Forschung am Rande des paläographischen Zweifels: Die EDV-basierte Erfassung individueller Schriftzüge im Projekt DAmalS

Das Pilotprojekt DAmalS (Datenbank zur Authentifizierung mittelalterlicher Schreiberhände) hat es sich zum Ziel gesetzt, neue Kriterien zur Unterscheidung von Schreiberhänden in mittelalterlichen deutschsprachigen Handschriften aufzustellen und zuverlässigere Methoden und Werkzeuge für diese Aufgabe zu entwickeln. DAmalS beruht auf den drei Säulen einer elementgetreuen Basistransliteration in XML, computerbasierten graphetischen Analysen und einem neuartigen Verfahren der bildorientierten Mustererkennung. Diese Säulen sind in eine Datenbankstruktur integriert, welche sowohl die Archivierung als auch die technisch hochkomplexe Verarbeitung der Bildund Textdokumente leistet. Auf diese Weise bietet DAmalS eine Art Brille, durch die paläographische ExpertInnen bei ihrer Schriftbegutachtung unterstützt werden. In einer weiteren Ausbaustufe soll das Projekt DAmalS in ein neues Projekt namens MOSES (Musterorientiertes System zur Erfassung von Schriftindividualität) eingebettet werden, welches sich auf neuzeitliche und aktuelle handgeschriebene Materialien ausdehnen lässt, um dann z. B. auch für forensische Zwecke hilfreich zu sein

Konzeption eines kryogenen Penningfallenaufbaus für SHIPTRAP und Massenbestimmungen von Radionukliden um den Z = 82 - Schalenabschluss an ISOLTRAP

Mit den Penningfallen-Massenspektrometern SHIPTRAP/GSI und ISOLTRAP/CERN können präzise Massenbestimmungen von instabilen, exotischen Nukliden durchgeführt werden. Folgende Nachweismethoden werden vorgestellt: die destruktive Flugzeitmethode (TOF-ICR) und die zerstörungsfreie Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Methode (FT-ICR). An SHIPTRAP sind Experimente an transuranen Elementen geplant. Ihre niedrigen Erzeugungsraten stellen jedoch eine Limitierung für experimentelle Untersuchungen dar. Der empfindliche FT-ICR-Nachweis erlaubt eine Identifizierung der gespeicherten Ionen sowie die Massenbestimmung an einem einzelnen, einfach geladenen und schweren Ion. Ziel dieser Arbeit war es, ein solches System aufzubauen. Es besteht aus einer mit flüssigem Stickstoff gekühlten Vakuumapparatur in der Bohrung eines supraleitenden Magneten mit einem System aus zwei Penningfallen - Reinigungsfalle und Messfalle - und einem flüssig Helium-Dewar zum Betreiben einer supraleitenden Induktivität, die für den hochempfindlichen Nachweis notwendig ist. An ISOLTRAP erfolgt der Nachweis der resonanten Anregung der Zyklotronfrequenz mit der Flugzeitmethode. Es wurden die atomaren Massen der Radionuklide 145,147 Cs, 181,183,186m,187x,196m,205 Tl, 187,187m,197,208 Pb, 190-197,209,215,216 Bi, 203,205,229 Fr und 214,229,230 Ra experimentell bestimmt. Die relative Massenunsicherheit beträgt typischerweise einige 10E-8. Die Messergebnisse wurden in die Datentabelle der "Atomic Mass Evaluation" integriert und eine atomare Massenanpassung durchgeführt. Die Separationsenergien zeigen den erwarteten globalen Trend, allerdings werden bei den Thallium- und Quecksilberisotopen Abweichungen vom linearen Verlauf beobachtet. Diese können auf unerwartete Kernstruktureffekte hindeuten, wie sie auch in kern- und laserspektroskopischen Experimenten beobachtet wurden

Savingsbasierte Heuristik für die periodische Kundenbelieferung

Tourenplanungsproblem - grundsätzliche Belieferung Tabaktrafiken - grundsätzliches zu den Ergebnisse

Investigation of Whole Genomes in Families with Oligodontia: Identification of Pathogenic Variants and Analysis of Inheritance Patterns

