hoed, Amsterdam, The Netherlands De Rode Hoed, Amsterdam, The Netherlands). Amsterdam, The Netherlands : IEEE, 2008, S. Tracking-ID 335. ISBN 978-1-4244-2154-1

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Penne, Jochen: The world in my hands – 3D non-haptic navigation for NOTES interventions .Vortrag: 7. Jahrestagung der Sektion f¨ur minimalinvasive, Computer- und Telematik-assistierte Chirurgie der Deutschen Gesellschaft f¨ur Chirurgie (CTAC) im Rahmen der CURAC 2008, 7. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft f¨ur Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum, Leipzig, Germany, 26.09..2008

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Penne, Jochen ; St¨urmer, Michael ; Wilhelm, Dirk ; Feußner, Hubertus: Time-ofFlight Based Endoscopy for NOTES Interventions: Challenges and Limitations . In: Bauernschmitt, Robert ; Chaplygin, Yuri ; Feußner, Hubertus ; Gulyaev, Yuri ; Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst ; Navab, Nassir ; Schookin, Sergey ; Schookin, Sergey ; Umnyashkin, Sergei (Hrsg.) : Proceedings of the 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (4th Russian-Bavarian Conference on

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Penne, Jochen: Time-of-Flight Based Endoscopy for NOTES Interventions: Challenges and Limitations .Vortrag: Konferenz 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering, Moscow Institute of Electronic Technology, Zelenograd, Russia, 08.07..2008

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Pr¨ummer, Marcus: 3D-Reconstruction in the Presence of Motion .Vortrag: 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering, Moscow Institute of Electronic Technology (MIET), Zelenograd, Russia, 08.07..2008

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Pr¨ummer, Marcus ; Hornegger, Joachim: 3D-Reconstruction in the Presence of Motion . In: Bauernschmitt, Robert ; Chaplygin, Yuri ; Feußner, Hubertus ; Gulyaev, Yuri ; Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst ; Navab, Nassir ; Schookin, Sergey ; Selishchev, Sergey ; Umnyashkin, Sergei (Hrsg.) : Proceedings of the 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering Moscow, Russia 8./9. Juli 2008). 2008, S. 9-13.

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Seppi, Dino ; Batliner, Anton ; Schuller, Bj¨orn ; Steidl, Stefan ; Vogt, Thurid ; Wagner, Johannes ; Devillers, Laurence ; Vidrascu, Laurence ; Amir, Noam ; Aharonson, Vered: Patterns, Prototypes, Performance: Classifying Emotional user States . In: ISCA (Veranst.) : Proceedings of Interspeech (Interspeech Brisbane 22.10.2008-26.10.2008). Brisbane : ISCA, 2008, S. 601-604.

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Steidl, Stefan: Quantification of Segmentation and F0 Errors and Their Effect on Emotion Recognition .Vortrag: TSD 2008, Faculty of Informatics, Masaryk University, Brno, Brno, 11.09..2008

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St¨urmer, Michael: Standardization of Intensity-Values Acquired by Time-ofFlight-Cameras .Vortrag: Workshop auf Konferenz, Anchorage, AK, USA, 26.06..2008

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Tur, G. ; Stolcke, Andreas ; Voss, L. ; Dowding, J. ; Favre, Benoit ; Fernandez, Raquel ; Frampton, M. ; Frandsen, M. ; Frederickson, C. ; Graciarena, M. ; Hakkani-T¨ur, Dilek ; Kintzing, D. ; Leveque, K. ; Mason, S. ; Niekrasz, J. ; Peters, S. ; Purver, M. ; Riedhammer, Korbinian ; Shriberg, Elizabeth ; Tien, J. ; Vergyri, D. ; Yang, Fan: The CALO Meeting Speech Recognition and Understanding System . In: ISCA/IEEE/ACL (Hrsg.) : Proc. 2nd IEEE/ACL Workshop on Spoken Language Technologies (SLT2008), Goa, India (2nd IEEE/ACL Workshop on Spoken Language Technology Goa, India 15-18 December). 2008, S. 69-72.

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9.7

Studien- und Abschlussarbeiten

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Studienarbeit: MRI Intensity Standardization. Bearbeiter: Jan-Philip Beergest (beendet am 07.01.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florian J¨ager; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Master Thesis: Minimally Supervised Method for Identifying Cranial Nerves in Chinese Visible Human Histological Data. Bearbeiter: Oliver Greß (beendet am 09.01.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Jingfeng Han, M. Sc.

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Master Thesis: Knowledge-based Detection and Segmentation of the Femur Bone in Hip MR Images. Bearbeiter: Lei Wang (beendet am 15.01.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Wels; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Studienarbeit: Analysis and implementation of a GPU-based forward-projector for simultaneous algebraic reconstruction tomography (SART) (Projektarbeit). Bearbeiter: Andreas Weinlich (beendet am 31.01.2008); Betreuer: Benjamin Keck, M. Sc.; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Diplomarbeit: Implementation and Evaluation of Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions on the Cell Broadband Engine Architecture. Bearbeiter: Holger Helbig (beendet am 31.01.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florian J¨ager; Benjamin Keck, M. Sc.

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Diplomarbeit: Effects of CT Based Attenuation Correction Schemes on the Estimation Accuracy of the Ejection Fraction in Gated Cardiac Emission Tomography. Bearbeiter: Hannes Hofmann (beendet am 04.02.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Johannes Zeintl; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Diplomarbeit: Evaluierung und Integration von Algorithmen zur Tiefensch¨atzung. Bearbeiter: Carsten Jurenz (beendet am 08.02.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Studienarbeit: Using a Wireless Motion Controller for 3D Medical Image Catheter Interactions. Bearbeiter: Dime Vitanovski (beendet am 15.02.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Volker Daum; Dipl.-Inf. Dieter Hahn; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Prof. Dr. Arnd D¨orfler

183

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Studienarbeit: Non-Rigid Registration of Shape Models. Bearbeiter: Jakob Wasza (beendet am 06.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Dieter Hahn; Dipl.-Inf. Volker Daum; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Prof. Dr. med. Torsten Kuwert

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Diplomarbeit: Ankopplung einer optischen Lichtlaufzeit-Kamera an ein Endoskop zur Aufnahme dreidimensionaler Oberfl¨achenbilder. Bearbeiter: Dominik Tacke (beendet am 24.03.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dipl.-Ing. Kurt H¨oller; Prof. Dr.-Ing. Bernhard Schmauß; Dr.-Ing. Rainer Engelbrecht

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Studienarbeit: Implementierung und Evaluierung von Merkmalsextraktionen zur Klassifikation von Leukozyten. Bearbeiter: Stephan Berger (beendet am 27.03.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dr.-Ing. Thomas Wittenberg

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Diplomarbeit: Variational Methods for Noise and Speckle Reduction in Ultrasound Imaging. Bearbeiter: Esther Meyer (beendet am 08.04.2008); Betreuer: Prof. Dr. G¨unter Leugering; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; PD Dr. med. Rainer Linke; Dipl.-Inf. Volker Daum; Dipl.-Inf. Eva Kollorz

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Studienarbeit: Classification of changes in speed and incline during running. Bearbeiter: Martin Wagner (beendet am 01.05.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Bj¨orn Eskofier

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Diplomarbeit: Evaluation verschiedener Verfahren zur Sensordatenfusion. Bearbeiter: Sven Fuchs (beendet am 08.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Christian Rieß; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Studienarbeit: Patient Positioning using 3-D Surface Registration. Bearbeiter: Andre Adelt (beendet am 26.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Christian Schaller; Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Prof. Dr. rer. nat Reinhold M¨uller

–

Diplomarbeit: Innovative Bedienoberfl¨achen – Klassifikation von Benutzerinteraktionen mittels eingebetteter Systeme. Bearbeiter: Wilhelm Haas (beendet am 29.05.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Bj¨orn Eskofier; Dipl.-Inf. Christian Rieß

–

Master Thesis: Spatial normalization of MR brain scans by registration with anatomical atlas. Bearbeiter: Huaizhao Wang (beendet am 01.06.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dipl.-Inf. Michael Wels

–

Master Thesis: Design and Implementation of an Iterative Image Reconstruction Algorithm for Computed Tomography using Standard Graphics Hardware. Bearbeiter: Qinghui Niu (beendet am 02.06.2008); Betreuer: Benjamin Keck, M. Sc.; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dr.-Ing. Markus Kowarschik 184

–

Master Thesis: Non-rigid Registration for Interpolation of Defect Slices in Sequences of Microscopic Photographs. Bearbeiter: Simone Gaffling (beendet am 02.06.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Volker Daum; Dipl.-Inf. Florian J¨ager; Jingfeng Han, M. Sc.; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dr. Miyuki Tauchi

–

¨ Studienarbeit: Qualit¨ats- und Ahnlichkeitsmaße f¨ur Retina-Fundusbilder. Bearbeiter: Jan Paulus (beendet am 15.06.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dipl.-Inf. J¨org Meier; Dipl.-Inf. R¨udiger Bock

–

Projektarbeit: Analyse und Klassifikation von fusionierten Sensordaten einer L¨auferstudie. Bearbeiter: Verena Horz (beendet am 01.07.2008); Betreuer: Dipl.Ing. Thorsten Albach; Dipl.-Ing. Bj¨orn Eskofier

–

Master Thesis: Adaptive Sinogram Noise Reduction in X-Ray Computed Tomography. Bearbeiter: Nadege Gael Tchokoua Tchoukio (beendet am 15.07.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Anja Borsdorf; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

–

Master Thesis: Automatic Osseous Tissue Segmentation with Probabilistic Boosting Trees and Level Sets. Bearbeiter: Chunlan Zhang (beendet am 23.07.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dipl.-Inf. Andreas Wimmer; Dipl.Inf. Michael Wels

–

Master Thesis: Embedded Situation-Adaptive Lane Detection by Fusing Camera, Positioning and Map data. Bearbeiter: Alexander S. J. D¨obert (beendet am 01.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Andre Guilherme Linarth, M. Sc.

–

Studienarbeit: Entwurf, Entwicklung und Evaluation verschiedener Spielstrategien f¨ur Fussballroboter. Bearbeiter: Sebastian Drexler (beendet am 01.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dipl.-Inf. Christian Rieß; Dr.-Ing. Stefan Mandl; Dr.-Ing. Bernd Ludwig

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Diplomarbeit: Evaluation and Enhancement of a Gesture-Based User-Interface Concerning Applicability in Medical Environments. Bearbeiter: Lukas Fedorowicz (beendet am 01.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne; Stefan Soutschek, M. Sc.

–

Studienarbeit: Mapping and Localisation Based on Absolute Space Representations Using a Laser Range Finder on a Mobile Robot. Bearbeiter: Chris Schwemmer (beendet am 07.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

–

Studienarbeit: Jogging – Klassifikation und Analyse biomechanischer Daten. Bearbeiter: Martin Kraus (beendet am 13.08.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Bj¨orn Eskofier; Dipl.-Inf. Florian H¨onig 185

–

Studienarbeit: PET-/SPECT-MRI Attenuation Correction using Image Registration. Bearbeiter: Andreas Schuh (beendet am 15.08.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Dieter Hahn; Dipl.-Inf. Volker Daum; Dipl.-Ing. Johannes Zeintl; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Prof. Dr. med. Torsten Kuwert

–

Studienarbeit: Automatic Co-Registration of Volumetric Images Based on Implanted Fiducial Markers. Bearbeiter: Martin Koch (beendet am 30.08.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Studienarbeit: Automatische Bildqualit¨atsbewertung in der Mammographie. Bearbeiter: Christoph Heim (beendet am 01.09.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Anja Borsdorf; Dipl.-Inf. Christian Rieß

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Diplomarbeit: 3-D Reconstruction of dynamic high contrast objects for C-Arm CT. Bearbeiter: Christopher Rohkohl (beendet am 30.09.2008); Betreuer: Dipl.Inf. Marcus Pr¨ummer; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Studienarbeit: Surface-based Respiratory Motion Calssification and Verification. Bearbeiter: Kerstin M¨uller (beendet am 01.10.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Christian Schaller; Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne; Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

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Studienarbeit: Entwicklung einer Treiberschaltung f¨ur schnell modulierte Leistungslaserdioden zur Optimierung von Lichtlaufzeit-Kameras. Bearbeiter: Thomas Schrauder (beendet am 07.11.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Schmauß; Dr.-Ing. Rainer Engelbrecht; Dipl.-Ing. Kurt H¨oller; Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne

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Diplomarbeit: Effiziente Implementierung von med. 2D – Bildverarbeitungsalgorithmen unter dem Common Unified Device Architecture (CUDA) Framework.. Bearbeiter: Elmar Hartmann (beendet am 12.11.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger; Benjamin Keck, M. Sc.

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Diplomarbeit: Automatische Bestimmung von Farbkorrekturwerten f¨ur eine digitale RGB-Kamera. Bearbeiter: Ronald Lembcke (beendet am 01.12.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Christian Rieß; Prof. Elli Angelopoulou

–

Studienarbeit: Evaluation of Image Quality in X-Ray CT Reconstruction with Human Observers. Bearbeiter: Christoph Forman (beendet am 01.12.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger

186

¨ Informatik (Mustererkennung) Professur fur

Die Professur ist seit 01.07.2008 mit Prof. Dr.-Ing. Elmar N¨oth besetzt. Allgemeine Angaben sowie Details zu Forschungsprojekten und -schwerpunkten finden sich unter den Eintragungen des Lehrstuhls 5 (Mustererkennung).

187

¨ Informatik 6 (Datenmanagement) Lehrstuhl fur Anschrift: Martensstraße 3, 91058 Erlangen Tel.: 09131/8527892 Fax: 09131/8528854 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener Professor: Prof. Dr. Richard Lenz Prof. em. Dr. Hartmut Wedekind Sekretariat: Nadezda Jelani Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inf. Juliane Blechinger Dipl.-Inf. Michael Daum Dipl.-Inf. Vladimir Entin Dipl.-Inf. Thomas Fischer Dipl.-Inf. Florian Irmert Dipl.-Inf. Frank Lauterwald Dipl.-Inf. Robert Nagy Dipl.-Inf. Christoph Neumann Der Lehrstuhl f¨ur Informatik 6 (Datenmanagement, vormals Datenbanksysteme) wurde 1979 durch die Berufung von Prof. Dr. Hartmut Wedekind gegr¨undet. Nach seiner Emeritierung Ende September 2000 f¨uhrte er den Lehrstuhl kommissarisch weiter. 2001 wurde Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener zum neuen Lehrstuhlinhaber berufen. Er hatte bereits von 1990 bis 1993 die dem Lehrstuhl zugeordnete Professur f¨ur Informatik (Datenbanksysteme) inne, die von September 1994 bis Dezember 2005 durch Prof. Dr. Stefan Jablonski besetzt war und seit April 2007 mit Prof. Dr. Richard Lenz besetzt ist. Der Lehrstuhl besch¨aftigt sich sowohl mit der zielgerichteten Erforschung der Grundlagen des Datenmanagements als auch mit dem anwendungsgetriebenen Einsatz von Datenmanagement-Technologien. Aufbauend auf den Forschungsergebnissen erfolgt, ¨ zumeist gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Offentlichem Dienst, die unmittelbare Umsetzung der entwickelten Konzepte im Rahmen von Projekten in der betrieblichen Praxis. Gemeinsam bilden Forschung und Projektgesch¨aft die Grundlage f¨ur die zielgerichtete Ausbildung der Studierenden anhand neuester DatenmanagementTechnologien. 188

Datenbanksysteme haben inzwischen eine sehr große Bedeutung in allen Bereichen der Wirtschaft und der Verwaltung erlangt. Neben den oft eingesetzten relationalen Datenbanksystemen etablierter Hersteller entwickelt sich in den letzten Jahren, verst¨arkt durch die Fortschritte in anderen Bereichen der Informatik (Multimedia, Ubiquitous Computing, Peer-to-Peer-Technologien) ein zunehmender Bedarf an problemorientierten Datenbanksystemen. Im Bereich der Spezialsysteme (eingebettete und autonome Systeme) sind herk¨ommliche Datenbank-Verwaltungssysteme aufgrund ihrer Gr¨oße und ihres Ressourcenbedarfs nicht einsetzbar. Ausgehend von dieser Erkenntnis erfolgt eine gezielte Schwerpunktbildung der Grundlagenforschung am Lehrstuhl. Die zunehmende Notwendigkeit zur Integration verschiedener Datenbanksysteme und der steigende Bedarf zur effizienten Unterst¨utzung system- und organisations¨ubergreifender Gesch¨aftsprozesse motivieren anwendungsorientierte Forschungsschwerpunkte wie Datenlogistik und Datenqualit¨at. Lehre Der Lehrstuhl bietet jedes Jahr die Pflicht-Lehrveranstaltung ”Software-Systeme 2” im Grundstudium des Diplomstudiengangs Informatik an. Sie werden im neuen BachelorStudiengang abgel¨ost durch die Pflicht-Lehrveranstaltungen ”Konzeptionelle Modellierung” (zweites Fachsemester) und ”Datenbanksysteme” (f¨unftes Fachsemester). Im Hauptstudium bzw. im neuen Master-Studiengang bietet der Lehrstuhl ein eigenes Fach an und tr¨agt zur H¨alfte das Fach ”Medieninformatik” mit. Daneben beteiligt sich der Lehrstuhl intensiv an den Informatik-Angeboten f¨ur andere Studieng¨ange, hier insbesondere Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Computational Engineering und Linguistische Informatik.

11.1

Forschungsschwerpunkte

Die Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls orientieren sich an den Generalthemen Datenmanagement, Datenlogistik/Prozessunterst¨utzung und Datenanalyse. Grunds¨atzlich stehen sowohl klassische Datenbankthemen wie Datenmodellierung, effizienter Datenzugriff und Konzepte zur Wahrung der Datenkonsistenz als auch weiterreichende Themenkomplexe wie Management und Optimierung von Datenqualit¨at im Fokus. Nachfolgend werden die Forschungsschwerpunkte genauer charakterisiert. Datenmanagement Datenbanksysteme erm¨oglichen eine effiziente Verwaltung strukturierter Daten. Defizite bestehen noch beim Umgang mit speziellen Daten wie Multimedia-Daten, Datenstr¨omen, elektronischen Dokumenten oder unstrukturierten und semistrukturierten Daten. Im Rahmen der Forschung am Lehrstuhl wird untersucht, wie mit bew¨ahrten und 189

neuen Methoden des Datenmanagements auch der Umgang mit speziellen Daten effizienter gestaltet werden kann. Ein weiteres Forschungsthema ist der Umgang mit Ver¨anderung. Die Anforderungen an betriebliche Informationssysteme sind in aller Regel einem st¨andigen Wandel unterworfen, was sich gravierend auf das Datenmanagement auswirkt. Im Rahmen der Forschung zu ”evolution¨aren Informationssystemen” besch¨aftigt sich der Lehrstuhl mit der Frage, wie Informationssysteme gestaltet werden, um den Aufwand f¨ur eine bedarfsorientierte Systemevolution zu minimieren. In diesem Zusammenhang spielen komponentenbasierte Systeme, Service-orientierte Architekturen und Schichtenarchitekturen eine wichtige Rolle. Datenbanksysteme bieten in beschr¨anktem Umfang Konzepte zur Wahrung der Datenqualit¨at an. Um u¨ ber die Grenzen einzelner Datenbanksysteme hinaus eine hohe Datenqualit¨at sicherstellen zu k¨onnen, sind neue Methoden und Werkzeuge erforderlich, damit ein umfassendes ”Datenqualit¨atsmanagement” in geeigneter Weise unterst¨utzt werden kann. Voraussetzung zur bedarfsorientierten Optimierung der Datenqualit¨at ist die M¨oglichkeit zur Messung der Datenqualit¨at. Dazu sind Indikatoren f¨ur verschiedene Dimensionen der Datenqualit¨at zu bestimmen und bedarfsorientiert zu gewichten. Im Rahmen der Forschung am Lehrstuhl wird versucht, qualit¨atsbezogene Metadaten in geeigneter Weise zu verwalten, um sie beispielsweise f¨ur die Datenbereinigung und f¨ur die Datenanalyse nutzen zu k¨onnen. Datenlogistik und Prozessunterst¨utzung Datenbanksysteme spielen eine gewichtige Rolle bei der Anwendungsintegration. Kern jedes Integrationsprojektes ist die Datenintegration, die einerseits die semantische Abstimmung (”Mapping”) und andererseits die system¨ubergreifende Synchronisation betrifft. Die Datenintegration bildet die Voraussetzung f¨ur eine geeignete prozessorientierte Integration, bei der die Datenlogistik im Hinblick auf den Bedarf der Gesch¨aftsprozesse optimiert wird. Zwischen Anwendungen und den von ihnen verwendeten Datenbanken m¨ussen zu diesem Zweck Daten ausgetauscht und konsistent gehalten werden. Daf¨ur werden Prozesse definiert, die rechnergest¨utzt ablaufen (”Workflow Management”, ”Prozessmanagement”), und die Daten m¨ussen ggf. in anwendungsspezifische Formate umgewandelt werden (”Datentransfer und -konvertierung”). Dabei wird vor allem durch die Notwendigkeit der semantischen Integration von Datentypen und Instanzen ein hoher manueller Bearbeitungsaufwand verursacht. Wir suchen nach Methoden und Techniken zur Minimierung dieses Aufwands. In diesem Zusammenhang wird besonderes Augenmerk auf den Einsatz von Metadaten-Repositories gerichtet, in denen Metamodelle abgelegt werden k¨onnen. Datenanalyse Die Anforderungen an Datenhaltungssysteme f¨ur die Datenanalyse (OLAP) unterscheiden sich grundlegend von den Anforderungen an operative Datenbanksysteme (OLTP). 190

Sogenannte Datawarehouse-Systeme haben sich als technische Basis f¨ur die Datenanalyse etabliert. Am Lehrstuhl wird untersucht, welche besonderen Anforderungen bei der Analyse spezieller Datentypen bestehen und wie diesen Anforderungen begegnet werden kann. Dar¨uber hinaus wird untersucht, wie die bekannten Methoden zur Datenanalyse und zum Data Mining zur Optimierung der Datenqualit¨at eingesetzt werden k¨onnen.

11.2

Forschungsprojekte

11.2.1

CoBRA DB (Component Based Runtime Adaptable DataBase)

Projektleitung: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener Beteiligte: Dipl.-Inf. Florian Irmert Beginn: 1.2.2006 Kontakt: Dipl.-Inf. Florian Irmert Tel.: 09131/8527902 Fax: 09131/8528854 E-Mail: [email protected] Datenbankmanagementsysteme (DBMS), egal ob kommerziell oder Open Source, sind meistens ”monolithisch” aufgebaut. Es sind kaum ”saubere” Schnittstellen, Schichten oder Komponenten erkennbar. Dies liegt vor allem daran, dass DBMS oft u¨ ber viele Jahre hinweg entwickelt und immer wieder erweitert wurden. Oft rechtfertigen ”time to market” oder Performanzgr¨unde kurzfristige Designentscheidungen, welche die sp¨atere Weiterentwicklung erschweren und die Wartung verteuern. Ziel des Projekts CobraDB ist zun¨achst die Entwicklung eines modularen Datenbanksystems. Die g¨angigen Teile eines Datenbanksystems wie z.B. Anfrageverarbeitung, Logging, Recovery usw. sollen als eigenst¨andige Komponenten realisiert werden. Diese k¨onnen dann wie in einem ”Baukasten” zusammengesetzt und f¨ur die jeweilige Anwendung die passenden Komponenten ausgew¨ahlt werden. Im weiteren Projektverlauf sollen diese Komponenten zur Laufzeit ausgetauscht werden k¨onnen. Dies erspart ein Herunterfahren des Datenbanksystems, wodurch die Erreichbarkeit und Wartungsfreundlichkeit verbessert wird. Durch das ”Tailoring” eines DBMS zur Laufzeit er¨offnen sich viele neue M¨oglichkeiten, z.B.:

191

• Im Bereich von ”embedded systems” sind Datenbanksysteme denkbar, die ihren Funktionsumfang erst w¨ahrend des Betriebs an die aktuellen Gegebenheiten anpassen k¨onnen. • ”Interna” von DBMS k¨onnen auch im laufenden Betrieb gepatched oder ”upgedated” werden. Publikationen –

Irmert, Florian ; Meyerh¨ofer, Marcus; Weiten, Markus: Towards Runtime Adaptation in a SOA Environment . In: Cazzola, Walter; Chiba, Shigeru; Cady, Yvonne; Ducasse, St´ephane; Kniesel, G¨unter; Oriol, Manuel; ; Gunter Saake (Hrsg.) : Proceedings: Workshop on Reflection, AOP, and Meta-Data for Software Evolution (RAM-SE’07 – ECOOP’07 Berlin 31.07.2007). Magdeburg : Otto-von-GuerickeUniversit¨at Magdeburg, 2007, S. 17-26.

–

Irmert, Florian ; Daum, Michael ; Meyer-Wegener, Klaus: A New Approach to Modular Database Systems . In: University of Magdeburg (Veranst.) : Software Engineering for Tailor-made Data Management (EDBT’08 Workshop on Software Engineering for Tailor-made Data Management Nantes, France March 29, 2008). 2008, S. 41-45.

–

Irmert, Florian ; Lauterwald, Frank ; Bott, Matthias ; Fischer, Thomas ; MeyerWegener, Klaus: Integration of dynamic AOP into the OSGi service platform . In: ACM (Hrsg.) : MAI ’08: Proceedings of the 2nd workshop on Middlewareapplication interaction (Proceedings of the 2nd workshop on Middlewareapplication interaction Oslo, Norway). New York, NY, USA : ACM, 2008, S. 2530. (ACM International Conference Proceeding Series Bd. Vol. 306) – ISBN 9781-60558-204-7

–

Irmert, Florian ; Fischer, Thomas ; Meyer-Wegener, Klaus: Runtime adaption in a service-oriented component model . In: ACM (Hrsg.) : Proceedings of the 2008 international workshop on software engineering for adaptive and self-managing systems (SEAMS ’08 Leipzig 11.-13.5.2008). 2008, S. 97-104. – ISBN 978-160558-037-1

–

Irmert, Florian ; Fischer, Thomas ; Lauterwald, Frank ; Meyer-Wegener, Klaus: The Storage System of a Runtime Adaptable DBMS . In: Sven Apel and Don Batory and Goetz Graefe and Gunter Saake and Olaf Spinczyk (Hrsg.) : Schloss Dagstuhl – Leibniz-Zentrum fuer Informatik, Germany (Veranst.) : Software Engineering for Trailor-made Data Management. Dagstuhl, Germany : Sven Apel

192

and Don Batory and Goetz Graefe and Gunter Saake and Olaf Spinczyk, 2008, S. 6. (Dagstuhl Seminar Proceedings) 11.2.2

¨ Datenbankgestutzte Prozessautomatisierung bei Software-Tests

Projektleitung: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener Kern, Andreas, Dipl.-Ing. (AUDI AG) Beteiligte: Dipl.-Inf. Vladimir Entin Beginn: 1.3.2007 F¨orderer: AUDI AG Mitwirkende Institutionen: Informatik 6 Kontakt: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener Tel.: 09131/8527892 Fax: 09131/8528854 E-Mail: [email protected] Im Bereich Fahrwerk und Elektronik existieren zurzeit keine einheitlichen Testprozesse zum Testen von Fahrerassistenzsystemen, was zu einem unn¨otigen Ressourcenverbrauch f¨uhren kann. Ebenfalls gibt es kein Konzept zur Auswertung und Wiederverwendung der Testergebnisse. Zur Definition einheitlicher Testprozesse soll im Rahmen dieses Projekts ein Prozessmodell zur automatisierten Testdurchf¨uhrung der Fahrerassistenzsysteme entwickelt werden. Dazu sollen in einem ersten Schritt die eigentlichen Testprozesse identifiziert werden. Nach einer entsprechenden Anforderungsanalyse bez¨uglich der Testprozesse soll eine an die Bed¨urfnisse der Entwickler angepasste Prozessbeschreibungsnotation konzipiert werden, in welcher anschließend das eigentliche Prozessmodell beschrieben wird. Die anderen Ziele dieses Projekts sind die Entwicklung eines datenbankbasierten Konzepts zur Auswertung und Wiederverwendung von Testergebnissen sowie die L¨osung eventueller Kommunikationsprobleme zwischen den verschiedenen an den Testprozessen beteiligten Datenbanken. Dazu soll in einem ersten Schritt untersucht werden, inwieweit sich schon existierende Ans¨atze wie etwa Data Mining zur Auswertung und Verwaltung der Testergebnisse eignen. Außerdem gilt es eine Teststrategie zu entwickeln, welche die Testoptimierung im Fokus 193

¨ hat (Stichpunkt: Uberdeckung). Publikationen –

Entin, Vladimir ; Meyer-Wegener, Klaus: Ein Framework f¨ur die Testautomatisierung bei Fahrer-Assistenz-Systemen . In: GI Gesellschaft f¨ur Informatik (Hrsg.) : Testing of Software – From Research to Practice in conjunction with the conference Software Engineering 2008 (Research to Practice in conjunction with the conference Software Engineering 200 M¨unchen 19.02.2008). 2008, S. -. (Lecture Notes in Informatics (LN)-Workshops)

11.2.3

Effiziente Objekterkennungsbasierte Annotation von Bildern

Projektleitung: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener Dipl.-Inf. Robert Nagy Beteiligte: Inches, Giacomo Beginn: 1.1.2007 Die Anzahl der Digitalbilder nimmt mit der Verbreitung von Digitalkameras, der Digitalisierung von kunsthistorischen bzw. Bibliothekssammlungen und billigen Speichermedien stetig zu, wobei gleichzeitig auch der Wunsch besteht in diesen riesigen Datenbergen zu einem sp¨ateren Zeitpunkt relevante Dokumente in relativ kurzer Zeit wiederzufinden. Dies erfordert jedoch einerseits gute Suchstrategien und Indizierungstechniken, andererseits aber auch die Anreicherung der Dokumente durch entsprechende Metadaten. Wegen der großen Menge ist eine manuelle Anreicherung der Bilder mit Beschreibungsinformationen unm¨oglich. Aus diesem Grund sind im letzten Jahrzehnt verschiedene Ans¨atze zur automatischen Erkennung von Objekten bzw. Personen in Bildern entstanden, die mehr oder weniger generisch ausgerichtet sind. In diesem Projekt wird eine automatische inhaltsbasierte Annotation von Bildern rea¨ lisiert. Im wesentlichen wird eine Ubersetzung von Bildinhalten auf eine textuelle Beschreibung angestrebt. Dabei wird die Feature- und die textbasierte Suche voneinander getrennt. Ersteres wird in Verbindung mit neuen Objekterkennungsalgorithmen f¨ur die Annotation von Bildern verwendet, dessen Effizienz durch Indexstrukturen, Zugriffspfaden und Datenorganisation verbessert werden soll. Auf den erstellten Annotationen kann dann mit bereits etablierten Methoden der Textindizierung ein Suchdienst aufgebaut werden. Zur Bew¨altigung der großen Datenmengen werden auch die Einsatzm¨oglichkeiten von Multimedia Data-Mining analysiert. Der Kernpunkt dabei ist der 194

Entwurf einer Verwaltungsstruktur die gen¨ugend Freiheiten f¨ur Erweiterungen und Umstrukturierungen zul¨asst, aber auch damit vertr¨agliche Vorgaben auff¨uhrt die f¨ur das effiziente Annotieren der Bilder basierend auf deren Inhalten ausreichen. 11.2.4

Erlanger Glaukomregister (SFB 539, Teilprojekt Z)

Beteiligte: Dipl.-Inf. Frank Lauterwald Beginn: 1.8.1997 Mitwirkende Institutionen: http://www.augenklinik.med.uni-erlangen.de Kontakt: Dipl.-Inf. Frank Lauterwald Tel.: 09131/8527884 Fax: 09131/8528854 E-Mail: [email protected] Der Sonderforschungsbereich 539 der DFG befasst sich mit der Augenerkrankung Glaukom, auch bekannt als gr¨uner Star. Die Arbeit des vorliegenden Projektes gliedert sich in Unterst¨utzungst¨atigkeiten und eigene Forschung. Die Unterst¨utzungst¨atigkeit umfasst folgende Aspekte: • Integration verschiedenster Messdaten in eine zentrale Datenbank. • Beratung u¨ ber die nicht-computergest¨utzten Aspekte der Datenverarbeitung (Integrit¨at, Plausibilit¨at, Datenschutz etc.) • Hilfestellung bei der Verwendung von EDV zur Verbesserung der Forschung. • Erstellung spezieller Software, wo keine Produkte ”von der Stange” verf¨ugbar sind. Die Forschungst¨atigkeit umfasst z.Zt. zwei Hauptfragestellungen: • Erfahrungsgem¨ass a¨ ndern sich die Anforderungen der Forscher schnell. Außerdem ben¨otigen verschiedene Forscher oft a¨ hnliche, aber nicht identische Funktionalit¨aten; allerdings nicht unbedingt zur gleichen Zeit. Wie kann man nun von den konkreten Anforderungen abstrahieren und antizipieren, was als n¨achstes gebraucht werden k¨onnte? Das ist z.B. n¨otig, um zwischen einer einfachen und einer komplexeren – aber allgemeineren – L¨osung abw¨agen zu k¨onnen. Es sollen also Ans¨atze entwickelt werden, wie man ohne vollst¨andige Informationen u¨ ber die Anforderungen bereits ”das richtige System” bauen kann. 195

• Inwieweit k¨onnen bestimmte zur Untersuchung verwendete Ger¨ate durch Standardhardware ersetzt werden? Neben Kostenvorteilen ergeben sich daraus gerade f¨ur die Forschung Vorteile, da z.B. normale PCs durch ihre Programmierbarkeit einfacher erlauben, die durchgef¨uhrten Experimente zu variieren. Publikationen –

Jablonski, Stefan ; Petrov, Ilia ; Meiler, Christian ; Mayer, Udo: Metadata Repositories as Infrastructure for Database Oriented Applications . In: Eder, J.; Welzer, T. (Hrsg.) : CaiSE ’03 (The 15th Conference on Advanced Information Systems Engineering Klagenfurt/Velden, Austria 16.-20.06.2003). Aachen : Technical University of Aachen, 2003, S. 53-56. – ISBN 86-435-0549-8

–

Jablonski, Stefan ; Lay, Rainer ; M¨uller, Sascha ; Meiler, Christian: Clinical pathways for glaucoma research and patient care . Erlangen : Universit¨at ErlangenN¨urnberg. 2004. – Interner Bericht. 1 Seiten

–

Jablonski, Stefan ; Lay, Rainer ; M¨uller, Sascha ; Meiler, Christian ; Faerber, Matthias ; Derhartunian, Victor ; Michelson, Georg: Building a Generic Platform for Medical Screening Applications based on Domain Specific Modeling and Process Orientation . In: Lud¨ascher, B. and Raschid, L. (Hrsg.) : Proceedings 2005 (Second International Workshop on Data Integration in the Life Sciences San Diego 2005). Heidelberg : LNBI: Springer Verlag, 2005, S. 257-265.

11.2.5

¨ SiefCMDB08 – f¨oderierte Configuration-Management-Datenbank fur mens IT Solutions and Services

Projektleitung: Prof. Dr. Richard Lenz Dipl.-Inf. Juliane Blechinger Beteiligte: von Jouanne-Diedrich, Holger Laufzeit: 15.7.2008–15.1.2009 Kontakt: Dipl.-Inf. Juliane Blechinger Tel.: 09131 8527995 Fax: 09131 8528854 E-Mail: [email protected] 196

Im Rahmen des Projekts TANGO bei Siemens IT Solutions and Services soll eine f¨oderierte CMDB (Configuration Management Database) entstehen. Dabei soll ein globaler Zugriff auf verteilte und heterogene Quellsysteme u¨ ber Web-Services mit weitgehend definierter Funktionalit¨at erm¨oglicht werden. Im Rahmen der CMDB soll eine Architektur entstehen, die • einen m¨oglichst transparenten globalen Zugriff erm¨oglicht, • kurze Antwortzeiten auf globaler Ebene erlaubt, • redundante Daten in verschiedenen Quellsystemen konsistent h¨alt, • den Wartungsaufwand bei Systemerweiterungen und Modifikationen minimiert. Die genannten Zielsetzungen sind zum Teil gegenl¨aufig, so dass f¨ur die konkrete Architektur Kompromissl¨osungen gefunden werden m¨ussen. Zur bedarfsorientierten Optimierung der Zielarchitektur sind insbesondere Fragen der Datenreplikation auf globaler Ebene und des Identity Matching zu beantworten. Im Rahmen des Forschungsauftrags werden vor dem Hintergrund des TANGO Projekts die folgenden Ziele verfolgt: ¨ • Eine Ubersicht u¨ ber die verf¨ugbare wissenschaftliche Fachliteratur wird erstellt. • Ein gemeinsames Glossar zur Begriffskl¨arung wird erstellt. • Eine Klassifikation von Architekturvarianten (Welche real existierenden Systeme unterst¨utzen bestimmte Architekturvarianten?) und Kombinationsm¨oglichkeiten (Welche Kombinationsm¨oglichkeiten werden von real existierenden Systemen unterst¨utzt?) wird erstellt. • Ein Kriterienkatalog zur Bewertung von Vor- und Nachteilen von Designentscheidungen und Produktauswahl wird erarbeitet f¨ur die n¨achsten 5 Jahre. • Ein realistisches Rahmenwerk f¨ur die Architektur k¨unftiger CMDBs wird erarbeitet. • Die Ergebnisse des Projektes sollen von den Projektpartnern gemeinsam publiziert werden. Letztlich sollen unterschiedliche Abstufungsm¨oglichkeiten f¨ur Integrationsvarianten verdeutlicht werden und ein Kriterienkatalog f¨ur eine Aufwands-Nutzenabsch¨atzung entstehen, damit unterschiedliche Migrationsstrategien bewertet werden k¨onnen. 197

11.2.6

i6sdb – stream and data bases

Projektleitung: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener Dipl.-Inf. Michael Daum Dipl.-Inf. Frank Lauterwald Beteiligte: Kiefer, Mario; Herbst, Sebastian; Fischer, Martin; R¨uhr, Tobias; Schilde, Marko; Baumg¨artel, Philipp; Biscay, Frederico; Zenk, Markus; Blechinger, Juiane; He, Wie; Escher, Bruno; Krause, Bernd Beginn: 1.1.2006 Herk¨ommliche Datenbanksysteme arbeiten meist transaktional auf Datenbest¨anden, so dass wichtige Daten persistent und konsistent gespeichert werden k¨onnen. Ihr Erfolg liegt neben dem Transaktionskonzept in erster Linie an der Anwendungsneutralit¨at und an standardisierten Anfragesprachen wie SQL. Durch die in den letzten Jahren immer g¨unstiger gewordene M¨oglichkeit, Daten zu u¨ bertragen (Hardware, Leitungskapazit¨aten), ist die Idee entstanden, weniger wichtige, aber kontinuierlich auftretende Daten wie z.B. Serverlogs, Systemereignisse, Sensormesswerte zu u¨ bermitteln, auszuwerten und aus dieser Datenflut brauchbare aggregierte Daten zu gewinnen. H¨aufig ist die gewonnene Information besonders wertvoll, wenn sie mit dem Eintreffen der Datenstromtupel zeitnah generiert wird. Die u¨ bermittelten Datens¨atze entsprechen a¨ hnlich wie Datenbankeintr¨age einem Schema, so dass auch f¨ur Datenstr¨ome anwendungsneutrale Operatoren und Anfragesprachen entwickelt wurden und bereits in ersten Datenstrommanagementsystemen (DSMS) Verwendung finden. Hierbei ist zu beachten, dass bei DSMS die Anfrage persistent und die eigentliche Datenbasis (Datenstrom) transient ist. In dem Projekt wird die Architektur vorhandener DSMS analysiert und darauf aufbauend werden geeignete Kostenmodelle f¨ur unterschiedliche Anfragen an Datenstr¨ome erstellt. Dabei werden insbesondere Eigenschaften der Datenquellen in dem Modell ber¨ucksichtigt, was eine sp¨atere Optimierung auch u¨ ber Systemgrenzen hinweg erm¨oglicht. Des Weiteren wird nach geeigneten Szenarien f¨ur Datenstromverarbeitung gesucht, in denen die Anwendung von DSMS den bisherigen Ans¨atzen klar u¨ berlegen ist. Insbesondere in der Sensordatenfusion sowie bei der ¨ Uberwachung komplexer Ereignisse stellen sich Anforderungen, die durch DSMS gut gel¨ost werden k¨onnen. Offen ist hier allerdings, was der beste Weg ist, um diese Anforderungen in eine allgemeine Anfragesprache umzusetzen.

198

Publikationen –

Lindner, Wolfgang ; Meier, J¨org: Securing the Borealis Data Stream Engine . In: Desai, Bipin C. (Hrsg.) : Proceedings of the 10th International Database Engineering and Applications Symposium (Database Engineering and Applications Symposium, 2006. IDEAS ’06 New Delhi Dec 11-14, 2006). 2006, S. 137-147. ISBN 3-540-32734-7

–

Lindner, Wolfgang ; Meyer-Wegener, Klaus ; Velke, Holger: Data Stream Query Optimization Across System Boundaries of Server and Sensor . In: IEEE Computer Society (Hrsg.) : Mobile Data Management (7th International Conference on Mobile Data Management (MDM 2006) Nara, Japan May 9-13,2006). xx : xx, 2006, S. -. – ISBN 0-7695-2526-1

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Lindner, Wolfgang ; Meyer-Wegener, Klaus ; Velke, Holger: Operator Allocation in Borealis with Integrated Sensor Network Query Processors . In: Nittel, Silvia ; Kulik, Lars ; Tanin, Egemen (Hrsg.) : Mobile Location-Aware Sensor Networks (Workshop on Mobile Location-Aware Sensor Networks Nara, Japan May 13, 2006). Los Alamitos, CA, USA : IEEE CS Press, 2006, S. 155. – ISBN 0-76952526-1

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Lindner, Wolfgang ; Madden, Samuel: Data Management Issues in Disconnected Sensor Networks . In: Dadam, Peter; Reichert, Manfred (Hrsg.) : Informatik 2004 – Informatik verbindet. Band 2, Beitr¨age der 34. Jahrestagung der Gesellschaft f¨ur Informatik e.V. (GI) (34. Jahrestagung der GI Ulm 20. -24. Sept. 2004). Bd. 2. 2004, S. xx-xx. – ISBN 3-88579-380-6

–

Lindner, Wolfgang ; Meier, J¨org: Towards a Secure Data Stream Management System . In: Draheim, Dirk; Weber, Gerald (Hrsg.) : Proceedings of the Trends in Enterprise Application Architecture (VLDB Workshop TEAA 2005 Trondheim, Norwegen 28. Aug. 2005). 2005, S. 114-128. – ISBN 0-7695-2577-6

–

Daum, Michael: Abstract Query Language: Global Queries in Heterogeneous and Distributed Stream Processing Systems . Erlangen : Friedrich-AlexanderUniversit¨at. 2009 (CS6-2009-1). – Interner Bericht. 25 Seiten

11.2.7

¨ Prozessunterstutzung von adaptiv-evolution¨aren Informationssystemen in der Medizin (ProMed)

Projektleitung: Prof. Dr. Richard Lenz Dipl.-Inf. Christoph Neumann 199

Beginn: 1.6.2007 Kontakt: Dipl.-Inf. Christoph Neumann Tel.: 09131/8527885 Fax: 09131/8528854 E-Mail: [email protected] Gegenstand des Projekts ”Prozessunterst¨utzung von adaptiv-evolution¨aren Informationssystemen in der Medizin” ist die Erarbeitung von Architektur- und Prozessbeschreibungsanforderungen an adaptiv evolution¨are Informationssysteme zur Unterst¨utzung institutions¨ubergreifender Abl¨aufe im Versorgungsnetz (Krankenh¨auser, ¨ niedergelassene Arzte, Labore, Kassen¨arztliche Vereinigungen und Apotheken). Ziele auf Anwendungsebene: • Organisatorische Abstimmung des interinstitutionellen Versorgungsprozesses unter Wahrung medizinisch sinnvoller Reihenfolgen und Bereitstellung von elektronischer Informations¨ubertragung • Optimierung von Daten- und Prozessqualit¨at und Sicherstellung einer o¨ konomischen und effizienten Krankenversorgung • Vermeidung von Zeitverlusten wegen Doppeluntersuchungen • Verbesserungen des Versorgungsprozesses (Zeitbedarf der Anamneseerhebung, Reduktion der Komplikationsraten, Terminvereinbarung, etc.) Ziele auf technischer Ebene: • Prozessunterst¨utzung durch Datenintegration, funktionale Integration sowie einer verteilten Ablaufsteuerung als Prozessintegration • Lose Kopplung • Minimale Schnittstellen • Einbindung von Standards und Komponentensystemen Ziele auf methodischer Ebene: • Referenzmodell f¨ur eine verteilte Architektur zum Informationsaustausch

200

• Generische Methoden und Werkzeuge zur Prozessmodellierung und Prozessanalyse • Referenzarchitektur zur prozessorientierten Integration von Informationssystemen • Prototyp zum Aufzeigen des Zusammenwirkens von Methoden und Werkzeugen Im Rahmen des Projekts wurde eine Analyse der Anforderungen an den Datenaustausch und an die Ablaufsteuerung im Kontext von interinstitutionellen Kooperationen im Gesundheitswesen vorgenommen. Der Stand der Technik wurde analysiert und in Hinsicht auf die Anforderungen bewertet. Daraufhin wurde ein leichtgewichtiges Prozessmodell zur Unterst¨utzung der verteilten kooperativen Abl¨aufe auf Basis des diagnostischtherapeutischen Zyklus erarbeitet. Durch eine prototypische Implementierung wird nun das Zusammenwirken von Methoden und Werkzeugen aufgezeigt werden. 11.2.8

Quality aware Data Storage System (QuaDSys)

Projektleitung: Prof. Dr. Richard Lenz Dipl.-Inf. Thomas Fischer Beginn: 15.4.2008 Kontakt: Dipl.-Inf. Thomas Fischer Tel.: 09131 8527901 Fax: 09131 8528854 E-Mail: [email protected] Im Rahmen des QuaDSys Projekts werden Methoden und Techniken zur Modellierung und Bewertung der Datenqualit¨at in Informationssystemen entwickelt. Ausganspunkt ist eine ganzheitliche Betrachtung der Datenqualit¨at, bei der Prozesse und Daten gleichermaßen ber¨ucksichtigt werden. Ziel dieser Vorgehensweise ist die Modellierung und Erfassung sowohl von intrinsischen als auch von kontextbezogenen Qualit¨atsmerkmalen, die f¨ur eine realistische Einsch¨atzung der Datenqualit¨at und damit auch die Bewertung und Priorisierung von qualit¨atsverbessernden Maßnahmen unerl¨asslich ist. 11.2.9

SeMeOr (Security Metric for Organization)

Projektleitung: Weiß, Steffen 201

Beginn: 1.7.2005 Kontakt: Dipl.-Inf. Steffen Weiß Tel.: 09131/8528683 Fax: 09131/8528854 E-Mail: [email protected] Projekthintergrund Vor dem Hintergrund einer steigenden H¨aufigkeit und Perfidie von Angriffen auf die ITInfrastruktur von Organisationen wird es immer wichtiger, dass diese u¨ ber ihren Sicherheitszustand gut informiert sind. Dazu geh¨ort insbesondere das Wissen um Schwachstellen und das Ergreifen geeigneter Maßnahmen und damit die Bewertung der Sicherheit. In der Praxis existieren zwar f¨ur große Organisationen Standards, mit deren Hilfe eine solche Bewertung vorgenommen werden kann. Diese Standards beziehen sich aber auf das Management der IT-Sicherheit und gehen immer davon aus, dass Expertenwissen vorhanden ist. In kleineren Organisationen existiert jedoch gerade diesbez¨uglich ein gewisses Defizit, wodurch die Bewertungsgrundlage dieser Standards nicht erf¨ullt werden kann. Zudem sind die Standards aus wissenschaftlicher Ansicht als a¨ ußerst zweifelhaft anzusehen, da sie wichtige Anforderungen von Metriken nicht erf¨ullen. Ziel des Projektes Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung eines Modells, welches neben einer geeigneten Darstellung des Wissens auch eine solide Bewertungsgrundlage enth¨alt und in der Praxis einsetzbar ist. Projektstatus Es wurde Konzept entwickelt, welches erlaubt, die Sicherheit von Organisationen zu modellieren und Aggregationen von Einzelaspekten zu einer gesamtheitlich(er)en Sicht vorzunehmen. Dieses Konzept wird zurzeit an Beispielen erprobt. Dabei wird untersucht, in wiefern die Modellelemente ausreichen bzw. ob und wo Erweiterungen notwendig sind. Arbeiten Folgende Arbeiten wurden bzw. werden im Rahmen des Projektes bearbeitet: • Messung des Vertraulichkeitsverlustes in Unternehmen • Sicherheitsmodellierung von Datenverarbeitungssystemen • Modellierung von Sicherheitsbedrohungen und Gegenmaßnahmen in Firmennetzwerken • Modellierung von Sicherheitsvorf¨allen 202

11.3

Studien- und Abschlussarbeiten

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Diplomarbeit: Konzept eines Datenbanksystems zur Unterst¨utzung des AnlagenKonfigurations-Managements. Bearbeiter: Konstantin Harwart (beendet am 22.01.2008); Betreuer: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener

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Diplomarbeit: Statistische Aussagen u¨ ber Sicherheitsvorf¨alle. Bearbeiter: Thomas Hentschke (beendet am 28.01.2008); Betreuer: Prof. Dr. Klaus MeyerWegener; Dipl.-Inf. Steffen Weiß

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Diplomarbeit: Ein Konzept f¨ur die Einf¨uhrung von PDF/A f¨ur die Langzeitarchivierung von Dokumenten bei der AREVA NP. Bearbeiter: Tobias Schwab (beendet am 31.01.2008); Betreuer: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener

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Studienarbeit: Erweiterung des FAU-Bildarchivs. Bearbeiter: Martin Fotta (beendet am 01.02.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Robert Nagy

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Diplomarbeit: Integration dynamischer aspektorientierter Programmierung in eine laufzeitadaptierbare serviceorientierte Architektur. Bearbeiter: Matthias Bott (beendet am 11.02.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florian Irmert

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Diplomarbeit: Austausch von Komponenten in einem OSGi-Framework zur Laufzeit unter Zuhilfenahme von Modelltransformation. Bearbeiter: Michael Lehmeier (beendet am 20.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florian Irmert

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Diplomarbeit: Analyse von Softwaregeneratoren f¨ur Metadatenzugriff in C++. Bearbeiter: Markus Zenk (beendet am 21.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Daum

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Studienarbeit: Entwicklung einer Template-Verwaltung f¨ur den Austausch und die Wiederverwendung von Aktivit¨atsmodellen. Bearbeiter: Stefan Goldbach (beendet am 28.03.2008); Betreuer: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener; Dipl.-Inf. Stefan Winkler

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Diplomarbeit: Identifikation von Services und Komponenten f¨ur ein laufzeitadaptierbares DBMS. Bearbeiter: Thomas Fischer (beendet am 31.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florian Irmert

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Studien-/Diplomarbeit: Ein Wissenschaftsportal f¨ur Unternehmen am Beispiel der AUDI AG. Bearbeiter: Yves Goergen (beendet am 07.04.2008); Betreuer: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener

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Studienarbeit: Aspekte der Datenqualit¨at in medizinischen Informationssystemen unter Ber¨ucksichtigung der aktuellen medizinischen Fachliteratur zur 203

Qualit¨atsoptimierung in der Medizin. Bearbeiter: Zhang Wei (beendet am 14.04.2008); Betreuer: Prof. Dr. Richard Lenz; Dipl.-Inf. Robert Nagy –

Studienarbeit: Methoden und Werkzeuge zur Optimierung der Datenqualit¨at in medizinischen Informationssystemen. Bearbeiter: Yin Xiaolong (beendet am 14.04.2008); Betreuer: Prof. Dr. Richard Lenz; Dipl.-Inf. Robert Nagy

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Studienarbeit: O/R-Mpping im Entwicklungs-Workflow. Bearbeiter: Christoph Schießl (beendet am 16.04.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Frank Lauterwald

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Studienarbeit: Analyse der Architektur und Konzepte des Datenstrommanagementsystems Borealis. Bearbeiter: Martin Fischer (beendet am 27.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Daum; Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener

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Studienarbeit: Transaktionsverwaltung in Datenbankmanagementsystemen mittels aspektorientierter Programmierung (AOP). Bearbeiter: Niko Pollner (beendet am 31.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florian Irmert

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Diplomarbeit: Requirementsanalyse und Konzipierung eines Datenstromsystems zur Ad-hoc-Analyse von Wirtschaftsdaten und Ereignissen. Bearbeiter: Sebastian Herbst (beendet am 03.06.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Daum

–

Studienarbeit: Abbildung interner Abl¨aufe eines event-basierten IdentityManagment-Systems durch Patterns. Bearbeiter: Philip Faltin (beendet am 17.06.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Frank Tr¨oger; Krasimir Zhelev

–

Studienarbeit: Evaluierung und Erweiterung eines plattformunabh¨angigen Performanz-Vorhersagekonzepts f¨ur Java-Komponenten. Bearbeiter: Christian Gesell (beendet am 31.07.2008); Betreuer: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener

–

Studienarbeit: Definition einer abstrakten Anfragesprache f¨ur Datenstrommanagementsysteme. Bearbeiter: Mario Kiefer (beendet am 01.09.2008); Betreuer: Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener; Dipl.-Inf. Michael Daum

–

Studien-/Diplomarbeit: Absch¨atzung von Aufwand von Anfragen in DSMS. Bearbeiter: Juliane Blechinger (beendet am 15.09.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Daum; Dipl.-Inf. Frank Lauterwald

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Studienarbeit: Design und Implementierung eines Programmes zur Untersuchung der Kontrastempfindlichkeit von Personen mittels PC-Hardware. Bearbeiter: Ralph Bachmann (beendet am 30.09.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Frank Lauterwald

204

–

Diplomarbeit: Identifikation von Komponenten und Services des Datensystems f¨ur ein laufzeitadaptierbares DBMS. Bearbeiter: Alexander Danilevich (beendet am 03.11.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florian Irmert

205

¨ Informatik (Datenmanagement) Professur fur

Die Professur f¨ur Informatik (Datenmanagement) ist seit 01. April 2007 mit Prof. Dr.Ing. Richard Lenz besetzt. Allgemeine Angaben sowie Details zu Forschungsprojekten und -schwerpunkten finden sich unter den Eintragungen des Lehrstuhls 6 (Datenmanagement).

206

¨ Informatik 7 (Rechnernetze und KomLehrstuhl fur munikationssysteme) Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen Tel.: +49 9131 85 27411 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Honorarprofessoren: Hon.-Prof. Dr.-Ing. Hansj¨org Fromm, IBM Deutschland GmbH Prof. i.R.: Prof. a. D. Dr.-Ing. Ulrich Herzog Sekretariat: Erika Hladky Gerti Pastore Wiss. Mitarbeiter: Abdalkarim Awad, M. Sc. Dipl.-Inf. Isabel Dietrich Dr.-Ing. Falko Dressler Dr.-Ing. Winfried Dulz M.Sc. J¨urgen Eckert Dipl.-Inf. Gerhard Fuchs Dr.-Ing. Armin Heindl Thomas Herpel, M. Sc. Dr.-Ing. Kai-Steffen Jens Hielscher Dipl.-Ing. (FH) Jochen Issing Dr.-Ing. Ulrich Klehmet Dipl.-Inf. Kemal K¨oker Dipl.-Inf. Christoph Lauer Dipl.-Inf. Tobias Limmer M.Sc. Noorsalwati Nordin Dipl.-Inf. Sebastian Siegl Dipl.-Inf. Christoph Sommer Externe Doktoranden : Feng Chen, M. Sc. Dipl.-Inf. Florian Prester Dipl.-Inf. Stefan Schreieck Externes Lehrpersonal: 207

Dr.-Ing. Klaudia Dussa-Zieger Dr.-Ing. Uwe Hehn Nichtwiss. Personal: Chris Moog Matthias Sch¨afer Karlheinz Schramm Our research can be divided into the areas quality-of-service (QoS)-oriented system design and autonomic networking. In QoS-oriented system design we focus on the systematic design of networked and embedded systems. The vision is to provide model-based tool support over the whole engineering cycle in a seamless way to yield systems optimized with respect to QoS issues. Quality-of-service is understood as an umbrella covering various aspects such as traditional performance measures (e.g., throughput of a network, system response time, loss rate, etc.) and dependability measures (e.g., reliability of a network, availability of a server system, etc.) but also real time, energy efficiency, security, and economics. For the QoS-oriented system design, modeling in its various aspects plays a key role and is complemented by measurements and tests. Models are used for system specification (the group is experienced in using SDL, MSC, and UML and related tools), stochastic analysis and simulation (experience exists in using queuing networks, stochastic Petri nets, UML models, and several simulation tools), real-time analysis, HW/SW co-design (synthesis and optimization starting from high-level models such as SDL and graph models) and modular software engineering for mobile and reconfigurable components (driven by UML models). Test cases are also generated from high-level models and provide information about the functional and QoS-related system behavior. Measurements are performed for selected experimental networks (e.g., a cluster-based Web-server, a soccer robot team, a WLAN, a sensor network) and are used to validate and calibrate the models. The autonomic networking research primarily focuses on autonomous sensor/actuator networks that consist of a large number of small and cheap sensor nodes and a team of mobile robots. Sensor nodes contain a sensing unit, a processor, energy supply, and a wireless communication adapter; sensor networks can be used to collect, process, and communicate measurement data. Such systems provide many design challenges on several abstraction layers, including medium access control, ad-hoc routing, self-organization, large-scale distributed information processing in the presence of severe resource restrictions, dynamic topologies and frequent failures. Mobile robots extend the possibilities of stationary sensor networks by the abilities of locomotion and real interaction with the environment. Important research questions in both stationary as well as mobile sensor networks are QoS aspects such as energy efficiency, performance, dependability, and security. We also investigate how concepts from cellular and molecular biology (e.g., 208

cellular signaling pathways) can be applied in autonomous sensor/actuator networks. Finally, we work on new concepts for network monitoring and intrusion detection in the area of network security. As a major event of our group in 2006, we organized the 13th GI/ITG Conference on Measurement, Modeling and Evaluation of Computer and Communication Systems (in German: Messung, Modellierung und Bewertung von Rechensystemen, www.mmb2006.org), which took place in Nuremberg, Germany, in March 27-29. The MMB is the main forum in Germany covering all aspects of performance evaluation of systems including networks, computer architectures, distributed systems, software, workflow and logistics systems. After its inception in 1981, we celebrated the 25th anniversary of this conference series. With two additional workshops • ITG FA 6.2 Workshop on Model-Based Testing • GI/ITG Workshop on Non-Functional Properties of Embedded Systems different but related research communities exchanged their ideas: Model-Based Testing is connected with performance evaluation by the use of similar models and by the similarity between quality-of-service testing and performance measurements. Non-Functional Properties of Embedded Systems refer to performance, dependability, security, and realtime as well as energy efficiency and costs of such systems which are increasingly heterogeneous and networked. Plenary talks (one from each community) were given by • Prof. Ian Akyildiz (Georgia Institute of Technology, USA • Prof. Jan Tretmans (University of Nijmegen, Niederlande) ¨ • Prof. Hermann Kopetz (TU Wien, Osterreich) More than 100 researchers from academia and industry participated in this conference event, which was supported by the GI e.V., the ITG, the DFG, the Fraunhofer Institute IIS and other industrial partners. The MMB 2006 had 54 submissions by authors from 15 countries; 25 full papers were accepted for the proceedings along with 11 short descriptions of software tools presented at the conference: R. German and A. Heindl (Editors). Proceedings of the 13th GI/ITG Conf. on Measuring, Modelling and Evaluation of Computer and Communication Systems (MMB, March 2006, N¨urnberg). VDE Verlag, Berlin/Offenbach, 2006 (ISBN 3-8007-2945-8, 482 pages). 209

13.1

Forschungsschwerpunkte

The group is organized into three teams which focus on the following research areas: Quality-of-Service (Coordination: Armin Heindl) Methods for the measurement, simulation, and analysis are developed and investigated in experimental network scenarios. A GPS-based measurement infrastructure has been developed for highly precise and high-volume measurements. Simulation models are built either with commercial UML tools or with WinPEPSY, a tool allowing for queuing network models. Special emphasis is given on innovative analysis methods for models with a large state space and with general distributions (non-Markovian models), analysis of large queuing networks by traffic-based decomposition and matrix-analytic techniques, as well as deterministic analysis based on network calculus (for providing QoS guarantees). In late 2006 we started two cooperations with AUDI AG Ingolstadt on the topics • Software-in-the-Loop Simulation and Testing of Highly Dependable Distributed Automotive Applications • Transmission of Safety-Relevant Sensor Data in Intra-Car Communication Systems. In the latter project a PhD position in the context of INI.FAU is funded by AUDI AG. Research issues include: • GPS-based measurement infrastructure for a Web cluster • online and offline clock synchronization • UML simulation models • analysis of queuing networks by traffic-based decomposition and matrix-analytic methods • correlated input modeling by Markovian arrival processes • WinPEPSY: a modeling tool based on queuing networks • analysis of large non-Markovian models by iterative rate adjustments • network calculus and optimization • performance impact factors in WLANs 210

• QoS of mechanisms for distributing traffic control messages Design and Test of Communication Systems (Coordination: Winfried Dulz) Methods are investigated for the design and test of communication systems based on formal description techniques (SDL and MSC) and object-oriented modeling and implementation languages (UML and Java). For the software engineering of interoperative systems (reconfigurable mobile components) a modular approach driven by UML patterns is applied. For testing, a new approach has been developed. Starting from scenario descriptions (MSC or UML sequence diagrams), a Markov chain is automatically derived from which it is possible to derive test cases (using ETSI TTCN-3). Thus, the models used for system specification can also be used for performing the tests and can thus give empirical evidence whether an implementation satisfies its implementation. The scenario approach allows for testing most likely usages of the system and can also provide a measure of test coverage. Research issues include: • statistical testing based on scenario descriptions • enhancement of statistical scenario-based testing for QoS testing using UML • tool development for statistical sceanario-based testing • modular software development for reconfigurable mobile systems driven by UML patterns • software development in a mobile commerce scenario Autonomic Networking (Coordination: Falko Dressler) Self-organization methods and corresponding programming, control, and validation techniques are investigated in the autonomic networking group. Particularly, bioinspired networking methods are evaluated and adapted. All these methods are used to build system architectures consisting of wireless sensor networks (WSN) and sensor/actuator networks (SANET), e.g. teams of mobile robots. In our lab, we build a robot-assisted sensor network consisting of several larger mobile robots connected to sensor nodes. The network will be used for exploration, surveillance as well as human communication assistance. Simultaneously, we are developing comprehensive simulation models including MAC, ad hoc routing, end-to-end communication, and task allocation. We extend these models using robot simulators to match physical parameters of the environment to get more precise mobility models of the robot systems. Recently, we integrated traffic micro simulation to analyze the behavior of ad hoc routing strategies in 211

vehicular ad hoc networks (VANET) as well. Additionally, we investigate network security issues in the Internet. The primary focus is on network monitoring, attack detection, and event correlation. As massively distributed security evironments are envisioned, we develop and analyze self-organization mechanisms of security systems. Currently, we are working on the following externally funded research projects: ”Security and Quality of Service and Aspects in ZigBee-based Wireless Communication” (funded by Siemens AG A&D), ”p2p4wsn – Efficient Data Management in Mobile Sensor Networks using Peer-to-Peer Technologies” (funded by DAAD), and ”monk-it – Efficient distributed monitoring, attack detection, and event correlation” (funded by BSI). Research issues include: • Sensor and Actor Networks • Bio-inspired Networking • Wireless Networking • Network Monitoring and Attack Detection Gef¨orderte Forschungsvorhaben • Mo.S.I.S. (Modular Software Engineering for Interoperative Systems), gef¨ordert durch Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS • Q.E.D. (QoS Enhanced Development Using UML2.0 and TTCN-3), gef¨ordert durch Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS • Bio-inspired task allocation algorithms for SN-MRS systems, gef¨ordert durch DAAD • Security and Quality of Service and Aspects in ZigBee-based Wireless Communication, gef¨ordert durch Siemens A&D • p2p4wsn – Efficient Data Management in Mobile Sensor Networks using Peer-toPeer Technologies, gef¨ordert durch DAAD • Conceptual design of a UML-based tool for the simulation and test of wireless sensor networks, gef¨ordert durch Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS • CoCar – Cooperative Cars, gef¨ordert durch Vodafone Group R&D Germany (Munich) • monk-it, gef¨ordert durch BSI 212

• Transmission of Safety-Relevant Sensor Data in Intra-Car Communication Systems, gef¨ordert durch AUDI AG (Ingolstadt) • p2p4wsn, gef¨ordert durch DAAD G¨aste • Prof. Ian Akyildiz (Georgia Institute of Technology, USA) • Prof. Dr.-Ing. Kenji Leibnitz (Osaka University) • Prof. Jan Tretmans (University of Nijmegen, Niederlande)

13.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung

The group has a PC cluster which can operate as a distributed Web server for both static or dynamic content or as an e-commerce system (a bookshop as specified by the TPC-W benchmark) and which has a measurement infrastructure for recording oneway delays, resource usages, and other relevant events. The infrastructure consists of a roof-mounted GPS antenna, several GPS receiver cards, additional hardware to distribute the PPS pulse, and modifications in the operating system kernels. It is possible to conduct measurements with high data volume and microsecond precision. A WLAN has the same measurement infrastructure. A robot assisted sensor network is available and consists of three Robertino robots and a number of sensor motes. The group also develops a soccer robot configuration close to the RoboCup F180 rules which includes an adapted measurement infrastructure.

