Free Theorems in Languages with Real-World Programming Features

Free theorems, type-based assertions about functions, have become a prominent reasoning tool in functional programming languages. But their correct application requires a lot of care. Restrictions arise due to features present in implemented such languages, but not in the language free theorems were originally investigated in. This thesis advances the formal theory behind free theorems w.r.t. the application of such theorems in non-strict functional languages such as Haskell. In particular, the impact of general recursion and forced strict evaluation is investigated. As formal ground, we employ different lambda calculi equipped with a denotational semantics. For a language with general recursion, we develop and implement a counterexample generator that tells if and why restrictions on a certain free theorem arise due to general recursion. If a restriction is necessary, the generator provides a counterexample to the unrestricted free theorem. If not, the generator terminates without returning a counterexample. Thus, we may on the one hand enhance the understanding of restrictions and on the other hand point to cases where restrictions are superfluous. For a language with a strictness primitive, we develop a refined type system that allows to localize the impact of forced strict evaluation. Refined typing results in stronger free theorems and therefore increases the value of the theorems. Moreover, we provide a generator for such stronger theorems. Lastly, we broaden the view on the kind of assertions free theorems provide. For a very simple, strict evaluated, calculus, we enrich free theorems by (runtime) efficiency assertions. We apply the theory to several toy examples. Finally, we investigate the performance gain of the foldr/build program transformation. The latter investigation exemplifies the main application of our theory: Free theorems may not only ensure semantic correctness of program transformations, they may also ensure that a program transformation speeds up a program.Freie Theoreme sind typbasierte Aussagen über Funktionen. Sie dienen als beliebtes Hilfsmittel für gleichungsbasiertes Schließen in funktionalen Sprachen. Jedoch erfordert ihre korrekte Verwendung viel Sorgfalt. Bestimmte Sprachkonstrukte in praxisorientierten Programmiersprachen beschränken freie Theoreme. Anfängliche theoretische Arbeiten diskutieren diese Einschränkungen nicht oder nur teilweise, da sie nur einen reduzierten Sprachumfang betrachten. In dieser Arbeit wird die Theorie freier Theoreme weiterentwickelt. Im Vordergrund steht die Verbesserung der Anwendbarkeit solcher Theoreme in praxisorientierten, „nicht-strikt” auswertenden, funktionalen Programmiersprachen, wie Haskell. Dazu ist eine Erweiterung des formalen Fundaments notwendig. Insbesondere werden die Auswirkungen von allgemeiner Rekursion und selektiv strikter Auswertung untersucht. Als Ausgangspunkt für die Untersuchungen dient jeweils ein mit einer denotationellen Semantik ausgestattetes Lambda-Kalkül. Im Falle allgemeiner Rekursion wird ein Gegenbeispielgenerator entwickelt und implementiert. Ziel ist es zu zeigen ob und warum allgemeine Rekursion bestimmte Einschränkungen verursacht. Wird die Notwendigkeit einer Einschränkung festgestellt, liefert der Generator ein Gegenbeispiel zum unbeschränkten Theorem. Sonst terminiert er ohne ein Beispiel zu liefern. Auf der einen Seite erhöht der Generator somit das Verständnis für Beschränkungen. Auf der anderen Seite deutet er an, dass Beschränkungen teils überflüssig sind. Bezüglich selektiv strikter Auswertung wird in dieser Arbeit ein verfeinertes Typsystem entwickelt, das den Einfluss solcher vom Programmierer erzwungener Auswertung auf freie Theoreme lokal begrenzt. Verfeinerte Typen ermöglichen stärkere, und somit für die Anwendung wertvollere, freie Theoreme. Durch einen online verfügbaren Generator stehen die Theoreme faktisch aufwandsfrei zur Verfügung. Abschließend wird der Blick auf die Art von Aussagen, die freie Theoreme liefern können, erweitert. Für ein sehr einfaches, strikt auswertendes, Kalkül werden freie Theoreme mit Aussagen über Programmeffizienz bzgl. der Laufzeit angereichert. Die Anwendbarkeit der Theorie wird an einigen sehr einfachen Beispielen verifiziert. Danach wird die Auswirkung der foldr/build- Programmtransformation auf die Programmlaufzeit betrachtet. Diese Betrachtung steckt das Anwendungsziel ab: Freie Theoreme sollen nicht nur die semantische Korrektheit von Programmtransformationen verifizieren, sie sollen außerdem zeigen, wann Transformationen die Performanz eines Programms erhöhen