Oligodontie ist eine angeborene Zahnanomalie, die durch das Fehlen von mindestens sechs bleibenden Zähnen (exklusive der Weisheitszähne) gekennzeichnet ist. In der vorliegenden Studie soll untersucht werden, ob eine vollständige Genomsequenzierung (WGS) dazu beitragen kann, die genetischen Hintergründe der Erkrankung zu entschlüsseln. Mit Genehmigung der Ethikkommission (EA2/197/20) wurden 11 Personen aus vier Familien mit Oligodontie in die Studie aufgenommen. Einschlusskriterien waren das Fehlen von sechs oder mehr bleibenden Zähnen (exklusive der Weisheitszähne) sowie ein Mindestalter von neun Jahren, um Spätanlagen auszuschließen. Es wurden zahnmedizinische Untersuchungen durchgeführt, um den Phänotyp zu erfassen. Hierzu zählten intra- und extraorale Inspektionen sowie röntgenologische und fotografische Dokumentationen. Für das WGS wurde den Teilnehmer*innen EDTA-Blut entnommen. Die Indexpatient*innen wurden sequenziert und die Daten nach seltenen, potenziell schädlichen Varianten gefiltert. Blutproben der Eltern wurden einer Segregationsanalyse durch gezielte Sanger-Sequenzierung, quantitative PCR oder Bruchpunkt-PCR unterzogen (Mitscherling et al. 2023). Die Kombination aus WGS und Segregationsanalyse ermöglicht es, anhand des Vererbungsmusters innerhalb der Familien, genetischen Varianten als mögliche Ursachen für Zahnanomalien zu evaluieren. In allen Familien konnten Varianten von Interesse identifiziert werden. WGS deckte relevante Punktmutationen und strukturelle Deletionen auf. Zwei Varianten von unklarer Bedeutung wurden identifiziert: eine Spleißvariante im PTH1R-Gen und eine 2,1 kb große Deletion im FGF7-Gen. Auch drei pathogene Mutationen wurden entdeckt: eine neuartige Frameshift-Mutation im letzten Exon des PITX2-Gens, eine unbekannte Deletion im PAX9-Gen und eine bekannte Nonsense-Variante im WNT10A-Gen (Mitscherling et al. 2023). Die FGF7-Variante trat bei einem Patienten auf, der auch die WNT10A-Variante trug. Mutationen im PITX2-Gen sind mit dem Axenfeld-Rieger-Syndrom 1 (ARS1) assoziiert, einer Erkrankung die primär durch pathologische Veränderungen des vorderen Augenabschnitts gekennzeichnet ist. Zusätzlich können kraniofaziale Dysmorphien und Zahnanomalien auftreten. Eine beobachtete PITX2-Frameshift-Mutation zeigte stark ausgeprägte Zahnanomalien, während okuläre Symptome variabel waren. Diese Abweichung erweitert das Verständnis darüber, wie Mutationen im PITX2-Gen zu verschiedenen Symptomen führen. In der vorliegenden Studie wurde nur eine kleine Kohorte untersucht. Die gefundenen Ergebnisse deuten zwar darauf hin, dass die Oligodontie eine mono- und digene Ursache hat, jedoch ist es unerlässlich, weiterführende Forschungen an größeren Kohorten von Familien mit Zahnanomalien durchzuführen. Das WGS ist dafür eine geeignete Methode, da sie kleine aber komplexe Struktuvarianten erfassen kann. Eine standardisierte Anwendung könnte präzise Diagnosen ermöglichen und die Patientenversorgung sowie Therapien verbessern.Oligodontia is a congenital dental anomaly characterized by the absence of at least six permanent teeth (excluding wisdom teeth). This study aims to investigate whether whole genome sequencing (WGS) can help elucidate the genetic background of the disease. With the approval of the ethics committee (EA2/197/20), 11 individuals from four families affected by oligodontia were included in the study. The inclusion criteria were the absence of six or more permanent teeth (excluding wisdom teeth) and a minimum age of nine years to rule out late development. Comprehensive dental examinations were conducted to assess the phenotype, including intraoral and extraoral inspections, as well as radiographic and photographic documentation. EDTA blood samples were collected from participants for WGS. The index patients underwent sequencing, and the data were filtered for rare, potentially deleterious variants. Parental blood samples were subjected to segregation analysis using targeted Sanger sequencing, quantitative PCR, or breakpoint PCR (Mitscherling et al., 2023). The combination of WGS and segregation analysis enables the evaluation of genetic variants as potential causes of dental anomalies based on the inheritance patterns within families. Variants of interest were identified in all four families. WGS revealed significant point mutations and structural deletions. Two variants of uncertain clinical significance were identified: a splice variant in the PTH1R gene and a 2.1 kb deletion affecting the noncoding region of the FGF7 gene. Three pathogenic mutations were also discovered: a novel frameshift mutation in the last exon of the PITX2 gene, an unidentified deletion in the PAX9 gene, and a known nonsense variant in the WNT10A gene (Mitscherling et al., 2023). Notably, the FGF7 variant was detected in a patient who also carried the WNT10A variant. Mutations in the PITX2 gene are typically associated with Axenfeld-Rieger syndrome 1 (ARS1), a condition characterized primarily by pathological changes in the anterior segment of the eye. Craniofacial dysmorphia and dental anomalies may also occur. In one observed case, a PITX2 frameshift mutation led to pronounced dental abnormalities, while ocular symptoms were more variable. This finding broadens the understanding of how PITX2 mutations can lead to a range of clinical manifestations. Due to the small cohort size in this study, the findings should be interpreted with caution. Although the results suggest that oligodontia may have mono- and digenic causes, further research on larger cohorts is necessary. WGS is a suitable method for such studies, as it can detect complex structural variants. Its standardized application could facilitate precise genetic diagnoses and enhance patient care and treatment strategies

