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Reduktion des Kommunikationsaufwands iterierter Runge-Kutta-Verfahren für dünnbesetzte gewöhnliche Differentialgleichungssysteme
(2012)
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Markus Straubinger
- Iterierte Runge-Kutta (IRK) Verfahren sind eine Klasse von Lösungsverfahren für Anfangswertprobleme gewöhnlicher Differentialgleichungssysteme (DGL), welche ein hohes Parallelisierungspotential besitzen. Während Implementierungen für dichtbesetzte DGL regelmäßig Vektoren der Größe der DGL austauschen müssen, können spezialisierte Löser Kommunikationskosten einsparen, indem nur die wenigen tatsächlich benötigten Vektorelemente ausgetauscht werden.
In dieser Arbeit werden parallele Implementierungen von IRK-Verfahren für verteilten Adressraum betrachtet. Es werden zunächst allgemeine Implementierungen für dichtbesetzte DGL vorgestellt. Anschließend wird deren Kommunikation für dünnbesetzte DGL und Probleme mit beschränkter Zugriffsdistanz optimiert. Die entstandenen Implementierungen werden in Hinsicht auf Laufzeit und Skalierbarkeit untersucht. Dafür werden Messungen auf verschiedenen Rechnersystemen mit unterschiedlichen dünnbesetzten DGL ausgewertet. Dabei wird festgestellt, dass eine Implementierung der Kommunikation sowohl für dünnbesetzte DGL als auch für Probleme mit beschränkter Zugriffsdistanz besonders gut geeignet ist.
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Wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion
(2012)
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Stefan Kuhn
- Möchte man herausfinden, wo sich bestimmte Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes aufhalten könnten, so bleibt einem zunächst nur die Antwort "Irgendwo im gegebenen Raum". Erst mit Hilfe zusätzlicher Informationen, wie beispielsweise Sensordaten oder Eigenschaften der bestimmten Objekte oder der Umwelt im gegebenen Raum, lassen sich die möglichen Aufenthaltsorte einschränken, indem man solche Bereiche des Raumes ausschließt, in denen sich keines der bestimmten Objekte aufhalten kann.
Sind beispielsweise Menschen die bestimmten Objekte und deren mögliche Aufenthaltsorte innerhalb einer Roboter-Arbeitszelle von Interesse, dann muss man ohne weitere Informationen in der gesamten Roboter-Arbeitszelle Menschen vermuten. Unter der Voraussetzung, dass sich ein Mensch nicht in soliden Objekten der Umwelt aufhalten kann, reduzieren sich die möglichen Aufenthaltsorte innerhalb des gegebenen Raumes. Sensoren können verwendet werden, um freie Bereiche innerhalb der Roboter-Arbeitszelle zu erfassen, um damit die möglichen Aufenthaltsorte weiter einzugrenzen. Ein anderer Aspekt könnte das Minimalvolumen der bestimmten Objekte berücksichtigen, um so Regionen bei Unterschreitung dieses Minimalvolumens zu verwerfen, in denen zuvor Menschen vermutet werden mussten. Weitere Aspekte zur Eingrenzung möglicher Aufenthaltsorte stellen beispielsweise die Berücksichtigung von Farben, Distanzen, Geschwindigkeiten, Gewichten etc. dar.
Ziel dieser Arbeit ist die automatisierte, computerbasierte Lösung des obigen Problems, nämlich die Bestimmung und geometrische Beschreibung möglicher Aufenthaltsorte bestimmter Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes unter Nutzung von Wissen und Sensoren. Es wird dabei gefordert, dass die geometrische Beschreibung - im Folgenden als geometrische Rekonstruktion bezeichnet - konservativ sein muss, d.h. die bestimmten Objekte innerhalb des gegebenen Raumes dürfen nicht aus der Rekonstruktion herausragen.
Das Problem wird zunächst allgemein im n-dimensionalen euklidischen Raum modelliert. Dieses Modell kann als Rahmenwerk angesehen werden, welches die konsistente Integration von Wissen und Sensoren erlaubt, um eine geometrische Rekonstruktion zu bestimmen. Unterschiedliches Wissen und unterschiedliche Sensoren werden exemplarisch integriert und diskutiert.
Basierend auf dem allgemein eingeführten Modell wird eine Implementierung für einen dreidimensionalen Voxelraum abgeleitet. Besondere Aufmerksamkeit ist bei der Verwendung diskreter Datenstrukturen erforderlich, um die Konservativität der resultierenden geometrischen Rekonstruktion zu gewährleisten.