AlSub: Fully Parallel and Modular Subdivision

In recent years, mesh subdivision---the process of forging smooth free-form surfaces from coarse polygonal meshes---has become an indispensable production instrument. Although subdivision performance is crucial during simulation, animation and rendering, state-of-the-art approaches still rely on serial implementations for complex parts of the subdivision process. Therefore, they often fail to harness the power of modern parallel devices, like the graphics processing unit (GPU), for large parts of the algorithm and must resort to time-consuming serial preprocessing. In this paper, we show that a complete parallelization of the subdivision process for modern architectures is possible. Building on sparse matrix linear algebra, we show how to structure the complete subdivision process into a sequence of algebra operations. By restructuring and grouping these operations, we adapt the process for different use cases, such as regular subdivision of dynamic meshes, uniform subdivision for immutable topology, and feature-adaptive subdivision for efficient rendering of animated models. As the same machinery is used for all use cases, identical subdivision results are achieved in all parts of the production pipeline. As a second contribution, we show how these linear algebra formulations can effectively be translated into efficient GPU kernels. Applying our strategies to $\sqrt{3}$, Loop and Catmull-Clark subdivision shows significant speedups of our approach compared to state-of-the-art solutions, while we completely avoid serial preprocessing.Comment: Changed structure Added content Improved description

Effect of Nanoscale Fillers on the Viscoelasticity of Polymer Nanocomposites

Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/97070/1/AIAA2012-1825.pd

Thin films with high surface roughness: thickness and dielectric function analysis using spectroscopic ellipsometry

An optical surface roughness model is presented, which allows a reliable determination of the dielectric function of thin films with high surface roughnesses of more than 10 nm peak to valley distance by means of spectroscopic ellipsometry. Starting from histogram evaluation of atomic force microscopy (AFM) topography measurements a specific roughness layer (RL) model was developed for an organic thin film grown in vacuum which is well suited as an example. Theoretical description based on counting statistics allows generalizing the RL model developed to be used for all non-conducting materials. Finally, a direct input of root mean square (RMS) values found by AFM measurements into the proposed model is presented, which is important for complex ellipsometric evaluation models where a reduction of the amount of unknown parameters can be crucial. Exemplarily, the evaluation of a N,N’-dimethoxyethyl-3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-diimide (DiMethoxyethyl-PTCDI) film is presented, which exhibits a very high surface roughness, i.e. showing no homogeneous film at all

Mechanical losses in low loss materials studied by Cryogenic Resonant Acoustic spectroscopy of bulk materials (CRA spectroscopy)

Mechanical losses of crystalline silicon and calcium fluoride have been analyzed in the temperature range from 5 to 300 K by our novel mechanical spectroscopy method, cryogenic resonant acoustic spectroscopy of bulk materials (CRA spectrocopy). The focus lies on the interpretation of the measured data according to phonon-phonon interactions and defect induced losses in consideration of the excited mode shape.Comment: 4 pages, 4 figures, proceedings of the PHONONS 2007, submitted to Journal of Physics: Conference Serie

Simulation aktiver Fahrzeugsicherheitsfunktionen hochautomatisierter Fahrzeuge mit Handlungsgrundlage erweiterter Umfeldwahrnehmung mittels V2X-Kommunikation

