05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Inferring object hypotheses based on feature motion from different sources(2015) Fuchs, SteffenPerception systems in robotics are typically closely tailored to the given task, e.g., in typical pick-and-place tasks the perception systems only recognizes the mugs that are supposed to be moved and the table the mugs are placed on. The obvious limitation of those systems is that for a new task a new vision system must be designed and implemented. This master's thesis proposes a method that allows to identify entities in the world based on motion of various features from various sources. This is without relying on strong prior assumptions and to provide an important piece towards a more general perception system. While entities are rigid bodies in the world, the sources can be anything that allows to track certain features over time in order to create trajectories. For example, these feature trajectories can be obtained from RGB and RGB-D sensors of a robot, from external cameras, or even the end effector of the robot (proprioception). The core conceptual elements are: the distance variance between trajectory pairs is computed to construct an affinity matrix. This matrix is then used as input for a divisive k-means algorithm in order to cluster trajectories into object hypotheses. In a final step these hypotheses are combined with previously observed hypotheses by computing the correlations between the current and the updated sets. This approach has been evaluated on both simulated and real world data. Generating simulated data provides an elegant way for a qualitative analysis of various scenarios. The real world data was obtained by tracking Shi-Tomasi corners using the Lucas-Kanade optical flow estimation of RGB image sequences and projecting the features into range image space.Item Open Access Development of an Euler-Lagrangian framework for point-particle tracking to enable efficient multiscale simulations of complex flows(2023) Kschidock, HelenaIn this work, we implement, test, and validate an Euler-Lagrangian point-particle tracking framework for the commercial aerodynamics and aeroacoustics simulation tool ultraFluidX, which is based on the Lattice Boltzmann Method and optimized for GPUs. Our framework successfully simulates one-way and two-way coupled particle-laden flows based on drag forces and gravitation. Trilinear interpolation is used for determining the fluid's macroscopic properties at the particle position. Object and domain boundary conditions are implemented using a planar surface approximation. The whole particle framework is run within three dedicated GPU kernels, and data is only copied back to the CPU upon output. We show validation for the velocity interpolation, gravitational acceleration, back-coupling forces and boundary conditions, and test runtimes and memory requirements. We also propose the next steps required to make the particle framework ready for use in engineering applications.Item Open Access Improving usability of gaze and voice based text entry systems(2023) Sengupta, Korok; Staab, Steffen (Prof. Dr.)Item Open Access Control-plane consistency in software-defined networking: distributed controller synchronization using the ISIS² toolkit(2015) Strauß, JanSoftware-defined Networking (SDN) is a recent approach in computer networks to ease the network administration by separating the control-plane and the data-plane. The data-plane only forwards packets according to certain rules specified by the control-plane. The control-plane, implemented by a software called controller, determines the forwarding rules based on a global view of the network. In order to increase fault tolerance and to eliminate a possible performance bottleneck, the controller can be distributed. The synchronization of the data that holds the global view is conventionally realized using distributed key-value stores offering a fixed consistency semantic, not respecting the heterogeneous consistency requirements of the data items in controller state. The virtual synchrony model, an alternative approach to the commonly used state machine replication method, offers a more flexible solution that can result in higher performance when certain assumptions on the data kept in controller state can be made. In this thesis a distributed controller based on OpenDaylight, a state-of-the-art SDN controller and the ISIS² library, that implements the virtual synchrony model, is proposed. The modular architecture of the proposed controller and the usage of a platform independent data model allows to extend or replace parts of the system. The implementation of the distributed controller is described and the macro and micro performance is evaluated with benchmarks.Item Open Access Analyse der Echtzeitfähigkeit und des Ressourcenverbrauchs von OpenGL ES 2.0(2011) Cont, ArminOpenGL ES 2.0 (Open Graphics Library for Embedded Systems 2.0) ist eine Schnittstelle zur Entwicklung von 2D- und 3D-Computergrafik-Anwendungen. Die Spezifikation von