Studentische Arbeiten

Im Kontext elektrischer Energietechnik befasst sich die Power Flow- bzw. die Power-Grid-Analyse mit der Energieversorung in komplexen Netzwerken. Übliche Herangehensweisen sind häufig algebraischer Natur und skalieren deswegen schlecht. Insbesondere in hochdimensionalen Parameterräumen sind die Berechnungen sehr aufwändig und numerisch problematisch.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung differentialgeometrischer Verfahren im Hinblick auf verschiedene Beispiele aus dem Power-Flow Bereich. Dabei soll insbesondere untersucht werden, wie kompetitiv der differentialgeometrische Ansatz ist und was die Grenzen dieser Herangehensweise sind.

Das Schreiben von parallelem Code ist meist ein aufwändiges und fehlerträchtiges Vorhaben. Moderne Programmiersprachen arbeiten oft imperativ und sind objektorientiert. Beides sind Paradigmen, die das Parallelisieren erschweren. Einerseits weil der Kontrollfluss nicht explizit gegeben ist. Andererseits, weil die Daten, die verarbeitet werden nicht explizit modelliert werden, sondern durch Paradigmen wie "Hidden State" abstrahiert werden.

Es existieren andere Ansätze, wie z.B. die von der Programmiersprache Go verwendeten Channels, die aus Hoares CSP (Communicating Sequential Processes) hervorgingen. Prozessalgebren wie CSP oder CCS starten direkt mit der Annahme von parallel arbeitenden Prozessen und modellieren den Datenfluss (aus dem eine Art Kontrollfluss direkt ableitbar ist).

Das am Institut entwickelte System "Buggy" arbeitet intern gerade mit der Semantik von CSP und garantiert damit eine transparente Situation in der das Erzeugen parallelen Codes zunächst eine einfache Folgerung aus den Regeln von CSP sind. Dies führt dazu, dass jede Operation sinnvoll parallelisiert werden kann. Das parallelisieren jeder einzelnen Operation würde jedoch zu einem zu großen Overhead führen.

Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Generieren von parallelen C-Code zu ermöglichen, mit dem Ziel die Programme möglichst effizient zu machen. Dabei sollen verschiedene Heuristiken erarbeitet werden, die entscheiden, wann welche Parallelisierungsvarianten (wie z.B. Pipelining) angewandt werden.

Im Rahmen eines DFG-Projektes entwickeln das Welfenlab, das IDS und das IMPT ein taktiles Display, das das Ertasten von unterschiedlichen virtuellen Oberflächenstrukturen wie Textilien, Leder, Holz und Kunststoffen ermöglichen soll. Für die taktile Wahrnehmung ist eine Vielzahl von unterschiedlichen, sich im Finger befindlichen Mechanorezeptoren zuständig. Jeder Rezeptortyp reagiert auf bestimmte Reize und Anregungsfrequenzen besonders sensibel. Um taktile Oberflächeneindrücke möglichst exakt nachbilden zu können, muss eine gezielte Anregung dieser unterschiedlichen Rezeptoren erfolgen. Dazu bedarf es neben der mechanischen Aktorik auch eines geeigneten Ansteuerungsmodells und einer gezielten Steuerung.

Die Modellierung einer konsistenten Ansteuerung hängt unter anderem auch von dem Systemverhalten des Displays sowie der mechanischen Impedanz der Fingerkuppe ab und ist im Allgemeinen nicht a priori bekannt. Insbesondere individuelle Unterschiede im Gewebeverhalten des Fingers und der variable Anpressdruck auf das Display können im bereits bestehenden System zurzeit nicht erfasst werden und erschweren damit die Vergleichbarkeit der Eindrücke zwischen verschiedenen Benutzern.

Ziel dieser Arbeit ist der Entwurf und die Implementierung einer Erweiterung des bestehenden Systems, die es erlaubt während der Benutzung des Displays Impedanzmessungen durchzuführen und durch regelungstechnische Maßnahmen individuelle Unterschiede zwischen den Anwendern auszugleichen. Als Grundlage für diese Messungen soll das Prinzip des "Self-Sensings" genutzt werden, welches es erlaubt aus Strom- und Spannungsvariationen an einem piezoelektrischen Biegeaktor Rückschlüsse auf die anliegenden Kräfte und Geschwindigkeit zu ziehen. Teil dieser Arbeit ist der Entwurf einer Verstärkerschaltung, welche den Anforderungen an die Betriebsspannung des eingesetzten Biegeaktors genügt, sowie der Entwurf und die softwareseitige Implementierung einer aktiven Kompensation über einen Mikrocontroller.