Design und Evaluation von Hardware-Architekturen zur Stabilisierung verstimmbarer Diodenlaser unter Weltraumbedingungen

Die Frequenzstabilität von Lichtquellen ist eine grundlegende Voraussetzung für die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten, die im Rahmen der MAIUS-2 und MAIUS-3 Höhenforschungsmissionen für quantenmechanische Tests der Universalität des freien Falls genutzt werden. Die Frequenzstabilisierung der verwendeten verstimmbaren Diodenlaser stellt aufgrund der Einschränkungen einer Höhenforschungsrakete sowie der extremen Umwelteinflüsse während des Fluges eine große Herausforderung dar. Insbesondere der vollständig autonome Betrieb sowie die Möglichkeit auch starke Abweichungen von der Sollfrequenz zu kompensieren, lässt sich mit bekannten Frequenzstabilisierungsmethoden unter Wahrung des begrenzten Leistungsbudget nur mit sehr hohem Aufwand realisieren. Hauptziel dieser Arbeit ist daher Umsetzung, Evaluation und experimentelle Demonstration eines neuartigen Ansatzes zur Frequenzstabilisierung von Diodenlasern. Dabei liegt der Fokus auf der Identifikation und Evaluation geeigneter Algorithmen sowie Signalverarbeitungsplattformen unter Berücksichtigung der Leistungsbeschränkung der Nutzlast einer Höhenforschungsrakete. Um die genannten Einschränkungen bekannter Verfahren zu kompensieren, wird eine vollständig digitale Frequenzstabilisierungsmethode vorgeschlagen. Im Kern beruht diese auf der Bestimmung der Laserfrequenz anhand eines kurzen, durch eine lineare Frequenzrampe erzeugten, Spektroskopiesignals, dessen Position im Gesamtspektrum mithilfe von Pattern-Matching-Algorithmen bestimmt wird. Für diese Anwendung werden verschiedene korrelationsbasierte Pattern-Matching-Algorithmen im Zeit- und Fourier-Bereich im Hinblick auf den verbleibenden Frequenzfehler sowie die nötige Ausführungszeit hin untersucht. Letztere muss möglichst gering bleiben, um einen hohen Regeltakt erreichen zu können. Alle betrachteten Algorithmen zeigen dabei eine prinzipielle Eignung, wobei insbesondere die Summe der Absoluten Differenzen (SAD) und die Summer der quadratischen Differenzen (SSD) bei der Evaluation als besonders gut geeignet identifiziert werden. Um ein möglichst kompaktes, leistungseffizientes System zu erhalten, wird ausgehend von diesen Ergebnissen, die Abbildung auf verschiedene, bereits im MAIUS-Projekt verwendete FPGAs und SoC- FPGAs untersucht. Neben der Beschreibung notwendiger Hardware-Module zur Signal-Generation und Extraktion wird dabei die Abbildung der Pattern-Matching-Algorithmen auf den Prozessor eines SoC-FPGAs, zwei Softcores sowie in dedizierte Hardware-Module betrachtet und detailliert evaluiert. Dabei ergibt sich ein Entwurfsraum, der sich über 5 Größenordnungen (60 μs bis 7 s) im Bezug auf die Ausführungszeit und 2 Größenordnungen (150 mW bis 3 W) im Bezug auf die Leistungsaufnahme erstreckt. Die geringste Verlustleistungsaufnahme bei hohen Regeltakten lässt sich mit der aufwendigen Abbildung der SAD in ein dediziertes, skalierbares Hardware-Modul erreichen. Dieses erlaubt abhängig von der Anzahl paralleler Kern-Module einen Regeltakt von bis zu 13 kHz. Mit diesem Modul wird anschließend ein vollständiges FPGA-basiertes Frequenzstabilisierungssystem aufgebaut. Dieses wird für die Demonstration und Evaluation der Pattern-Matching-basierten Laserfrequenzstabilisierungsmethode verwendet. Dabei wird bei der Analyse interner Fehlerwerte eine Frequenzstabilität von 15 MHz (±7,5 MHz) um die Mittenfrequenz von 384,231 THz über eine Beobachtungsdauer von mehr als 3 h erreicht. Dieser Wert wird durch eine Schwebungsmessung mit einem externen Referenzlaser bestätigt. Ausgehend von dem Regeltakt von 95 Hz des Demonstrationssystems ist zu erwarten, dass mit der vorgestellten Methode und mit einem optimierten optischen