Die meist diskutierte und medienwirksamste Herausfor­derung im Automobilbereich ist aktuell das hochauto­matisierte Handeln von Fahrzeugen. Fahrzeuge sollen sich durch eigenes Handeln in Teilen des Straßenver­kehrs bewegen können, wie zum Beispiel bei der Fahrt auf der Autobahn oder dem Arbeitsweg mit den typi­schen Schwierigkeiten auf Stadt- und Landstraßen. Der Fahrer soll mit höheren Automationsgraden soweit von der Fahrverantwortung entbunden werden, dass er sich nicht mehr der Fahraufgabe widmen muss, sondern anderen Tätigkeiten nachgehen kann. Jedoch ist zu Anfang noch die Aufmerksamkeit des Fahrers gefordert, um in Situationen, die das hochautomatisierte System nicht bewältigen kann, nach einer gewissen Zeit die Fahrzeugführung zu übernehmen. Zusätzlich besteht aktuell die Problematik der begrenz­ten Sensorik im Automobilbereich. Lokale Sensorik hat auf Grund der aktuellen Messverfahren wie Radar, Lidar, Kamera und Ultraschall einen begrenzten Sichtbereich und je nach Messverfahren verschiedene Einschränkun­gen durch äußere Umstände wie starken Regen oder flach einfallendes Sonnenlicht. Um die Sicherheit bei der Nutzung hochautomatisierter Fahrzeuge zu erhöhen, sind ebenfalls aktive Sicherheitsfunktionen notwendig. Diese Systeme verhindern Unfäl­le beziehungsweise vermindern die Unfallfolgen bei unausweichlichen Notfallsituationen durch aktiven Eingriff in die Fahrzeugdynamik. Die Sicherheitsfunktionen sind jedoch stark von der Güte der Informationen über das Fahrzeugumfeld abhängig, welche aus den Eingangsda­ten der Sensorik generiert werden. Mittels V2X-Technologie, einer standardisierten Fahr­zeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation, ist ein Austausch diverser Informationen möglich. Dieser Austausch bietet neben zyklischen Da­ten über Position, Geschwindigkeit, Fahrzeugtyp sowie weiteren Informationen über interne Fahrzeugzustände ebenfalls die Möglichkeit, über eine detektierte Notsi­tuation zu informieren. Diese Daten sind ebenfalls als Sensordaten zu interpretieren, deren Vorteil zum einen in einer bei weitem größeren Reichweite liegt und zum anderen Informationen zu Objekten verfügbar macht,die für lokale Sensorik durch Verdeckung oder Einschrän­kungen im Messbereich nicht erfassbar sind. Daher kann die V2X-Technologie als Erweiterung der Umfeldwahrnehmung betrachtet werden. Die Verwendung von V2X-Technologie ermöglicht es, die Qualität und Verfügbarkeit der Informationen zum Umfeld zu erhöhen und stellt somit mehr Eingangsdaten aus unabhängigen Quellen für aktive Sicherheitsfunktio­nen zur Verfügung. Zur Entwicklung von Fahrzeugfunktionen verfolgt IAV den Ansatz der szenenbasierten Funktionsentwicklung. Hierfür wird zunächst eine Idee formuliert, deren Funk­tionen im Folgenden in Szenen abgebildet werden. Die­se Szenen stellen zum einen den Handlungsbereich der Funktion dar, zum anderen beschreiben sie die Situatio­nen, die eine Funktion beherrschen muss. Diese Szenen dienen sowohl als Grundlage der Entwicklung des Anforderungskataloges als auch der Funktion. Mithilfe ei­ner Abbildung der Szenen in Simulationstools lassen sich schon früh im Entwicklungsprozess die Anforderungen auf Umsetzbarkeit prüfen, die notwendige Performance der Sensorik zur Ausführung der Funktion festlegen so­wie die umgesetzte Funktion im Rahmen von Software-in-the-Loop (SiL) Simulationen testen. Nach Integration der Funktion im Fahrzeug lassen sich auf Grundlage der Szenen Testszenarien für Fahrversuche beschreiben und gegen die Anforderungen des Szenenkatalogs testen. Das Paper soll die Vorteile von Simulation in der szenenbasierten Funktionsentwicklung anhand einer akti­ven Fahrzeugsicherheitsfunktion für hochautomatisierte Fahrzeuge mittels erweiterter Umfeldwahrnehmung zei­gen. Dabei werden alle Schritte von der Idee über die Anforderung und Umsetzung bis hin zu ersten Tests in der SiL-Simulation aufgezeigt. Es wird herausgestellt, welche Ergebnisse bereits im Zuge von Simulationen entstehen und wie diese verwertbar sind