13.3

Kooperationsbeziehungen

• AUDI AG, Ingolstadt • BMW, Science and Traffic Policy, M¨unchen • Computer Systems and Networks Group (University of Turin, Prof. G. Balbo, Dr. M. Gribaudo) • Computer Networks and Internet Group (University of T¨ubingen, Prof. G. Carle) • Dept. of Cellular and Molecular Physiology (University of Erlangen, Dr. B. Kr¨uger)

213

• Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen (several departments, Erlangen Tennenlohe) • Inchron GmbH • method park Software AG • Prozeßdatenverarbeitung und Robotik (TU Berlin, Prof. G. Hommel) • Performability Engineering Research Group (University of Illinois, Prof. W. Sanders) • Siemens A & D • Siemens Medical Solutions • Vodafone Group R&D Germany, M¨unchen

13.4

Wissenschaftliche Tagungen

In March 2006, we organized the ”13th GI/ITG Conference on Measurement, Modeling, and Evaluation of Computer and Communication Systems” with the associated workshops • ITG FA 6.2 Workshop on Model-Based Testing • GI/ITG Workshop on Non-Functional Properties of Embedded Systems Further we organized the following conferences and workshops: • IEEE WSNS’06 (2nd IEEE International Workshop on Wireless and Sensor Networks Security) held in conjunction with IEEE MASS 2006 (3rd IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems) • IEEE/ACM BIONETICS 2006 (1st IEEE/ACM International Conference on BioInspired Models of Network, Information and Computing Systems) • IEEE/ACM COMSWARE 2007 (2nd IEEE/ACM International Conference on Communiation Systems Software and Middleware) • IEEE/ACM SensorWare 2007 (2nd IEEE/ACM International Workshop on Software for Sensor Networks) held in conjunction with IEEE/ACM COMSWARE 2007 (2nd IEEE/ACM International Conference on Communiation Systems Software and Middleware) 214

• IEEE WSNS 2007 (3rd IEEE International Workshop on Wireless and Sensor Networks Security) held in conjunction with IEEE MASS 2007 (4th IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems) • IEEE/ACM BIONETICS 2007 (2nd IEEE/ACM International Conference on Bio-Inspired Models of Network, Information and Computing Systems)

13.5

Forschungsprojekte

13.5.1

BioNeting – Bio-inspired Networking

Projektleitung: Dr.-Ing. Falko Dressler Beteiligte: M.Sc. Thomas Halva Labella Beginn: 1.5.2004 F¨orderer: Deutscher Akademischer Austauschdienst Mitwirkende Institutionen: Dept. of Cellular and Molecular Physiology, University of Erlangen (Dr. Bettina Kr¨uger) Kontakt: Dr.-Ing. Falko Dressler Tel.: 09131 85 27914 Fax: 09131 85 27409 E-Mail: [email protected] Besides to classical research area of bioinformatics, the turn to nature for solutions to technological questions has brought us many unforeseen great concepts. This encouraging course seems to hold on for many aspects in technology. Many efforts were made in the area of computer technology employing mechanisms known from biological systems. The most known examples are evolutionary algorithms and the artificial immune system. One application is in network security, e.g. for the search for viruses and worms, where the immune system was used as an inspiration. In contrast, the focus of our group lays on trying to map the cellular and molecular biology to networking architectures. Recently, it was shown that the known approaches to study effects in computer networking, especially methods to analyze the behavior of large scale networks suffer from many presumptions. We try to study this behavior by analyzing the internal functioning of network components as well as there interactions

215

in comparison with cellular systems and the associated intra and extra cellular signaling pathways. The main focus of this work is to show the similarities of computer networks and cellular systems. Based on the knowledge about cellular metabolism, new concepts for the behavior patterns of routers, monitor systems, and firewalls can be deduced and the efficiency of individual sub-systems can be increased. Focusing on examples of hot topics in the computer society, i.e. network security, potential solutions motivated by cellular behavior are currently studied and, hopefully, will soon bring new results in these areas. Independently from these examinations, we try to show the power of our novel approach by introducing the basic mechanisms and interactions as well as a self-evident application. Doing this, we must keep in mind that the deeper the parallels between biology and technology, the more important it is to map the corresponding elements correctly. Publikationen –

Dressler, Falko: Bio-inspired Feedback Loops for Self-Organized Event Detection in SANETs . In: n.b. (Hrsg.) : Self-Organizing Systems. Bd. LNCS 5343. Berlin, Heidelberg : Springer Verlag, 2008, (Lecture Notes in Computer Science), S. 256261. – ISBN 978-3-540-92156-1

–

Dressler, Falko: Self-Organized Event Detection in Sensor Networks using Bioinspired Promoters and Inhibitors . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 3rd ACM/ICST Intern. Conf. on Bio-Inspired Models of Network, Information and Computing Systems (Bionetics 2008 Hyogo, Japan November 2008). 2008, S. -.

–

Dressler, Falko ; Carreras, Iakopo: Advances in Biologically Inspired Information Systems – Models, Methods, and Tools . Bd. 69 Berlin, Heidelberg, New York : Springer Verlag, 2007

–

Dressler, Falko: Bio-inspired Network-centric Operation and Control for Sensor/Actuator Networks . In: Transactions on Computational Systems Biology (TCSB) VIII (2007), Nr. LNCS 4780, S. 1-13

–

Dressler, Falko: Self-Organization in Sensor and Actor Networks . Chichester : John Wiley & Sons, 2007

–

Dressler, Falko ; German, Reinhard ; Kr¨uger, Bettina: Adaptive Data Dissemination in Sensor Networks using WPDD . In: IEEE (Hrsg.) : Proc. of Frontiers in the Convergence of Bioscience and Information Technologies ((FBIT 2007) Jeju, Korea October 2007). 2007, S. -.

216

–

Dressler, Falko ; Dietrich, Isabel ; German, Reinhard ; Kr¨uger, Bettina: Efficient Operation in Sensor and Actor Networks Inspired by Cellular Signaling Cascades . In: ACM (Hrsg.) : Proc. of 1st ICST/ACM Intern. Conf. on Autonomic Computing and Communication Systems ((Autonomics 2007) Rome, Italy October 2007). 2007, S. -.

–

Labella, Thomas Halva ; Dressler, Falko: A Bio-Inspired Architecture for Division of Labour in SANETs . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 1st IEEE/ACM International Conference on Bio-Inspired Models of Network, Information and Computing Systems ((IEEE/ACM BIONETICS 2006) Cavalese, Italy December 2006). 2006, S. -.

–

Dressler, Falko ; Kr¨uger, Bettina ; Fuchs, Gerhard ; German, Reinhard: SelfOrganization in Sensor Networks using Bio-Inspired Mechanisms . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 18th ACM/GI/ITG Intern. Conf. on Architecture of Computing Systems – System Aspects in Organic and Pervasive Computing ((ARCS’05) Innsbruck, Austria March 2005). 2005, S. -.

13.5.2

CoCar – Cooperative Cars

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Dr.-Ing. Winfried Dulz Beteiligte: Dipl.-Inf. Christoph Sommer Laufzeit: 1.11.2006–30.4.2009 F¨orderer: Vodafone Group R&D Germany (M¨unchen) Mitwirkende Institutionen: Lehrstuhl f¨ur Mobilkommunikation (Prof. Dr. Koch) Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Tel.: +49 9131 85 27916 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] Cooperatively acting vehicles represent a substantial innovation for future traffic management solutions and for the next generation of driver assistance systems. Including efficient communication mechanisms into future cars can be seen as a central task. This comprises both the direct (or indirect) vehicle to vehicle communication (C2C) as well as the vehicle to infrastructure communication (C2I) for sending and 217

analyzing real-time traffic conditions in order to generate and broadcast important traffic information. Main questions that CoCar will tackle by means of simulation studies and cross-layer optimization techniques are (among others): • Which effects are to be expected for the network signalling and which protocols have to be provided to support future telematic applications? • Which latency and load behaviour patterns are induced by CoCar application scenarios? • Which additions/changes at existing system concepts are to be accomplished and which requirements arise for future, network-supported communication services? • How can traffic status information be acquired automatically in real-time and provided for CoCar users inside the cars by using UMTS services? The research work in CoCar is driven by an interdisciplinary, internationally acting consortium, consisting of prominent telecommunication network operators, network equipment suppliers as well as car and truck manufacturers. Industrial research is thereby supplemented by university research partners that preparatory work in the form of distinctive subcontracts. The objectives and ambitions of CoCar are put high and aim on making Germany the technology leader within the range of C2C and C2I applications based on cellular mobile UMTS communications. The final goal is to develop an open European standard to export vehicle communication solutions into future European cars. Publikationen –

Sommer, Christoph ; Schmidt, Armin ; German, Reinhard ; Koch, Wolfgang ; Dressler, Falko: Simulative Evaluation of a UMTS-based Car-to-Infrastructure Traffic Information System . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of IEEE Global Telecommunications Conference, 3rd IEEE Workshop on Automotive Networking and Applications ((IEEE GLOBECOM 2008), (AutoNet 2008) New Orleans, LA December 2008). 2008, S. -.

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Sommer, Christoph ; Dietrich, Isabel ; Dressler, Falko ; Dulz, Winfried ; German, Reinhard: A Tool Chain for UML-based Modeling and Simulation of VANET Scenarios with Realistic Mobility Models . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 9th ACM Intern. Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (ACM Mobihoc 2008 (Demo Session) Hong Kong, China May 2008). 2008, S. -. 218

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Sommer, Christoph ; Yao, Zheng ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: On the Need for Bidirectional Coupling of Road Traffic Microsimulation and Network Simulation . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 9th ACM Intern. Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, 1st ACM International Workshop on Mobility Models for Networking Research (ACM Mobihoc 2008, MobilityModels’08 Hong Kong, Cina May 2008). 2008, S. 41-48.

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Sommer, Christoph ; Yao, Zheng ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Simulating the Influence of IVC on Road Traffic using Bidirectionally Coupled Simulators . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 27th IEEE Conf. on Computer Communications : Mobile Networking for Vehicular Environments (IEEE INFOCOM 2008 : MOVE 2008 Phoenix, AZ, USA April 2008). 2008, S. -.

13.5.3

Conceptual design of a UML-based tool for the simulation and test of wireless sensor networks

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beteiligte: Dipl.-Inf. Isabel Dietrich Beyer, Matthias Beginn: 1.6.2006 F¨orderer: Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS Kontakt: Dipl.-Inf. Isabel Dietrich Tel.: +49 9131 85 27697 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] The main research objective is to enable the automated and statistically sound simulation and test of uml models. The well-known modeling standard UML 2.1 is used to specify a system, such as a communication network. The model is then annotated with quantitative elements and performance metrics using the standardized UML profiles for ”Modeling QoS and Fault Tolerance Characteristics and Mechanisms” (QoS) and ”Modeling and Analysis of RealTime and Embedded systems” (MARTE). In this way, a fully standard compliant model of a system can be developed. In cooperation with Fraunhofer IIS, the goal of this project is to design a tool that provides a mechanism for the automated translation of standard compliant UML models 219

into discrete event simulations, as well as mechanisms for statistical testing of such models. The simulations will provide the means to estimate the system performance using classic quality of service criteria, discover bottlenecks and optimize system parameters. The statistical tests will allow to make statements about the reliability and correctness of the model. For the simulation, the most important modeling elements will be state machines and composite structures. With these elements, the behavior of a system as well as its composition can be represented appropriately. The models of user interactions with the system needed for statistical testing will be represented with sequence diagrams. To simplify the exchange with existing tools and models, the tool is to be based on the open source platform Eclipse and the implementation of the UML metamodel available within the Eclipse modeling project. Publikationen –

Dietrich, Isabel ; Sommer, Christoph ; Dressler, Falko ; German, Reinhard: Automated Simulation of Communication Protocols Modeled in UML 2 with Syntony . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of GI/ITG Workshop Leistungs-, Zuverl¨assigkeits- und Verl¨asslichkeitsbewertung von Kommunikationsnetzen und verteilten Systemen ((MMBnet 2007) Hamburg, Germany September 2007). 2007, S. 104-115.

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Dietrich, Isabel ; Schmitt, Volker ; Dressler, Falko ; German, Reinhard: UMLbased Simulation of AODV with SYNTONY . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of the 4th Intern. Conf. on the Quantitative Evaluation of SysTems ((QEST, Graduate Symposium) Edinburgh, Scotland September 2007). Los Alamitos, CA : IEEE Computer Society, 2007, S. -. – ISBN 0-7695-2883-X

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Dietrich, Isabel ; Schmitt, Volker ; Dressler, Falko ; German, Reinhard: SYNTONY: Network Protocol Simulation based on Standard-conform UML 2 Models . In: ACM (Hrsg.) : Proc. of 1st ACM International Workshop on Network Simulation Tools ((NSTools 2007) Nantes, France October 2007). 2007, S. -.

13.5.4

HISTORY – HIgh Speed neTwork mOnitoRing and analYsis

Projektleitung: Dr.-Ing. Falko Dressler Beteiligte: Dipl. Inf. Ali Fessi (T¨ubingen) Dipl. Inf. Andreas Klenk (T¨ubingen) 220

Dipl. Inf. Gerhard M¨unz (T¨ubingen) Dipl.-Inf. Isabel Dietrich Dipl.-Inf. Tobias Limmer Dipl.-Inf. Christoph Sommer Beginn: 1.9.2003 F¨orderer: EU (European Commission) BMBF AUDI AG BSI Mitwirkende Institutionen: Computer Networks and Internet, University of T¨ubingen (Prof. Dr.-Ing. Georg Carle) Kontakt: Dr.-Ing. Falko Dressler Tel.: 09131 85 27914 Fax: 09131 85 27409 E-Mail: [email protected] The aim of this project is to build an architecture, methods, and tools for distributed network analysis. The HISTORY analysis environment makes it possible to collect information about network traffic and its behavior in distributed high-speed network environments. The employment of standardized protocols (IETF IPFIX, PSAMP, and NSIS) results in an extensible architecture. A main objective is to develop methodologies for handling high amounts of statistics and packet data even with cheap low-end components. Visualization techniques and anonymization methods round off the big picture of a visionary environment for all network monitoring and analyzing challenges. Developed tools will be available under an open source license. Research Goals and Objectives • Cooperative autonomous entities with distributed functioning • Emergent behavior through adaptive self-organization • Operation in high-speed networks while utilizing standard PC components • Wide application range from accounting and charging up to traffic engineering and intrusion detection • Anonymization techniques for wide applicability

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Publikationen –

Dressler, Falko ; Jaegers, Wolfgang ; German, Reinhard: Flow-based Worm Detection using Correlated Honeypot Logs . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 15. GI/ITG Fachtagung Kommunikation in Verteilten Systemen ((KiVS 2007) Bern, Switzerland February, 2007). 2007, S. 181-186.

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Kaiser, Jochen ; Vitzthum, Alexander ; Holleczek, Peter ; Dressler, Falko: Automated resolving of security incidents as a key mechanism to fight massive infections of malicious software . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of GI SIDAR International Conference on IT-Incident Management & IT-Forensics ((IMF 2006) Stuttgart, Germany October 2006). Bd. LNI P-97. Berlin : Springer Verlag, 2006, S. 92103.

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M¨unz, Gerhard ; Antony, Albert ; Dressler, Falko ; Carle, Georg: Using Netconf for Configuring Monitoring Probes . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 10th IFIP/IEEE Network Operations & Management Symposium ((NOMS 2006) Vancouver, Canada April 2006). 2006, S. -.

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Dressler, Falko: Policy-based traffic generation for IP-based networks . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 25th IEEE Conference on Computer Communications ((IEEE INFOCOM 2006) Barcelona, Spain April 2006). 2006, S. -.

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Lampert, Ronny T. ; Sommer, Christoph ; M¨unz, Gerhard ; Dressler, Falko: Vermont – A Versatile Monitoring Toolkit Using IPFIX/PSAMP . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of IEEE/IST Workshop on Monitoring, Attack Detection and Mitigation ((MonAM 2006) T¨ubingen, Germany September 2006). 2006, S. 62-65.

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Dressler, Falko ; M¨unz, Gerhard: Flexible Flow Aggregation for Adaptive Network Monitoring . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 31st IEEE Conference on Local Computer Networks : 1st IEEE LCN Workshop on Network Measurements ((LCN), (WNM 2006) Tampa, Florida, USA November 2006). 2006, S. 702-709.

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Haibl, Fabian ; Dressler, Falko: Anonymization of Measurement and Monitoring Data: Requirements and Solutions . In: Praxis der Informationsverarbeitung und Kommunikation (PIK) 29 (4) (2006), S. 208-213

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Dressler, Falko ; Carle, Georg: HISTORY – High Speed Network Monitoring and Analysis . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 24th IEEE Conf. on Computer Communications ((IEEE INFOCOM 2005) Miami, FL, USA March 2005). 2005, S. -.

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Dressler, Falko: Adaptive network monitoring for self-organizing network security mechanisms . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of IFIP International Conference on Te222

lecommunication Systems, Modeling and Analysis 2005 ((ICTSM2005) Dallas, TX, USA November 2005). 2005, S. 67-75. –

Dressler, Falko ; Gerhard M¨unz ; Georg Carle: CATS – Cooperating Autonomous Detection Systems . In: n.b. (Hrsg.) : 1st IFIP TC6 WG6.6 International Workshop on Autonomic Communication ((WAC 2004) Berlin, Germany Oktober). 2004, S. -.

13.5.5

Integrated Modeling Platforms for Computer Infrastructures

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beteiligte: Dipl.-Inf. (FH) Stefan Schreieck Dr.-Ing. Kai-Steffen Jens Hielscher Beginn: 1.1.2005 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Tel.: +49 9131 85 27916 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] Performance models may provide reliable answers concerning the quality of service of computer systems. Design decisions in the model building process represent a crucial step, which also affect the applicability of available evaluation algorithms. Analytical techniques are usually much faster than simulations, but there exist many system variations and growing models become complicated soon. But what must a model look like to get trustworthy answers, what are the key parts of a certain computer system which must be modeled and where are the limits of particular models? This is the starting point for our project. We want to provide a framework which shows a practicable way of how to start with modeling a certain infrastructure, which might exhibit some performance problems. It is a main goal to investigate the influence of the different components in the system on the accuracy of the modeling results. Besides, we want to compare different modeling approaches in view of their outcomes. In the end, this will demonstrate the limits of simple analytical or simulative models. The objects being modeled are part of the infrastructure of our cooperation partner, the University of Applied Sciences in Kempten: on the one hand a web-server and on the other hand a distributed web-service, i.e., an online portal which consists of a web-server, an application-server and a database-server. Because these systems are real productive systems, we are convinced to meet the requirements of many other teams using 223

comparable infrastructures in a commercial way. We get real data from these systems which deliver the information to parameterize and validate the models. In addition, we evaluate, respectively develop, some tools for gathering the required numbers about the computers. At the moment we investigate a straightforward solution for measuring delays on the network with only one PC without further time synchronisation. Publikationen –

Hielscher, Kai-Steffen Jens ; Schreieck, Stefan ; German, Reinhard: Analyse und Modellierung einer produktiven verteilten Webanwendung . In: Wolfinger, Bernd ; Heidtmann, Klaus (Hrsg.) : Leistungs-, Zuverl¨assigkeits- und Verl¨asslichkeitsbewertung von Kommunikationsnetzen und verteilten Systemen (3. GI/ITG-Workshop MMBnet 2005 Hamburg 8.-9. September). Bd. 263. Hamburg : Fachbereich Informatik, 2005, S. 99-110.

13.5.6

Network Calculus and Optimization

Projektleitung: Dr.-Ing. Ulrich Klehmet Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beginn: 1.3.2004 Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Klehmet Tel.: +49 9131 85 27009 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] Network Calculus (NC) is a novel system theory for deterministic queueing systems. To this day it is a big challenge to give assured information about performance-guarantees of telecommunication systems by mathematical methods. This refers to both the design of future systems and analysis on the one hand and evaluation of existing systems on the other hand. For systems constrained to hard real-time conditions special timed quality requests are an inherent aspect of system functionality, e.g. like timeliness of special events. Therefore the classical performance evaluation based on stochastic methods and resulting in (stochastic) expectation values – i.e. mean values – has to be extended by a mathematical tool producing guaranteed boundings for worst case scenarios. The aim for example is to get lower and upper bounds for end-to-end delays of nodes or collections of nodes within a network, for traffic backlog and for output limitations. By means of these performance-analytic bounding values – characterizing worst-case

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behaviour of traffic flows – it is possible to dimension the corresponding buffer(s), to make sure not to exceed a special burst etc. The NC is a tool for evaluation and estimation of network performance. As well as performance evaluation – the improvement of performance is important. To this end, based on the analytical (NC-)formulas we wish to optimize e.g. a network parameter whereas other parameters are constrained to special limit values. For example, it might be intended to minimize the (maximal) packet delay taking into account limits of arrival and/or service conditions. Thus, we use the Network Calculus for estimation and optimization concerning QoS guarantees in packet switched communication systems. Publikationen –

Klehmet, Ulrich: Analysis of sensor networks in real time . In: Thomas, R.A. (Hrsg.) : 6th Int. Conf. Quality, Reliability, and Maintenance ((QRM 2007) Oxford, UK 22-23 March). UK : Coxmoore Publishing Company, 2007, S. 139-143.

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Klehmet, Ulrich ; Herpel, Thomas ; Hielscher, Kai-Steffen Jens ; German, Reinhard: Worst Case Analysis for Multiple Priorities in Bitwise Arbitration . In: Wolfinger, Bernd ; Heidtmann, Klaus (Hrsg.) : Leistungs-, Zuverl¨assigkeitsund Verl¨asslichkeitsbewertung von Kommunikationsnetzen und verteilten Systemen ((GI/ITG-Workshop MMBnet) Hamburg, Germany 13.-14. September). 2007, S. 27-35.

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Klehmet, Ulrich: Introduction to Network Calculus . In: Al-Begain, Khalid ; Bolch, Gunter ; Telek, Miklos (Hrsg.) : Proc. 12th Int. Conf. on Analytical and Stochastic Modelling Techniques and Applications (ASMTA 2005 Riga, Latvia June 1-4, 2005). 2005, S. 89.

13.5.7

p2p4wsn – Efficient Data Management in Mobile Sensor Networks using Peer-to-Peer Technologies

Projektleitung: Dr.-Ing. Falko Dressler Beteiligte: Abdalkarim Awad, M. Sc. Beginn: 1.4.2006 F¨orderer: DAAD 225

Kontakt: Dr.-Ing. Falko Dressler Tel.: 09131 85 27914 Fax: 09131 85 27409 E-Mail: [email protected] The primary research goals are the integration of mechanisms and methodologies learnt from peer-to-peer research in the field of sensor networks. It appears obvious that several technologies developed for peer-to-peer systems can be directly applied to the open issues in multi-hop ad hoc sensor networks because the primary structure of both network types is identical. Peer-to-peer networks try to build an overlay structure on existing networks. Using this overlay network, new communication paradigms can be applied and special hardware and software required for interconnecting single nodes in the physical structure are hidden from the applications point of view. The primary goals of peer-to-peer systems were the allocation and distributed utilization of available resources such as processing power and data storage. The figure shows the principles of the intended construction. The physical sensor network is mapped to an overlay network as described in the peer-to-peer research area. At this level, task selection, data location lookup, and data forwarding is optimized. Finally, the single operations such as store and forward are mapped to lower level functionality. In the proposed research plan, the primary focus is on task allocation, data storage, data aggregation, and data transport in multi-hop ad hoc networks. The lessons learnt in peer-to-peer research should be applied to the field of sensor networks and embedded systems. Besides the described similarities between both research areas, the main difference is the problem of low power resources in typical sensor networks. Therefore, the algorithms must be analyzed and possibly reconstructed with the power consumption in mind. The final objective is to develop methodologies for task allocation and data management which are very efficient in terms of speed, adaptability, and power consumption. Publikationen –

Awad, Abdalkarim ; Shi, Lei ’Ray’ ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Advantages of Virtual Addressing for Efficient and Failure Tolerant Routing in Sensor Networks . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 6th IEEE/IFIP Conf. on Wireless On demand Network Systems and Services ((IEEE/IFIP WONS 2009) Snowbird, UT, USA February 2009). 2009, S. 111-118.

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Awad, Abdalkarim ; Sommer, Christoph ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Virtual Cord Protocol (VCP): A Flexible DHT-like Routing Service for Sensor 226

Networks . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 5th IEEE Intern. Conf. on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems (IEEE MASS 2008 Atlanta, GA, USA September 2008). 2008, S. 133-142. –

Awad, Abdalkarim ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: P2P-based Routing and Data Management using the Virtual Cord Protocol (VCP) . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 9th ACM Intern. Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (ACM Mobihoc 2008 (Poster Session)). Hong Kong, China : May 2008, 2008, S. 443-444.

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Awad, Abdalkarim ; Xie, Wei ; Rose, Eugen ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Distributed Data Management in Sensor Networks using miniDB / miniSQL . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 4th IEEE/ACM Intern. Conf. on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS Poster Session Santorini Island, Greece June 2008). 2008, S. 27-28.

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Dengler, Sebastian ; Awad, Abdalkarim ; Dressler, Falko: Sensor/Actuator Networks in Smart Homes for Supporting Elderly and Handicapped People . In: IEEE (Hrsg.) : Proc. 21st IEEE Int. Conf. on Advanced Information Networking and Applications: First International Workshop on Smart Homes for Tele-Health ((AINA2007 : SmarTel’07 Volume 2) Niagara Falls, Canada May 2007). 2007, S. 863-868.

13.5.8

Q.E.D. (QoS Enhanced Development Using UML2.0 and TTCN-3)

Projektleitung: Dr.-Ing. Winfried Dulz Beteiligte: Dipl.-Inf. Matthias Beyer Beginn: 1.7.2002 F¨orderer: Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS Research work in this project deals with the automatic generation of a TTCN-3 compliant test system intended to validate functional and performance requirements of a given system under test. Moreover, our testing methodology that is based on a Markov Chain usage model also provides additional statistical metrics such as the estimated reliability. The complete process relies on the UML 2.0 and the SPT-Profile which is a real-time extension for the UML. Starting with a use case specification and scenario descriptions a protocol state machine is derived as the basic test model. By adding an operational profile the resulting model 227

supports statistical analysis (e.g. the average test case length) as well as the statistical generation of test cases. Given some supplementary information, i.e. the data types and test data, the complete test suite can be generated in TTCN-3, a standardized testing language. After executing the test suite, automatic analysis of the test verdicts will provide major metrics such as the reliability estimation for the system under test. For automation and for convenient application, all steps are implemented in XSLT stylesheets or in Java. The tool chain is based on the standardized interchange format for the UML called XML Metadata Interchange. Publikationen –

Beyer, Matthias ; Dulz, Winfried ; Hielscher, Kai-Steffen Jens: Performance Issues in Statistical Testing . In: German, Reinhard ; Heindl, Armin (Hrsg.) : Proc.of 13th GI/ITG Conference on Measurement, Modeling, and Evaluation of Computer and Communication Systems ((MMB 2006) Erlangen, Germany March 27-29, 2006). Berlin : VDE Verlag GmbH, 2006, S. 191-207. – ISBN 3-8007-2945-8

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Beyer, Matthias ; Dulz, Winfried: Scenario-based Statistical Testing of Quality of Service Requirements . In: Leue, Stefan ; Syst¨a, Tarja Johanna (Hrsg.) : Scenarios: Models, Transformations and Tools (International Workshop Scenarios: Models, Transformations and Tools Schloss Dagstuhl 5.-10.9.2003). Heidelberg : Springer, 2005, S. 152-173. Bd. LNCS, Nr. 3466 – ISBN 3-540-26189-3

13.5.9

Quality of Service of Networked Embedded Systems

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beteiligte: Dipl.-Inf. Kemal K¨oker Beginn: 1.6.2002 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Tel.: +49 9131 85 27916 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] Research activities in the area of ”networked embedded systems in dynamic environments” aim at an investigation of the performance and real-time characteristics of such distributed systems. For this purpose, several system components with their internal behaviour (like operating system, application program, runtime system) and 228

the communication units are examined more closely. The test scenario was specified as a variant of the RoboCup Small Size League (F180). The system consists of individual soccer robots, a global vision system for the playfield, as well as a computer system which acts as a communication base using WLAN and Ethernet. For the investigation, an adequate measurement infrastructure is necessary, which can monitor response time and utilization of the system. It is required to adjust the already existing measurement infrastructure of a web cluster at the group for embedded systems. Simulation models (evaluated by means of tools like AnyLogic, OPNET, ns-2) and analytic queueing models (using e.g., WinPEPSY) can then be built based on the measurements. Based on this measurement environment and the developed models, it is possible to validate and calibrate close-to-reality models, which allow to assess and interpret such systems. This work will answer the question ”which components must the model contain to describe the system adequately”. The work of the previous years can be summarized in four parts. In the first part, the self-built-robot has been redesigned including a microcontroller-circuit, which communicates via the RS-232-Interface of the PC/104-board. The microcontroller enables the robots of each team to act very precisely in the dynamic environment of a soccer game, for instance. In the second part, the operating system of the PC/104-board has been patched with RTAI to analyze the performance of the real-time-application-interface for Linux. To evaluate the system response in real time, signal edges have been generated and the latency was monitored using a very highly-precise time-measuring instrument. Monitoring systems delivered a variation of the system response time when calling a singleshot-task and periodic-tasks and if the system load increases i.e. by executing classic tasks like gcc and pingflood. In the third part, an existing event-tracing-tool for the Linux-Kernel was modified for tracing real-time events by using the RTAI-Patch for Linux. Now it is possible to analyze the latency of the response time on the system software level by tracking the real-time system calls. In the fourth part, the software of the existing soccer-playing robot has been adapted, so this player now can act more autonomously by using its on-board-sensors (proximitysensors and cmos camera). The robot is not provided with any kind of information from outside the system. Publikationen –

K¨oker, Kemal ; Membarth, R. ; German, Reinhard: Performance Analyses of Embedded Real-time Operating Systems using High-precision Counters . In: n.b.

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(Hrsg.) : Proc. 3rd Int. Conf. on Autonomous Robots and Agents (ICARA Palmerston North, New Zealand December 2006). 2006, S. 485-490. 13.5.10

ROSES – RObot assisted SEnsor networkS

Projektleitung: Dr.-Ing. Falko Dressler Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beteiligte: Dipl.-Inf. Isabel Dietrich M.Sc. Thomas Halva Labella Abdalkarim Awad, M. Sc. Feng Chen, M. Sc. Beginn: 1.10.2004 F¨orderer: Deutscher Akademischer Austauschdienst Deutsche Forschungsgemeinschaft Siemens AG AUDI AG Kontakt: Dr.-Ing. Falko Dressler Tel.: 09131 85 27914 Fax: 09131 85 27409 E-Mail: [email protected] The development and the control of self-organizing, self-configuring, self-healing, self-managing, and adaptive communication systems and networks are primary research aspects of the autonomic networking team. The employed embedded systems, e.g. sensor motes and mobile robots, are getting smaller, more mobile, and more energy aware. Novel mechanisms in operating systems, in the communication infrastructure, and in applications provide enormous energy savings. Sensor motes are used e.g. for the collection, the processing, and the communication of measurement data. Another research aspect of our group is the combination of mobile robot systems with stationary sensor networks. Such mobility enhancements as well as the limited resources in typical sensor networks lead to new problems, challenges, and solution spaces in terms of efficient data management and communication. In addition to engineering methods we investigate in bio-inspired methodologies learnt from cell and molecular biology to address these issues. Research Goals

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• Energy efficient operation, communication, and navigation • Sensor assisted localization and navigation • Quality of service aware communication in heterogeneous mobile networks with dynamic topology • Optimized task allocation and communication based on application and energy constraints • Secure communication and data management in mobile sensor networks Solution Space • Novel models for energy and application aware communication • Combination of different localization techniques for optimized high-precision navigation • Bio-inspired communication methods for information exchange and task allocation • Integration of mobile robots and stationary sensor nodes to autonomous mobile sensor/actuator networks Publikationen –

Dressler, Falko: A Study of Self-Organization Mechanisms in Ad Hoc and Sensor Networks . In: Elsevier Computer Communications 31 (2008), Nr. 13, S. 30183029

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Dressler, Falko ; Str¨ube, Moritz ; Kapitza, R¨udiger ; Schr¨oder-Preikschat, Wolfgang: Dynamic Software Management on BTnode Sensors . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 4th IEEE/ACM Intern. Conf. on Distributed Computing in Sensor Systems, Intern. Workshop on Sensor Network Engineering (DCOSS, IWSNE Santorini Island, Greece June 2008). 2008, S. 9-14.

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Sommer, Christoph ; Dietrich, Isabel ; Dressler, Falko: A Simulation Model of DYMO for Ad Hoc Routing in OMNeT++ . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 1st ACM/ICST Intern. Conf. on Simulation Tools and Techniques for Communications, Networks and Systems : 1st ACM/ICST Intern. Workshop on OMNeT++ ((SIMUTools 2008 : OMNeT++ 2008) Marseille, France March 2008). 2008, S. -. 231

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Chen, Feng ; Wang, Nan ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Performance Evaluation of IEEE 802.15.4 LR-WPAN for Industrial Applications . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 5th IEEE/IFIP Conference on Wireless On demand Network Systems and Services ((IEEE/IFIP WONS 2008) Garmisch-Partenkirchen, Germany January 2008). 2008, S. 89-96.

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Labella, Thomas Halva ; Dietrich, Isabel ; Dressler, Falko: BARAKA: A Hybrid Simulator of SANETs . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. 2nd IEEE/ACM Int. Conf. on Communiation Systems Software and Middleware ((IEEE/ACM COMSWARE 2007) Bangalore, India January 2007). 2007, S. -.

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Dressler, Falko ; Fuchs, Gerhard ; Truchat, Sebastien ; Yao, Zheng ; Lu, Zengyu ; Marquart, Holger: Profile-Matching Techniques for On-demand Software Management in Sensor Networks . In: EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking (JWCN) Special Issue on Mobile Multi-Hop Ad Hoc Networks: from theory to reality (2007), Nr. Article ID 80619, S. 10

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Awad, Abdalkarim ; Frunzke, Thorsten ; Dressler, Falko: Adaptive Distance Estimation and Localization in WSN using RSSI Measures . In: Kubatova, Hana (Hrsg.) : Proc. of 10th EUROMICRO Conference on Digital System Design Architectures, Methods and Tools ((DSD 2007) L¨ubeck, Germany August 29-31, 2007). 2007, S. 471-478.

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Dressler, Falko: Self-Organization in Sensor and Actor Networks . Chichester : John Wiley & Sons, 2007

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Dressler, Falko ; Nebel, Rodrigo ; Awad, Abdalkarim: Distributed Passive Monitoring in Sensor Networks . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. 26th Annual IEEE Conf. on Computer Communications (IEEE INFOCOM 2007, Demo Session Anchorage, Alaska, USA May, 2007). 2007, S. .. 232

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Passing, Martin ; Dressler, Falko: Practical Evaluation of the Performance Impact of Security Mechanisms in Sensor Networks . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 31st IEEE Conference on Local Computer Networks : 1st IEEE International Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications ((LCN), (SenseApp 2006) Tampa, Florida, USA November 2006). 2006, S. 623-629.

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Dietrich, Isabel ; Dressler, Falko: On the Lifetime of Wireless Sensor Networks . Erlangen-N¨urnberg : Friedrich-Alexander-Universit¨at. 2006 (04/06). – Interner Bericht

13.5.11

Security and Quality of Service and Aspects in ZigBee-based Wireless Communication

Projektleitung: Dr.-Ing. Falko Dressler Beteiligte: Feng Chen, M. Sc. Beginn: 1.7.2006 F¨orderer: Siemens AG A&D Kontakt: Dr.-Ing. Falko Dressler Tel.: 09131 85 27914 Fax: 09131 85 27409 E-Mail: [email protected] Based on the IEEE 802.15.4 standard, which defines the physical layer (PHY) and medium access control (MAC) sublayer specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN), the ZigBee Alliance complements the specifications at the network, security, and application layers and provides an open global standard for building ultra-low complexity, ultra-low cost, ultra-low power consumption, and low data rate WPANs. ZigBee has become one of the most recent and promising WPAN technologies and is getting more popular in wireless sensor network (WSN) applications. This project is a cooperated with SIEMENS AG A&D. Our primary research goals focus on quality of service (QoS) and security aspects in ZigBee-based WSN. We stress simulation and modeling techniques for performance evaluation. A complete model for the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack is to be implemented in OMNeT++. This simulation tool has been extensively employed in our group. In our simulations, we apply various traffic models to investigate both, traditional performance measures (delay, laten233

cy, throughput, etc.) and other measures specifically for WSN like energy efficiency and real-time behavior (stressed in industrial monitoring and controlling). Self-organization has been identified as a promising control paradigm for massively distributed systems. We will also examine its applicability in ZigBee-based networks. With respect to security we are interested in the cost of the various available security mechanisms proposed in ZigBee specification. Simulation results will reveal how these security mechanisms affect the network performance. In the long-run, we aim to develop simulation-based methodologies for designing sensor networks for industrial control applications. Publikationen –

Chen, Feng: Improving IEEE 802.15.4 for Low-latency Energy-efficient Industrial Applications . In: n.b. (Hrsg.) : Proceedings of Echtzeit 2008 (Fachtagung der GI-Fachgruppe Echtzeitsysteme Boppard, Germany November 2008). 2008, S. 61-70.

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Chen, Feng ; Dressler, Falko: A Simulation Model of IEEE 802.15.4 in OMNeT++ . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 6. GI/ITG KuVS Fachgespr¨ach Drahtlose Sensornetze, Poster Session (6. Fachgespr¨ach Sensornetze der GI/ITG-Fachgruppe ”Kommunikation und Verteilte Systeme” Aachen, Germany July 2007). 2007, S. 35-38.

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Dietrich, Isabel ; Chen, Feng ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Modeling energy consumption of wireless communications in OMNeT++ . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of GI/ITG KuVS Fachgespr¨ach Systemsoftware und Energiebewusste Systeme (GI/ITG KuVS Fachgespr¨ach Karlsruhe, Germany October 2007). 2007, S. .

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Chen, Feng ; Dressler, Falko ; Heindl, Armin: End-to-End Performance Characteristics in Energy-Aware Wireless Sensor Networks . In: n.b. (Hrsg.) : Proc.of 3rd ACM International Workshop on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks ((ACM PE-WASUN 2006) Torremolinos, Malaga, Spain October 2006). 2006, S. 41-47.

234

13.5.12

Sensitivity Analysis of Queueing Networks

Projektleitung: Dr.-Ing. Armin Heindl Beteiligte: Prof. Dr. Miklos Telek Prof. Dr. Evgenia Smirni Qi Zhang Beginn: 1.1.2004 Mitwirkende Institutionen: TU Budapest, Hungary College of William and Mary, VA, USA Kontakt: Dr.-Ing. Armin Heindl Tel.: +49 9131 85 27099 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] Analytical models are particularly well suited for studying the impact of various parameters on system performance. Such studies require numerous evaluations of the model. Simulation models may lead to prohibitively long run times and the approximate nature of corresponding numerical results aggravates their interpretation in the context of sensitivity analysis. In this research effort, matrix-analytic techniques from queueing theory are combined to establish a framework for the analysis of (large) queueing networks. In a divideand-conquer fashion, the network is evaluated (possibly iteratively) on a node-by-node basis, while queue output traffic is characterized and directed to downstream queues as input traffic (traffic-based decomposition). Dedicated procedures for the key step of output characterization have been developed as well as new techniques for the analysis of multi-class queueing systems. Sensitivity analysis indispensibly requires compact models to describe correlated arrival and service processes (i.e., correlated workload), in which single input parameters (like correlation coefficients of the interarrival process or higher moments of service times) can be modified independently of others. Such correlated input models have been provided in form of low-order Markovian Arrival Processes (MAPs), which moreover may also be applied efficiently in simulations. From sensitivity analysis, new insight for network and traffic engineering could be derived in the context of cooperations with the College of William and Mary, VA, USA and the TU Budapest, Hungary. Prof. Miklos Telek visited our research group.

235

Publikationen –

S¨ohnlein, Sven ; Heindl, Armin: Analytic Computation of End-To-End Delays in Queueing Networks with Batch Markovian Arrival Processes and Phase-Type Sevice Times . In: Al-Begain, Khalid (Hrsg.) : Proc. of 13th International Conference on Analytic and Stochastic Modelling Techniques and Applications ((ASMTA 2006) Bonn, Sankt Augustin, Germany May, 28-31, 2006). 2006, S. 1-7.

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Heindl, Armin ; Gross, Karsten: Analytic study of multiplexing effects in twoclass queues with correlations . In: German, Reinhard ; Heindl, Armin (Hrsg.) : Proc. 13th GI/ITG Conference (Measuring, Modelling and Evaluation of Computer ans Communication Systems, N¨urnberg, Germany March 27-29,2006). Berlin : VDE Verlag GmbH, 2006, S. 399-416. – ISBN 3-8007-2945-8

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Heindl, Armin ; Horv´ath, G´abor ; Gross, Karsten: Explicit Inverse Characterization of Acyclic MAPs of Second Order . In: Horv´ath, Andr´as ; Telek, Mikl´os (Hrsg.) : Formal Methods and Stochastic Models for Performance Evaluation (Third European Performance Engineering Workshop, EPEW 2006 Budapest, Hungary June, 2006). Heidelberg : Springer, 2006, S. 108-122. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 4054)

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Zhang, Q. ; Heindl, Armin ; Smirni, E.: Characterizing the BMAP/MAP/1 departure process via the ETAQA truncation . In: Stochastic Models 21(2-3) (2005), S. 821-846

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Zhang, Q. ; Heindl, Armin ; Smirni, E.: Models of the departure process of a BMAP/MAP/1 queue . In: ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review (2005), Nr. 33/2, S. 18-20

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Heindl, Armin ; Zhang, Q. ; Smirni, E.: ETAQA Truncation Models for the MAP/MAP/1 Departure Process . In: Haverkort, B. ; Franceschini, G. ; Katoen, J.-P. ; Woodside, M. (Hrsg.) : Proc. 1st Int. Conf. on the Quantitative Evaluation of Systems (QEST 2004 Enschede, the Netherlands 27-30 September 2004). 2004, S. 100-109. – ISBN 0-7695-2185-1

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Heindl, Armin: Inverse Characterization of Hyperexponential MAP(2)s . In: AlBegain, Khalid ; Bolch (Hrsg.) : 11th Int. Conf. on Analytical and Stochastic Modelling Techniques and Applications (ASMTA 2004 Magdeburg, Germany 1316 June 2004). 2004, S. 183-189.

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Heindl, Armin: Sensitivity Analysis for MAP/MAP/1 Queues . In: Buchholz, Peter ; Lehnert, Ralf ; Pioro, Michal (Hrsg.) : 12th GI/ITG Conf. on Measuring,

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Modelling and Evaluation of Computer and Communication Systems (MMB) together with 3rd Polish-German Teletraffic Symposium (PGTS) (MMB & PGTS 2004 Dresden, Germany September 12-15, 2004). Berlin : VDE Verlag GmbH, 2004, S. 235-244. – ISBN 3-8007-2851-6 13.5.13

Software-in-the-Loop Simulation and Testing of Highly Dependable Distributed Automotive Applications

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beteiligte: Dipl.-Inf. Thorsten Frunzke Laufzeit: 1.12.2006–29.2.2008 F¨orderer: AUDI AG (Ingolstadt) Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Tel.: +49 9131 85 27916 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] Electronic units are increasingly integrated into vehicles and gain more and more importance. This affects the domains of control and regulation as well as of information and communication. To handle this growing complexity during the product development process poses a hard problem. As a consequence, errors often remain undetected until integration. At this point, error correction leads to a high effort in time and money. Therefore, test processes must be extended also to earlier stages so that the increasing complexity becomes controllable. The main focus of this work lies on the validation and verification of the DECOS (Dependable Embedded Components and Systems) integrated architecture for highly dependable embedded clusters in the automotive industry. The AEV (Audi Electronics Venture GmbH, Ingolstadt, Germany) is supplied with a cluster that can be used for simulating highly dependable distributed automotive applications, such as a driver assistance and collision avoidance system by means of a Matlab/Simulink Model in the Loop (MiL). The goal is to extend this model in such a way that the most significant features of the DECOS integrated architecture are taken into account. This requires to • simulate a time-triggered network communication between different simulation blocks, representing the ECUs of a vehicle, based on the DECOS virtual network (VN) concept using FlexRay as communication core. 237

• simulate a time-triggered inter-process communication between the different tasks and processes inside one single ECU, represented by a set of simulation subsystems, based on the DECOS encapsulated execution environment (EEE) concept. • simulate the behavior of a time-triggered core operating system, for example OSEKtime or TTPos in the simulation model. • simulate the middleware as a connector between DECOS high-level services and the application code in the simulation model. • generate and evaluate test cases, for example with software implemented fault injection (SWIFI). 13.5.14

Transmission of Safety-Relevant Sensor Data in Intra-Car Communication Systems

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beteiligte: Thomas Herpel, M. Sc. Laufzeit: 1.12.2006–30.11.2009 F¨orderer: AUDI AG (Ingolstadt) Mitwirkende Institutionen: Safety-Electronics / Airbag-Control-Systems Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Tel.: +49 9131 85 27916 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] Currently used airbag systems work independently, consisting of only few external and internal sensors and several firing units. To fulfill the demands of safety in an automotive environment, sensors and controllers are designed redundantly, plausibility tests are performed and activation of actuators is proved against misuse by so-called safing-concepts. The connection of different electronic systems within the car – e.g. electronic stability program (ESP) or anticipatory sensors with the airbag control unit (ACU) – leads to new architectures with sensors, actuators and several controllers. As a consequence of the connection, more signals and sensor data are available to the single control units and 238

self-test functions can be integrated in software, increasing the reliability, availability and safety of the system while costs can be reduced as redundant components may become unnecessary. Nevertheless, the complexity of the overall system grows with such a distributed design of the intra-car network, especially in terms of predicting performance measures such as latencies, firing times or failure probabilities. To overcome this, a method is to be developed to analyze existing design layouts as well as new architecture patterns, taking into account key characteristics of network components (bus system and topology, controller, sensor), investigated scenarios (crash, rollover, pre-crash phase, pedestrian protection) and common reliability engineering methods (SIL, FMEA, FTA, FEM, discrete and/or continuous simulation, Markov Chains). The method shall be validated by measurements for an actual system configuration on the one hand, while its basic applicability to arbitrary design patterns is to be assured on the other hand. The results are intended to give a sound basis for predicting the system behavior, especially when discussing new layout decisions in industrial committees (VDA) or boards of directors. Publikationen –

Klehmet, Ulrich ; Herpel, Thomas ; Hielscher, Kai-Steffen Jens ; German, Reinhard: Delay Bounds for CAN Communication in Automotive Applications . In: Bause, Falco ; Buchholz, Peter (Hrsg.) : Proc. 14th GI/ITG Conference Measurement, Modelling and Evaluation of Computer and Communication Systems (MMB Dortmund, Germany March 31 – April 2, 2008). Berlin : VDE Verlag GmbH, 2008, S. 157-171. – ISBN 978-3-8007-3090-2

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Klehmet, Ulrich ; Herpel, Thomas ; Hielscher, Kai-Steffen Jens ; German, Reinhard: Real-Time Guarantees for CAN Traffic . In: n.b. (Hrsg.) : 2008 IEEE 67th Vehicular Technology Conference (VTC2008-Spring Marina Bay, Singapore 11 – 14 May 2008). Piscataway, N.J. : IEEE Conference eXpress Publishing, 2008, S. 3037-3041. – ISBN 978-1-4244-1645-5

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239

13.5.15

Web Cluster Laboratory

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Beteiligte: Dr.-Ing. Kai-Steffen Jens Hielscher Beginn: 1.10.2001 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German Tel.: +49 9131 85 27916 Fax: +49 9131 85 27409 E-Mail: [email protected] The hardware in our Web Cluster Laboratory is composed of commodity PC hardware and equipped with additional measurement infrastructure for performance evaluation. PCs with cheap off-the-shelf components are interconnected using a fast/gigabit ethernet switch. We use Open Source solutions for the operating systems and all other software needed. The system is used as a distributed web server serving both static and dynamic content. The dynamic generation of web pages includes on-demand generation of HTML pages from XML documents using XSL, and a full-featured e-commerce system, which consists of an Enterprise Java Beans implementation of a bookshop as specified by the TPC-W benchmark. The measurement infrastructure is composed of several GPS receiver cards connected to a roof-mounted GPS antenna. For time synchronization, we use a combination of NTP and the PPS API, where our GPS receivers generate precise pulses marking the start of every second. We use additional hardware to connect the PPS pulse to every node of the cluster. A kernel buffer is used to record time stamps for relevant events inside the kernel during the measurement process. Buffering the kernel time stamps enables us to conduct measurements with high data volume and microsecond precision. Additionally, we record time stamps for important events in user-space processes and measure the ressource utilization. The use of an external clock for measuring the interrupt lantency for every PPS pulse and correcting the time stamps used by NTP afterwards has been evaluated and an external clock device using FPGAs for every node of the cluster is currently being developed. As an additional method for time stamping in a distributed system, we have implemented an offline synchronization mechanism in which the unsynchronized local clocks of the cluster nodes are used to time stamp both events relevant for our analyses and the arrival of PPS pulses. Since the precise frequency and offset from UTC is known for the PPS pulses, the time stamps for the events can be related to UTC after the measurement in an offline synchronization process. 240

We use both httperf and SURGE as load generators for our web server. SURGE generates traffic patterns similar to real user behaviour with heavy-tailed distributions and self-similar traffic as observed empirically in recent studies of the internet. We built a simulation model of the Web cluster which includes relevant aspects of the hardware, operating and communication systems as well as the application layer as it is required for a realistic performance evaluation of such systems. We formulated the model in UML taking into account both architectural and behavioral aspects and applied detailed system-level measurements at low loads for determining the basic parameters. These are mainly one-way delays which implicitly include other system behavior like interrupt latencies and show random behavior. We applied advanced input modeling techniques including multi-modal distributions, multiple phases, and B´ezier curves for unconventional shapes to adequately represent all quantities. We also proposed a new model based on differences between successive delays for the autocorrelations observed in the measurements. The UML simulation model explicitly represents higher level dynamics which significantly affect the behavior at higher loads including buffering, resource contention, and transport control. The model predicts well the quantiles of the overall delay for HTTP responses. Publikationen –

Dietrich, Isabel ; Hielscher, Kai-Steffen Jens ; German, Reinhard: A Measurement-Based Simulation Model of a Web Cluster . In: Kr¨uger, J¨org ; Lisounkin, Alexei ; Schreck, Gerhard (Hrsg.) : 3rd Int. Industrial Simulation Conference (ISC’2005 Berlin, Germany June 9-11, 2005). Ghent, Belgium : EUROSISETI, 2005, S. 88-92. – ISBN 90-77381-18-X

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Truchat, S´ebastien ; Hielscher, Kai-Steffen Jens ; Pflaum, Alexander: Towards Cost Efficient Mobile Services . In: Kotsis, G. ; Taniar, D. ; Ibrahim, I. K. (Hrsg.) : 2nd Int. Conf. on Advances in Mobile Multimedia (MOMM 2004 Bali, Indonesia ¨ Sept. 22-24, 2004). Bali : Osterreichische Computer Gesellschaft, 2004, S. 179188. ([email protected] Bd. 184) – ISBN 3-85403-184-X

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Hielscher, Kai-Steffen Jens ; German, Reinhard: A Low-Cost Infrastructure for High Precision High Volume Performance Measurements of Web Clusters . In: Peter Kemper ; William H. Sanders (Hrsg.) : Proc. 13th Conf. on Computer Performance Evaluations, Modelling Techniques and Tools (TOOLS 2003 Urbana, IL, USA September 2-5,2003). Heidelberg : Springer, 2003, S. 11-28. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2794) – ISBN 3-540-40814-2

241

–

13.6

Hielscher, Kai-Steffen Jens: Aufbau eines clusterbasierten Webservers zur Leistungsanalyse . Erlangen, Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2001. – 96 Seiten.

Studien- und Abschlussarbeiten

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Diplomarbeit: Simulative Leistungsbewertung von 802.15.4 basierten Sensornetzen. Bearbeiter: Nan Wang (beendet am 07.01.2008); Betreuer: Feng Chen, M. Sc.; Dr.-Ing. Falko Dressler

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Diplomarbeit: Untersuchung existierender Workflow-Management-Systeme hinsichtlich ihrer Eignung zur Modellierung von Fertigungsprozessen. Bearbeiter: Thomas Saffer (beendet am 07.01.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Armin Heindl

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Studienarbeit: Comparison of Analytic Characterizations for Correlated Traffic. Bearbeiter: Nestor Andres Arteaga Martin (beendet am 31.01.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Armin Heindl

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Diplomarbeit: Praktische Erprobung des szenario-basierten Statistischen Testvorgehens bei der System Validierung eines RIS/PACS-Systems. Bearbeiter: Stefan Holpp (beendet am 05.02.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Winfried Dulz

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Diplomarbeit: Adaptive verteilte Firewallkonfiguration basierend auf LinuxNetfilter. Bearbeiter: Wei Xie (beendet am 25.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Tobias Limmer; Dr.-Ing. Falko Dressler

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Diplomarbeit: Entwicklung eines Korrelationswerkzeugs f¨ur sicherheitsrelevante Vorf¨alle mit zugeh¨origer Korrrelationsengine. Bearbeiter: Martin Gruendl (beendet am 28.03.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Falko Dressler; Dipl.-Inf. Tobias Limmer

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Diplomarbeit: Towards a Flexible Framework for Automotive Sensor Fusion Architecture Analysis. Bearbeiter: Christoph Lauer (beendet am 31.03.2008); Betreuer: Thomas Herpel, M. Sc.; Prof. Dr.-Ing. Reinhard German

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Studienarbeit: Konzeption und Realisierung von Experimenten f¨ur die Erprobung von M2M-Anwendungen basierend auf J2ME IMP Technologie. Bearbeiter: Oleg Krasovytskyy (beendet am 05.04.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Winfried Dulz

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Diplomarbeit: Simulation der Mehrwertgenerierung durch Kunden-werbenKunden-Programme auf einer neuartigen Web-Plattform. Bearbeiter: Lorenz Wallner (beendet am 11.04.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Kai-Steffen Jens Hielscher; Prof. Dr.-Ing. Reinhard German 242

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Studienarbeit: Erprobung regelbasierter Datenverarbeitung in Sensornetzen basierend auf einer Laborimplementierung. Bearbeiter: Dong Yu Wang (beendet am 15.04.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Falko Dressler

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Diplomarbeit: Schneller Kanalwechsel in IPTV durch Edge-Server / Fast Channel Change in IPTV using Edge-Servers. Bearbeiter: Sebastian Nehls (beendet am 29.04.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German

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Master Thesis: Erweiterung der Robocop Architektur zur Performance Evaluierung von mobilen eingebetteten Systemen. Bearbeiter: J¨urgen Eckert (beendet am 12.06.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Kemal K¨oker; Prof. Dr.-Ing. Reinhard German

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Diplomarbeit: Modellierung von Software Transactional Memory. Bearbeiter: Sabeur Zarai (beendet am 13.06.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Armin Heindl

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Diplomarbeit: Evaluierung der modellgetriebenen Testfallgenerierung basierend auf Markowketten-Benutzungsmodellen f¨ur den Bereich Automotive. Bearbeiter: Sebastian Siegl (beendet am 30.06.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Winfried Dulz

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Studienarbeit: AUTOSAR Win32 CAN Module. Bearbeiter: Robert Krul (beendet am 25.08.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Falko Dressler

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Master Thesis: Self-Organizing Security Environments – Monitoring and IDS. Bearbeiter: Lavanya Poondru (beendet am 03.09.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Falko Dressler; Dipl.-Inf. Tobias Limmer

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Studienarbeit: Entwicklung von Anomaliedetektionsalgorithmen f¨ur Netflowdaten. Bearbeiter: David Eckhoff (beendet am 09.09.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Tobias Limmer; Dr.-Ing. Falko Dressler

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Studienarbeit: Entwicklung eines flowbasierten Detektors von Peer-to-Peer Verkehr. Bearbeiter: Matthias Segschneider (beendet am 18.09.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Tobias Limmer; Dr.-Ing. Falko Dressler

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Diplomarbeit: Implementierung und Bewertung eines RDF-basierten Frameworks zur Interpretierung und Ausf¨uhrung von UML2-Aktivit¨atsdiagrammen auf Sensorknoten. Bearbeiter: Christoph Damm (beendet am 29.09.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Gerhard Fuchs

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Studienarbeit: Modellierung und Visualisierung einer Fertigungsanlage mit RealTime UML. Bearbeiter: Christian Lauks (beendet am 30.09.2008); Betreuer: Dr.Ing. Armin Heindl

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Diplomarbeit: Modellbasiertes Testen von eingebetteten Systemen in der Medizin mittels standardisierter Kommunikationsprotokolle – Webservice-Komponente und TTCN-3-Adaption f¨ur den Interoperabilit¨atstest am Beispiel von DICOM. Bearbeiter: Vitali Schneider (beendet am 31.10.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Winfried Dulz

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¨ Diplomarbeit: Evaluation und Implementierung von Uberlastschutzmethoden f¨ur einen Flowmonitor. Bearbeiter: Stefanie Mika (beendet am 03.11.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Tobias Limmer; Dr.-Ing. Falko Dressler

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Studienarbeit: SQL-basierte Abfrage in heterogenen multihop Sensornetzen. Bearbeiter: Eugen Rose (beendet am 10.11.2008); Betreuer: Abdalkarim Awad, M. Sc.; Dr.-Ing. Falko Dressler

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Diplomarbeit: Entwicklung einer Plattform f¨ur mobile Softwareagenten auf ressourcenbeschr¨ankten Systemen. Bearbeiter: Igor Kats (beendet am 17.11.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German

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Diplomarbeit: Entwicklung einer agentenbasierten Softwarearchitektur zur automatisierten Datenerhebung. Bearbeiter: Xenia Brouk (beendet am 17.11.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Reinhard German

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Diplomarbeit: Modellbasiertes Testen von eingebetteten Systemen in der Medizin mittels standardisierter Kommunikationsprotokolle – Automatische Generierung von statistischen Testmodellen aus Aktivit¨atsdiagrammen am Beispiel von IHE. Bearbeiter: Anatoli Djanatliev (beendet am 17.11.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Winfried Dulz

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Diplomarbeit: Modellgest¨utzte Analyse der Verl¨asslichkeit in drahtlosen Sensornetzen. Bearbeiter: Claudia J¨aggle (beendet am 25.11.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Falko Dressler

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Diplomarbeit: Vergleich von Traffic Engineering Strategien f¨ur IP-Netze mit verschiedenen Verkehrsklassen. Bearbeiter: Ulf Jensen (beendet am 12.12.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Armin Heindl

244

¨ Informatik 8 (Kunstliche ¨ Lehrstuhl fur Intelligenz) Anschrift: Haberstr. 2, 91058 Erlangen Tel.: 09131/85-28702 Fax: 09131/85-28986 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz Professoren: Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz Prof. i. R. Dr. Herbert Stoyan apl. Prof. Dr. Volker Strehl Sekretariat: Renate Lutzke Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inf. Stefan Bienk Dipl.-Inf. Martin Hacker Dr.-Ing. Bernd Ludwig Dr.-Ing. Stefan Mandl Dipl.-Ing. Bernhard Schiemann Dipl.-Inf. Martin Scholz Dipl.-Inf. Jan Schrader Dipl.-Inf. Bj¨orn Zenker Der Lehrstuhl f¨ur K¨unstliche Intelligenz (KI) wurde 1990 mit der Berufung von Prof. Dr. H. Stoyan neu eingerichtet. Prof. Dr.-Ing. G. G¨orz wurde zum 1. 4. 1991 auf die C3-Professur berufen. Weiterhin geh¨ort seit 1997 apl. Prof. Dr. Volker Strehl dem Lehrstuhl an. Der Lehrstuhl verf¨ugt u¨ ber vier Planstellen f¨ur wissenschaftliche Mitarbeiter, eine Techniker- und eine Sekret¨arinnenstelle; diese werden erg¨anzt durch eine wechselnde Anzahl an drittmittelgef¨orderten Projektmitarbeitern. Bis zur Abwicklung des Bayerischen Forschungszentrums f¨ur wissensbasierte Systeme (FORWISS) war dem Lehrstuhl die Forschungsgruppe ”Wissenserwerb” zugeordnet.

14.1

Forschungsschwerpunkte

Mit der Einrichtung des Lehrstuhls wurden als Forschungsschwerpunkte festgelegt: KIProgrammiersprachen und -methoden, Wissensrepr¨asentation und -verarbeitung sowie 245

die Verarbeitung nat¨urlicher Sprache. Durch die internationale Entwicklung ist das erste Thema inzwischen in eine Randlage geraten. Dennoch haben unsere Arbeiten zur Erweiterung der Logikprogrammierung und verteilten Realisierung von separaten Ableitungsverwaltungssystemen (”Reason Maintenance”) dazu beigetragen, eine aktuelle L¨ucke zu schließen. Inzwischen ist, nicht zuletzt durch die gewonnenen Erkenntnisse im Bereich des Wissenserwerbs, ein neuer Arbeitsschwerpunkt hinzugekommen: Anwendungen der K¨unstlichen Intelligenz. Als neues Thema wurde die Analyse gesprochener Sprache mit dem – im Herbst 2000 abgeschlossenen – BMBF-Verbundprojekt Verbmobil aufgenommen, das in Kooperation mit dem Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung bearbeitet wurde, sowie die maschinelle Interpretation von Texten. Anwendungen auf Software Engineering (insbesondere Vorbereitung der Spezifikation und Wartung) und Mathematik (Wissenspr¨asentation und Beweisunterst¨utzung) sind Themen aktiver Projektforschung; Ingenieurwissenschaften, Medizin und Geschichte werden als weitere Anwendungsfelder erschlossen. Eine besondere Rolle spielt dabei die Integration von Methoden und Verfahren der angewandten Logik, Wissensrepr¨asentation und -verarbeitung in multimediale Systeme und digitale Bibliotheken. Wissensrepr¨asentation, -pr¨asentation und -verarbeitung gewinnen zunehmend an Bedeutung bei der Inhaltsmodellierung multimedialer Daten sowie der Entwicklung von Werkzeugen zur Erstellung digitaler Dokumente. Das wichtigste Anwendungsgebiet ist hier die technische Dokumentation in den Ingenieurwissenschaften; als erg¨anzende Anwendungsfelder werden Medizin, Geschichte, Kartographie und Digitale Bibliotheken erschlossen. Als weiterer Arbeitsschwerpunkt sind Methoden des Wissenserwerbs, die Erarbeitung von Wissensrekonstruktionen und die Definition von Normsprachen hinzugekommen. Die Sprachverarbeitung als dritter Schwerpunkt erf¨ahrt neue Herausforderungen im Kontext robuster Dialogsysteme. Die Grundlagenforschung zu Dialogen zielt auf die Entwicklung eines flexiblen adaptiven Dialogmoduls, der zusammen mit einer beschreibungslogischen Anwendungsmodellierung f¨ur verschiedenartige Sprachdialogsysteme und Assistenzsysteme eingesetzt werden soll. Forschungsschwerpunkte in Stichworten: Wissenserwerb, Anforderungsanalyse; Dokumentenverwaltung; Wissensentdeckung in Datenbanken; KI-Programmiersprachen; Expertensysteme, Assistenzsysteme; Hypermedia-Informationssysteme; Anwendung von KI-Methoden in verteilten Systemen; Wissensrepr¨asentation und -verarbeitung; Verarbeitung nat¨urlicher Sprache und Dialogsysteme, Assistenzsysteme.

14.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung

Der Lehrstuhl betreibt einen in das Institutsnetzwerk integrierten Sun-Server, sowie eine Reihe von vernetzten Arbeitsplatzrechnern (Sun-Workstations und PCs) als Grundaus246

stattung f¨ur jeden Wissenschaftlerarbeitsplatz und einen kleinen Rechnerpool f¨ur die Lehre und studentische Arbeiten. Dies wird erg¨anzt durch einige Drucker und Scanner; zur Beschaffung von Spezialger¨aten bestand bisher noch keine Notwendigkeit. Gelegentlich anfallende besondere Anforderungen (Parallelrechner, Grossformatscanner) wurden durch im Institut oder u¨ ber das Wissenschaftsnetz (WIN) verf¨ugbare Ressourcen abgedeckt oder u¨ ber Auftr¨age an Dritte befriedigt.

14.3

Kooperationsbeziehungen

Der Lehrstuhl unterh¨alt eine Reihe von Forschungskooperationen zu in- und ausl¨andischen Universit¨aten und Forschungsinstituten, von denen nur einige hervorgehoben seien: Universit¨at Hamburg, DFKI Saarbr¨ucken, INSA und ULP Strasbourg, Univ. Paris 7 und 8, ITC-irst Trento, Stanford University – CSLI, RISC Linz, Univ. Marne-la-Vallee, Univ. Wien, Netzwerk Algebraic Combinatorics in Europe. Dies wird erg¨anzt durch Kooperationen mit der Wirtschaft, darunter Siemens AG, Erlangen und M¨unchen; Temic AG, Ulm; Daimler-Chrysler Forschungszentrum, Ulm; Loewe AG, Kulmbach; Unilever AG. Angeh¨orige des Lehrstuhls sind in den Vorst¨anden des Sprachenzentrums, des Forums ”Neue Medien in der Lehre” der FAU, in verschiedenen Interdisziplin¨aren Zentren der FAU (Lehr- und Lernforschung, Lexikographie, Dialektforschung, Mittelalterzentrum), der Virtuellen Hochschule Bayern und im Fakult¨atentag Informatik t¨atig.

14.4

Wissenschaftliche Tagungen

KI-Jahrestagung der GI e.V. (Leitung 1996), KONVENS (Leitung 1992); mehrere Fr¨uhjahrsschulen K¨unstliche Intelligenz, G¨unne (Leitung 1991); Interdisziplin¨ares Kolleg Kognitionswissenschaft 2001, 2003, G¨unne; mehrere europ¨aische Sommerschulen in Computerlinguistik; verschiedentlich Mitwirkung in Programmkommittees (u.a. KIJahrestagungen, KONVENS, KI-Fr¨uhjahrsschulen, Internationales Leibniz-Forum); Seminaire Lotharingien de Combinatoire (Mitglied der Leitung, mehrfach Durchf¨uhrung von Treffen), Formal Power Series and Algebraic Combinatorics (Mitglied im Steering Committee seit 1991, Vorsitz des Program Comittees 1997), Computeralgebra in Lehre, Ausbildung und Weiterbildung (Mitglied der Leitung 2001-2003).

