05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Methods for coreference visualization and annotation(2010) Burkovski, Andre; Heidemann, Gunther; Kobdani, Hamidreza; Schütze, HinrichIn this report we present methods for visualization of coreferences. We use Self Organizing Maps, graph-based models, and text-based techniques to visualize coreference information from a pair-wise model and offer an interactive presentation of the feature space. We introduce our software system and several visualizations of the Self Organizing Map. The visualizations enable the user to explore the feature space, provide insights for feature engineering and allow a fast annotation of data with coreference information.Item Open Access Context-aware techniques for visualization(2010) Eißele, Mike; Ertl, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Die Visualisierung von Daten wird immer wichtiger, da die Menge an Daten, ob gemessen oder berechnet, bereits enorme Ausmaße angenommen hat und oft nicht ohne geeignete Visualisierungsverfahren analysiert werden kann. Die Entwicklung neuartiger Methoden zur Darstellung von Daten, die es erlauben, ein tieferes Verständnis zu erlangen, ist noch immer ein aktiver Forschungsbereich und wird es mit hoher Wahrscheinlichkeit auch weiterhin sein. Somit entsteht eine permanent wachsende Vielfalt an Visualisierungsverfahren für unterschiedliche Datenformate, wodurch insbesondere das Problem verschärft wird, ein geeignetes Verfahren auszuwählen, welches die zu untersuchenden Daten entsprechend darstellt. Noch problematischer ist die Konfiguration und genaue Anpassung der Visualisierungsparameter auf die Charakteristiken der zu Grunde liegenden Daten. Diese Dissertation befasst sich daher intensiv mit kontextabhängigen Techniken, um Herausforderungen wie die Implementierung, Auswahl und Konfiguration von geeigneten Visualisierungstechniken mit Hilfe von kontextabhängigen Verfahren zu ermöglichen. Welches Verfahren sich wann eignet, hängt dabei stark von der aktuell vorherrschenden Situation (Kontext) ab, die durch reale Eigenschaften (Ort, Gerät, usw.) und virtuelle Informationen (Datenformat, Benutzereinstellungen, usw.) definiert wird. Die dargestellten Forschungsergebnisse dokumentieren den Fortschritt in vielen Bereichen, die relevant bei der Entwicklung eines kontextabhängigen Rahmenwerks für entsprechende Visualisierungsverfahren sind. Das System basiert auf der verteilten Nexus-Plattform, die Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme bereitstellt und mobile Anwendungen effizient unterstützt. Die Nexus Plattform stellt Basisfunktionalitäten für die Verarbeitung von Kontextdaten zur Verfügung, welche im Rahmen dieser Dissertation durch neuartige Techniken für die Erfassung und Verarbeitung von Kontextinformationen auf mobilen Geräten ergänzt werden. Dabei werden optische Bildsensoren zur Erkennung von Merkmalen der physikalischen Umgebung eingesetzt, deren Ausgangsdaten weiterverarbeitet werden, um einfache Kontextinformationen zu ermitteln. Eine Anreicherung dieser Daten wird durch einen neuartigen interaktiven Prozess erreicht, bei dem wiederum Kontextwissen eingesetzt wird, um weitere Kontextmerkmale durch gezielte Benutzerführung aufzunehmen. Das zuvor erwähnte Rahmenwerk für kontextabhängige Visualisierung analysiert relevante Kontextdaten, die entweder von Nexus geliefert werden oder durch lokale Sensoren, und bestimmt passende Visualisierungsverfahren durch einen XML-Schema Abgleich. Für eine interaktive Darstellung der meist sehr großen Datenmengen sind Verfahren einzusetzen, die Graphikhardware zur Erzeugung der Darstellung effizient nutzen. Schließlich werden Ergebnisse der Untersuchung und Implementierung von kontextabhängigen Visualisierungsverfahren präsentiert. Einige bekannte interaktive Methoden, wie beispielsweise Farbkodierung, Volumendarstellung, Strömungslinien, usw., werden exemplarisch in das Rahmenwerk integriert. Dabei wird insbesondereWert auf die Entwicklung echtzeitfähiger Kontextanpassungsverfahren gelegt. Somit werden neuartige Visualisierungsansätze möglich, die auf Basis von prototypischen Implementierungen evaluiert werden.Item Open Access Standardisierte Protokolle für die medizinische Bildanalyse und Bildvisualisierung(2010) Iserhardt-Bauer, Sabine; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Die Analyse medizinischer Bilddatensätze spielt in der täglichen klinischen Routine eine immer wichtigere Rolle. Bildgebende Systeme unterschiedlichster Modalitäten erzeugen Datensätze, die immer neue klinische Einsatzgebiete eröffnen. Postprocessing-Applikationen stellen kontinuierlich neue Funktionalitäten und Algorithmen zur Verfügung, um die erzeugten