Universität Stuttgart
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Item Open Access Interactive visualizations for multivariate weather data on smartwatches(2024) Rohwer, Jakob MoritzDer Markt für Smartwatches wächst schnell und birgt viel Potenzial. Doch der kleine Bildschirm der Geräte stellt Entwickler vor neue Herausforderungen, wenn es um Visualisierung geht. Das gilt insbesondere für komplexere Darstellungen. Für Wetterdaten gibt es viele komplexere Möglichkeiten der Visualisierung, sei es der Temperaturverlauf dargestellt als Diagramm oder die Luftfeuchtigkeit als Fortschrittsanzeige. In dieser Arbeit wird die neue Wetterapplikation WeDaVis vorgestellt, welche neue Arten der Visualisierung für Wetterdaten benutzt. Wie die Ergebnisse unserer Studie gezeigt haben, präferierten die Teilnehmer keine bestimmte Art der Datenrepräsentation, sondern stattdessen hingen die Präferenzen von der Art der Wetterinformation ab. Teilnehmer präferierten die Visualisierungen von WeDaVis bei eher ungewöhnlicheren Daten, wie zum Beispiel der Windstärke oder dem Luftdruck. Textbasierte Darstellungen wurden präferiert, wenn es um bekanntere Informationen, wie die Temperatur, ging. Weitere Ergebnisse der Studie zeigten, dass Möglichkeiten der Interaktion visualisiert werden sollten, denn sonst hatten die Teilnehmer Probleme, diese wahrzunehmen. Da sich die Interessen der Teilnehmer für verschiedene Wetterinformationen unterschieden, sollten Applikationen dementsprechend anpassbar sein, und sollten ungefähr sechs Datenrepräsentationen auf einem Bildschirm anzeigen. Da das Forschungsgebiet der Wetterinformationen relativ neu ist, strebte dieses Projekt an, zu dieser Forschung beizutragen, indem wir versucht haben, eine möglichst effiziente Wetterapplikation zu entwickeln, die auf die Benutzung auf der Smartwatch abgestimmt ist.Item Open Access Fully-polynomial-time approximation schemes for the Euclidean shortest path problem(2024) Schneewind, AxelThe shortest path problem is a well-studied problem in computer-science. For transport networks, there exist natural graph representations and highly efficient algorithms that can compute shortest paths on millions of nodes within milliseconds. In contrast, computing shortest paths in space (e.g. in R^2) poses some challenges. Shortest path computations in space have applications in robotics, naval routing or video games. As shortest paths in a continuum are hard to compute (with the Euclidean shortest-path problem in 3D even proven to be NP-hard), approximations can be necessary to obtain acceptable runtimes. In this thesis, an approximation scheme is studied that guarantees solutions with cost at most (1+ε) times the optimum. It uses a triangulation of the domain and, given ε, construct a discretization. By performing a Dijkstra search, one can then approximate shortest paths with the given quality guarantee. This scheme is implemented and its practicality evaluated on larger instances.Item Open Access Beschreibung und Analyse der W3C Browser Push APIs(2024) Lüers, AlinaDie W3C Push API bietet die Möglichkeit der asynchronen Kommunikation zwischen einem Browser und einem Anwendungsserver. Der Anwendungsserver kann Push Nachrichten an einen Push Service senden. Der Push Service speichert die Nachricht bis der Browser erreichbar ist oder die Nachricht verfällt. Wenn der Browser die Push Nachricht erhält, wird die Push Nachricht an den Service Worker weitergeleitet, der die Nachricht verarbeitet und gegebenenfalls dem Nutzer anzeigt. In dieser Arbeit wird die W3C Push API zunächst abstrakt beschrieben und darauf aufbauend eine informelle Sicherheitsanalyse durchgeführt. Dafür werden zunächst die der Analyse zu Grunde liegenden Angreifermodelle und Annahmen definiert. Anschließend werden die Sicherheitsziele Vertraulichkeit, Privacy, Verfügbarkeit, Authentifizierung, Autorisierung und Session Integrität untersucht. In der Analyse konnten dabei keine neuen, gravierenden Sicherheitsprobleme festgestellt werden. Anschließend wird die Implementierung der Push API in Firefox näher betrachtet. Dabei wird der Push Service autopush beschrieben und es werden die zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen aufgezählt.Item Open Access Augmented reality to improve electroencephalography (EEG) cap preparation(2024) Bocksch, YannikEEG (Electroencephalography) cap preparation requires a significant amount of time before actual measurements can be performed. It takes even longer for EEG caps that need some form of conductive gel or saltwater to decrease contact impedance between the electrodes and the