Aufbau eine noch deutlich höhere Frequenzstabilität im Bereich von bis zu 1 MHz realisierbar ist, wenn der maximal mögliche Regeltakt von bis zu 13 kHz des digitalen Systems ausgenutzt werden kann.Frequency stability of light sources is a fundamental requirement for the generation of Bose-Einstein condensates, which are used in quantum mechanical tests of the universality of free fall in the MAIUS-2 and MAIUS-3 sounding rocket missions. Frequency stabilization of the used tunable diode lasers is a major challenge due to the constraints of a sounding rocket as well as the extreme environmental conditions during flight. Especially the fully autonomous operation as well as the possibility to compensate even strong deviations from the nominal frequency can only be realized with very high effort using well-known frequency stabilization methods while keeping the restricted power budget. The main objective of this work is therefore the implementation, evaluation and experimental demonstration of a novel approach for frequency stabilization of diode lasers. The focus is on the identification and evaluation of suitable algorithms as well as signal processing platforms considering the power limitation of the payload of a sounding rocket. To compensate for the limitations of known methods, a fully digital frequency stabilization method is proposed. In essence, it is based on determining the laser frequency using a short spectroscopy signal generated by a linear frequency ramp, whose position in the overall spectrum is determined using pattern matching algorithms. For this application, different correlation based pattern matching algorithms in the time and Fourier domain are evaluated with respect to the remaining frequency error and the required execution time. The latter must remain as low as possible in order to achieve a high control frequency. All the algorithms considered show suitability in principle, with the sum of absolute differences (SAD) and the sum of squared differences (SSD) in particular being identified as well suited during the evaluation. Based on these results, the mapping to different FPGAs and SoC-FPGAs already used in the MAIUS project is examined in order to obtain a system that is as compact and energy-efficient as possible. Next to the description of the necessary hardware modules for signal generation and extraction, the mapping of the pattern matching algorithms to the processor of an SoC-FPGA, two soft cores or dedicated hardware modules is evaluated in detail. The results genreate a design space spanning 5 orders of magnitude (60 μs to 7 s) in terms of execution time and 2 orders of magnitude (150 mW to 3 W) in terms of power consumption. The lowest power dissipation in combination with the highest control frequencies can be achieved through the complex mapping of the SAD into a dedicated, scalable hardware module. Depending on the number of parallel core modules, this allows a control frequency of up to 13 kHz. This module is then used to build a complete FPGA based frequency stabilization system. It is used to demonstrate and evaluate the pattern matching based laser frequency stabilization method. Here, a frequency stability of 15 MHz (±7.5 MHz) around the center frequency of 384.231 THz is achieved over an observation period of more than 3 h when analyzing internal error values. This value is confirmed by a beat measurement with an external reference laser. Based on the control clock of 95 Hz of the demonstration system, the presented method is expected to achive significantly higher frequency stability when combining it with an optomized optical setup. If the maximum possible control clock of up to 13 kHz of the digital system can be exploited, it will presumable reach a frequency stability in the range of up to 1 MHz