Daten für die Analyse aufzubereiten. Diese Entwicklung hat jedoch auch zur Folge, dass die Komplexität der zur Verfügung stehenden Geräte und Postprocessing-Applikationen drastisch zunimmt und die Anforderungen an das medizinische Personal entsprechend steigen. Speziell im Bereich der Postprocessing-Applikationen werden zwar eine Vielzahl von verschiedenen Algorithmen integriert, hinsichtlich der Auswahl und der Anwendung der einzelnen Algorithmen für eine konkrete medizinische Fragestellung ist der Benutzer jedoch häufig auf sich gestellt. Während sich in vielen klinischen Bereichen bereits standardisierte Abläufe etabliert haben, ist die Analyse medizinischer Bilddatensätze unter Verwendung von Postprocessing-Applikationen derzeit noch durch individuelle Vorgehensweisen geprägt, die vor dem Erfahrungshintergrund des jeweiligen Benutzers stark differieren können. Die vorliegende Arbeit stellt das Konzept der standardisierten Analyse medizinischer Bilddaten vor. Dieser Ansatz basiert auf dem Einsatz sogenannter Analyseprotokolle, die den vollständigen Prozess bei der Analyse einschließlich Bildverarbeitung, Visualisierung und Dokumentation beschreiben. Ein Analyseprotokoll definiert die einzelnen Analyseschritte als Aktivitäten eines Workflows, der von einer im Kontext dieser Arbeit entwickelten Workflow-Engine abgearbeitet wird. Durch die Analyseprotokolle können Analysen standardisiert verarbeitet werden. Die Vorteile dabei machen sich gerade in der Routinearbeit bemerkbar: Sie beeinflussen den Zeitfaktor beträchtlich, ermöglichen eine objektivere Analyse und somit den Einsatz der Analyseergebnisse in Studien, und sie fördern den Kommunikationsaustausch zwischen Medizinern. Bei der standardisierten Analyse wurden zwei unterschiedliche Strategien herausgearbeitet die sich hinsichtlich ihrer Benutzerinteraktionen unterscheiden: Die vollautomatische Analyse und die benutzerunterstützende Analyse. Bei der vollautomatischen Analyse werden ausschließlich automatisch ablaufende Aktivitäten eingesetzt, so dass nach dem Setzen der Initialparameter und dem Starten des Analyseworkflows keine weitere Benutzerinteraktion mehr erforderlich ist. Bei der benutzerunterstützenden Analyse können in einem Analyseprotokoll automatische mit semiautomatischen und manuellen Verfahren kombiniert werden. Dies vergrößert den Einsatzbereich erheblich, da in vielen Fällen keine ausreichend robusten automatischen Algorithmen zur Verfügung stehen. Beide erwähnten Ansätze wurden im Rahmen dieser Arbeit implementiert und ausgewertet. Der vollautomatische Ansatz wurde als webbasiertes System für die Analyse von intrakraniellen Aneurysmen realisiert. Der Mediziner sendet hier seine Patientendaten an einen webbasierten Service, der die Analyse automatisch durchführt und die Ergebnisse in Form von digitalen Videosequenzen an den Mediziner zurücksendet. Der genaue Ablauf der Analyse wird in einem Analyseprotokoll mit ausschließlich automatischen Aktivitäten beschrieben. Das System nutzt zur schnelleren Durchführung der Analyse einen PC-Cluster der Universität Stuttgart. Beim benutzerunterstützenden Ansatz wurde ein Workflow, der den Benutzer während der Befundung führt, in eine bestehende Postprocessing-Applikation integriert. Ohne diese Benutzerunterstützung waren bisher sehr gute Kenntnisse im Umgang mit der Applikation und ein hoher Grad an Benutzerinteraktion erforderlich. Am Beispiel der Analyse der Temporallappenepilepsie wurden automatische und semiautomatische Algorithmen kombiniert. Das standardisierte Protokoll wurde hierfür um Aktivitäten erweitert, die Benutzerinteraktionen ermöglichen. Während einer Benutzerinteraktion werden dem Benutzer konkrete Handlungsanweisungen gegeben sowie die für den aktuellen Arbeitsschritt notwendigen Eingabedialoge, Layouts und Tools automatisch aktiviert. Dadurch erübrigt sich das zeitaufwändige Navigieren innerhalb der Applikation, wodurch sich die Effizienz erhöht. Die Auswertung beider Systeme zeigte, dass die Verwendung solcher standardisierter Protokolle das medizinische Personal bei der täglichen Routinearbeit, aber auch bei der Erstellung wissenschaftlicher Studien, stark entlastet und dass die Qualität hinsichtlich der Bildverarbeitungs-Ergebnisse vergleichbar ist mit der Qualität bisheriger Ergebnisse, die durch manuelle Bearbeitung der Daten bzw. durch die konventionelle Verwendung von Postprocessing-Applikationen erzielt wurden. Dadurch stieß der Ansatz der standardisierten Bildanalyse bei den Medizinern auf große Akzeptanz.Item Open Access Parallel visualization and compute environments for graphics clusters(2010) Strengert, Magnus; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Parallelism evolved into