247

14.5

Forschungsprojekte

14.5.1

CIDOC Conceptual Reference Model (CRM) – Eine formale Referenzon¨ die Dokumentation des Kulturerbes tologie fur

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz Beteiligte: Dipl.-Ing. Bernhard Schiemann Beginn: 7.12.2004 Mitwirkende Institutionen: FORTH Institute of Computer Science, Heraklion, Kreta/Griechenland, u.a. Kontakt: Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz Tel.: 09131/85-28701 ; -28702 Fax: 09131/85-28986 E-Mail: [email protected] Das ”Conceptual Reference Model”’ der ICOM-CIDOC (International Committee for Documentation of the International Council of Museums) ist eine formale Referenzontologie f¨ur die Dokumentation, insbesondere im Bereich des Kulturerbes. Sie ist ein ISO-Standard (21127) und soll die Interoperabilit¨at zwischen verschiedenen vorhandenen Datenbanken, vor allem bei Museen und Archiven, erm¨oglichen sowie den Entwurf neuer Anwendungen unterst¨utzen. Wir sind in der ”CRM Special Interest Group” engagiert, die die Weiterentwicklung des Standards betreibt und Erweiterungen, u.a. auf das Bibliothekswesen (FRBR), erarbeitet. Ein wichtiges Projektthema in Erlangen ist die Implementation des CRM in der ”Web Ontology Language” OWL-DL und der Einsatz dieser Version in verschiedenen Anwendungen (u.a. im Projekt ”mappae”). Hierbei besteht auch eine Kooperation mit der IT-Abteilung des Germanischen Nationalmuseums N¨urnberg. Publikationen –

G¨orz, G¨unther: Kognitive Karten des Mittelalters . In: Houben, Hubert ; Vettere, Benedetto (Hrsg.) : Mobilit`a e Immobilit`a nel Medioevo europeo — Mobilit¨at und Immobilit¨at im europ¨aischen Mittelalter (Seminario di studio dei Dottorati di ricerca di ambito medievistico delle Universit`a di Lecce e di Erlangen Rom, Deutsches Historisches institut 01.-02.04.2004). Lecce : Congedo Editore, 2006, S. 7-28.

248

–

G¨orz, G¨unther: Kognitive Karten des Mittelalters. Digitale Erschließung mittelalterlicher Weltkarten . In: Burckhardt, Daniel ; Hohls, R¨udiger ; Prinz, Claudia (Hrsg.) : Geschichte im Netz: Praxis, Chancen, Visionen. Beitr¨age der Tagung .hist 2006, Berlin, 22.–24. Februar 2006 (.hist2006 — Geschichte im Netz Berlin 22.-24.02.2006). Berlin : HU Berlin, 2006, S. 1-34. (Historisches Forum Bd. 10, Nr. 1) – ISBN 978-3-86004-205-2

–

G¨orz, G¨unther: ”Generics and Defaults”. Zum technischen Umgang mit Begriffssystemen, Standardannahmen und Ausnahmen . In: Peckhaus, Volker ; (Hrsg.) : Methodisches Denken im Kontext. Festschrift f¨ur Christian Thiel zum 70. Geburtstag. Paderborn : mentis, 2007, S. 383-401.

14.5.2

IGSuS

Projektleitung: Dr.-Ing. Bernd Ludwig Beteiligte: Dr.-Ing. Stefan Mandl Laufzeit: 1.4.2008–30.3.2010 F¨orderer: Bayerisches Staatsministerium f¨ur Wirtschaft, Verkehr und Technologie Kontakt: Dr.-Ing. Stefan Mandl Tel.: (09131) 85-29911 Fax: (09131) 85-28986 E-Mail: [email protected] Im Forschungsprojekt IGSuS wird eine neuartige Benutzerschnittstelle entwickelt, die den Benutzer beim St¨o©bern durch das Fernsehprogramm unterst¨utzt. Das IGSuS-System gruppiert automatisch a¨ hnliche Sendungen. Das her©k¨ommliche ”Zappen” mit der Fernbedienung wird so viel komfortabler: der Benutzer kann mit der ”Weiter”-Taste eine a¨ hnliche Sendung umschalten und mit der ”Zur¨uck”-Taste auf eine Sendung mit ganz anderem Inhalt zappen. Der Benutzer kann jeden Vorschlag des Systems f¨ur einer a¨ hnliche Sendungen bewerten. So lernt IGSuS den Geschmack des Benutzers kennen und passt sich immer mehr darauf an. Der Vorteil f¨ur den Anwender liegt darin, dass er schneller eine Sendung findet, die ihm gef¨allt. Mit der aktuellen Technik muß er alle Programmpl¨atze seines TV-Ger¨ats der Reihe nach durchprobieren – in der Hoffnung, endlich eine brauchbare Sendung

249

zu finden. Bei wenigen Kan¨alen ist das Verfahren u¨ berschaubar. Moderne Satellitenempf¨anger bieten aber die M¨oglichkeit, 100 oder mehr Sender zu empfangen. Nimmt man an, dass man durchschnittlich eine Minute braucht, um einsch¨atzen zu k¨onnen, ob eine Sendung brauchbar ist, dauert das Zappen durch alle Programmpl¨atze schon 100 Minuten, also gut eineinhalb Stunden! IGSuS erreicht eine drastische Reduzierung der Suchzeit und weist auch von sich aus auf Sendungen hin, die dem Anwender m¨oglicherweise gefallen k¨onnten – das TV-Vergn¨ugen steigt so erheblich an. 14.5.3

mappae: Kognitive Karten des Mittelalters

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz Prof. Dr. Hartmut Kugler Beginn: 1.1.2001 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz Tel.: 09131/85-28701 ; -28702 Fax: 09131/85-28986 E-Mail: [email protected] ¨ Die kosmographische und universalgeographische Uberlieferung des Sp¨atmittelalters (13.-16. Jh.) zielt auf Orientierung im Sinne einer ’Weltanschauung’. Die Mappaemundi, eine Frucht der christlichen Enzyklop¨adik, sind in erster Linie kognitive Karten. Ihre graphischen Muster und ihre Text-Bild-Kombinationen enthalten Paramenter der Ars memorativa und scholastischer Summenwerke, auch visualisieren sie die Handlungsr¨aume narrativ dargestellter Geschichte und Geschichten. Sie bleiben nicht unver¨andert, sondern variieren je nach Wissensstand und Interessenbildung, ver¨andern sich auch im Wissenstransfer, besonders signifikant im Aufeinandertreffen christlich- mittelalterlicher und arabisch-j¨udischer Konventionen des Kartographierens. Der Bestand und das Ver¨anderungspotential des Text-Bild-Materials konnte bislang nicht zureichend erfasst werden. Das ist erst mit der elektronischen Datenverarbeitung m¨oglich geworden. Ziel des Vorhabens ist der Aufbau einer multimedialen Datenbank, die repr¨asentative mittelalterliche und fr¨uhneuzeitliche Weltkarten zusammenfasst und als Grundlage f¨ur die Ausarbeitung der dargestellten kognitiven Beziehungen und deren Wandel dient. Im Kern besteht sie aus hochaufl¨osenden digitalen Bildern, die durch zugeordnete Metadaten erschlossen sind, sowie einem vergleichenden Stellenkatalog. Er umfasst alle Positionen, die auf den Mappaemundi des 13.- 16. Jhs. (von der Hereford- und Ebstorfkarte bis zum Behaim-Globus) mit Bildern, Legenden und Bild¨ Textkombinationen verzeichnet sind. Uber den Stellenkatalog soll dann eine kognitiv

250

orientierte Beschreibungsebene eingerichtet werden, in der Objektbeschreibungen unter Beachtung der diachronen Dimension verkn¨upft werden k¨onnen. Publikationen –

G¨orz, G¨unther ; Holst, Norbert: The Digital Behaim Globe (1492) . In: Bearman, David ; Trant, Jennifer (Hrsg.) : Museum Interactive Multimedia 1997: Cultural Heritage Systems – Design and Interfaces. Selected Papers from ICHIM 97 (Fourth International Conference on Hypermedia and Interactivity in Museums Paris 1997). Pittsburgh, Penn. : Archive & Museum Informatics, 1997, S. 157173.

–

G¨orz, G¨unther: Altes Wissen und neue Technik. Zum Behaim-Globus und seiner digitalen Erschließung . In: Norica. Berichte und Themen aus dem Stadtarchiv N¨urnberg (2007), Nr. 3, S. 78-87

–

G¨orz, G¨unther: Martin Behaim . In: Hockey, Thomas (Hrsg.) : The Biographical Encyclopedia of Astronomers, 2 Vols.. Berlin; Heidelberg : Springer, 2007, S. 1-2.

–

Baumg¨artner, Ingrid ; G¨orz, G¨unther: Rezension von: Klaudios Ptolemaios, Handbuch der Geographie. Hg. St¨uckelberger, Alfred; Grasshoff, Bernd. Bern, 2006. . In: Historische Zeitschrift (2007), Nr. 10, S. 1-2

251

14.5.4

MONA – Mobile Navigation mit o¨ ffentlichen Verkehrsmitteln

Projektleitung: Dr.-Ing. Bernd Ludwig Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz Beteiligte: Schwab, Tobias Schmidt, Christian Beginn: 1.10.2006 Kontakt: Dr.-Ing. Bernd Ludwig Tel.: +49 9131/85 28987 Fax: +49 9131/85 29905 E-Mail: [email protected] MONA unterst¨utzt Fahrg¨aste bei der Verwendung von o¨ ffentlichen Verkehrsmitteln: MONA ermittelt die bestm¨ogliche Verkehrsverbindung und begleitet Fahrg¨aste ihn bei der kompletten Fahrt. MONA zeigt Fußg¨angern den Weg zu Haltestellen und stellt Informationen u¨ ber die zu benutzenden Verkehrsmittel und Umsteigevorg¨ange. Dabei sollen dem Fahrgast m¨oglichst viele Aufgaben abgenommen werden. Er oder sie muss lediglich den gew¨unschten Zielpunkt ausw¨ahlen und wird danach automatisch zur am besten geeigneten Starthaltestelle gef¨uhrt. Die Anwendung u¨ bernimmt dabei sowohl die Bestimmung der aktuellen Position als auch die Bewertung und Sortierung der m¨oglichen Verbindungen. Außerdem reagiert sie automatisch auf Versp¨atungen und ermittelt wenn n¨otig eine alternative Verbindung.

14.6

Studien- und Abschlussarbeiten

–

Diplomarbeit: Fehlerdiagnose in Worthypothesengraphen. Bearbeiter: Martin Hacker (beendet am 01.01.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Bernd Ludwig

–

Diplomarbeit: Eine multimediale Benutzerschnittstelle f¨ur das Modul Schaltanlagenbearbeitung der Web-Applikation DESY-WEB. Bearbeiter: Stefan Baricak (beendet am 7.1.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz; Dipl.-Ing. Bernhard Schiemann

–

Diplomarbeit: Selbstbeschreibende Java-Programme durch Annotation und Reflexion. Bearbeiter: Seutter Tobias (beendet am 25.02.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Peter Reiß, M.A.; Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz

252

–

Diplomarbeit: Strategische Entscheidungen bei der Mensch-MaschineInteraktion. Bearbeiter: Bj¨orn Zenker (beendet am 15.05.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Bernd Ludwig; Prof. i. R. Dr. Herbert Stoyan

–

Diplomarbeit: Ein Assistent f¨ur das Umschalten zwischen Sendungen mit a¨ hnlicher Thematik. Bearbeiter: Jan Schrader (beendet am 25.05.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Bernd Ludwig; Dr.-Ing. Stefan Mandl

–

Diplomarbeit: Agenten und OWL DL: Revision Memory System for ABox Changes im JADEOWLCodec. Bearbeiter: Mark Fichtner (beendet am 16.7.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Bernhard Schiemann; Prof. Dr.-Ing. G¨unther G¨orz

–

¨ Studienarbeit: Nutzeradaptive Routenplanung f¨ur den OPNV. Bearbeiter: Richard Schaller (beendet am 01.09.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Bernd Ludwig

253

¨ Informatik (Kunstliche ¨ Professur fur Intelligenz)

Allgemeine Angaben sowie Details zu Forschungsprojekten und -schwerpunkten finden sich unter den Eintragungen des Lehrstuhls 8 (K¨unstliche Intelligenz).

15.1

Forschungsschwerpunkte

Maschinelle Verarbeitung nat¨urlicher Sprache, insbesondere Dialogsysteme — Angewandte Logik: Wissensrepr¨asentation und -verarbeitung mit Anwendungen auf Digitale Medien — KI-Programmierung, verteilte und parallele Systeme

254

¨ Informatik 9 (Graphische DatenverarLehrstuhl fur beitung) Anschrift: Am Wolfsmantel 33, 91058 Erlangen-Tennenlohe Tel.: 09131/85-29919 Fax: 09131/85-29931 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Professoren: Prof. Dr. G¨unther Greiner Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger Sekretariat: Maria Baroti Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inf. Frank Bauer Dipl.-Inf. Sebastian Buntin Dipl.-Inf. Christian Eisenacher Dipl.-Inf. Manfred Ernst Dipl.-Inf. Frank Firsching Dipl.-Math. Matthias Franz Dr. rer. nat. Roberto Grosso Dipl.-Inf. Franz Lankes Dipl.-Inf. Michael Martinek Dipl.-Inf. Quirin Meyer Dipl.-Inf. Michael Schwarz Dipl.-Inf. Sebastian Seifert Dipl.-Inf. Jochen S¨ußmuth MSc. Matthias Teßmann Dipl.-Inf. Marco Winter Die graphische Datenverarbeitung – und damit der Lehrstuhl – besch¨aftigt sich mit der Herstellung und Manipulation synthetischer Bilder, virtueller Welten und Computeranimationen mit Hilfe von Rechnern. Hierzu geh¨oren insbesondere Verfahren zur Erstellung eines geeigneten rechnerinternen Szenenmodells (Modellierung), Verfahren zur graphischen Darstellung dieses Modells (Bildsynthese, Rendering) sowie die graphische Aufbereitung komplexer Datenmengen mit dem Ziel, den repr¨asentierten Inhalt interpretierbar darzustellen (wissenschaftliche Visualisierung).

255

16.1

Forschungsschwerpunkte

Das Forschungsthema der GDV gliedert sich in drei Hauptbereiche: Geometrische Modellierung • Fl¨achenrekonstruktion • Qualit¨atskontrolle • Subdivision Verfahren • 3D-Gitterverwaltung • Registrierung • Hierarchische Verfahren, Variationsans¨atze Bildsynthese • Bildbasierte Verfahren, Lichtfelder • Punktbasiertes Rendering • Bildsynthese in Virtual-Reality-Anwendungen • Globale Beleuchtungs- und Schattenberechnung • Ray Tracing • Verteiltes und paralleles Rendering Visualisierung • Medizinische Visualisierung • Registrierung und Segmentierung medizinischer Tomographiedaten • Integration von Simulation und Visualisierung • Interaktive Visualisierung von 3D-Daten • Str¨omungsvisualisierung • Virtual Reality Diese drei Forschungsgebiete stehen nicht unabh¨angig nebeneinander sondern sind jeweils auf Ergebnisse der anderen angewiesen. 256

16.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung

• PC-Cluster (4 Dual Xeon Rechner) • SGI Onyx2 (Infinite Reality 2 Graphik, 2 Mips R10000 CPUs) • Stereoskopisches R¨uckprojektionssystem incl. Tracking

16.3

Kooperationsbeziehungen

Es existieren Kooperationsbeziehungen zu den folgenden Firmen: • BMW Group Forschung und Technik • EADS Deutschland GmbH, M¨unchen • Fraunhofer IIS, Erlangen • Fraunhofer IZFP, F¨urth • Institut f¨ur Vegetationskunde und Landschafts¨okologie (IVL) • Rupp + Hubrach KG, Bamberg • Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen • Siemens AG, CO ME, Erlangen • Siemens Audiologische Technik GmbH, Erlangen • Thermosensorik GmbH, Erlangen

16.4

Wissenschaftliche Tagungen

• [Vision, Modeling, erlangen.de/

and

Visualization

257

2005]http://www.vmv2005.uni-

16.5

Forschungsprojekte

16.5.1

Beschleunigung von Registrierungsverfahren mittels Graphikhard

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger PD Dr. Peter Hastreiter Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: MSc. Matthias Teßmann Beginn: 1.9.2007 Mitwirkende Institutionen: Neurozentrum des Kopfklinikums der Universit¨at Erlangen-N¨urnberg Kontakt: MSc. Matthias Teßmann Tel.: 85-29923 Fax: 85-29931 E-Mail: [email protected] Registrierung von multimodalen Bilddaten ist ein zentraler Bestandteil der Visualisierung und Analyse von Tomographiedaten in der Medizin. Speziell der Bereich der nicht-rigiden Registrierungsverfahren ist, bedingt durch die komplexit¨at der Modellierung und der großen Anzahl von Freiheitsgraden im Transformationsmodell, immens rechen- und zeitaufw¨andig. In diesem Projekt sollen Verfahren entwickelt und untersucht werden, die es erm¨oglichen durch das Ausnutzen der F¨ahigkeiten moderner Grafikkarten den Registrierungsprozess zu beschleunigen. Dazu sollen die M¨oglichkeiten der Abbildung der einzelnen Teilschritte der Registrierung, Transfor¨ mation, Ahnlichkeitsmaß und Optimierungsverfahren, auf die Grafikkarte, sowie deren Effizienz analysiert werden. Publikationen –

Teßmann, Matthias ; Eisenacher, Christian ; Enders, Frank ; Stamminger, Marc ; Hastreiter, Peter: GPU Accelerated Normalized Mutual Information and B-Spline Transformation . In: Botha, C.P. ; Kindlmann, G. ; Niessen, W.J. ; Preim, B. (Hrsg.) : Proceedings of the Eurographics Workshop on Visual Computing for Biomedicine (EG VCBM) 2008 (Eurographics Workshop on Visual Computing for Biomedicine (EG VCBM) 2008 Delft, The Netherlands). Germany : The Eurographics Association, 2008, S. 117-124. – ISBN 978-3-905674-13-2

258

16.5.2

¨ Computergestutzte Diagnose koronarer Herzkrankheiten

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: MSc. Matthias Teßmann Vega-Higuera, Fernando Fritz, Dominik Scheuering, Michael Beginn: 1.9.2006 F¨orderer: Siemens AG, Sector Healthcare, Computed Tomography Kontakt: MSc. Matthias Teßmann Tel.: 85-29923 Fax: 85-29931 E-Mail: [email protected] Die Analyse und Auswertung von Kardio-CT Angiographiedaten zur Diagnose koronarer Herzkrankheiten ist eine meist zeitaufw¨andige und schwierige Aufgabe, die ein hohes Maß an klinischer Erfahrung ben¨otigt. Zum Zweck der unterst¨utzung von klinischem Personal und der Reduzierung von Diagnosezeiten sowie der steigerung der Diagnoseverl¨asslichkeit sollen in diesem Projekt Verfahren zur automatischen Erkennung, Analyse und Auswertung von L¨asionen aus Koronar-CT Daten entwickelt werden. Dazu werden u.a. Verfahren und Methoden aus den Bereichen der Mustererkennung, Bildverarbeitung, Visualisierung und Modellierung herangezogen (z.B. L¨asionserkennung durch Mustererkennung, Visualisierung durch Gef¨aßmodellgenerierung). Schliesslich erfolgt eine klinische Auswertung der entwickelten Methoden. Publikationen –

Teßmann, Matthias ; Higuera, Fernando-Vega ; Fritz, Dominik ; Scheuering, Michael ; Greiner, G¨unther: Multi-Scale Feature Extraction for Learning-Based Classification of Coronary Artery Stenosis . In: SPIE.org (Hrsg.) : Proceedings of SPIE Medical Imaging 2009 (SPIE Medical Imaging Lake Buena Vista, Orlando Area, Florida). Bd. 7260. 2009, S. in press.

–

Teßmann, Matthias ; Vega-Higuera, Fernando ; Fritz, Dominik ; Scheuering, Michael ; Greiner, G¨unther: Learning-Based Detection of Stenotic Lesions in Coronary CT Data . In: Deussen, Oliver ; Keim, Daniel ; Saupe, Dietmar (Hrsg.) : Pro259

ceedings of Vision, Modeling, and Visualization 2008 (Vision, Modeling, and Visualization 2008 Konstanz). Amsterdam : Akademische Verlagsgesellschaft AKA GmbH, 2008, S. 189-198. – ISBN 978-3-89838-609-8 16.5.3

CROSSMOD – Cross-Modale Wahrnehmungsbasierte Interaktion und Darstellung

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Schwarz Laufzeit: 1.12.2005–30.11.2008 F¨orderer: Europ¨aische Kommission Mitwirkende Institutionen: INRIA – Institut National de Recherche en Informatique et Automatique, University of Bristol French National Center for Scientific Research, Paris Vienna University of Technology, Wien Institut de Recherche et de Coordination Acoustique/Musique, Paris Consiglio Nazionale delle Ricerche, Pisa Virtuelle Umgebungen spielen in unserer Gesellschaft eine zunehmende Rolle. Zur Zeit werden vor allem zwei menschliche Sinne in virtuellen Umgebungen angesprochen: Sehen und H¨oren, wobei die M¨oglichkeiten des letzteren bei weitem nicht ausgesch¨opft werden. Gegenstand des Projektes CROSSMOD werden cross-modale Effekte studiert, das sind Effekte die durch die gegenseitige Beeinflussung des H¨orens und des Sehens hervorgerufen werden. Im Rahmen von CROSSMOD werden diese Effekte untersucht und es werden neue Darstellungsverfahren entwickelt, die solche cross-modalen Effekte ausn¨utzen, um die Darstellung der perzeptuell relevanten Effekte zu optimieren. Der Ansatz wird angewendet auf drei Zielapplikationen: Computerspiele, Design/Architektur und klinische Psychatrie. Publikationen –

Schwarz, Michael ; Stamminger, Marc: Microquad soft shadow mapping revisited . In: Eurographics Association (Veranst.) : Eurographics 2008 Annex to the Conference Proceedings: Short Papers (Eurographics 2008 Hersonissos 14.04.18.04.2008). 2008, S. 295-298.

260

–

Schwarz, Michael ; Stamminger, Marc: Quality scalability of soft shadow mapping . In: Bartram, Lyn ; Shaw, Chris (Hrsg.) : Proceedings of Graphics Interface 2008 (Graphics Interface 2008 Windsor 28.5.-30.5.2008). 2008, S. 147-154.

–

Drettakis, George ; Bonneel, Nicolas ; Dachsbacher, Carsten ; Lefebvre, Sylvain ; Schwarz, Michael ; Viaud-Delmon, Isabelle: An interactive perceptual rendering pipeline using contrast and spatial masking . In: Kautz, Jan ; Pattanaik, Sumanta (Hrsg.) : Rendering Techniques 2007 (Eurographics Symposium on Rendering 2007 Grenoble 25.-27.06.2007). 2007, S. 297-308. – ISBN 978-3-905673-52-4

–

Schwarz, Michael ; Stamminger, Marc: Bitmask soft shadows . In: Computer Graphics Forum 26 (2007), Nr. 3, S. 515-524

–

Schwarz, Michael ; Staginski, Marco ; Stamminger, Marc: GPU-based rendering of PN triangle meshes with adaptive tessellation . In: Kobbelt, Leif ; Kuhlen, Torsten ; Aach, Til ; Westermann, R¨udiger (Hrsg.) : Proceedings of Vision, Modeling, and Visualization 2006 (Vision, Modeling, and Visualization 2006 Aachen 22.24.11.2006). Berlin : Akademische Verlagsgesellschaft Aka GmbH, 2006, S. 161168. – ISBN 3-89838-081-5

16.5.4

Darstellungsverfahren zur Analyse von Toleranzauswirkungen auf gefertigte Bauteile

Projektleitung: Dipl.-Inf. Stefan Wittmann Beteiligte: Dipl.-Inf. Marco Winter Laufzeit: 1.6.2007–31.12.2009 Mitwirkende Institutionen: Lehrstuhl f¨ur Konstruktionstechnik (KTmfk) Lehrstuhl f¨ur Graphische Datenverarbeitung (LGDV) Kontakt: Dipl.-Inf. Stefan Wittmann Tel.: 09131/85-23218 Fax: 09131/85-23223 E-Mail: [email protected] Die geometrische Form gefertigter Bauteile ist stets Schwankungen unterworfen. Zur Bewertung der Auswirkungen dieser Abweichungen von der Idealgestalt bedient man sich im Bereich des Maschinenbaus der sog. Toleranzanalyse. Kommerziell verf¨ugbare Programme bieten die M¨oglichkeit, diese Analyse statistisch durchzuf¨uhren, 261

allerdings sind die Ergebnisse stark abstrahiert, und eine intuitive Interpretation derselben ist oftmals nicht m¨oglich. Dies erschwert die Arbeit des Produktentwicklers, die Toleranzen entsprechend zu ver¨andern, um den funktionalen und a¨ sthetischen Problemen entgegenzuwirken, erheblich. In diesem Projekt werden Verfahren entwickelt, um die Auswirkungen gegebener Maß, Form- und Lagetoleranzen auf das fertige Produkt zu visualisieren, und damit eine intuitive Interpretation f¨ur die Produktentwicklung bereitzustellen. Dazu werden u.a. Methoden aus dem Bereich der geometrischen Modellierung und Visualisierung herangezogen. Die visuelle Analyse der Toleranzwerte erstreckt sich dabei sowohl auf Kennwerte von einzelnen Bauteilen (z.B. Oberfl¨achenkr¨ummung, Schwankungsbereich) als auch auf Baugruppen (z.B. Spaltgr¨oßen, Kollisionsbereiche, Montierbarkeit). Publikationen –

Penzkofer, Florian ; Wittmann, Stefan ; Winter, Marco: Visual analysis methods for non-ideal assemblies . In: The Design Society (Hrsg.) : Proceedings of the 10th International Design Conference (DESIGN 2008 Dubrovnic, Kroatien 19.05.0822.05.08). Bd. 1. Glasgow : The Design Society, 2008, S. 657-664.

16.5.5

Entwicklung von Bildverarbeitungsalgorithmik auf Graphikkar¨ ten zur Erschließung neuer Anwendungen fur Hochleistungs¨ Infrarotkamerasysteme in der zerst¨orungsfreien Prufung

Beteiligte: Dr. Michael Bassler Laufzeit: 1.11.2008–1.11.2011 F¨orderer: Thermosensorik GmbH Mitwirkende Institutionen: Thermosensorik GmbH Kontakt: Tel.: 09131/85-29928 Fax: 09131/85-29931 E-Mail: [email protected] Eine Reihe von Verfahren in der industriellen zerst¨orungsfreien Pr¨ufung basieren auf bildgebender W¨armeflussanalyse unter der Verwendung von HochleistungsInfrarotkamerasystemen. Gegenw¨artig erfolgt die Verarbeitung der Daten vorwiegend 262

im Prozessor konventioneller PCs und die Komplexit¨at der angewendeten Verfahren ist limitiert durch die Leistung des Prozessors. Gegenstand dieses Projektes wird es sein die Rechenleistung konventioneller Graphikkarten f¨ur Anwendungen der W¨armeflussanalyse zu erschließen. Dazu muss graphikkartenbasierende Algorithmik entwickelt werden, die es erlaubt Infrarot-Bildserien in den Dimensionen Raum und Zeit zu prozessieren. Als Beispiele seien hier genannt die eindimensionale W¨armeleitgleichung, zeitliche und r¨aumlichen Fast-Fourier-Transformation sowie verschieden Gl¨att- und Filtermethoden. (Stichwort finite Differenzen, wo geh¨ort das hinein). Ziel des Projektes ist es ein Demonstrationssystem aufzubauen, das beginnend von der Datenerfassung u¨ ber die Datenverarbeitung bis zur Visualisierung der Ergebnisse die vollst¨andige Prozesskette anhand eines konkreten Beispiels aus der industriellen Anwendung abbildet. M¨ogliche Anwendungen f¨ur den Demonstrator sind die Schichtdickenmessungen an dreidimensionalen Geometrien auf der Basis von W¨armeflussanalyse oder die Defektkartierung und -charakterisierung an elekronischen Bauelementen basierend auf der Echtzeit-Lock-In-Thermographie. 16.5.6

Fotorealistisches Raytracing von CAD Daten

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: Dipl.-Inf. Manfred Ernst Beginn: 1.10.2003 Kontakt: Dipl.-Inf. Manfred Ernst Tel.: 09131 97376810 Fax: 09131 97376899 E-Mail: [email protected] Ziel des Projekts ist die Entwicklung von neuen Methoden f¨ur die fotorealistische Darstellung von komplexen CAD Daten. Von der Datenaufbereitung bis zur Berechnung der Bilder werden alle Schritte des Prozesses untersucht. Das Rendering mit Raytracing basierten Verfahren bildet einen besonderen Schwerpunkt des Forschungsprojekts. Im Mittelpunkt steht dabei nicht die Interaktivit¨at, sondern eine perfekt fotoralistische Darstellung mit m¨oglichst wenig Aufwand f¨ur den Anwender. Hierf¨ur m¨ussen stabile und schnelle Verfahren f¨ur folgende Aufgaben entwickelt werden: Sampling, Material- und Beleuchtungssimulation sowie Aufbau und Traversierung von Beschleunigungsstrukturen f¨ur das Raytracing. Untersucht werden haupts¨achlich CPU basierte Verfahren auf modernen Multi-Core Architekturen und PC-Clustern. GPU basierte Implementierungen werden ebenfalls analysiert und verglichen. 263

Publikationen –

Ernst, Manfred ; Firsching, Frank ; Grosso, Roberto: Entkerner: A system for Removal of Globally Invisible Triangles from . In: Sandia National Laboratories (Hrsg.) : Proceedings 13th International Meshing Roundtable (13th International Meshing Roundtable Williamsburg, Virginia, USA 19.09.2004 – 22.09.2004). 2004, S. 449-457.

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Ernst, Manfred ; Vogelgsang, Christian ; Greiner, G¨unther: Stack Implementation on Programmable Graphics Hardware . In: Girod, Bernd ; Magnor, Marcus ; Seidel, Hans-Peter (Hrsg.) : Vision Modeling and Visualization 2004 (Vision Modeling and Visualization 2004 Stanford, California, USA 16.11.2004 – 18.11.2004). Berlin : Akademische Verlagsgesellschaft Aka, 2004, S. 255-262. – ISBN 3-89838058-0

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Beister, Marcel ; Ernst, Manfred ; Stamminger, Marc: A Hybrid GPU-CPU Renderer . In: Greiner, G¨unther ; Hornegger, Joachim ; Niemann, Heinrich ; Stamminger, Marc (Hrsg.) : Vision, Modeling, and Visualization 2005 (Vision, Modeling, and Visualization 2005 Erlangen, Deutschland 16.11.2005 – 18.11.2005). Berlin : Akademische Verlagsgesellschaft Aka GmbH, 2005, S. 415-420. – ISBN 389838-068-8

–

Ernst, Manfred ; Stamminger, Marc ; Greiner, G¨unther: Filter Importance Sampling . In: Wald, Ingo ; Parker, Steven G. (Hrsg.) : Proceedings IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing 2006 (IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing 2006 Salt Lake City, Utah, USA 18.09.2006 – 20.09.2006). Salt Lake City, Utah, USA : IEEE, 2006, S. 125-132. – ISBN 1-4244-0693-5

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Ernst, Manfred ; Greiner, G¨unther: Precomputed Importance Sampling . In: SIGGRAPH (Veranst.) : SIGGRAPH 2008 Poster (SIGGRAPH 2008 Los Angeles, CA, USA 11.08.2008 – 15.08.2008). 2008, S. to appear.

–

Ernst, Manfred ; Greiner, G¨unther: Early Split Clipping for Bounding Volume Hierarchies . In: Keller, Alexander ; Christensen, Per (Hrsg.) : Proceedings Eurographics/IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing 2007 (Eurographics/IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing 2007 Ulm, Germany 10.09.2007 – 12.09.2007). Ulm, Germany : IEEE, 2007, S. 73-78. – ISBN 9781-4244-1629-5

16.5.7

Globale Beleuchtung mit Antiradiance

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger 264

Beteiligte: Dr.-Ing. Carsten Dachsbacher Dipl.-Inf. Quirin Meyer Dipl.-Inf. Christian Eisenacher Beginn: 1.1.2006 Finite-elemente-Verfahren zur globalen Beleuchtung ben¨otigen in der Regel enorme Rechenzeiten. Ein Großteil geht dabei in die Bestimmung der Sichtbarkeit zwischen Teilfl¨achen. Beim Verfahren der Antiradiance wird die Sichtbarkeitsbestimmung auf eine einfache Art eliminiert: Verdeckung wird ignoriert, anstelle dessen erzeugen Fl¨achen negatives Licht (Antiradiance), das Ihren Schatten erzeugt. Die L¨osung des globalen Beleuchtungsproblems wird dabei deutlich vereinfacht, allerdings auf Kosten eines erh¨ohten Speicherbedarfs und zus¨atzlicher Diskretisierungsartefakte. Ziel des Projektes ist die Erforschung dieses Ansatzes, ein vertieftes Verst¨andnis der neu entstehenden Diskretisierungsprobleme, und eine effiziente Implementierung auf moderner paralleler Hardware. Publikationen –

Dachsbacher, Carsten ; Stamminger, Marc ; Drettakis, George ; Durand, Fredo: Implicit Visibility and Antiradiance for Interactive Global Illumination . In: ACM (Veranst.) : Transactions on Graphics (Proc. Siggraph 2007) (Siggraph 2007 San Diego). 2007, S. 61-1-61-10.

–

Meyer, Quirin ; Eisenacher, Christian ; Stamminger, Marc ; Dachsbacher, Carsten: Data-Parallel Hierarchical Link Creation for Radiosity . In: Weiskopf, Daniel ; Comba, Joao (Hrsg.) : Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization (EGPGV09) (Symposium on Parallel Graphics and Visualization (EGPGV09) M¨unchen 29.03.2009). 2009, S. ??-??.

16.5.8

GPU-beschleunigte parallele MR Rekonstruktion

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: Dipl.-Inf. Frank Enders Dipl.-Inf. Quirin Meyer Prof. Dr. G¨unther Greiner Michael Peyerl Dr. Swen Campagna 265

Gerlad Mattauch Beginn: 1.7.2007 Mitwirkende Institutionen: Siemens Medical Solutions Kontakt: Dipl.-Inf. Quirin Meyer Tel.: 09131/85-29923 Fax: 09131/85-29931 E-Mail: [email protected] CUDA ist eine neue Schnittstelle von Nvidia, die speziell auf die Bed¨urfnisse des ”General Purpose Computing on Graphics Processing Units” (GPGPU) zugeschnitten ist. Damit folgt Nvidia dem Trend, aufwendige Berechnungen abseits der reinen Graphikalgorithmen auf die GPU zu portieren und so von der enormen Rechenleistung heutiger Graphikhardware zu profitieren. Einer der vielen Bereiche, der besonders von dieser Entwicklung profitiert, ist die medizinische Bildverarbeitung. F¨ur die Rekonstruktion von Aufnahmen mit Magnetresonanztomographen (MRT) bieten sich GPUs an: Moderne MR-Scanner bedienen sich sogenannter paralleler Aufnahmetechniken (Parallel Magentic Resonance Imaging – pMRI), die Scanzeiten verk¨urzen. Diese Aufnahmeverfahren ben¨otigen allerdings spezielle, numerisch-intensive Algorithmen. In einer Kooperation mit Siemens Medical Solutions, Erlangen sollen Teilaspekte des sogenannten GRAPPA-Algorithmus (Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) mittels Nvidias Compute Unified Device Architecture (CUDA) implementiert werden. 16.5.9

¨ ¨ interaktives Raytracing Hardwareunterstutzte Bildrekonstruktion fur

Projektleitung: Dipl.-Inf. Christian Eisenacher Beteiligte: Henry Sch¨afer Beginn: 1.7.2008 F¨orderer: DAAD Ray Tracing ist ein flexibler aber teurer Algorithmus f¨ur die rechnergest¨utzte Bildgenerierung. Wir verwenden einen einfaches aber effektives Caching System mit Hilfe der Grafikkarte zur Beschleunigung von Ray Tracing basierten Verfahren. Zudem kombinieren wir dieses System mit einem einfach zu implementierenden aber wirkungsvollen adaptivem Sampling Algorithmus so das wir den Aufwand um ein bis 266

zwei Gr¨ossenordnungen pro Bild reduzieren k¨onnen. 16.5.10

Interaktive Bildbasierte Rekonstruktion

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger Beteiligte: Dipl.-Inf. Frank Bauer Dipl.-Inf. Titus Miloi Beginn: 1.7.2006 Das Erzeugen von 3D-Modellen f¨ur die Computergrafik ist oftmals ein aufwendiger Vorgang. Insbesondere, wenn eine reale Szene wie existierende R¨aume, Geb¨aude, Straßenz¨uge oder ganze St¨adte nachmodelliert werden m¨ussen. Um die Gr¨oßenverh¨altnisse der Modelle korrekt nachzuahmen, ist es in der Regel notwendig Konstruktionszeichnungen zu organisiert, oder die Umgebung selbst zu vermessen. Nach dem Erstellen des 3D-Modells m¨ussen noch Texturen erzeugt und aufgetragen werden. Dazu bieten sich unter anderem Synthetische Texturen an, oder reale Fotografien. Auch die Erfassung und das zuordnen dieser Texturen ist unter Umst¨anden zeit und personalaufwendig. Computersysteme wie Facade (Debevec 1996) vereinfachen die Rekonstruktion einfacher Szene erheblich durch den Einsatz von bildbasierten Algorithmen. Dazu werden in Bilder Kanten identifiziert und mit einem vorgegebenen Modell in Korrelation gebracht. Aus den so durch den Benutzer zugef¨uhrten Informationen kann sowohl die Szene rekonstruiert, als auch die Textur aufgebracht werden. Bisherige Verfahren er¨ weisen sich dabei f¨ur komplexere Szenarien als sehr unrobust. Kleinste Anderungen f¨uhren zu unsinnigen L¨osungen, Ergbebnisse k¨onnen nur durch viel Probieren und eine Voreinstellung von Parametern nahe der L¨osung erzielt werden. Ziel unserer Forschung ist es daher, den Benutzer schrittweise eine L¨osung zu erarbeiten. Vorgaben, die nicht zum gew¨unschten Ergebnis f¨uhren sollen leicht r¨uckg¨angig gemacht oder angepasst werden k¨onnen, ohne eine vorherige L¨osung zunichte zu machen. Der Prozess soll interaktiv vonstatten gehen, sodass der Benutzer sofortige R¨uckmeldung bekommt. Ferner wollen wir die Beschr¨ankung existierender Anwendungen auf feste Kameramodelle oder deren Abh¨angigkeit von Kanten aufl¨osen. Dabei soll ein allgemeineren Ansatz verfolgt werden, der es erlaubt beliebige Geometrien (z.B. Kugeln, B¨ogen) in einer Szene zu platzieren, oder Aufnahmen aus omidirektionalen Kameras zu verwerten. Eine Rekonstruktion mit derlei hohem Freiheitsgrad erfordert robuste nicht-lineare Optimierungsverfahren, die nicht negativ durch Rotationen oder a¨ hnliches beeinflusst werden. 267

Publikationen –

Bauer, Frank ; Meister, Martin ; Stamminger, Marc: Reconstructing Indoor Scenes with Omni-Cameras . In: Skala, Vaclav (Hrsg.) : to appear in Proc. WSCG (WSCG’2009 Plzen, Czech Republic 02.-05.02.2009). Plzen : UNION Agency – Science Press, 2009, S. XX-XX.

16.5.11

Interaktives Rendern von Parametrischen Fl¨achen

Projektleitung: Dipl.-Inf. Christian Eisenacher Beteiligte: Dipl.-Inf. Quirin Meyer Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger Loop, Charles Beginn: 20.7.2008 Mitwirkende Institutionen: Microsoft Research Kontakt: Dipl.-Inf. Christian Eisenacher Tel.: 85-29922 Fax: 09131/85-29931 E-Mail: [email protected] Parametrische Fl¨achen, e.g. Bezier Fl¨achen, haben ein solides mathematisches Fundament und werden in vielen Bereichen verwendet. Das beste Verfahren zum Anzeigen selbiger, insbesondere in Echtzeit Anwendungen, ist jedoch nicht so offensichtlich. Direktes Raytracing hat mit numerischen Instabilit¨aten, vor allem an Silhouetten zu k¨ampfen. Daher tesselieren fast alle Anwendungen die parametrische Oberfl¨ache in Dreiecksnetze, womit im Allgemeinen ein Kompromiss aus Qualit¨at und Geschwindigkeit/Platz eingegangen wird. Eine interessante Variante ist der REYES Algorithmus, bei dem die parametrische Oberfl¨ache f¨ur jedes Bild erneut und Blickpunktabh¨angig tesseliert wird, so dass jedes Dreieck ungef¨ahr die Fl¨ache eines Pixels auf dem Bildschirm einnimmt. Dies tastet die Geometrie nahezu perfekt ab, ist jedoch sehr rechenintensiv. Ziel dieses Projektes ist es, einen REYES a¨ hnlichen Algorithmus f¨ur moderne GPUs zu entwickeln, um die qualitativen Vorteile auch in Echtzeitanwendungen zu erm¨oglichen.

268

Publikationen –

Eisenacher, Christian ; Meyer, Quirin ; Loop, Charles: Real-Time ViewDependent Rendering of Parametric Surfaces . In: Aliaga, Daniel ; Oliveira, Manuel (Hrsg.) : Proceedings of ACM SIGGRAPH Symposium on Interactive 3D Graphics and Games (I3D) 2009. New York : ACM Press, 2009, S. 137-143.

16.5.12

Methoden zur Analyse und Charakterisierung von 3D Geometrien

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Martinek Dr. rer. nat. Roberto Grosso Beginn: 1.3.2008 Kontakt: Dipl.-Inf. Michael Martinek Tel.: 09131/85-29925 Fax: 09131/85-29931 E-Mail: [email protected] Die Methoden die im Rahmen dieses Projektes entwickelt werden sollen fallen unter den bekannten Begriff ”Shape Analysis”. Die Schwerpunkte liegen dabei vor ¨ allem bei der Entwicklung von Ahnlichkeitsmaßen f¨ur 3D Objekte. Die F¨ahigkeit, ein Abstandsmaß auf solchen Objekten zu definieren ist insbesondere f¨ur die Verwaltung großer 3D Datenbanken von Bedeutung. Weitere Aspekte, die in diesem Bereich eine wichtige Rolle spielen sind die Erkennung von Symmetrien und die Bestimmung der optimalen Ausrichtung von 3D Objekten. Publikationen –

Martinek, Michael ; Grosso, Roberto: A GPU-Based Rotation Variant Similarity Function . Erlangen : Friedrich-Alexander Universitaet. 2009 (002). – Interner Bericht. 6 Seiten

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Martinek, Michael ; Grosso, Roberto: A Robust and Efficient Method to Measure the Similarity of 3D Objects . In: Spagnuolo, Michela ; Pratikakis, Ioannis (Veranst.) : Eurographics Workshop on 3D Object Retrieval (Eurographics Workshop on 3D Object Retrieval M¨unchen 29.3.2009). 2009, S. XX-XX.

269

–

Martinek, Michael ; Grosso, Roberto: Optimal Rotation Alignment of 3D Objects using a GPU-based Similarity Function . In: Computers & Graphics X (2009), Nr. X

16.5.13

Model-basierte Rekonstruktion von Pflanzen basierend auf Lichtschnittdaten

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: Franz Uhrmann Florian Becher Laufzeit: 1.4.2008–31.3.2010 Mitwirkende Institutionen: Fraunhofer IIS Kontakt: Prof. Dr. G¨unther Greiner Tel.: 85-29919 Fax: 85-29931 E-Mail: [email protected] F¨ur den Zuchterfolg von Nutzpflanzen ist die Beobachtung des Pflanzenwachstums bereits in den fr¨uhen Wachstumsphasen wichtig, um eine optimale Entwicklung zu gew¨ahrleisten. Ein Pr¨ufsystem f¨ur den Feldeinsatz soll eine ber¨uhrungslose, hochaufl¨osende Erfassung der Pflanzenoberfl¨ache erm¨oglichen. Aus den Messdaten k¨onnen einfache Parameter der Pflanzenmorphologie wie beispielsweise Blattanzahl und -fl¨ache direkt berechnet werden. Im Rahmen dieses Projekts wird ein geometrisches Modell f¨ur Pflanzen in fr¨uhen Entwicklungsstadien erstellt. Bei dessen Entwurf auf die Wahl von m¨oglichst intuitiven Kenngr¨oßen (Parametern) geachtet wird, so dass eine konkrete Parametrisierung direkt Aufschluss u¨ ber den Wachstumszustand der entsprechenden Pflanze erm¨oglicht. Die Anpassung der Modellparameter an eine mittels Lichtschnittverfahren gemessene Pflanzenauspr¨agung erfolgt vollautomatisch. Notwendig hierf¨ur sind Verfahren zur Segmentierung von Einzelbl¨attern aus den 3D-Messpunkten sowie die Registrierung der Modelldaten gegen die vermessenen Daten. 16.5.14

Optimierung optischer Mess- und Aufnahmesysteme

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger 270

Beteiligte: Dipl.-Inf. Sebastian Seifert Beginn: 15.4.2007 Mitwirkende Institutionen: Fraunhofer Institut f¨ur Integrierte Schaltungen Kontakt: Dipl.-Inf. Sebastian Seifert Tel.: +49 9131 85-29922 Fax: +49 9131 85-29931 E-Mail: [email protected] Beim Entwurf komplexer optischer Mess- und Bildaufnahmesysteme ergeben sich im Rahmen eines zu l¨osenden Problems eine Vielzahl m¨oglicher Entwurfsentscheidungen. Steht die Art der zu erfassenden Objekte a priori fest, ist ein dem konkreten Objekttyp optimal angepasstes System w¨unschenswert. Ziel des Projektes ist die Beschleunigung und Unterst¨utzung des Entwurfsprozesses einerseits durch die Entwicklung von Software zur nicht-rigorosen, aber schnellen Simulation der mit bestimmten Systemen zu erzielenden Ergebnisse (auf Grafikhardware); andererseits durch die Optimierung festgeleger Variablen des Meßsystems anhand problemspezifischer G¨utebewertungen dieser Ergebnisse. Im Falle mehrerer solcher Kriterien bietet sich durch Einsatz multikriterieller Verfahren eine Exploration des Entwurfsraums an. 16.5.15

Rekonstruktion von 3D-Daten aus Echtzeit 3D-Scannern

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: Dipl.-Inf. Marco Winter Dipl.-Inf. Jochen S¨ußmuth Laufzeit: 1.1.2008–31.12.2009 Moderne 3D Oberfl¨achenscanner erm¨oglichen die Aufnahme von r¨aumlichen Punktdaten aus dreidimensionalen Szenen mit interaktiven Bildraten. Diese neuen Technologien er¨offnen zwei interessante Anwendungsgebiete: Dies ist zum einen die Aufnahme von zeitver¨anderlicher Geometrie, beispielsweise bei der Digitalisierung von Mimik f¨ur Filmproduktionen. Andererseits k¨onnen mit dieser Technik Teilaufnahmen großer Szenen digitalisiert und anschließend zusammengef¨ugt werden. Beide Anwendungsgebiete stellen dabei unterschiedliche Anforderungen an die Algorithmen zur nachfolgenden Verarbeitung der Daten: F¨ur die Rekonstruktion großer statischer Szenen sind insbesondere inkrementelle, echtzeitf¨ahige Verfahren, die dem 271

Anwender eine interaktive Kontrolle und Korrektur des Rekonstruktionsprozesses erm¨oglichen, sinnvoll. Das Ziel bei der Aufnahme dynamischer Daten ist dagegen die Berechnung eines zeitver¨anderlichen 3D Modells, welches die Deformation des aufgenommenen Objekts widergibt. Im Rahmen dieses Projektes sollen neue Verfahren f¨ur die Rekonstruktion von Geometrie aus solchen 3D Punktedaten erforscht und entwickelt werden. Publikationen –

S¨ußmuth, Jochen ; Winter, Marco ; Greiner, G¨unther: Reconstructing Animated Meshes from Time-Varying Point Clouds . In: Computer Graphics Forum (Proc. Eurographics/ACM SIGGRAPH Symposium on Geometry Processing (SGP) 2008) 27 (2008), Nr. 5, S. 1469-1476

16.5.16

SFB603 – TP A2: Hybride Fl¨achendarstellung zur interaktiven Manipulation von CAD-Daten

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: Dr.-Ing. Gerd Sußner Dipl.-Inf. Jochen S¨ußmuth Laufzeit: 1.1.2004–31.12.2009 F¨orderer: Sonderforschungbereich 603 Im Konstruktionsprozess wird zun¨achst in einem CAD-System die Geometrie eines Bauteils modelliert. Anschließend wird mit einem Visualisierungstool die Qualit¨at der Fl¨achen begutachtet. Die Visualisierungstools ben¨otigen in der Regel jedoch eine diskrete Darstellungsform der Fl¨achen (z.B. Dreiecksnetze), welche aus der mathematischen Beschreibung der Fl¨achen erzeugt werden. Modifikationen der Fl¨achen aufgrund der Visualisierung finden wieder im CAD-System statt. Diese Iterations-Schleife ist sehr umst¨andlich und zeitaufw¨andig, da oft zwischen den verschiedenen Systemen gewechselt werden muss. Eine andere M¨oglichkeit w¨are, direkt das Dreiecksnetz zu modifizieren und die Fl¨ache in das CAD-System r¨uckzuf¨uhren. Die Umwandlung von einer Darstellung in die andere ist jedoch nicht verlustfrei und somit f¨ur mehrere Durchg¨ange nicht praktikabel.

272

Ein neuer Ansatz besteht nun darin, die beiden Darstellungen fest miteinander zu kop¨ ¨ peln, d.h. eine Anderung an einer Darstellung erzwingt eine Anderung an der anderen. Somit hat man Modellierung und Visualisierung vereint. Publikationen –

Sußner, Gerd ; Greiner, G¨unther ; Augustiniack, Stefan : Interactive examination of surface quality on car bodies . In: Computer-Aided Design 36 (2004), Nr. 5, S. 425-436

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Wagner, Marc ; Labsik, Ulf ; Greiner, G¨unther: Repairing Non-Manifold Triangle Meshes using Simulated Annealing . In: Tel Aviv University (Veranst.) : Proc. of The 4th Israeal-Korea Bi-National Conference on Geometric Modeling and Computer Graphics (The 4th Israeal-Korea Bi-National Conference on Geometric Modeling and Computer Graphics Tel Aviv 12.-14.2.2003). 2003, S. 88-93.

–

Dyn, Nira ; Hormann, Kai ; Levin, David ; Kim, Sun-Jeong: Optimizing 3D Triangulations Using Discrete Curvature Analysis . In: Lyche, Tom ; Schumaker, Larry L. (Hrsg.) : Mathematical Methods for Curves and Surfaces: Oslo 2000. Nashville : Vanderbilt University Press, 2001, (Innovations in Applied Mathematics), S. 135-146. – ISBN 0-8265-1378-6

–

Floater, Michael S. ; Hormann, Kai ; Reimers, Martin: Parameterization of Manifold Triangulations . In: Chui, Charles K. ; Schumaker, Larry L. ; St¨ockler, Joachim (Hrsg.) : Approximation Theory X: Abstract and Classical Analysis. Nashville : Vanderbilt University Press, 2002, (Innovations in Applied Mathematics), S. 197-209. – ISBN 0-8265-1415-4

–

Floater, Michael S. ; Hormann, Kai: Parameterization of Triangulations and Unorganized Points . In: Iske, Armin ; Quak, Ewald ; Floater, Michael S. (Hrsg.) : Tutorials on Multiresolution in Geometric Modelling. Berlin : Springer, 2002, (Mathematics and Visualization), S. 287-316. – ISBN 3-540-43639-1

–

Schulz, Christian ; Sußner, Gerd ; Greiner, G¨unther: G1-continuous Surface Reconstruction With Trimmed B-Spline Surfaces . In: Schumaker, Larry (Hrsg.) : Mathematical Methods for Curves and Surfaces (Mathematical Methods for Curves and Surfaces Troms¨o 01.-06.07.2004). tba : tba, 2005, S. tba.

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Sußner, Gerd ; Stamminger, Marc ; Greiner, G¨unther: Bidirectional Sqrt(3)Subdivision . Informatik 9 : Universitaet Erlangen. 2005 (2). – Interner Bericht. 8 Seiten

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Sußner, Gerd ; Dachsbacher, Carsten ; Greiner, G¨unther: Hexagonal LOD for Interactive Terrain Rendering . In: Greiner, G¨unther ; Hornegger, Joachim ; Niemann, Heinrich ; Stamminger, Marc (Hrsg.) : Vision Modeling and Visualization 2005 (Vision Modeling and Visualization 2005 Erlangen 16.-18. November 2005). Erlangen : Akademische Verlagsgesellschaft, 2005, S. 437-444.

16.5.17

¨ SFB603 – TP B6: Rechnergestutzte Endoskopie des Bauchraums

Projektleitung: Prof. Dr. med. Werner Hohenberger Prof. Dr. G¨unther Greiner Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger Beteiligte: Dr. med. Sophie Kr¨uger Dipl.-Inf. Marco Winter Dipl. Med.-Inf. Jochen Penne Laufzeit: 1.1.2000–30.6.2008 F¨orderer: Sonderforschungbereich 603 Mitwirkende Institutionen: Chirurgische Universit¨atsklinik Erlangen Lehrstuhl f¨ur Informatik 5 (Mustererkennung) Lehrstuhl f¨ur Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung) Kontakt: Dipl.-Inf. Marco Winter Tel.: 85-29927 Fax: 85-29931 E-Mail: [email protected] Im Teilprojekt B6 ist das langfristige Ziel, zur Unterst¨utzung des Chirurgen bei endoskopischen Operationen eine durch CT/MR-Daten erweiterte dreidimensionale Visualisierung des Operationsgebietes in Form eines Lichtfeldes bereitzustellen und Beeintr¨achtigungen sowohl im Live-Bild als auch in der Visualisierung zu reduzieren. Dies erm¨oglicht den Schritt von der herk¨ommlichen Chirurgie zur ”Computer Assisted Surgery” (CAS) im Bereich der Endoskopie von K¨orperh¨ohlen. Publikationen –

Winter, Marco ; Then, Bernhard ; Greiner, G¨unther: Optimized Camera Ranking Algorithms for Real-time Image Based Rendering of Endoscopic Image Data . 274

In: Gumhold, Stefan ; Kosecka, Jana ; Staadt, Oliver (Hrsg.) : Proceedings of the Fourth International Symposium on 3D Data Processing, Visualization and Transmission (3DPVT 2008 Atlanta, Georgia, USA 18.06.-20.06.2008). 2008, S. 55-62. –

Winter, Marco ; Meister, Martin ; Greiner, G¨unther: Integration of Multiple Unstructured Lumigraphs in a Rendering Framework . In: Kobbelt, Leif ; Kuhlen, Torsten ; Aach, Til ; Westermann, R¨udiger (Hrsg.) : Proceedings Vision, Modeling and Visualization 2006 (Vision, Modeling and Visualization 2006 Aachen 22.11.06 – 24.11.06). Aachen : Akademische Verlagsgesellschaft Aka GmbH, 2006, S. 121-128, 391. – ISBN 3-89838-081-5

–

Winter, Marco ; Greiner, G¨unther ; Vogt, Florian ; Niemann, Heinrich ; Kr¨uger, Sophie: Visualizing distances between light field and geometry using projective texture mapping . In: Greiner, G¨unther ; Hornegger, Joachim ; Niemann, Heinrich ; Stamminger, Marc (Hrsg.) : Vision, Modeling and Visualization 2005 Proceedings (Vision, Modeling and Visualization 2005 Erlangen 16.11.-18.11.2005). Erlangen : infix, Aka GmbH, 2005, S. 257-264. – ISBN 3-89838-068-8

–

Kr¨uger, Sophie ; Winter, Marco ; Vogt, Florian: Rechnergest¨utzte Endoskopie des Bauchraums . In: Cremers, Armin B. ; Manthey, Rainer ; Martini, Peter ; Steinhage, Volker (Hrsg.) : GI Jahrestagung (2) (INFORMATIK 2005 – Informatik LIVE! Bonn 19.09.-22.09.2005). 2005, S. 680. (Beitr¨age zur GI Jahrestagung Bd. 68, Nr. 2) – ISBN 3-88579-397-0

–

Vogt, Florian ; Kr¨uger, Sophie ; Winter, Marco ; Niemann, Heinrich ; Hohenberger, Werner ; Greiner, G¨unther ; Schick, Christoph: Erweiterte Realit¨at und 3-D Visualisierung f¨ur minimal-invasive Operationen durch Einsatz eines optischen Trackingsystems . In: Meinzer, H.-P. ; Handels, H. ; Horsch, A. ; Tolxdorff, T. (Hrsg.) : Proceedings Bildverarbeitung f¨ur die Medizin (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin Heidelberg 13.-15.3.2005). Berlin : Springer, 2005, S. 217-221. ISBN 3-540-25052-2

16.5.18

SFB603 – TP C2: Analyse, Codierung und Verarbeitung von Lichtfeldern zur Gewinnung realistischer Modelldaten

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Prof. em. Dr.-Ing. Heinrich Niemann Prof. Dr.-Ing. Joachim Denzler Beteiligte: 275

Dr.-Ing. Christian Vogelgsang Dr.-Ing. Ingo Scholz Dr.-Ing. Martin Meister Laufzeit: 1.1.1998–31.12.2009 F¨orderer: Sonderforschungbereich 603 Mitwirkende Institutionen: Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung (Informatik 5) Kontakt: Dr.-Ing. Christian Vogelgsang E-Mail: [email protected] Computergraphik und Bildverarbeitung beginnen seit einigen Jahren verst¨arkt zusammenzuwachsen. Das belegen zahlreiche international anerkannte Konferenzen auf beiden Gebieten, in denen sich Themen aus dem Bereich ”Image Based Rendering” oder ”Computer Vision for Computer Graphics” etabliert haben. Diese greift das Teilprojekt C2 mit dem langfristigen Ziel auf, automatisch eine effiziente Repr¨asentation realer Szenen zum Zwecke der Analyse und Visualisierung zu ermitteln. Das Projekt teilt sich grob in zwei Abschnitte auf. Zun¨achst wird aus den Videosequenzen eine bildbasierte Repr¨asentation ermittelt. Dieses Aufgabenfeld ”Lichtfeld- und Geometrierekonstruktion” bearbeitet der Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung und k¨ummert sich dabei verst¨arkt um die Berechnung der intrinsischen und extrinsischen Kameraparameter aus einem unkalibrierten Bildstrom und um die Erstellung eines hierarchischen geometrischen Szenenmodells unterschiedlicher Aufl¨osungsstufen, das es erm¨oglicht, die Visualisierungsqualit¨at je nach Bedarf anzupassen. Bei der Modellierung wird neben der bisher u¨ blichen Interpolation von neuen Szenenansichten auch ihre Extrapolation ber¨ucksichtigt. Des weiteren werden erste Arbeiten begonnen, die sich mit der Anwendung der bildbasierten Modellierung f¨ur die Analyse befassen sowie einer Erweiterung auf dynamische Lichtfelder. Im zweiten Abschnitt des Projektes wird die ermittelte Modellinformation verwendet, um neue Ansichten der Szene zu generieren. Diese Forschung im Bereich der Visualisierung wird vom Lehrstuhl f¨ur Graphische Datenverarbeitung durchgef¨uhrt. Dort sollen neue Verfahren entwickelt werden, die mit Hilfe von 3-D-Hardware auch komplexe Darstellungen in Echtzeit erzeugen k¨onnen. Als wesentliches Merkmal des Gesamtsystems sollen die visualisierten Daten in den Analyseprozess r¨uckgef¨uhrt werden, um die Aufnahmeposition neuer Ansichten sicher zu sch¨atzen, die bisherigen Kalibrierparameter zu verbessern und die neu gewonnenen Daten in ein verfeinertes Szenenmodell fließen zu lassen, das auch f¨ur diese Anforderung hierarchisch strukturiert sein muss.

276

Publikationen –

Vogelgsang, Christian ; Heigl, Benno ; Greiner, G¨unther ; Niemann, Heinrich: Automatic Image-Based Scene Model Acquistion and Visualization . In: Bernd Girod ; Greiner, G¨unther ; Niemann, Heinrich ; Hans-Peter Seidel (Hrsg.) : Proceedings (Vision Modeling and Visualization 2000 Saarbr¨ucken 22-24.11.2000). 1. Aufl. Berlin : Akad. Verl.-Ges. 2000, 2000, S. 189-198. – ISBN 3-89838-019-X

–

Vogelgsang, Christian: Free Form Lightfields . Erlangen : Uni Erlangen. 2001 (3). – Interner Bericht. 8 Seiten

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Vogelgsang, Christian ; Greiner, G¨unther: Interactive Range Map Rendering with Depth Interval Texture Slicing . In: T. Ertl ; B. Girod ; Greiner, G¨unther ; Niemann, Heinrich ; H.-P. Seidel (Hrsg.) : Proceedings of Vision, Modeling, and Visualization 2003 (Vision, Modeling, and Visualization 2003 M¨unchen 1921.11.2003). Berlin : infix, 2003, S. 477-484. – ISBN 3-89838-048-3

–

Dachsbacher, Carsten ; Vogelgsang, Christian ; Stamminger, Marc: Sequential Point Trees . In: ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH 2003) 22 (2003), Nr. 03, S. 657-662

–

Hartmut Schirmacher ; Vogelgsang, Christian ; Hans-Peter Seidel ; Greiner, G¨unther: Efficient Free Form Light Field Rendering . In: Thomas Ertl ; Bernd Girod ; Greiner, G¨unther ; Niemann, Heinrich ; Hans-Peter Seidel (Hrsg.) : Proceedings (Vision Modeling and Visualization 2001 Stuttgart 21-23.11.2001). Bd. 1, 1. Aufl. Berlin : AKA, 2001, S. 249-256. – ISBN 3-89838-028-9

–

Vogelgsang, Christian ; Scholz, Ingo ; Greiner, G¨unther ; Niemann, Heinrich: lgf3 – A Versatile Framework for Vision and Image-Based Rendering Applications . In: Greiner, G¨unther ; Niemann, Heinrich ; Ertl ; Girod ; Seidel, HansPeter (Hrsg.) : Proceedings of Vision, Modeling, and Visualization 2002 (Vision, Modeling, and Visualization 2002 Erlangen 20-22.11.2002). Berlin : Infix, 2002, S. 257-264. – ISBN 3-89838-034-3

–

Vogelgsang, Christian ; Greiner, G¨unther: LGF3 – A versatile framework for image-based modeling and rendering . In: ACM SIGGRAPH (Veranst.) : SIGGRAPH 2004 Sketches and Applications (SIGGRAPH 2004 Los Angeles 8.8.2004-12.8.2004). Los Angeles : ACM Press, 2004, S. DVD ROM.

–

K¨uck, Hendrik ; Heidrich, Wolfgang ; Vogelgsang, Christian: Shape from Contours and multiple Stereo – a hierarchical mesh-based approach . In: IEEE (Veranst.) : Proceedings of First Canadian Conference on Computer and Robot VisionPro (First Canadian Conference on Computer and Robot Vision London, Ontario, Canada 17.-19.5.2004). London, Ontario, Canada : IEEE Press, 2004, S. 76-83. 277

–

Scholz, Ingo ; Vogelgsang, Christian ; Denzler, Joachim ; Niemann, Heinrich: Dynamic Light Field Reconstruction and Rendering for Multiple Moving Objects . In: Ikeuchi (Hrsg.) : Proceedings of Machine Vision Applications (Machine Vision Applications Tsukuba, Japan Mai 2005). 2005, S. 184-188.