Ein Prototyp wurde versuchsweise im industriellen Umfeld in einem Mensch/Roboter-Koexistenz-Szenario in Zusammenarbeit mit einem deutschen Automobilhersteller eingesetzt. Das Robotersystem nutzt die berechneten geometrischen Rekonstruktionen, um die Geschwindigkeit des Roboterarms bei Annäherung an einen Menschen zu reduzieren.
Ein weiteres Experiment diente der quantitativen Untersuchung der resultierenden geometrischen Rekonstruktionen in einem vergleichbaren Aufbau. Die verbleibende Anzahl an Voxeln der geometrischen Rekonstruktionen beläuft sich im Durchschnitt über alle Zeitpunkte der im Experiment betrachteten Sequenz auf etwa 1,22% bezüglich aller Voxel innerhalb des gegebenen Raumes. Im direkten Vergleich dazu verbleiben bei einer einfachen Multi-Kamera-Rekonstruktion, welche "Occlusion Masks" zur Behandlung von sichtverdeckenden Hindernissen nutzt, durchschnittlich etwa 9,62% der Gesamtanzahl an Voxeln innerhalb des gegebenen Raumes. Die wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion besteht also durchschnittlich aus etwa 12,7% der Voxel gegenüber dem einfachen Ansatz, welcher "Occlusion Masks" nutzt und beschreibt damit die bestimmten Objekte wesentlich exakter.
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Construction of Two-Weight Codes
(2005)
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Axel Kohnert
- This is a talk given at the conference: Algebra and Computation 2005 in Tokyo. We describe a method for the construction of two-weight codes. This also allows to realize certain strongly regular graphs or equivalently certain point sets in the a finite projective geometry. We use the method of prescibed automorphisms, which allows us to reduce the problem to a size where we can use powerful Diophantine equation solvers provided by Alfred Wassermann.
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Symmetric functions in MAGMA
(2007)
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Axel Kohnert
- We describe two algorithms which were used to implement symmetric functions in the computer algebra system MAGMA. We describe one algorithm based on the work of Lascoux and Schutzenberger for the multiplication. One further algorithm is given for the computation of plethysms.
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Multi-View Reconstruction of Unknown Objects in the Presence of Known Occlusions
(2009)
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Stefan Kuhn
Dominik Henrich
- We present a general method for reconstructing unknown objects (e.g. humans) within a known environment (e.g. tables, racks, robots) which usually has occlusions. These occlusions have to be considered since parts of the unknown objects might be hidden in some or even all camera views. Besides grayscale and color cameras also depth sensors are considered. In order to avoid cluttered reconstructions, plausibility checks are used to eliminate reconstruction artifacts which actually do not contain any unknown object. One application is a supervision/surveillance system for safe human/robot-coexistence and –cooperation. Experiments for a voxel-based implementation are given.
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Multi-View Reconstruction in-between Known Environments
(2010)
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Stefan Kuhn
Dominik Henrich
- We present a novel multi-view 3D reconstruction algorithm which unifies the advantages of several recent reconstruction approaches. Based on a known environment causing occlusions and on the cameras pixel grid discretization, an irregular partitioning of the reconstruction space is chosen. Reconstruction artifacts are rejected by using plausibility checks based on additional information about the objects to be reconstructed. The binary occupancy decision is solely performed in reconstruction space instead of fusing back-projected silhouettes in image space. Hierarchical data structures are used to reconstruct the objects progressively focusing on boundary regions. Thus, the algorithm can be stopped at any time with a certain conservative level of detail. Most parts of the algorithm may be processed in parallel using GPU programming techniques. The main application domain is the surveillance of real environments like in human/robot coexistence and cooperation scenarios.
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Parallel Low-Storage Runge-Kutta Solvers for ODE Systems with Limited Access Distance
(2010)
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Matthias Korch
Thomas Rauber
- We consider the solution of initial value problems (IVPs) of large systems of ordinary differential equations (ODEs) for which memory space requirements determine the choice of the integration method. In particular, we discuss the space-efficient sequential and parallel implementation of embedded Runge-Kutta (RK) methods. We focus on the exploitation of a special structure of commonly appearing ODE systems, referred to as "limited access distance", to improve scalability and memory usage. Such systems may arise, for example, from the semi-discretization of partial differential equations (PDEs). The storage space required by classical RK methods is directly proportional to the dimension n of the ODE system and the number of stages s of the method. We propose an implementation strategy based on a pipelined processing of the stages of the RK method and show how the memory usage of this computation scheme can be reduced to less than three storage registers by an overlapping of vectors without compromising the choice of method coefficients or the potential for efficient stepsize control. We analyze and compare the scalability of different parallel implementation strategies in detailed runtime experiments on different parallel architectures.