the primal driving force for progressing the performance of nearly all of today's processing platforms, ranging from mobile devices, over personal computers, to the world's most powerful supercomputers. Whether it is simultaneously executing multiple threads on a modern central processing unit (CPU), or utilizing the massively parallel processor arrays of recent graphics processing units (GPUs); whether it is scaling performance by employing a multiplicity of each of such processor in a single system, or using large cluster environments composed of hundred of thousands of such processing units, parallelism forms the hardware foundation to approach almost all of today's most demanding compute and visualization challenges. However, making highly efficient use of all the theoretically available distributed processing power remains the key challenge to successfully scale the actual performance to solve a given task. This thesis addresses the challenges of efficiently leveraging all levels of parallelism inherent to graphics cluster systems - an interconnected compound of processing nodes equipped with GPUs - for the purpose of distributed visualization as well as parallel general purpose computing. Various algorithms and techniques have been developed that are well suited for parallel execution and also serve as building blocks for utilizing the next higher levels of parallelism. The introduced single-pass volume ray casting technique allows for near-optimal usage of the parallel processor array of a single GPU while still maintaining a high level of flexibility. GPU-based pyramidal filtering techniques enable a new, highly adaptive volume sampling algorithm, which is well suited for high output resolutions. Both techniques allow to offload visualization workload from the CPU, which in turn opens up the CPU's parallel processor cores to be leveraged for other tasks, such as data compression or image processing. For that purpose, a highly optimized alpha compositing operator has been introduced allowing to utilize both, the vector parallelism and thread parallelism of modern CPUs. Combining those methods provides the basis for a well-balanced, distributed visualization environment, that uses all available processing units inside a single node and across graphics cluster systems. Likewise, those building blocks also allow to address some of major challenges of these higher levels of parallelism, such as data distribution, inter-node communication, as well as workload balancing. Besides the focus on efficiently utilizing GPU clusters, this thesis also makes important contributions towards bridging the Programmability Gap - referring to the lagging support of programming models and developer tools targeting such massively parallel hardware architectures. By means of an existing compute programming language targeted for a single graphics processor only, an extended programming environment has been introduced that demonstrates seamless scaling of compute applications from a single GPU up to large graphics cluster setups, while still providing a single, consistent programming interface to the developer. From the large-scale parallelism of GPU cluster systems back to low-level parallelism exposed by the processor array of a single GPU, new parallel-aware developer tools are presented, which for the first time allow for single-step debugging of all programmable pipeline stages of modern graphics processors. While designed in the context of GPU clusters, many of the introduced algorithms and tools also apply to other already existing or upcoming processor platforms, such as FPGA-based accelerator cards, many core CPUs, as well as hybrids combining processing cores from today's CPUs and GPUs. In a more general sense, the concepts may be applicable to any architecture that share the common underlying principle of parallelism.Item Open Access Discontinuous Galerkin methods for two-phase flows in porous media(2010) Grüninger, ChristophIn this work two-phase flows in porous media are simulated numerically with Discontinuous Galerkin methods. The three methods Symmetrical Interior Penalty Galerkin method (SIPG), Non-symmetrical Interior Penalty Galerkin method (NIPG) and the scheme from Oden, Babuška and Baumann (OBB) are considered. The terminology and the examples are taken from soil science. First the Richards equation is solved using these methods. Then a two-phase flows problem in the saturation/pressure formation is solved with OBB and NIPG. The numerical methods are implemented using the software toolkit PDELab. They are tested with examples from other publications. Weighted averages for absolute and relative permeabilities are examined.