–

Vogelgsang, Christian: The lgf3 Project: A Versatile Implementation Framework for Image-Based Modeling and Renderin . Erlangen, Universit¨at ErlangenN¨urnberg, Diss., 2005

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16.5.19

SFB603 – TP C7:Adaptive Verfahren zur Berechnung und Visualisierung von mechatronischen Sensoren und Aktoren

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch Prof. Dr. G¨unther Greiner PD Dr. Manfred Kaltenbacher Dr. rer. nat. Roberto Grosso Beteiligte: Dipl.-Ing. Gerhard Link Dipl.-Inf. Frank Enders Laufzeit: 1.1.2001–31.12.2009 F¨orderer: Sonderforschungbereich 603 Das Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung eines computerunterst¨utzen Arbeitsplatzes f¨ur die Analyse, den Entwurf und die Optimierung von mechatronischen Sensoren und Aktoren (z.B. kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler, piezoelektrische Stapelaktoren zur Bet¨atigung von Einspritzventilen, geregelte kapazitive Beschleunigungssensoren) durch die Anwendung von Mehrgitterverfahren zur numerischen Berechnung der gekoppelten Feldprobleme sowie der interaktiven Visualisierung der multimodalen Simulationsdatens¨atze mit hierarischen Methoden. Als Ergebnis der Simulation von solchen Mehrfeldproblemen fallen sowohl Skalar- als auch Vektordaten an, die entweder f¨ur ein einzelnes den Simulationsraum (Gitter) unter278

teilendes Volumenelement oder dessen Eckpunkte definiert sind. Neben statischen Simulationen deren Daten den Zustand f¨ur einen einzigen Zeitpunkt beschreiben, erfolgen auch Simulationen u¨ ber einen Zeitraum hinweg, wobei dann zu nicht notwendigerweise a¨ quidistant verteilten Zeitpunkten das gerade aktuelle Gitter abgespeichert wird. F¨ur die Visualisierung von diesen Datens¨atzen ergeben sich hieraus eine ganze Reihe von Herausforderungen, zum einen sind die verschiedenartigen Daten mit unterschiedlichen Methoden gleichzeitig darzustellen, zum anderen die Algorithmen in ihrem Ressourcenbedarf (Zeitbedarf und Speicherverbrauch) minimal zu halten um eine interaktive Visualisierung auch von gr¨oßeren Datens¨atzen zu realisieren. Besonders reizvoll ist es aus Sicht der Computergraphik, die sich neu erschließenden M¨oglichkeiten einer programmierbaren Graphikpipeline hierf¨ur sinnvoll einzubinden. Publikationen –

Reck, Frank ; Greiner, G¨unther: Fast and Accurate Integration of Vector Fields in Unstructured Grids . In: Informationstechnik und Technische Informatik 6 (2002), Nr. B 7922, S. 331-338

–

Reck, Frank ; Rezk-Salama, Christof ; Grosso, Roberto ; Greiner, G¨unther: Hadware-Accelerated Visualization of Curvilinear Vector Fields . In: Greiner, G¨unther ; Niemann, Heinrich ; Ertl, Thomas ; Girod, Sabine ; Seidel, Hans-Peter (Hrsg.) : Visoion, Modeling, and Visualization (VMV 2002 Erlangen 20-22 November). Bd. 1, 1. Aufl. Erlangen : infix, 2002, S. 187-192. – ISBN 3-89838-034-3

–

Kipfer, Peter ; Reck, Frank ; Greiner, G¨unther: Local exact particle tracing on unstructured grids . In: Computer Graphics Forum 22 (2003), Nr. 2

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Reck, Frank ; Dachsbacher, Carsten ; Grosso, Roberto ; Greiner, G¨unther ; Stamminger, Marc: Realtime Isosurface Extraction with Graphics Hardware . In: Alexa, Marc ; Galin, Eric (Hrsg.) : Eurographics 2004, Short Presentations and Interactive Demos (Eurographics 2004 Grenoble 30.8.04 – 3.9.04). Grenoble : INRIA and Eurographics Association, 2004, S. 33-36. (Eurographics 2004, Short Presentations and Interactive Demos)

16.5.20

SFB603 – TP C9: Rekonstruktion und Visualisierung neuronaler Bahnen

Projektleitung: PD Dr.-Ing. Peter Hastreiter Prof. Dr. med. Michael Buchfelder Prof. Dr. med. Christopher Nimsky 279

Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger Beteiligte: Dr.-Ing. Dorit Merhof Dipl.-Inf. Frank Enders Laufzeit: 1.1.2004–31.3.2008 F¨orderer: Sonderforschungbereich 603 Mitwirkende Institutionen: Neurozentrum Neurochirurgie Neuronale Bahnen sind Strukturen, die wichtigen sensorischen, motorischen oder anderen integrativen Funktionen zugeordnet sind. Damit nach einer Gehirnoperation im Falle pathologischer Ver¨anderungen (Tumor) keine neurologischen Defizite auftreten, d¨urfen diese Nervenbahnen nicht verletzt werden. Im Gegensatz zu Nervenstr¨angen im peripheren System, die mit anderem Gewebe ummantelt sind, unterscheiden sich die Bahnen im Gehirn nur schwach von der grauen Hirnmasse. Zur Differenzierung neuronaler Bahnen wird deshalb Diffusions-Tensor (DT) MRT verwendet, mit dem das Diffusionsverhalten von Wassermolek¨ulen im Gewebe gemessen wird. Ziel des Projekts ist es, neue Ans¨atze zur genauen Rekonstruktion der Bahnen aus diesen Tensorvolumina zu entwickeln, was eine genaue Analyse der Tensordaten sowie Techniken zur Filterung und Registrierung erfordert. Auf diese Weise sollen chirurgische Eingriffe in Zukunft besser planbar und das chirurgische Risiko gemindert werden. Publikationen –

Merhof, Dorit ; Hastreiter, Peter ; Soza, Grzegorz ; Stamminger, Marc ; Nimsky, Christopher: Non-linear Integration of DTI-based Fiber Tracts into Standard 3D MR Data . In: Girod, Bernd ; Magnor, Marcus ; Seidel, Hans-Peter (Hrsg.) : Vision, Modeling and Visualization 2004 Proceedings (Vision, Modeling and Visualization 2004 Stanford, USA 16.11.-18.11.2004). Stanford : infix, 2004, S. 371-378. – ISBN 3-89838-058-0

–

Merhof, Dorit ; Hastreiter, Peter ; Nimsky, Christopher ; Fahlbusch, Rudolf ; Greiner, G¨unther: Directional Volume Growing for the Extraction of White Matter Tracts from Diffusion Tensor Data . In: Galloway, Robert L., Jr. ; Cleary, Kevin R. (Hrsg.) : Visualization, Image-Guided Procedures, and Display (SPIE Medical Imaging San Diego Februar 2005). San Diego : SPIE, 2005, S. 165-172. Bd. 6, Nr. 21 – ISBN 0-8194-5718-3

–

Enders, Frank ; Merhof, Dorit ; Hastreiter, Peter ; Stamminger, Marc ; Nimsky, 280

Christopher: Enhanced Visualization of Diffusion Tensor Data for Neurosurgery . In: Meinzer, Hans-Peter ; Handels, Heinz ; Horsch, Alexander ; Tolxdorff, Thomas (Hrsg.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin 2005 (BVM Heidelberg 13. – 15. Maerz 2005). Heidelberg : Springer, 2005, S. .. (Informatik aktuell) – ISBN 3540-25052-2 –

Enders, Frank ; Iserhardt-Bauer, Sabine ; Hastreiter, Peter ; Nimsky, Christopher ; Ertl, Thomas: Hardware-accelerated Glyph Based Visualization of Major White Matter Tracts for Analysis of Brain Tumors . In: Galloway, Robert L., Jr. ; Cleary, Kevin R. (Hrsg.) : Visualization, Image-Guided Procedures, and Display (SPIE Medical Imaging San Diego Februar 2005). San Diego : SPIE, 2005, S. 504-511. Bd. 6, Nr. 21 – ISBN 0-8194-5718-3

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Merhof, Dorit ; Enders, Frank ; Vega Higuera, Fernando ; Hastreiter, Peter ; Nimsky, Christopher ; Stamminger, Marc: Integrated Visualization of Diffusion Tensor Fiber Tracts and Anatomical Data . In: Schulze, Thomas ; Horton, Graham ; Preim, Bernhard ; Schlechtweg, Stefan (Hrsg.) : Simulation und Visualisierung 2005 (Simulation und Visualisierung 2005 Magdeburg 3.-4. Maerz 2005). Erlangen : SCS Publishing House e.V., 2005, S. 153-164. – ISBN 3-936150-40-0

–

Nimsky, Christopher ; Ganslandt, Oliver ; Hastreiter, Peter ; Wang, Ruopeng ; Brenner, Thomas ; Sorensen, Gregory ; Fahlbusch, Rudolf: Intraoperative diffusion-tensor MR imaging: shifting of white matter tracts during neurosurgical procedures – initial experience . In: Radiology 234 (2005), Nr. 1, S. 218-25

–

Nimsky, Christopher ; Ganslandt, Oliver ; Hastreiter, Peter ; Wang, Ruopeng ; Brenner, Thomas ; Sorensen, Gregory ; Fahlbusch, Rudolf: Preoperative and intraoperative diffusion tensor imaging-based fiber tracking in glioma surgery . In: Neurosurgery 56 (2005), Nr. 1, S. 130-7

–

Merhof, Dorit ; Sonntag, Markus ; Enders, Frank ; Hastreiter, Peter ; Fahlbusch, Rudolf ; Nimsky, Christopher ; Greiner, G¨unther: Visualization of Diffusion Tensor Data using Evenly Spaced Streamlines . In: Greiner, G¨unther ; Hornegger, Joachim ; Niemann, Heinrich ; Stamminger, Marc (Hrsg.) : Vision, Modeling and Visualization 2005 Proceedings (Vision, Modeling and Visualization 2005 Erlangen 16.11.-18.11.2005). Erlangen : infix, Aka GmbH, 2005, S. 257-264. ISBN 3-89838-068-8

–

Nimsky, Christopher ; Ganslandt, Oliver ; Enders, Frank ; Merhof, Dorit ; Fahlbusch, Rudolf: Visualization strategies for major white matter tracts identified by diffusion tensor imaging for intraoperative use . In: Lemke, Heinz ; Inamura, Kiyonari ; Doi, Kunio ; Vannier, Michael ; Farman, Allan (Hrsg.) : Computer

281

Assisted Radiology and Surgery (Computer Assisted Radiology and Surgery Berlin 22.-25.06.2005). Berlin : Elsevier, 2005, S. 793-797. (International Congress Series Bd. 1281) – ISBN 0-444-51872-X –

Enders, Frank ; Sauber, Natascha ; Merhof, Dorit ; Hastreiter, Peter ; Nimsky, Christopher ; Stamminger, Marc: Visualization of White Matter Tracts with Wrapped Streamlines . In: IEEE (Veranst.) : Proc. IEEE Visualization 2005 (IEEE Visualization 2005 Minneapolis 23.-28.10.05). 2005, S. 51-58.

–

Merhof, Dorit ; Richter, Mirco ; Enders, Frank ; Hastreiter, Peter ; Ganslandt, Oliver ; Buchfelder, Michael ; Nimsky, Christopher ; Greiner, G¨unther: Fast and Accurate Connectivity Analysis between Functional Regions based on DTMRI . In: Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI) (Veranst.) : Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI) (Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI) Kopenhagen, D¨anemark 01.-06.10.2006). Bd. 4191. Heidelberg : Springer, 2006, S. 225-233.

–

Merhof, Dorit ; Enders, Frank ; Hastreiter, Peter ; Ganslandt, Oliver ; Fahlbusch, Rudolf ; Nimsky, Christopher ; Stamminger, Marc: Neuronal Fiber Connections based on A-Pathfinding . In: Manduca, Armando ; Amini, Amir A. (Hrsg.) : Physiology, Function, and Structure from Medical Images (SPIE Medical Imaging San Diego, CA, USA 11.-16.02.2006). Bd. 6143. 2006, S. 1S, 1-8.

–

Merhof, Dorit ; Sonntag, Markus ; Enders, Frank ; Nimsky, Christopher ; Hastreiter, Peter ; Greiner, G¨unther: Streamline Visualization of Diffusion Tensor Data based on Triangle Strips . In: Handels, Heinz ; Ehrhardt, Jan ; Horsch, Alexander ; Meinzer, Hans-Peter ; Tolxdorff, Thomas (Hrsg.) : Bildverarbeitung f¨ur die Medizin (Bildverarbeitung f¨ur die Medizin Hamburg 19.-.21.03.2006). 2006, S. 271-275.

–

Merhof, Dorit ; Sonntag, Markus ; Enders, Frank ; Nimsky, Christopher ; Hastreiter, Peter ; Greiner, G¨unther: Hybrid Visualization for White Matter Tracts using Triangle Strips and Point Sprites . In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 12 (2006), Nr. 5, S. 1181-1188

–

Nimsky, Christopher ; Ganslandt, Oliver ; Merhof, Dorit ; Sorensen, A. Gregory ; Fahlbusch, Rudolf: Intraoperative visualization of the pyramidal tract by DTIbased fiber tracking . In: Neuroimage 30 (2006), Nr. 4, S. 1219-1229

282

16.5.21

Verfahren zur Steigerung der Realit¨atsn¨ahe der Echtzeitvisualisierung in der Fahrsimulation

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger Beteiligte: Dr. Alexander Huesmann Franz Lankes Laufzeit: 1.2.2006–31.7.2009 Auf weiten Gebieten der Forschung und Entwicklung hat sich die Simulation als Mittel zur Erkenntnisgewinnung u¨ ber real ablaufende Vorg¨ange etabliert und bew¨ahrt. In der Automobilbranche wird die Fahrsimulation unter anderem dazu eingesetzt, prototypische Systeme, wie beispielsweise Anzeige-Bedienkonzepte kommender Produktgenerationen zu untersuchen und auf ihre Verwendbarkeit hin zu analysieren. Fahrsimulationsuntersuchungen erlauben es, die Anzahl der realen Testfahrten zu reduzieren und damit dem zunehmenden Kostendruck und den k¨urzer werdenden Produktzyklen der Industrie gerecht zu werden. Weiterhin lassen sich in der Simulation kritische Verkehrssituationen reproduzieren und untersuchen, ohne dabei Risiken einzugehen. Dies ist bei der Erprobung von sicherheitskritischen Systemen, wie beispielsweise von Fahrerassistenzsystemen, unverzichtbar. Damit die Simulationsuntersuchungen R¨uckschl¨usse auf die Wirklichkeit zulassen, ist es dabei unerl¨asslich, dass die Simulation soweit wie m¨oglich der Realit¨at entspricht. Da das Sehen ein wesentliches Element der menschlichen Wahrnehmung darstellt, kommt der Visualisierung in der Fahrsimulation eine bedeutende Rolle zu. In dieser Arbeit sollen echtzeitf¨ahige Visualisierungsverfahren entwickelt und prototypisch implementiert werden, die zur Realit¨atssteigerung der graphischen Darstellung in der Fahrsimulation der BMW Group Forschung und Technik dienen. Dabei wurden durch Fahrversuche Verbesserungspotentiale in der bestehenden Visualisierung identifiziert und diese in Arbeitsfelder kategorisiert. Die aufgespannten Arbeitsfelder umfassen dabei folgende Punkte: Das Rendering von Terrain und Fahrbahnen, die Darstellung von Fahrzeugen, die Berechnung von Beleuchtung und Schatten sowie die Animation der Szenerie. Diese Arbeitsfelder bilden zugleich die Schwerpunkte der Themenbearbeitung. Die Entwicklung der in dieser Arbeit entwickelten Visualisierungsverfahren basiert dabei auf der Grundlage neuester Hardwaretechnologien. Publikationen –

Lankes, Franz ; Huesmann, Alexander ; Stamminger, Marc: Advanced Real-Time Rendering Techniques in Driving Simulation . In: Imagina (Hrsg.) : INRETS283

RENAULT (Veranst.) : DSC 2008 (Driving Simulation Conference 2008 Monaco 31.01.08-01.02.08). Monaco : INRETS-RENAULT, 2008, S. 22-30. (Driving Simulation Conference) –

Lankes, Franz ; Sauer, Sebastian ; Huesmann, Alexander ; Stamminger, Marc: Advanced Visualization of Road Environments by Means of Programmable Graphics Hardware . In: University of Roma TRE, Department of Sciences of Civil Engineering (Hrsg.) : Advanced in Transportaton Studies – An International Journal (Road Safety and Simulation Rom, Italien 07.11.2007-09.11.2007). Bd. 1, 1. Aufl. Rom, Italien : ATS, 2007, S. 33-40.

–

Lankes, Franz ; Strobl, Martin ; Huesmann, Alexander ; Stamminger, Marc: Einsatz programmierbarer Graphik-Hardware in der Echtzeitvisualisierung der Fahrsimulation . In: M¨oller, Reinhard ; Bergische Universit¨at Wuppertal (Hrsg.) : Rheinmetall Defence Electronics GmbH (Veranst.) : 10. Workshop Sichtsysteme – Visualisierung in der Simulationstechnik (10. Workshop Sichtsysteme – Visualisierung in der Simulationstechnik Bremen, Deutschland 22.11.2007-23.11.2007). 1. Aufl. Bremen, Deutschland : Shaker, 2007, S. 11-14. – ISBN 978-3-8322-66844

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Breithecker, Marc ; Lankes, Franz ; Huesmann, Alexander ; Stamminger, Marc: Increasing Perceived Velocity by Means of Texture Based Motion Blur . In: INRETS-Renault (Hrsg.) : Proceedings of Driving Simulation Conference (Driving Simulation Conference Paris, Frankreich). Bd. 3, 1. Aufl. Paris, Frankreich : INRETS-Renault, 2006, S. 17-20.

16.5.22

¨ e-cado Visualisierungskomponente fur

Projektleitung: Prof. Dr. G¨unther Greiner Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Martinek Markus Platz Laufzeit: 1.2.2008–31.1.2009 F¨orderer: Rupp + Hubrach Optik GmbH Die R+H eigene Software ”e-cado” bietet dem Augenoptiker unter anderem die M+glichkeit, die Randdicken verschiedener Brillenglastypen und den Einfluß verschiedener Bestelloptionen auf diese f¨ur die ben¨otigten Rezeptwerte und unter

284

Ber¨ucksichtigung der Fassungsform und Zentrierung grafisch darzustellen. Die bisherige einfache grafische Darstellung soll nun durch eine ansprechendere Visualisierung unter Beibehaltung aller Funktionalit¨aten ersetzt werden. Um eine einfache Integration in e-cado zu gew¨ahrleisten, soll diese Visualisierungskomponente als Delphi Unit bereitgestellt werden.

16.6

Publikationen

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Br¨ugmann, Klaus ; Dohrn, Hannes ; Prendinger, Helmut ; Stamminger, Marc ; Ishizuka, Mitsuru: Phase-Based gesture motion parameterization and transitions for conversational agents with MPML3D . In: ACM (Veranst.) : Proceedings of the 2nd international conference on INtellignent TEchnologies for interactive enterTAINment. Brussels : ICST, 2008, S. 10/1-6.

–

Eisenacher, Christian ; Lefebvre, Sylvain ; Stamminger, Marc: Texture Synthesis From Photographs . In: Computer Graphics Forum (Proceedings of EUROGRAPHICS 2008) 27 (2008), Nr. 2, S. 419-428

–

Ernst, Manfred ; Schneider, Markus ; Greiner, G¨unther: Collision Detection with Early Split Clipping . In: Computer Graphics Society (Veranst.) : Proceedings Computer Graphics International (CGI 2008) (Computer Graphics International (CGI 2008) Istanbul, Turkey 9.6.2008 – 11.6.2008). 2008, S. to appear.

16.7

Studien- und Abschlussarbeiten

–

Diplomarbeit: Rekonstruktion von Tensoren h¨oherer Ordnung und Anwendung bei der Konnektivit¨atsanalyse. Bearbeiter: Laura Cojocaru (beendet am 21.01.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Dorit Merhof; PD Dr. Peter Hastreiter; Prof. Dr. G¨unther Greiner

–

Diplomarbeit: GPU based rotation alignment and similarity measure of 3D objects. Bearbeiter: Michael Martinek (beendet am 08.02.2008)

–

Diplomarbeit: Generierung und Echtzeit-Rendering von Terrain f¨ur den Einsatz in der Fahrsimulation. Bearbeiter: Michael Keberer (beendet am 19.2.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Franz Lankes; Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

–

Studienarbeit: Oberfl¨achenlichtfelder f¨ur moderne Grafikhardware. Bearbeiter: Hannes Fabian Dohrn (beendet am 1.3.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Marco Winter

285

–

Studienarbeit: GPU-Accelerated GRAPPA Reconstruction in Magnetic Resonance Imaging. Bearbeiter: Robert Grimm (beendet am 3.3.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Quirin Meyer; Prof. Dr. G¨unther Greiner; Dipl.-Inf. Frank Enders

–

Studienarbeit: Interactive Vessel-Walkthrough. Bearbeiter: Yesim Alicioglu (beendet am 12.03.2008); Betreuer: MSc. Matthias Teßmann; Prof. Dr. G¨unther Greiner

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Diplomarbeit: Simulation von Witterungen und dynamischen Effekten in der Echtzeit-Visualisierung der Fahrsimulation. Bearbeiter: Sebastian Sauer (beendet am 17.03.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

–

Studien-/Diplomarbeit: Cage based surface deformation / K¨afig basierte Netz Animation. Bearbeiter: Armin Heckmann (beendet am 1.04.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Jochen S¨ußmuth

–

Studienarbeit: GPGPU for Accelerated GRAPPA Autocalibration in Magnetic Resoance Imaging. Bearbeiter: Matthias Schneider (beendet am 1.4.2008)

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Studien-/Diplomarbeit: Interaktive Erstellung von texturierten Schnittmustern. Bearbeiter: Olga Urzova (beendet am 01.04.2008); Betreuer: Prof. Dr. G¨unther Greiner; Dipl.-Inf. Manfred Ernst

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Studienarbeit: GPU-basierte Partikelvisualisierung f¨ur Diffusions-Tensor-Daten. Bearbeiter: Patrick Kugler (beendet am 9.4.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Frank Enders

–

Studienarbeit: Automatische Charakterisierung eines Zylinderkolben-K¨uhlkanals anhand von 3D-Computertomographie-Daten. Bearbeiter: Werner Sch¨on (beendet am 1.5.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

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Studienarbeit: Pyramidal Cascaded Shadow Maps. Bearbeiter: Ritter Christopher (beendet am 19.06.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

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Diplomarbeit: Grafikeffekte f¨ur eine PC-basierte Navigationsl¨osung und deren Realisierbarkeit auf embedded Hardware. Bearbeiter: Till Rathmann (beendet am 15.7.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

–

Studienarbeit: A 3SAT-Solver on CUDA. Bearbeiter: Fabian Sch¨onfeld (beendet am 19.9.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Quirin Meyer; Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka; Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

–

Studienarbeit: Erzeugung von Strichzeichnungen aus CAD Daten. Bearbeiter: Markus Platz (beendet am 15.10.2008); Betreuer: Prof. Dr. G¨unther Greiner; Dipl.-Inf. Manfred Ernst 286

–

Studienarbeit: Simulation of Light Refraction on modern Graphics Hardware. Bearbeiter: Florian H¨anel (beendet am 28.11.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

–

Diplomarbeit: Voxelbasierte Registrierung auf der GPU mit CUDA. Bearbeiter: Wasilios-Daniel Protogerakis (beendet am 16.12.2008); Betreuer: MSc. Matthias Teßmann; PD Dr.-Ing. Peter Hastreiter; Prof. Dr. G¨unther Greiner

–

Diplomarbeit: Interaktive Informationsvisualisierung im ”Document Lifecycle Management”. Bearbeiter: Christian Heckl (beendet am 20.12.2008); Betreuer: Dipl.-Wirtsch.-Inf. Hinnerk Br¨ugmann; Prof. Dr. Freimut Bodendorf; Prof. Dr.Ing. Marc Stamminger

287

¨ Informatik (Graphische DatenverarProfessur fur beitung und Visualisierung)

Anschrift: Am Weichselgarten 9, 91058 Erlangen Tel.: +49 9131 8529919 Fax: +49 9131 8529931 Die Professur f¨ur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung ist am Lehrstuhl Graphische Datenverarbeitung angesiedelt und wurde im Oktober 2002 mit Prof. Marc Stamminger besetzt. Forschungsthema von Prof. Stamminger ist die computergest¨utzte Darstellung dreidimensionaler virtueller Welten (Rendering) oder gemessener bzw. simulierter Daten (Visualisierung). Ein Forschungsschwerpunkt ist dabei die Anwendung moderner Grafikhardware und anderer paralleler Rechnerarchitekturen. ¨ InforForschungsprojekte und Publikationen sind im Teilbereich ”Lehrstuhl fur matik 9” eingegliedert.

17.1

Forschungsschwerpunkte

• Interaktive Darstellung komplexer Geometrie • Echtzeitsimulation globaler Beleuchtungseffekte • medizinische Visualisierung

17.2

Kooperationsbeziehungen

• Fraunhofer IIS • INRIA Sophia-Antipolis • BMW AG • Audi AG

17.3

Wissenschaftliche Tagungen

Eurographics 2009 288

¨ Informatik 10 (Systemsimulation) Lehrstuhl fur Anschrift: Cauerstraße 6, 91058 Erlangen Tel.: 09131 85 28923 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Professor: Prof. Dr. Christoph Pflaum Sekretariat: Heike Strohm Iris Weiß Wiss. Mitarbeiter: Rameez Asif Dr. Wolfgang Degen Stefan Donath, M. Sc. Dipl.-Inf. Christian Feichtinger Jan G¨otz, M. Sc. Dipl.-Inf. Tobias Gradl Dipl.-Math. Britta Heubeck Klaus Iglberger, M. Sc. Dipl.-Math. Christine Jandl Dr.-Ing. Harald K¨ostler Dipl.-Inf. Tobias Preclik Daniel Ritter, M. Sc. Dipl.-Inf. Markus St¨urmer Dipl. Math. Matthias Wohlmuth Nichtwiss. Personal: Dipl.-Ing. Frank Deserno Gabriele Fleig Ehemalige Mitarbeiter: Dr.-Ing. Benjamin Bergen Dipl.-Inf. Silke Bergler Dr.-Ing. Uwe Fabricius Dipl.-Inf. Christoph Freundl Dr.-Ing. Jochen H¨ardtlein Prof. Dr. Graham Horton Birgitt H¨uckel 289

Frank H¨ulsemann, PhD Dipl.-Math. Matthias H¨ummer El Mostafa Kalmoun, Ph.D. Dr.-Ing. Markus Kowarschik Dr.-Ing. Marcus Mohr Dipl.-Inf. Christian M¨oller Dipl.-Phys. Thomas Pohl Rainer Rimane Dipl.-Inf. Harald Schmidt Dr.-Ing. Nils Th¨urey Dipl.-Ing. Jan Treibig Der Lehrstuhl f¨ur Systemsimulation (LSS) besch¨aftigt sich mit der Verwendung von modernen nichtstandard Architekturen und H¨ochstleistungsrechnern. Besonderes Interesse gilt der Entwicklung effizienter und paralleler Algorithmen. Dabei spielen objektorientierte Programmiertechniken sowie die performante Umsetzung auf H¨ochstleistungsrechner eine große Rolle. Die rechnergest¨utzte Simulation realer Probleme ist ein vielseitiges Hilfsmittel in der Planung, Analyse und Optimierung von Abl¨aufen verschiedenster Art. Obwohl die Anwendungen sehr unterschiedlich sein k¨onnen, haben alle Simulationsprojekte eine gemeinsame Struktur. Nach der Festlegung der Fragestellung wird ein Modell erstellt, welches das Problem nachbildet und Antworten auf die gestellten Fragen liefern soll. Um das Modell in ein Computerprogramm umsetzen und dann simulieren zu k¨onnen, m¨ussen Kenngr¨oßen des Problems erfasst werden. Nach Ermittlung der problemspezifischen Kenngr¨oßen (Modellparameter) kann das Modell in ein Computerprogramm umgesetzt und anschließend simuliert werden. Wenn die Simulationsergebnisse vorliegen, m¨ussen diese in der Regel f¨ur die Bewertung durch die Fragesteller aufbereitet werden. Der LSS konzentriert sich auf die Bereiche der Modellierung, der Entwicklung von Algorithmen und der Erstellung von Computerprogrammen f¨ur die Simulationsberechnungen. Die anderen Schritte im Simulationsprojekt verlangen entweder problemspezifisches Wissen, wie beispielsweise die Festlegung der Fragestellung sowie die Bestimmung der Modellparameter, oder sind eigenst¨andige Themen, die auch außerhalb der Simulation zum Einsatz kommen. Ein Beispiel f¨ur letztere Kategorie ist das Gebiet der Visualisierung, das f¨ur die Aufbereitung der Simulationsergebnisse eine wichtige Rolle spielt.

290

18.1

Forschungsschwerpunkte

Das Interessensgebiet des Lehrstuhls f¨ur Systemsimulation liegt im Bereich der kontinuierlichen Simulation und umfasst Aspekte der Modellierung, der Umsetzung eines Simulationsmodells in ein Computerprogramm und der Durchf¨uhrung von Berechnungen f¨ur konkrete Anwendungen. Der immer noch anhaltende Zuwachs an verf¨ugbarer Rechenleistung wird in den Simulationsanwendungen durch zunehmend komplexere und hoffentlich realit¨atsn¨ahere Modelle ausgeglichen, so dass der Bedarf an effizienten Methoden f¨ur die Simulationsberechnungen unvermindert groß ist. Eben diese effizienten Methoden und deren Implementierung sind die Forschungsschwerpunkte am Lehrstuhl 10. Besonderes Interesse gilt den sogenannten Multilevel-Verfahren, die sich durch ihre optimale algorithmische Komplexit¨at auszeichnen. In anderen Worten, der Rechenaufwand f¨ur Multilevel-Verfahren ist direkt proportional zur Problemgr¨oße. Damit erlauben es diese Verfahren, Probleme zu behandeln, die weit außerhalb der Reichweite anderer Ans¨atze liegen. Gerade auf Superrechnern und den dort bearbeiteten Problemgr¨oßen sind Multilevel-Verfahren unverzichtbar geworden. Werden diese Verfahren jedoch mit adaptiver Verfeinerung kombiniert und auf parallelen Architekturen implementiert, so ist der Programmieraufwand betr¨achtlich. Neben der Weiterentwicklung der Algorithmen selbst stehen deshalb zunehmend auch Fragen des Software-Engineering im Vordergrund der Forschung. Eine rein objektorientierte Vorgehensweise, die auf Grund der Komplexit¨at des Programmierproblems w¨unschenswert erscheinen mag, erf¨ullt (noch) nicht die Anforderungen an die Geschwindigkeit der Ausf¨uhrung und wird daher durch Mischtechniken ersetzt. Neben der Entwicklung neuer Algorithmen wird auch der Einfluss der Rechnerarchitektur auf die Implementierung bekannter Verfahren untersucht. Ein Schwerpunkt besteht in der optimierten Ausnutzung der Speicherhierarchien, insbesondere Caches, wie sie moderne Architekturen aufweisen. Dar¨uber hinaus gilt das Interesse auch dem Einsatz von vergleichsweise kosteng¨unstigen Parallelrechnern, den sogenannten Workstationclustern, die aus vernetzten Arbeitsplatzcomputern aufgebaut werden. Neben den eher klassisch zu nennenden Diskretisierungsmethoden wie Finite Differenzen und Finite Elemente, die zu den algebraischen Gleichungssystemen f¨uhren, die es dann mit Multilevel-Techniken zu l¨osen gilt, werden am Lehrstuhl auch neuere Ans¨atze wie Lattice-Boltzmann-Methoden untersucht. Lattice-Boltzmann-Methoden haben sich bei der Berechnung von Mehrphasenproblemen als robuste und flexible Diskretisierungstechnik erwiesen. In Zusammenarbeit mit anderen Lehrst¨uhlen, die sich auf die Anwendung dieser Techniken auf konkrete Probleme konzentrieren, wird am Lehrstuhl die effiziente Umsetzung dieser Methoden untersucht. Numerische Simulation mit H¨ochstleistungsrechnern 291

Am Lehrstuhl ist auch die Professur f¨ur Informatik ”Numerische Simulation mit H¨ochstleistungsrechnern” angesiedelt. F¨ur weitere Informationen wird auf die betreffenden Seiten der Arbeitsgruppe von Professor Pflaum verwiesen.

18.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung

Seit November 2004 betreibt der Lehrstuhl f¨ur Systemsimulation seinen eigenen Rechnerverbund mit 52 Prozessoren f¨ur parallele numerische Simulationen. Der Rechnerverbund besteht aus neun Doppelprozessor- und acht Vierprozessormaschinen sowie einem eigenen Dateiserver. In allen Maschinen kommen AMD Opteron Prozessoren mit 2.2 GHz Taktfrequenz und 1 MB Level 2 Cache zum Einsatz. Die Vierprozessorknoten verf¨ugen u¨ ber 16 GByte und die Doppelprozessorknoten u¨ ber 4 GB Hauptspeicher (DDR 333). Zwischen den Vierprozessorrechnern kommt ein Infiniband-Netz mit einer Bandbreite von 10 GBit/s zum Einsatz, w¨ahrend die Doppelprozessorrechner mit Gigabit-Ethernet vernetzt sind. Insbesondere die akkumulierte Hauptspeichergr¨oße von 128 GByte, die verh¨altnism¨aßig schnelle Netzverbindung und die hohe Bandbreite der einzelnen Prozessoren zum lokalen Speicher in den Vierfachmaschinen machen den Rechnerverbund zu einer attraktiven Plattform f¨ur speicherintensive Berechnungen.

18.3

Kooperationsbeziehungen

• Adam Opel GmbH, R¨usselsheim (Dr. S. Fell) • Australian National University, Canberra, Mathematics (Dr. Stals) • BASF (Heilmann) • Chalmers University of Technology, G¨oteborg (Prof. P. Jacobsson) • Commissariat a` l’Energie Atomique, Grenoble (J. Pauchet) • DANA Sealing Products, Ulm (Dr. R. Str¨obel) • Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum, Stuttgart (Prof. A. Friedrich) • European Commission Joint Research Center, Petten NL (G. Tsotridis) • Fraunhofer SCAI (Dr. Wienands) • IIT Delhi (Prof. Buwa)

292

• IIT Kharagpur (Prof. Chakraborty) • InuTech GmbH, N¨urnberg • LAS-CAD GmbH, M¨unchen • Lawrence Livermore National Laboratory (Dr. Quinlan, Dr. Falgout) • Los Alamos National Laboratory (Dr. Bergen) • LRZ M¨unchen • Ludwig Maximilians Universit¨at M¨unchen, Geophysik (Bunge/Mohr) • Paul Scherer Institut, Villingen (Dr. Adelmann) • Ovidius Universit¨at Constanta (Prof. Popa) • Ruhr Universit¨at Bochum, Anorganische Chemie (Dr. Schmid) • SGL Tecnologies GmbH, Meitingen (P. Wilde) • Siemens, UB Med (Dr. Kowarschik, T. Pohl) • Siemens, Simulation Center, Erlangen (A. Wilhelm) • Siemens, Power Generation (Butterlin) • SOLVAY SOLEXIS S.p.A., Bollate, Italien (D. Facchi) • Technion Israel Institute of Technology, Computer Science (Prof. Yavneh) • Technische Universit¨at M¨unchen (Prof. Bode, Prof. Bungartz, Prof. Rank, Prof. M¨uller, Dr. Krafczyk) • Universit¨at M¨unster, Institut f¨ur Biomagnetismus und Biosignalanalyse (Dr. Wolters) • Universit¨at zu K¨oln, Mathematisches Institut (Dr. Wienands) • Universit¨at Torun (Dr. R. Gruszczynski) • Universit¨at Tel Aviv (A. Fehm) • University of Colorado, Boulder, Mathematics (Prof. McCormick, Prof. Manteuffel) • University of Houston, Computer Science (Prof. Garbey) 293

• University of Kentucky, Computer Science (Prof. Douglas) • Volvo Technology Corporation, G¨oteborg (A. Grant, PhD) • Zentrum f¨ur Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-W¨urttemberg, Ulm (Dr. C. Hartnig) • University of Utah, Computer Science (Prof. Johnson) Aufenthalte von Gastwissenschaftlern • Prof Arndt Poetzsch-Heffter (Univ. Kaiserslautern), 23.1.06 • Prof. C. Popa (Ovidius-Universit¨at, Constanta, Romania, mehrmals j¨ahrlich, zuletzt 5.-11.4.2008 • Prof. Desmond Higham (Univ. of Strathclyde, Glasgow), 21.-29.3.2006 • Dr. Ben Bergen (Los Alamos National Laboratory, USA) 20.6.2006 • Prof. Arndt Bode (TU M¨unchen), 22.6.2006 • Prof. Wolfgang Nagel (TU Dresden), 22.6.2006 • Christian Haase (K¨oln), 12.-13.7.2006 • Prof. Hans Bungartz (TU M¨unchen), mehrmals, zuletzt 23.-25.11.2006 • Prof. Manfred Krafczyk (TU Braunschweig), 9.-14.10.2006 • Dr. Stefan Mayer (MSC Software), 2.11.06 • Prof. Michael Griebel (Univ. Bonn), 23.11.06 • Prof. Irad Yavneh (Technion, Haifa, Israel), 6.-9.3.2007 • Prof. Sivan Toledo (Univ. Tel Aviv, Israel) 25.-31.3.2007 • Dr. Lars Grasedyck (MPI v. Math. u. Naturwiss. Leipzig) 19.4.2007 • Dr. Carsten Wolters, mehrmals, zuletzt 19.4.2007 • Prof. Thomas Sterling (CalTech), 30.6.07 • Prof. Christian Bischof (RWTH Aachen) 30.6.2007 • Dr. Scott MacLachlan (Univ. of Minnesota) 3.7.2007 294

18.4

Wissenschaftliche Tagungen

• Seminar 06071 Architectures and Algorithms for Petascale Computing, Dagstuhl, 12.02. – 17.02.2006 • 8th Workshop Parallel Systems and Algorithms (PASA 2006), Frankfurt, 16.03.2006 • Workshop Perspectives of High End Computing, Erlangen, 17.03.2006 • 77th Annual Meeting of the Gesellschaft f¨ur Angewandte Mathematik und Mechanik e.V., Berlin, 27.03. – 31.03.2006 • SIAM Conference on Imaging Science, Minneapolis, 15.05. – 17.05.2006 • 8. Forschungsseminar Wissenschaftliches Rechnen, Ulm, 17.05.2006 • International Conference on Computational Science ICCS 2006, Reading, 28.05. – 31.05.2006 • International Supercomputer Conference ISC 2006, Dresden, 27.06. – 30.06.2006 • SIAM Annual Meeting, Boston, 10.07. – 14.07.2006 • ICMMES 2006, Hampton, 25.07. – 28.07.2006 • International Conference of Applied Mathematics, Plovdiv, 12.08. – 18.08.2006 • EUROPAR 2006, Dresden, 29.08. – 01.09.2006 • ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation, Wien, 02.09. – 04.09.2006 • Studia Logica International Conference – Trends in Logic IV, Torun, 01.09. 04.09.2006 • ECCOMAS CFD 2006, Egmond aan Zee, 05.09. – 08.09.2006 • ASIM 2006 – 19th Symposium Simulationstechnik, Hannover, 12.09. 14.09.2006 • VMV 06 – Vision, Modeling and Visualization, Aachen, 22.11. – 24.11.2006 • SIAM CS&E 2007, SIAM Conference on Computational Science and Engineering, Costa Mesa, USA, 19.02. – 23.02.2007 • Forschungsseminar Wissenschaftliches Rechnen, St. Augustin, 12.03.2007 295

• 13th Copper Mountain Conference on Multigrid Methods, Copper Mountain, USA, 19.03. – 23.03.2007 • ParCFD 07 – International Conference on Parallel Computational Fluid Dynamics, Antalya, 21.05. – 24.05.2007 • 3rd Erlangen High-End-Computing Symposium KONWIHR Results Workshop, Erlangen, 02.07.2007 • ICIAM07 – International Congress on Industrial and Applied Mathematics, Z¨urich, 16.07. – 20.07.2007 • ICCMES07 – The Fourth International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science, M¨unchen, 16.07. – 20.07.200• VMV07 – Vision, Modelling, Visualization, Saarbr¨ucken, 07.11. – 09.11.2007 • 3rd Joint HLRB and KONWIHR Result and Reviewing Workshop, Garching, 04.12.2007 • PASA08, 9th Workshop on Parallel Systems and Algorithms, GI/ITG, Dresden, 26.02.2008 • PP08, SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing, Atlanta, 14.03.2008 • Photonics Europe, Strasbourg, 09. – 11.04.2008 • ParCFD08, Parallel Computational Fluid Dynamics 2008, Lyon, 19. – 22.05.2008 • IS08, SIAM Conference on Imaging Science 2008, San Diego, 07.-09.07.2008 • SIAM Annual Meeting 2008, San Diego, 07. – 11.07.2008 • CTAC08, The 14th Biennial Computational Techniques and Applications Conference, Canberra, 13. – 16.07.2008 • VIS 2008, IEEE Visualization Conference 2008, 19. – 24.10.2008 • EMG08, European Multigrid Conference, Bad Herrenalb, 20. – 23.10.2008 • HipHaC’08, New Frontiers in High-performance and Hardware-aware Computing, Lake Como, 08.11.2008

296

18.5

Forschungsprojekte

18.5.1

Bavarian Graduate School of Computational Engineering (BGCE)

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Dr.-Ing. Harald K¨ostler Dipl.-Inf. Christoph Freundl Beginn: 1.1.2005 Kontakt: Dr.-Ing. Harald K¨ostler Tel.: 09131 85 28359 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected]

Publikationen –

R¨ude, Ulrich: CS&E between Mathematics, Computer Science, and Applications .Vortrag: SIAM Conference on Computational Science and Engineering, SIAM, Costa Mesa, USA, 22.02.2007

–

R¨ude, Ulrich: How Does Scientific Publishing Work .Vortrag: Course ”Scientific Publishing”, held jointly by the Bavarian Graduate School in Computational Engineering and theDoctorate Program Identification, Optimization and Control withApplications in Modern Technologieswithin the Elite Network of Bavaria (ENB) , Lehrstuhl f¨ur Systemsimulation, FAU, Erlangen, 11.01.2007

–

R¨ude, Ulrich: Keeping CS&E Curricula Focussed and Balanced .Vortrag: International Congress on Industrial and Applied Mathematics, Z¨urich, 18.07.2007

–

R¨ude, Ulrich: Simulieren geht u¨ ber Probieren. Virtuelle Welten mit Supercomputern .Vortrag: Jahr der Informatik, Collegium Alexandrinum, Erlangen, 18.05.2006

–

Freundl, Christoph ; K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: Teaching the Foundations of Computational Science on the Undergraduate Level . In: Sloot, M.A. ; Dongarra, J. (Hrsg.) : Computational Science – ICCS 2006: 6th International Conference, Reading, UK, May 28-31, 2006. Proceedings, Part II (ICCS 2006 : ”Advancing Science through Computation” Reading, UK 28.-31. Mai 2006). Berlin297

Heidelberg : Springer, 2006, S. 185–192. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 3992) – ISBN 3-540-34381-4 –

R¨ude, Ulrich: Computational Science and Engineering Education .Vortrag: Tagung ”Computational Engineering – Forschung und Lehre, Darmstadt, 24.2.2005

–

Fabricius, Uwe ; Freundl, Christoph ; K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: High Performance Computing Education for Students in Computational Engineering . In: Sunderam, Vaidy S. ; Van Albada, Geert D. ; Sloot, Peter M.A. ; Dongarra, Jack J. (Hrsg.) : Computational Science – ICCS 2005 (Fifth International Conference on Computational Science Atlanta 22.-25. Mai 2005). Bd. 2. Berlin/Heidelberg/New York : Springer, 2005, S. 27-35. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 3515) – ISBN 3-540-26043-9

–

R¨ude, Ulrich: Teaching Computational Engineering through Student Projects .Vortrag: SIAM CSE Conference 2005, Workshop CSE Education, Orlando, 13.02.2005

–

Johnson, C.R. ; Keyes, D. ; R¨ude, Ulrich: Editorial . In: Johnson, C.R. ; Keyes, D. ; R¨ude, Ulrich (Hrsg.) : Special Issue on Computational Science and Engineering. Bd. 30. Philadelphia : SIAM, 2008.

–

Bader, Michael ; Bungartz, H.-J. ; R¨ude, Ulrich: Preface . In: Int. J. Computational Science and Engineering 4 (2008), Nr. 1, S. 1-2

18.5.2

Beweistheorie in der Deskriptiven Komplexit¨atstheorie

Projektleitung: Dr. Wolfgang Degen Beginn: 1.1.2000 F¨ur die in der Deskriptiven Komplexit¨atstheorie (oder Endlichen Modelltheorie) verwendeten Logiken (wie DTC, TC, Fixpunktlogiken, Logiken zweiter Stufe, Logiken mit verallgemeinerten Quantoren, etc.) gibt es keine finit¨aren Kalk¨ule, die die allgemeing¨ultigen S¨atze generieren; schon f¨ur FOL gibt es keinen finit¨aren Kalk¨ul, der alle S¨atze liefert, die in allen endlichen Modellen wahr sind. Dennoch existieren meistens Kalk¨ule mit infinit¨aren Regeln, die genau die (im Endlichen) allgemeing¨ultigen S¨atze der betreffenden Logik herleiten. Hierbei gen¨ugen bereits Anwendungen der infinit¨aren Regeln, die eine sehr geringe komputationelle (und deskriptive!) Komplexit¨at besitzen. Ziele des Projekts: 298

(a) Entwicklung spezifisch beweistheoretischer Methoden zur Bestimmung der Ausdrucksst¨arke der betreffenden Logiken (b) Komplementierung des (semantischen) Model-Checking durch formale (eventuell infinit¨are!) Herleitbarkeit. (Weiteres siehe Webseite) Publikationen –

Degen, Wolfgang ; Werner, J.M.: Towards Intuitionistic Dynamic Logic .Vortrag: Studia Logica International Conference – Trends in Logic IV, Tor`un, Polen, 03.09.2006

18.5.3

DECODE: Untersuchung von Degradationsmechanismen zur Verbesserung von Komponenten und Design von PE-Brennstoffzellen

Projektleitung: Deutsches Zentrum f¨ur Luft- und Raumfahrt e.V., Stuttgart Beteiligte: Stefan Donath, M. Sc. Dipl.-Ing. Frank Deserno Prof. Dr. Ulrich R¨ude Prof. Dr. Klaus Mecke Dipl.-Phys. Christian Goll Dr. Thomas Zeiser Laufzeit: 1.1.2008–31.3.2011 F¨orderer: Europ¨aische Kommission Mitwirkende Institutionen: Deutsches Zentrum f¨ur Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Stuttgart, Germany Chalmers University of Technology, G¨oteborg, Sweden Commissariat a` l’Energie Atomique (CEA), Grenoble, France DANA Sealing Products – Victor Reinz, REINZ-Dichtungs-GmbH, Ulm, Germany Adam Opel GmbH, R¨usselsheim, Germany European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Energy (JRC-IE), Petten, Netherlands SGL Technologies GmbH, Meitingen, Germany SOLVAY Solexis S.p.A., Bollate, Italy Volvo Technology AB, G¨oteborg, Sweden Zentrum f¨ur Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-W¨urttemberg (ZSW), 299

Ulm, Germany Kontakt: Stefan Donath, M. Sc. Tel.: 09131 85 28690 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected] Das Ziel des DECODE-Projekts ist es, die Lebensdauer von Brennstoffzellen f¨ur die Anwendung im automobilen Bereich zu verl¨angern. Es ist bekannt, dass fl¨ussiges Wasser eine wichtige Rolle im Sch¨adigungsprozess der Brennstoffzelle spielt. Jedoch wurde dieser Einfluss bisher noch nicht ausreichend wissenschaftlich beleuchtet. Deshalb zielt DECODE darauf ab, das charakteristische Verhalten in Bezug auf Degenerierung und Fehlfunktion mit speziellem Fokus auf die Interaktion mit fl¨ussigem Wasser zu untersuchen. Die Arbeit wird quantitativ wesentliche Degradationsmechanismen in der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) unter verschiedenen Testbedingungen aufkl¨aren, n¨amlich Dauertest, Nass-/Trocken-Zyklen sowie Start- und AbschaltBedingungen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen soll die Lebensdauer der PEFC verbessert werden. Der Projektverlauf ist in drei Phasen unterteilt: In der ersten kurzen Phase, der Spezifikations- und Definitionsphase, werden Materialen, Komponenten sowie Testund Betriebsbedingungen festgelegt. In der zweiten Phase, der Analysephase, sollen die einzelnen Degradationsprozesse der Komponenten und deren Zusammenhang untersucht werden. Dies umfasst die grundlegende Erforschung der Membrane und Elektroden in Work Package 3, die Analyse der por¨osen Schichten in Work Package 4 und die Untersuchung der Bipolarplatten in Work Package 5. Die Arbeiten in diesen drei Work Packages bedienen sich neuartiger Methodologien, komplizierte Charakterisierung der Komponenten sowie der Modellierung und Simulation des Wassertransports und der Interaktion des Wassers mit den Komponenten. In der dritten Phase wird das erworbene Wissen um die Degradationsmechanismen in einen technologischen Prozess umgesetzt. Dies beinhaltet die Entwicklung neuartiger Betriebsstrategien f¨ur Brennstoffzellen um die Verschlechterung abzuschw¨achen und die Komponenten und das Einzelzelldesign zu verbessern. Die Universit¨at Erlangen hat in diesem Projekt die spezielle Aufgabe, den Wassertransport im Gasdiffusionsmedium zwischen dem Polymer und den Bipolarplatten zu modellieren und simulieren. Diese Schicht besteht einerseits aus einer sogenannten mikropor¨osen Schicht (MPL) mit Porengr¨oßen im Nanometerbereich und andererseits aus einem Fasersubstrat mit Zwischenr¨aumen im Mikrometerbereich. W¨ahrend Prof. Mecke in der MPL molekulare Gasdynamik anwendet, simuliert Prof. R¨ude das Wasser im Fasersubstrat mit einer Erweiterung der Lattice-Boltzmann Methode f¨ur freie Oberfl¨achen und por¨ose Medien. Diese Simulationen m¨ussen die unterschiedlichen Eigenschaften 300

von neuen und gesch¨adigtem Material ber¨ucksichtigen. Publikationen –

Feichtinger, Christian ; G¨otz, Jan ; Donath, Stefan ; Iglberger, Klaus ; R¨ude, Ulrich: waLBerla: Exploiting Massively Parallel Systems . Erlangen : FAU. 2008 (08-2). – Interner Bericht. 20 Seiten

–

Donath, Stefan ; G¨otz, Jan ; Bergler, Silke ; Feichtinger, Christian ; Iglberger, Klaus ; R¨ude, Ulrich: waLBerla: The Need for Large-Scale SuperComputers . In: Wagner, S. ; Steinmetz, M. ; Bode, A. ; Brehm, M. (Hrsg.) : High Performance Computing in Science and Engineering Garching-Munich 2007 (Third Joint HLRB and KONWIHR Status and Result Workshop Garching 03.12.-04.12.2007). Berlin Heidelberg : Springer, 2008, S. 459-473. – ISBN 978-3-540-69181-5

18.5.4

Doppelmasterabschluss in Computational Science and Engineering

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Dr.-Ing. Harald K¨ostler Beginn: 1.8.2008 F¨orderer: DAAD Kontakt: Dr.-Ing. Harald K¨ostler Tel.: 09131 85 28359 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected] Ab dem Wintersemester 2008/09 ist es f¨ur Erlanger Studenten im Masterprogramm Computational Engineering m¨oglich, mit nur einem Studium die Abschl¨usse zweier f¨uhrender europ¨aischer Universit¨aten zu bekommen. Masterstudenten, die diese Option wahrnehmen m¨ochten, m¨ussen je ein Jahr des zweij¨ahrigen ComputationalEngineering-Studiums in Erlangen und an der K¨oniglichen Technischen Hochschule Stockholm studieren. Es werden dann beide Universit¨aten ihre Abschl¨usse verleihen und damit dem Absolventen einen wichtigen Vorteil auf dem internationalen Arbeitsmarkt verschaffen. Das Programm ist beidseitig angelegt. Erlanger Studenten k¨onnen nach erfolgreichem Abschluss des ersten Studienjahres nach Stockholm wechseln, schwedische Studenten k¨onnen f¨ur ihr zweites Studienjahr nach Erlangen kommen. 301

Der DAAD unterst¨utzt das Doppel-Master-Programm mit Reisemitteln und wird Studenten, die in diesem Programm studieren, mit Stipendien f¨ordern. 18.5.5

FreeWiHR – Simulation von Metallsch¨aumen

Projektleitung: PD Dr. Carolin K¨orner, Akad. ORat Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Dipl.-Phys. Markus Oechsner Pohl, Thomas Th¨urey, Nils Beginn: 1.1.2003 F¨orderer: KONWIHR Kontakt: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Tel.: 09131 85 28924 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected] Die erfolgreiche Herstellung neuer Materialien setzt in den meisten F¨allen die Beherrschung sehr komplexer technologischer Prozesse voraus. Ein besonders hilfreiches Mittel bildet hierbei die numerische Simulation. Sie dient sowohl zum Studium der Prozesskontrolle als auch zur Erh¨ohung des Prozessverst¨andnisses. Dabei gewinnt in den letzten Jahren die Methode der Zellularen Automaten (ZA) zunehmend an Bedeutung. Zellulare Automaten stellen eine ideale Methode dar, um physikalische Ph¨anomene zu modellieren, die bei der Herstellung von Werkstoffen auftreten. Dazu z¨ahlen unter anderem die Ausbildung von Kornstrukturen oder von Dendriten bei einer Erstarrung. Spezialformen der ZA, wie die Lattice Gas oder Lattice Boltzmann Methode (LBM) eignen sich in hervorragender Weise zur Modellierung von Prozessen, bei denen Str¨omungen in komplexen, ver¨anderlichen Geometrien auftreten. Dies sind nun genau die Situationen, die bei der Herstellung von Metallschaum oder von Verbundwerkstoffen durch Infiltration von Faser- oder Pulverpreforms auftreten. Zur Modellierung m¨ussen sowohl beim Schaum als auch bei den Verbundwerkstoffen freie Oberfl¨achen beschrieben werden. F¨ur die Beschreibung freier Oberfl¨achen im Rahmen der LBM in zwei Raumdimensionen wurde in den letzten drei Jahren am Lehrstuhl WTM erfolgreich ein Algorithmus entwickelt und implementiert. Diese erfolgversprechenden Ans¨atze sollen als Grundlage einer optimierten, auf drei Raumdimensionen erweiterten Modellierung u¨ bertragen werden. Allerdings f¨uhrt die 302

Erweiterung auf drei Raumdimensionen auf einen um den Faktor 1000 – 10000 h¨oheren Rechenaufwand, der nur mit Hilfe von H¨ochstleistungsrechnern (HLR) in realistischen Zeiten zu bew¨altigen ist. Ziel des geplanten Projektes ist es daher, in einem Verbund der Lehrst¨uhle Werkstoff¨ kunde und Technologie der Metalle (WTM) und Informatik 10 (LSS) die Ubertragung des Modells auf den HLR herzustellen. Am Lehrstuhl WTM soll dabei der Schwerpunkt auf der Entwicklung numerischer 3D-Verfahren f¨ur die Modellierung von komplexen dreidimensionalen Problemen mit freien Oberfl¨achen auf der Grundlage der LBM liegen. Am Lehrstuhl f¨ur Systemsimulation sollen Datenstrukturen untersucht und entwickelt werden, die zum einen an die komplizierten physikalischen Strukturen, z. B. Hohlr¨aume in Metallsch¨aumen, angepasst sind und zum anderen die vorgegebene Hardware optimal ausnutzen (verschiedene Kommunikationsarten, Lastbalancierung, Cache-Hierarchien). Publikationen –

De Sterck, H. ; Markel, R.S. ; Pohl, Thomas ; R¨ude, Ulrich: A Lightweight Java Taskspaces Framework for Scientific Computing on Computational Grids . In: ACM (Veranst.) : Proceedings of the 2003 ACM Symposium on Applied Computing (ACM Symposium on Applied Computing Melbourne(USA) 09.12.03.2003). 2003, S. 1024-1030.

–

Wilke, Jens ; Pohl, Thomas ; Kowarschik, Markus ; R¨ude, Ulrich: Cache Performance Optimizations for Parallel Lattice Boltzmann Codes . In: Kosch, H. ; B¨osz¨orm´enyi, L. ; Hellwagner, H. (Hrsg.) : Euro-Par 2003. Parallel Processing. Berlin : Springer, 2003, S. 441-450. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2790)

–

Wilke, Jens ; Pohl, Thomas ; Kowarschik, Markus ; R¨ude, Ulrich: Cache Performance Optimizations for Parallel Lattice Boltzmann Codes in 2D . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg. 2003 (03-3). – Interner Bericht

–

Pohl, Thomas ; Kowarschik, Markus ; Wilke, Jens ; Iglberger, Klaus ; R¨ude, Ulrich: Optimization and Profiling of the Cache Performance of Parallel Lattice Boltzmann Codes . In: Parallel Processing Letters 13 (2003), Nr. 4, S. 549-560

–

Pohl, Thomas ; Kowarschik, Markus ; Wilke, Jens ; Iglberger, Klaus ; R¨ude, Ulrich: Optimization and Profiling of the Cache Performance of Parallel Lattice Boltzmann Codes in 2D and 3D . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg. 2003 (03-8). – Interner Bericht 303

–

Th¨urey, Nils ; Pohl, Thomas ; K¨orner, Carolin ; R¨ude, Ulrich: Simulation von Metallschaum mittels der Lattice-Boltzmann Methode . In: Konwihr Quartl 35 (2003), S. 4-8

–

Pohl, Thomas ; Th¨urey, Nils ; Deserno, Frank ; R¨ude, Ulrich ; Lammers, Peter ; Wellein, Gerhard ; Zeiser, Thomas: Performance Evaluation of Parallel LargeScale Lattice Boltzmann Applications on Three Supercomputing Architectures . In: IEEE/ACM (Veranst.) : Proceedings of the IEEE/ACM SC2004 Conference (Supercomputing Conference ’04 Pittsburgh 06. – 12.11.2004). 2004, S. 1-13. ISBN 0-7695-2153-3

–

K¨orner, Carolin ; Pohl, Thomas ; R¨ude, Ulrich ; Th¨urey, Nils ; Hofmann, Torsten: FreeWiHR — LBM with Free Surfaces . Erlangen : Friedrich-AlexanderUniversit¨at Erlangen-N¨urnberg. 2004 (04-6). – Interner Bericht. 15 Seiten

–

Th¨urey, Nils ; R¨ude, Ulrich: Stable free surface Flows with the Lattice Boltzmann method on adaptively coarsened grids . Erlangen : FAU. 2008 (08-1). – Interner Bericht. 18 Seiten

–

Th¨urey, Nils ; R¨ude, Ulrich: Stable free surface flows with the lattice Boltzmann method on adaptively coarsened grids . In: Computing and Visualization in Science (2008)

18.5.6

HHG: Hierarchische Hybride Gitter

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Dipl.-Inf. Tobias Gradl Dr.-Ing. Benjamin Bergen Beginn: 1.1.2006 F¨orderer: Internationales Doktorandenkolleg ”Identifikation, Optimierung und Steuerung f¨ur technische Anwendungen” Kontakt: Dipl.-Inf. Tobias Gradl Tel.: +49 (0) 9131 85-28690 Fax: +49 (0) 9131 85-28928 E-Mail: [email protected] HHG ist ein Mehrgitter-L¨oser f¨ur Finite Elemente auf unstrukturierten Gittern. 304

Das Programm verwendet ein grobes Gitter als Eingabe und verfeinert dieses strukturiert. Die dabei entstehende regul¨are Gitterstruktur erm¨oglicht die Verwendung a¨ ußerst speichersparender Datenstrukturen. Simulationen beeindruckender Gr¨oßenordnung r¨ucken damit in den Bereich des Machbaren. Auf dem HLRB II des LeibnizRechenzentrums M¨unchen wurde auf 9170 Prozessoren ein lineares Gleichungssystem mit 300 Milliarden Unbekannten gel¨ost. Publikationen –

Gradl, Tobias: Adaptive Refinement in Hierarchical Hybrid Grids .Vortrag: Internationales Doktorandenkolleg, ENB, Thurnau, 11.02.2008

–

Bergen, Benjamin ; Wellein, Gerhard ; H¨ulsemann, Frank ; R¨ude, Ulrich: Hierarchical hybrid grids: achieving TERAFLOP performance on large scale finite element simulations . In: International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems 22 (2007), Nr. 4, S. 311-329

–

Bergen, Benjamin ; Freundl, Christoph ; Gradl, Tobias ; R¨ude, Ulrich: Massively Parallel Multigrid for Finite Elements .Vortrag: 13th Copper Mountain Conference on Multigrid Methods, Copper Mountain, USA, 20.03.2007

–

Gradl, Tobias ; Freundl, Christoph ; R¨ude, Ulrich: Scalability on All Levels for Ultra-Large Scale Finite Element Calculations . Erlangen : FAU. 2007 (07-5). Interner Bericht. 10 Seiten

–

Gradl, Tobias ; Freundl, Christoph ; K¨ostler, Harald: Scalable Parallel Multigrid .Vortrag: 3rd Joint HLRB and KONWIHR Result and Reviewing Workshop, Leibniz-Rechenzentrum Garching, Garching, 04.12.2007

–

Bergen, Benjamin ; Gradl, Tobias ; H¨ulsemann, Frank ; R¨ude, Ulrich: A Massively Parallel Multigrid Method for Finite Elements . In: Computing in Science & Engineering 8 (2006), Nr. 6, S. 56–62

–

Bergen, Benjamin ; Gradl, Tobias ; H¨ulsemann, Frank ; R¨ude, Ulrich: Parallel Solution of a Finite Element Problem with 17 Billion Unknowns .Vortrag: SIAM Annual Meeting, SIAM, Boston, USA, 11.07.2006

–

Gradl, Tobias ; R¨ude, Ulrich: High Performance Multigrid on Current Large Scale Parallel Computers . In: Nagel, Wolfgang E. ; Hoffmann, Rolf ; Koch Andreas (Hrsg.) : 9th Workshop on Parallel Systems and Algorithms (PASA) (9th Workshop on Parallel Systems and Algorithms (PASA) Dresden 26. 02. 2008). Bonn : Gesellschaft f¨ur Informatik, 2008, S. 37-45. (GI Edition: Lecture Notes in Informatics Bd. 124) – ISBN 978-3-88579-218-5 305

–

Gradl, Tobias ; Freundl, Christoph ; K¨ostler, Harald ; Bergen, Benjamin ; R¨ude, Ulrich: Multigrid PDE Solvers on PetaScale Systems .Vortrag: SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing (PP08), SIAM, Atlanta, 14.03.2008

–

Freundl, Christoph ; Gradl, Tobias ; R¨ude, Ulrich: Towards Petascale Multilevel Finite-Element Solvers . In: Bader, David A. (Hrsg.) : Petascale Computing. Algorithms and Applications. Boca Raton / London / New York : Chapman & Hall/CRC, 2008, S. 375-389. – ISBN 978-1-58488-909-0

–

Bergen, Benjamin ; Gradl, Tobias ; Freundl, Christoph ; R¨ude, Ulrich: Large Scale Parallel Multigrid .Vortrag: Minisymposium MS8 @ SIAM CS&E 2007, SIAM, Costa Mesa, CA, USA, 19.02.2007

–

Gradl, Tobias ; R¨ude, Ulrich: Massively Parallel Multilevel Finite Element Solvers on the Altix 4700 . In: inSiDE Supercomputing in Deutschland 5 (2007), Nr. 2, S. 24-29

–

R¨ude, Ulrich: Solving Finite Element Systems with 17 Billion unknowns at sustained Teraflop performance .Vortrag: International Supercomputer Conference ISC 2006, Dresden, 30.6.2006

–

Bergen, Benjamin ; Gradl, Tobias ; H¨ulsemann, Frank ; R¨ude, Ulrich ; Wellein, Gerhard: Towards Petascale Finite Element Solvers .Vortrag: International Conference of Applied Mathematics, Plovdiv, Bulgaria, 13.8.2006

–

R¨ude, Ulrich: Finite Element and Fluid Flow Simulation with High Performance Computers .Vortrag: Seminar u¨ ber Partielle Differentialgleichungen und Numerik, Universit¨at Z¨urich, Z¨urich, 16.11.2006

18.5.7

Intraoperative Simulation der H¨amodynamik in Aneurysmen im menschlichen Gehirn

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Jan G¨otz, M. Sc. Prof. Dr. Arnd D¨orfler Dr. med. Gregor Richter Dr. Kamen Beronov Dipl.-Inf. Markus St¨urmer Beginn: 1.1.2007 306

Mitwirkende Institutionen: Universit¨atsklinikum Erlangen, Neuroradiologische Abteilung Lehrstuhl f¨ur Str¨omungsmechanik Kontakt: Jan G¨otz, M. Sc. Tel.: +49 9131 85 28677 Fax: +49 9131 85 28928 E-Mail: [email protected] Erkrankungen des Kreislaufsystems geh¨oren in Industrienationen, unter anderem auch in Deutschland, zu den h¨aufigsten Todesursachen. Der LSS simuliert in Kooperation mit der neuroradiologischen Abteilung der Universit¨atsklinik Erlangen, dem Lehrstuhl f¨ur Str¨omungsmechanik und dem Lehrstuhl f¨ur Mustererkennung die h¨amodynamische Situation in Gef¨aßerweiterungen, sogenannten Aneurysmen. Dabei wird die Lattice Boltzmann Methode eingesetzt und speziell auf die Anwendung angepasst. Die berechneten Gr¨oßen wie Druck, Geschwindigkeit und Scheerspannungen sollen Aufschluss u¨ ber die Entstehung geben und helfen Aneurysmen gezielt zu behandeln. Um die Simulation zu beschleunigen wird das Verhalten auf Hochleistungsrechnern getestet, unter anderem auch auf dem Cell-Prozessor, der aus der Playstation 3 bekannt ist. Publikationen –

G¨otz, Jan: Simulation of bloodflow in aneurysms using the Lattice Boltzmann method and an adapted data structure . Erlangen : FAU. 2006 (06-6). – Interner Bericht. 10 Seiten

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St¨urmer, Markus ; G¨otz, Jan ; Richter, Gregor ; R¨ude, Ulrich: Blood Flow Simulation on the Cell Broadband Engine Using the Lattice Boltzmann Method . Erlangen : FAU. 2007 (07-9). – Interner Bericht. 14 Seiten

18.5.8

¨ ab initio Molekulardynamiksimulationen ¨ Mehrgitterverfahren fur

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Dr.-Ing. Harald K¨ostler R. Schmid Beginn: 1.1.2006

307

The development of efficient tools to calculate the electronic structure of molecules as well as extended systems on an ab initio level greatly enlarged the importance of theoretical simulation methods for fields like new materials research, catalysis or nanotechnology. The majority of modern computer codes for large scale systems are based on the expansion of electronic wavefunctions and densities in terms of plane waves. However, since some of the necessary integrals are evaluated in Fourier space but others can only be calculated in real space the 3D-FFT is heavily used to transform back and forth. This leads to complications for the parallelization of the approach for massively parallel computer systems. The goal of this project is to provide a fast, parallel multigrid solver that deals with these problems. Publikationen –

K¨ostler, Harald ; Schmidt, Rochus ; R¨ude, Ulrich: Multigrid-Accelerated PoissonSolver for ab-initio Molecular Dynamic Applications .Vortrag: EMG 2005, TU Delft, Scheveningen, 28.9.2005

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Schmid, R. ; Tafipolsky, M. ; K¨onig, P.H. ; K¨ostler, Harald: Car-Parrinello molecular dynamics using real space waverfunctions . In: physica status solidi (b) 243, Issue 5 (2006), S. 1001-1015

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K¨ostler, Harald ; Bergler, Silke ; R¨ude, Ulrich ; Schmid, Rochus: Structured Multigrid for arbitrary meshsizes with application to ab initio Moleculardynamic simulations and image processing .Vortrag: 13th Copper Mountain Conference on Multigrid Methods, Copper Mountain, USA, 19.03.2007

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K¨ostler, Harald ; Schmid, R. ; R¨ude, Ulrich ; Scheit, Ch.: A parallel multigrid accelerated Poisson solver for ab initio molecular dynamics application . In: Computing and Visualization in Science 11 (2008), S. 115-122

18.5.9

Mehrgitterverfahren in der Bildverarbeitung

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Dr.-Ing. Harald K¨ostler Popa, Constantin Kalmoun, El Mostafa Dipl.-Inf. Markus St¨urmer Beginn: 1.1.2002 F¨orderer: 308

Internes Projekt In der Bildverarbeitung werden zunehmend partielle Differentialgleichungen zur Modellierung eingesetzt. Das hiesige Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines Mehrgitter Frameworks f¨ur Variationsans¨atze wobei unter anderem Anwendungen wie z.B. Optical Flow, um Bewegungsfelder in Bildfolgen zu berechnen, Image Inpainting, um Rauschen oder Fehler in Bildern zu korrigieren oder Videos zu komprimieren, nicht-starre Registrierung von medizinischen Datens¨atzen, oder Tomographische Bildrekonstruktion untersucht werden. In diesen F¨allen k¨onnen Mehrgitterverfahren gewinnbringend eingesetzt werden. Im Rahmen des Projektes wird ein Programmpaket entwickelt, das es durch eine parallele Verarbeitung auch erm¨oglicht, mit gr¨oßeren realen medizinischen Datens¨atzen umzugehen. Publikationen –

Pr¨ummer, Markus ; K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich ; Hornegger, Joachim: A full multigrid technique to accelerate an ART scheme for tomographic image reconstruction . In: H¨ulsemann, Frank ; Kowarschik, Markus ; R¨ude, Ulrich (Hrsg.) : 18th Symposium Simulationstechnique ASIM 2005 Proceedings (18th Symposium Simulationstechnique ASIM 2005 Erlangen 12.9. -15.9.2005). Erlangen : SCS Publishing House, 2005, S. 632–637. – ISBN 3-936150-41-9

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K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: A General Framework for Variational Optical Flow and Image Registration Problems Based on a Robust Multigrid Solver .Vortrag: SIAM Conference on Imaging Science, SIAM, Minneapolis, Minnesota, 17.5.2006

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K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich ; Pr¨ummer, Marcus ; Hornegger, Joachim: Adaptive variational sinogram interpolation of sparsely sampled CT data . In: Hong Kong Baptist University (Veranst.) : Proceedings of the ICPR 2006 (International Conference on Pattern Recognition Hongkong 20.-24.08.2006). 2006, S. 1-4.