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Integral point sets over Z_n^m
(2007)
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Axel Kohnert
Sascha Kurz
- There are many papers studying properties of point sets in the Euclidean space or on integer grids, with pairwise integral or rational distances. In this article we consider the distances or coordinates of the point sets which instead of being integers are elements of Z_n, and study the properties of the resulting combinatorial structures.
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Intuitive Human-Robot Interaction by Intention Recognition
(2013)
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Muhammad Awais
- For two humans to interact with each other to perform a common task, they need to know the expectation of each other during interaction. For example if we consider an example of a waiter and a guest. If the waiter tilts the bottle to offer a drink to the guest then he may expect two actions from the guest, i.e., either the guest will forward his glass to get it filled or he will take his glass backward for not accepting the drink. If the guest forwards his glass then the waiter expects that the guest will keep his glass at a certain point until he pours the liquid into the glass. Similarly if the guest takes its glass backward then he expects from the waiter not to pour the liquid into his glass. In any case of misunderstanding an accident can occur. It applies to almost all the instances of human-human interaction. The recognition of the intention plays a key role in human-human interaction. It is equally important in human-robot interaction.
With the increase of research in the field of robotics, the robots are and will be becoming more and more part of human life. For the robots to be the effective part of the human life they should be helpful to the human. For a robot to be helpful to the human he should act according to the human. In case if the robot tries to help the human without knowing the intention of the interacting human then the robot can be itself a problem rather than a solution to the problems. Therefore it is necessary for a robot to know the intention of the human with whom the robot is supposed to interact to facilitate him.
The aim of this work is to propose a solution to make the human robot interaction intuitive. For making the human-robot interaction intuitive the intention of the human should be known to the interacting robot. A probabilistic approach is introduced to recognize the human intention. The approach uses the finite state machines. Each finite state machine representing a unique human intention carries a probabilistic value that is called the weight of the finite state machine. That weight tells the robot about the current human intention.
Since it is not possible to embed all the possible intentions into the robot that the robot may need to recognize. Thus, there should be a measure that the robot can learn new human intentions. An approach is discussed for this purpose.
For the human-robot interaction to be intelligent the robot should be quick in his response towards the human intention. An approach is described that addresses the issue of quick (proactive) response of the robot. The proposed approach also discusses the scenario concerning the ambiguous human intention. An ambiguous intention is a human intention that apparently corresponds to more than one human intention.
There may be a scenario in which the human has a totally new intention that the robot does not know already and also has not learned that intention. In this case, apparently there is no human- robot interaction. In order to cope with this problem an approach is discussed that enables the robot to select an appropriate action to interact with the human.
An approach concerning the generalization of the human intention is also discussed. By generalizing the human intention, the robot can extend its response according to the human intention. The extension of the response means that the robot takes those actions that were not instructed to him to be taken concerning the human intention.
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ESProNa - Eine Constraintsprache zur multimodalen Prozessmodellierung und navigationsgestützten Ausführung
(2012)
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Michael Igler
- Deklarative Prozessmodellierungssprachen erfreuen sich aufgrund ihrer Ausdrucksstärke und der kompakten Prozessmodelle einer immer größer werdenden Beliebtheit. Ziel dieser neuen Art der Modellierung ist es, Geschäftsprozesse einfacher und effizienter aufnehmen zu können. Ein bekanntes Konzept aus den deklarativen Programmiersprachen, die strikte Trennung zwischen Problemstellung und Lösung, wird auf den Bereich der Prozessmodellierung übertragen. Somit wird eine Vereinfachung der zu modellierenden Geschäftsprozesse erreicht. Um die Prozesse in ihrer Gesamtheit zu erfassen, wird das Konzept der perspektivenorientierte Prozessmodellierung (POPM) verwendet. Weiterhin werden neben den Anforderungen an eine Prozessmodellierungssprache zusätzliche Konzepte erarbeitet, die für eine effiziente Modellierung von Geschäftsprozessen sinnvoll sind. Die im ersten Kapitel der Arbeit angesprochenen Probleme aktueller Prozessmodellierungssprachen werden in den nachfolgenden Kapiteln aufgegriffen und gelöst. Neue Forschungsergebnisse, wie etwa die entwickelte Prozessnavigation zur navigationsgestützten Ausführung der erstellten Geschäftsprozesse oder das Modellieren von subjektiven Empfehlungen, werden ebenfalls behandelt. Durch letzteres Konzept kann das empirische Verhalten der Geschäftsprozesse modelliert und zum Zeitpunkt der Ausführung präsentiert werden. Es wurden nicht nur die Konzeptionen und Lösungen der Problemstellungen erarbeitet, sondern auch gezeigt, wie diese implementiert und verwendet werden können. Alle Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind in der deklarativen Prozessmodellierungssprache ESProNa umgesetzt.