Im Rahmen dieser Arbeit ergeben sich insbesondere die folgenden Aufgabenpunkte:

• Entwurf und Ausführung einer Verstärkerschaltung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Biegeaktoren für Betriebsspannungen von ca. 200 V
  
  
• Erarbeitung eines Konzepts zur Strom- und Spannungsmessung am betriebenen Biegeaktor
  
  
• Entwicklung eines Algorithmus / einer Regelschleife zur aktiven Kompensation der anwenderspezifischen Fingerimpedanz auf einer gegebenen embedded Umgebung

Im Kontext elektrischer Energietechnik befasst sich die Power Flow- bzw. die Power-Grid-Analyse mit der Energieversorung in komplexen Netzwerken. Übliche Herangehensweisen sind häufig algebraischer Natur und skalieren deswegen schlecht. Insbesondere in hochdimensionalen Parameterräumen sind die Berechnungen sehr aufwändig und numerisch problematisch.

Ziel dieser Arbeit soll eine grundlegende differentialgeometrische Untersuchung des Problems sein. DIe hierraus resultierenden numerischen Methoden haben in natürlicher Weise bessere Skalierungseigenschaften und sind daher numerisch stabiler und effizienter.

Durch die gestiegene Verfügbarkeit erschwinglicher RGBD-Sensoren hat das Gebiet der Virtual Reality in den letzten Jahren einen großen Aufschwung erlebt, da diese es erlauben, auch ohne spezialisierter Messgeräte virtuelle 3D-Modelle realer Szenen und Objekte zu erzeugen.

Derartig erzeugte Modelle stellen meist jedoch keinerlei Informationen über die in der Szene enthaltenen Objekte zur Verfügung. Für VR-Anwendungen wären Einzelobjekte allerdings erstrebenswert, um beispielsweise interaktive Szenarien realisieren zu können. Eine solche Objekt-Segmentierung wird im Allgemeinen nachträglich berechnet und ist in vielen Fällen an die Schwächen der verwendeten Verfahren der Bildverarbeitung gebunden. Bekannte Probleme aus der Bildanalyse sind z.B. die Behandlung verdeckter Bereiche sowie der Umgang mit unvollständigen oder qualitativ unzureichenden Daten.

In dieser Arbeit soll ein Verfahren implementiert werden, welches eine Kombination aus verschiedenen Ansätzen der Bildverarbeitung auf RGBD-Daten anwendet, um zusätzliche Informationen über die 3D-Rekonstruktion zu erhalten. Durch die Auswertung dieser Zusatzinformationen soll der Prozess der Objekt-Segmentierung unterstützt werden. Eine weitere Anforderung ist die Schließung der geometrischen Schnitte zur Trennung von erkannten Objekten. Anschließend soll untersucht werden, inwiefern durch Kombination der verschiedenen Ansätze eine Verbesserung gegenüber den Segmentierungsergebnissen bestehender Verfahren erreicht werden kann.

Die Medizin hat im letzten Jahrhundert in Form von bildgebenden Verfahren ein bedeutendes Hilfsmittel erhalten. Basierend auf verschiedenen physikalischen Eigenschaften, bilden sie die innere Anatomie eines Patienten auf diskrete Volumendaten ab: Es entstehen dreidimensionale Bilder, auf denen unterschiedliche Gewebearten durch variierende Grauwerte dargestellt werden.

Eine Schlüsselrolle in der Auswertung dieser Bilder fällt der Segmentierung zu, einem Prozess, der relevante Objekte (z.B. Knochen) identifiziert und voneinander abgrenzt. Eine häufig verwendete Klasse von fortgeschritteneren Segmentierungsverfahren basiert auf den sogenannten "Deformable Models". Dabei wird ein Dreiecksnetz im Bild platziert und fortlaufend unter Krafteinwirkung verformt, bis das gesuchte Objekt bestmöglich ausgefüllt wird. Anschaulich lässt sich dieser Vorgang etwa mit dem Aufblasen eines Luftballons vergleichen, dessen Wachstum durch die Bildinformationen beeinflusst wird. Erschwert wird dies jedoch durch die üblicherweise schlechte Qualität medizinischer Aufnahmen, die oftmals dazu führt, dass das Modell nicht die gewünschte Form annimmt.

Eine Möglichkeit das Verfahren robuster zu gestalten, liegt in der Kombination mit Statistical Shape Models (SSM). Um diese aufzustellen, werden Trainingsobjekte untersucht, die durch korrespondierende Punktmengen beschrieben sind. Nach einer statistischen Analyse der Punktpositionen, wird eine Wissensbasis darüber erstellt, wie Objekte eines Typs üblicherweise geformt sind und auf welche Weise einzelne ihrer Merkmale variieren. Dieses Wissen kann unter anderem dazu genutzt werden, die Wahrscheinlichkeit beliebiger Objekte zu bestimmen oder neue zu generieren, die der Trainingsmenge ähneln. Basierend darauf kann ein Deformable Model so gesteuert werden, dass es sich nur auf eine Weise verformt, die statistisch gesehen plausibel ist.

In der vorliegenden Arbeit wird das bestehende YaDiV Deformable Model Framework um eine eigene SSM Komponente erweitert und deren Verbesserungspotential evaluiert.

Volumenkörper werden in der Computergrafik oft durch die Darstellung ihrer Oberfläche als Dreiecksnetz repräsentiert. Gerade bei komplexeren Objekten kann dabei die Dreieckszahl schnell mehrere Millionen erreichen, was auch heute noch eine Herausforderung für die Grafikkarte darstellt. Zwar existieren Verfahren, die ein Dreiecksnetz vereinfachen (= die Anzahl der Dreiekce reduzieren), dabei besteht jedoch immer die Gefahr, dass wichtige Details der Oberfläche Verloren gehen können oder schlimmstenfalls sogar Selbstüberschneidungen erzeugt werden. Eine interessante Alternative stellen die sogenannten Triangle-Strips dar. Bei dieser Datenstruktur, wird versucht, das Netz aus möglichst langen Dreiecks-Streifen zusammenzusetzen, bei der sich jeweilst zwei aufeinanderfolgende Dreiecke genau eine Kante teilen. Durch diesen Trick lässt sich im Idealfall der benöitgte Speicheraufwand auf 1/3 reduzieren. Das Problem der Findung einer solchen idealen Zerlegung ist jedoch N(P) vollständig. Daher existieren eine Vielzahl von Verfahren, die mit heuristischen Methoden versuchen, eine möglichst gute Triangle Strip Darstellung zu finden. Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Verfahren aus dieser Kateogrie zu implementieren und für Dreiecksflächen aus medizinischen Anwendungen zu vergleichen. Zusätzlich soll ein eigenes Verfahren implentiert werden, bei dem der Augenmerk nicht in einer möglichst guten Strip Darstellung sondern der Erzeugung der Strip Struktur ohne nennenswerten Zeit- und Speicheraufwand liegt.

Der Begriff Segmentierung beschreibt die Auswahl von Voxeln in einem Volumendatensatz entsprechend einem vom Benutzer gewählten Homogenitätskriterium. Ein einfaches Verfahren könnte z.B. alle Voxel zwischen einer unteren oder oberen Intensitätsschranke segmententieren (Min-Max-Verfahren). Sollen komplexere Formen erkannt werden, kommen meist modellbasierte Verfahren zum Einsatz. Ein Beispiel für eine solche, komplexe Form, stellt die knöcherne Augenhöhle (Orbita) dar. Ziel dieser Masterarbeit war es, modellbasierte Verfahren anhand des klinisch relevanten Beispiels der Orbita-Segmentierung zu untersuchen. Die  entwickelten Algorithmen sind jedoch allgemeiner und auch für andere Anwendungsfälle einsetzbar. Ein Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Deformable Model  Ansatz. Dabei wird ein zur gesuchten Segmentkontur topologisch äquivalentes Startmodell schrittweise "aufgeblasen" und durch geeignete innere oder äußere Parameter (Formerhaltung, Gradienten,  ...) gebremst. Zur Demonstration des Verfahrens wurde ein Modul für die von Karl-Ingo Friese geschriebene Software YaDiV entwickelt werden, das die Visualisierung und Kontrolle der Evolutionssparameter in jedem Schritt erlaubt.

In der Ausarbeitung wurde der Einfluss unterschiedlicher Parametergewichtungen untersucht. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit bestand in der automatisierten Bestimmung anatomisch interessanter Punkte und Größen (Winkel, Abstände, etc.) und einer Analyse der Segmentgüte.

Bildgebende Verfahren haben insbesondere in der medizinischen Anwendung eine große Verbreitung erfahren. So sind z.B. Computertomographie oder Magnet-Resonanz-Tomographie aus dem klinsichen Alltag nicht mehr wegzudenken. Um die gewonnen 3D-Daten auch 3-dimensional zu visualiseren, können unterschiedliche Methoden des Direct-Volume-Rendering verwendet werden. Die Algorithmen unterscheiden sich vor allem in Laufzeit und Bildqualität. Ein vergleichender Überblick über die gängigen Verfahren wird z.B. in der Diplomarbeit von Dominik Sarnow gegeben.

In der Arbeit aus dem Bereich Bio-Imaging wurde der Prozess der morphologischen Veränderungen bei der Entwicklung eines Samenkorns untersucht.

Due to the rapid development in the graphics card sector, Virtual Reality (VR) Applications are getting a broader application range. In general VR-Applications try to map the real world to a virtual counterpart preserving the physical realism. Concerning the latter aspect, this is a very challenging task due to the requirements of user interaction. A crucial component of the VR-System is the collision detection. Realism in virtual environments demands avoidance of invalid states like intersection of objects.

In the context of the HAPTEX-Project (hapti interaction with virtual textiles) methods detecting the aforementioned states are presented. Moreover, a scheme for resolving collisions and technical solutions related to the integration within the HAPTEX VR-System architecture are shown.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine 3D-Visualisierungssoftware entwickelt, die aufbauend auf einer am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IfUM) der Leibniz Universität Hannover entwickelten Simualtion, einen Radial-Axial-Ringwalzprozess dynamisch darstellt.  Ziel ist es hierbei, den Ingenieur arbeitsbegleitend bei der Evaluation und Analyse während der Spezifikation einer Ringwalzstrategie zu unterstützen. Die Hauptanforderung für die Simulation besteht daher in der schnellen Vorhersage des Werkstofffluss und der Ringgeometrie zu jedem Zeitpunkt des Walzprozesses.

Nach dem Entwurf eines Anforderungsprofils in Zusammenarbeit mit dem IfUM wurde eine entsprechende Entwurfsspezifikation erstellt. Diese dient die Grundlage für das erstellte Softwaresystem und bildet insbesondere die Anforderungen eines Konstruktionsingenieurs während der Auslegung des Ringwalzprozesses ab. Die Spezifikation erforderte eine Erweiterung der Werkstoffflusssimulation um eine Datenstruktur und Algorithmen zur Speicherung der Werkstoffflussbilanz und ihrer Summe.

Das entwickelte Softwareprogramm ermöglicht es, den Radial-Axial-Ringwalzprozess dreidimensional dynamisch zu jedem Zeitpunkt zu betrachten. Weiterhin stehen dem  Benutzer Schnittwerkzeuge zur Verfügung, um zu jedem Zeitpunkt Ringschnitte anzuzeigen, die das Ringprofil zeigen und den Stofffluss in der Schnittebene abbilden. Um die Korrektheit einzelner Softwaremodule zu gewährleisten wurden Unit-Tests implementiert, die ein automatisches Testen ermöglichen.

Schließlich wurde die Simulation bezüglich der Zeitkomplexität sowohl analytisch untersucht, als auch in praktischen Versuchen auf ihr Zeitverhalten und den Speicherverbrauch getestet. Das als Proof-of-concept zu verstehende Softwaresystem ist wie erwartet deutlich schneller als Lösungen mit FEM-Systemen. Weitere Arbeiten könnten sich mit Untersuchungen zur Genauigkeit und Verwendbarkeit im Koonstruktionsprozess beschäftigen.

In der modernen Computertechnik spielt die Bedeutung der so genannten Virtuellen Realität eine immer wichtigere Rolle. Dabei ist es das Ziel, eine künstliche oder reale "Welt" mit dem Computer zu simulieren und durch entsprechende Ausgabegeräte für alle Sinne wahrnehmbar zu machen. Neben Geräten für Seh- und Hörsinn ist dabei jedoch ein Sinn noch wenig bedacht: der Tastsinn. Dabei ist die Menge an Informationen, die wir von unserer Umwelt und der Interaktion mit der Umwelt über den Tastsinn wahrnehmen, so groß wie von keinem anderen Sinn. Daher liegt es nahe, auch für diesen Sinneskanal entsprechende Hard- und Software zu entwickeln.

In der vorliegenden Arbeit wurden Strategien entwickelt, um mit Hilfe eines taktilen Displays reale Textilien zu simulieren und für den Menschen "fühlbar" zu machen. Dabei wurden in Anlehnung an bisherige Erkenntnisse über die Funktionsweise des taktilen Sinnes beim Menschen verschiedene Mechanorezeptortypen in der Haut durch Vibrationen aus zwei Basisfrequenzen stimuliert. Die Amplituden der Schwingungen wurden mit unterschiedlichen Algorithmen aus dem Höhenprofil der virtuellen Textilie berechnet. Die durchgeführten Versuche zeigen, dass sich die Rauheit der Textilien mit dem vorhandenen Gerät und den entwickelten Renderingstrategien darstellen lässt, und dass darüber hinaus auch feine regelmäßige Muster modellierbar sind, die den Gefühlseindrücken der realen Textilien ähnlich sind. In Zukunft soll die Dimension der erzeugten Sinneseindrücke durch die Kombination mit einem Display für den kinesthätischen Sinn erweitert werden, um damit der idealen virtuellen "gefühlten" Welt einen wesentlichen Schritt näher zu kommen.