Event-Driven Technologies for Reactive Motion Planning: Neuromorphic Stereo Vision and Robot Path Planning and Their Application on Parallel Hardware

Die Robotik wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor des technischen Aufschwungs. Trotz beeindruckender Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, übertreffen Gehirne von Säugetieren in den Bereichen Sehen und Bewegungsplanung noch immer selbst die leistungsfähigsten Maschinen. Industrieroboter sind sehr schnell und präzise, aber ihre Planungsalgorithmen sind in hochdynamischen Umgebungen, wie sie für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erforderlich sind, nicht leistungsfähig genug. Ohne schnelle und adaptive Bewegungsplanung kann sichere MRK nicht garantiert werden. Neuromorphe Technologien, einschließlich visueller Sensoren und Hardware-Chips, arbeiten asynchron und verarbeiten so raum-zeitliche Informationen sehr effizient. Insbesondere ereignisbasierte visuelle Sensoren sind konventionellen, synchronen Kameras bei vielen Anwendungen bereits überlegen. Daher haben ereignisbasierte Methoden ein großes Potenzial, schnellere und energieeffizientere Algorithmen zur Bewegungssteuerung in der MRK zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur flexiblen reaktiven Bewegungssteuerung eines Roboterarms vorgestellt. Dabei wird die Exterozeption durch ereignisbasiertes Stereosehen erreicht und die Pfadplanung ist in einer neuronalen Repräsentation des Konfigurationsraums implementiert. Die Multiview-3D-Rekonstruktion wird durch eine qualitative Analyse in Simulation evaluiert und auf ein Stereo-System ereignisbasierter Kameras übertragen. Zur Evaluierung der reaktiven kollisionsfreien Online-Planung wird ein Demonstrator mit einem industriellen Roboter genutzt. Dieser wird auch für eine vergleichende Studie zu sample-basierten Planern verwendet. Ergänzt wird dies durch einen Benchmark von parallelen Hardwarelösungen wozu als Testszenario Bahnplanung in der Robotik gewählt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen neuronalen Lösungen einen effektiven Weg zur Realisierung einer Robotersteuerung für dynamische Szenarien darstellen. Diese Arbeit schafft eine Grundlage für neuronale Lösungen bei adaptiven Fertigungsprozesse, auch in Zusammenarbeit mit dem Menschen, ohne Einbußen bei Geschwindigkeit und Sicherheit. Damit ebnet sie den Weg für die Integration von dem Gehirn nachempfundener Hardware und Algorithmen in die Industrierobotik und MRK