scalp. In this thesis, several methods for detecting electrodes in a camera image and identifying detected electrodes are developed and evaluated for performance and reliability. Additionally, an application is developed that leverages augmented reality to visualize important values, like the impedance of electrodes, directly in the view of the operator. The proposed application runs on the Microsoft Hololens 2 that is used by the operator to overlay a visualization of impedance values of the electrodes over the electrodes themselves, which lets the operator see those values immediately. This reduces the time required to look at a separate device that shows impedance values and locate electrodes on the cap that require additional preparation. However, the identification of electrodes from the camera image does not work reliably enough with the proposed methods, and several ArUco markers, placed in predefined locations on the EEG cap, are used for aligning the virtual representation of the electrodes with the real electrodes.Item Open Access Gaze estimation error prediction of information visualizations(2024) Zeng, SichunAs eye-tracking technology gains prominent attention in Information Visualizations (InfoVis) research, the need for high accuracy and precision in eye-tracking data becomes increasingly critical. Gaze estimation error is a concept used in eye-tracking, that refers to the difference between the estimated and the true gaze position and direction. Unlike interactions involving physical contact, the visual focus can only be determined through estimation, making gaze estimation errors inevitable. To minimize these errors, calibration is typically performed, where users are asked to look at five or more points on the screen to establish baseline data for ground truth. All following eye-tracking experiments are then based on this calibration data. However, there are situations where calibration is not practical, such as in some remote or online studies or during dynamic activities, where the calibration process cannot be reliably controlled. To address this limitation, this paper proposes VisCaiNet, a deep-learning model that predicts gaze estimation error through post-hoc analysis, using duration, scanpath, scanpath length, and Hit Any AOI Rate (HAAR) as input features, with calibration error as the output. It can effectively discern between high and low-quality gaze data based on the predefined calibration criteria, offering a solution to the challenges posed by variable conditions and unfeasible calibration situations.Item Open Access Berechnung kürzester Wege mit negativen Kantenkosten(2024) Holtz, PatrickDas Kürzeste-Wege-Problem ist ein elementares Problem der Graphentheorie. Während sich für Graphen mit positiven Kantenkosten schon lange nahe-lineare Algorithmen wie der Dijkstra-Algorithmus etabliert haben, sind im Allgemeinen für Graphen mit beliebigen, also auch negativen Kantenkosten, nur Algorithmen mit schlechterer Komplexität bekannt. Bekannte Beispiele hierfür sind der Bellman-Ford Algorithmus oder der Goldberg-Algorithmus, die in O(nm) bzw. O(m√n log W ) laufen. Der 2022 vorgestellte Algorithmus von Bernstein et al. verspricht mit O(m log⁸(n) log W) erstmals eine nahe-lineare Komplexität, die die bestehenden Algorithmen in der Theorie verbessert. In dieser Arbeit wird Bernsteins Algorithmus vereinfacht und von Grund auf erklärt und eine praktische Implementierung vorgestellt. Außerdem wird durch Laufzeittests untersucht, wie Bernsteins Algorithmus im Vergleich mit ausgewählten bestehenden Algorithmen abschneidet. Die Tests erfolgen auf drei verschiedenen Graphklassen. Es konnte festgestellt werden, dass Bernsteins Algorithmus auf zufällig generierten Graphen mit etwa 106 Knoten um ein Vielfaches langsamer ist als eine effiziente Implementierung von Bellman-Ford (SPFA). Trotzdem konnte gezeigt werden, dass die nahe-lineare Komplexität erreicht wird. Somit ergibt sich bei der Anwendung auf praktische Probleme für Bernsteins Algorithmus kein Laufzeitvorteil, weshalb er die anderen Algorithmen erst bei weitaus größeren Eingabegraphen zeitlich überbieten kann.Item Open Access Inferring other agents' goal in collaborative environments using graphs(2024) Werbke, RubenKI findet sich heutzutage in Smartphones, Assistenzsystemen und diversen Internetanwendungen. Die Steuerung mechanischer Systeme, wie etwa bei selbstfahrenden Autos, übernimmt sie bisher allerdings nur in wenigen speziellen Fällen. Bevor sich diese Fälle häufen, ist es wichtig zu lernen, wie man KI so konzipiert, dass sie auch in Umgebungen mit anderen