Paketsubstitution in Audiosignalen bei paketorientierter Audioübertragung

In paketvermittelnden Netzen - wie insbesondere dem Internet - werden zunehmend auch Audiodaten übertragen. Typische Anwendungen sind z.B. Real-Time-Streaming oder Voice-over-IP. Diese basieren i.A. auf dem unzuverlässigem Datagram-Service UDP, um Verzögerungen durch erneute Übertragung von verlorenen Paketen (wie bei TCP) zu vermeiden. Die UDP- und RTP-Internet-Protokolle bieten keine Möglichkeit, eine fehlerfreie Übertragung von Paketen für Echtzeitdienste wie Audio oder Sprache zu garantieren. Es entstehen Paketverluste, welche die Dienstqualität beeinträchtigen und einen Qualitätsverlust der Audiodaten verursachen. Es existieren verschiedene Verfahren, um diesen Qualitätsverlust möglichst klein zu halten. Ziel dieser Arbeit war es, die bei paketorientierter Übertragung von Audiosignalen durch Paketverluste hervorgerufenen Störeffekte mit geeigneten Paketsubstitutions-verfahren zu reduzieren oder gar zu beheben. Ziel war es also einen besseren subjektiven Höreindruck des empfängerseitig ausgegebenen Audiosignals zu erreichen. Im Verlauf dieser Arbeit wurde eine Reihe von Verfahren zur Paketsubstitution in Audiosignalen untersucht. Für die Verdeckung einer Lücke, die auf einen Paketverlust während der Übertragung zurückzuführen ist, ist eine weitgehende Parametrisierung, Analyse und darauf beruhende Inter- bzw. Extrapolation des Audiosignals erforderlich. Die Signalbehandlung erfolgte sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich, ausgehend von den aus der Audiocodierung und verarbeitung bekannten Algorithmen. Beispiele hierfür sind die lineare Prädiktion, die Stereoprädiktion und die sinusoidale Modellierung von Audiosignalen. Die Signalbehandlung im Zeitbereich basiert auf abstrakten, mathematisch motivierten Zielvorstellungen, welche das Audiosignal im Zeitbereich betrachten und eine bestmögliche Annäherung an den Signalverlauf des Idealsignals anstreben. Für die Rekonstruktion von Paketverlusten in Audiosignalen ist die damit erreichbare subjektive Audioqualität notwendigerweise begrenzt, aufgrund der Diskrepanz zwischen dem zugrundeliegenden mathematischen Konzept und dem völlig andersartigen Funktionsschema des menschlichen Hörsinns. Eine entscheidende Verbesserung in der wahrnehmungsbezogenen Anpassung gelang durch den Übergang in der verwendeten Signalrepräsentation von der Zeitbereichs- in eine mathematisch äquivalente Spektralbereichsdarstellung. Durch den Übergang auf dieses Konzept konnte gegenüber der Signalbehandlung im Zeitbereich eine wesentliche Steigerung der subjektiven Audioqualität erreicht werden

Frequenz-basierter Covert Channel mithilfe der Intel Turbo Boost Technology

Bisherige frequenzbasierte Covert Channel basieren auf dem Prinzip, dass entweder alle CPU-Kerne die gleiche CPU-Frequenz verwenden oder mithilfe des Betriebssystems, welches Schnittstellen bietet um die CPU-Frequenz eines anderen CPU-Kerns auszulesen. Durch Änderungen in aktuellen Mikroarchitekturen verwendet heute jedoch jeder CPU-Kern seine eigene CPU-Frequenz. Zudem kann das Betriebssystem den Zugriff auf die Information der CPU-Frequenz anderer CPU-Kerne einschränken und damit den Covert Channel verhindern. Aufgrund dieser Punkte wurde es das Ziel dieser Arbeit einen Covert Channel zu entwickeln, welcher über die CPU-Frequenz zwischen zwei Prozessen auf einem Hostsystem kommuniziert. Dabei wurde speziell darauf geachtet, dass diese Prozesse keine gesonderten Rechte brauchen und auch nicht auf Informationen des Betriebssystems angewiesen sind. Um die CPU-Frequenz zu beeinflussen wird dabei die Intel Turbo-Boost Technologie verwendet, welche das automatische Übertakten von CPU-Kerne erlaubt. Dabei ist die von Turbo-Boost festgelegte Turbofrequenz auf allen CPU-Kernen gleich, weswegen es möglich ist, hierüber Daten zu übertragen. Durch Reduzieren von Störungsquellen, sind Datenrate von 1000 bit/s möglich, was jedoch mit einer Fehlerrate von 13,5% verbunden ist. Bei einem System im Leerlauf wurde Nutzdatenraten von 56 bit/s erreicht. Neben der Kommunikation zwischen zwei Prozessen ist es auch möglich diesen Covert Channel zwischen zwei virtuellen Maschinen einzusetzen. Hierbei wurden Nutzdatenraten von bis zu 9 bit/s erreicht. Im Vergleich zu bisherigen frequenzbasierten Covert Channels schneidet dieser deutlich besser ab. So erreichen vergleichbare Covert Channels Nutzdatenraten von bis zu 20 bit/s, wobei diese auf die Mithilfe des Betriebssystems angewiesen sind