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Popa, Constantin: Algebraic multigrid for general inconsistent linear systems: Preliminary results . Erlangen : FAU. 2006 (06-2). – Interner Bericht. 16 Seiten

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K¨ostler, Harald ; Popa, Constantin ; R¨ude, Ulrich: Algebraic multigrid for general inconsistent linear systems: The correction step . Erlangen : F. 2006 (06-4). Interner Bericht. 10 Seiten

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Zheng, Yuanfang ; K¨ostler, Harald ; Th¨urey, Nils ; R¨ude, Ulrich: Enhanced Motion Blur Calculation with Optical Flow . In: Aka GmbH (Hrsg.) : RWTH Aachen 309

(Veranst.) : Proceedings of Vision, Modeling and Visualization 2006 (Vision, Modeling and Visualization Aachen 22. – 24. Nov 2006). Aachen : IOS Press, 2006, S. 253–260. – ISBN Erscheinungsjahr –

K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: Including Landmark Based Information in Optical Flow Problems .Vortrag: 77th Annual Meeting of the Gesellschaft f¨urAngewandte Mathematik und Mechanik e.V., GAMM, Berlin, 30.03.2006

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Kalmoun, E.M. ; K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: 3D optical flow computation using a parallel variational multigrid scheme with application to cardiac C-arm CT motion . In: Image Vision Comput 25 (2007), Nr. 9, S. 1482–1494

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Mayer, Markus ; Borsdorf, Anja ; K¨ostler, Harald ; Hornegger, Joachim ; R¨ude, Ulrich: Nonlinear Diffusion vs. Wavelet Based Noise Reduction in CT Using Correlation Analysis . In: Lensch, H.P.A. ; Rosenhahn, B. ; Seidel, H.-P. ; Slusallek, P. ; Weickert, J. (Hrsg.) : Vision, Modeling, and Visualization 2007 (Vision, Modeling, and Visualization 2007, VMV07 Saarbr¨ucken 07.–09. Nov). 2007, S. 223232. – ISBN 978-3-940739-00-1

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K¨ostler, Harald ; Popa, Constantin ; Pr¨ummer, Marcus ; R¨ude, Ulrich: Towards an Algebraic Multigrid Method for Tomographic Image Reconstruction – Improving Convergence of ART . In: Wesseling, P. ; Onate, E. ; P´eriaux, J. (Hrsg.) : ECCOMAS CFD 06 (European Conference on Computational Fluid Dynamics Egmond aan Zee, NL 05. – 08. Sept. 2006). 2006, S. 1–8.

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Mayer, Markus ; Borsdorf, Anja ; K¨ostler, Harald ; Hornegger, Joachim ; R¨ude, Ulrich: Nonlinear Diffusion Noise Reduction in CT Using Correlation Analysis . In: Hornegger, Joachim ; Mayr, E. ; Schookin, S. ; Feußner, Hubertus ; Navab, N. ; Gulyaev, Y. ; H¨oller, Kurt ; Ganzha, V. (Hrsg.) : 3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering. Erlangen : Union aktuell, 2008, S. 155-159.

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St¨urmer, Markus ; K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: A fast full multigrid solver for applications in image processing . In: Numerical Linear Algebra with Applications 15 (2008), S. 187-200

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K¨ostler, Harald: A Multigrid Framework for Variational Approaches in Medical Image Processing and Computer Vision . Erlangen, FAU, Diss., 2008

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Han, Jingfeng ; K¨ostler, Harald ; Bennewitz, C. ; Kuwert, Torsten ; Hornegger, Joachim: Computer-aided evalutation of anatomical accuracy of image fusion between X-ray CT and SPECT . In: Computerized Medical Imaging and Graphics 32 (2008), Nr. 5, S. 388-395

310

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K¨ostler, Harald ; Ruhnau, K. ; Wienands, R.: Multigrid solution of the optical flow system using a combinde diffusion- and curvature-based regularizer . In: Numerical Linear Algebra with Applications 15 (2008), S. 201-218

18.5.10

¨ bioelektriParallele L¨oser und effiziente Diskretisierungsmethoden fur sche Feldberechnungen

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Dipl.-Inf. Christoph Freundl M¨oller, Christian Dr.-Ing. Harald K¨ostler H¨ardtlein, Jochen Dr. rer. nat. Carsten Wolters Beginn: 1.1.2006 Kontakt: Dr.-Ing. Harald K¨ostler Tel.: 09131 85 28359 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected] The reconstruction of the bioelectric field in the human brain from non-invasive measurements like electroencephalographic recordings (EEG) has the potential to become a powerful tool in neurology. From a mathematical point of view, the reconstruction can be considered as an inverse problem, which can be solved by repeated numerical simulations of the potential distribution, that we call forward problem, for assumed dipolar current sources in the brain. The sources to be localized during the inverse problem and to be modeled in the forward problem are electrolytic currents within the dendrites of the large pyramidal cells of activated neurons in the cortex sheet of the human brain. The resulting primary current is generally formulated as a mathematical dipole. In our project we are interested in the modelling of the mathematical dipoles and the efficient solution of the forward and inverse problem. Publikationen –

K¨ostler, Harald: An accurate multigrid solver for computing singular solutions of elliptic problems . In: The Center for Applied Scientific Computing-Lawrence ; 311

Livermore National Laboratory ; Los Alamos National Laboratory ; Front Range Scientific Computations, Inc. (Veranst.) : Abstracts Of the 12th Copper Mountain Conference on Multigrid Methods (12th Copper Mountain Conference on Multigrid Method Copper Mountain 3.4.2005 – 8.4.2005). 2005, S. 1-11. –

K¨ostler, Harald: Extrapolation Techniques for Computing Accurate Solutions of Elliptic Problems with Singular Solutions .Vortrag: 12th Copper Mountain Conference on Multigrid Methods, Copper Mountain, 07.04.2005

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Freundl, Christoph ; K¨ostler, Harald: Using ParExPDE for the numerical solution of bioelectric field problems . In: H¨ulsemann, Frank ; Kowarschik, Markus ; R¨ude, Ulrich (Hrsg.) : 18th Symposium Simulationstechnique ASIM 2005 Proceedings (18th Symposium Simulationstechnique ASIM 2005 Erlangen 12.9. -15.9.2005). Erlangen : SCS Publishing House, 2005, S. 89–94. – ISBN 3-936150-41-9

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K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: An accurate multigrid solver for computing singular solutions of elliptic problems . In: Numerical Linear Algebra with Applications 13 (2006), Nr. 2-3, S. 231-249

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Mohr, Marcus ; Popa, Constantin ; R¨ude, Ulrich: Analysis of a Preconditioned CG Method for an Inverse Bioelectric Field Problem . In: Ion, Stelian ; Marinoschi, Gabriela ; Popa, Constantin (Hrsg.) : Mathematical Modelling of Environmental and Life Sciences Problems (Proc. of 4th workshop, Sept 2005, Constanta, Romania) (4th Workshop on Mathematical Modelling of Environmental and Life Sciences Problems Constanta, Romania Sept 2005). Bukarest : Editura Academiei Romane, 2006, S. 135–146. – ISBN 976-27-1358-5

18.5.11

ParExPDE II – Effiziente objekt-orientierte Mehrgitterverfahren und Anwendungen

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Prof. Dr. Christoph Pflaum Beteiligte: Dipl.-Inf. Christoph Freundl Beginn: 1.11.2003 Kontakt: Dipl.-Inf. Christoph Freundl E-Mail: [email protected] Im Rahmen des von KONWIHR gef¨orderten Projektes Par-EXPDE entstand eine Bibliothek f¨ur die numerische Behandlung von partiellen Differentialgleichungen. 312

Diese Bibliothek zeichnet sich durch ihre Benutzerfreundlichkeit aus, w¨ahrend die mit ihr erstellten Programme dank der Verwendung sog. Expression Templates sehr effizient bzgl. der Ausf¨uhrungsgeschwindigkeit sind. Desweiteren erm¨oglicht sie eine f¨ur den Anwender transparente Parallelisierung f¨ur die Benutzung auf Hochleistungsrechnern oder Clustern von Workstations. Ziel des Projektes ist die weitergehende Entwicklung der Bibliothek im Hinblick auf Anwendungen in den Bereichen: • Simulation von Festk¨orperlasern • Berechnung bioelektrischer Felder • Simulation von Nanopartikeln Publikationen –

Freundl, Christoph ; Bergen, Benjamin ; H¨ulsemann, Frank ; R¨ude, Ulrich: Expression Templates and Advanced PDE Software Design on the Hitachi SR8000 . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg. 2004 (04-7). Interner Bericht. 14 Seiten

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Freundl, Christoph ; Bergen, Benjamin ; H¨ulsemann, Frank ; R¨ude, Ulrich: ParEXPDE: Expression Templates and Advanced PDE Software Design on the Hitachi SR8000 . In: Bode, A. ; Durst, Franz (Hrsg.) : High Performance Computing in Science and Engineering, Garching 2004 (KONWIHR Results Workshop Garching 14.10.-15.10.2004). Berlin/Heidelberg : Springer, 2005, S. 167-179. ISBN 3-540-26145-1

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18.5.12

¨ zukunftige ¨ Performance-Optimierung fur Hardware

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Stefan Donath, M. Sc. 313

Dipl.-Inf. Markus St¨urmer Beginn: 1.6.2006 Kontakt: Stefan Donath, M. Sc. Tel.: 09131 85 28690 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected] Um auf Computern hohe Geschwindigkeiten f¨ur numerische Anwendungen zu erzielen, m¨ussen die charakteristischen Merkmale der ausf¨uhrenden Plattform ber¨ucksichtigt werden. Von zuk¨unftigen Prozessoren erwartet man eine wachsende Anzahl von Rechenkernen, und heterogene Strukturen mit spezialisierten oder sogar rekonfigurierbaren Einheiten w¨aren denkbar. Deshalb erforschen und entwickeln wir leistungssteigernde Programmiertechniken f¨ur alternative Hardware, die bereits jetzt solche Eigenschaften bietet, z.B. die Cell Broadband Engine, Grafikkarten oder Field Programmable Gare Arrays (FPGAs). Publikationen –

St¨urmer, Markus ; Wellein, Gerhard ; Hager, Georg ; K¨ostler, Harald ; R¨ude, Ulrich: Challenges and Potentials of Emerging Multicore Architectures . In: Wagner, S. ; Steinmetz, M. ; Bode, A. ; Brehm, M. (Hrsg.) : High Performance Computing in Science and Engineering Garching-Munich 2007 (Third Joint HLRB and KONWIHR Status and Result Workshop Garching 03.12.-04.12.2007). Berlin Heidelberg : Springer, 2008, S. 551-566. – ISBN 978-3-540-69181-5

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St¨urmer, Markus ; Treibig. J. ; R¨ude, Ulrich: Optimising a 3D multigrid algorithm for the IA-64 architecture . In: Int. J. Computational Science and Engineering 4 (2008), Nr. 1, S. 29-35

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Wellein, Gerhard ; Hager, Georg ; R¨ude, Ulrich: What’s next? Evaluating Performance and Programming Approaches for Emerging Computer Technologies . In: High Performance Computing at RRZE (2008), S. 42-45

18.5.13

waLBerla

Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich R¨ude Beteiligte: Klaus Iglberger, M. Sc. 314

Stefan Donath, M. Sc. Dipl.-Inf. Christian Feichtinger Jan G¨otz, M. Sc. Beginn: 1.1.2007 Kontakt: Dipl.-Inf. Christian Feichtinger Tel.: 09131 85 28687 Fax: 09131 85 28928 E-Mail: [email protected] In den letzten Jahren hat die Lattice-Boltzmann-Methode den Ruf einerechten Alternative zum klassischen Navier-Stokes-Ansatz zur Simulation von Str¨omungen bekommen. Aufgrund dieser Entwicklung und aufgrund der Vielzahl von LatticeBoltzmann-Anwendungen an unserem Lehrstuhl wuchs der Wunsch nach einer gemeinsamen Lattice-Boltzmann-Implementierung. Aus diesem Grundgedanken entstand das waLBerla-Projekt, ein einzelner Lattice-Boltzmann-L¨oser f¨ur eine große Anzahl verschiedener Anwendungen. Neben den grundlegenden Anforderungen der einfachen Anpassbarkeit und Erweiterbarkeit f¨ur neue str¨omungsmechanische Probleme, zielt das waLBerla-Projekt auch auf physikalische Korrektheit, High Performance und eine einfache, intuitive Anwendung ab. waLBerla soll dabei eine zahlreiche Funktionen umfassende L¨osung f¨ur eine einfache Entwicklung neuer Str¨omungssimulationsanwendungen sein. Aus diesem Grund soll es die Anforderungen von Forschern, Code-Optimierern und Softwareentwicklern erf¨ullen und zudem Ergebnisse f¨ur industrielle Zwecke liefern k¨onnen. Die momentan geplante, finale Version von waLBerla wird eine Reihe von physikalischen Anwendungen enthalten, die bereits von unserer Forschungsgruppe untersucht wurden: • Fluid in beliebig komplexen Geometrien mit komplexen Randbedingungen, wie z.B. periodische Randbedingungen, Beschleunigung, no-slip und free-slip, um medizinische Anwendungen, wie z.B. Blutfluss in Adern unterst¨utzen zu k¨onnen • Fluid-Struktur-Interaktion um bewegte Partikel in einer Str¨omung simulieren zu k¨onnen, was die Berechnung der Kr¨afte zwischen Partikeln und Fluid und die Simulation der Partikelbewegungen beinhaltet • Die Simulation von Fl¨ussigkeiten mit freien Oberfl¨achen, verursacht von sowohl Blasen als auch der Atmosph¨are, um z.B. das Aufsteigen und die Deformation von Blasen zu simulieren • ionisiertes Fluid, das auf elektrische Felder von Ladungen oder geladenen Kolloiden reagiert

315

Publikationen –

G¨otz, Jan ; Donath, Stefan ; Feichtinger, Christian ; Iglberger, Klaus ; R¨ude, Ulrich: Concepts of waLBerla Prototype 0.0 . Erlangen : FAU. 2007 (07-4). – Interner Bericht. 13 Seiten

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Feichtinger, Christian ; G¨otz, Jan ; Donath, Stefan ; Iglberger, Klaus ; R¨ude, Ulrich: Concepts of waLBerla Prototype 0.1 . Erlangen : Friedrich-AlexanderUniversit¨at Erlangen-N¨urnberg. 2007 (07-10). – Interner Bericht. 28 Seiten

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Donath, Stefan ; G¨otz, Jan ; Feichtinger, Christian ; Iglberger, Klaus ; Bergler, Silke ; R¨ude, Ulrich: On the Resource Requirements of the Hyper-Scale waLBerla Project . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universit¨at. 2007 (07-13). – Interner Bericht. 13 Seiten

–

Iglberger, Klaus ; G¨otz, Jan ; Donath, Stefan ; Feichtinger, Christian: Concepts of a Widely Applicaple Lattice Boltzmann Solver .Vortrag: The Fourth International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science (ICMMES), M¨unchen, 18.07.2007

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R¨ude, Ulrich ; Donath, Stefan ; Feichtinger, Christian ; Iglberger, Klaus ; Deserno, Frank ; St¨urmer, Markus ; Mihoubi, Cherif ; Preclik, Tobias ; Haspel, Dominik ; Th¨urey, Nils ; G¨otz, Jan: waLBerla: A software framework for CFD applications .Vortrag: Workshop: Computational Bio-Mechanics, IGSSE/BGCE, M¨unchen, 12.11.2008

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Pohl, Thomas: High Performance Simulation of Free Surface Flows Using the Lattice Boltzmann Method . Erlangen, FAU, Diss., 2008

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G¨otz, Jan ; Feichtinger, Christian ; Iglberger, Klaus ; Donath, Stefan ; R¨ude, Ulrich: Large scale simulation of fluid structure interaction using Lattice Boltzmann methods and the ”physics engine” . In: Mercer, G.N. ; Roberts, A.j. (Hrsg.) 316

: Proceedings of the 14th Biennial Computational Techniques andApplications Conference, CTAC-2008 (14th Biennial Computational Techniques andApplications Conference, CTAC-2008 Canberra, AU 13.07./ 16.07.2008). Bd. 50. 2008, S. C166–C188. (ANZIAM Journal) –

Zeiser, Thomas ; G¨otz, Jan ; St¨urmer, Markus: On Performance and Accuracy of Lattice Boltzmann Approaches for Single Phase Flow in Porous Media: A Toy Became an Accepted Tool — How to Maintain Its Features Despite More and More Complex (Physical) Models and Changing Trends in High Performance Computing!? In: Krause, E. ; Shokin, Y.I. ; Resch, M. ; Shokina, N. (Hrsg.) : Computational Science and High Performance Computing III (The 3rd RussianGerman Advanced Research Workshop Novosibirsk, Russia 23 – 27 July 2007). Bd. 101. online : Springer, 2008, S. 165-183. (Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design) – ISBN 978-3-540-69008-5

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Donath, Stefan ; Iglberger, Klaus ; Wellein, Gerhard ; Zeiser, T. ; Nitsure, A. ; R¨ude, Ulrich: Performance comparison of different parallel lattice Boltzmann implementations on multi-core multi-socket systems . In: Int. J. Computational Science and Engineering 4 (2008), Nr. 1, S. 3-11

–

Iglberger, Klaus ; Th¨urey, Nils ; R¨ude, Ulrich: Simulation of moving particles in 3D with the Lattice Boltzmann method . In: Computers and Mathematics with Applications 55 (2008), Nr. 7, S. 1461-1468

–

Th¨urey, Nils ; R¨ude, Ulrich: Stable free surface Flows with the Lattice Boltzmann method on adaptively coarsened grids . Erlangen : FAU. 2008 (08-1). – Interner Bericht. 18 Seiten

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Th¨urey, Nils ; R¨ude, Ulrich: Stable free surface flows with the lattice Boltzmann method on adaptively coarsened grids . In: Computing and Visualization in Science (2008)

18.6

Studien- und Abschlussarbeiten

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Master Thesis: Elastic Non-Rigid Image Registration with Diffpack. Bearbeiter: Georg Steidl (beendet am 07.01.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Harald K¨ostler; Prof. Dr. Ulrich R¨ude

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Bachelor Thesis: Numerical Simulation of Electro Cancer Therapy. Bearbeiter: Tobias Engel (beendet am 31.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Christoph Freundl; Dipl.-Inf. Christian Feichtinger

317

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Diplomarbeit: Logische Untersuchungen u¨ ber den Satz von Sharkovsky. Bearbeiter: Johannes Werner (beendet am 21.04.2008); Betreuer: Dr. Wolfgang Degen; Prof. Dr. Ulrich R¨ude

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Studienarbeit: Berechnung der Wellengleichung mit Hilfe der maxwellschen Gleichungen auf der Grafikkarte durch Nvidias CUDA (Compute Unified Device Architecture) und anschließender Performanceanalyse. Bearbeiter: Matthias Heine (beendet am 08.05.2008); Betreuer: Prof. Dr. Christoph Pflaum

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Master Thesis: A Fast Multigrid Solver for Molecular Dynamics on the Cell Broadband Engine. Bearbeiter: Daniel Ritter (beendet am 22.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Markus St¨urmer; Prof. Dr. Ulrich R¨ude

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Master Thesis: Parallel Solution for Differential-Algebraic Equations in Power plant simulation. Bearbeiter: Yongqi Sun (beendet am 15.06.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Markus St¨urmer

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Master Thesis: Investigarion of Mixture Modeling for the Lattice Boltzmann Method. Bearbeiter: Dominik Geuß (beendet am 24.06.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Christian Feichtinger; Prof. Dr. Ulrich R¨ude

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Master Thesis: Performance Evaluation of Numeric Compute Kernels on NVIDIA GPUs. Bearbeiter: Johannes Habich (beendet am 01.07.2008); Betreuer: Prof. Dr. Ulrich R¨ude; Dr. rer. nat. Gerhard Wellein; Dr. Georg Hager; Dr. Thomas Zeiser; Stefan Donath, M. Sc.

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Diplomarbeit: Numerical simulation of nanoparticles in Brownian motion using the lattice Boltzmann method. Bearbeiter: Philipp Neumann (beendet am 24.07.2008); Betreuer: Prof. Dr. Ulrich R¨ude; Prof. Dr. G¨unter Leugering; Dipl.Inf. Christian Feichtinger

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Studienarbeit: Cloth modeling. Bearbeiter: Jan Ciesko (beendet am 25.07.2008); Betreuer: Klaus Iglberger, M. Sc.; Jan G¨otz, M. Sc.; Prof. Dr. Ulrich R¨ude

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Master Thesis: A parallel patch-based approach for the reduction of quantum noise in CT-images. Bearbeiter: Dominik Bartuschat (beendet am 18.08.2008); Betreuer: Dr.-Ing. Harald K¨ostler; Dipl.-Inf. Anja Borsdorf

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Studienarbeit: Effiziente Implementierung von FE-Operatoren auf der Grafikkarte. Bearbeiter: Severin Strobl (beendet am 02.09.2008); Betreuer: Prof. Dr. Christoph Pflaum

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Diplomarbeit: Modeling the Spatial and Temporal Distribution of Therapeutic Agents in Tumor Tissues (a Continuum Approach). Bearbeiter: Karin Maria Erbertseder (beendet am 27.10.2008); Betreuer: Prof. Dr. Ulrich R¨ude 318

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Diplomarbeit: Iterative Rigid Multibody Dynamics. Bearbeiter: Tobias Preclik (beendet am 03.11.2008); Betreuer: Klaus Iglberger, M. Sc.

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Bachelor Thesis: Shared memory parallelization of the pe physics engine. Bearbeiter: Stefan Geißels¨oder (beendet am 21.11.2008); Betreuer: Klaus Iglberger, M. Sc.

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Studienarbeit: Algorithmen f¨ur d¨unn besetzte Matrizen auf der CBEA. Bearbeiter: Daniel Brinkers (beendet am 26.11.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Markus St¨urmer

319

¨ Informatik (Numerische Simulation Professur fur mit H¨ochstleistungsrechnern)

Die Professur f¨ur Informatik ”Numerische Simulation mit H¨ochstleistungsrechnern” wurde im Juni 2003 eingerichtet. Die Forschung dieser Professur betrifft einerseits grundlegende Techniken zur Implementierung paralleler Algorithmen auf H¨ochstleistungsrechnern, andererseits auch die numerische Simulation in Bezug auf verschiedene technische Anwendungen. Damit H¨ochstleistungsrechner schneller zur numerischen Simulation konkreter Anwendungen genutzt werden k¨onnen, ist es wichtig, Bibliotheken zu entwickeln, welche die Implementierung von numerischen Algorithmen auf H¨ochstleistungsrechnern erleichtern. Erreicht werden kann dies zum Beispiel durch die Verwendung von C++ und Expression Templates. Die Entwicklung von Bibliotheken muss jedoch immer im Hinblick auf konkrete Anwendungen geschehen. Beispiele solcher Anwendungen sind die numerische Simulation von Teilchenbeschleunigern und numerische Simulationen im Bereich der Photonik, wie zum Beispiel die Simulation von Lasern. Laser werden in vielen technischen Anwendungen ben¨otigt. Die Simulation von Lasern ist sehr komplex, so dass es es zur Zeit noch kein Simulationsprogramm gibt, welches das zeitliche und dreidimensionale Verhalten von Lasern simulieren kann. Deshalb ist es notwendig, neue Verfahren zur Simulation von Lasern zu entwickeln, die eine genaue Analyse und damit eine Optimierung der Qualit¨at von Lasern erm¨oglichen.

19.1

Forschungsschwerpunkte

• Lasersimulation • Simulation von Teilchenbeschleunigern • Hochleistungsrechnen

19.2

Kooperationsbeziehungen

• Infineon, M¨unchen (Dr. Steinle) • LAS-CAD GmbH, M¨unchen • Lawrence Berkeley National Laboratory (Dr. Ryan) • Lawrence Livermore National Laboratory (Dr. Falgout) • Paul Scherer Institut, Villingen (Dr. Adelmann) 320

19.3

Wissenschaftliche Tagungen

• Photonics Europe 2006, Straßburg, 03.07. – 07.04.2006 • ICIAM07 – International Congress on Industrial and Applied Mathematics, Z¨urich, 16.07. – 20.07.2007 • Waves2007 – 8th International Conference on Mathematical and Numerical Aspects of Waves, Reading, UK, 23.07. – 27.07.2007 • 20th Chemnitz FEM Symposium 2007, Chemnitz, 24.09. – 26.09.2007 • Workshop High Performance and Parallel Computing, Simula Research Laboratory, Oslo, 24.10.2007

19.4

Forschungsprojekte

19.4.1

Innovatives Netzwerk:Simulation und Optimierung innovativer Lasersysteme (SOL)

Projektleitung: Prof. Dr. Christoph Pflaum Laufzeit: 1.1.2007–31.12.2009 F¨orderer: BMWi Bundesmininsterium f¨ur Wirtschaft und Technologie Mitwirkende Institutionen: Laser-Laboratorium G¨ottingen e.V. TU Kaiserslautern, AG Laserphysik und Nichtlineare Optik InnoLas GmbH IB Laser AG OptoPrecision GmbH Xiton Photonics GmbH GWU-Lasertechnik Vertriebsgesellschaft mbH LAS-CAD GmbH METROLUX Optische Messtechnik GmbH PHYWE Systeme GmbH Kontakt: Prof. Dr. Christoph Pflaum Tel.: 09131-85-28692 Fax: 09131-85-28928 E-Mail: [email protected] 321

Der Laser ist eine Basiskomponente f¨ur eine große Zahl moderner optischer Systeme mit wichtigen Einsatzfeldern in der verarbeitenden Industrie, der Medizin und der Informationstechnik. Aufgrund der wirtschaftlichen Bedeutung dieser Anwendungsgebiete geh¨ort die Lasertechnik zu den zukunftsorientierten Schl¨usseltechnologien. Die Beherrschung dieser Technik wird die Wettbewerbsf¨ahigkeit wichtiger Branchen wie Maschinenbau, Optik und Elektronik, sowie Kommunikations- und Medizintechnik entscheidend beeinflussen. Bei der Entwicklung neuer Laser, der Leistungsverbesserung existierender Systeme sowie deren Anpassung an neue Anwendungsfelder geh¨ort die Optimierung des Strahlprofils zu den wichtigsten Aufgaben. Denn ein unzureichendes Strahlprofil limitiert den technischen Einsatz des Lasers, da insbesondere durch das Strahlprofil die Fokussierbarkeit des Lasers bestimmt wird. Dies ist zum Beispiel f¨ur die Mikromaterialbearbeitung und die nichtlineare Optik von entscheidender Bedeutung. Jedoch ist diese Optimierung als a¨ ußerst schwierig einzustufen, da das Strahlungsfeld anders als bei herk¨ommlichen Lichtquellen mit Hilfe resonanter Schwingungen des elektromagnetischen Feldes im Resonator erzeugt wird, so dass komplexe, miteinander wechselwirkende physikalische Parameter zur Strahlformung beitragen. In der Vergangenheit erfolgte diese Optimierung auf empirische Weise in langwierigen kostenintensiven experimentellen Untersuchungen. Heute jedoch sind die Senkung der Entwicklungszeiten bei gleichzeitiger Steigerung der Qualit¨at, Effizienz und Leistung entscheidende Faktoren f¨ur die Wettbewerbsf¨ahigkeit hiesiger Laserhersteller. Diese Kostenfaktoren k¨onnen erheblich reduziert werden, wenn die Entwicklungsarbeiten durch leistungsf¨ahige Computersimulationen unterst¨utzt werden. Dar¨uber hinaus erm¨oglichen derartige Simulationen die Entwicklung hoch innovativer Lasersysteme, die durch experimentell-empirische Versuche allein nicht realisierbar w¨aren. So ist das Ziel des Projekts die Entwicklung eines Computersimulationsprogramms, welches die Lasermoden unter Beachtung thermischer Effekte und der absorbierten Pumplichtverteilung exakt berechnet. Ein viel versprechender Ansatz f¨ur die Simulation der Vorg¨ange im Resonator liegt in der Verwendung von Finite-Elemente-Analysen (FEA), welche heute auf vielen Gebieten erfolgreich zur Modellierung technischer Systeme eingesetzt werden. Der Einsatz von FEA Verfahren in der Lasertechnik beschr¨ankt sich jedoch bisher im Wesentlichen auf die Berechnung thermischer Effekte, wie dies in dem von einem der Projektpartner entwickelten Programm LASCAD erfolgreich durchgef¨uhrt wird. Mit dieser Software kann jedoch das f¨ur die Ausbildung des Strahlprofils wichtige Verhalten der elektromagnetischen Felder im Resonator nicht ausreichend beschrieben werden. Dies betrifft besonders jene Festk¨orperlaserkonfigurationen, die von großem techni322

schem und wirtschaftlichem Interesse sind. Beispiele hief¨ur sind Laser, die seitlich von Lampen angeregt werden und f¨ur Punktschweißger¨ate und in der Lasermesstechnik ben¨otigt werden, oder Laser, die seitlich von Diodenlasern angeregt werden und welche Einsatz in Markierungs- und Beschriftungssystemen finden, oder schließlich endgepumpte Laser, die nichtlineare optische Effekte aufweisen. Ein letztes Beispiel w¨aren Verst¨arkersysteme f¨ur ultrakurze Laserpulse in der Mikrosystemtechnik. F¨ur diese Lasersysteme muss durch zuverl¨assige Simulationen sowohl die zeitliche als auch die r¨aumliche Struktur des erzeugten Laserstrahls untersucht und optimiert werden. Diese Aufgabe, welche nicht nur technisch, sondern auch wissenschaftlich von erheblicher Bedeutung ist, soll im Rahmen des geplanten Vorhabens durch den Einsatz von FEA Verfahren zur Berechnung der elektromagnetischen Feldstrukturen im Laserresonator gel¨ost werden. Die Berechnungen sollen anhand realer Lasersysteme validiert und anschließend bei der Entwicklung innovativer Resonatoren eingesetzt werden. Dar¨uber hinaus sollen die Simulationsergebnisse mit Hilfe eines Modengenerators u¨ berpr¨uft werden, der aufgrund seines einfachen Aufbaus leicht zu simulieren ist und exakt reproduzierbare Gauss-Hermite-Moden erzeugt. Publikationen –

Wohlmuth, Matthias ; Pflaum, Christoph: 3-Dimensional Simulation of Solid State Lasers . In: Terry, J.A. ; Graf, T. ; Jellinkova, H. (Hrsg.) : Solid State Lasers and Amplifiers III (Photonics Europe 2008 Strasbourg, France 07.04.– 11.04.2008). Bd. 6998. Bellingham, USA : SPIE, 2008, S. 1-11.

–

Pflaum, Christoph ; Wohlmuth, Matthias: 3-dimensional simulation of the solid state lasers . In: Clarkson, A.W. ; Hodgson, N. ; Shori, R.K. (Hrsg.) : Proceedings of SPIE – Solid State Lasers XVII: Technology and Devices (SPIE Photonics West 2008 San Jose CA, USA 19. – 24.01.2008). Bd. 6871. 2008, S. 1-12.

19.5 –

Publikationen Pflaum, Christoph: A multigrid conjugate gradient method . In: Applied Numerical Mathematics 58 (2008), Nr. 12, S. 1803-1817

323

¨ Informatik 11 (Software Engineering) Lehrstuhl fur Anschrift: Martensstraße 3, 91058 Erlangen Tel.: +49-9131-85-27877 Fax: +49-9131-85-28746 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr. Francesca Saglietti Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inf. (FH) Josef Adersberger Dipl.-Inf. Florin Pinte Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein Dipl.-Inf. Marc Spisl¨ander Nichtwiss. Personal: Dipl.-Ing. (FH) Gerd Schober Das 7. Jahr seit Gr¨undung des Lehrstuhls f¨ur Software Engineering war gepr¨agt von • zahlreichen Einladungen von nationalen und internationalen Institutionen zu Vortr¨agen u¨ ber die Forschungst¨atigkeit am Lehrstuhl, vor allem im Zusammenhang mit der Bewertung hochzuverl¨assiger Software f¨ur die Automobilindustrie, ¨ • Ubernahme neuer bzw. Weiterf¨uhrung bereits bestehender Funktionen im Dienste nationaler und internationaler Fachgemeinschaften und Fachzeitschriften; • Auszeichnung der Lehrt¨atigkeit. Eingeladene Vortr¨age Im Berichtszeitraum wurde der Lehrstuhl f¨ur Software Engineering von folgenden inund ausl¨andischen Hochschulen eingeladen, u¨ ber die laufenden Forschungsprojekte im Rahmen o¨ ffentlicher Veranstaltungen zu berichten: • Universit¨at Paderborn, Fakult¨at f¨ur Elektrotechnik, Informatik und Mathematik: Elektrotechnisches Kolloquium (Paderborn, Januar 2008); • Technische Universit¨at M¨unchen, LS f¨ur Informationstechnik im Maschinenwesen: Kolloquium Automatisierungstechnik und Mechatronik (M¨unchen, Februar 2008); 324

• University of Newcastle upon Tyne (UK), Safety-Critical Systems Club: Workshop on the Relationship between Safety and Security in Software-based Systems (Newcastle, September 2008). Vor allem im Zusammenhang mit dem aktuellen Forschungsbedarf der Automobilindustrie wurde der Lehrstuhl f¨ur Software Engineering eingeladen, eigene Ans¨atze zur Bewertung hochzuverl¨assiger Software im Rahmen folgender Veranstaltungen vorzustellen: • 2. Reliability Symposium ”Zuverl¨assigkeit in der Automobilindustrie”, organisiert von Daimler und Universit¨at Stuttgart, Institut f¨ur Maschinenelemente (Stuttgart, Juli 2008); • Tagung ”Sichere Software und Hardware in Automobil und Bahn” (safetro¨ SUD ¨ Automotive (M¨unchen, November 2008). nic.2008) organisiert von TUV Sprecher- und Mitherausgeberfunktionen ¨ Ubernahme neuer bzw. Weiterf¨uhrung bereits bestehender Funktionen im Dienste folgender nationaler und internationaler Fachgemeinschaften und Fachzeitschriften: • Wahl zur Vorsitzenden des European Workshop on Industrial Computer Systems, Technical Committee on Reliability, Safety and Security (EWICS TC7); • Wahl zur Sprecherin des gemeinsamen Fachauschusses ”Verl¨asslichkeit und Fehlertoleranz” der Gesellschaft f¨ur Informatik (GI, Fachbereiche Sicherheit und Technische Informatik), der Informationstechnischen Gesellschaft (ITG, Fachbereich Technische Informatik) sowie der Gesellschaft f¨ur Mess- und Automatisierungstechnik (GMA, Fachbereich Industrielle Software und Kommunikation) im Verein Deutscher Elektrotechniker (VDE); • Wiederwahl zur Gr¨undungssprecherin der Fachgruppe ENCRESS (deutsches Mitglied im gleichnamigen europ¨aischen Netzwerk European Network of Clubs for Reliability and Safety of Software-Intensive Systems) der Gesellschaft f¨ur Informatik (GI) und der Informationstechnischen Gesellschaft (ITG). Einladung zur Mitherausgabe folgender internationaler Fachzeitschriften durch Aufnahme in deren Editorial Board: • Journal of Critical Computer-Based Systems (IJCCBS), Inderscience Publishers; 325

• International Journal of Adaptive, Resilient, and Autonomic Systems (IJARAS), IGI Global Publisher. Auszeichnung der Lehrt¨atigkeit Aufnahme der Vorlesung ”Softwareentwicklung in Großprojekten” in die Bestenliste der Technischen Fakult¨at f¨ur die Kategorie ”Vorlesungen im Grundstudium bzw. B.Sc.Pflichtstudium”. Mitgestaltung internationaler Veranstaltungen Auf internationaler Ebene beteiligte sich der Lehrstuhl durch die Mitarbeit im Programmkomitee bzw. mit eigenen Vortr¨agen und Publikationen an der Mitgestaltung folgender Veranstaltungen: • 27th International Conference on Computer Safety, Reliability and Security (SAFECOMP 2008), Newcastle upon Tyne (UK), September 2008; • 34th Euromicro Conference on Software Engineering and Advanced Applications (SEAA), Universit`a di Parma, School of Engineering, Parma (I), September 2008; • 2nd International Workshop on ”Software Test Evaluation” (STEV 2008), Lillehammer (N), April 2008; • 3rd International Conference on ”Software and Data Technologies” (ICSOFT 2008), Porto (PT), Juli 2008; • Microelectronics Conference (ME 2008) Vienna (A), October 2008. Mitgestaltung nationaler Veranstaltungen Auf nationaler Ebene beteiligte sich der Lehrstuhl durch die Mitarbeit im Programmkomitee bzw. mit eigenen Vortr¨agen und Publikationen an der Mitgestaltung folgender Veranstaltungen: • der Tagung ”Software Engineering 2008” (SE 2008) und insbesondere des Workshops ”Testmethoden f¨ur Software – Von der Forschung in die Praxis”, M¨unchen, Februar 2008; • der 4. Jahrestagung ”Sicherheit, Schutz und Zuverl¨assigkeit” (Sicherheit 2008), vor allem durch Gestaltung der eint¨agigen ”Special Session on Safety” zum Thema ”Zuverl¨assigkeit komplexer Rechensysteme mit funktionaler Sicherheitsverantwortung”, die unter der Regie der am Lehrstuhl koordinierten GI-Fachgruppe ENCRESS stattfand (Saarbr¨ucken, April 2008); 326

• der Tagung ”Sicherheit und Zuverl¨assigkeit f¨ur automobile Informationstechnik (Automotive 2008 – Safety & Security), die ebenfalls von der Fachgruppe ENCRESS in Zusammenarbeit mit weiteren GI-Fachgruppen mitgestaltet wurde und bei Bosch stattfand (Stuttgart, November 2008); • des Workshops ”Modellbasiertes Testen” (MoTes 2008) im Rahmen der 38. Jahrestagung der Gesellschaft f¨ur Informatik (M¨unchen, September 2008); • des Workshops ”Echtzeit” (PEARL 2008) der GI-Fachgruppe Echtzeitsysteme (Boppard, November 2008). Industrielle Zusammenarbeit Wie bisher u¨ blich sind auch im aktuellen Berichtszeitraum 2008 mehrere in industrieller Zusammenarbeit durchgef¨uhrte studentische Arbeiten hervorzuheben, die den Bezug zwischen den am Lehrstuhl f¨ur Software Engineering erfolgreich untersuchten softwaretechnischen Fragen und den in der industriellen Praxis ben¨otigtem Know-how immer wieder verdeutlichen. Die am Lehrstuhl betreuten Studierenden bearbeiteten u. a. Fragestellungen bzgl. • der gezielten Visualisierung u¨ berdeckter sowie zu u¨ berdeckender Modellelemente im modellbasierten Test (mit Afra GmbH); • der Synchronisation paralleler Entwicklungsumgebungen bei zeitversetzten Releases (mit Ing DiBa); • der Leistungsanalyse und der Leistungsbewertung von Softwaresystemen (mit Siemens Industrial Solutions); • der Auswertung betrieblicher Daten zur Anwendung statistischer Testverfahren bei Getriebesteuerungen (mit ZF Friedrichshafen). Vortr¨age F. Pinte: ”Automatische Generierung optimaler modellbasierter Regressionstests”, Workshop ”Model-Based Testing (MoTes 2008)”, M¨unchen, 2008 F. Pinte: ”Automatic Generation of Optimized Integration Test Data by Genetic Algorithms”, Workshop ”Testmethoden f¨ur Software – Von der Forschung in die Praxis”, Garching bei M¨unchen, 2008 F. Pinte: ”Techniques and Tools for the Automatic Generation of Optimal Test Data at Code, Model and Interface Level”, 30th International Conference on Software Engineering (ICSE 2008), informal demo session, Leipzig, 2008 327

F. Saglietti: ”Automatisches Softwaretesten – Mit m¨oglichst wenigen Testf¨allen m¨oglichst vollst¨andig testen!”, Tagung ”Sichere Software und Hardware in Automo¨ SUD, ¨ bil und Bahn” (SAFETRONIC 2008), Workshop Automatisches Testen, TUV M¨unchen, 2008 F. Saglietti: ”Common Analysis and Verification Techniques for Safety- and SecurityCritical Software Systems, Workshop on the Relationship between Safety and Security in Software-based Systems, joint event of Safety-Critical Systems Club and SAFECOMP 2008, Centre for Software Reliability (CSR), University of Newcastle upon Tyne, Newcastle (UK), 2008 F. Saglietti: ”Reliability Estimation of Component-based Software by Evaluation of Operating Evidence of Software Components”, 34th Euromicro Conference on Software Engineering and Advanced Applications (SEAA), Universit`a di Parma, School of Engineering, Parma (I), 2008 F. Saglietti: ”Verfahren zur Erzielung und zur Bewertung hoher Zuverl¨assigkeit f¨ur komponentenbasierte Softwaresysteme”, 2. Reliability Symposium ”Zuverl¨assigkeit in der Automobilindustrie”, Daimler & Universit¨at Stuttgart, Institut f¨ur Maschinenelemente, Stuttgart, 2008 F. Saglietti: ”Verifikation und Validierung hochzuverl¨assiger Softwaresysteme mit Sicherheitsverantwortung – Probleme und L¨osungsans¨atze”, Elektrotechnisches Kolloquium, Universit¨at Paderborn, Fakult¨at f¨ur Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Paderborn, 2008 F. Saglietti, N. Oster: ”Teststrategien zur Verifikation und Validierung hochzuverl¨assiger Software”, Kolloquium Automatisierungstechnik und Mechatronik, Technische Universit¨at M¨unchen, Lehrstuhl f¨ur Informationstechnik im Maschinenwesen, Garching bei M¨unchen, 2008 S. S¨ohnlein: ”Nachweis hoher Softwarezuverl¨assigkeit auf der Basis von Test- und Betriebserfahrung mit wiederverwendbaren Komponenten”, 4. Jahrestagung ”Sicherheit Sicherheit, Schutz und Zuverl¨assigkeit”, Saarbr¨ucken, 2008 S. S¨ohnlein: ”Auswertung der Betriebserfahrung zum Zuverl¨assigkeitsnachweis sicherheitskritischer Softwaresysteme”, Automotive 2008 – Safety & Security, Sicherheit und Zuverl¨assigkeit f¨ur automobile Informationstechnik, Stuttgart, 2008 Im Jahr 2008 abgeschlossene Studienarbeiten Siegfried Baryschew Auswertung und Analyse von Anwendungsdaten zur Anwendung statistischer Testverfahren bei Getriebesteuerungen Duy Ninh Nguyen 328

Integration von UML und SysML Modellen f¨ur eine durchg¨angige Traceability Ulf Jensen Analyse und Vergleich von Verfahren zur Leistungsbewertung von Softwaresystemen Im Jahr 2008 abgeschlossene Diplomarbeiten Achim Neubauer Visualisierung u¨ berdeckter sowie zu u¨ berdeckender Modellelemente im modellbasierten Test Alexander Reuß Konzeption und Implementierung eines Verfahrens zur Analyse von Modellverfeinerungen und zur Testdatenerzeugung Marina Fomina Synchronisation von parallelen Systemtest- und Entwicklungsumgebungen bei zeitversetzten Releases Zengyu Lu Koh¨asions– und Kopplungs-Analyse in komponentenorientierten Systemen Kooperationspartner: • AFRA GmbH • Bosch • Centre for Software Reliability (UK) • Forschungszentrum Karlsruhe • Forschungszentrum Seibersdorf (A) • infoteam Software GmbH • Ing DiBa • Marconi Secure Systems (UK) • Siemens AG Industrial Solutions • Siemens AG Medical Solutions • SINTEF (NO) • Universit¨at Stuttgart • ZF Friedrichshafen 329

20.1

Forschungsprojekte

20.1.1

Analyse und Vergleich von Verfahren zur Leistungsbewertung von Softwaresystemen

Projektleitung: Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein Beteiligte: Jensen, Ulf Laufzeit: 6.8.2007–7.3.2008 Mitwirkende Institutionen: Siemens Industrial Solutions Kontakt: Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein Tel.: +49-9131-85-27868 Fax: +49-9131-85-28746 E-Mail: [email protected] Bei der quantitativen Bewertung von Softwarequalit¨atsmerkmalen spielt im Zusammenhang mit dem Zuverl¨assigkeitsnachweis insbesondere der Nachweis vorgegebener Leistungskenngr¨oßen eine bedeutende Rolle. Gerade f¨ur softwarebasierte Echtzeitsysteme ist n¨amlich u¨ ber die funktionale Korrektheit des Verhaltens hinaus vor allem die ¨ Uberpr¨ ufung der Einhaltung vorgegebener Zeitschranken bei der Diensterbringung von entscheidender Bedeutung. Leistungsmerkmale wie die Ausf¨uhrungszeit und deren Variabilit¨at stellen deshalb besonders wichtige nachzuweisende Kenngr¨oßen dar. Im Rahmen dieses Projektes wurden zun¨achst unterschiedliche Verfahren zur Leistungsanalyse von Programmen identifiziert und hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile untersucht. Insbesondere wurden auch entsprechende Tools zur Leistungsbewertung begutachtet und bez¨uglich ihrer Einsetzbarkeit vergleichend bewertet. Einige der betrachteten Verfahren und Tools wurden hierbei exemplarisch erprobt, um eine konkrete industrielle Anwendung zu analysieren, f¨ur die gewisse Leistungskenngr¨oßen erzielt werden sollten. Im Hinblick auf die angestrebte Reduktion der Ausf¨uhrungszeit wurden hierf¨ur auch Codeoptimierungsans¨atze untersucht. Durch die durchgef¨uhrten Analysen konnten f¨ur die Anwendung einige leistungsopti¨ mierende Anderungen identifiziert werden. 20.1.2

Auswertung und Analyse von Anwendungsdaten zur Anwendung statistischer Testverfahren bei Getriebesteuerungen

Projektleitung: 330

Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein Beteiligte: Baryschew, Siegfried Laufzeit: 11.2.2008–11.11.2008 Mitwirkende Institutionen: ZF Friedrichshafen Kontakt: Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein Tel.: +49-9131-85-27868 Fax: +49-9131-85-28746 E-Mail: [email protected] Im Hinblick auf eine fundierte Zuverl¨assigkeitsbewertung sicherheitsrelevanter Software, wie sie zur Steuerung von Schaltgetrieben eingesetzt wird, bietet die Anwendung statistischer Testverfahren die M¨oglichkeit zur Bestimmung von Zuverl¨assigkeitskenngr¨oßen. Allerdings liegen die Schwierigkeiten bei der praktischen Umsetzung dieser Theorie in der Auswertung und Analyse der vorhandenen Anwendungsdaten, bzw. in der Erstellung einer ausreichend großen Menge an relevanten Testf¨allen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, inwieweit vorhandene Anwendungsdaten bez¨uglich einer Getriebesteuerungssoftware analysiert werden k¨onnen, um eine Grundlage f¨ur die Anwendung statistischer Testverfahren zu bilden. Zun¨achst wurde hierf¨ur ein Rahmenwerk erstellt, welches das automatische Einlesen und die Auswertung vorhandener Anwendungsdaten erm¨oglicht. Darauf aufbauend wurde ein Verfahren implementiert, das auf Basis der ausgewerteten Daten die Erstellung eines Operationsprofils erlaubt. In einer Folgearbeit soll darauf aufbauend die Erzeugung unabh¨angiger und betriebskonformer Testf¨alle erm¨oglicht werden. 20.1.3

¨ Automatische datenflussorientierte Testfallerzeugung fur orientierte Softwaresysteme mittels evolution¨arer Verfahren

Projektleitung: Prof. Dr. Francesca Saglietti Beteiligte: Dr.-Ing. Norbert Oster Dipl.-Inf. Marc Spisl¨ander Beginn: 1.8.2002 Kontakt: Prof. Dr. Francesca Saglietti 331

objekt-

Tel.: +49-9131-85-27870 Fax: +49-9131-85-28746 E-Mail: [email protected] Die Zunahme der Komplexit¨at moderner Softwaresysteme stellt trotz deutlich verbesserter Entwicklungsmethoden heute noch das Haupthindernis auf dem Weg zur fehlerfreien Programmerstellung dar. Gr¨oße und Budget heutiger Projekte verbieten meist eine vollst¨andige formale Verifikation, die selbst in realisierbaren F¨allen nur die logische Dom¨ane der Programme und nicht ihr reales Umfeld einbezieht, weshalb dem Testen als Qualit¨atssicherungsmaßnahme vor der Freigabe der Software ein hoher Stellenwert einger¨aumt wird. Um die Chancen der Fehlererkennung w¨ahrend der Testphase zu erh¨ohen, werden Testf¨alle nach unterschiedlichen Strategien ausgew¨ahlt: W¨ahrend funktionales Testen die Eingaben aus den spezifizierten Anforderungen herleitet, streben strukturelle Tests eine m¨oglichst vollst¨andige Ausf¨uhrung des Codes an. Bedingt durch die Komplexit¨at der Kontrollstrukturen ist die Ermittlung geeigneter ¨ Testdaten zur Erf¨ullung datenflussorientierter Uberdeckungskriterien besonders zeitaufw¨andig. Selbst wenn Testdaten zuf¨allig generiert werden, m¨ussen die getesteten Abl¨aufe anschließend meist manuell auf Korrektheit u¨ berpr¨uft werden, so dass ihre Anzahl entscheidend zu Buche schl¨agt. Im bisherigen Verlauf dieses Projekts wurde die automatische Generierung ad¨aquater Mengen datenflussorientierter Testf¨alle mittels unterschiedlicher Verfahren verfolgt und erzielt. Als geeignete Such- und Optimierungsalgorithmen haben sich hierf¨ur Evolution¨are Verfahren erwiesen. Folgende Teilaufgaben wurden erfolgreich abgeschlossen: ¨ • Dynamische Analyse der Testausfuhrung: Um die w¨ahrend der Ausf¨uhrung eines Testfalls tats¨achlich u¨ berdeckten Definitions- / Benutzungspaare (sogenannter ¨ def / use Paare) zu ermitteln, wurde ein Werkzeug zur Uberwachung der dynamischen Ausf¨uhrung eines Java-Programms entwickelt. Dieses Werkzeug instrumentiert den Quellcode des Testobjekts so, dass w¨ahrend eines einzelnen Testlaufs alle dazu relevanten Datenflussinformationen protokolliert werden. • Globale Optimierung von Testdatens¨atzen: Aufbauend auf der dynamischen ¨ Bewertung der von einem Testdatensatz erzielten Uberdeckung wurde ein Verfahren entwickelt, um optimale Testdatens¨atze mittels klassischer und evolution¨arer Suchstrategien zu generieren. Dabei werden Testdatens¨atze nach ihrem zu minimierenden Umfang sowie der zu maximierenden Anzahl der von ihnen u¨ berdeckten Datenflusspaare bewertet. Die erzielte globale Optimierung erfordert keine detaillierte Kenntnis der Kontrollflussstruktur des Testobjekts. Zur Generierung der Testdatens¨atze wurden unterschiedliche selbstadaptive Evolution¨are Verfahren sowie genetische Operatoren eingesetzt und vergleichend bewertet. Die 332

verschiedenen Kombinationen wurden in einem parallelisierten, verteilten Werkzeug realisiert und getestet. • Statische Analyse des Testobjekts: Zur Bewertung der relativen G¨ute der vom Evolution¨aren Verfahren ermittelten Ergebnisse wird zus¨atzlich zu den tats¨achlich ¨ erreichten Uberdeckungsmaßen (siehe dynamische Analyse) die Kenntnis der ma¨ ximal erzielbaren Uberdeckung ben¨otigt, das heißt der Gesamtanzahl der von Tests auszuf¨uhrenden Knoten, Kanten und Teilpfade des Kontrollflussgraphen. Zu diesem Zweck wurde ein statischer Analysator realisiert, welcher dar¨uber hinaus auch die jeweiligen Definitionen und Benutzungen (sowie alle sie verbindenden DU-Teilpfade) jeder Variablen im datenflussannotierten Kontrollflussgraphen lokalisiert. Erg¨anzt um die Ergebnisse der dynamischen Analyse kann zum einen ein besseres Abbruchkriterium f¨ur die globale Optimierung definiert werden, zum anderen wird die im folgenden beschriebene lokale Optimierung unterst¨utzt. • Bestimmung des Fehleraufdeckungspotentials der automatisch generierten Testf¨alle: Zus¨atzlich zur Bewertung der relativen G¨ute einer Testfallmenge im ¨ Sinne der Uberdeckung (siehe statische Analyse) wurde im vorliegenden Projekt auch eine Sch¨atzung der Qualit¨at automatisch generierter Testf¨alle durch Betrachtung ihres Fehleraufdeckungspotentials angestrebt. Dazu wurde ein Backto-back-Testverfahren nach dem Prinzip des Mutationstestens umgesetzt. Dabei werden repr¨asentative Fehler in das urspr¨ungliche Programm injiziert und das Verhalten der modifizierten Variante bei der Ausf¨uhrung der generierten Testf¨alle mit dem der unver¨anderten Fassung verglichen. Der Anteil der verf¨alschten Programme, bei denen eine Abweichung im Verhalten aufgedeckt werden konnte, ist ein Indikator f¨ur das Fehleraufdeckungspotential der Testfallmenge. • Ausdehnung des Ansatzes auf weitere Teststrategien: Das entwickelte Verfahren zur multi-objektiven Generierung und Optimierung von Testf¨allen l¨asst sich ¨ auch auf andere Teststrategien u¨ bertragen. W¨ahlt man Uberdeckungskriterien, welche zu den betrachteten datenflussorientierten Strategien orthogonal sind, ist die Erkennung anderer Fehlerarten zu erwarten. Im Rahmen eines Teilprojektes wurde beispielsweise ein Ansatz zur statischen Analyse des Testobjekts und dynamischen Analyse der Testausf¨uhrung im Hinblick auf das Kriterium der Bedingungs¨uberdeckung entwickelt und implementiert. • Erg¨anzung des Verfahrens um automatische Testtreibergeneratoren: Da f¨ur die automatische Generierung von Testf¨allen spezialisierte Testtreiber notwen¨ dig sind, welche sich nur bedingt zur manuellen Uberpr¨ ufung der Testergebnisse eignen, wurde dar¨uber hinaus im Rahmen eines Teilprojektes eine zweistufige automatische Testtreibergenerierung umgesetzt. Diese erstellt zun¨achst parametrisierbare Testtreiber, welche ausschließlich w¨ahrend der Testfalloptimierung 333

eingesetzt werden, und u¨ bersetzt diese anschließend in die u¨ bliche jUnit-Syntax, sobald die generierten und optimierten Testdaten vorliegen. • Experimentelle Bewertung des entwickelten Werkzeugs: Die praktische Relevanz des entwickelten Verfahrens wurde in verschiedenen experimentellen Eins¨atzen erprobt und bewertet. Als Testobjekte dienten dabei Java-Packages mit bis zu 27 Klassen (5439 Codezeilen). Die nebenl¨aufige Testausf¨uhrung w¨ahrend der Generierung und Optimierung der Testf¨alle wurde auf bis zu 58 vernetzten Rechnern parallelisiert. Nachdem das Forschungsvorhaben auf Code-Ebene erfolgreich erprobt wurde und sich als effizientes Verfahren erweisen konnte, wird darauf aufbauend untersucht, inwieweit sich die hier auf Code-Ebene entwickelten Ans¨atze auf h¨ohere Abstraktionsstufen u¨ bertragen lassen. Neben den bereits bestehenden automatischen kontrollflussbasierten Testgeneratoren f¨ur Zustandsmaschinen (s. Projekt UnITeD) sollen dadurch auch datenflussba¨ sierte Uberdeckungskriterien auf Modellebene transferiert werden, um dadurch die vollst¨andige Programmsemantik mittels Automaten darstellen und verifikativ analysieren zu k¨onnen. Publikationen –

Oster, Norbert ; Dorn, Robert-Daniel: A Data Flow Approach to Testing ObjectOriented Java-Programs . In: Spitzer, Cornelia ; Schmocker, Ulrich ; Dang, Vinh N. (Hrsg.) : Probabilistic Safety Assessment and Managment (PSAM7 ESREL’04 Berlin 14.-18. Juni 2004). Bd. 2. London : Springer-Verlag, 2004, S. 1114–1119. – ISBN 1-85233-827-X

–

Oster, Norbert: Automatische Generierung optimaler datenflussorientierter Testdaten mittels evolution¨arer Verfahren . In: Doberkat, Ernst-Erich (Univ. Dortmund) ; Kelter, Udo (Univ. Siegen) (Hrsg.) : Softwaretechnik-Trends (21. Treffen der Fachgruppe TAV [Test, Analyse und Verifikation von Software]Berlin). 2004, S. -. (Softwaretechnik-Trends Bd. 24, Nr. 3)

–

Oster, Norbert: Automated Generation and Evaluation of Dataflow-Based Test Data for Object-Oriented Software . In: Reussner, Ralf ; Mayer, Johannes ; et al (Hrsg.) : Quality of Software Architectures and Software Quality: First International Conference on the Quality of Software Architectures, QoSA 2005, and Second International Workshop on Software Quality, SOQUA 2005 (Second International Workshop on Software Quality (SOQUA 2005) Erfurt (D) 22. September 2005). 334

Bd. LNCS 3712. Heidelberg : Springer-Verlag, 2005, S. 212-226. – ISBN 3-54029033-8 –

Oster, Norbert ; Saglietti, Francesca: Automatic Test Data Generation by MultiObjective Optimisation . In: G´orski, Janusz (Hrsg.) : Computer Safety, Reliability, and Security (25th International Conference on Computer Safety, Reliability and Security (SAFECOMP 2006) Gdansk (PL) 27 – 29 September 2006). Heidelberg : Springer-Verlag, 2006, S. 426-438. (Lecture Notes in Computer Science, Programming and Software Engineering Bd. 4166) – ISBN 3-540-45762-3

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Oster, Norbert ; Saglietti, Francesca: Automatische Testdatengenerierung mittels multi-objektiver Optimierung . In: Bleek, Wolf-Gideon ; Schwentner, Henning ; Z¨ullighoven, Heinz (Hrsg.) : Software Engineering 2007 – Beitr¨age zu den Workshops (Software Engineering 2007 Hamburg 27.03.2007). Bd. 106. Bonn : Gesellschaft f¨ur Informatik, 2007, S. 71-73. (Lecture Notes in Informatics (LNI) Bd. 106) – ISBN 978-3-88579-200-0

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Oster, Norbert: Automatische Generierung optimaler struktureller Testdaten f¨ur objekt-orientierte Software mittels multi-objektiver Metaheuristiken . Erlangen, Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Diss., 2007 (Arbeitsberichte des Instituts f¨ur Informatik Bd. 40, Nr. 2) . – 283 Seiten. ISSN 1611-4205

20.1.4

¨ Automatische Testdatengenerierung zur Unterstutzung inkrementeller ¨ hochzuverl¨assige Softwaresysmodell- und codebasierter Testprozesse fur teme

Projektleitung: Prof. Dr. Francesca Saglietti Beteiligte: Dipl.-Inf. Florin Pinte Dipl.-Inf. Claudia Schieber Norbert, Oster Beginn: 1.3.2006 F¨orderer: Bayerisches Staatsministerium f¨ur Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie ¨ UnITeD – Unterstutzung Inkrementeller TestDaten Das Vorhaben mit dem Verbundpartner AFRA GmbH verfolgt das Ziel, deutlich u¨ ber den derzeitigen Stand der Technik hinaus die Testphase hochzuverl¨assiger, insbesondere sicherheitskritischer Software zu automatisieren, um dadurch bei reduzierten Kosten die Erkennung von Restfehlern in komplexer Software zu erh¨ohen. 335

Im Rahmen des Vorhabens UnITeD, das vom Freistaat Bayern als Bestandteil der Software Offensive Bayern gef¨ordert wird, sollen neue Verfahren zur automatischen Testunterst¨utzung entwickelt und in entsprechende Werkzeuge umgesetzt werden. Diese Verfahren sollen u. a. eine signifikante Reduzierung des erforderlichen Testaufwands in den fr¨uhen Entwurfsphasen erm¨oglichen, sowie den Bedarf erg¨anzender, auf Codebetrach¨ tungen basierender Uberpr¨ ufungen rechtzeitig feststellen. Die automatisierte Testprozedur wird im realen medizintechnischen Umfeld beim Pilotpartner Siemens Medical Solutions erprobt. Das Projekt ist in zwei Teilprojekte gegliedert. Das erste Teilprojekt betrachtet die automatische Testdatengenerierung auf Komponentenebene, w¨ahrend das zweite Teilprojekt den Integrationsaspekt von Komponenten in den Vordergrund stellt und Verfahren zur Automatisierung des Integrationstests entwickelt. In beiden F¨allen soll das am Lehrstuhl f¨ur die Codeebene bereits erfolgreich umgesetztes Konzept (Projekt ”.gEAr”) auf Modellebene u¨ bertragen werden. Darauf aufbauend sollen die Fehleraufdeckungsquoten von modellbasiertem und strukturellem Testen verglichen werden, um Anhaltspunkte f¨ur die optimale Inkrementierung von modellbasierten Testkriterien herleiten zu k¨onnen. Teilprojekt 1: Automatische Testdatengenerierung auf Komponentenebene Folgende Teilaufgaben wurden durchgef¨uhrt: ¨ ¨ den Komponenten• Definition modellbasierter Uberdeckungskriterien fur test: Zur automatischen Generierung von Testf¨allen anhand struktureller Merk¨ male eines Modells sind Uberdeckungskriterien auf Modellebene erforderlich. ¨ Eine Reihe solcher Uberdeckungskriterien wurde definiert und in einer Kriterienhierarchie eingeordnet. Hierf¨ur wurden sowohl bereits bestehende, generische Kriterien (z.B. Knoten¨uberdeckung, Kanten¨uberdeckung) hinzugezogen, als auch dedizierte Kriterien hergeleitet. ¨ • Generierung von Testf¨allen: Zur Uberdeckung eines Modells nach einem der ¨ definierten Uberdeckungskriterien sind sowohl Testszenarien (Abl¨aufe) als auch Testdaten (Parameter) notwendig. F¨ur die Generierung von Testf¨allen (Testszenarien mit den dazugeh¨origen Daten) wurde ein evolution¨ares Verfahren konzipiert, ¨ das die zur Uberdeckung ben¨otigten Testf¨alle automatisch generiert und dabei gleichzeitig die Anzahl der daf¨ur ben¨otigten Testf¨alle minimiert. • Entwicklung eines Modellsimulators: Um den durch einen Testfall erzielten ¨ Uberdeckungsgrad zu ermitteln, wurde ein Werkzeug entwickelt, welches UMLModelle zu simulieren und dadurch die bei der Ausf¨uhrung des Testfalls erreichten Modellelemente zu erfassen erlaubt. Diese Information wird anschließend zur Optimierung der Testf¨alle w¨ahrend der Generierung verwendet. Der Modellsimulator wurde exemplarisch am Beispiel von Zustandsmaschinen, Sequenzdiagrammen und Aktivit¨atsdiagrammen umgesetzt. 336

¨ • Unterstutzung des Regressionstests: Das Werkzeug UnITeD wurde um eine Funktionalit¨at erweitert, welche es dem Tester erlaubt, bereits validierte Testf¨alle ¨ zu identifizieren, die von Anderungen am Modell oder System nicht betroffen sind. Somit m¨ussen derartige Testf¨alle nicht erneut untersucht werden, was den Testaufwand bedeutend zu reduzieren vermag. Stattdessen werden lediglich zus¨atzlich erforderliche Testf¨alle automatisiert hinzugeneriert. ¨ • Unterstutzung der Testverfeinerung: Im Rahmen dieser Teilaufgabe wurde der Begriff der Verfeinerung von UML-Zustandsmaschinen definiert und analysiert; insbesondere wurde ein Verfahren entwickelt, das zu jedem Testfall auf einer vorgegeben Modellebene alle zugeh¨origen Testf¨alle auf einer durch Verfeinerung sich ergebenden Modellebene identifiziert. Dabei wurde die Zuordnung korrespondierender feiner und grober Testf¨alle durch sogenannte ”Stammb¨aume” visualisiert. Teilprojekt 2: Automatisierung des Integrationstests Hauptziel dieses Teilprojekts ist das Testen der Schnittstellen zwischen bereits eigenst¨andig oder in einem fremden Kontext getesteten, miteinander interagierenden Komponenten. Folgende Teilaufgaben wurden durchgef¨uhrt: ¨ • Definition modellbasierter Schnittstellenuberdeckungskriterien: Auf der Basis vorausgegangener Lehrstuhlprojekte wurden Schnittstellen¨uberdeckungsstrategien f¨ur den modellbasierten Integrationstest definiert und hierarchisch eingeordnet – besonderer Schwerpunkt ist dabei die Ber¨ucksichtigung der einzelnen Komponentenzust¨ande und der Aufrufparameter. F¨ur jedes identifizierte Testkriterium wurde anschließend anhand der maximalen Gesamtanzahl zu u¨ berdeckender Modellentit¨aten ein Aufwandsindikator ermittelt, welcher den Testmanager in den fr¨uhen Phasen bei der Auswahl der jeweils optimalen Teststrategie unterst¨utzen soll. • Generierung von Testf¨allen: Ein evolution¨ares Verfahren wurde entwickelt, das Integrationstestf¨alle automatisch generiert und optimiert, welche den oben ¨ genannten, zustandsbasierten Uberdeckungskriterien gen¨ugen. Daf¨ur wurde der Modellsimulator aus Teilprojekt 1 dahingehend erweitert, dass auch Interaktionen zwischen mehreren kommunizierenden Zustandsmaschinen simuliert und protokolliert werden k¨onnen. ¨ Teilprojekt 3: Ubergeordnete Aufgaben F¨ur beide Teilprojekte 1 und 2 relevant war die Durchf¨uhrung folgender Teilaufgaben: 337

¨ • Visualisierung der von generierten Testf¨allen uberdeckten Modellelementen: Die im Rahmen dieser Teilaufgabe entwickelten Plugins f¨ur Magic Draw und Enterprise Architekt erlauben die Markierung der durch eine vorgegebene Testfallmenge u¨ berdeckten Modellelemente. Die Konzepte, auf denen diese Plugins basieren, erm¨oglichen die differenzierte Darstellung erforderlicher bzw. optionaler Entit¨aten mittels unterschiedlicher graphischer Hilfsmittel (F¨arbung bzw. NotizTextfelder). • Implementierung eines Mutationsgenerators: Zum Zweck der anschließenden Bewertung des entwickelten Testverfahrens mittels Mutationstests wurde im Rahmen dieser Teilaufgabe ein Modellmutationsgenerator implementiert. Zun¨achst wurden Mutationsoperatoren auf Modellebene beschrieben und klassifiziert. Diese lassen sich anschließend jeweils einzeln in einem gemeinsamen initialen Modell instanziieren, wodurch ebenso viele Modellmutanten generiert werden. Darauf aufbauend erfolgt die Bewertung einer Testfallmenge durch Ausf¨uhren aller Modelle (des urspr¨unglichen und aller Mutationen) mit der zu bewertenden Testfallmenge und durch Vergleich des sich jeweils ergebenden Verhaltens. Die Anzahl der dabei erkannten Modellmutationen l¨asst sich als Indikator des Fehlererkennungspotentials einer Testfallmenge interpretieren. Folgende Zielsetzungen werden in den weiteren Schritten des Forschungsprojekts verfolgt: • Untersuchung und Klassifizierung typischer Fehlerarten, welche mit den entwickelten Verfahren und Werkzeugen aufgedeckt werden • Erweiterung des Regressionstests auf die Integrationsphase ¨ • Erg¨anzung des Werkzeugs um Unterst¨utzung weiterer Uberdeckungskriterien • Erprobung und Evaluierung der entwickelten Testverfahren und des implementierten Werkzeugs UnITeD an realen, medizintechnischen Pilotanwendungen Publikationen –

Pinte, Florin ; Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert: Automatic Generation of Optimized Integration Test Data by Genetic Algorithms . In: Maalej, Walid ; Br¨ugge, Bernd (Hrsg.) : Software Engineering 2008 – Workshopband (Software Engineering 2008 – Workshop ”Testmethoden f¨ur Software – Von der Forschung in die Praxis” M¨unchen 2008). Bonn : Gesellschaft f¨ur Informatik (GI) e. V., 2008, S. 415-422. (Lecture Notes in Informatics (LNI) Bd. P – 122) – ISBN 978-388579-216-1 338

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Pinte, Florin ; Baier, Gerhard ; Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert: Automatische Generierung optimaler modellbasierter Regressionstests . In: Hegering, HeinzGerd ; Lehmann, Axel ; Ohlbach, Hans J¨urgen ; Scheideler, Christian (Hrsg.) : INFORMATIK 2008 – Beherrschbare Systeme dank Informatik (Band 1) (Workshop on Model-Based Testing (MoTes 2008) M¨unchen 09.09.2008). Bd. 1. Bonn : Gesellschaft f¨ur Informatik, 2008, S. 193-198. (Lecture Notes in Informatics Bd. P133) – ISBN 978-3-88579-227-7

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Pinte, Florin ; Oster, Norbert ; Saglietti, Francesca: Techniques and Tools for the Automatic Generation of Optimal Test Data at Code, Model and Interface Level . In: ACM (Hrsg.) : Companion Proceedings (30th International Conference on Software Engineering (ICSE) Leipzig 10 – 18 May 2008). USA : ACM, 2008, S. -.