Teilnehmern einen nützlichen Beitrag leisten kann, ohne Menschen zu gefährden oder ihnen im Weg zu sein. Um diese soziale Intelligenz zu testen, wurde die „Watch-and-Help“ Challenge entworfen, in welcher ein Zusammenleben einer KI mit Menschen simuliert und evaluiert wird. Während der Zuschauphase (Watch), soll die KI verstehen, welche Aufgabe der Mensch derzeit erledigt. Ursprünglich hat die KI in dieser Phase zur Wahrnehmung ihrer Umgebung, diese mittels eines Transformers kodiert. Wir haben getestet, ob es möglich ist, den Transformer durch ein Graph Neuronales Netz auszutauschen, da diese sich in der Kodierung von Umgebungen sehr leistungsfähig gezeigt haben. Weiterhin haben wir die Auswirkung verschiedener Relationen im Umgebungsgraphen auf die Fähigkeiten unseres Netzwerkes untersucht. Schlussendlich gehen wir auf die Probleme mit der aktuellen Implementierung ein, und was es für Ansätze gibt, damit umzugehen.Item Open Access Future-proof scheduling heuristics for TTEthernet(2024) Haas, RicoTime-triggered networks run on a premade schedule to ensure that all messages arrive at their destination on time and without being dropped. They are deployed in safety-critical environments like airplanes, cars, but also factories. Online scheduling algorithms can create schedules for such networks in mere seconds while also being able to modify an existing schedule. With an algorithm of this kind, new devices can be plugged into its time-triggered network and start interacting with it in seconds, without manual setup. We propose modifications for improving two already existing online scheduling algorithms: Hierarchical Heuristic Scheduling (H2S) and Cost-Efficient Lazy Forwarding (CELF). We call these modifications "relaxed jitter", "backward rifts", and "gap closing". Our modifications achieved about 550 MBit/s more aggregated throughput while only increasing solving time by 2.5ms in a network with 25 switches.Item Open Access Generierung von Minecraft Welten aus OpenStreetMap-Daten(2024) Dürr, FriedrichDiese Arbeit erforscht die Konvertierung von OpenStreetMap-Daten in spielbare Minecraft Welten. Durch die Nutzung von Höhendaten und Daten aus OpenStreetMap (OSM) wird eine nahtlose Integration von realen Straßen, Gebäuden und Geländemerkmalen in Minecraft ermöglicht. Der Fokus liegt auf der Automatisierung des Prozesses, um vom Nutzer ausgewählte OSM-Datensätze effizient in Minecraft zu übertragen. Verschiedene Herausforderungen wie Datenaufbereitung, Effizienz und Detailgenauigkeit werden untersucht, um realistische Minecraft-Welten zu schaffen. Die resultierenden Welten dienen nicht nur als unterhaltsame virtuelle Umgebungen, sondern auch als nützliche Schablone, um die echte Welt in Minecraft nachzubauen und als Werkzeug für städtische Planung und Geoinformatik-Anwendung.Item Open Access Bound states in the continuum in cuprous oxide quantum wells(2024) Aslanidis, AngelosExcitons were first introduced in the 1930s by J. A. Frenkel, as the quanta of the excitation of an electron in a semiconductor. When an electron in a semiconductor is excited, it leaves behind a positively charged electron hole. The electron and hole, bound by the Coulomb force, form a quasi-particle known as an exciton. This exciton, made up of both a negative and a positive charge, can be thought of as the solid-state analog of a hydrogen atom. The first experimental observation of excitons was made by Gross and Karryev in Cu2O in 1952. This thesis specifically explores Wannier-Mott excitons. Due to different bandgaps of the adjoint materials, the exciton can be considered trapped in a quantum potential well. Moreover, the higher quantum-confinement subbands couple with the continuum of the lower ones, resulting in resonance states above the scattering threshold. Under certain circumstances, some resonance states appear to have an infinite lifetime, which means these states are bound. These so-called bound states in the continuum (BIC) are the main subject of this thesis. They will be further investigated by approximating an exciton trapped in a cuprous oxide quantum well through quantum defect theory (QDT) and comparing it with numerically precise calculations based on a large B-spline basis. First, there will be a theoretical introduction to excitons in general. Further, the QDT will be explained, and the method of approximating the system will be detailed. After that, the method of approximating the wavefunctions in a B-spline basis together with the complex-coordinate-rotation method will be explained. Lastly, the results of both methods will be compared and discussed.