Path planning for a redundant robot manipulator using sparse demonstration data

Seidel D. Path planning for a redundant robot manipulator using sparse demonstration data. Bielefeld: Bielefeld University; 2014.The ability to plan and execute of movements to accomplish tasks is a fundamental requirement for all types of robot, whether in industrial or in research applications. This Master Thesis addresses path planning for redundant robot platforms. The research targets two major goals. The first is to bypass the need for an explicit representation of a robot's environment, which is strained with sophisticated computations as well as required expert knowledge. This bypass allows for a considerably more flexible use of a robot, being able to adapt its path planning data to an arbitrary new environment within minutes. The second goal is to provide a real-time capable path planning method, that utilizes the advantages of redundant robot platforms and handles the increased complexity of such systems. These goals are achieved by introducing kinesthetic teaching into path planning, which has already proven to be a successful improvement for single task methods dealing with redundancy resolution. The thesis proposes an approach utilizing a topological neural network algorithm to construct an internal representation of a robot's workspace based on input data obtained from physical guidance of the robot by a user. In order to create feasible and safe movements, information from both configuration space of the robot and task space are employed. The algorithm is extended by heuristics to improve its results for the intended scenario. This modified network construction algorithm constructs a navigation graph similar to classical approaches with explicit modeling. It can be processed by means of conventional search algorithms from graph theory to generate paths between two arbitrary points in the workspace

Control of a Laboratory Robotic Stand

Práce je o seznámení se s daným robotickým pracovištěm a technickým zvládnutím jeho ovládání a manipulaci, při průběhu práce by měl být robot schopen složit a rozložit jednodušší stavbu z lego kostek a umisťovat ji mezi zásobníkem, odkládacím panelem a karuselem, dále by měl mít předpřipraveny další programy pro možnost výuky či předvedení provozuschopnosti pro další práci na tomto stroji. Mezi dodatek patří pokus o předávání materiálu skrze dvířka pro následující stroj od Mitsubishi tak aby s ním bylo dále možné pracovat.The work is about getting acquainted with the robotic workplace and the technical mastery of its control and manipulation, during the work, the robot should be able to assemble and unfold a simpler structure from lego cubes and place it between the storage tank, storage panel and karusel. Furthermore, he should have prepared more programs for the possibility of teaching or demonstrating operability for further work on this machine. The addition includes an attempt to pass the material through the door for the next machine from Mitsubishi so that it can be further used.450 - Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvívelmi dobř

Optimal Trajectory Control Process for Robotic Workstation using a Digital Twin

Práce je o optimalizaci trajektorie v simulačním prostředí třetí strany se zaměřením na samostatnou úpravu a vytvoření optimální trajektorie. Výsledná trajektorie by měla být následně importována do simulačního prostředí výrobce daného robota na kterém je práce prováděna a být schopný komunikovat s prostředím třetí strany tak aby obě robotická ramena vykonávaly stejný pohyb v co nejkratším časovém rozptylu od sebe. Výsledný ověřený program je následně importovatelný do reálného pracoviště, jež bude následně spuštěno s optimalizovaným programem a porovnat shodu se simulačním očekáváním.The thesis is about optimizing the trajectory in a third-party simulation environment with a focus on self-adjustment and creating an optimal trajectory. The resulting trajectory should then be imported into the simulation environment of the robot manufacturer on which the work is performed and be able to communicate with the third-party environment so that both robotic arms perform the same movement in the shortest possible time dispersion from each other. The resulting verified program is then importable into a real workplace, which will then be launched with the optimized program and compare compliance with simulation expectations.450 - Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvívýborn