Generierung interaktiver Lerneinheiten aus visuellen Spezifikationen

In dieser Arbeit wurde der neue Ansatz VIDEA für die Lehre von Algorithmen und Datenstrukturen vorgestellt. VIDEA verbindet diejenigen Eigenschaften multimedialer Lehrwerkzeuge, die nach heutigem Kenntnisstand einen maximalen Lerneffekt ermöglichen, in den Bereichen Visualisierung, Interaktivität und aktivem Lernen auf konsequente und neuartige Weise. Um die Probleme ähnlich zielführender, bestehender Ansätze zu vermeiden, die oft auf einen kleinen Bereich von Datenstrukturen festgelegt sind oder dem nutzenden Dozenten unnötigen Mehraufwand bei der Erstellung oder Anpassung neuer Lerneinheiten verursachen, wurde in unserem Ansatz eine zweistufige Parametrisierbarkeit des Systems entworfen: Auf der ersten Stufe werden zu lerndene Datenstrukturen und Algorithmen inklusive Operationen visuell spezifiziert. Aus dieser Spezifikation wird in einem automatisierten Verfahren eine Lerneinheit generiert, die bereits ablauffähig ist und deren Verhalten auf der zweiten Stufe durch Konfiguration weiter konkretisiert wird. Auf diese Weise können durch Anpassung existierender Spezifikationen schnell neue Lerneinheiten mit den in VIDEA garantierten Eigenschaften zur Erreichung eines hohen Lerneffekts erstellt werden. Ebenso können durch Konfiguration einer bestehenden Lerneinheit weitere Varianten dieser Lerneinheit in anderen Lernszenarien genutzt werden

Konzeption und prototypische Implementierung eines Generators zur Softwarevisualisierung in 3D

Softwareentwicklungsprojekte bringen viele verschiedene Artefakte hervor. Artefakte stellen unterschiedliche Aspekte wie Struktur (statische Informationen), Verhalten (dynamische Informationen) oder Evolution (historisierte Informationen) von Softwaresystemen dar. Die Softwarevisualisierung ist darauf ausgelegt, solche Artefakte in eine visuelle Form zu überführen. Externe Umfragen und eine intensive Literaturrecherche zeigen jedoch Defizite dieses Gebietes auf. So sind viele Werkzeuge zur Visualisierung vom Entwicklungsprozess entkoppelt, bieten unzureichenden Im- und Export von Visualisierungen und besitzen teilweise einen geringen Automatisierungsgrad des Visualisierungsprozesses, insbesondere bei Werkzeugen zur dreidimensionalen Visualisierung. In dieser Arbeit wurde durch Adaption und Kombination bestehender Theorien und Werkzeuge der generativen und der modellgetriebenen Softwareentwicklung in Verbindung mit Techniken aus der Softwarevisualisierung ein Konzept entwickelt, das beschreibt, wie dreidimensionale Visualisierungen von Softwaresystemen vollautomatisch generiert werden können. Im Mittelpunkt steht ein Generator, der ausgehend von einer Anforderungsspezifikation vollautomatisiert 3D-Modelle erzeugt. Zur Validierung des entwickelten Konzeptes wurde ein Prototyp implementiert, der auf die Visualisierung der Struktur von Softwaresystemen abzielt. Dieser lässt sich als Plugin in die Entwicklungsumgebung Eclipse integrieren und erzeugt aus Ecore-basierten Modellen nach Benutzeranforderungen mittels Modelltransformationen ein 3D-Modell im freien und standardisierten X3D-Format. Die Transformationen sind dabei mit dem Werkzeug openArchitectureWare realisiert. Schließlich wurde der Prototyp selbst einer Evaluation gemäß etablierten Kriterien aus der Softwarevisualisierung unterzogen

Softwarewerkzeuge für den phasen- und domänenübergreifenden Entwurf

Im heutigen Produktentwicklungsprozess wird eine Vielzahl von Methoden und Werkzeugen für Entwurf und Simulation eingesetzt. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein Konzept zur Integration dieser isolierten Werkzeuge in ein System für die phasen- und domänenübergreifende Modellierung und Simulation technischer Systeme. Im ersten Schritt wird die Integration verschiedener Entwurfsphasen betrachtet und im Detail ausgearbeitet am Beispiel eines Entwurfswerkzeugs, das eine Software zum Entwurf von Bewegungssystemen auf der Prinzipebene mit einem parametrischen 3D-CAD-System verbindet. In einem zweiten Schritt wird der Integrationsgedanke auf den domänenübergreifenden Entwurf erweitert. Vorgestellt wird ein Entwurfswerkzeug für heterogene Systeme, das die gewohnte domänenspezifische Darstellung der Teilsysteme (Mechanik, Optik, Regelungstechnik) beibehält. Begleitet wird die Arbeit von einer softwaretechnischen Umsetzung, die die Leistungsfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Ansätze nachweist.This thesis proposes two major improvements of software tools for the early phases of product design. The first one concerns phase-spanning design of motion systems based on bi-directional interconnections of product features modelled on different levels of abstraction. In addition, this approach also led to a method for manipulating CAD models directly in VR environments. Addressing the second issue, the thesis develops a concept for a software tool that allows cross-domain modeling and simulation of heterogeneous systems. Designed as an extensible platform, it provides means of incorporating arbitrary domains and related simulation methods. In contrast to previously existing software tools for cross-domain modeling it allows the user to access the product model using domain-specific concepts and visual representations. Software implementations of both concepts as well as different application examples prove the feasibility and power of the approaches. In addition, the thesis shares a broad range of experiences in devising and implementing such software tools.Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Softwareunterstützung in frühen Phasen der Produktentwicklung. Dazu wurden insbesondere zwei Problemfelder identifiziert und bearbeitet. Dabei handelt es sich zum einen um die Realisierung eines phasenübergreifenden Entwurfskonzepts für Bewegungssysteme auf der Basis einer bidirektionalen Verknüpfung von Produktmerkmalen in Modellen unterschiedlicher Abstraktionsniveaus. Ausgehend von dieser Lösung wurde außerdem ein Verfahren entwickelt, das die Manipulation von CAD-Modellen in VR-Umgebungen erlaubt. Zum anderen wurde ein Softwarewerkzeug konzipiert, das eine domänenübergreifende Modellierung und Simulation heterogener Systeme erlaubt. Als Plattform ist es dank der komponentenbasierten Softwarearchitektur um beliebige Domänen und zugehörige Berechnungsverfahren erweiterbar. Im Unterschied zu existierenden domänenübergreifenden Werkzeugen bietet es einen nutzerzentrierten Zugang zum Produktmodell, der domänenspezifische Darstellungen und Begriffe berücksichtigt. Die Entwicklung beider Konzepte ging mit einer softwaretechnischen Umsetzung einher, die deren Realisierbarkeit belegt und eine Demonstration ihrer Arbeitsweise anhand verschiedener Anwendungsbeispiele ermöglicht. Mit dieser Arbeit wird ein umfangreiches Spektrum an Erfahrungen bei der Konzeption und Implementierung solcher Softwarewerkzeuge präsentiert und weitergegeben

Kollisionserkennung für echtzeitfähige Starrkörpersimulationen in der Industrie- und Servicerobotik

Die mechanisch plausible Simulation von Robotern und deren Arbeitsumgebungen ist in der Industrie- und Service-Robotik ein zunehmend wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung und Erprobung neuer Hardware und Algorithmen. Ebenso sind Simulationsanwendungen oftmals eine kostengünstige und vielseitig einsetzbare Alternative, sofern die Beschaffung echter Roboter unrentabel ist, oder Hardware und Arbeitsumgebung nur mit großer zeitlicher Verzögerung zur Verfügung stehen würden. Besonders wichtig sind Mechanik-Simulationen für Anwendungsfälle, in denen die direkte mechanische Interaktion von Objekten miteinander beziehungsweise der Arbeitsumgebung selbst im Vordergrund stehen, wie etwa in der Greifplanung oder der Ermittlung kollisionsfreier Bewegungsabläufe. Bei welcher Art von Szenarien der Einsatz von Mechanik-Simulationen sinnvoll ist und inwieweit die Möglichkeiten solcher Simulations-Werkzeuge ein geeigneter Ersatz für eine reale Arbeitsumgebung sein können, hängt sowohl von den technischen Besonderheiten dieser Werkzeuge, als auch von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebiets ab. Die wichtigsten Kriterien sind dabei: Die zur Umsetzung der jeweiligen Aufgabe nötige oder gewünschte geometrische Präzision bei der Modellierung von Objekten in einer Simulation, ie bei der Simulation mechanischem Verhaltens berücksichtigten Eigenschaften und Phänomene (etwa durch die Berücksichtigung von Verformungsarbeit oder tribologischer Eigenschaften), und die Fähigkeit, eine Simulation in oder nahe Echtzeit betreiben zu können (d. h. innerhalb von Laufzeitgrenzen, wie sie auch durch die reale Entsprechung eines simulierten Systems gegeben sind). Die Fähigkeit zum Echtzeit-Betrieb steht dabei in Konflikt mit der geometrischen und mechanischen Präzision einer Simulation. Jedoch ist es gerade die Kombination aus diesen drei Kriterien, die für Szenarien mit einem hohen Anteil mechanischer Interaktion zwischen aktiv durch einen Benutzer gesteuerten Aktorik und einer simulierten Arbeitsumgebung besonders wichtig sind: Im Speziellen gilt das für Simulationssysteme, die zur Steuerung simulierter Roboter-Hardware dieselben Hardware- oder Software-Steuerungen verwenden, die auch für die realen Entsprechungen der betrachteten Systeme verwendet werden. Um einen Betrieb innerhalb sehr kurzer Iterationszeiten gewährleisten zu können, muss eine Mechanik-Simulation zwei Teilaufgaben effizient bewältigen können: Die Überprüfung auf Berührung und Überschneidung zwischen simulierten Objekten in der Kollisionserkennung in komplex strukturierten dreidimensionalen Szenen, und die Gewährleistung einer numerisch stabilen Lösung des zugrundeliegenden Gleichungssystems aus der klassischen Mechanik in der Kollisionsbehandlung. Die Kollisionserkennung erfordert dabei gegenüber der Kollisionsbehandlung ein Vielfaches an Laufzeit-Aufwand, und ist dementsprechend die Komponente einer jeden echtzeitfähigen Mechanik-Simulation mit dem größten Optimierungspotential und -bedarf: Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Kombination existierender Ansätze zur Kollisionserkennung unter weitgehender Vermeidung von deren Nachteilen. Dazu sollen ausgehend von Erfahrungen einer Projektstudie aus der Industrie-Robotik die speziellen Anforderungen an echtzeitfähige Mechanik-Simulationen beim Einsatz in dieser und verwandten Disziplinen hergeleitet und den Möglichkeiten und Einschränkungen existierender Simulations-Lösungen gegenüber gestellt werden. Basierend auf der Analyse existierender Kollisionserkennnungs-Verfahren soll im weiteren Verlauf der Arbeit eine alternative Möglichkeit zur Bewältigung dieser laufzeitaufwendigen Aufgabe auf Basis der Verwendung massiv paralleler Prozessor-Architekturen, wie sie in Form programmierbarer Grafik-Prozessoren (GPUs) kostengünstig zur Verfügung stehen, erarbeitet und umgesetzt werden