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Oster, Norbert ; Schieber, Claudia ; Saglietti, Francesca ; Pinte, Florin: Automatische, modellbasierte Testdatengenerierung durch Einsatz evolution¨arer Verfahren . In: Koschke, Rainer ; Herzog, Otthein ; R¨odiger, Karl-Heinz ; Ronthaler, Marc (Hrsg.) : Informatik 2007 – Informatik trifft Logistik (Informatik 2007 – 37. Jahrestagung der Gesellschaft f¨ur Informatik e.V. (GI) Bremen 24-27.09.2007). Bd. 2. Bonn : K¨ollen Druck+Verlag GmbH, 2007, S. 398-403. (Lecture Notes in Informatikcs Bd. P-110, Nr. 2) – ISBN 978-3-88579-204-8

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Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert ; Pinte, Florin: Interface Coverage Criteria Supporting Model-Based Integration Testing . In: Platzner, Marco ; Großpietsch, Karl-Erwin ; Hochberger, Christian ; Koch, Andreas (Hrsg.) : ARCS ’07 – Workshop Proceedings (Workshop proceedings of the 20th International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS 2007) Z¨urich(CH) 15.03.2007). Z¨urich : VDE Verlag GmbH Berlin/Offenbach, 2007, S. 85-93. – ISBN 978-38007-3015-5

20.1.5

Musterbasierte Analyse und Korrektur von Trace-Anomalien

Projektleitung: Prof. Dr. Francesca Saglietti Beteiligte: Adersberger, Josef 339

Laufzeit: 1.10.2006–31.12.2008 Eine durchg¨angige Verfolgbarkeit aller Artefakte eines SoftwareEntwicklungsprozesses wird von bedeutenden Standards wie DO-178B, V-Modell XT und CMMI gefordert; deren Gew¨ahrleistung wird sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Praxis als wesentlicher Bestandteil des Software- und Systementwicklungsprozesses betrachtet, insbesondere im Zusammenhang mit der Umsetzung von Produktlinienans¨atzen. Die erfassten Links zwischen abh¨angigen Artefakten dienen u.A. als Grundlage f¨ur folgende Analysen: ¨ • Auswirkung von Anderungen (Impact Analysis) • R¨uckverfolgbarkeit und Validierung (Derivation Analysis) ¨ • Uberdeckungsmessung und Verifikation (Gap Analysis). Wie empirische Studien zeigen, hat sich dennoch die Traceability im modernen Software Engineering noch nicht ad¨aquat durchgesetzt. Gr¨unde daf¨ur liegen im Fehlen eines umfassenden, allgemeing¨ultigen Modells sowie im noch nicht ausreichend ausgepr¨agten Integrationsgrad einschl¨agiger CASE Werkzeuge, wodurch sich derzeit noch ein zu hoher Aufwand zur Analyse und zur Pflege bestehender Links ergibt. Im Rahmen dieses Projekts wurden deshalb folgende Teilaufgaben berabeitet und abgeschlossen: • Entwicklung eines Traceability Metamodells, das eine generische Sicht und Visualisierung spezieller Traceability Modelle unterst¨utzt. Die Ausdruckskraft des Metamodell umfasst alle zu modellierenden Artefakte sowie eine Reihe vordefinierter und klassifizierter Beziehungen zwischen Artefakten. Das Metamodell wurde im Lichte klassischer Standards zur Software- und Systementwicklung (wie etwa Unified Process, Automotive SPICE, Quasar Methode, AUTOSAR) in Bezug auf seine Einsatztauglichkeit gepr¨uft. • Bekanntlich stellen die Koh¨asion und die Kopplung zwei grundlegende Qualit¨atseigenschaften des Software-Entwurfs dar. Allerdings basiert die Berechnung neuerer Metriken zu deren Messung auf UML-Modellen. Aus diesem Grunde befasste sich ein Teilprojekt dieses Vorhabens mit einem Verfahren, um Java-Quellcode durch UML-Modelle (Aktivit¨ats- und Klassenmodelle) zu repr¨asentieren. Darauf aufbauend wurde ein Werkzeugs als Plugin in Eclipse entwi¨ ckelt, das die Ubetrtragung des Codes und die Bestimmung code¨ubergreifender Metriken erm¨oglicht.

340

• In einem weiteren Teilprojekt wurden schließlich Ans¨atze zur Modellintegration untersucht und realisiert. Ziel war hierbei die Definition einer Vorgehensweise zur integrierten Darstellung (auf Metamodellebene) von Informationen aus unterschiedlichen Entwicklungsphasen (auf verschiedenen Modellebenen). Damit stellt die Modellintegration einen wesentlichen Schritt in Richtung einer durchg¨angigen Verfolgbarkeit dar. In diesem Teilprojekt wurde der Prozeß der Nachintegration anhand von Anforderungs-, Anwendungsfall-, Komponentenund Klassendiagrammen untersucht. 20.1.6

¨ Softwarezuverl¨assigkeitsbewertung unter Berucksichtigung der mit vorgefertigten Komponenten gewonnenen Betriebserfahrung

Projektleitung: Prof. Dr. Francesca Saglietti Beteiligte: Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein Dipl.-Inf. Herbert Reiter Beginn: 1.5.2003 F¨ur sicherheitskritische Einsatzgebiete von Software-Systemen ist der Nachweis eines gewissen Grades an Softwarezuverl¨assigkeit notwendig und teilweise auch vorgeschrieben. Hierbei ist nicht die Anzahl der in der Software enthaltenen Fehler entscheidend, sondern ihr Auftreten w¨ahrend der Laufzeit. Die Zuverl¨assigkeitsbewertung erfolgt deshalb auf Basis einer dem Betriebsprofil m¨oglichst entsprechenden Testphase. Wie in fr¨uheren Jahresberichten bereits dargestellt, befasste sich das Projekt zun¨achst mit der Erfassung der im Einsatz gewonnenen Betriebserfahrung und ihrer Visualisierung zum Zweck der Herleitung und Dokumentation entsprechender Operationsprofile. Hierzu wurde ein Werkzeug erstellt, mit welchem zu einer vordefinierten JavaKomponente, alle externen Methodenaufrufe mittels eines Wrappers zur Laufzeit protokolliert werden k¨onnen. Die auf diese Weise umgesetzte Protokollierung der Aufrufe zur Laufzeit dient als Basis f¨ur weitere Untersuchungen, inwieweit eine objektive Entscheidung bez¨uglich des Bedarfs an Nachtesten vorgegebener, in einem neuen Kontext wiederzuverwendender Funktionalit¨aten systematisch herbeigef¨uhrt werden kann. Darauf aufbauend wurde in einem weiteren Teilprojekt die Erfassung der k¨unftig zu erwartenden Software-Beanspruchung untersucht und an einem realen, medizinischen System zur Kalibrierung von H¨orger¨aten umgesetzt. Anhand dieser Information kann der Testprozess dem k¨unftigen Einsatz dadurch angepasst werden, dass die Testf¨alle mit einer betrieblich repr¨asentativen H¨aufigkeit ausgew¨ahlt werden. Damit lassen sich die Testergebnisse mit Hilfe von Zuverl¨assigkeitsmodellen unmittelbar in Kenngr¨oßen zur Sch¨atzung der operationalen Zuverl¨assigkeit u¨ bertragen. 341

Zudem wurde in der Vergangenheit bereits der Einsatz statistischer Hypothesentests zur quantitativen Absch¨atzung der Zuverl¨assigkeit untersucht. Hierbei kann aus einer vorausgegangenen Testphase bzw. aus der bei fr¨uheren Eins¨atzen der Software gewonnenen Betriebserfahrung zu einer vorgegebenen Aussagesicherheit eine obere Schranke f¨ur die Versagenswahrscheinlichkeit bestimmt werden. Bei Wiederverwendung vorgefertigter Komponenten f¨uhrt der Einsatz derartiger Sch¨atzverfahren auf die Untersuchung der Komposition einzelner komponentenspezifischer Zuverl¨assigkeitsaussagen zu einer systembezogenen Gesamtaussage. Bestehende Ans¨atze l¨osen dieses Problem nur unzureichend, da sie entweder auf idealistischen Annahmen beruhen oder durch konservative Sch¨atzungen an Aussagenssch¨arfe verlieren. Hierf¨ur wurde ein verbesserter Ansatz zur Komposition von Vertrauensaussagen im Falle sich gegenseitig ausschließender Funktionalit¨aten erarbeitet, der u.a. eine deutliche Reduktion des f¨ur eine Zuverl¨assigkeitsaussage erforderlichen Testumfangs bzw. a¨ quivalenter Betriebserfahrung erm¨oglicht. Im vergangenen Berichtszeitraum wurde die Komposition einzelner komponentenspezifischer Zuverl¨assigkeitsaussagen auf weitere Systemarchitekturen erweitert. Hierf¨ur wurden neue Ans¨atze zur Bewertung serieller Strukturen sowie Kombinationen aus seriellen und parallelen Strukturen erarbeitet. Zudem wurden auch Ans¨atze f¨ur den Fall nicht vollst¨andig versagensfreier Betriebserfahrung hergeleitet, die ebenfalls eine Zuverl¨assigkeitsbewertung erlauben. Dar¨uber hinaus sind in diesem Zusammenhang auch Verfahren f¨ur das optimale Nachtesten von Komponenten erarbeitet worden. Zur Untersuchung der praktischen Anwendbarkeit wurde eine industrielle Kooperation mit der Firma ZF Friedrichshafen AG initiiert. Hierbei steht die Erprobung der Einsetzbarkeit statistischer Testverfahren bei konkreten Software-Systemen im Vordergrund, welche anhand einer Getriebesteuerungssoftware untersucht wird. Hierf¨ur wurde ein allgemeiner Leitfaden definiert, der die einzelnen Schritte zur Auswertung statistisch relevanter Betriebserfahrung vorgibt. Erste Schritte dieses Leitfadens wurden bereits erfolgreich umgesetzt und werden im laufenden Berichtszeitraum weiter durchgef¨uhrt. Publikationen –

Saglietti, Francesca: Certification and Licensing of Pre-Developed Components for Safety-Relevant Applications . In: Colnaric, M. ; Halang, W. A. ; Wegrzyn, M. (Hrsg.) : Real-Time Programming 2004 (WRTP 2004) (28th IFAC / IFIP Workshop on Real-Time Programming (WRTP 2004) and International Workshop on Software Systems (IWSS 2004), Istanbul (Turkey), 6 – 8 September 2004). Oxford : Elsevier for International Federation of Automatic Control (IFAC), 2005, S. 13 – 18. – ISBN 0-08-044582-9

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Saglietti, Francesca: Licensing Reliable Embedded Software for Safety-Critical 342

Applications . In: Real-Time Systems, The International Journal of Time-Critical Computing Systems 28 (2004), Nr. 2/3, S. 217-236 –

S¨ohnlein, Sven ; Saglietti, Francesca: Auswertung der Betriebserfahrung zum Zuverl¨assigkeitsnachweis sicherheitskritischer Softwaresysteme . In: Klenk, Herbert ; Keller, Hubert B. ; Pl¨odereder, Erhard ; Dencker, Peter (Hrsg.) : Automotive Safety & Security 2008 (Sicherheit und Zuverl¨assigkeit f¨ur automobile Informationstechnik Stuttgart 19. – 20. 11). Aachen : Shaker Verlag, 2008, S. 179-188. (Softwaretechnik) – ISBN 978-3-8322-7681-2

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S¨ohnlein, Sven ; Saglietti, Francesca: Nachweis hoher Softwarezuverl¨assigkeit auf der Basis von Test- und Betriebserfahrung mit wiederverwendbaren Komponenten . In: Alkassar, A. ; Siekmann, J. (Hrsg.) : Sicherheit 2008 (Sicherheit Schutz und Zuverl¨assigkeit Saarbr¨ucken 2. – 4. April 2008). Bonn : Gesellschaft f¨ur Informatik, 2008, S. 303-314. (Lecture Notes in Informatics (LNI) – Proceedings Bd. P – 128) – ISBN 978-3-88579-222-2

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S¨ohnlein, Sven ; Saglietti, Francesca: Reliability Estimation of Component-based Software by Evaluation of Operating Evidence of Software Components . In: Universit`a di Pavia (Veranst.) : EUROMICRO WIP (EUROMICRO 2008 Parma (I) 3.9.2008 – 5.9.2008). 2008, S. -.

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S¨ohnlein, Sven ; Saglietti, Francesca: Software Reliability Assessment by Statistical Analysis of Operational Experience . In: ERCIM News (European Research Consortium for Informatics and Mathematics) (2008), S. 17

20.1.7

Verifikation komponentenbasierter Softwaresysteme unter Einbeziehung bewiesener Komponenteneigenschaften

Projektleitung: Prof. Dr. Francesca Saglietti Beteiligte: Dipl.-Inf. Johannes Drexler Dipl.-Inf. Marc Spisl¨ander Beginn: 1.7.2004 Die sehr hohe Komplexit¨at heutiger Softwaresysteme f¨uhrt dazu, dass ihre vollst¨andige formale Verifikation kaum zu bew¨altigen ist. F¨ur sicherheitskritische Systeme ist es allerdings n¨otig, zumindest einige f¨ur die Anwendung relevante Eigenschaften nachweisen zu k¨onnen.

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Softwarekomponenten sind in sich abgeschlossene Softwarebausteine mit einer definierten Schnittstelle. Solche Komponenten k¨onnen zu einem Gesamtsystem integriert werden. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass die Komponenten wiederverwendet werden k¨onnen; eventuell k¨onnen Komponenten von externen Anbietern hinzugekauft werden. Die Komplexit¨at komponentenbasierter Systeme ist, sowohl durch die Wiederverwendung bew¨ahrter Komponenten als auch durch die h¨ohere Verst¨andlichkeit dank der Bausteinzerlegung, leichter zu bew¨altigen. Dieser komponentenbasierte Ansatz bietet dar¨uber hinaus auch die M¨oglichkeit, den Verifikationsaufwand zu verringern. Dazu m¨ussen Komponenteneigenschaften, die anhand der Komponenten u¨ berpr¨uft wurden, dokumentiert worden sein. Mittels einer Beschreibung des Systems sollen – von den Komponenteneigenschaften ausgehend – die Systemeigenschaften abgeleitet werden. F¨ur erw¨unschte, aber noch nicht ableitbare Systemeigenschaften sollen zus¨atzliche Komponenteneigenschaften ermittelt werden, aus denen sich erstere herleiten lassen. Mittels Wrappers sollen anschließend die erforderlichen Komponenteneigenschaften erzwungen werden. Das Projekt besch¨aftigte sich zun¨achst mit einer Untersuchung bestehender Komponenten- und Systembeschreibungssprachen. Zu diesem Zwecke wurden mehrere Architekturbeschreibungssprachen (engl. Architectural Description Language, ADL) untersucht und vergleichend bewertend. Dabei wurde ermittelt, in wieweit es diese Sprachen erm¨oglichen, Aktoren und Sensoren, die durch Komponenten angesteuert werden sowie die Interaktionen zwischen diesen Aktoren und Sensoren zu beschreiben. Insbesondere wurde dabei ermittelt, welche Sprachen eine systemunabh¨angige Komponentenbeschreibung erlauben. Ein formales Modell zur Beschreibung des Komponentenverhaltens wurde entwickelt, welches durch eine einfache Transformation auf eine Kripke-Struktur abgebildet werden kann. Dies ergibt eine formale Basis mit Schlussregeln zur Herleitung von Systemeigenschaften aus Komponenteneigenschaften. Dazu wurde aus den KripkeStrukturen der einzelnen Komponenten eine System-Kripke-Struktur abgeleitet, die anschließend mittels Model Checking auf die Erf¨ullung nachzuweisender Systemeigenschaften gepr¨uft werden kann. Darauf aufbauend wurde untersucht, inwieweit mittels Model-Checker die Einhaltung relativer Zeitanforderungen u¨ berpr¨uft werden kann. Dazu geh¨oren beispielsweise Anforderungen an die Konsistenz von Dienstaufrufen und Komponentenzust¨anden sowie Anforderungen bez¨uglich der Reihenfolge vorgegebener Dienstaufrufe. Zu diesem Zwecke wurde ein Verfahren entwickelt, das zu einer vorgegebenen relativen Zeitanforderung eine entsprechende Menge von Aussagen in der Computational Tree Logic (CTL) ermittelt, welche anschließend einzeln auf G¨ultigkeit u¨ berpr¨uft werden. Auf diese Weise erh¨alt man bereits w¨ahrend der Komponentenintegration allgemeing¨ultige 344

Aussagen dar¨uber, unter welchen spezifischen Bedingungen die jeweils betrachteten, relativen Zeitanforderungen verletzt werden k¨onnen. Teilprojekt A: ”Bewertung und Vergleich von Verfahren zur Analyse der Aussagekraft von Model-Checking-Nachweisen” Im Rahmen dieses Teilprojektes wurden mehrere Verfahren zur Analyse der Aussagekraft von Model-Checking-Nachweisen (u. a. Vacuity Detection, Model Checking Coverage, Witness Generation) untersucht. Ein Vergleich der ermittelten Verfahren, insbesondere in Hinblick auf die zugelassenen temporalen Logiken und auf die Aussagekraft der gelieferten Information, u. a. f¨ur eine eventuelle Fehlersuche, wurde durchgef¨uhrt. Um die Anwendung der untersuchten Verfahren zu erleichtern, wurde ein Werkzeug implementiert, das m¨oglichst viele der identifizierten Verfahren mit Hilfe des Model Checkers NuSMV realisiert und die Ergebnisse weit m¨oglichst visualisiert. Teilprojekt B: ”Untersuchung effizienter Kombinationen formaler und heuristischer Verfahren zur modellbasierten Verifikation” Im Kontext der Qualit¨atssicherung von Software-Systemen spielt die formale Verifikation eine wichtige Rolle. Diese Verifikationsmethode erlaubt es, die Erf¨ullung oder die Verletzung bestimmter Systemeigenschaften nachzuweisen. Dazu werden zun¨achst das Software-System und die nachzuweisende Systemeigenschaft als W¨orter geeigneter formaler Spezifikationssprachen dargestellt. Der eigentliche Schritt der Verifikation besteht darin, diese beiden W¨orter als Eingabe f¨ur einen Algorithmus zu verwenden, der dann – unter Umst¨anden mittels zus¨atzlicher menschlicher Interaktion – entscheidet, ob das Software-System die gew¨unschte Eigenschaften erf¨ullt oder verletzt. Verifikationsverfahren, die auf Logiken basieren, lassen sich bez¨uglich folgender Kriterien klassifizieren [Huth & Ryan]. Beweisbasiert vs. Modellbasiert: Bei dem beweisbasierten Ansatz werden sowohl das Software-System als auch die Systemeigenschaft als Formeln einer ausreichend m¨achtigen mathematischen Logik formuliert. Der Verifikationsalgorithmus versucht anschließend, mittels einer Kette logischer Schlussfolgerungen aus der Formel, die das Software-System darstellt, die Formel der Systemeigenschaft herzuleiten. Bei der modelbasierten Herangehensweise wird dagegen nur die Systemeigenschaft als logische Formel repr¨asentiert, w¨ahrend die Darstellung des Softwaresystems in einer Sprache erfolgt, die eine Interpretation der logischen Formel erm¨oglicht. Der Verifikationsalgorithmus pr¨uft in diesem Fall, ob das System ein Modell der Formel ist, die die Systemeigenschaft kodiert. Grad der Entscheidbarkeit: Je nach Ausdrucksst¨arke der verwendeten Logik ist die Erf¨ullung der Systemeigenschaft algorithmisch entscheidbar oder nicht. Ein Beispiel f¨ur Verifikationsprobleme erster Art ist das modellbasierte Verifikationsverfahren Model Checking mit CTL bzw. LTL. 345

Die beweisbasierte Verifikationsmethode Theorem Proving mit der Pr¨adikatenlogik erster Stufe ist dagegen nicht entscheidbar, kann also nicht immer einen Beweis f¨ur die G¨ultigkeit bzw. Verletzung einer Systemeigenschaft finden. In bestimmten F¨allen kann dies jedoch durch menschliche Interaktion mit dem Verifikationsalgorithmus gelingen. Dank ihrer prinzipiellen Automatisierbarkeit entscheidbarer Verifikationsverfahren haben sich modellbasierte Ans¨atze wie Model Checking auf einem breiteren Anwendungsfeld als Theorem Provers durchgesetzt. Es hat sich in der Praxis auch herausgestellt, dass sich mit CTL bzw. LTL einige wichtige Klassen von Systemeigenschaften ausdr¨ucken lassen, wie: • Lebendigkeit: das System kann immer wieder in einen vorgegebenen Zustand kommen. • Gegenseitiger Ausschluss: Es d¨urfen sich nicht mehrere Komponenten gleichzeitig in einem bestimmten Zustand befinden. • Fairness: allen Prozessen eines Systems wird irgendwann Zugang zu einer gemeinsamen Ressource gew¨ahrt. Obwohl sich Model Checking mit CTL bzw. LTL in der Praxis bew¨ahrt hat, unterliegt es jedoch gewissen Einschr¨ankungen, etwa Folgende: 1. Einschr¨ankung: Endlichkeit der Zustandsmenge. Es k¨onnen i.a. nur Systeme mit endlich vielen Zust¨anden verifiziert werden. 2. Einschr¨ankung: Gr¨oße der Zustandsmenge. Selbst in Fall endlicher, aber sehr großer Zustandsmengen kann der Einsatz impraktikabel werden. 3. Einschr¨ankung: Grenzen der Entscheidbarkeit. Falls die Systemeigenschaft die Ausdruckskraft einer nicht entscheidbaren Logik erfordert, lassen sich oben genannte Verfahren nicht mehr anwenden. Eine bis jetzt wenig ber¨ucksichtigte M¨oglichkeit besteht darin, die Erf¨ullung bzw. Verletzung vorgegebener Eigenschaften mittels heuristischer Suchverfahren zu untersuchen. Denkbar w¨are zum Beispiel die Definition und Evaluierung einer Bewertungsfunktion (etwa f¨ur Zust¨ande oder Pfade), die ein Indikator f¨ur die G¨ute einer Eingabesequenz im Hinblick auf ihre Aussagekraft hinsichtlich des Erf¨ullungsgrads einer nachzuweisenden Systemeigenschaft evaluiert. Die wiederholte Auswertung einer derartigen G¨utefunktion kann somit daf¨ur verwendet werden, die Generierung weiterer, aussagekr¨aftigerer Testsequenzen gezielt zu steuern. Bei einer Systembeschreibung als erweiterter endlicher Automat ist eine Kombination aus analytischen und heuristischen Verfahren untersuchenswert. Dieses vor kurzem begonnene Teilprojekt befasst sich deshalb mit der Analyse der Komplementarit¨at folgender orthogonaler Ans¨atze 346

• Formale Verifikationsverfahren f¨ur (rein kontrollflussabh¨angige) Zustandsmaschinen, • Heuristische Verfahren f¨ur datenflussabh¨angige Transitionspfade.

20.2 –

20.3

Publikationen Saglietti, Francesca ; Oster, Norbert ; S¨ohnlein, Sven: Qualit¨at und Zuverl¨assigkeit im Software Engineering . In: Zeitschrift f¨ur wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF) 103 (2008), Nr. 6, S. 407-412

Studien- und Abschlussarbeiten

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Studienarbeit: Analyse und Vergleich von Verfahren zur Leistungsbewertung von Softwaresystemen. Bearbeiter: Ulf Jensen (beendet am 11.3.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein

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Diplomarbeit: Konzeption und Implementierung eines Verfahrens zur Analyse von Modellverfeinerungen und zur Testdatenerzeugung. Bearbeiter: Alexander Reuß (beendet am 1.5.2008)

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Studienarbeit: Integration von UML und SysML Modellen f¨ur eine durchg¨angige Traceability. Bearbeiter: Duy Ninh Nguyen (beendet am 6.5.2008)

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Diplomarbeit: Synchronisation von parallelen Systemtest- und Entwicklungsumgebungen bei zeitversetzten Releases. Bearbeiter: Marina Fomina (beendet am 2.6.2008)

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Diplomarbeit: Visualisierung u¨ berdeckter sowie zu u¨ berdeckender Modellelemente im modellbasierten Test. Bearbeiter: Achim Neubauer (beendet am 1.8.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Florin Pinte

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Studienarbeit: Machbarkeitsstudie zur Anwendung statistischer Testverfahren bei Getriebesteuerungen mittels Auswertung und Analyse von Anwendungsdaten. Bearbeiter: Siegfried Baryschew (beendet am 11.11.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Sven S¨ohnlein

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¨ Informatik 12 (Hardware-SoftwareLehrstuhl fur Co-Design) Anschrift: Am Weichselgarten 3, 91058 Erlangen Tel.: +49-9131-85-25148 Fax: +49-9131-85-25149 E-Mail: [email protected]

Leitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Professoren: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka Sekretariat: Margaret Formago, M.A. Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inf. Josef Angermeier Hritam Dutta, M. Sc. Dipl.-Inf. Jens Gladigau Dipl.-Inf. Michael Glaß Dipl.-Ing. Frank Hannig Dipl.-Inf. Matthias Hartl Dr.-Ing. Christian Haubelt Dipl.-Inf. Sabine Helwig Dipl.-Inf. Dmitrij Kissler Dipl.-Ing. Dirk Koch Dipl.-Ing. Alexey Kupriyanov Dipl.-Inf. Martin Lukasiewycz Dipl.-Ing. Mateusz Majer Dipl.-Inf. Richard Membarth Dipl.-Inf. Felix Reimann Dipl.-Inf. Holger Ruckdeschel Dipl.-Inf. Thomas Schlichter Dipl.-Ing. Thilo Streichert Dipl.-Inf. Martin Streub¨uhr Dipl.-Inf. Stefan Wildermann Dipl.-Inf. Christian Zebelein Dipl.-Ing. Daniel Ziener Weitere Doktoranden: Dipl.-Ing. Joachim Keinert 348

Dipl.-Phys. Bernhard Niemann Nichtwiss. Personal: Edwin Aures Dipl.-Phys. Andreas Bininda Dipl.-Ing. (FH) Joachim Falk Alumni: Dr.-Ing. Ali Ahmadinia Dr.-Ing. Marcus Bednara Prof. Dr. Christophe Bobda Dr.-Ing. Sanaz Mostaghim Prof. Dr.-Ing. Frank Slomka Der Lehrstuhl Hardware-Software-Co-Design wurde 2003 durch die Berufung des Lehrstuhlinhabers, Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich, neu eingerichtet. Im Oktober 2004 wurde die dem Lehrstuhl zugeordnete C3-Professur f¨ur Effiziente Algorithmen und Kombinatorische Optimierung durch Prof. Dr. Rolf Wanka besetzt. Die Ziele des Hardware-Software-Co-Designs bestehen darin, • die Wechselwirkungen von Hardware- und Softwareentwicklung zu untersuchen, und dabei insbesondere das Co-Design zu realisieren, d.h. den integrierten Entwurf von Systemen, die sowohl aus Hardware- als auch aus Softwarekomponenten bestehen. Vor dem Hintergrund der Komplexit¨at integrierter HardwareSoftware-Systeme erfordern diese Systeme den Einsatz von Entwurfsmethoden, mit denen effiziente Hardware- und Softwarekomponenten gemeinsam entworfen werden k¨onnen, wobei es auch darauf ankommt, Entwurfsalternativen abzuw¨agen. • f¨ur die Praxis Hardware-Software-Systeml¨osungen zu entwickeln und zu betreiben, die den technologischen Fortschritt, die fortschreitende Automatisierung h¨oherer Entwurfshierarchien, die zunehmende Komplexit¨at der Anwendungen insbesondere im Kontext der Rekonfigurierbarkeit und kostenoptimierte Realisierungen ausgewogen unterst¨utzen. • Algorithmen zu entwickeln und zu analysieren, die die vorhandenen Ressourcen effizient nutzen und dabei u.a. Methoden des Online Computing, der Approximationsverfahren und des Organic Computing anwendet. Die Anwendungsgebiete, auf denen der Lehrstuhl arbeitet, umfassen insbesondere • Eingebettete Systeme, z.B. im Bereich der Automobilelektronik,

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• effiziente L¨osungen f¨ur Spezialaufgaben, z.B. im Bereich der Bildverarbeitung, mit Hilfe modernster rekonfigurierbarer Systeme wie der Erlangen Slot Machine (ESM), und • Autonome Systeme, z.B. im Bereich der Robotik. Prof. Teich ist Mitglied in zwei europ¨aischen Networks of Excellence: • European Network of Excellence on Embedded Systems Design (Artist) • European Network of Excellence on High-Performance Embedded Architecture and Compilation (HiPEAC) Des Weiteren ist Prof. Teich Mitbegr¨under des Embedded Systems Institute (ESI). F¨ur weitere Informationen siehe http://www.esi.uni-erlangen.de. Prof. Wanka ist Vertrauensdozent/Mentor des Max Weber-Programms im Elite-Netzwerk Bayern.

21.1

Forschungsschwerpunkte

Die Arbeitsgebiete des Lehrstuhls umfassen alle Aspekte des systematischen Entwurfs (CAD) eingebetteter Systeme, speziell die Arbeitsgebiete Ablaufplanung (Scheduling), Platzierung, Verdrahtung sowie Lastverteilung. Untersucht werden insbesondere innovative und adaptive Rechnerstrukturen und Spezialprozessoren (ASIPs, RISPs) und deren Programmierung sowie die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen wie Simulatoren, Compiler und Prototypen. Ferner: Diskrete Optimierungsmethoden, insbesondere lokale und globale Suchverfahren, lineare Programmierung, Mehrzieloptimierungsverfahren und deren Anwendung im Kontext der optimalen Auslegung technischer Systeme. Gruppen • Effiziente Algorithmen und Kombinatorische Optimierung Leitung: Rolf Wanka Die Arbeitsgruppe ”Effiziente Algorithmen und Kombinatorische Optimierung” untersucht Fragestellungen aus dem Bereich des Parallelen Rechnens, der algorithmischen Graphentheorie und der Optimierung durch Meta-Heuristiken. Im Gebiet des Parallelen Rechnens werden sog. Basis-Algorithmen wie das effiziente Routing, die geschickte Lastbalancierung und das schnelle Sortieren erforscht. Wie 350

gut man diese algorithmischen Aufgabe l¨osen kann, h¨angt h¨aufig von einer graphentheoretischen Eigenschaft des Parallelrechners ab, auf dem sie behandelt wird, dem sog. Spektrum. Deswegen bestimmen wir f¨ur popul¨are Graphen, die als ParallelrechnerTopologien genutzt werden, diese Spektren. Diese Methoden werden u¨ bertragen auf die Untersuchung von modernen Peer-to-Peer-Netzwerken oder die Relevanz-Bewertung von einzelnen Datens¨atzen. Kombinatorische Aufgaben wie die L¨osung des Erf¨ullbarkeitsproblems, die Berechung von Rundreisen und Wegeplanung f¨ur Fahrzeuge sind meist nur sehr langsam exakt zu bew¨altigen, weshalb wir f¨ur diese Probleme N¨aherungl¨osungen entwickeln. H¨aufig st¨oßt man auf Optimierungsaufgaben, bei denen es nicht bekannt ist, wie die Zielfunktion, die z.B. minimiert werden soll, konkret aussieht. Deswegen untersuchen wir sog. Meta-Heuristiken, die gute Ergebnisse erzielen k¨onnen, ohne dass man die Zielfunktion explizit kennt. Diese Methoden lassen sich auch anwenden, wenn die Zielfunktion zwar bekannt ist, es aber kein individuelles Optimierungsverfahren gibt. • System-Level Design Automation Leitung: Christian Haubelt Innerhalb der Arbeitsgruppe ”System-Level Design Automation” werden die wesentlichen Themen zum automatischen Entwurf eingebetteter Hardware-Software-Systeme auf Systemebene erforscht. Hierzu geh¨oren u. a. die Bereiche Modellierung, Systemsynthese, Optimierung und die Verifikation eingebetteter Systeme. Eine der wesentlichen Zielsetzungen dieser Gruppe ist hierbei die Unterst¨utzung neuer Entwurfsparadigmen, wie adaptive Applikationen und hardwarerekonfigurierbare Architekturen, f¨ur die es bis heute keine geschlossene Entwurfsmethodik gibt. Momentane Entwicklungen zeigen aber deutlich die Notwendigkeit, f¨ur formale Methoden auf einem hohen Abstraktionsniveau durch die es erst m¨oglich wird, Produkte in annehmbarer Zeit beweisbar korrekt zu entwickeln. Hierbei spielt auch die Integration der Entwurfsmethodik in einen auf Programmiersprachen basierenden Entwurfsfluss eine große Rolle. Zurzeit werden zwei Projekte konkret innerhalb der Gruppe ”System-Level Design Automation” bearbeitet, die die Kernaufgaben des automatischen Entwurfs eingebetteter Hardware-SoftwareSysteme abdecken. • Architecture and Compiler Design Leitung: Frank Hannig Mikroprozessoren sind heutzutage allgegenw¨artig, sie werden in technischen Produkten eingesetzt, in denen man bis vor kurzem noch gar keine ’Computer’ erwartet hat: Mobiletelefone, Haushaltsger¨ate, Medizintechnik, Unterhaltungstechnik, Automobiltechnik und Geb¨audeautomatisierung, um nur ein paar Anwendungsgebiete zu nennen. 351

Gegen¨uber herk¨ommlichen Computern (PC, Arbeitsplatzrechner, etc.) sind diese so genannten ’eingebetteten’ Systeme in hohem Maß auf eine bestimmte Klasse von Anwendungen spezialisiert. Die große Spezialisiertheit erfordert hinsichtlich mehrerer Kriterien optimierte Systeme. Zumeist haben eingebettete Systeme hohe Anforderungen an Rechenleistung, Kosten oder den Energieverbrauch. Neben den Fertigungskosten spielen die Entwicklungskosten und immer k¨urzer werdende Time-to-market-Zyklen eine wichtige Rolle. Deshalb versuchen wir in der Arbeitsgruppe ”Architecture and Compiler Design” den Zyklus beim Entwurf anwendungsspezifischer Prozessoren zu verk¨urzen. Hierzu werden folgende Forschungsfelder betrachtet: CAD-Werkzeuge zur Modellierung, Simulation und Generierung von Architekturen, und Compiler und Methoden zur Abbildung von Algorithmen auf diese Architekturen. Es werden sowohl mikroprogrammierbare Prozessoren als auch dedizierte Hardware untersucht. Ziel beim Entwurf von mikroprogrammierbaren anwendungsspezifischen Prozessoren ist eine Architektur und Compiler Co-Generierung optimiert f¨ur eine ganze Klasse von Algorithmen (Benchmark). Viele Anwendungen, die einen hohen Datendurchsatz ben¨otigen, k¨onnen auch direkt in einem dediziert massiv parallelen System implementiert werden, d. h. ein h¨ochstoptimiertes System (z. B. ein Coprozessor) realisiert genau eine Anwendung. Aus den unterschiedlichen Zielarchitekturen (programmierbar oder dediziert) ergibt sich ein Trade-off zwischen Hardware-Software-L¨osungen. Ein L¨osungsansatz stellen hier rekonfigurierbare Architekturen dar. Rekonfigurierbare Rechenfelder und Prozessoren sind daher ein aktueller Bestandteil unserer Forschung. • Reconfigurable Computing Leitung: J¨urgen Teich Ziel der Aktivit¨aten in der Gruppe ”Reconfigurable Computing” ist die Erforschung von Grundlagen f¨ur den Entwurf von Rechensystemen, die die F¨ahigkeit besitzen, ihr Verhalten und ihre Struktur aus Effizienz- und Optimalit¨atsgr¨unden an sich a¨ ndernde Anforderungen, Betriebs- und Umgebungsbedingungen dynamisch anzupassen, z.B. an neue Protokolle und Standards, andere physikalische Randbedingungen oder ver¨anderliche Optimierungsziele. Aufgrund immer k¨urzer werdender Lebenszeiten von technischen Produkten werden solche Systeme mit der F¨ahigkeit der Rekonfigurierbarkeit auf unterschiedlichen Granularit¨atsebenen der Hardware immer wichtiger, denn nur sie sind in der Lage, f¨ur ein zur Entwurfszeit oft noch unklares Spektrum an unterschiedlichen Anforderungen jeweils optimale L¨osungen zu bieten und hohe Redesignzeiten zu vermeiden. Auch lassen sich mit rekonfigurierbaren L¨osungen, insbesondere in Verbindung 352

mit geringen St¨uckzahlen, die Produktionskosten optimieren. Mit den erwarteten Erkenntnissen k¨onnen in der Zukunft wiederum Ideen f¨ur neue Produkte, so z.B. selbstrekonfigurierende oder gar selbstheilende Rechensysteme, entstehen. Als zentrale Problembereiche im Zusammenhang mit dem Entwurf rekonfigurierbarer Rechensysteme werden die Themenkomplexe Mechanismen und Effizienz der Rekonfiguration, Sprachen und Modelle, Entwurfsmethodik sowie Architekturen und Anwendungen untersucht. Die Forschungsaktivit¨aten im Bereich ”Rekonfigurierbare Rechensysteme” werden von der DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1148 ”Rekonfigurierbare Rechensysteme” durch die Finanzierung von zwei Projekten gef¨ordert. • Assoziierte Projektgruppe Hardware-Software-Co-Design (am Fraunhofer ¨ Integrierte Schaltungen (IIS)) Institut fur Leitung: Marcus Bednara Die Projektgruppe Hardware-Software-Co-Design ist der Abteilung Bildsensorik des IIS angegliedert, da hier ein weites Spektrum von Anwendungsm¨oglichkeiten und Potenzialen intelligenter eingebetteter Systeme besteht. Die Herausforderung der Zukunft liegt in der Beherrschung komplexer technischer Systeme, die gleichsam aus Hard- und Software-Komponenten bestehen. Die beim Systementwurf auftretenden Probleme sind seit langem bekannt, und es existieren leistungsf¨ahige Verfahren zur Simulation und Synthese der Einzelkomponenten. Bisher fehlen jedoch Werkzeuge zur Verifikation des Gesamtsystems, zur automatischen Schnittstellensynthese und zur fr¨uhen Exploration von Entwurfsalternativen. Sollen Systeme dar¨uber hinaus die inh¨arente F¨ahigkeit der ”Intelligenz” besitzen, muss die Systemauslegung sogar dynamisch zur Laufzeit und vom System selbst durchf¨uhrbar sein. Typische Beispiele findet man etwa bei: Intelligenten bildverarbeitenden Systemen, Contentbasierter Datenverarbeitung, Selbstlernenden und -heilenden Ger¨aten. Hauptanwendungsgebiete sind kommunizierende eingebettete Systeme aus den Bereichen Body-Area-Networks, Automobilelektronik und intelligente Kamerasysteme. Die k¨urzlich begonnenen Arbeiten sind im Folgenden beschrieben. Wir untersuchen gemeinsam neuartige Implementierungen des Motion JPEG2000Standards, insbesondere die parallele Implementierung von Entropie-Kodierern. Ziel ist es, eine leistungsf¨ahige Realisierung auf der Basis eines Co-Designs mit Mikroprozessor und FPGA-Bausteinen zu erreichen, die eine Kodierrate von mindestens 25 Bildern pro Sekunde bei einer Aufl¨osung von 1920 x 1080 Bildpunkten erreicht. Des Weiteren gibt es gemeinsame Arbeiten im Bereich intelligenter Kamerasysteme (CogniCam). Ziel ist es hier, eingebettete Kamerasysteme zu untersuchen, die intelligent und adaptiv dynamische Aufgaben durchf¨uhren k¨onnen. Die Intelligenz solcher 353

Kamerasysteme soll speziell durch eine kombinierte aktive Steuerung bzw. Regelung von Dynamik, Bildausschnitt, Farbabgleich, Aufl¨osung, Aufnahmegeschwindigkeit, Fokus, Helligkeit und Zoom erreicht werden. Die speziellen Herausforderungen liegen dabei u. a. auch in einer h¨ochsteffizienten Implementierung von Kamerasystemen mit diesen Eigenschaften. Schließlich existiert eine weitere Kooperation im Bereich des Co-Designs mit der Entwurfssprache SystemC, und der Abteilung Digitaler IC-Entwurf. Hier wird untersucht, wie weit sich Entwurfsverfeinerungen innerhalb von SystemC darstellen lassen und komplexe Systeme modelliert und simuliert werden k¨onnen.

21.2

Kooperationsbeziehungen

• DaimlerChrysler AG, B¨oblingen • ETH Z¨urich, Institut f¨ur Technische Informatik und Kommunikationsnetze (Prof. Dr. L. Thiele) • ETH Z¨urich, Institut f¨ur Technische Informatik und Kommunikationsnetze (Dr. E. Zitzler) • Fraunhofer Institut f¨ur Integrierte Schaltungen (IIS), Erlangen • IBM Deutschland Entwicklung GmbH, B¨oblingen • Intel, Santa Clara • Infineon AG, M¨unchen • EADS, M¨unchen • Alcatel Lucent Technologies GmbH, N¨urnberg • Siemens AG, Medical Solutions, Forchheim • Softgate GmbH, Erlangen • Technische Universit¨at Braunschweig, Institut f¨ur Datentechnik und Kommunikationsnetze (Prof. Dr. R. Ernst) • Technische Universit¨at Braunschweig, Mathematik (Prof. Dr. S. Fekete) • Technische Universit¨at Chemnitz (Prof. Dr. W. Hardt) • Technische Universit¨at Dresden (Prof. Dr. R. Merker) 354

• Universit¨at Karlsruhe, Forschungszentrum f¨ur Informatik (FZI) (Prof. Dr. J. Becker) • University of Maryland, UMIACS (Prof. Dr. S. S. Bhattacharyya) • Carleton University, Ottawa, Kanada (Prof. Dr. F. Dehne) • Universit¨at Paderborn (Prof. Dr. F. Meyer auf der Heide) • Universit¨at Paderborn (Prof. Dr. M. Platzner) • Xilinx Inc., San Jose • Cadence Design Systems Inc., San Jose • Altera, San Jose • Mentor Graphics Corp., M¨unchen • Forte Design Systems, San Jose

21.3

Forschungsprojekte

21.3.1

AIS – Autonome Integrierte Systeme

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Ing. Daniel Ziener Laufzeit: 1.12.2006–30.11.2009 F¨orderer: Bundesministerium f¨ur Bildung und Forschung edacentrum e.V. Mitwirkende Institutionen: Technische Universit¨at Braunschweig (TUB-IDA) Technische Universit¨at Kaiserslautern (TUK-EMS) Technische Universit¨at M¨unchen (TUM-LIS) Universit¨at Paderborn (UPB-HNI) Eberhard Karls Universit¨at T¨ubingen (UTU-TI) In den heutigen Produkten werden f¨ur die elektronischen Kommunikationsknoten h¨aufig ”Multi Processor Systems on Chip” (MPSoC) eingesetzt. Mit ihnen k¨onnen

355

komplexe heterogene Systeme gesteuert und Informationen u¨ bertragen werden. Robustheit, Zuverl¨assigkeit und Sicherheit sind notwendige Anforderungen an gegenw¨artige MPSoC. Durch die Komplexit¨at k¨unftiger SoCs werden Realisierungen ”lernen” und in der Lage sein m¨ussen, mit permanenten und tempor¨aren, sporadisch auftretenden Schaltungsdefekten zu ”leben”. Systeme mit deren Module m¨ussen dabei entworfen werden, dass auch bei schwierigen oder st¨oranf¨alligen Produktionsumgebungen noch die notwendigen Anforderungen des Systems erf¨ullen k¨onnen. Das Clusterforschungsprojekt AIS hat sich zum Ziel gesetzt, eine neue Entwurfsmethodik f¨ur autonome integrierte Systeme zu erforschen, um die oben genannten Anforderungen zu erf¨ullen. Mit dieser neuen Entwurfsmethodik werden Architekturkomponenten mit autonomen Eigenschaften dimensioniert und Komponenten in einem Explorations- und Integrationsprozess auf Systemebene mit einer Betriebssystemumgebung kombiniert. Zur Validierung werden prototypische Implementierungen erarbeitet und die Interoperabilit¨at demonstriert. Die neue Entwurfsmethodik erm¨oglicht es, Systeme zu entwickeln, die Fehler, St¨orungen und Ver¨anderungen bei der Zuverl¨assigkeit einzelner Komponenten erkennen sowie entsprechende Gegenmaßnahmen treffen. Dazu werden autonome Elemente im Systementwurf eingef¨uhrt, die Kontrollpfade, Datenpfade und Kommunikationsstrukturen der funktionalen Ebene u¨ berwachen und auf ver¨anderte Betriebsbedingungen sowie Fehlverhalten reagieren. Auch werden Dienste erforscht, die das Betriebssystem ¨ zur Selbstoptimierung und Selbstheilung durch Replikation, Uberwachung und Migration auf der Basis zuverl¨assiger Kommunikationsstrukturen einsetzt. Der Lehrstuhl Informatik 12 forscht mit dem Ziel, die Zuverl¨assigkeit von Kontrollpfaden in MPSoC-Komponenten mit geeigneten Hardware- und SoftwareMaßnahmen zu gew¨ahrleisten bzw. zu erh¨ohen. Speziell wird dies durch autonome ¨ Uberwachungseinheiten erreicht, die Fehler in der Programmausf¨uhrung von Prozessoren sowie der Kontrolllogik von Hardware-Modulen erkennen, bewerten und korrigieren. Ein besonderes Augenmerk wird auf auftretende Speicherfehler wie ”Soft Errors”, aber auch auf gezielte lokale Attacken auf Kontrolllogikeinheiten gelegt. Dies beinhaltet sowohl die Kontrolle der korrekten Zustands¨uberf¨uhrung als auch der korrekten Zustandsspeicherung. Es werden Methoden erforscht, die den Kontrollfluss u¨ berwachen sowie reversible und nichtreversible Maßnahmen im Fehlerfall einleiten wie zum Bei¨ spiel die Terminierung durch erzwungene Uberf¨ uhrung in ”sichere” Zust¨ande oder aber automatische Ablaufkorrekturen. 21.3.2

Approximationsalgorithmen

Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka 356

Beginn: 1.11.2004 Man vermutet, dass NP-vollst¨andige Probleme nicht in Polynomzeit gel¨ost werden k¨onnen. Trotzdem m¨ussen f¨ur Eingaben solcher Probleme zul¨assige L¨osungen – unter Verzicht auf Optimalit¨at, aber m¨oglichst gut – berechnet werden, solange sie nur schnell erhalten werden. Beim Entwurf schneller und guter derartiger Approximationsalgorithmen f¨ur kombinatorische Optimierungsprobleme ist es oft eine ganz große Herausforderung, die Qualit¨at der erzielten L¨osung in Beziehung zur optimalen L¨osung, deren Wert ja unbekannt ist, zu setzen. Ein weiterer wichtiger Aspekt eines Approximationsalgorithmus ist der, f¨ur diesen Algorithmus Eingaben anzugeben, sog. Zeugen, bei denen er Ausgaben erzeugt, die sehr weit weg von optimalen L¨osung sind. Insbesondere im Gebiet der Approximationsalgorithmen f¨ur das sog. Rundreiseproblem gibt es eine Reihe von Heuristiken, bei denen die L¨ucken zwischen Leistungsgarantien und Zeugen sehr groß sind. In diesem Forschungsbereich wollen wir gute Zeugen gegen einiger dieser Heuristiken entwerfen. 21.3.3

Co-Design massiv parallel eingebetteter Prozessorarchitekturen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Ing. Frank Hannig Dipl.-Ing. Alexey Kupriyanov Hritam Dutta, M. Sc. Dipl.-Inf. Dmitrij Kissler Laufzeit: 1.1.2005–31.12.2008 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Kontakt: Dipl.-Ing. Frank Hannig Tel.: +49-9131-85-25153 Fax: +49-9131-85-25149 Das Projekt besch¨aftigt sich mit der systematischen a) Abbildung, b) Evaluation und c) Exploration von massiv parallelen Prozessorarchitekturen, die f¨ur spezielle Anwendungen im Bereich von Eingebetteten Computern entwickelt werden. Die zu untersuchende Klasse von Computerarchitekturen besteht aus massiv parallel vernetzten Prozessorelementen, die durch heutige Hardwaretechnologie in einem einzigen Chip (SoC – System on a Chip) integriert werden k¨onnen. Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verf¨ugbar: 357

http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/comap/ 21.3.4

Effiziente Nutzung von Ressourcen in parallelen Systemen

Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka Beginn: 1.11.2004 Parallele Sortieralgorithmen und zentralisierte und lokale Lastverteilungsverfahren verbessern die Ausnutzung der M¨oglichkeiten von Parallelrechnern erheblich. Insbesondere k¨onnen sog. periodische und Diffusionslastbalancierungsmethoden erfolgreich als Hintergrundprozesse eingesetzt werden, um die Ausf¨uhrung paralleler Algorithmen zu beschleunigen, die irregul¨are Kommunikationsmuster oder ein asymmetrisches dynamisches Lastverhalten haben. In diesem Forschungsbereich wollen wir effiziente Lastverteilungsalgorithmen entwerfen, analysieren und implementieren, insbesondere motiviert durch die Anforderungen aus dem Gebiet des Hardware/Software-Morphings und anderer dynamischer Systeme. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projekts liegt in der Berechnung sog. Graphspektren. Das Spektrum eines Graphen ist im Wesentlichen die Menge der Eigenwerte der Adjazenzmatrix des Graphen. Interessanterweise kann man wichtige Eigenschaften eines Graphen wie z.B. die Erreichbarkeit, die Expansion und die Lastbalancierungsf¨ahigkeit aus dem Spektrum ableiten. Wir erforschen die Spektren von Graphen, die als Verbindungsnetzwerke im Parallelen Rechnen eingesetzt werden: Butterfly-Netzwerk, CubeConnected Cycles-Netzwerk und das Shuffle-Exchange-Netzwerk. Die erzielten Resultate werden eingesetzt, um die erw¨ahnten graphentheoretischen Eigenschaften dieser Netzwerke zu charakterisieren. 21.3.5

Entwurf anwendungsspezifischer Prozessoren

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Ing. Frank Hannig Dipl.-Ing. Alexey Kupriyanov Beginn: 1.10.1998 Kontakt: Dipl.-Ing. Frank Hannig Tel.: +49-9131-85-25153 Fax: +49-9131-85-25149 358

Betrachtet werden die Probleme der Modellierung, Simulation und des systematischen Entwurfs anwendungsspezifischer Instruktionssatzprozessoren (engl. applicationspecific instruction-set processors, ASIPs). Dazu geh¨oren beispielsweise digitale Signalprozessoren (DSPs) und Mikrocontrollerarchitekturen. Untersucht werden neuartige Simulationskonzepte sowie bessere Compilerverfahren zur Unterst¨utzung dieser Klasse von Architekturen. Im Rahmen dieses Projekts ist ein Entwurfssystem zur Computer-Architektur und Compiler Co-Generierung entstanden. Es beinhaltet komfortable Werkzeuge zur halbautomatischen Exploration optimaler Architektur-/Compiler-Entw¨urfe und zur schnellen, bitgenauen und zyklentreuen Simulation. Ausgangspunkt eines Entwurfs ist das Werkzeug ”ArchitectureComposer”. Der Entwickler w¨ahlt aus einer Bibliothek Komponenten aus und komponiert seine Architektur graphisch, indem er instanziierte Komponenten miteinander verbindet. Die Bibliothek enth¨alt viele f¨ur den Prozessorentwurf notwendige Basisbl¨ocke, wie arithmetische Einheiten, Speicherbausteine, Registerb¨anke, Multiplexer u. a., und kann gegebenenfalls um weitere Module, wie Caches, spezielle Verbindungsnetzwerke, etc., erweitert werden. Alle Komponenten sind parametrisiert, so dass beispielsweise die Wortbreite der Einheiten individuell ausgew¨ahlt werden kann. Realistische Mikroprozessoren, u. a. ein MIPS-Prozessor und ein Digitaler Signalprozessor der Texas Instruments TMS320C6Serie, konnten erfolgreich innerhalb von Stunden entworfen werden. Um bereits entworfene Teilsysteme mehrfach instanziieren zu k¨onnen, bietet ”ArchitectureComposer” die M¨oglichkeit, hierarchischer Komponenten. Ferner existiert ein VHDL-Codegenerator, der die direkte Hardwaresynthese eines Mikroprozessors aus dessen graphischer Beschreibung mittels ”ArchitectureComposer” erm¨oglicht. Derzeit wird ein entsprechender Generator f¨ur die Spezifikationssprache SystemC entwickelt. Aus der graphischen Eingabe wird automatisch ein gemischtes Struktur/Verhaltensmodell der Architektur, basierend auf dem Formalismus sog. ”abstrakter Zustandsmaschinen” (ASM), generiert. Ebenfalls automatisch wird eine architekturspezifische Simulationsumgebung erzeugt, die in der Lage ist, die entworfene Prozessorarchitektur bit- und zyklengetreu zu simulieren. Um die bitgenaue Simulation der Ausf¨uhrung von Instruktionen zu erm¨oglichen, wird eine Bibliothek von Operationen auf beliebigen Wortl¨angen und Zahlendarstellungen verwendet. Die Spezifikation des Anwendungsprogramms erfolgt derzeit in Assemblernotation der entsprechenden Zielarchitektur. Die Generierung eines Parsers f¨ur die Simulatoreingabe der Assemblerprogramme wird ebenfalls von der Simulationsumgebung unterst¨utzt. Gegen¨uber bekannten Simulatoren f¨ur Mikroprozessoren wird bei unserem Ansatz ein Simulator speziell f¨ur die eingegebene Architektur generiert. Dieser Simulator erm¨oglicht es, ein vorgegebenes Programm schrittweise abzuarbeiten. So k¨onnen be359

liebige interne Signale im Prozessor w¨ahrend des Simulationsablaufs als Testpunkte ausgew¨ahlt und Datenwerte an diesen Punkten beobachtet werden. Dieser Ansatz ist flexibler als bei statischen Simulatoren, die meistens nur Speicher- und Registerwerte anzeigen k¨onnen. Da sich das Verhalten von Prozessoren sehr kompakt mittels ASMs modellieren l¨asst, kann eine erhebliche Steigerung der Simulatorperformanz erzielt werden im Vergleich zu Modellierungsans¨atzen gleicher Simulationsgenauigkeit, die auf Hardwarebeschreibungssprachen basieren. Um die Simulatorperformanz nochmals erheblich zu steigern, wird derzeit die Generierung von in C++ compilierten Simulatoren untersucht. Hierbei kommen effiziente Graphpartitionierungs-Strategien zum Einsatz. Bei modernen Mikroprozessoren k¨onnen oft mehrere Instruktionen gleichzeitig auf mehreren funktionalen Einheiten abgearbeitet werden. Um diese parallele Abarbeitung ¨ zu unterst¨utzen, muss ein Compiler in der Lage sein, bei der Ubersetzung eines Hochsprachenprogramms in Maschinencode die Abh¨angigkeiten von Daten zu analysieren und parallelen Code zu generieren. Dazu braucht er Information u¨ ber Maschineneigenschaften, welche direkt aus der eingegebenen Architektur extrahiert werden k¨onnen. Wir setzen einen retargierbaren Compiler f¨ur ANSI C-Code ein, der zahlreiche Optimierungen auf dem Zwischencode unterst¨utzt, u. a. Elimination von redundantem Code, Propagation von Variablen und Schleifenentfaltung. In der Codegenerierungsphase wird aus der Information u¨ ber die Anzahl funktionaler Einheiten und der Ressourcenbelegung w¨ahrend der Instruktionsabarbeitung ein Maschinenprogramm generiert, das der Simulator direkt verarbeiten kann. Architektur¨anderungen mit entsprechenden Compileranpassungen k¨onnen in einer Schleife zur Exploration von optimalen Architektur-/Compiler-Systemen untersucht werden. F¨ur eine modifizierte Architektur wird der Compiler angepasst und eine Menge von Benchmarkprogrammen u¨ bersetzt und auf dem ebenfalls generierten Simulator simuliert. Dies erfolgt v¨ollig automatisch. Als Ergebnis liefert der Simulator Statistiken u¨ ber Ausf¨uhrungszeiten, Codegr¨oßen von Modulen und andere Optimierungsgr¨oßen zur¨uck. Interessant sind hier diejenigen Architektur-/Compiler-Systeme, die bez¨uglich Kosten der Architektur und Effizienz des durch den Compiler generierten Codes optimal sind f¨ur eine gegebene Menge von Benchmarkprogrammen. Geeignet zu instru¨ mentieren sind hier die M¨oglichkeiten der Anderbarkeit der Architektur und die Art der Anwendung von Codeoptimierungsverfahren. Beide zusammen stellen den Suchraum dieses komplexen Optimierungsproblems dar. Unsere zuk¨unftigen Forschungen besch¨aftigen sich mit Erweiterungen des Projekts zur Modellierung, Simulation und des systematischen Entwurfs von so genannten rekonfigurierbaren Instruktionssatzprozessoren (engl. reconfigurable instruction-set processors, RISPs). Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verf¨ugbar: http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/buildabong 360

21.3.6

Entwurf dedizierter massiv paralleler Systeme

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Ing. Frank Hannig Hritam Dutta, M. Sc. Dipl.-Inf. Matthias Hartl Beginn: 1.10.1998 Kontakt: Dipl.-Ing. Frank Hannig Tel.: +49-9131-85-25153 Fax: +49-9131-85-25149 In diesem Projekt werden Verfahren zum Entwurf von feink¨ornigen massiv parallelen VLSI Schaltungen untersucht. Das Projekt liegt im Bereich Abbildungsmethodik und hat zum Ziel, Entwurfsverfahren f¨ur algorithmisch spezialisierte, massiv parallele Systeme zu erforschen und diese in einem Entwurfssystem bereitzustellen. Obwohl die hier betrachteten Architekturen keine eigenst¨andigen Rechner darstellen, spielen sie – eingesetzt als Coprozessoren – eine wichtige Rolle in Systemen, die ein hohes Maß an Dediziertheit und Rechenleistung erfordern. Der Entwurf und die Integration dieser Komponenten in gr¨oßere heterogene Hardware-/Software-Systeme oder in so genannte System-on-a-Chip (SoC) macht die Implementierung und Anwendung spezieller Entwurfsverfahren notwendig, die den Entwurf vom Algorithmus bis zur Schaltung automatisiert. Die Anwendungsgebiete sind dabei charakterisiert durch die Notwendigkeit f¨ur h¨ochste Rechenleistung bei gleichzeitigen Kosten-, Gr¨oßen- und anderen physikalischen Beschr¨ankungen. Dazu geh¨oren insbesondere die Bereiche der digitalen Signalverarbeitung, der drahtlosen Kommunikation, der Kryptographie und Algorithmen der Systemtheorie. Das Projekt wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 376 ”Massive Parallelit¨at” an der Universit¨at Paderborn gef¨ordert. Hier konnte erstmals eine vollst¨andig durchg¨angige Entwurfmethodik f¨ur die Abbildung von regelm¨aßigen Schleifenprogrammen bis hinunter zur lauff¨ahigen Hardwareimplementierung entwickelt werden und in Form eines Entwurfssystems PARO (Piecewise Linear Algorithm and Architecture Research and Optimization) zu implementieren. In der ersten Phase, dem Frontend, extrahiert PARO die inh¨arente Parallelit¨at der zu implementierenden Algorithmen (gegeben in Form eines C-Programms) und u¨ berf¨uhrt diese in einen parallelen Algorithmus. In den n¨achsten Verfeinerungsstufen wird der Algorithmus lokalisiert und homogenisiert. Diese Transformationen dienen dazu, das sp¨atere 361

Prozessorfeld, erstens m¨oglichst homogen und somit skalierbar zu machen. Zweitens erreicht man dadurch, dass nur Kommunikation zwischen benachbarten Prozessoren stattfindet (Lokalit¨at). Durch diese kurzen Kommunikationswege kann der resultierende Chip schneller arbeiten, gleichzeitig werden Kosten und Energieverbrauch reduziert. In zahlreichen Anwendungen liegen die betrachteten Algorithmen als n-dimensionale Schleifenprogramme vor. In der Praxis k¨onnen allerdings nur ein- bzw. zweidimensionale Prozessorfelder hergestellt werden. Hier werden Abbildungen ben¨otigt, die festlegen, welche Berechnung zu welchem Zeitpunkt auf welchem Prozessor stattfindet. Bei der immensen Anzahl von Abbildungsm¨oglichkeiten ist die Herausforderung, effiziente Explorations-Algorithmen zu entwickeln, die wiederum optimale Abbildungen finden. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten werden erstmals Fronten optimaler Raum-ZeitAbbildungen gefunden. Als Optimierungsziele werden der Fl¨achenaufwand als Maß f¨ur die Kosten, Latenz und Fließbandrate als Maß f¨ur die Performanz betrachtet. Dar¨uber hinaus ist es uns gelungen, substantielle Ergebnisse hinsichtlich der Sch¨atzung des Energieverbrauchs von regelm¨aßigen Schaltungen zu erzielen. Ebenfalls kann es aus Kosten oder technologischen Gr¨unden sein, dass die verf¨ugbaren Hardware-Ressourcen beschr¨ankt sind. Hier kommen effiziente Partitionierungsverfahren zum Einsatz. Durch substantielle Erweiterungen im Bereich der Abbildungsmethodik und durch Betrachtung von Partitionierungsverfahren f¨ur Algorithmen mit affinen Datenabh¨angigkeiten (gegen¨uber bisherigen Ans¨atzen mit st¨uckweise konstanten Abh¨angigkeiten) konnten wesentlich effizientere Abbildungen erzielt werden. Im Bereich der Hardwaresynthese haben wir die fundamentalen Probleme ’regelm¨aßige Platzierung’ und die ’Randsteuerung’ von Rechenfeldern untersucht. Ferner wurden im Bereich ’Interfaces’ zur Peripherie Arbeiten durchgef¨uhrt. Diese Ergebnisse erlauben erstmals einen vollst¨andig automatisierten Entwurf vom Algorithmus in C zur synthetisierbaren Schaltung in VHDL. Auf FPGAs kann die Schaltung sofort umgesetzt werden. Das entstandene Entwurfssystem PARO integriert die entstandenen Arbeiten vollst¨andig. Die laufenden Untersuchungen in diesem Projekt befassen sich u. a. mit neuen Zielarchitekturen. Es wird untersucht, inwieweit sich die Entwurfmethodik auch f¨ur die Abbildung regelm¨aßiger Algorithmen auf grobgranulare rekonfigurierbare Prozessorfelder eignet. Hierbei sind die Architekturparameter (Anzahl der Prozessorelemente, Speichergr¨oße, E/A-Schnittstellen, etc.) in der Abbildungsmethodik zu ber¨ucksichtigen. Des Weiteren wurde k¨urzlich die zugrunde liegende Algorithmenklasse essentiell erweitert, so dass auch Algorithmen mit dynamischen Datenabh¨angigkeiten behandelt werden k¨onnen. Bei den Partitionierungsverfahren werden Methoden zur automatischen Generierung der Ansteuerung von Datenquellen und Speicher erforscht. Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verf¨ugbar: http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/paro 362