Patterns in Motion - From the Detection of Primitives to Steering Animations

In recent decades, the world of technology has developed rapidly. Illustrative of this trend is the growing number of affrdable methods for recording new and bigger data sets. The resulting masses of multivariate and high-dimensional data represent a new challenge for research and industry. This thesis is dedicated to the development of novel methods for processing multivariate time series data, thus meeting this Data Science related challenge. This is done by introducing a range of different methods designed to deal with time series data. The variety of methods re ects the different requirements and the typical stage of data processing ranging from pre-processing to post- processing and data recycling. Many of the techniques introduced work in a general setting. However, various types of motion recordings of human and animal subjects were chosen as representatives of multi-variate time series. The different data modalities include Motion Capture data, accelerations, gyroscopes, electromyography, depth data (Kinect) and animated 3D-meshes. It is the goal of this thesis to provide a deeper understanding of working with multi-variate time series by taking the example of multi-variate motion data. However, in order to maintain an overview of the matter, the thesis follows a basic general pipeline. This pipeline was developed as a guideline for time series processing and is the first contribution of this work. Each part of the thesis represents one important stage of this pipeline which can be summarized under the topics segmentation, analysis and synthesis. Specific examples of different data modalities, processing requirements and methods to meet those are discussed in the chapters of the respective parts. One important contribution of this thesis is a novel method for temporal segmentation of motion data. It is based on the idea of self-similarities within motion data and is capable of unsupervised segmentation of range of motion data into distinct activities and motion primitives. The examples concerned with the analysis of multi-variate time series re ect the role of data analysis in different inter-disciplinary contexts and also the variety of requirements that comes with collaboration with other sciences. These requirements are directly connected to current challenges in data science. Finally, the problem of synthesis of multi-variate time series is discussed using a graph-based example and examples related to rigging or steering of meshes. Synthesis is an important stage in data processing because it creates new data from existing ones in a controlled way. This makes exploiting existing data sets and and access of more condensed data possible, thus providing feasible alternatives to otherwise time-consuming manual processing.Muster in Bewegung - Von der Erkennung von Primitiven zur Steuerung von Animationen In den letzten Jahrzehnten hat sich die Welt der Technologie rapide entwickelt. Beispielhaft für diese Entwicklung ist die wachsende Zahl erschwinglicher Methoden zum Aufzeichnen neuer und immer größerer Datenmengen. Die sich daraus ergebenden Massen multivariater und hochdimensionaler Daten stellen Forschung wie Industrie vor neuartige Probleme. Diese Arbeit ist der Entwicklung neuer Verfahren zur Verarbeitung multivariater Zeitreihen gewidmet und stellt sich damit einer großen Herausforderung, welche unmittelbar mit dem neuen Feld der sogenannten Data Science verbunden ist. In ihr werden ein Reihe von verschiedenen Verfahren zur Verarbeitung multivariater Zeitserien eingeführt. Die verschiedenen Verfahren gehen jeweils auf unterschiedliche Anforderungen und typische Stadien der Datenverarbeitung ein und reichen von Vorverarbeitung bis zur Nachverarbeitung und darüber hinaus zur Wiederverwertung. Viele der vorgestellten Techniken eignen sich zur Verarbeitung allgemeiner multivariater Zeitreihen. Allerdings wurden hier eine Anzahl verschiedenartiger Aufnahmen von menschlichen und tierischen Subjekte ausgewählt, welche als Vertreter für allgemeine multivariate Zeitreihen gelten können. Zu den unterschiedlichen Modalitäten der Aufnahmen gehören Motion Capture Daten, Beschleunigungen, Gyroskopdaten, Elektromyographie, Tiefenbilder ( Kinect ) und animierte 3D -Meshes. Es ist das Ziel dieser Arbeit, am Beispiel der multivariaten Bewegungsdaten ein tieferes Verstndnis für den Umgang mit multivariaten Zeitreihen zu vermitteln. Um jedoch einen Überblick ber die Materie zu wahren, folgt sie jedoch einer grundlegenden und allgemeinen Pipeline. Diese Pipeline wurde als Leitfaden für die Verarbeitung von Zeitreihen entwickelt und ist der erste Beitrag dieser Arbeit. Jeder weitere Teil der Arbeit behandelt eine von drei größeren Stationen in der Pipeline, welche sich unter unter die Themen Segmentierung, Analyse und Synthese eingliedern lassen. Beispiele verschiedener Datenmodalitäten und Anforderungen an ihre Verarbeitung erläutern die jeweiligen Verfahren. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist ein neuartiges Verfahren zur zeitlichen Segmentierung von Bewegungsdaten. Dieses basiert auf der Idee der Selbstähnlichkeit von Bewegungsdaten und ist in der Lage, verschiedenste Bewegungsdaten voll-automatisch in unterschiedliche Aktivitäten und Bewegungs-Primitive zu zerlegen. Die Beispiele fr die Analyse multivariater Zeitreihen spiegeln die Rolle der Datenanalyse in verschiedenen interdisziplinären Zusammenhänge besonders wider und illustrieren auch die Vielfalt der Anforderungen, die sich in interdisziplinären Kontexten auftun. Schließlich wird das Problem der Synthese multivariater Zeitreihen unter Verwendung eines graph-basierten und eines Steering Beispiels diskutiert. Synthese ist insofern ein wichtiger Schritt in der Datenverarbeitung, da sie es erlaubt, auf kontrollierte Art neue Daten aus vorhandenen zu erzeugen. Dies macht die Nutzung bestehender Datensätze und den Zugang zu dichteren Datenmodellen möglich, wodurch Alternativen zur ansonsten zeitaufwendigen manuellen Verarbeitung aufgezeigt werden

A Cross-linguistic Form and Meaning Priming Study on Mandarin Chinese Multilingual Speakers