OpenGL ES 2.0 definiert eine Reihe von Befehlen, mit denen Daten zum und vom OpenGL ES-System übermittelt werden können, mit denen das Zeichnen von Grafiken angestoßen werden kann (Rendering) und Einstellungen für das Rendering durchgeführt werden können. Üblicherweise verwenden OpenGL ES-Systeme für das Rendering physische Grafikkarten (GPUs). Keines der heute verfügbaren OpenGL ES-Systeme mit physischer GPU unterstützt aber die Priorisierung von Anwendungen hinsichtlich der Ausführung von OpenGL ES-Befehlen oder Einschränkungen von Anwendungen hinsichtlich der Nutzung von GPU-Ressourcen. Insbesondere bietet OpenGL ES weder einen konfigurierbaren Scheduler noch die Möglichkeit, Echtzeitgarantien für die Ausführung von OpenGL ES-Befehlen zu erfüllen. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, inwieweit dennoch sichergestellt werden kann, dass Befehle sicherheitskritischer Anwendungen rechtzeitig ausgeführt werden können. Dazu werden relevante Befehle bestimmt, deren Laufzeitverhalten und Ressourcenverbrauch analysiert wird. Außerdem werden spezielle Szenarien untersucht, um festzustellen, inwiefern das Verhalten von OpenGL ES-Systemen die rechtzeitige Ausführung kritischer Befehle verhindern kann. Schließlich werden Untersuchungsmethoden und Metriken für die Prognose des Ressourcenverbrauchs von OpenGL ES-Befehlen und die Ermittlung der dafür notwendigen systemspezifischen Kennzahlen entwickelt. Die Untersuchung werden auf einigen realen OpenGL ES-Systeme durchgeführt. Dabei wird gezeigt, dass insbesondere das Speicherbelegungsverhalten und die Nutzung der Renderpipeline mit Problemen verbunden sind, die der Erfüllung von Echtzeitgarantien im Wege stehen und nicht auf der Ebene von OpenGL ES gelöst werden können.Item Open Access A protocol for preserving the exactly-once property of mobile agents(1997) Rothermel, Kurt; Straßer, MarkusMobile agents are autonomous objects that can migrate from node to node of a computer network. Mobile agent technology has been proposed for various application areas, including electronic commerce, systems management and active messaging. Many of these applications - especially those for electronic commerce - require agents to be performed 'exactly once', independent of communication and node failures. In other words, once a mobile agent has been launched, it must never be lost before its execution is finished. Moreover, each 'portion' of the agent performed at the visited nodes is performed exactly once. Due to the autonomy of mobile agents, there is no 'natural' instance that monitors the progress of an agent's execution. As a result of that agents may be blocked due to node crashes or network partitioning even if there are other nodes available that could continue processing. In this paper, we will describe a protocol that ensures the exactly once property of agents and additionally reduces the blocking probability of agents by introducing so-called observer nodes for monitoring the progress of agents. This protocol is based on conventional transactional technology, such as defined by X/Open DTP or CORBA OTS. It is implemented in the Mole, a mobile agent system developed at Stuttgart University.Item Open Access Hochperformante Auflösung kleiner Referenzen in verteilten Systemen(2023) Waimer, JoelBereits mit dem Aufkommen erster Filesharing-Systeme wurde die Entwicklung effektiver Verfahren zum Auffinden von mittels global eindeutiger Referenzen bezeichneter Datenobjekte in Peer-to-Peer-Systemen intensiv diskutiert und vorangetrieben, mit dem Ergebnis zahlreicher konkret ausgearbeiteter Lösungsansätze. Unbeachtet geblieben ist dabei jedoch der, für Filesharing-Systeme nicht lohnenswerte, für kleinere verteilte Datenspeichersysteme aber durchaus vorteilhafte Einsatz kleiner Referenzen, in der, aufgrund neuer Fortschritte im Bereich der Speicherdichte, damit einhergehenden dünnen Besetzung dieser kleinen Adressräume, durch welche allerdings die den Verfahren zueigenen Garantien bezüglich der benötigten Anzahl an Schritten zur Auflösung einer Referenz innerhalb des Systems stark verzerrt werden und sich die je Auflösung nötige Laufzeit vergrößert. Diese Arbeit beleuchtet zunächst die Grundlagen der mit der Auflösung von Datenreferenzen in verteilten Speichersystemen einhergehenden Problematiken, beschreibt die beiden Verfahren Chord [SMK+01] und Koorde [KK03] und misst anschließend deren Leistungsfähigkeit in dünn besetzten Adressräumen, unter der Verwendung kleiner Referenzen; mit den Messungen kann schließlich die Vermutung eines negativen Einflusses der dünnen Besetztheit des Adressraums auf die benötigte Laufzeit je Auflösung bestätigt werden. Eingegangen wurde hierbei auch auf mögliche Gegenmaßnahmen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der beiden Verfahren, wobei hier die Verbindung der beiden untersuchten Verfahren mit einer Abwandlung des beim Distance-Halving-Netzwerk [NW03] eingesetzten Initialisierungsverfahrens zu einer nahezu gleichmäßigen Aufteilung des Adressraumes auf die einzelnen Knoten hier großes