Visualisierung von Informationsräumen

Summary of the thesis topic: Visualization of information spaces For a user it is hard to recognize the relevance of documents based on a a textual information list, which is returned by a search engine after searching in the World Wide Web. Neither is he is able to discover the relevant information through navigating the document references, since the navigation does not occur in a closed space. The user has to browse through references of one document to the next, and does not always come back to the starting point. The user thereby loses the overview of the found documents. It becomes problematic to search information with several keywords. The proximity of the found documents for the individual search keyword is not clear from the result list. This is particularly disadvantageous if an indistinct information search is accomplished. A solution for this problem lies in the graphic representation of the information space (the document amount was determined with the search keywor). This work analyzes existing approaches of information visualization from different grounds in the practice, that are, however, limited on a pure graphic representation. Therefore, it is necessary to develop a new approach, that supports user representation and analysis of the set of results as well as providing the means for effective isolation of the actual interesting set of documents. In this work the requirements for the information search are analyzed and converted into a system model. The result is a design with the following characteristics: -- modular structure of the system, -- platform-independence, -- extensibility, -- the system contains open interfaces for integration with arbitrary search engines, -- filter mechanisms are integrated into the system, which permit an effective reduction of the set of documents. -- the system is able to work online and may also be used to analyse a once determined search result later, -- several variants of the graphic representation which can be used for the different types of information space are available. Due to the extensibility the system offers a special visualization and a filter combination for every user, which corresponds to his personal preferences. The user will formulate his need of information through his action in the space. He has the possibility to move through the space, to explore all objects exactly and to find the "interesting regions" of the information space. All integrated visualization techniques contain an own interaction model. This permits the selection and manipulation of the graphic information-objects in each case. The Interaction allows intensive investigation of the amount of information and its contents. The user can remove the information objects examined during the exploration or mark them as "relevant" and is able to find them later. Because of the combination of visualization and a series of filter mechanisms the system supports both - the "precise search" (for a specific document) and the "indistinct search" (for topics or fields) - well. This work further describes the implementation of a prototype, which serves for the verification of the design draft. Experiments show, that the efficiency of the search for information can be increased by the use of the presented technologies.Für den Benutzer ist es schwer, in der textbasierten Informationssliste, die durch eine Suchmaschine nach einer Suche im World Wide Web geliefert wird, zu erkennen, welche Dokumente für ihn relevant sind. Er ist auch nicht in der Lage, durch das Navigieren anhand der Dokumentverweise die relevanten Informationen aufzufinden, da die Navigation nicht in einem Raum stattfindet. Der Benutzer geht anhand von Verweisen von einem Dokument zum anderen und nicht in jedem Fall führt ein Weg zum Ausgangspunkt zurück. Der Benutzer verliert dadurch den Überblick über die gefundenen Dokumente. Problematisch wird es bei der Suche von Informationen mit mehreren Suchbegriffen. Die Nähe der gefundenen Dokumente zu den einzelnen Suchbegriffen wird aus der Ergebnisliste nicht ersichtlich. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn eine unscharfe Informationssuche durchgeführt wurde. Eine Lösung dieses Problems besteht in der grafischen Darstellung des Informationsraumes (die Dokumentenmenge, die mit den Suchbegriffen ermittelt wurde). Diese Arbeit analysiert zunächst bereits existierende Ansätze zur Informationsvisualisierung, die allerdings auf eine reine grafische Darstellung begrenzt sind und sich aus verschiedenen Gründen in der Praxis nicht durchgesetzt haben. Daher ist ein neuer Ansatz notwendig, der den Benutzer bei der Darstellung und der Analyse der Ergebnismenge unterstützt sowie ihm die Mittel zum effektiven Eingrenzen der tatsächlich interessanten Dokumentenmenge gibt. In dieser Arbeit werden die Anforderungen an die Informationssuche analysiert und diese in einem Systementwurf umgesetzt. Das Ergebnis ist ein Entwurf mit folgenden Eigenschaften: -- modularer Aufbau des Systems, -- plattformunabhängig, -- erweiterbar, -- das System verfügt über offene Schnittstellen zur Ankopplung an beliebige Suchmaschinen, -- im System sind Filtermechanismen integriert, die eine wirksame Reduktion der Dokumentenmenge gestatten, -- das System kann sowohl online arbeiten als auch zur späteren Analyse eines einmal ermittelten Suchergebnisses eingesetzt werden, -- es sind mehrere Varianten der grafischen Darstellung vorhanden, die für die verschiedenen Typen von Informationsräumen eingesetzt werden können. Aufgrund der Erweiterbarkeit kann das System perspektivisch jedem Benutzer eine Visualisierung und eine Filterkombination anbieten, die seinen persönlichen Preferenzen entspricht. Der Benutzer wird seine Informationsbedürfnisse durch seine Handlung im Raum formulieren. Er hat die Möglichkeit, sich durch den Raum zu bewegen, alle Objekte genau zu untersuchen und die "interessanten Regionen" des Informationsraums zu finden. Alle integrierten Visualisierungsverfahren beinhalten ein eigenes Interaktionsmodell. Dieses gestattet in jedem Fall die Selektion und Manipulation der grafischen Informations-Objekte. Die Interaktion ermöglicht das intensive Erforschen der Informationsmenge und ihrer Inhalte. Der Benutzer kann die während der Interaktion einmal untersuchten Informations-Objekte entfernen oder als "relevant" kennzeichnen und dadurch schnell wieder auffinden. Durch die Kombination von Visualisierung und einer Reihe von Filtermechanismen wird vom System sowohl die "zielgerichtete Suche" (nach einem ganz bestimmten Dokument) als auch die "unscharfe Suche" (nach Themen oder Gebieten) gut unterstützt. Diese Arbeit beschreibt weiterhin die Implementierung eines Prototyps, der zur Verifizierung des Entwurfs dient. Experimente zeigen, wie die Effizienz bei der Suche nach Informationen durch den Einsatz der vorgestellten Technologien gesteigert werden kann

Der Semantic Building Modeler - Ein System zur prozeduralen Erzeugung von 3D-Gebäudemodellen