21.3.7

¨ gemischt zeitgesteuerte und ereignisgetriebene Entwurfsmethodik fur Steuerger¨atearchitekturen – Modellierung, Optimierung und Implementierung

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Inf. Martin Lukasiewycz Laufzeit: 1.10.2006–30.9.2009 F¨orderer: Audi AG, Ingolstadt Kontakt: Dipl.-Inf. Martin Lukasiewycz Tel.: +49 9131 85-25161 Fax: +49 9131 85-25149 E-Mail: [email protected] Der zunehmende Bedarf an Funktionalit¨at in Kombination mit den stetig steigenden Anforderungen an die Leistungsf¨ahigkeit der Automobilelektronik erfordert neue Konzepte in der Dimensionierung und somit in der Entwurfsmethodik f¨ur zuk¨unftige Steuerger¨atearchitekturen. Ein Schritt in diese Richtung ist der Einsatz von FlexRay als zuk¨unftiges Kommunikationsmedium. Mit Hilfe von FlexRay wird es m¨oglich sein, sowohl zeitgesteuert als auch ereignisgetrieben Daten zwischen den Steuerger¨aten zu u¨ bertragen. Grundlegende Fragestellungen, welche bei dem Einsatz von FlexRay aufkommen, besch¨aftigen sich mit der Topologieauslegung der Steuerger¨atearchitektur bei gleichzeitiger Betrachtung der Zuverl¨assigkeit, der Leistungsaufnahme, der Kosteneffizienz, um nur einige Kriterien zu nennen. Zur L¨osung dieser herausfordernden Probleme gibt es heutzutage weder kommerziellen Werkzeuge noch in sich geschlossene, OEM-spezifische Ans¨atze. Im Rahmen des angebotenen Promotionsprojektes sollen Optimierungsverfahren, welche am Lehrstuhl Informatik 12 entwickelt wurden erweitert und deren Eignung zur L¨osung oben genannter Probleme untersucht werden. Es besteht eine Notwendigkeit f¨ur eine Entwurfsmethodik f¨ur gemischt zeitgesteuerte und ereignisgetriebene Steuerger¨atearchitekturen. Eine solche Entwurfsmethodik ist das Ziel des hier angebotenen Promotionsprojektes. Die grundlegenden Fragestellungen, welche zu erforschen sind, sind hierbei die Folgenden: • Modellierung: Hier stellt sich die Frage nach einer geeigneten Modellierung der Steuerger¨atearchitektur sowie die notwendige Modellierung der Anwendungen, die auf diese Architekturen abgebildet werden sollen. Eine besondere Herausforderung stellt hierbei die Modellierung des Einflusses der Betriebssysteme auf 363

den Steuerger¨aten dar. Hier sind Effekte wie zus¨atzliche Latenzen und Jitter zu erwarten. Hier k¨onnte eine Modellierung auf der Synchronit¨atshypothese einen m¨oglichen Ansatz darstellen. • Optimierung: Die Optimierung stellt den Kern des hier angebotenen Promotionsprojektes dar. Eine zentrale Aufgabe in der Optimierung ist neben der Topologieauswahl die Funktionsabbildung auf die Steuerger¨ate. Die so genannte Funktionspartitionierung hat einen entscheidenden Einfluss auf die oben genannten Gr¨oßen wie Zuverl¨assigkeit, Leistungsaufnahme und Kosten. Hier k¨onnten Verfahren basierend auf Evolution¨aren Algorithmen, die mehrere Zielgr¨oßen gleichzeitig beachten und die am Lehrstuhl f¨ur Hardware-Software-Co-Design entwickelt werden, Anwendung finden. Neben diesen Aspekten wird es aber ebenso notwendig werden, die Leistungsf¨ahigkeit im Sinne der Echtzeiteigenschaften der Funktionspartitionierung bei gegebener Steuerger¨atearchitektur zu bewerten. Be¨ sonders interessant ist hierbei der Effekt durch sog. Gateways, also der Ubergang zwischen FlexRay-gekoppelten Steuerger¨aten zu z.B. CAN-gekoppelten Steuerger¨aten. Zur L¨osung des hier dargestellten Problems k¨onnten Modelle basierend auf so genannten Ereignisstr¨omen zum Einsatz kommen. Alternativ sollen simulative Bewertungsmethoden evaluiert werden. Hier stellt sich insbesondere die Frage, wie sich die hierf¨ur notwendige Bussimulation in die Optimierungsmethodik integrieren l¨asst. Ziel der hier vorgestellten Optimierung ist das Finden von optimalen Steuerger¨atearchitekturen sowie die Ableitung der f¨ur die Kommunikation notwendigen Parameter (z.B. FlexRay). • Implementierung: Die hier vorgestellte Methodik soll prototypisch umgesetzt und anhand eines kleinen Beispielsystems sollen erste Aussagen u¨ ber die G¨ute des Modells und der Optimierung getroffen werden. 21.3.8

¨ Software eingebettet in KomFertigungsorientierte Entwurfsmethodik fur ponenten mobiler Systeme

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Inf. Michael Glaß Dipl.-Inf. Thomas Schlichter Dr.-Ing. Christian Haubelt Laufzeit: 1.1.2006–31.12.2009 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Kontakt: 364

Dipl.-Inf. Michael Glaß Tel.: +49 9131 85 – 25156 Fax: +49 9131 85 – 25149 E-Mail: [email protected] Elektronik und Software stellen heutzutage das gr¨oßte Innovations- allerdings auch das h¨ochste Pannenpotential im Automobilbau dar. Deshalb werden in diesem Teilprojekt fertigungsorientierte und modellbasierte Softwareentwicklungsmethoden zur Kompensation von Fertigungstoleranzen, Alterungsprozessen und Fehlern von eingebetteten Systemen untersucht. Mit dem Ziel Qualit¨at und Zuverl¨assigkeit eines Systems zu analysieren, nachhaltig zu verbessern und das Problem des Variantenreichtums zu behandeln, sollen neue Entwurfsmethodiken erforscht werden. Weitere Informationen sind unter http://www.sfb694.de verf¨ugbar. 21.3.9

Hardware/Software-Implementierungen des Motion JPEG2000 Standards

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dr.-Ing. Marcus Bednara Dipl.-Ing. Daniel Ziener Beginn: 1.2.2003 F¨orderer: Fraunhofer Institut f¨ur Integrierte Schaltungen, Erlangen

21.3.10

Partikelschwarm-Optimierung

Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka Beteiligte: Dipl.-Inf. Sabine Helwig Beginn: 1.8.2005 Das Projekt besch¨aftigt sich mit der Untersuchung der Metaheuristik der sog. Partikelschw¨arme. Dabei wird bei einem Optimierungsproblem der Raum der zul¨assigen L¨osungen von einem sog. Schwarm von Individuen, die Einzell¨osungen darstellen, 365

erkundet. Ein einzelnes Individuum bewegt sich dabei durch den L¨osungsraum, indem es seine eigene bislang beste L¨osung und die L¨osungen anderer Individuen auswertet und kombiniert. Das Verfahren ist inspiriert vom Verhalten von V¨ogel- und Fischschw¨armen. Der allgemeine Partikelschwarm erkundet in der Regel einen in alle Richtungen unbeschr¨ankten L¨osungsraum. Jedoch ergibt sich regelm¨aßig aus den Anwendungen, dass die L¨osungen nur aus einem eingeschr¨ankten Bereich gew¨ahlt werden d¨urfen. D.h. wenn ein Individuum den L¨osungsraum verlassen will, muss das Verfahren so angepasst werden, dass letztlich keine unzul¨assigen L¨osungen ausgegeben werden d¨urfen. Wir haben eine Reihe von solchen Bound-Handling-Methoden analytisch und experimentell untersucht und konnten einige ”Daumenregeln” aufstellen, wie solche Methoden aussehen sollten. Insbesondere konnten wir zeigen, dass sich Partikel gerade am Anfang der Berechnung mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit sehr nah an den L¨osungsraumgrenzen befinden, was h¨aufig dazu f¨uhrt, dass sie sich gerade dort, weit weg von der optimalen L¨osung, festsetzen. Wir untersuchen auch, welche anderen Individuen ein Individuum konsultieren sollte, um seine neue Position zu bestimmen. Neben der Anfrage nach der bislang besten eigenen und der bislang besten globalen sind Netzwerkstrukturen zwischen den Individuen vorstellbar. Wir erforschen den Einfluss solcher Netzwerkstrukturen auf die Geschwindigkeit, mit der sich der Schwarm auf eine L¨osung festlegt, die Qualit¨at von L¨osungen, den Zusammenhalt des Schwarms, und wir untersuchen, wie man diese Netzwerkstruktur ggf. w¨ahrend der Ausf¨uhrung dynamisch a¨ ndern kann, um Verbesserungen im Schwarmverhalten hervorzurufen. 21.3.11

¨ eingebettete Systeme bestehend ReCoNets – Entwurfsmethodik fur aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und verbindungen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dr.-Ing. Christian Haubelt Dipl.-Ing. Dirk Koch Dipl.-Ing. Thilo Streichert Laufzeit: 1.6.2003–31.5.2009 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Das Ziel des Projekts ist die Erforschung einer Entwurfsmethodik f¨ur eine Klasse neuartiger Rechnerarchitekturen, die sich durch die besonderen Eigenschaften der 366

Vernetztheit und der Rekonfigurierbarkeit auf Hardwareebene auszeichnen und die f¨ur einen speziellen technischen Kontext entwickelt werden (eingebettetes System). Die Rekonfigurierbarkeit ist hierbei nicht auf die einzelnen Hardwaremodule (Knoten des Netzwerks) beschr¨ankt, sondern muss auch f¨ur die Knotenverbindungen gelten. Typische Anwendungsfelder f¨ur rekonfigurierbare Netzwerke sind die Automobilelektronik oder Body-Area-Netzwerke. Gerade im Bereich der Automobiltechnik ist zu erkennen, dass sich bis zu 100 Prozessoren die unterschiedlichsten Spezialaufgaben im Fahrzeug teilen. Die Systeme sind verteilt, da es g¨unstiger ist, bestimmte Funktionen und Vorverarbeitungen vor Ort durchzuf¨uhren, also dezentral. In diesem Bereich hat man jedoch mittlerweile erkannt, dass die Systeme sehr teuer werden und die statische Auslegung der Einzelkomponenten und deren Verbindung u¨ ber ein genormtes Busmedium (z.B. CAN-Bus in der Automobiltechnik) dazu f¨uhrt, dass bestimmte Funktionalit¨aten nur so lange aufrecht erhalten werden k¨onnen, wie der am Sensor oder Aktuator angeschlossene Knoten ordnungsgem¨aß funktioniert. Die Knoten sind ferner oft schlecht ausgelastet, da sie nicht in der Lage sind, Funktionen anderer Module – insbesondere w¨are dies bei Ausfall eines Moduls w¨unschenswert – zu u¨ bernehmen. Das Gleiche gilt f¨ur den aktuellen Forschungsbereich von Body-Area-Netzwerken. Hier soll es m¨oglich sein, neue Sensoren und Aktuatoren sowie neue Funktionalit¨aten in ein funktionierendes System zu integrieren, ohne die Hardware komplett austauschen zu m¨ussen. In beiden Bereichen bietet es sich an, Konzepte zu u¨ berlegen, wie man solche komplexen eingebetteten Systeme hardwarem¨aßig auslegen sollte, damit die Eigenschaften Flexibilit¨at, Erweiterbarkeit, Spezialisiertheit, Ausfallsicherheit und Effizienz gleichsam erf¨ullt sind. Software liefert zweifelsohne die beste Flexibilit¨at, ist hingegen in vielen Anwendungsbereichen eingebetteter Systeme aufgrund von Geschwindigkeits- oder Energieverbrauchsanforderungen nicht einsetzbar. Die widerspr¨uchlichen Eigenschaften von Flexibilit¨at und Spezialisiertheit sowie Ausfallsicherheit sind hingegen durch den Einsatz von Rekonfigurierbarkeit in den Hardwareelementen m¨oglich. Die von uns auf der Netzwerkebene (Makroebene) durchgef¨uhrten Untersuchungen betreffen folgende Problemstellungen: Modellierung: Als Grundlage zur Analyse von Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz sowie zum Verst¨andnis der Optimierungs- und Syntheseschritte f¨ur ReCoNets setzen wir auf einem graphenbasierten Ansatz zur Modellierung von statischen Anwendungen und statischen Architekturen auf. Dieses Modell wird durch Einf¨uhrung einer Graphenhierarchie so erweitert, dass auf der Anwendungsseite die zeitvariante Last eines Systems als Auswahlproblem von einem oder einer Teilmenge aller denkbar m¨oglichen aktiven Prozesse modelliert wird. Aufgrund der Rekonfigurierbarkeit auf mehreren Ebenen (hier: Netzwerk (Makro) und Knoten (Mikroebene)) bietet es sich an, ebenfalls die M¨oglichkeit der Hierarchie zu untersuchen. Die Rekonfiguration eines Knotens wer367

den beispielsweise so dargestellt werden, dass zeitlich ein alternativer, hierarchischer Knoten (Cluster) ausgew¨ahlt (aktiviert) wird. Analyse: Zeitvariante Allokationen und Bindungen: F¨ur statische Architekturen bestimmt man die Allokation (welche Knoten sollte die beste Architektur f¨ur die gegebene Anwendung beinhalten?), die Bindung (welcher Prozess l¨auft auf welchem Knoten?) und die Ablaufplanung (wann bzw. in welcher Reihenfolge oder mit welcher Priorit¨at l¨auft ein Prozess auf dem ihm zugewiesenen Knoten?) nur einmal zur Entwurfszeit. Da wir hier davon ausgehen, dass sowohl Leitungen (Kanten) als auch Knoten der Architektur im Betrieb des Systems ausfallen bzw. Leitungen und Knoten in das System zur Laufzeit hinzugef¨ugt werden k¨onnen, werden Allokation, Bindung und Ablaufplanung abh¨angig von der Laufzeit t definiert, so dass wir u¨ ber die Zeit parametrisierte Allokationen, Bindungen und Ablaufplanungen erhalten. F¨allt beispielsweise zum Zeitpunkt t ein allozierter Knoten aus, so wird zu diesem Zeitpunkt die Allokation ge¨andert. Analyse von Fehlertoleranz und Ausfallsicherheit eines ReCoNets: Darauf basierend besch¨aftigen wir uns mit Fragen der Ausfallsicherheit eines ReCoNets. Dazu betrachten wir die zwei Problemf¨alle einer Leitungsst¨orung bzw. eines Leitungsausfalls sowie eines Knotenausfalls. Falls eine Leitung ausf¨allt, sollen die Daten, die u¨ ber diesen Knoten geroutet werden, einen anderen Weg nehmen, falls dies m¨oglich ist. Statt einen wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz der sog. Zuverl¨assigkeit bzw. der sog. Fehlerwahrscheinlichkeit zu verwenden, zielen wir hier bei rekonfigurierbaren und repartitionierbaren Systemen beispielsweise auf die Frage, wie viele Knoten im System gleichzeitig ausgefallen sein d¨urfen, damit man die Funktionalit¨at noch komplett durch Rerouting und Rekonfiguration der Knoten aufrecht erhalten kann. Wir erwarten, dieses Problem allein aus der Topologie des Spezifikationsgraphen analysieren und l¨osen zu k¨onnen. Die Ausfallsicherheit eines Systems h¨angt daher von der Topologie des Spezifikationsgraphen ab und insbesondere den M¨oglichkeiten der Bindbarkeit von Prozessen auf Ressourcen. Dies wird formal analysiert, um erste Definitionen und Aussagen zur Ausfallsicherheit von rekonfigurierbaren Netzwerken zu machen. Synthese und Optimierung: Aus Gr¨unden der Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz ¨ gibt es in ReCoNets keine zentralen Einheiten, die im Falle von Anderungen der Last oder der Architektur durch Ausfall oder Hinzuf¨ugen von Leitungen oder Knoten eine Rekonfiguration der Leitungen und Knoten einleiten. Wir sind daher mit dem Problem konfrontiert, bez¨uglich Erkennung und Einleitung von Reaktionen (Rerouting und Repartitionierung) einen dezentralen Ansatz zu verfolgen. Implementierung: Die Verfahren der Erkennung von Leitungs- und Knotenausf¨allen sowie erste Ergebnisse zu Rerouting und Online-Repartitionierung sollen gegen Ende 2004 auf einem zu entwerfenden Prototyp implementiert werden und die Machbarkeit und Vorteile von ReCoNets verdeutlichen. Dazu soll ein ReCoNet mit 4 Knoten, be368

stehend jeweils aus einem Altera-Excalibur-Board, auf dem sich ein FPGA (APEX) befindet, aufgebaut werden. Auf diesem FPGA l¨asst sich ein verf¨ugbarer Mikroprozessorcore mit Namen NIOS inklusive peripherer Einheiten, wie Timer, UARTs und andere I/O-Schnittstellen, konfigurieren und benutzerspezifische Hardware als Co-Design hinzuzuf¨ugen und alsdann synthetisieren. Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verf¨ugbar: http://www.reconets.de 21.3.12

ReCoNodes – Optimierungsmethodik zur Steuerung hardwarekonfigurierbarer Knoten

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Ing. Mateusz Majer Dipl.-Ing. Diana G¨ohringer Dipl.-Inf. Josef Angermeier Laufzeit: 1.6.2003–31.5.2009 F¨orderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft Kontakt: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Tel.: +49-9131-85-25150 Fax: +49-9131-85-25149 E-Mail: [email protected] In diesem Projekt wird der bislang nur unzul¨anglich automatisierte Zugang zu rekonfigurierbaren Schaltungen, insbesondere FPGA-basierten Architekturen, erschlossen durch Bereitstellung von Modellen und Optimierungsmethoden im Zusammenhang mit der dynamischen Hardwarerekonfiguration. Diese Modelle und Methoden sollen schließlich in einer Art Betriebssystem f¨ur Hardwarefunktionen resultieren, das die Verwaltung der Ressourcen zur Laufzeit u¨ bernimmt. Konkreter Gegenstand unserer Untersuchungen sind Strategien und Methoden der mathematischen Optimierung f¨ur die optimale Steuerung und Nutzung neuester und k¨unftiger Generationen von rekonfigurierbarer Hardware. Solche rekonfigurierbaren Chips werden bereits in verschiedensten technischen Zusammenh¨angen genutzt. Aufgrund praktischer Hindernisse (vor allem durch den hohen Rekonfigurationsaufwand) und theoretisch noch nicht voll entwickelter Methoden konnte das Potential rekonfigurierbarer Hardware bislang nur zu einem kleinen Teil verwirklicht werden. Wir haben mittlerweile gezeigt, dass 369

die meisten dieser Schwierigkeiten bereits mit bestehender Technologie zu einem guten Teil u¨ berwunden werden k¨onnen. Davon erwarten wir auch neue Impulse f¨ur Entwicklung und Einsatz neuer Chipgenerationen. Modellierung: Die Anforderung von Ressourcen sowie die rekonfigurierbaren Ressourcen und Chips selbst m¨ussen geeignet modelliert werden. W¨ahrend bei Betriebssystemen f¨ur Mikroprozessoren die wichtigsten Einflussgr¨oßen weitgehend bekannt sind, sind viele Eigenschaften im Bereich der Hardwareanforderungen alles andere als klar, etwa die Anzahl und Form angeforderter Ressourcen, die Ausf¨uhrungszeit oder der erforderliche Rekonfigurationsaufwand. Dennoch reden wir hier in Analogie zum TaskBegriff in der Softwarewelt konsequent von Hardwaretasks bzw. Hardwareprozessen, um Anforderungen zu bezeichnen. Allerdings erweist es sich als zweckm¨aßig, zwischen Tasks und Modulen zu unterscheiden. Dabei stellt ein Modul eine Hardwarekonfiguration dar, auf der gewisse Tasks ausgef¨uhrt werden k¨onnen; wie wir noch n¨aher erl¨autern werden, machen es relativ hohe Rekonfigurationszeiten, aber u. U. relativ kurze Taskzeiten m¨oglich und w¨unschenswert, bestehende Module auch nach Ende einer Task f¨ur m¨ogliche weitere Tasks ohne zus¨atzlichen Rekonfigurationsaufwand bereit zu halten. Dies illustriert bereits, dass die vorhandenen Ressourcen der Hardware geeignet modelliert werden m¨ussen. Eigenschaften, wie die Unterbrechbarkeit von Hardwaretasks, Rekonfigurationsaufwand, Kommunikationsmodelle etc., werden geeignet formalisiert. Optimierung: Basierend auf den obigen mathematischen Modellen geht es bei der Optimierung darum, die vorhandenen Ressourcen effizient zu verwalten. In der Welt von Softwarebetriebssystemen sind hier die zentralen Probleme der Allokation von Ressourcen sowie der zeitlichen Zuteilung von Ressourcen unter dem Begriff der Ablaufplanung, engl. Scheduling, bekannt. Prinzipiell gilt dies auch f¨ur die Ressourcen auf einem rekonfigurierbaren Chip. Die Frage stellt sich nur, welche Optimierungsalgorithmen und welche Optimierungsziele im Rahmen der dynamischen Hardwarerekonfiguration zu verfolgen sind. Hier sollen drei unterschiedliche Szenarien untersucht werden: Das erste Szenario betrifft die optimale Allokation und Ablaufplanung einer statisch gegebenen Menge von Hardwaretasks zur Entwurfszeit. Die beiden anderen Szenarien gehen von unbekannten zeitlichen Anforderungen aus, wobei das erste von sich schnell a¨ ndernden Anfragen ausgeht, w¨ahrend das zweite eher den Fall betrachten soll, bei konstanter Last die Auslastung der Ressourcen zu optimieren. Implementierung: Die obigen Verfahren werden im Kontext realer Hardware untersucht. Dazu wurde eine FPGA-Plattform, genannt Erlangen Slot Machine (ESM), entwickelt und gefertigt, auf der die verschiedenen Online-, Offline- und Caching- Algorithmen zur Allokation und Ablaufplanung auf einer speziellen CPU laufen, der ein kommerzielles FPGA ansteuert. Die ESM kann als einer der ersten voll partiell und dynamisch rekonfigurierbaren Computer auf FPGA-Basis weltweit aufgefasst werden. Bez¨uglich der partiellen dynamischen Rekonfiguration bietet die ESM eine bisher unerreichte Flexibilit¨at. Diese Plattform und die Implementierung der Algorithmen werden 370

als Beweis und Verifikation der Modellannahmen und des Rekonfigurationsoverheads dienen. ESM-Architektur: ”Herz” der ESM-Architektur ist ein großer relativ homogener FPGA. Um die I/O-Pin-Problematik zu l¨osen, m¨ussen I/O-Pins flexibel zu den entsprechenden Peripherieeinheiten verdrahtet werden. Unsere L¨osung ist eine CrossbarArchitektur außerhalb des FPGAs, mit der die I/O-Pins in Abh¨angigkeit von der Modulplatzierung korrekt mit Signalen der Peripherie verschaltet werden. Zahlreiche Applikationen, insbesondere im Bereich der Bildverarbeitung, ben¨otigen mehr Speicher als auf heutigen FPGAs zur Verf¨ugung steht. Deshalb wird dem FPGA auf der Plattform ausreichend viel Speicher zur Seite gestellt. Um Algorithmen zur Modulplatzierung erproben zu k¨onnen, wurde f¨ur die Plattform ein Betriebssystem entworfen. Dies l¨auft auf einem externen Prozessor. Dieser Prozessor (PowerPC) dient als ”Gehirn” der ¨ ESM-Architektur. Uber ihn laufen Anwendungen sowie die Optimierungsalgorithmen zum Scheduling und zur Platzierung der Module. Weitere Aufgabe des Prozessors ist die Steuerung des Crossbars. Nach erfolgter Platzierung eines neuen Moduls wird bei Bedarf eine Verbindung zu den Peripheriebausteinen geschaffen bzw. umgeroutet. Zwischen dem Prozessor und dem Haupt-FPGA befindet sich der sog. Rekonfigurationsmanager, ebenfalls realisiert durch einen FPGA. Seine Funktionen beinhalten das Speichern, Laden und Relokieren von Modul-Konfigurationen auf dem Haupt-FPGA. Sobald der Rekonfigurationsmanager vom Prozessor aufgefordert wird, die Konfiguration eines bestimmten Moduls zu laden, wird diese ”on the fly” f¨ur den gew¨unschten Bereich angepasst bzw. relokiert. Anwendung: Schließlich werden die implementierten Algorithmen auf der eben beschriebenen Plattform getestet. Als Anwendungen betrachten wir erstens Anforderungen, die im Zusammenhang mit der Einbettung rekonfigurierbarer Knoten in verteilten Steuerungssystemen entstehen, sog. ReCoNets. Als Anwendungsszenario untersuchen wir die Anforderungen an ReCoNodes, f¨ur die in einem Netzwerk neue Hardwaretasks generiert werden. Dies ist realistisch beispielsweise im Bereich der Automobilinnenraumelektronik, f¨ur den am Lehrstuhl bereits Vorarbeiten geleistet wurden. In dem zweiten Anwendungsbereich untersuchen wir die adaptive Videoverarbeitung, die in der Lage ist, w¨ahrend der Verarbeitung von Videobildern die Filter durch Rekonfiguration auszutauschen. Hierbei liegt der Vorteil in dem unterbrechungsfreien Wechsel auf den optimalen Filter, wobei der Zeitpunkt der Anpassung adaptiv von der Anwendung selbst entschieden wird. Weitere Informationen sind im WWW unter folgenden URLs verf¨ugbar: http://www.reconodes.de, http://www.r-space.de

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21.3.13

ReKoSys: Kognitive eingebettete Systeme auf Basis dynamisch rekonfigurierbarer Hardware

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich Beteiligte: Dipl.-Ing. Ferdinand Großmann Dipl.-Inf. Stefan Wildermann Laufzeit: 1.9.2007–28.2.2010 F¨orderer: Bayerisches Staatsministerium f¨ur Wirtschaft, Verkehr und Technologie Mitwirkende Institutionen: Dallmeier electronics softgate GmbH Fraunhofer IIS Die Leistungsf¨ahigkeit von Hardwarekomponenten w¨achst st¨andig. Es ist damit zu rechnen, dass eingebettete Systeme in Zukunft auch kognitive Aufgaben u¨ bernehmen, die bisher nur vom Menschen selbst durchgef¨uhrt werden konnten. Dazu geh¨oren die F¨ahigkeiten der Wahrnehmung sowie der Muster- und Objekterkennung bis hin zu F¨ahigkeiten des Lernens und der Selbstorganisation. Die Realisierung solcher rechenintensiven kognitive Ans¨atze stellt im Allgemeinen sehr hohe Anforderungen an die Leistungsf¨ahigkeit des Rechnersystems (bzgl. Geschwindigkeit, Speicherressourcen etc.) und ist bisher im Bereich eingebetteter Systeme kaum zu finden, obwohl gen¨ugend Anwendungsfelder f¨ur solche Systeme vorhanden sind. Die u¨ bliche Realisierung kognitiver Funktionalit¨at in Software auf Vielzweckrechnern kommt f¨ur eingebettete Systeme nicht in Frage, da hier harte Vorgaben hinsichtlich Platzverbrauch, Gewicht und Energieaufwand gegeben sind. Durch die Verwendung rekonfigurierbarer Logik und leistungsf¨ahiger EmbeddedProzessoren sollen erstmals auch kognitive Funktionen in eingebetteten Systemen realisiert werden, was bisher aufgrund der ben¨otigten hohen Rechenleistung nicht m¨oglich war. Zum Einsatz soll ein solches kognitives System bei zwei Anwendungen kommen: • Als Netzwerktechnologie im Automobilbereich, wobei eine einzelne leistungsf¨ahige Netzwerkstruktur verwendet wird, um eine Vielzahl von Netzwerkprotokollen bereitzustellen, zwischen denen mittels einer kognitiven intelligenten Funktion umgeschaltet wird. Bisher war dazu jeweils eine Netzwerk-Infrastruktur pro verwendetem Protokoll erforderlich, was Gewicht und Kosten deutlich erh¨oht. • Die zweite Anwendung besteht in der Echtzeit-Voranalyse von Videodaten aus ¨ Uberwachungskameras mit dem Zweck einer Identifikation typischer geome372

trischer Formen oder einfacher Objekte. Dies erm¨oglicht sp¨ater das gezielte und schnelle Auffinden bestimmter Situationen in den Aufzeichnungen. Bisher m¨ussen dazu die gesamten aufgezeichneten Videodaten eines Zeitraumes visuell (d.h. von Personen) analysiert werden, was sehr zeitaufwendig ist. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, Grundlagen und Techniken f¨ur die Umsetzung kognitiver Funktionen auf eingebetteten Systemen zu erforschen, entsprechende Entwurfsabl¨aufe zu automatisieren und diese Methodiken auf Plattformen anhand zweier konkreter Anwendungen zu testen. Besonderes Augenmerk soll dabei auf den Einsatz dynamisch rekonfigurierbarer Hardware gelegt werden: Da rechenintensive und zeitkritische Algorithmen bei begrenzten Systemressourcen nicht allein in Software berechnet werden k¨onnen, ist die Unterst¨utzung durch dedizierte Hardware unerl¨asslich. Um gleichzeitig ein hohes Maß an Flexibilit¨at zu erreichen, sollen programmierbare Hardwarebausteine, sog. FPGAs (engl. Fieldprogrammable Gate Arrays), zum Einsatz kommen. Dabei soll untersucht werden, inwieweit sich diese w¨ahrend des Betriebs umkonfigurieren lassen und sich dadurch einerseits Ressourcen sparen und andererseits kontextabh¨angige Funktionen bereitstellen lassen. 21.3.14

SpecVer: Verifikationsgerechte Spezifikation komplexer Systeme

Projektleitung: Dr. Axel Schneider Beteiligte: Dr.-Ing. Christian Haubelt Dipl.-Inf. Martin Streub¨uhr Dipl.-Inf. Jens Gladigau Laufzeit: 1.10.2005–30.9.2008 F¨orderer: Bayerische Forschungsstiftung Kontakt: Dr.-Ing. Christian Haubelt Tel.: +49-9131-85-25154 Fax: +49-9131-85-25149 E-Mail: [email protected] SpecVer erforscht neue Methoden zum Entwurf komplexer Systeme am Beispiel der Telekommunikationstechnik. Im Unterschied zu bisherigen Systemen werden auf ¨ hohem Abstraktionsniveau einsetzende, f¨ur nachtr¨agliche Anderungen offene TopDown-Zug¨ange zur Spezifikation sowie zur engeren Verkn¨upfung von Spezifikation und Verifikation entwickelt. Dadurch wird die Produktivit¨at und Fehlersicherheit 373

dieser Entwurfsschritte nachhaltig erh¨oht (”first-time-right”). Die Ergebnisse lassen sich auf andere Bereiche z.B. Automotive, u¨ bertragen. Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verf¨ugbar: http://www12.informatik.unierlangen.de/research/specver. 21.3.15

¨ eingebettete Systeme SystemCoDesigner: Entwurfsraumexploration fur

Projektleitung: Dr.-Ing. Christian Haubelt Beteiligte: Dipl.-Inf. Sabine Helwig Dipl.-Inf. Martin Lukasiewycz Dipl.-Inf. Michael Glaß Dipl.-Inf. Thomas Schlichter Beginn: 1.4.2005 Kontakt: Dr.-Ing. Christian Haubelt Tel.: +49-9131-85-25154 Fax: +49-9131-85-25149 E-Mail: [email protected] In diesem Projekt werden neue Modelle und Methoden zur automatischen Entwurfsraumexploration f¨ur eingebettete Systeme auf der Systemebene untersucht. Das grundlegende Problem stellt die optimale Allokation von Ressourcen sowie die optimale Bindung von Prozessen auf diese Ressourcen dar. Zum Einsatz kommen hierbei moderne Mehrzieloptimierungsverfahren sowie symbolische Techniken. Weiterhin besteht eine Kopplung zur Systembeschreibungssprache SystemC. Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verf¨ugbar http://www12.informatik.unierlangen.de/research/scd/. 21.3.16

SysteMoC: Darstellung von Berechnungsmodellen in SystemC

Projektleitung: Dr.-Ing. Christian Haubelt Beteiligte: Dipl.-Inf. Jens Gladigau Dipl.-Ing. (FH) Joachim Falk Dipl.-Ing. Joachim Keinert Dipl.-Inf. Thomas Schlichter Dipl.-Inf. Martin Streub¨uhr 374

Beginn: 1.4.2005 Kontakt: Dr.-Ing. Christian Haubelt Tel.: +49-9131-85-25154 Fax: +49-9131-85-25149 E-Mail: [email protected] Die automatische Identifikation eingeschr¨ankter Berechnungsmodelle stellt den Schl¨ussel zur Analyse und effizienten Synthese von Hardware/Software-Systemen dar. Programmiersprachen, wie Java, C++, etc. sind berechnungsuniversell und beschr¨anken somit die Analyse und Synthese weitestgehend. Hier setzt das Projekt SysteMoC an. Basierend auf der Systembeschreibungssprache SystemC werden Konstruktionsregeln zur Verf¨ugung gestellt, welche die Identifikation des zu Grunde liegenden Berechnungsmodells und somit den Zugang zur Analyse und effizienten Synthese von Hardware/Software Systemen erlauben. Weiter Informationen sind im WWW unter folgender URL verf¨ugbar: http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/systemoc/.

21.4

Publikationen

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Angermeier, Josef ; Claus, Christopher ; Stechele, Walter ; Teich, J¨urgen: A comparison of embedded reconfigurable video-processing architectures . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of International Conference on Field-Programmable Logic and Applications (International Conference on FieldProgrammable Logic and Applications (FPL 08) Heidelberg, Germany 8.-10. Sep. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 587-590.

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Angermeier, Josef ; Hanke, Stefan ; Majer, Mateusz ; Teich, J¨urgen ; Wildermann, Stefan: Co-Design Architecture and Implementation for Point-Based Rendering on FPGAs . In: IEEE (Hrsg.) : Proc. 19th IEEE/IFIP International Symposium on Rapid System Prototyping (Proc. 19th IEEE/IFIP International Symposium on Rapid System Prototyping (RSP ) Monterey, USA 2.-5. Jun. 2008). 2008, S. 142148.

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Angermeier, Josef ; Teich, J¨urgen: Heuristics for Scheduling Reconfigurable Devices with Consideration of Reconfiguration Overheads . In: IEEE (Veranst.) : Proceedings 15th Reconfigurable Architectures Workshop (15th Reconfigurable Architectures Workshop (RAW 2008) Miami, Florida 14.-15. Apr. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 1-8.

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Angermeier, Josef ; Fekete, Sandor ; Koch, Dirk ; Teich, J¨urgen ; van der Veen, Jan: No-Break Dynamic Defragmentation of Reconfigurable Devices . In: IE375

EE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of International Conference on Field-Programmable Logic and Applications (International Conference on FieldProgrammable Logic and Applications (FPL 08) Heidelberg, Germany 8.-10. Sep. 2008). New York : IEEE Press, 2008. –

Angermeier, Josef ; Batzer, Ulrich ; Claus, Christopher ; Majer, Mateusz ; Stechele, Walter ; Teich, J¨urgen: Reconfigurable HW/SW Architecture of a Reconfigurable HW/SW Architecture of a Real-Time Driver Assistance System . In: Springer (Hrsg.) : Proceedings of the Fourth International Workshop on Applied Reconfigurable Computing (Fourth International Workshop on Applied Reconfigurable Computing (ARC) London, United Kingdom 26.-28. Mar. 2008). Berlin Heidelberg : Springer, 2008, S. 149-159. (Lecture Notes in Computer Science (LNCS))

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Beckhoff, Christian ; Koch, Dirk ; Teich, J¨urgen: ReCoBus-Builder – A Novel Tool and Technique to Build Statically and Dynamically Reconfigurable Systems for FPGAs . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of International Conference on Field-Programmable Logic and Applications (International Conference on Field-Programmable Logic and Applications (FPL 08) Heidelberg, Germany 8.-10. Sep. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 119-124. – ISBN 9781-4244-1960-9

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Bhattacharyya, Shuvra ; Falk, Joachim ; Haubelt, Christian ; Keinert, Joachim ; Teich, J¨urgen: A Generalized Static Data Flow Clustering Algorithm for MPSoC Scheduling of Multimedia Applications . In: ACM Press (Hrsg.) : Proc. 8th ACM international conference on Embedded software (8th ACM international conference on Embedded software (EMSOFT’08) Atlanta, Georgia, USA 20.-22. Oct. 2008). 2008, S. 189-198. – ISBN 978-1-60558-468-3

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Brendle, Robert ; Haubelt, Christian ; Koch, Dirk ; Streichert, Thilo ; Teich, J¨urgen: Dynamic Reconfiguration of FlexRay Schedules for Response Time Reduction in Asynchronous Fault-Tolerant Networks . In: Brinkschulte, Uwe ; Ungerer, Theo ; Hochberger, Christian (Hrsg.) : Proceedings of Architecture of Computing Systems (Architecture of Computing Systems (ARCS’08) Dresden, Germany 25.-28. Feb. 2008). Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2008, S. 117-129. – ISBN 3540781528

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Dorsch, Rainer ; Haubelt, Christian ; Teich, J¨urgen: Entdecke die M¨oglichkeiten . In: In Design&Elektronik, WEKA (2008), Nr. 8, S. 22-27

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Dutta, Hritam ; Hannig, Frank ; Hartl, Matthias ; Kissler, Dmitrij ; Teich, J¨urgen: Domain-Specific Reconfigurable MPSoC-Systems – Challenges and Trends .

376

In: IEEE Press (Hrsg.) : Friday Workshop Reconfigurable Hardware, Design, Automation and Test in Europe (Friday Workshop Reconfigurable Hardware, Design, Automation and Test in Europe Munich, Germany 14 Mar. 2008). New York : IEEE Computer Society, 2008, S. ?-?. –

Dutta, Hritam ; Hannig, Frank ; Ruckdeschel, Holger ; Teich, J¨urgen: PARO: Synthesis of Hardware Accelerators for Multi-Dimensional Dataflow-Intensive Applications . In: Springer (Hrsg.) : Proceedings of the Fourth International Workshop on Applied Reconfigurable Computing (Fourth International Workshop on Applied Reconfigurable Computing (ARC) London, United Kingdom 26.-28. Mar. 2008). Berlin Heidelberg : Springer, 2008, S. ?-?. (Lecture Notes in Computer Science (LNCS))

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Dutta, Hritam ; Hannig, Frank ; Ruckdeschel, Holger ; Teich, J¨urgen: Quantitative Evaluation of Behavioral Synthesis Approaches for Reconfigurable Devices . In: Strooband, Dirk (Veranst.) : Proceedings of the 2nd HiPEAC Workshop on Reconfigurable Computing (2nd HiPEAC Workshop on Reconfigurable Computing Gothenburg, Sweden 27. Jan. 2008). 2008, S. 73-82.

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Falk, Joachim ; Haubelt, Christian ; Teich, J¨urgen ; Zebelein, Christian: Classification of General Data Flow Actors into Known Models of Computation . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proc. of the 6th ACM/IEEE International Conference on Formal Methods and Models for Codesign (6th ACM/IEEE International Conference on Formal Methods and Models for Codesign (MEMOCODE) Anaheim, CA, USA 5.-7. Jun. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 119-128.

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Gladigau, Jens ; Haubelt, Christian ; Teich, J¨urgen ; Blendinger, Frank: Symbolische Modellpr¨ufung Aktor-orientierter High-level SystemC-Modelle mit Intervalldiagrammen . In: GI/ITG/GMM (Veranst.) : Proc. of the 11. Workshop ”GI/ITG/GMM-Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen” (GI/ITG/GMM-Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen Freiburg, Germany 3.-5. Mar. 2008). 2008, S. 109118.

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Glaß, Michael ; Lukasiewycz, Martin ; Teich, J¨urgen: A Feasibility-Preserving Crossover and Mutation Operator for Constrained Combinatorial Problems . 377

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Glaß, Michael ; Haubelt, Christian ; Lukasiewycz, Martin ; Teich, J¨urgen: A Feasibility-Preserving Local Search Operator for Constrained Discrete Optimization Problems . In: IEEE Press (Hrsg.) : Proceedings of the 2008 IEEE Congress on Evolutionary Computation (IEEE Congress on Evolutionary Computation Hong Kong, China 1.-6. Jun. 2008). 2008, S. ?-?.

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Glaß, Michael ; Haubelt, Christian ; Lang, Bardo ; Lukasiewycz, Martin ; Regler, Richard ; Teich, J¨urgen: Concurrent Topology and Routing Optimization in Automotive Network Integration . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of the 45th Design Automation Conference (45th Design Automation Conference (DAC’08) Anaheim, USA 8.-13. Jun. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 626-629.

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Glaß, Michael ; Haubelt, Christian ; Lukasiewycz, Martin ; Reimann, Felix ; Teich, J¨urgen: Symbolic Reliability Analysis and Optimization of ECU Networks . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of Design, Automation and Test in Europe (Design, Automation and Test in Europe (DATE 2008) Munich, Germany 10.-14. Mar. 2008). New York : IEEE Computer Society, 2008, S. 158163.

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Glaß, Michael ; Haubelt, Christian ; Lukasiewycz, Martin ; Reimann, Felix ; Teich, J¨urgen: Symbolic Reliability Analysis of Self-healing Networked Embed378

ded Systems . In: Harrison, M.D. ; Sujan, M. (Hrsg.) : Proceedings of the International Conference on Computer Safety, Reliability and Security (International Conference on Computer Safety, Reliability and Security (SAFECOMP) Newcastle upon Tyne, UK 22.-25. Sep. 2008). Berlin, Heidelberg : Springer, 2008, S. 139-152. (Lecture Notes in Computer Science (LNCS) Bd. 5219, Nr. 2008) ISBN 978-3-540-87697-7 –

Glaß, Michael ; Haubelt, Christian ; Keinert, Joachim ; Lukasiewycz, Martin ; Reimann, Felix ; Teich, J¨urgen: Symbolic Voter Placement for DependabilityAware System Synthesis . In: ACM Press (Hrsg.) : Proceedings of the 6th International Conference on Hardware/Software Codesign and System Synthesis (CODES ISSS) (6th International Conference on Hardware/Software Codesign and System Synthesis (CODES ISSS) Atlanta GA, USA 19.-24. Oct. 2008). 2008, S. 237-242. – ISBN 978-1-60558-470-6

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Glaß, Michael ; Haubelt, Christian ; Streichert, Thilo ; Teich, J¨urgen ; Wanka, Rolf: Topology-Aware Replica Placement in Fault-Tolerant Embedded Networks . In: Brinkschulte, Uwe ; Ungerer, Theo ; Hochberger, Christian (Hrsg.) : Proceedings of Architecture of Computing Systems (Architecture of Computing Systems (ARCS’08) Dresden, Germany 25.-28. Feb. 2008). Berlin, Heidelberg : SpringerVerlag, 2008, S. 23-37. (LNCS) – ISBN 3540781528

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Hannig, Frank ; Kuchcinski, Krzysztof ; Teich, J¨urgen ; Wolinski, Christophe: Area and Reconfiguration Time Minimization of the Communication Network in Regular 2D Reconfigurable Architectures . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of the International Conference on Field Programmable Logic and Applications (International Conference on Field Programmable Logic and Applications (FPL) Heidelberg, Germany 8.-10. Sep. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 391-396.

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Hannig, Frank ; Kuchcinski, Krzysztof ; Teich, J¨urgen ; Wolinski, Christophe: Communication Network Reconfiguration Overhead Optimization in Programmable Processor Array Architectures . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of the 11th Euromicro Conference on Digital System Design (11th Euromicro Conference on Digital System Design (DSD) Parma, Italy 3.-5. Sep. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 345-352.

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Hannig, Frank ; Kissler, Dmitrij ; Kupriyanov, Alexey ; Teich, J¨urgen: MAML: An ADL for Designing Single and Multiprocessor Architectures . In: Mishra, Prabhat ; Dutt, Nikil (Hrsg.) : Processor Description Languages. San Fransisco : Morgan Kaufmann, 2008, (Systems on Silicon), S. 295-327. – ISBN 978-0-12-374287-2

379

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Hannig, Frank ; Kuchcinski, Krysztof ; Teich, J¨urgen ; Wolinski, Christophe: Optimization of Routing and Reconfiguration Overhead in Programmable Processor Array Architectures . In: IEEE Press (Hrsg.) : Proceedings of the 16th IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines (16th IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines (FCCM) Palo Alto, CA, USA 14.-15. Apr. 2008). 2008, S. 306-309.

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Hannig, Frank ; Kissler, Dmitrij ; Strawetz, Andreas ; Teich, Juergen: Powerefficient Reconfiguration Control in Coarse-Grained Dynamically Reconfigurable Architectures . In: Svensson, L. ; Monteiro, J. (Hrsg.) : In Proceedings of the 18th International Workshop on Power and Timing Modeling, Optimization and Simulation (18th International Workshop on Power and Timing Modeling, Optimization and Simulation (PATMOS) Lisbon, Portugal 10.-12. Sep. 2008). Berlin, Heidelberg : Springer, 2008, S. 307-317. (Lecture Notes in Computer Science (LNCS) Bd. 5349) – ISBN 978-3-540-95947-2

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Hannig, Frank ; Ruckdeschel, Holger ; Teich, J¨urgen: The PAULA Language for Designing Multi-Dimensional Dataflow-Intensive Applications . In: GI Press (Hrsg.) : Proceedings of the GI/ITG/GMM-Workshop – Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (GI/ITG/GMM-Workshop – Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen Freiburg, Germany 3.-5. Mar. 2008). 2008, S. ?-?.

–

Hannig, Frank ; Merker, Renate ; Schaffer, Rainer ; Teich, J¨urgen: Utilization of all Levels of Parallelism in a Processor Array with Subword Parallelism . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of the 11th Euromicro Conference on Digital System Design (11th Euromicro Conference on Digital System Design (DSD) Parma, Italy 3.-5. Sep. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 391-398.

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Haubelt, Christian: An Actor-Oriented Design Methodology Using SystemC .Vortrag: Invited talk at IBM Future Technology Forum, IBM Deutschland Research & Development GmbH, B¨oblingen, Germany, 12.12.2008

–

Haubelt, Christian ; Koch, Dirk ; Teich, J¨urgen: Efficient Reconfigurable On-Chip Buses for FPGAs . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proc. 16th Annual IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines (16th Annual IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines (FCCM 2008) Palo Alto, CA, USA 14.-15. Apr. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 287-290.

–

Haubelt, Christian ; Keinert, Joachim ; Teich, J¨urgen: Synthesis of MultiDimensional High-Speed FIFOs for Out-of-Order Communication . In: Brink380

schulte, U. ; Ungerer, T. ; Hochberger, C. ; Spallek, R.G. (Hrsg.) : Proceedings of the International Conference on Architecture of Computing Systems (21st International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS’08) Dresden, Germany 25.-28. Feb. 2008). Berlin, Heidelberg : Springer, 2008, S. 130-143. ISBN 978-3-540-78152-3 –

Haubelt, Christian: SystemCoDesigner – A Methodology for an Early Assessment of Design Options .Vortrag: Invited Talk at the 1. ILP-Summit Embedded Systems Institute, Embedded Systems Institute, Nuremberg, Germany, 27.2.2008

–

Haubelt, Christian: SystemCoDesigner – An ESL Design Methodology Based on the FunState MoC .Vortrag: Talk at 2nd Artist Workshop on Models of Computation and Communication, Eindhoven University of Technology (TU/e), Eindhoven, The Netherlands, 3.6.2008

–

Haubelt, Christian: SystemCoDesigner – Map2MPSoC 2008 .Vortrag: Invited talk at ARTIST Design Map2MPSoC 2008 Workshop, D¨usseldorf, Germany, 28.11.2008

–

Haubelt, Christian ; Keinert, Joachim ; Meredith, Michael ; Schlichter, Thomas: SystemCoDesigner: Automatic Design Space Exploration and Rapid Prototyping from Behavioral Models . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of the 45th Design Automation Conference (45th Design Automation Conference (DAC’08) Anaheim, CA, U.S.A. 8.-13. Jun. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 580-585.

–

Haubelt, Christian: SystemCoDesigner: Automatic Design Space Exploration and Rapid Prototyping from Behavioral Models .Vortrag: Talk at Center of Embedded Computer Systems, UC Irvine, Irvine, CA, USA, 13.06.2008

–

Helwig, Sabine ; Jordan, Johannes ; Wanka, Rolf: Social Interaction in Particle Swarm Optimization, the Ranked FIPS, and Adaptive Multi-Swarms . In: ACM Press (Hrsg.) : Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO08) Atlanta, Georgia, USA 12.-16. Jul. 2008). 2008, S. 49-56.

–

Helwig, Sabine ; Wanka, Rolf: Theoretical Analysis of Initial Particle Swarm Behavior . In: Rudolph, G¨unter ; Jansen, Thomas ; Lucas M., Simon ; Poloni, Carlo (Hrsg.) : Proceedings of the 10th International Conference on Parallel Problem Solving from Nature (10th International Conference on Parallel Problem Solving from Nature (PPSN08) Dortmund, Germany 13.-17. Sep. 2008). Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2008, S. 889-898. (Lecture Notes in Computer Science (LNCS)) 381

–

Keinert, Joachim ; Haubelt, Christian ; Teich, J¨urgen: Automatic Synthesis of Design Alternatives for Fast Stream-Based Out-of-Order Communication . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proc. 2008 IFIP/IEEE WG 10.5 International Conference on Very Large Scale Integration (VLSI-SoC 2008) (IFIP/IEEE WG 10.5 International Conference on Very Large Scale Integration Rhodes Island, Greece 13.-15. Oct. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 265-270.

–

Schmid, Moritz ; Teich, J¨urgen ; Ziener, Daniel: Netlist-Level IP Protection by Watermarking for LUT-Based FPGAs . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of IEEE International Conference on Field-Programmable Technology (IEEE International Conference on Field-Programmable Technology (FPT ) Taipei, Taiwan 8.-10. Dec. 2008). New York : IEEE Press, 2008.

–

Sch¨afer, Florian ; Teich, J¨urgen: ESL Methodologies for Platform-Based Synthesis . In: IEEE Press (Hrsg.) : Proceedings of the 2008 ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (DAC’08) Anaheim, USA 8.-13. Jun. 2008). 2008, S. ?-?.

–

Streichert, Thilo ; Haubelt, Christian ; Koch, Dirk ; Teich, J¨urgen: Concepts for Self-Adaptive and Self-Healing Networked Embedded Systems . In: W¨urtz, Rolf P. (Hrsg.) : Organic Computing. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2008, (Understanding Complex Systems), S. 241-260. – ISBN 3540776567

–

Streub¨uhr, Martin ; J¨antsch, Michael ; Haubelt, Christian ; Teich, J¨urgen ; Schneider, Axel: Semi-Automatic Generation of mixed Hardware-Software Prototypes from Simulink Models . In: GI/ITG/GMM (Veranst.) : Proc. of the 11. Workshop ”Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen” (11. Workshop ”Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen” Freiburg, Germany 3.-5. Mar. 2008). 2008, S. 139-148.

–

Teich, J¨urgen ; Wildermann, Stefan: 3D Person Tracking with a Color-Based Particle Filter . In: G. Sommer ; R. Klette (Hrsg.) : Robot Vision (RobVis’2008 Auckland, New Zealand 18.-20. Feb. 2008). Berlin : Springer-Verlag, 2008, S. 327-340. (LNCS Bd. 4931) – ISBN 978-3-540-78156-1

–

Teich, J¨urgen ; Wildermann, Stefan: A Sequential Learning Resource Allocation Network for Image Processing Applications . In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proceedings of the 8th International Conference on Hybrid Intelligent Systems (8th International Conference on Hybrid Intelligent Systems Barcelona, Spain 10.-12. Sep. 2008). New York : IEEE Press, 2008, S. 132-137.

382

–

Teich, J¨urgen ; Ziener, Daniel: Concepts for Autonomous Control Flow Checking for Embedded CPUs . In: Rong, C. ; Jaatun, M. G. ; Sandnes, F. E. ; Yang, L. T. ; Ma, J. (Hrsg.) : Proceedings of the 5th International Conference on Autonomic and Trusted Computing (ATC-08) (5th International Conference on Autonomic and Trusted Computing (ATC-08) Oslo, Norway 23.-25. Jun. 2008). Berlin, Heidelberg : Springer, 2008, S. 234-248. (Lecture Notes in Computer Science (LNCS) Bd. 5060, Nr. 2008) – ISBN 978-3-540-69294-2

–

Teich, J¨urgen: Invasion – A New Parallel Computing and Architecture Paradigm .Vortrag: Dagstuhl Seminar No. 08141, Organic Computing – Controlled SelfOrganization, 31.03.2008

–

Teich, J¨urgen: Invasive Algorithms and Architectures . In: it – Information Technology 50 (2008), Nr. 5, S. 300-310

–

Teich, J¨urgen ; Ziener, Daniel: Power Signature Watermarking of IP Cores for FPGAs . In: Journal of Signal Processing Systems 51 (2008), Nr. 1, S. 123-136

–

Teich, J¨urgen: Reconfigurability Issues of Future Massively Parallel SoCs .Vortrag: 8th International Forum on Application-Specific Multi-Processor SoC (MPSoC’08), Aachen, Germany, 23.-27. Jun..2008

–

Wanka, Rolf: Paralleles Sortieren – Parallel geht schnell . In: V¨ocking, B. ; Alt, H. ; Dietzfelbinger, M. ; Reischuk, R. ; Scheideler, C. ; Vollmer, H. ; Wagner, D. (Hrsg.) : Taschenbuch der Algorithmen. Berlin Heidelberg : Springer, 2008, S. 31-41. – ISBN 978-3-540-76393-2

21.5

Studien- und Abschlussarbeiten

–

Diplomarbeit: Einsatz symbolischer Techniken zur Synthese fehlertolerierender eingebetteter Systeme. Bearbeiter: Felix Reimann (beendet am 07.01.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Glaß; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Diplomarbeit: Clustering von homogenen Berechnungsdom¨anen in heterogenen Netzwerkgraphen. Bearbeiter: Christian Zebelein (beendet am 15.01.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. (FH) Joachim Falk; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Diplomarbeit: Identifikation von signierten Schaltungen anhand von Leistungsverbrauchsmessungen. Bearbeiter: Florian Baueregger (beendet am 21.01.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Daniel Ziener; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

383

–

Studienarbeit: Analytische und experimentelle Varianzanalyse randomisierter Algorithmen f¨ur das MaxSAT-Problem. Bearbeiter: Florian Forster (beendet am 30.01.2008); Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka

–

Studienarbeit: Entwurf und Implementierung eines Verfahrens zur Bestimmung der Prozessplatzierung und Busparameter in fehlertoleranten FlexRay-basierten Netzwerken. Bearbeiter: Andreas Kern (beendet am 08.02.2008); Betreuer: Dipl.Inf. Michael Glaß; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Studienarbeit: Entwicklung eines Simulationsprogramms zur Berechnung von virtuellen CT-Bildern. Bearbeiter: Emil Taralov (beendet am 01.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Glaß; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Diplomarbeit: Entwurf und Implementierung eines Synthesewerkzeugs f¨ur Busmodule zur Kommunikation in partell rekonfigurierbaren Systemen. Bearbeiter: Christian Beckhoff (beendet am 31.03.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Dirk Koch; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Diplomarbeit: Umsetzung einer Analyseumgebung zur Auswertung von CANLogging-Datens¨atzen aus realen Fahrzeugen. Bearbeiter: Robert Brendle (beendet am 08.04.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Glaß; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Diplomarbeit: Konzepte und Umsetzung zeitvarianter CAN-Protokolle durch rekonfigurierbare Hardware. Bearbeiter: Tobias Ziermann (beendet am 31.05.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Stefan Wildermann; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Studienarbeit: Konzeption und Implementierung einer Eingabe/AusgabeSchnittstelle f¨ur dedizierte parallele Prozessorfelder. Bearbeiter: Jiali Zhai (beendet am 15.06.2008); Betreuer: Hritam Dutta, M. Sc.; Dipl.-Ing. Frank Hannig; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Projektarbeit: Modellierung und Simulation eines elektronischen Bremssystems im Personenkraftwagen. Bearbeiter: Michael J¨antsch (beendet am 30.06.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Martin Streub¨uhr; Dr.-Ing. Christian Haubelt; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Master Thesis: Developing and Optimizing of Deinterlacing and Scaling Algorithms for a HDTV Receiver Prototype on a Cell Hardware Platform. Bearbeiter: Wei He (beendet am 25.08.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Frank Hannig; Prof. Dr.Ing. J¨urgen Teich

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Studienarbeit: Leistungsbewertung von Strategien zur dynamischen HardwareRekonfiguration. Bearbeiter: Helmut Killer (beendet am 30.08.2008); Betreuer: 384

Dipl.-Inf. Josef Angermeier; Dipl.-Inf. Martin Streub¨uhr; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich –

Projektarbeit: Integration of Concepts for Assuring Correct Program Execution at Control & Data Path Level for RISC-Processors. Bearbeiter: Christian Kohn (beendet am 31.08.2008); Betreuer: Dipl.-Ing. Daniel Ziener; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Diplomarbeit: Efficient Mapping Methodology for Medical Image Processing on GPUs. Bearbeiter: Richard Membarth (beendet am 12.09.2008); Betreuer: Hritam Dutta, M. Sc.; Dipl.-Ing. Frank Hannig; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Studienarbeit: A Parallel 3SAT Solver on CUDA. Bearbeiter: Fabian Sch¨onfeld (beendet am 19.09.2008); Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka; Prof. Dr.-Ing. Marc Stamminger

–

Master Thesis: Automatic Interface Generation for Integration of Hardware Accelerators. Bearbeiter: Sunil Dath Kumar Malipatlolla (beendet am 30.09.2008); Betreuer: Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Studienarbeit: Simulative Laufzeituntersuchung in Automotive-Anwendungen mit SystemC. Bearbeiter: Sebastian Graf (beendet am 11.11.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Martin Streub¨uhr; Dr.-Ing. Christian Haubelt; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

–

Diplomarbeit: Theoretische und experimentelle Analyse des Internet-Protokolls als Kommunikationsmedium im Automobil. Bearbeiter: Andreas Kern (beendet am 13.11.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Michael Glaß; Prof. Dr.-Ing. J¨urgen Teich

385

¨ Informatik mit dem Schwerpunkt EfProfessur fur fiziente Algorithmen und Kombinatorische Optimierung

Die Professur ist mit Prof. Dr. Rolf Wanka besetzt. Allgemeine Angaben sowie Details zu Forschungsprojekten und -schwerpunkten finden sich unter den Eintragungen des Lehrstuhls 12 (Hardware-Software-Co-Design).

386

Informatik-Forschungsgruppe M (Medizinische Informatik) Anschrift: Martensstraße 1, 91058 Erlangen Tel.: 09131/85-25235 Fax: 09131/85-26754 E-Mail: [email protected]

Leiter der Forschungsgruppe: Prof. Dr. biol. hom. Hans-Ulrich Prokosch Wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Inform. Med. (FH) Andreas Becker PD Dr. Thomas B¨urkle Dr. Thomas Ganslandt Dipl.-Inf. Andreas Klein Dr. Martin Sedlmayr Dr. Hubert Seibold Dr. Stefan Skonetzki-Cheng Dr. Reinhold Sojer Dipl.-Kff. (Univ.) Jasmina Suc Nichtwiss. Personal: Siegfried L¨uders Sekretariat: Martin Ross Der effiziente Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien im Krankenhaus und in anderen Institutionen des Gesundheitswesens gewinnt immer mehr an Bedeutung. Immer gr¨oßerer Druck zur Kostensenkung zwingt zur Optimierung aller Prozesse. Gleichzeitig ist eine kontinuierlich hohe Qualit¨at der Krankenversorgung sicherzustellen. Moderne IT-Verfahren bieten das Potential, um die Krankenh¨auser in diesen Aufgaben zu unterst¨utzen. Die Einf¨uhrung der elektronischen Gesundheitskarte und des elektronischen Arztausweises f¨uhren zu einer zunehmenden Vernetzung mit vielen neuen Aufgabengebieten. Die Realisierung einer multimedialen elektronischen Patientenakte stellt immer noch eine große Herausforderung dar. Am Lehrstuhl f¨ur Medizinische Informatik / Forschungsgruppe M bearbeiten wir in verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedliche Teilbereiche dieses Spektrums. Schwerpunkte unserer Forschungen liegen auf der Konzeption und Einf¨uhrung Elektronischer Krankenakten, der Integration wissensverarbeitender Funktionen in Krankenhausinformationssysteme, der Modellierung und Abbildung von Arbeitsabl¨aufen sowie der Vi387

sualisierung klinischer Behandlungspfade mit dem Ziel der Prozessoptimierung in der Medizin. Wissensmanagement, Data-Warehouse-Anwendungen und Data Mining, die Konzeption von Bilddatenmanagementsystemen, die Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Sektor-¨ubergreifenden Vernetzung bis hin zur Bereitstellung elektronischer Gesundheitsakten f¨ur den B¨urger sowie die Evaluation der Auswirkungen von EDVMaßnahmen und elektronischen Informationsmedien auf die Beteiligten im Gesundheitssystem runden unser Forschungsprofil ab. Der Leiter des Lehrstuhls f¨ur Medizinische Informatik, Professor Hans-Ulrich Prokosch, ist als Chief Information Officer (CIO) gleichzeitig f¨ur die operative Gestaltung und strategische Weiterentwicklung der Informationsverarbeitung im Universit¨atsklinikums Erlangen verantwortlich.

23.1

Forschungsschwerpunkte

• Architekturkonzepte f¨ur Informationssysteme im Gesundheitswesen • Elektronische Patientenakten, Visualisierung Medizinischer Behandlungspfade • Telematikanwendungen im Gesundheitswesen • Prozessanalyse, Prozessmodellierung und Prozessoptimierung • Medizinische Ontologien und Medizinische Wissensverarbeitung • Evaluation von Informationssystemem im Gesundheitswesen • IT-Infrastrukturanwendungen f¨ur die Medizinische Forschung

23.2

Forschungsrelevante apparative Ausstattung

Diverse IT-Werkzeuge und klinische Applikationen, unter anderem Aris WorkflowManagement-Werkzeug, ICU-Data Patientendatenmanagementsystem, Cognos Data Warehouse, verschiedene Webapplikationen

388

23.3

Kooperationsbeziehungen

Dozentenaustausch mit der Privaten Universit¨at f¨ur Medizinische Informatik und Technik (UMIT, Innsbruck) im Rahmen des Erasmusprogramms Hochschule f¨ur Technik und Informatik (Bern ) Hˆopital Europ´een George Pompidou (Paris)

23.4

Forschungsprojekte

23.4.1

Erstellung eines prozessbasierten QM-Handbuchs

Projektleitung: PD Dr. Thomas B¨urkle Laufzeit: 1.1.2005–31.5.2008 Kontakt: PD Dr. Thomas B¨urkle Tel.: 09131/85-26790 Fax: 09131/85-26754 E-Mail: [email protected] In diesem Projekt werden klinische Abl¨aufe in der Poliklinik f¨ur Kieferorthop¨adie mit dem Werkzeug Aris abgebildet. Die Basis f¨ur diese Arbeit bildet das Qualit¨atsmanagement-Handbuch der Klinik. Die Poliklinik f¨ur Kieferorthop¨adie betreibt ein aktives Qualit¨atsmanagement nach DIN EN ISO 9001 und hat das Qualit¨atsmanagement-Handbuch u¨ berwiegend prozessorientiert aufgebaut. Die bisherige Darstellung in einem einfachen Word Dokument bewirkt massive Probleme bei ¨ allf¨alligen Anderungen der Prozessabl¨aufe. In dem Projekt soll untersucht werden, inwieweit das vorliegende Qualit¨atsmanagement-Handbuch, exemplarisch auch f¨ur die Handb¨ucher anderer Kliniken der Universit¨atsklinik Erlangen, mit den Werkzeugen des Prozessmanagement Tools Aris der Firma ids Scheer abgebildet und umgesetzt werden kann und ob sich daraus f¨ur Pr¨asentation und Pflege des Qualit¨atsmanagement-Handbuches Vorteile ableiten lassen. Untersucht werden soll auch die Umsetzbarkeit der nicht prozessorientierten Anteile des Handbuches sowie die Verbindung zu Dokumenten der Poliklinik f¨ur Kieferorthop¨adie die bisher als Anhang gef¨uhrt werden. Es ist beabsichtigt, eine Pr¨asentation im HTML Format f¨ur das Intranet der Universit¨atsklinik Erlangen zu erstellen. Weitere Aufgaben im Bereich der Prozessmodellierung k¨onnen sich anschließen. 389

23.4.2

Evaluation von Informationssystemen im Gesundheitswesen

Projektleitung: PD Dr. Thomas B¨urkle Beginn: 1.1.2005 Kontakt: PD Dr. Thomas B¨urkle Tel.: 09131/85-26790 Fax: 09131/85-26754 E-Mail: [email protected] Vor der Einf¨uhrung medizinischer Informationssysteme wird meist eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgef¨uhrt, um die Rentabilit¨at derartiger Maßnahmen abzusch¨atzen. Viel zu selten aber wird auch nach der Einf¨uhrung neuer Informationstechnologien die Auswirkung dieser Interventionen auf die Mitarbeiterzufriedenheit, Arbeitsprozesse, Prozesskosten oder sogar die Krankenversorgung evaluiert. Dar¨uber hinaus sind Untersuchungen zur Einstellung der betroffenen Nutzer von neuen Informationstechnologien gegen¨uber diesen Systemen, zur Benutzerfreundlichkeit der Bedienoberfl¨achen und zur Akzeptanz neuer Technologien wichtige Voraussetzungen, f¨ur deren effizienten Einsatz im Gesundheitswesen. Bei all diesen Analysen zum Health Technology Assessment sind sowohl gesundheits¨okonomische Fragestellungen als auch soziotechnologische Randbedingungen zu ber¨ucksichtigen. Der Lehrstuhl f¨ur Medizinische Informatik besch¨aftigt sich in diesem Kontext mit der Entwick¨ lung neuer Evaluationsmethoden und deren Einsatz und Uberpr¨ ufung in praktischen Evaluationsstudien. Publikationen –

Beisig, Alexander: Computerunters¨utzung bei der Score-Erfassung auf der Intensivstation . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2007

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Beisig, Alexander ; B¨urkle, Thomas ; Strauß, Richard ; Prokosch, Hans-Ulrich: Computerunters¨utzung bei der Score-Erfassung auf der Intensivstation .Vortrag: GMDS 2007, GMDS, Augsburg, 18.09..2007

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R¨ohrig, Rainer ; B¨urkle, Thomas ; Ganslandt, Thomas ; Prokosch, Hans-Ulrich: Entwicklung und Evaluation eines Unterrichtskonzeptes f¨ur Klinische Arbeitsplatzsysteme in der Intensivmedizin f¨ur Informatikstudenten .Vortrag: GMDS 2007, GMDS, Augsburg, 18.09.2007

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Dormann, Harald ; Sojer, Reinhold ; Zopf, Yurdag¨ul ; B¨urkle, Thomas ; Hahn, Eckhart Georg ; Prokosch, Hans-Ulrich: K¨onnen Therapieleitlinien kontraindi390

ziert sein? Evaluierung einer elektronischen Entscheidungsunterst¨utzung .Vortrag: GMDS 2007, GMDS, Augsburg, 18.09..2007 –

Ramming, Thomas ; B¨urkle, Thomas ; Prokosch, Hans-Ulrich: Usability Evaluation zweier klinischer Systeme – Erfahrungen mit Cognitive Walkthrough und Think Aloud .Vortrag: GMDS 2007, GMDS, Augsburg, 18.09.2007

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B¨urkle, Thomas ; Beisig, Alexander ; Ganslmayer, Marion ; Prokosch, HansUlrich: A randomized controlled trial to evaluate a computer application in the ICU . In: Organizing Committee of MIE 2008 (Hrsg.) : MIE 2008 (MIE 2008 G¨oteborg 25.-28. Mai 2008). Bd. 1, 1. Aufl. G¨oteborg : MIE, 2008, S. 279-284.