Linguistics - Master's ThesisMAHF-LINGLING35

Pattern Recognition

A wealth of advanced pattern recognition algorithms are emerging from the interdiscipline between technologies of effective visual features and the human-brain cognition process. Effective visual features are made possible through the rapid developments in appropriate sensor equipments, novel filter designs, and viable information processing architectures. While the understanding of human-brain cognition process broadens the way in which the computer can perform pattern recognition tasks. The present book is intended to collect representative researches around the globe focusing on low-level vision, filter design, features and image descriptors, data mining and analysis, and biologically inspired algorithms. The 27 chapters coved in this book disclose recent advances and new ideas in promoting the techniques, technology and applications of pattern recognition

Traveling Salesman Problem

This book is a collection of current research in the application of evolutionary algorithms and other optimal algorithms to solving the TSP problem. It brings together researchers with applications in Artificial Immune Systems, Genetic Algorithms, Neural Networks and Differential Evolution Algorithm. Hybrid systems, like Fuzzy Maps, Chaotic Maps and Parallelized TSP are also presented. Most importantly, this book presents both theoretical as well as practical applications of TSP, which will be a vital tool for researchers and graduate entry students in the field of applied Mathematics, Computing Science and Engineering

Neurocomputational Methods for Autonomous Cognitive Control

Artificial Intelligence can be divided between symbolic and sub-symbolic methods, with neural networks making up a majority of the latter. Symbolic systems have the advantage when capabilities such as deduction and planning are required, while sub-symbolic ones are preferable for tasks requiring skills such as perception and generalization. One of the domains in which neural approaches tend to fare poorly is cognitive control: maintaining short-term memory, inhibiting distractions, and shifting attention. Our own biological neural networks are more than capable of these sorts of executive functions, but artificial neural networks struggle with them. This work explores the gap between the cognitive control that is possible with both symbolic AI systems and biological neural networks, but not with artificial neural networks. To do so, I identify a set of general-purpose, regional-level functions and interactions that are useful for cognitive control in large-scale neural architectures. My approach has three main pillars: a region-and-pathway architecture inspired by the human cerebral cortex and biologically-plausible Hebbian learning, neural regions that each serve as an attractor network able to learn sequences, and neural regions that not only learn to exchange information but also to modulate the functions of other regions. The resultant networks have behaviors based on their own memory contents rather than exclusively on their structure. Because they learn not just memories of the environment but also procedures for tasks, it is possible to "program" these neural networks with the desired behaviors. This research makes four primary contributions. First, the extension of Hopfield-like attractor networks from processing only fixed-point attractors to processing sequential ones. This is accomplished via the introduction of temporally asymmetric weights to Hopfield-like networks, a novel technique that I developed. Second, the combination of several such networks to create models capable of autonomously directing their own performance of cognitive control tasks. By learning procedural memories for a task they can perform in ways that match those of human subjects in key respects. Third, the extension of this approach to spatial domains, binding together visuospatial data to perform a complex memory task at the same level observed in humans and a comparable symbolic model. Finally, these new memories and learning procedures are integrated so that models can respond to feedback from the environment. This enables them to improve as they gain experience by refining their own internal representations of their instructions. These results establish that the use of regional networks, sequential attractor dynamics, and gated connections provide an effective way to accomplish the difficult task of neurally-based cognitive control

User identification system for inked fingerprint pattern based on central moments

The use of the fingerprint recognition has been and remains very important in many security applications and licensing systems. Fingerprint recognition is required in many areas such as licensing access to networks, corporate computers and organizations. In this paper, the system of fingerprint recognition that can be used in several cases of fingerprint such as being rounded at an angle by a randomly inked fingerprint on paper. So, fingerprint image is tooked at a different angle in order to identify the owner of the ink fingerprint. This method involves two working levels. The first one, the fingerprint pattern's shape features are calculated based on the central moments of each image being listed on a regular basis with three states rotation. Each image is rotated at a specified angle. In the second level, the fingerprint holder entered is identified using the previously extracted shape features and compared to the three local databases content of three rotation states. When applied the method for several persons by taken their inked fingerprint on the paper, the accuracy of the system in identifying the owner of the fingerprint after rotation states were close to 83.71