Computer generated 3d-models of buildings, cities and whole landscapes are constantly gaining importance throughout different fields of application. Starting with obvious domains like computer games or movies there are also lots of other areas, e.g. reconstructions of historic cities both for educational reasons and further research. The most widely used method for producing city models is the „manual“ creation. A 3d artist uses modeling software to design every single component by hand. Especially for city models consisting of hundreds or thousands of buildings this is a very time consuming and thus expensive method. Procedural modeling offers an alternative to this manual approach by using a computer to generate models automatically. The history of procedural modeling algorithms goes back to the 1980s when the first implementations for the automatic texture synthesis were developed and published by Ken Perlin. Other important applications are the generation of plants based on formalisms like L-systems, proposed by Aristid Lindenmayer or particle systems widely used within computer graphics first proposed by William Reeves. Research concerning the applicability of the developed formalisms and techniques led to the creation of systems dedicated to the automatical computation of building and city models. These systems are often differentiated between rule-based and procedural systems. Rule-based systems use formalisms like text replacement systems whereas procedural systems implement every step of the construction process within the program code. The Semantic Building Modeler is a procedural system, which is configured by using user-provided XML-parameters. The semantic meaning of these parameters is fixed through a tight coupling with their usage within the program code. In this point, the semantic of the Semantic Building Modeler differs from other systems on the today’s market. Besides, it facilitates the introduction for novice users making their first experiences with procedural modeling. Concerning the algorithmic aspect the system proposes two new algorithms for the automatic creation and variation of building footprints. These enable the software to create automatically varied building structures. Additionally, the prototype implementation can be seen as an extendable framework. It offers a wide range of algorithms and methods, which can be used for future extensions of the current system. The prototype also contains an implementation of the Weighted-Straight-Skeleton-Algorithm, techniques for the distributed storage of configuration-fragments, the procedural construction of building components like cornice and many more. The prototypical realization of the developed algorithms is a proof-of-concept-implementation. It demonstrates that the usage of semantically based parameters for the procedural creation of complex and visually appealing geometry can go hand-in-hand. This opens the powerful algorithmic construction of building and city models to a big group of users who have no experience neither in the field of programming nor in the manual design of 3d models

Entwicklung eines internetbasierten Systems zur Verbreitung von therapeutischem Wissen in der dreidimensionalen Strahlentherapieplanung

In der Dissertation wird das Konzept eines internetbasierten Informationssystems für die Strahlentherapie entwickelt. Das System soll die Ausbildung, den Wissensaustausch und die Forschung auf dem Gebiet der Strahlentherapie unterstützen. Weiterhin hat es die Zielsetzung, den komplexen Prozess der dreidimensionalen Strahlentherapieplanung zu beschleunigen und zu vereinfachen. Das System bietet außerdem eine Plattform zur Diskussion von Problemen und zur gemeinsamen Erarbeitung von Behandlungsrichtlinien bzw. Bestrahlungsplänen zu speziellen Patientendaten. Mit der zusätzlichen Anbindung eines wissensbasierten Systems ist das System in der Lage, automatisch voroptimierte Behandlungspläne, passend zu vorliegenden Fällen, zu generieren. Das dazu benötigte Wissen kann mit Hilfe des Systems über das Internet in Form von Beispielplänen gesammelt und von einem Fachgremium bearbeitet werden. Es werden das erarbeitete Systemkonzept und ein Prototyp vorgestellt. Der Prototyp soll das Konzept verifizieren. Der Name des Prototyps ist IRIS (Internet Based Radiotherapy Information System). Testergebnisse des Prototyps zeigen, dass das System effektiv als Java Applet in einem Internetbrowser laufen kann, und dass ein effizientes Arbeiten mit dem System im Internet möglich ist. IRIS integriert ein Tutorial, ein Diskussionsforum, einen Isodosenatlas, ein Planungsmodul sowie ein Video- und Telekonferenzsystem zu einem Gesamtsystem. Diese Komponenten interagieren miteinander und ergänzen sich zu einem vielseitig einsetzbaren System. IRIS ist als Client-Server Applikation realisiert. Die Benutzeroberfläche, ist ein Java Applet und stellt alle Funktionalitäten des Systems zur Verfügung. Voraussetzung für die Nutzung ist lediglich die Installation eines Internetbrowsers mit einer kleinen Zusatzinstallation, die zusammen mit dem IRIS Applet heruntergeladen werden kann