23.4.3

¨ ein Forschungsnetz in Konzeption und Aufbau eines Internet-Portals fur der Medizin

Projektleitung: Dr. Thomas Ganslandt Beteiligte: Dipl.-Inf. Andreas Klein Laufzeit: 1.10.2003–30.9.2008 F¨orderer: BMBF Kontakt: Dr. Thomas Ganslandt Tel.: 09131/85-26753 Fax: 09131/85-26754 E-Mail: [email protected] Das Netzwerk f¨ur seltene Erkrankungen ”Epidermolysis Bullosa (EB); molekulare Pathomechanismen und neue Therapie-Strategien” befasst sich mit den Ursachen, der Diagnose, der Prophylaxe und Behandlung der Epidermolysis Bullosa (EB), einer Gruppe von erblichen Hautkrankheiten, die durch traumainduzierte Blasenbildung der Haut und der Schleimh¨aute charakterisiert ist. Die chronische Hautfragilit¨at bei Betroffenen hat einen hohen pers¨onlichen, medizinischen und sozio¨okonomischen Einfluss auf das Leben der Patienten und ihrer Angeh¨origen. ¨ Wegen der Seltenheit der EB ist die klinische Erfahrung vieler Arzte gering und Informationen u¨ ber Spezialisten, die f¨ur die Diagnostik- und Therapiefragen herangezogen werden k¨onnen, sind oft nicht vorhanden. Diese Konstellation f¨uhrt dazu, dass viele Patienten erst nach langer Zeit eine kompetente Beratung und Behandlung erhalten. Ferner existiert z. Zt. noch keine kausale Therapie f¨ur die EB. 391

Die geplanten Forschungsvorhaben zielen einerseits auf ein besseres Angebot von klinischen und diagnostischen Aspekten der EB sowie auf eine vollst¨andigere Dokumentation in Form von Patientenregister und Datenbank, andererseits auf besseres Verst¨andnis der Krankheitsmechanismen als Voraussetzung f¨ur die Entwicklung von neuen Therapieans¨atzen. Diese Erkenntnisse werden durch klinische, molekular- und zellbiologische, strukturelle Analysen sowie mit Studien mit transgenen M¨ausen oder Gentransfer in vitro erarbeitet. Von der geplanten Zusammenarbeit erwarten wir wichtige neue Kenntnisse u¨ ber die Pathophysiologie der EB. Ein Verst¨andnis der Schl¨usselvorg¨ange der Pathogenese wird neue diagnostische und therapeutische Anwendungen liefern und einen Effekt bez¨uglich diagnostischer Dienstleistungen, Prognose, genetischer und pr¨aventiver Beratung, Pflege sowie Betreuung von EB Patienten haben. Im Teilprojekt zur Bereitstellung einer Basis-Informationstechnologie liegt der Schwerpunkt auf der Konzeption und Realisierung einer zentralen Internet-basierten Datenbank sowie eines Internet-Portals f¨ur das Netzwerk. Der in der Datenbank zu speichernde klinische Kerndatensatz wird mit den Partnern des Forschungsnetzes und mit internationalen EB-Registern abgestimmt, sodass die hier gewonnenen Daten international vergleichbar sind. Publikationen –

Ganslandt, Thomas ; Ruderich, Franz ; Prokosch, Hans-Ulrich: Building a communication infrastructure for a multi-centric research network . In: Journal for quality of life research 2 (2004), Nr. 1 (Special issue), S. 125-127

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Klein, Andreas ; Ganslandt, Thomas ; Prokosch, Hans-Ulrich ; Brinkmann, L. ; ¨ Uckert, Frank: An XML-based remote data entry solution in a multi-centric research network . In: Journal for quality of life research 3 (2005), Nr. 2 (Supplement 1), S. 190-197

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Klein, Andreas ; Prokosch, Hans-Ulrich ; M¨uller, M ; Ganslandt, Thomas: Experiences with an interoperable data acquisition platform for multi-centric research networks based on HL7 CDA . In: Methods of Information in Medicine 46 (2007), S. 580-585

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Klein, Andreas: Ein generischer Ansatz zur Realisierung verteilter Datenerfassung in der vernetzten klinischen Verbundforschung . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Diss., 2008

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Heyder, Hannes: Entwicklung eines webbasierten GUI f¨ur das Auswerten klinischer Studiendaten . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2008

392

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Urbanczyk, Oliver: Erstellung eines flexiblen XML-basierten Auswertungsmoduls f¨ur das Remote Data Entry System einer klinischen Studie u¨ ber seltene Erkrankungen . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Stud-Arb., 2008

23.4.4

OPAL Health: Optimierte und sichere Prozesse durch mobile und intelli¨ gente Uberwachung und Lokalisierung von Betriebsmitteln und Inventar in Kliniken und Krankenh¨ausern

Projektleitung: Dr. Thomas Ganslandt Beteiligte: Dr. Martin Sedlmayr Dipl.-Inform. Med. (FH) Andreas Becker Laufzeit: 1.8.2007–31.7.2010 F¨orderer: BMWi Beim OPAL-Projekt handelt es sich um ein vom Bundesministerium f¨ur Wirtschaft und Technologie (BMWi) gef¨ordertes interdisziplin¨ares Forschungsprojekt, das an der Universit¨at Erlangen/N¨urnberg mit Beteiligung des Klinikums und 4 externen Partnern durchgef¨uhrt wird. Die F¨orderung wurde im Rahmen des SimoBIT-Programms (Sichere Anwendung der mobilen Informationstechnik zur Wertsch¨opfungssteigerung in Mittelstand und Verwaltung) eingeworben. Neben der Patientensicherheit und dem Behandlungserfolg stellt die Effizienz der Arbeitsprozesse ein Ziel von zunehmender Wichtigkeit im Gesundheitswesen dar. Klinische Abl¨aufe zeichnen sich durch ein komplexes Zusammenwirken vieler Berufsgruppen aus, das auf eine entsprechende logistische Unterst¨utzung angewiesen ist, um die richtigen Ger¨ate und Materialien zum rechten Zeitpunkt am Patienten anwenden zu k¨onnen. Ziel des OPAL-Projekts ist es, eine zukunftsweisende technische Systeml¨osung auf Basis mobiler Sensornetzwerke zur entwickeln und klinisch zu erproben, die als Standard ¨ zur Verfolgung, Uberwachung und Optimierung von Produkt- und Prozessdaten innerhalb einer Klinik eingesetzt werden kann. Als repr¨asentative Implementierungsszenari¨ en wurden die Uberwachung von Blutkonserven sowie die Lokalisierung mobiler medizintechnischer Ger¨ate ausgew¨ahlt. Zielgr¨oßen sind hierbei die Steigerung der Patientensicherheit durch l¨uckenloses Monitoring der Blutkonserven von der Allokation u¨ ber den Transport zur Station bis zur Gabe an den Patienten, sowie Effizienzsteigerungen bei der Wartung und Einsatzplanung patientennah eingesetzter medizintechnischer Ger¨ate. Im Rahmen der beiden Anwendungsf¨alle werden ausgew¨ahlte Objekte mit Sensorkno393

ten mit eigener Intelligenz, so genannten ”Smart Objects” ausgestattet. Zus¨atzlich werden an zentralen Stellen ”Ankerknoten” mit Anschluss an das Klinikumsnetzwerk angebracht, die u¨ ber Funktechnologien den Datenaustausch der Sensorknoten mit den klinikeigenen IT-Systemen erm¨oglichen. Durch diese mobilen Technologien k¨onnen bisher fehlende Informationen wie z. B. Standort, Wartungszeitpunkt oder Zustand f¨ur eine kontinuierliche Prozessoptimierung genutzt werden. Kooperationspartner: • Medizinisches Zentrum f¨ur Informations- und Kommunikationstechnik (MIK) des Universit¨atsklinikums Erlangen • An¨asthesiologische Klinik des Universit¨atsklinikums Erlangen • Transfusionsmedizinische und H¨amostaseologische Abteilung des Universit¨atsklinikums Erlangen • T-Systems GmbH • Fraunhofer-Institut f¨ur Integrierte Schaltungen • Vierling Communications GmbH • Delta T GmbH 23.4.5

Pathifier: ein Werkzeug zur Visualisierung klinischer Behandlungsabl¨aufe

Projektleitung: Dr. Thomas Ganslandt Beteiligte: Jantsch, Stefan Mascher, Kerstin Quandt, Friederike Laufzeit: 1.1.2004–31.7.2008 Das Gesundheitswesen wird mit st¨andig wachsenden Anforderungen in Bezug auf Kosteneffizienz und Qualit¨atssteigerung konfrontiert. Im Zuge der Umsetzung von klinischen Leitlinien und Patientenpfaden nimmt die Analyse und Optimierung von klinischen Arbeitsabl¨aufen hierbei einen zunehmenden Stellenwert ein. 394

In der station¨aren und ambulanten Versorgung wird routinem¨aßig eine Vielzahl von Datenelementen dokumentiert und digital erfasst, die jedoch mit den bisher zur Verf¨ugung stehenden Auswertungswerkzeugen nur unzureichend f¨ur die Betrachtung von Workflow-Aspekten erschlossen werden konnten. Ziel des ”Pathifier”-Projekts ist die Konzeption, Implementierung und Routineeinf¨uhrung eines Werkzeugs zur Visualisierung von Patientendaten. Das System verwendet ein Zeitstrahl-Paradigma, mit dem eine Vielzahl von Datenelementen zu Behandlungsabl¨aufen intuitiv grafisch dargestellt werden kann. Pathifier greift auf die im Rahmen der Routinedokumentation erfassten Datenelemente zur¨uck, so dass f¨ur die Visualisierung keine zus¨atzliche Dokumentationsarbeit erforderlich ist. Nach Abschluss der Basisprogrammierung ist Pathifier in die Routinenutzung am Universit¨atsklinikum u¨ berf¨uhrt worden und wird z.Zt. im laufenden Betrieb evaluiert. Weitere Ausbaustufen des Systems zielen auf die Integration eines DRG-Web-Groupers sowie die integrierte Visualisierung von Patientenpfaden. Das System erlaubt eine flexible Anpassung an die verf¨ugbaren Datenquellen und kann daher leicht in andere IT-Umgebungen portiert werden. Dies konnte durch eine Pilotinstallation am Landeskrankenhaus Innsbruck belegt werden. Im Rahmen einer weiteren Installation am Hˆopital Europ´een Georges Pompidou in Paris soll die Nutzung des Systems im Vergleich zur dortigen papierlosen Krankenakte evaluiert werden. Publikationen –

Ganslandt, Thomas ; Kunzmann, Udo, Dipl. Kaufmann (Univ.) ; Diesch, Katharina ; Palffy, Peter ; Prokosch, Hans-Ulrich: Semantic challenges in database federation: lessons learned . In: Studies in health technology and informatics 116 (2005), S. 551-556

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Ganslandt, Thomas ; Jantsch, Stefan ; Mascher, Kerstin ; Prokosch, Hans-Ulrich: Digging for hidden gold: timeline-based visualization of heterogeneous clinical data . In: Journal for quality of life research 3 (2005), Nr. 2 (Supplement 1), S. 8284

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Jantsch, Stefan: Ein zeitstrahlbasiertes Pr¨asentationsprogramm integrierter Patientendaten als Basis f¨ur vielseitige klinische Anwendungen . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Diss., 2008

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Ganitzki, Stefan: Entwicklung eines Werkzeuges zum automatischen Einlesen von Prozessdaten und deren Aufbereitung f¨ur ein Data-Warehouse . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Stud-Arb., 2008

395

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Strehl, Wilhelm: Zeitstrahlbasierte Visualisierung von Patientendaten mit Hilfe eines klinischen Data Warehouse und GoogleEarth . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Stud-Arb., 2008

23.4.6

Prozessoptimierung in der Radiologie

Projektleitung: PD Dr. Thomas B¨urkle Beteiligte: Lang, Martin Laufzeit: 1.1.2006–31.5.2008 Kontakt: PD Dr. Thomas B¨urkle Tel.: 09131/85-26790 Fax: 09131/85-26754 E-Mail: [email protected] Wir erleben gegenw¨artig eine Explosion der Gesundheitskosten, hervorgerufen ¨ durch Verl¨angerung des durchschnittlichen Lebensalters, zunehmende Uberalterung der Bev¨olkerung, Multimorbidit¨at im Alter und Zunahme der medizinischen diagnostischen und therapeutischen M¨oglichkeiten. Dies f¨uhrt zu einer verst¨arkten Suche nach Kosteneinsparpotential in der Krankenversorgung sowohl im station¨aren als auch im ambulanten Bereich. Aus diversen Publikationen ist belegbar, dass gerade in einer verbesserten Prozessteuerung des Behandlungsablaufs, verbunden mit einer besseren Auslastung teurer diagnostischer und therapeutischer Apparaturen, das gr¨oßte Kosteneinsparpotential in der station¨aren Krankenversorgung gesehen wird, w¨ahrend andere Kostensteuerungsmaßnahmen, wie beispielsweise Auslagerung von Nicht-Kernprozessen an externe Dienstleister schon weitgehend ausgenutzt wurden. Im Bereich der Optimierung und Steuerung kommen dann besonders klinische Behandlungspfade als Definition eines optimalen krankheitsbezogenen Behandlungsablaufs zum tragen, die das Potential bieten, g¨unstige organisatorische Abl¨aufe mit einer hohen Behandlungsqualit¨at f¨ur den Einzelnen zu verbinden. Eine verbesserte Prozessteuerung setzt aber sowohl Wissen u¨ ber die aktuellen Prozesse als auch Wissen u¨ ber Abweichungen von u¨ blichen Abl¨aufen voraus. Normalerweise ist hierf¨ur eine aufwendige System- und Prozessanalyse notwendig, bei der Abl¨aufe und prozessverantwortliche Personen z.B. durch Beobachtungsstudien und Interviews analysiert werden. Aufgrund der sehr komplexen Abl¨aufe und des mit der Analyse verbundenen massiven Aufwandes werden diese Analysen im Krankenhaus leider eher selten und meist nur auf Teilbereiche bezogen durchgef¨uhrt. Sie f¨uhren zu validen Prozessmodellen f¨ur die standardisiert durchgef¨uhrten Abl¨aufe, ber¨ucksichtigen 396

aber oft nicht das Vorkommen von eher seltenen Varianten, die sich in der Medizin als besondere Kostentreiber herausstellen k¨onnen. Es w¨are extrem w¨unschenswert, wenn diese aufwendigen Analyseverfahren durch automatisiert durchgef¨uhrte Verfahren erg¨anzt oder gar ersetzt werden k¨onnten, die auf der Basis der u¨ blicherweise in vielen F¨allen schon elektronisch durchgef¨uhrten Patientendokumentation valide Prozessmodelle erzeugen k¨onnten. Von besonderem Interesse ist das Potential automatischer Verfahren, die Analyse und Erzeugung von Prozessmodellen jederzeit mit geringem Aufwand wiederholen zu k¨onnen, um so beispielsweise den Erfolg steuernder Eingriffe bewerten zu k¨onnen. Publikationen –

Lang, M ; Kirpekar, N ; B¨urkle, Thomas ; Laumann, S ; Prokosch, Hans-Ulrich: Results for data mining in a radiology department: the relevance of data quality . In: International Medical Informatics Association (Hrsg.) : MEDINFO 2007 (MEDINFO 2007 Brisbane, Australia August 20 to the 24th, 2007). Bd. 1. 2007, S. 576-580.

–

Lang, M ; B¨urkle, Thomas ; Laumann, S ; Prokosch, Hans-Ulrich: Process mining for clinical workflows: challenges and current limitations . In: Organizing Committee of MIE 2008 (Hrsg.) : MIE 2008: proceeding (MIE 2008 G¨oteborg Mai 2008). Amsterdam : IOS Press, 2008, S. 229-234.

–

Lang, Martin: Prozessmining und Prozessoptimierung zur Verbesserung klinischer Workflows im Umfeld bilderzeugender F¨acher . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Diss., 2008

23.4.7

WHO/European eHealth Consumer Trends Survey

Projektleitung: Prof. Dr. biol. hom. Hans-Ulrich Prokosch Laufzeit: 1.6.2005–1.6.2008 Kontakt: Prof. Dr. biol. hom. Hans-Ulrich Prokosch Tel.: 09131/85-26721 Fax: 09131/85-26754 E-Mail: [email protected] Ziel der ”WHO/European eHealth consumer trends survey” ist es, ausgehend vom Gedanken des Patienten als Konsumenten, die Einstellungen und W¨unsche der 397

Patienten bzgl. der Nutzung von Internet-Technologien f¨ur Gesundheitsfragen zu erfassen. Hintergrund ist die im Zusammenhang mit der elektronischen Vernetzung des Gesundheitswesens zunehmend selbstst¨andige und aktive Rolle der Patienten, die als kritische Konsumenten auftreten. Diese Einstellungen sollen auf europ¨aischer Ebene ebenso untersucht werden, wie dies bereits auf nationaler Ebene im Norwegian Centre for Telemedicine in den Jahren 2000 bis 2002 geschah. Im Rahmen der eHealth Trends Survey wird erstmals die gesundheitsbezogene InternetNutzung in 7 europ¨aischen L¨andern systematisch verglichen. Das Ergebnis der Studie soll Aufschluss u¨ ber den Internet-Gebrauch, die Einstellungen und die Bed¨urfnisse der gesundheitsorientierten Internet-Nutzer geben. Neben dem Vergleich zwischen den beteiligten L¨andern soll auch die zeitliche Entwicklung der Einstellungen u¨ ber 2 Jahre hinweg analysiert werden. Publikationen –

Birkmann, Christine ; Dumitru, Corina ; Prokosch, Hans-Ulrich: Evaluation der Internet-Nutzung in Gesundheitsfragen . In: Klar, R¨udiger ; K¨opcke, Wolfgang ; Klar, R¨udiger ; Lax, H. ; Weiland, S. ; Zaiß, A. (Hrsg.) : Tagungsband der 50. Jahrestagung der Deutschen Gesell-schaft f*r Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (GMDS), 2005 (50. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft fuer Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie Freiburg 2005). H¨urth : LUP AG, 2006, S. 124-125.

–

Birkmann, Christine ; Dumitru, Corina ; Prokosch, Hans-Ulrich: Evaluation of health-related Internet use in Germany . In: Methods of information in medicine 45 (2006), Nr. 4, S. 367

–

Dumitru, Corina ; Birkmann, Christine ; Prokosch, Hans-Ulrich: A national survey on eHealth trends in Germany . In: European Federation of Medical Informatics (Hrsg.) : MIE 2006 proceedings (MIE 2006). Bd. 1. Maastricht : MIE, 2006, S. 286-291.

–

Dumitru, Corina ; Ganslandt, Thomas ; Prokosch, Hans-Ulrich: German healthcare consumer’s perception of the internet as a source of health related information . In: AMIA (Hrsg.) : AMIA 2006 (AMIA 2006 Washington, DC 14.11.2006). Bd. 1. Washington, DC : AMIA, 2006, S. 224-228.

398

–

Andreassen, HK ; Bunnowska-Fedak, MM ; Chronaki, M ; Dumitru, Corina ; Pudule, I ; Santana, S ; et al.: European citizens’ use of E-health services: a study of seven countries. . In: BMC public health 10 (2007), Nr. 147, S. 1-7

–

Chronaki, CE ; Voss, H ; Santana, S ; Prokosch, Hans-Ulrich: Access to electronic patient record: Is that important when choosing a new doctor? In: Cunningham, P ; Cunningham, M (Hrsg.) : Expanding the knowledge economy: issues, applications, case studies: volume 3 Information and Communication Technologies and the Knowledge Economy. Bd. 3. Amsterdam : IOS Press, 2007, S. 679-685.

–

Santana, S ; Chronaki, CE ; Szczygiel, N ; Prokosch, Hans-Ulrich ; Sørensen, T: Access to electronic patient record: Is that important when choosing a new doctor? In: Cunningham P ; Cunningham M (Hrsg.) : Expanding the knowledge economy: issues, applications, case studies. Bd. 1, 1. Aufl. Amsterdam : IOS Press, 2007, S. 686-694.

–

Prokosch, Hans-Ulrich ; Rebmann, Stefan ; Birkmann, Christine ; Dumitru, Corina: Der informierte deutsche Patient: Was weiss er wirklich u¨ ber neue eHealthAnwendungen, die eGK und das elektronische Rezept? In: GMDS eJournal 7 (2007), S. 313

–

Wangberg, SC ; Andreassen, HK ; Prokosch, Hans-Ulrich ; Santana, SM ; Sørensen, T ; Chronaki CE: Relations between Internet use, socio-economic status (SES), social support and subjective health . In: Health Promotion International Advance Access December (2007), S. dam039v1

–

Dumitru, Corina ; B¨urkle, Thomas ; Potapov, Sergej ; Lausen, Berthold ; Wieser, Bernhard ; Prokosch, Hans-Ulrich: Use and perception of Internet for health related purposes in Germany: results of a national survey . In: International Journal of Public Health 52 (2007), Nr. 5, S. 275-285

–

Kummervold, P.E. ; Chronaki, C. ; Lausen, Berthold ; Prokosch, Hans-Ulrich ; Rasmussen, J. ; Santana, S. ; Staniszewski, A. ; Wangberg, S.C.: eHealth Trends in Europe 2005-2007: a population-based survey . In: Journal of medical Internet research 10 (2008), Nr. 4, S. e42

–

Lausen, Berthold ; Potapov, Sergej ; Prokosch, Hans-Ulrich: Gesundheitsbezogene Internetnutzung in Deutschland 2007 Health-related use of the Internet in Germany 2007 . In: German Medical Science: Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (MIBE) EGMDS (2008), Nr. online, S. 1-12

399

23.4.8

Wissensverarbeitende Systeme / Wissenmodellierung in der Medizin

Projektleitung: Prof. Dr. biol. hom. Hans-Ulrich Prokosch Beteiligte: Dr. Reinhold Sojer Laufzeit: 1.1.2006–31.12.2008 Der Einsatz wissensverarbeitender Systeme in der Medizin verfolgt das Ziel, die Qualit¨at der Krankenversorgung durch prospektive Maßnahmen (Entscheidungsunterst¨utzung und Entscheidungsmonitoring) zu optimieren. Insbesondere im Bereich der Arzneimitteltherapie haben bereits viele Studien (u.a. die Publikationen des amerikanischen Institute of Medicine ”To err is human.”) auf ein erhebliches Verbesserungspotential hingewiesen. Vor diesem Hintergrund besch¨aftigen sich die Forschungsarbeiten des Lehrstuhls f¨ur Medizinische Informatik mit Fragen der Modellierung von Wissen rund um die Arzneimitteltherapie und der Realisierung standardisierter Wissensmodule zum Einsatz im Kontext der Arzneiverordnung, u.a. zur Reduktion von unerw¨unschten Arzneimittelwirkungen. Publikationen –

Sojer, Reinhold ; B¨urkle, Thomas ; Criegee-Rieck, M ; Neubert, A ; Brune, Kay ; Prokosch, Hans-Ulrich: Knowledge modelling and knowledge representation in hospital information systems to improve drug safety . In: Journal on Information Technology in Healthcare 4 (2006), Nr. 1, S. 29-37

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Lang, M ; B¨urkle, Thomas ; Kirpekar, Nanda ; Laumann, Susanne ; Prokosch, Hans-Ulrich: Assessing the reliability of workflow performance indicators: citing clinical imaging as an example .Vortrag: GMDS 2007, GMDS, Augsburg, 18.09.2007

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Lang, Martin ; B¨urkle, Thomas ; Laumann, Susanne ; Bauer, Jens ; Prokosch, Hans-Ulrich: Modeling the radiology workflow: A hands-on comparison of established process modeling languages .Vortrag: GMDS 2007, GMDS, Augsburg, 18.09.2007

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Sojer, Reinhold: Transformation des Arzneimittelsicherheitsystems KLASSE in eine standardisierte Wissensrepr¨asentation . Erlangen, Universit¨at ErlangenN¨urnberg, Diss., 2008

400

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Kraus, Stefan: Integration wissensbasierter Funktionen in ein kommerzielles Patientendatenmanagementsystem . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, DiplArb., 2008

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Beck, Andreas: Qualit¨atssicherung in der Aut-idem/Aut-simile-Substitution am Universit¨atsklinikum Erlangen durch Integration wissensbasierter Funktionen an den pharmazeutischen Schnittstellen der station¨ar/ambulanten Pharmakotherapie . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2008

–

Kramer, Frank: Validierung eines kognitiven Modells f¨ur die Assoziation von Diagnosen und Labordiagnostik durch Data-Mining-Verfahren . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2008

23.5

Publikationen

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Heyder, Hannes: Entwicklung eines webbasierten GUI f¨ur das Auswerten klinischer Studiendaten . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2008

–

Kramer, Frank: Validierung eines kognitiven Modells f¨ur die Assoziation von Diagnosen und Labordiagnostik durch Data-Mining-Verfahren . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2008

–

Kraus, Stefan: Integration wissensbasierter Funktionen in ein kommerzielles Patientendatenmanagementsystem . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, DiplArb., 2008

–

Meisinger, Andreas: Konzeption und Realisierung einer Befundkommunikationskomponente zur elektronischen Befund¨ubertragung aus einem HistologieDokumentationssystem . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Dipl-Arb., 2008

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Palffy, Peter: Konzeption und Einf¨uhrung eines DV-basierten OP-Planungs- und OP-Dokumentationssystems in einem Universit¨atsklinikum . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Diss., 2008 401

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¨ Prokosch, Hans-Ulrich ; Ganslandt, Thomas ; Dumitru, Corina ; Uckert, Frank: Telemedicine and collaborative health information systems . In: Pillai, M.V. (Hrsg.) : Telemedicine: concepts and applications. Bd. 1, 1. Aufl. Hyderabad : Icfai Univ. Pr., 2008, S. 37-61.

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Strehl, Wilhelm: Zeitstrahlbasierte Visualisierung von Patientendaten mit Hilfe eines klinischen Data Warehouse und GoogleEarth . Erlangen, Universit¨at Erlangen-N¨urnberg, Stud-Arb., 2008

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23.6

Studien- und Abschlussarbeiten

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Studienarbeit: Entwicklung eines Werkzeuges zum automatischen Einlesen von Prozessdaten und deren Aufbereitung f¨ur ein Data-Warehouse. Bearbeiter: Stefan Ganitzki (beendet am 21.01.2008); Betreuer: Dr. Thomas Ganslandt

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Diplomarbeit: Konzeption und Realisierung einer Befundkommunikationskomponente zur elektronischen Befund¨ubertragung aus einem HistologieDokumentationssystem. Bearbeiter: Andreas Meisinger (beendet am 28.03.2008); Betreuer: Prof. Dr. biol. hom. Hans-Ulrich Prokosch

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Studienarbeit: Erstellung eines flexiblen XML-basierten Auswertungsmoduls f¨ur das Remote Data Entry System einer klinischen Studie u¨ ber seltene Erkrankungen. Bearbeiter: Oliver Urbanczyk (beendet am 31.03.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Andreas Klein

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Diplomarbeit: Integration wissensbasierter Funktionen in ein kommerzielles Patientendatenmanagementsystem. Bearbeiter: Stefan Kraus (beendet am 31.03.2008); Betreuer: PD Dr. Thomas B¨urkle

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Diplomarbeit: Entwicklung eines webbasierten GUI f¨ur das Auswerten klinischer Studiendaten. Bearbeiter: Hannes Heyder (beendet am 04.08.2008); Betreuer: Dipl.-Inf. Andreas Klein

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Diplomarbeit: Qualit¨atssicherung in der Aut-idem/Aut-simile-Substitution am Universit¨atsklinikum Erlangen durch Integration wissensbasierter Funktionen an den pharmazeutischen Schnittstellen der station¨ar/ambulanten Pharmakotherapie. Bearbeiter: Andreas Beck (beendet am 31.08.2008); Betreuer: Dr. Reinhold Sojer

402

–

Diplomarbeit: Validierung eines kognitiven Modells f¨ur die Assoziation von Diagnosen und Labordiagnostik durch Data-Mining-Verfahren. Bearbeiter: Frank Kramer (beendet am 15.09.2008); Betreuer: Dr. Reinhold Sojer

403

Informatik Sammlung Erlangen (ISER) Anschrift: Martensstraße 1-3, 91058 Erlangen Tel.: +49.9131.85.27803 Fax: +49.9131.85.8781 E-Mail: [email protected]

Leitung: Dr.-Ing. Claus-Uwe Linster Dr.-Ing. Stefan Turowski ¨ Fuhrungen: Dr.-Ing. Stefan Turowski externe Beziehungen: Dr. rer. nat. Franz Wolf Mitarbeit: Arno E. F. Kletzander, Stud. HK. Vorstand: Dr.-Ing. Gerhard Hergenr¨oder Dr.-Ing. Claus-Uwe Linster Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder-Preikschat Dr.-Ing. Stefan Turowski Dr. rer. nat. Franz Wolf Die Informatik ist als Wissenschaft noch jung, hat sich in den letzten Jahrzehnten jedoch mit beispielloser Rasanz entwickelt – mit weitreichenden Auswirkungen auf beinahe jeden Bereich der Gesellschaft. Diese Dynamik des Fachgebietes spiegelt sich auch in der Geschichte der Informatik-Sammlung wider, und dies in mehrfacher Hinsicht: Aus der zunehmenden Bedeutung der EDV-Technologie ergab sich f¨ur die Universit¨at die Notwendigkeit, diese wissenschaftlich zu fundieren, was 1966 mit der Gr¨undung des ”Instituts f¨ur mathematische Maschinen und Datenverarbeitung” (IMMD), dem heutigen Department Informatik, geschah. Um f¨ur die Universit¨at die notwendige Rechenleistung bereitzustellen, erfolgte 1968 die Inbetriebnahme des Rechenzentrums (RZ), des heutigen ”Regionalen Rechenzentrums Erlangen” (RRZE). In beiden Einrichtungen f¨uhrte die rasche technologische Entwicklung zur Ausmusterung der bisherigen Rechenanlagen und damit verbunden zu dem Wunsch, sie als Zeugen einer sich wandelnden Welt zu erhalten. Mit der zunehmenden Miniaturisierung der technischen L¨osungen zeigte sich zudem das didaktische Potential der ”Vorv¨ater”, der noch gr¨ober gebauten – und dadurch sehr viel anschaulicheren – a¨ lteren Modelle. Im IMMD wie im RRZE wurden ausgediente Rechenanlagen oder deren Elemente aufbewahrt und die dazugeh¨origen Dokumente archiviert, in beiden 404

¨ Einrichtungen entstand das Vorhaben, der Offentlichkeit durch eine Schausammlung einen Einblick in den Wandel der Computertechnologie zu geben. 1997 schlossen sich die ”Informatik-Sammlung” des IMMD und das ”RRZE-Museum” zusammen zu ISER, der ”Informatik-Sammlung Erlangen”. Im Folgenden soll die Geschichte der Entstehung und Zusammenf¨uhrung dieser Objektbest¨ande nachgezeichnet werden.

¨ Informatik Sammlung im Institut fur Wolfgang H¨andler (Abb. 2), der ”Vater der Erlanger Informatik” und Mitbegr¨under dieses Fachgebiets in Deutschland, hatte bereits 1948 damit begonnen, Beschreibungen, Dokumente und Berichte u¨ ber die Entwicklung des Computerwesens zu sammeln. Als Mathematiker interessierte er sich u¨ berdies f¨ur historische mathematische Maschinen wie Astrolabien oder astronomische Uhren. W¨ahrend seiner T¨atigkeit als Mitarbeiter der Hauptabteilung Forschung der Zentraltechnik des Nordwestdeutschen Rundfunks in Hamburg bot sich ihm außerdem die Gelegenheit, f¨ur ausgedehnte Rechenarbeiten zu den Rechnern BESK (Stockholm) und G1, G2 (G¨ottingen) zu fahren, wo er weitere Dokumente f¨ur sein privates Informatik-Archiv akquirieren konnte.

405

1966 erhielt H¨andler den Ruf auf den neu gegr¨undeten Lehrstuhl f¨ur Datenverarbeitung in Erlangen und die damit verbundene Leitung des IMMD. 1976 bezog das Institut den Neubau in der Martensstraße, das heutige ”Wolfgang-H¨andler-Hochhaus”. Nun konnte H¨andler sich einen lange gehegten Wunsch erf¨ullen und seine bislang privat zusammengetragene Dokumentation erweitern. Auf Beschluss des Institutsvorstandes wurde noch im gleichen Jahr das ”Informatik-Archiv” ins Leben gerufen und damit einer der beiden Grundsteine f¨ur die heutige ISER gelegt. Das Archiv sollte der wissenschaftsgeschichtlichen Forschung und der Lehre gleichermaßen dienen. Seine Aufgaben bestanden in der Erschließung und Vervollst¨andigung des bereits gesammelten Materials sowie dem ¨ Aufbau einer Sammlung. Diese sollte einen m¨oglichst l¨uckenlosen Uberblick u¨ ber die Entwicklungsgeschichte der Rechenger¨ate geben – von den fr¨uhen mechanischen Rechenmaschinen und mathematischen Instrumenten bis zu den modernen Technologien elektronischer Datenverarbeitungsanlagen. In den Folgejahren erwarb Wolfgang Hohl, ein Mitarbeiter H¨andlers, zahlreiche Objekte f¨ur das Informatik-Archiv, die in der Industrie nicht mehr ben¨otigt wurden. Zudem war das mathematische Praktikum bereits auf Großrechner und Dialogterminals umgestiegen, so dass 1977 die (elektro-)mechanischen Rechenmaschinen und analogen Instrumente des Mathematischen Instituts als Dauerleihgaben u¨ bernommen werden konnten, darunter die historische Staffelwalzen-Rechenmaschine Arithmom`etre von 1868 sowie einige Planimeter, die zur mechanischen Ermittlung von Fl¨acheninhalten dienen.

Die erste Dauerausstellung wurde 1978 realisiert. Zwei Vitrinen im zweiten Stock des Informatik-Hochhauses und eine weitere im H¨orsaalgeb¨aude zeigten ”Mechanische Digitalrechenmaschinen und Mechanische Analogrechner” sowie die ”Entwicklungsgeschichte vom Abakus zu integrierten Schaltkreisen”. Dies blieb f¨ur lange Zeit die einzige o¨ ffentlich zug¨angliche Pr¨asentation der Sammlungsobjekte. Eine Ausnahme bildete 406

die kleine Ausstellung ”Vom Abakus zu integrierten Schaltungen”, die H¨andler 1982 in den Schaufenstern der Dresdner Bank am Schlossplatz zeigte, und durch die erstmals auch ein gr¨oßeres Publikum die historischen Rechenmaschinen zu sehen bekam. Die Sammlung des Informatik-Archivs wuchs im Lauf der Jahre stark an. Die weitaus meisten St¨ucke gingen ihr dabei als Schenkung zu. Eine Rekonstruktion der Schickard’schen Rechenmaschine von 1623 hingegen wurde f¨ur 6.000 DM angekauft. Ihr Rekonstrukteur, Baron von Freytag L¨oringhoff, stellte die Maschine im InformatikKolloquium pers¨onlich vor. Da im ”Informatik- Archiv” die zusammengetragenen Objekte die archivalischen Quellen bald schon u¨ berwogen, entschloss man sich 1981 dazu, es in ”Informatik-Sammlung” umzubenennen. Im Folgejahr legte Hohl einen Katalog vor, in dem er den Sammlungsbestand systematisch erfasste und mit historischen Erl¨auterungen versah.1 H¨andler bezog aus der wachsenden Sammlung immer wieder Anschauungsmaterial f¨ur seine Vorlesungen, in denen er sich der Geschichte der mathematischen Instrumente und Maschinen widmete. Aber auch in Ver¨offentlichungen und Vortr¨agen nutzte er die Sammlung regelm¨aßig zur Erforschung der historischen Spuren der Informatik, wie auch die Jahresberichte des IMMD von 1976 bis 1993 belegen.2 Auf Wunsch des Vorstands des IMMD betreute H¨andler die Informatik-Sammlung auch nach seiner 1986 erfolgten Emeritierung bis 1997 weiter. Durch die fortgesetzte Eingliederung auch gr¨oßerer Ger¨ate ergab sich eine immer dr¨angendere Raumnot. Um den teilweise ausgesprochen wertvollen Exponaten einen ¨ angemessenen Raum zu verschaffen und sie der Offentlichkeit besser zug¨anglich zu machen als bisher, plante der Vorstand des IMMD 1990, den ungenutzten Innenhof im 2. Stock des Informatik-Hochhauses zu u¨ berdachen. Obwohl hierzu seitens des Universit¨atsbauamtes bereits erste Entw¨urfe vorlagen, konnte die Idee wegen fehlender Haus¨ haltsmittel nie realisiert werden. Auch die 1994 angestellte Uberlegung, einen Freundeskreis ”Informatik-Geschichte e.V.” zu gr¨unden, um gegebenenfalls Spendenmittel einwerben zu k¨onnen, verlief letztlich im Sande. Da die Informatik-Sammlung weiterhin u¨ ber keine eigenen Ausstellungsm¨oglichkeiten verf¨ugte, musste man sich auf die Pr¨asentation in externen R¨aumen beschr¨anken. Beispielsweise waren ausgew¨ahlte Objekte zum Thema ”2000 Jahre Computer – Von den Urspr¨ungen des Rechnens (Antikythera) bis zur aktuellen Forschung am IMMD (Leistungssteigerung durch Parallelit¨at)” 1992/93 im Foyer des Schlosses und in den Schaufenstern der Dresdner Bank zu sehen.3 Sammlung im Rechenzentrum Im Vergleich mit anderen deutschen Hochschulen wurde das Rechenzentrum der FAU erst relativ sp¨at eingerichtet, n¨amlich im Jahre 1968 mit der Inbetriebnahme der Rechenanlage Control Data 3300 (CD 3300). Die Leitung des RZ lag in den H¨anden des Mathematikers Franz Wolf, einem Sch¨uler H¨andlers. Die Anlage wurde vor¨ubergehend im 407

Philosophiegeb¨aude (Bismarckstr. 1) installiert und arbeitete zun¨achst im reinen Stapelbetrieb: Die Benutzer gaben ihre Rechenauftr¨age als Lochkartenstapel ab und erhielten nach Stunden die Ergebnislisten vom Schnelldrucker wieder zur¨uck. Da die Datenverarbeitung hinter verschlossenen T¨uren geschah, sahen die Benutzer den Computer nicht. Erst nach dem 1971 erfolgten Umzug des Rechenzentrums ins S¨udgel¨ande gab eine Glasscheibe den Blick auf den Computer frei. Aufgrund des regen Interesses wurden f¨ur Einzelpersonen und kleinere Gruppen von Anfang an F¨uhrungen durch das Rechenzentrum angeboten, etwa im Rahmen von Lehrveranstaltungen, Tagungen oder am Tag der offenen T¨ur. Die ersten Jahre des Rechenzentrums waren gepr¨agt von raschem Wachstum. Zwar gab es alsbald auch hier Platzprobleme, doch kam mangels ”alter Ger¨ate” noch kein Gedanke an eine eigene Sammlungsaktivit¨at auf. Dies a¨ nderte sich 1976 mit der Erweiterung zum Regionalen Rechenzentrum Erlangen. Einerseits brachte der Umzug des IMMD in das neue Hochhaus in der Martensstraße erheblichen Raumgewinn f¨ur das RRZE, andererseits ergab sich die Frage, was mit der in die Jahre gekommenen, aber stets sorgsam gepflegten Rechenanlage CD 3300 geschehen sollte, der nun die Verschrottung drohte. Dem Leiter des Rechenzentrums gelang es in letzter Minute, wenigstens Teile der bei ihren Nutzern so gesch¨atzten Anlage als Anschauungsmaterial f¨ur die Entwicklung der Computertechnologie zu retten. Die damals geborgenen Elemente – Kernspeicherschrank, Konsole, Magnetbandger¨at, zwei Wechselplattenlaufwerke mit Steuereinheit sowie elektronische Baugruppen und Drucktechnik – bildeten somit den Grundstock des sp¨ateren ”RRZE- Museums”. Seither bem¨uhte man sich im Rechenzentrum darum, eine Sammlung ausgedienter Ger¨ate aufzubauen und bei F¨uhrungen zu zeigen. Dennoch wurden aus heutiger Sicht viel zu viele der sperrigen Ger¨ate aus Platzgr¨unden verschrottet. Denn an eigenen Sammlungsr¨aumen mangelte es nach wie vor. Die Unterbringungsm¨oglichkeiten besser¨ in den 1980er Jahren die nun ten sich ein wenig, als mit dem Ende der Lochkarten-Ara funktionslos gewordenen, fest eingebauten Lochkartenschr¨anke im Benutzerbereich f¨ur die Aufbewahrung von Sammlungsobjekten genutzt werden konnten. Hier wurden vor allem Bauteile und Baugruppen von Rechenanlagen untergebracht. Zeitgleich begann man mit der Katalogisierung und Inventarisierung der Sammlung auf Basis von Karteikarten. Um eine geeignete Pr¨asentationsm¨oglichkeit zu schaffen, bauten Mitarbeiter des Rechenzentrums in Eigenregie 19”-Schr¨anke um, die 1990 als erste Sammlungsvitrinen im Benutzerbereich des Rechenzentrums aufgestellt wurden. Drei Jahre sp¨ater feierte die Universit¨at ihr 250-j¨ahriges Gr¨undungsjubil¨aum. Das Rechenzentrum konnte damals auf eine gerade einmal 25-j¨ahrige Geschichte zur¨uckblicken – und tat dies unter anderem mit der Ausstellung ”Von der CD 3300 zu vernetzten PCs”. Bei der Vorbereitung wurde einmal mehr deutlich, dass die Geschichte des Rechenzentrums nicht ohne die Geschichte der Informatik erz¨ahlt werden kann, und diese nicht ohne ihre Vorgeschichte, wie sie sich beispielsweise in a¨ lteren mechanischen Rechenmaschinen 408

dokumentiert – in Objekten also, die der Sammlung des Rechenzentrums fehlten, f¨ur ¨ einen umfassenden historischen Uberblick aber unverzichtbar waren. Die Informatik-Sammlung Erlangen (ISER) Die 1990er Jahre brachten das Ende des zentralen Druckoutputs. Dies betraf vor allem den Formulardruck f¨ur den Klinikbereich, der bislang zu den Aufgaben des RRZE geh¨ort hatte. Damit wurde ein Teil des ehemaligen Papierlagers frei, in dem eine gr¨oßere Zahl von Sammlungsobjekten untergebracht werden konnte. Als H¨andler vergeblich einen Nachfolger suchte und deshalb 1996 die Zusammenlegung der beiden Sammlungen anregte, die damals u¨ ber jeweils rund 300 Objekte verf¨ugten, begegnete die Leitung des Rechenzentrums diesem Vorschlag sehr wohlwollend. Die Vorst¨ande von IMMD und RRZE kl¨arten zun¨achst die anstehenden organisatorischen Fragen und legten in einer gemeinsamen Unterst¨utzungserkl¨arung die Zielvorstellungen und die erforderliche Ausstattung fest. Damit stand der Vereinigung der beiden Sammlungen nichts mehr im Wege. Im Juli 1997 wurde die ”Informatik-Sammlung Erlangen” (ISER) aus der Taufe gehoben. Der Sammlungsvorstand konstituierte sich, wie in der gemeinsamen Erkl¨arung vereinbart, aus einem Vorstandsmitglied von Informatik (Wolfgang H¨andler) und RRZE (Ulrich Herzog) sowie dem Leiter des RRZE (Franz Wolf). Auf der ersten Vorstandssitzung im Oktober 1997 setzte sich der Vorstand zum Ziel, reale und virtuelle Ausstellungen unter besonderer Ber¨ucksichtigung regionaler Aspekte durchzuf¨uhren sowie die Pr¨asentation der Sammlung anhand von Meilensteinen der Informatik-Geschichte zu betreiben. Zudem wurde ein Katalogisierungs- und Klassifikationsschema festgelegt, das auf Basis eines elektronischen Katalogs verwirklicht werden sollte. Zun¨achst allerdings mit einer separaten Inventarisierung, um beide Einrichtungen bei einem eventuellen Scheitern der Vereinigung wieder trennen zu k¨onnen. Mit der offiziellen Er¨offnung der ISER im Jahre 2000 wurde die Parallelf¨uhrung im Katalog schließlich beseitigt. Dank der schon laufenden Vorbereitungen konnte f¨ur die Arbeiten am elektronischen Katalog eine ABM-Kraft eingestellt werden. Studentische Hilfskr¨afte legten eine Datenbank mit bebilderten Katalogbl¨attern aller Objekte an, die u¨ ber die ISER-Homepage abrufbar war und Anfang 1998 durch eine Suchfunktion erg¨anzt wurde. Seither wurde der Internet-Auftritt der Sammlung (www.iser.uni-erlangen.de) mehrfach modifiziert und erweitert, so dass inzwischen ein virtueller Ausstellungsbesuch der ISER m¨oglich ist. Im Jahr 2006 konnte man im Internet 78.000 Besucher verzeichnen. Als Logo hat sich die Sammlung ein Symbol gew¨ahlt, das zugleich dem ”Vater der Erlanger Informatik” ein Denkmal setzt: den H¨andler’schen Kreisgraph. H¨andler verstarb im Februar 1998, hat aber noch erleben d¨urfen, dass es mit der Informatik-Sammlung stetig voranging. Im Eingangsbereich des InformatikHochhauses wurden neue Vitrinen aufgestellt und mit historischen Rechenhilfen und elektro-mechanischen Rechenmaschinen best¨uckt. In den G¨angen im 1. Stock des 409

RRZE-Geb¨audes zeigen Vitrinen die Entwicklung der Computertechnologie sowie aktuelle Forschungsarbeiten. Ende 1999 trat Franz Wolf, der bisherige Leiter des RRZE, in den Ruhestand. Um ihn f¨ur die Sammlung nicht zu verlieren, ernannte der Kanzler der Universit¨at ihn zum ehrenamtlichen Direktor der Informatiksammlung. Am Tag der Informatik 2000 wurde die ”Informatiksammlung Erlangen” schließlich offiziell er¨offnet, was die lokale Presse zu einer Schlagzeile auf der Titelseite veranlasste.4 Im Jahr 2006 u¨ bergab Wolf die Leitung der ISER an Claus-Uwe Linster, den bisherigen Gesch¨aftsf¨uhrer der Informatik und langj¨ahrigen Mitarbeiter am Lehrstuhl f¨ur Betriebssysteme. Seit Gr¨undung der ISER nutzt die Sammlungsleitung konsequent alle M¨oglichkeiten, innerhalb und außerhalb der Universit¨at die spannenden Geschichten zu Geh¨or zu bringen, die sich mit den historischen Ger¨atschaften erz¨ahlen lassen. Dazu geh¨oren Beitr¨age in den Jahresberichten des RRZE und des Instituts f¨ur Informatik5 ebenso wie die Kolumne ”Fundst¨ucke aus der ISER” 6 und Berichte u¨ ber ISER-Aktivit¨aten7 in den Benutzerinformationen des RRZE. Zum 1000-j¨ahrigen Stadtjubil¨aum 2002 nahm ISER mit der Aktion ”Rechnen wie die Vorv¨ater” am Unifestival auf dem Schlossplatz teil, im Herbst des Folgejahres beteiligte sie sich mit dem Modul ”Der Computer hat unsere Welt ver¨andert” an der Ausstellung ”Appetithappen aus Erlanger Wissenschaftsund Technik-Sammlungen” im ”Museumswinkel”. Regelm¨aßige F¨uhrungsangebote und Vortr¨age runden diese Aktivit¨aten ab. Zu den großen Problemen der Informatik-Sammlung geh¨oren, wie f¨ur viele andere Universit¨atssammlungen auch, die Ausstellungs- und Lagerfl¨achen, derer es eigentlich bed¨urfte, um die Best¨ande angemessen zu zeigen und unterbringen zu k¨onnen. Zwar konnten durch den strukturellen Wandel von zentralen Großrechnern zu vernetzten Systemen gewisse Freir¨aume f¨ur die Sammlung gewonnen werden, aber neue Dienstleistungen des RRZE wie etwa die Einrichtung eines MultiMediaZentrums (Uni-TV, elearning) erfordern immer wieder neue Arbeitsr¨aume. Die Informatik-Sammlung versucht, die rasante Entwicklung einer Technologie vor Augen zu f¨uhren, die unser Leben grundlegend ver¨andert hat. Zugleich richtet sie den Blick aber auch zur¨uck in die Kulturgeschichte, auf die Wurzeln ihrer Disziplin. So ergibt sich beim Besuch der ISER stets eine doppelte zeitliche Perspektive: Einerseits enth¨alt die Sammlung Exponate wie den Nachguss eines r¨omischen Handabakus aus dem 1. Jh. n. Chr. oder die Rekonstruktion der Schickard’schen Rechenmaschine von 1623; andererseits dokumentiert sie die Innovationsprozesse der j¨ungsten Zeit anhand historisch bedeutender Objekte wie dem ersten elektronischen Minirechner (Tischrechner von Control Data, 1960), Teilen der ersten Anlage des Erlanger Rechenzentrums (Control Data 3300, 1968) oder dem topologischen Modell des Multiprozessors EGPA (Erlangen General Purpose Array, 1976). Durch den zweifachen Blick tr¨agt sie dazu bei, die Gegenwart zu verstehen und ihr gleichzeitig historische Tiefe zu verleihen. 410

F¨ur die Zukunft der st¨andig wachsenden Sammlung stellen sich indes einige Fragen: Soll nur Hardware gesammelt werden, oder auch Software? Wie kann letztere erfahrbar gemacht werden? Sollen alte Rechner und Ger¨ate lauff¨ahig gehalten werden, und ist dies mit vertretbarem Aufwand u¨ berhaupt zu erreichen? Und die zentrale Frage: Lassen sich geeignete Depot- und Ausstellungsfl¨achen f¨ur den weiter anwachsenden Sammlungsbestand finden? So steht zu hoffen, dass der geplante Neubau f¨ur Mathematik und Informatik mit Verkehrsfl¨achen ausgestattet wird, die eine großz¨ugige Aufstellung von Vitrinen erlauben. F¨ur die Geschichte der Informatik kann es wohl keinen besseren Platz geben als einen Ort, an dem die Gegenwart der Informatik gelehrt und die Zukunft der Informatik gedacht wird. (1) Hohl, Wolfgang: Informatik-Sammlung. Katalog mit historischen Erl¨auterungen. Erlangen 1982 (Arbeitsberichte des IMMD 15, Nr. 7). (2) H¨andlers Jahresberichte zum Informatik-Archiv bzw. zur Informatik-Sammlung finden sich in den Jahrg¨angen 1976-1993 der ”Jahresberichte der Informatik”, publiziert in den ”Arbeitsberichten des IMMD”, Bd. 9-26. (3) Vgl. zu dieser Thematik auch H¨andler, Wolfgang: Rechner von A bis Z – von Antikythera bis Zuse, in: InformatikSpektrum 3 (1980), S. 105-112. (4) N¨urnberger Nachrichten: Museum f¨ur Rechner – Die Informatik-Sammlung Erlangen (ISER) wird er¨offnet. (5) 411

Jahresberichte der ISER erschienen als Teil der ”Jahresberichte des RRZE” im ”Mitteilungsblatt des RRZE” 76 (2000), 78 (2001)-82 (2005) sowie in den ”Arbeitsberichten des Instituts f¨ur Informatik” 33/4, 34/18, 35/7, 36/8, 37/7, 38/5. (6) Hier eine Auswahl aus der Kolumne ”Fundst¨ucke aus der ISER” in den Benutzerinformationen (BI) des RRZE: Wolf, Franz: Der Abakus, in: BI 66 (2001), S. 46f.; ders.: Das Arithmom`etre von 1870, in: BI 68 (2002), S. 34f.; ders.: Magnetplatte TSP500, in: BI 70 (2003), S. 45f.; ders.: B¨urocomputer Olivetti P203, in: BI 71 (2004). S. 37f. (7) Wolf, Franz: Unifestival 2002: Rechnen wie die Vorv¨ater, in: BI 68 (2002), S. 5; ders.: Ausstellung im Museumswinkel – Appetithappen aus Erlanger Wissenschaftsund Techniksammlungen: Der Computer hat unsere Welt ver¨andert, in: BI 71 (2004), S. 38.

Arbeitsberichte des Departments Informatik 1999 2007

In letzter Zeit sind folgende Arbeitsberichte des Instituts f¨ur Informatik erschienen:

Band 32 Nr. 1

Nr. 25

Nr. 3

Katoen, Joost-Pieter: Concepts, Algorithms, and Tools for Model Checking (Juni 1999) Stein, Katrin: Integration von Anwendungsprozeßmodellierung und WorkflowManagement (Juli 1999) Geiger-Hilk, Ralph: Kommunikationsplanung in busgekoppelten Mehrrechnersystemen (Juli 1999) 412

Nr. 4

Koppe, Christoph: Systemintegration des User-Level-Scheduling – Betriebssystemdienste zur Unterst¨utzung der parallelen Programmierung (Juli 1999)

Nr. 5

Riechmann, Thomas: Sicherheit in verteilten, objektorientierten Systemen (Juli 1999)

Nr. 6

Reitzner, Stephan: Koordinierung in nebenl¨aufigen, objektorientierten Systemen (August 1999)

Nr. 7

Hermanns, Holger: Interactive Markov Chains (September 1999)

Nr. 8

Hastreiter, Peter: Registrierung und Visualisierung medizinischer Bilddaten unterschiedlicher Modalit¨aten (September 1999)

Nr. 9

Teitzel, Christian: Adaptive Methods and Hierarchical Data Structures for Interactive Three-Dimensional Flow Visualization (September 1999)

Nr. 10

Heinl, Petra: Entwicklung und Einsatz eines Qualit¨atsmodells f¨ur WorkflowManagement-Anwendungen (September 1999)

Nr. 11

Lotter, Norbert: System Integration in the Design Process of the Manufacturing Industry based on OMG and ISO Standards (September 1999)

Nr. 12

Teschke, Michael: Datenkonsistenz in Data Warehouse Systemen (November 1999)

Nr. 13

Allmaier, Susann: Parallele L¨osungen f¨ur stochastische Modellierung (Dezember 1999) 413

Nr. 14

Jahresbericht 1999 der Informatik (M¨arz 2000)

Band 33 Nr. 1

Weigand, Ulrich: Zur deskriptiven Komplexit¨at von monadischen Logiken der zweiten Stufe (Februar 2000)

Nr. 2

Lemmen, Frank: Spezifikationsgesteuertes Monitoring zur Integration der Leistungsbewertung in den formalen Entwurf von Kommunikationssystemen (Februar 2000)

Nr. 3

Buchacker, Kerstin: Definition und Auswertung erweiterter Fehlerb¨aume f¨ur die Zuverl¨assigkeitsanalyse technischer Systeme (Juli 2000)

Nr. 4

Jahresbericht 2000 der Informatik (M¨arz 2001)

Band 34 Nr. 1

Albrecht, Jens: Anfrageoptimierung in Data-Warehouse-Systemen auf Grundlage des multidimensionalen Datenmodells (Januar 2001)

Nr. 2

Hodek, Roman: Synchronisation von Dateib¨aumen mit Hilfe von Graphtransformationssystemen (Januar 2001)

Nr. 3

Jablonski, Stefan (Hrsg.): Von der Anwenderanalyse zu ersten Systemkonzepten f¨ur WorkflowManagement-L¨osungen Bericht des Transferbereichs 21 Operationales Prozess- und Datenmanagement f¨ur Großprojekte im ” Anlagenbereich“ (Januar 2001) 414

Nr. 4

Meier, Erich: Administrative Skalierbarkeit verteilter Systeme (Februar 2001)

Nr. 5

Lehner, Wolfgang (Hrsg.): Advanced Techniques in Personalized Information Delivery (Februar 2001)

Nr. 6

Steckermeier, Martin: Virtuelle, private Rechner — Eine Software-Architektur f¨ur verteilte Anwendungen (April 2001)

Nr. 7

Geier, Martin: Fragmentierte Objekte f¨ur die Implementierung mobiler Agenten (April 2001)

Nr. 8

G¨unzel, Holger: Darstellung von Ver¨anderungen im multidimensionalen Datenmodell (Juni 2001)

Nr. 9

Greiner, Stefan: Modeling and Analysis of Operating Systems Using Extended QN Techniques and Petri Nets (Juni 2001)

Nr. 10

Christ, Volko: Visualisierung quantitativer Markterfolgsdaten – M¨oglichkeiten und Grenzen der automatisierten Erstellung von Pr¨asentationen im Marktforschungsbereich (Juni 2001)

Nr. 11

Schr¨oder, Michael: Automatische Objekt- und Threadverteilung in einer virtuellen Maschine (Juli 2001)

Nr. 12

Schamburger, Ralf: Integrierte Betrachtung von Anwendungen und Systemen zur verteilten Workflow-Bearbeitung (August 2001)

Nr. 13

German, Reinhard; L¨uthi, Johannes; Telek, Mikl´os (Eds.): Proceedings of the Fifth International Workshop on Performability 415

Modeling of Computer and Communication Systems, September 1516, 2001, Erlangen (September 2001) Nr. 14

Dalibor, Stefan: Erstellung von Testpl¨anen f¨ur verteilte Systeme durch stochastische Modellierung (September 2001)

Nr. 15

Paulus, Dietrich; Denzler, Joachim (Hrsg.): Siebter Workshop Farbbildverarbeitung 4. – 5. Oktober 2001, Erlangen (Oktober 2001)

Nr. 16

Volle, Victor: Verteilte Konfigurationsverwaltung im Kontext des Software Engineering Prozesses (Oktober 2001)

Nr. 17

Rosewitz, Martin: PBK-Editor — Ein Werkzeug zur Erstellung von WWW-gest¨utzten Produktberatungskomponenten (Oktober 2001)

Nr. 18

Jahresbericht 2001 der Informatik (M¨arz 2002)

Band 35 Nr. 1

Billing, Gunnar: Integrierte Hardware- und Softwareplanung flexibler Fertigungssysteme (M¨arz 2002)

Nr. 2

Haworth, Brigid: Structural Coverage Criteria for Testing Object-Oriented Software (M¨arz 2002)

Nr. 3

D¨orfel, Matthias; Dulz, Winfried; Herzog, Ulrich; Hofmann, Richard; Kerber, Lennard; Mitschele-Thiel, Andreas; M¨unzenberger, Ralf; Spitz, Simone; Slomka, Frank: Methodology and Tools for the Development of Optimized Real-time 416

Systems with SDL/MSC and VHDL (September 2002) Nr. 4

Schlesinger, Lutz; H¨ummer, Wolfgang; Bauer, Andreas (Hrsg.): Heterogene Informationssysteme (September 2002)

Nr. 5

Rezk-Salama, Christof: Volume Rendering Techniques for General Purpose Graphics Hardware (September 2002)

Nr. 6

Hilgers, Ursula: Dienstg¨uteunterst¨utzung in Weitverkehrsnetzen (Dezember 2002)

Nr. 7

Jahresbericht 2002 der Informatik (M¨arz 2003)

Band 36 Nr. 1

Kokai, Dr.-Ing. G.: Erfolge und Probleme evolution¨arer Algorithmen, induktiver logischer Programmierung und ihrer Kombination (Mai 2003)

Nr. 2

Horn, Stefan: Die schemabasierte Modellierung und Steuerung von Projektvorg¨angen (Mai 2003)

Nr. 3

Kipfer, Peter: Distribution and Parallelization Strategies for Integrated Simulation, Visualization, and Rendering Systems (Mai 2003)

Nr. 4

Dreßler, Falko Monitoring of Multicast Networks for Time-Synchronous Communication (Mai 2003)

417

Nr. 5

Gr¨obner, Matthias: Ein Modell zur Beschreibung und L¨osung von Zeitplanungsproblemen (Juli 2003)

Nr. 6

Michael Golm: The Structure of a Type-Safe Operating System (August 2003)

Nr. 7

Becker, Ulrich: Verteilung von objektorientierten Anwendungen auf der Basis des Entwurfs-Modells (September 2003)

Nr. 8

Bauer, Andreas: Datenallokation und Anfrageoptimierung in verteilten, f¨oderierten Data-Warehouse-Systemen (November 2003)

Nr. 9

Jahresbericht 2003 der Informatik (Nur in elektronischer Form) (M¨arz 2004)

Band 37 Nr. 1

Meyer-Kayser, Joachim: Automatische Verifikation stochastischer Systeme (Januar 2004)

Nr. 2

Lejmi, Habib: Verbindung von Electronic Commerce und Logistik u¨ ber virtuelle B2B-Marktpl¨atze (Juli 2004)

Nr. 3

Bradl, Peter: Einsatz von System Dynamics in der strategischen Unternehmensplanung – Prototypische Implementierungen unter besonderer Ber¨ucksichtigung der Erfordernisse von Zu- und Abgangssystemen (August 2004)

Nr. 4

Zinn, Claus: Understanding Informal Mathematical Discourse (September 2004) 418

Nr. 5

Rastofer, Uwe: Modeling Component- Based Embedded Real-Time Systems (Dezember 2004)

Nr. 6

Mohr, Marcus: Simulation of Bioelectric Fields: The Forward and Inverse Problem of Electro-encephalographic Source Analysis (Dezember 2004)

Nr. 7

Jahresbericht 2004 der Informatik (Nur in elektronischer Form) (M¨arz 2005)

Band 38 Nr. 1

Vogelgsang, Christian: The lgf3 Project: (lumigraph framework version 3). A Versatile Implementation Framework for Image-Based Modeling and Rendering (Mai 2005)

Nr. 2

Schnitzer, Bernd: Sicherheitsbewertung verteilter komponentenbasierter Programmsysteme (Juli 2005)

Nr. 3

Mertens, Peter; Große-Wilde, J¨orn; Wilkens, Ingrid: Die (Aus-)Wanderung der Softwareproduktion. Eine Zwischenbilanz (Juli 2005)

Nr. 4

Barner, J¨org: A Lightweight Formal Method for the Prediction of Non-Functional System Properties (Oktober 2005)

Nr. 5

Jahresbericht 2005 der Informatik (Nur in elektronischer Form) (Juli 2006)

Band 39 Nr. 1

Dachsbacher, Carsten: Interactive Terrain Rendering: Towards Realism with Procedural Models and Graphics Hardware (April 2006) 419

Nr. 2

Essafi, Lassaad: Performance Analysis of Time Dependent Priorities and Application to Differentiated Services and Call Centers (Leistungsanalyse zeitabh¨angiger Priorit¨aten und ihre Anwendung bei Differentiated Services und Call Centern) (April 2006)

Nr. 3

Ittner, Jan: Software-Assisted Tailoring of Process Descriptions (Softwaregest¨utztes Anpassen von Prozessbeschreibungen) (April 2006)

Nr. 4

Klein, Arno: Methoden zur effizienten Produktion und Verwendung von videomedialen Lernmodulen (Mai 2006)

Nr. 5

Weißel, Andreas: Operating System Services for Task-Specific Power Management (Dezember 2006)

Band 40 Nr. 1

Truchat, S´ebastien: Rekonfiguration von mobilen autonomen Diensten in heterogener Umgebung (Januar 2007)

Nr. 2

Oster, Norbert: Automatische Generierung optimaler struktureller Testdaten f¨ur objekt-orientierte Software mittels multi-objektiver Metaheuristiken (Februar 2007)

Nr. 3

Gilani, Wasif: A Family-Based Dynamic Aspect Weaver (Mai 2007)

Nr. 4

Stefan Kubica: Variantenmanagement modellbasierter Software-Produktlinien (Juli 2007)

420

Funktionssoftware

mit

Nr. 5

Wolfgang Frieß: Integration von konfigurierbaren Softwaremodulen in eingebettete Systeme (August 2007)

Nr. 6

Dorit Merhof: Reconstruction and Visualization of Neuronal Pathways from Diffusion Tensor Data (Oktober 2007)

Nr. 7

R¨udiger Kapitza: Providing Decentralised Adaptive Services (November 2007)

Nr. 8

Jahresbericht 2006/2007 der Informatik (Nur in elektronischer Form) (Juni 2008)

Band 41 Nr. 1

Jahresbericht 2008 der Informatik (Nur in elektronischer Form) (April 2009)

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