Potential besitzt, da so einer Entartung der Pfadlänge je Auflösung entgegengewirkt werden kann; zudem zeigten sich in den Messungen stark ungünstige Auswirkungen einer naiven, iterativen Implementierung des Chord-Verfahrens gegenüber Koorde.Item Open Access Lastbalancierungsverfahren für dynamische und heterogene Linked-Cell Molekülsimulation(2015) Hirschmann, SteffenIn dieser Arbeit wird die Lastbalancierung von Molekül- beziehungsweise Teilchensimulationen mit kurzreichweitigen Potenzialen betrachtet. Eine solche ist notwendig, um inhomogene Szenarien effizient über längere Zeiträume hinweg auf Parallelrechnern simulieren zu können. Hierzu werden die vorkommenden Arten von Last analysiert und in sogenannten Lastmodellen quantifiziert. Hierbei liegt der Fokus auf Rechen- und Kommunikationslasten. Anschließend wird das Problem der Lastbalancierung beschrieben. Es werden verschiedene in der Literatur bekannte Verfahren zur Lastbalancierung betrachtet, untersucht und evaluiert. Der Fokus liegt hierbei nicht auf einem einzelnen Anwendungsszenario, sondern auf der generellen Machbarkeit, den Eigenschaften und den Einschränkungen der jeweiligen Verfahren.Item Open Access Ein Testwerkzeug für das Internet der Dinge(2017) Krüger, DanielWegen der stetig fallenden Preise für Hardware sind in der heutigen Zeit immer mehr Geräte miteinander vernetzt. Dabei kommunizieren Sensoren, Aktoren und Steuergeräte miteinander. Diesen Wandel nennt man das Internet der Dinge (IoT). Ein Ziel des Internet der Dinge ist es, Situationen automatisch zu erkennen und zu steuern. Dies kann durch sogenannte Complex Event Processing (CEP)-Systemen ermöglicht werden. Diese lesen Datenströme ein und erkennen vorher definierte Muster, die Situationen. Das Testen von IoT-Umgebungen ist jedoch teuer, da Hardware beschafft werden muss. Deswegen ist die Simulation von IoT-Umgebungen erstrebenswert. In dieser Arbeit wird ein web-basiertes Werkzeug vorgestellt, welches die Simulation von Sensoren ermöglicht. Es ist möglich, mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Datentypen, Startwerten und Abweichungen zu simulieren. Ein weiteres, im Rahmen dieser Arbeit behandeltes, Problem ist, dass noch keine Benchmarks für CEP-Systeme existieren. Für darauf aufbauende Arbeiten wird hier untersucht, wie eine Datengenerierung für solche Benchmarks umgesetzt werden kann und welche Anforderungen an die Benchmarks gestellt werden.Item Open Access A framework for distributed training of physics-informed neural networks using JAX(2021) Braun, JohannesThe intention of this thesis is to evaluate the high-performance machine learning framework JAX. In the course of this work, a physics-informed neural network that solves the Burgers’ equation is implemented. This problem is chosen, as it is a well known and researched numerical problem and thus allows for great comparability. Here, a basic version of the physics-informed neural network with Flax is first created, which is an ecosystem for JAX that allows to implement neural networks. This version was then first improved with the tools offered via JAX. Afterwards, a SPMD version of this physics-informed neural network is also implemented, where multiple graphics processor units are utilized in the training. Additionally, the physics-informed neural network is extended to predict the parameters of the partial differential equation that describes the Burgers’ equation. This was done by the physics-informed neural network, while still learning to estimate the Burgers’ equation. For the optimized basic physics-informed neural network and the physics-informed neural network that also estimates the parameters of the partial differential equation promising results with JAX were achieved. The outcome of the SPMD physics-informed neural network was dissatisfactory, as it did not yield any improvements compared to the basic version. Although, this might stem from the small amount of data points used for each iteration and further points discussed in this paper. Additionally, a caveat must be voiced, as it often becomes apparent that the documentations of JAX and Flax are a work in progress. Because of this, a lot of crucial features have to be found out by trial and error, while working with these frameworks. Yet still, JAXand hence also Flax are considered a compelling framework to implement high-performance neural networks. Especially because of its potent Autograd and straightforward XLA just in time compilation. Through these components a performant physics-informed neural network can be quickly setup as shown in this thesis. Here, Autograd aids in creating the necessary gradients for the physical loss. Whereas the XLA just in time compilation yields drastic improvements to the run time of the training performed on the physics-informed neural network. These features then lead to previously mentioned promising results for the basic physics-informed neural network and the physics-informed neural network that also estimates the parameters of the partial differential equation.